The effect of vehicle velocity on viscoelastic response of flexible pavements
Esnek üstyapılarda taşıt hızının üstyapının viscoelastikdavranışı üzerindeki etkisinin incelenmesi
- Tez No: 677312
- Danışmanlar: PROF. DR. ABDULLAH HİLMİ LAV
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Ulaşım, İnşaat Mühendisliği, Transportation, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Ulaştırma Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 131
Özet
Bir ülkenin ekonomik düzeyi, devletin yol altyapısına yansır. Her gelişmiş ülke, güvenli, verimli, kullanışlı, kaliteli ve uygun maliyetli yol ağı altyapısına öncelik verir. Bilinen teknolojisi, hızlı yapımı ve bakım kolaylığı ile birlikte esnek asfalt kaplama, en yaygın kullanılan kaplama şeklidir. Asfalt kaplamalar için deneyime ve tarihsel ampirik gözlemlere dayanan esnek üstyapı katalogları kullanılmaktadır. Bazı durumlarda, örneğin yeni veya yeniden inşa edilmiş kaplamanın beklenenden daha hızlı bozulduğu durumlarda, standartlaştırılmış kataloglar etkisiz hale gelir. Bu, özellikle tasarım yükünün hafife alındığı (ağır araç trafiği nedeniyle) yol kısımlarında ve ayrıca hızlanma, yavaşlama ve statik yüklerin oluşabileceği alanlarda önemlidir (Vaitkus ve diğerleri 2014a, 2014b). Benzer şekilde, iklim değişikliği, alışılmadık derecede aşırı yüksek ve düşük sıcaklıklar ve bunların sıklığı ve uzunluğundaki artış, kaplama üzerinde bir etkiye sahiptir ve geçmişte ampirik olarak deneyimlenenden farklı verimlilik ve bozulmaya katkıda bulunur (Wistuba ve Walther, 2013). . Yol yüzeyi ve yol konstrüksiyonu, yoğun ve inanılmaz derecede sert trafik yükü ve sıcaklık koşullarına maruz kalmaktadır. Sonuç olarak, üstyapı tasarım süreçleri ve deneysel modeller düzenli olarak değiştirilmeli, gözden geçirilmeli ve güncelemelidir. Üstyapı mühendisleri, üstyapı katmanlarındaki gerilmeler ve gerinimler gibi üstyapı tepkilerini değerlendirmelidir. Üstyapı çok katmanlı bir yapı olduğu için esnek üstyapıların analizi zor bir iştir. Kaplama geleneksel olarak katmanlı elastik teori kullanılarak ölçülen gerilimler ve gerinimlerle katmanlı elastik bir yapı olarak düşünülür (Yoder ve Witczak, 1975). Tasarım evrimine hızlı bir şekilde geri dönersek, 1930'larda 1950'lerde CBR, AASHTO yöntemi, bunlar ampirik tabanlı yöntemlerdi ve bazıları Boussinesq (1885) çözümüne dayalı bazı mekanik değerlendirmeleri içeriyordu. Boussinesq (Boussinesq, 1885), zeminlerin lineer-elastik bir madde olarak modellendiği, üstyapılarda ilk yapısal analiz deneylerini gerçekleştirdi. Daha sonra 1970'lerde ve 80'lerde, ampirik yöntemlerin bazı mekaniklerle zenginleştirildiği ampirik bir mekanik yaklaşım vardı, bu esas olarak yerleşim alanı için bir Burmister (1943) çözümüne dayanıyordu. Boussinesq'in teorisi çok katmanlı bir elastik modele genelleştirildi ve Burmister (Burmister, 1943, 1945) iki ve üç katmanlı tabakalar için çözümler sunan ilk araştırmacı oldu. Esnek üstyapıların incelenmesi ve inşası için katmanlı elastik teorisi sistematize edilmiş ve yaygın olarak kullanılmaktadır. Teori son yıllarda genişletildi ve KENLAYER (Huang, 1993), JULEA (Uzen, 1994), BISAR (Hildebrand, 2002) gibi farklı kod sistemleri oluşturuldu. En son olarak mekanik ampirik üstyapı tasarım kılavuzu olan NCHRP 1-37A (2004) yayınlandı. Tasarımın mekanik kısma biraz daha fazla önem verildiği ama yine de burada, hala birçok ampirik bileşen var. 1930'lardan günümüze kadar olan bu evrim, temel olarak mekanikler lineer elastisitedir ve yükler sistem üzerine statik olarak uygulanır. Şimdi, araştırmalar tamamen mekanik bir tasarım yöntemine doğru çalışırken, mekaniğe daha fazla vurgu yapılan ve lineer bir viskoelastisitenin ve hareketli yüklerin de dahil edildiği en son çözümü içeren ikinci nesil olarak mekanik ampirik bir yaklaşım için bir gelecek olabilir ve var. Asfalt betonu, viskoelastik bağlayıcısı nedeniyle yüzey tabakasının zamana bağlı bir davranışa sahip olduğu karmaşık çok katmanlı bir yapı olarak sınıflandırılır. Daha önceki araştırmaların çoğu, elastik malzemenin davranışıyla sınırlıydı. Asfalt karışımları için daha makul yapısal tepkiler elde etmek, mekanik üstyapı tasarım yöntemlerinde zor bir konu olmaya devam etmektedir. Bu tür malzemelerin doğru simülasyonu için viskoelastik yapı modellerinin kullanılması gereklidir (Wang Birgisson ve Roque, 2007). Bu malzemelerin mekanik davranışını matematiksel olarak modellemedeki temel zorluk zamana bağımlılıktır, bu da cevabın sadece mevcut girdinin bir fonksiyonu değil, aynı zamanda geçmiş girdi geçmişinin bir fonksiyonu olduğu anlamına gelir ve bu tür problemlerin çözümünü tipik doğrusal elastik problemerden daha karmaşık hale getirir. Sonuç olarak, basit problemlere viskoelastik çözümler genellikle aynı elastik çözümler kullanılarak hesaplanır. Bununla birlikte, viskoelastik bileşen ilişkilerinin zorluğundan dolayı bu sadece basit geometriler veya idealleştirilmiş limitler durumunda mantıklıdır. Mevcut mekanik tasarım standartlarının çoğunda (Shell International Petroleum Company, 1978; AI, 1999; Theyse ve diğerleri 1996; IRC, 2001; IRC, 2004; Austroads, 2004) çok tabakalı üstyapı çalışması sırasında tabakanın elastik olması gerekiyordu. Mekanistik Ampirik Kaplama Tasarım Kılavuzunun (2004) AC katmanını viskoelastik olarak kabul etmesine rağmen, eşdeğer elastik modül olarak adlandırılan belirli bir frekans ve sıcaklıkta bir dinamik modül (E*) kullanarak çok tabaklı doğrusal elastik analizini etkin bir şekilde gerçekleştirir. Ayrıca, gramüler tanecikli malzemelerin doğrusal olmadığı, yani gerilime bağlı modüller olduğu da yaygın bir bilgidir (Hicks ve Monismith, 1971; Witczak ve Uzan, 1988; Ooi ve diğerleri, 2004). Strese bağlı granüler katmanlara sahip esnek kaplamanın modelleme yanıtı, bilgisayar yoğun yinelemeli bir analizi içerir. Çoğu standart (Shell International Petroleum Company 1978; AI 1999; Theyse ve diğerleri 1996; IRC 2001; Austroads 2004), bu zorluğu azaltmak için granüler tabakanın elastik olduğunu varsaymaktadır. Esnek kaplamaların tasarımında ve analizinde iki tür önemli şekil değiştirme görülür: bitümlü tabakanın altında yatay çekme gerilmesi (fatigue) ve alt zeminin tepesinde dikey basma gerilmesi (rutting). Esnek üstyapılardaki tekerlek izi ve yorulma gibi erken bozulmalar, yüksek şiddet ve yoğunluklarının yanı sıra üstyapı performansı üzerindeki önemli etkileri nedeniyle en ciddi şiddetli sorunlar olarak kabul edilir. Emperik bir yöntemin dezavantajı, yalnızca bir dizi çevresel, malzeme ve yük parametresinin uygulanabilmesidir. Bu koşullar değiştirildiğinden ve yeni koşullarla tutarlı olması için test ve hata yoluyla yeni bir yaklaşımın geliştirilmesi gerektiğinden sistem artık doğru değildir. En modern üstyapı yapısal tasarımında mekanik-ampirik (M-E) bir yaklaşım kullanılmaktadır. Ampirik bir yaklaşımın aksine mekanik bir teori, fenomenleri tamamen fiziksel nedenlerle ilişkili olarak tanımlamaya çalışır. Mekanikampirik yöntemler, ampirik yöntemlerden bir adım daha ileridir. Mekanik teorisi, trafik yükü ve iklim nedeniyle kaplama yapısında oluşan gerilme ve şekil değiştirme koşullarını tahmin eder. Yapının bozulma tahminleri ve tepkileri ampirik modellerle bağlantılıdır. Yenilmeye kadar olan yükleme döngülerinin sayısını hesaplayan ampirik olarak türetilmiş denklemler, fiziksel olaylar ve kaplama hatası arasındaki ilişkiyi açıklar. Bu fenomenler ve fiziksel nedenleri arasındaki ilişkiyi açıklamak için genellikle istatistiksel bir model kullanılır. İlk olarak, kalıcı deformasyonu azaltmak için bir başarısızlık kriteri olarak alt zeminin tepesinde dikey sıkıştırma basıncının kullanılması ilk olarak Kerkhoven & Dormon (1953) tarafından önerildi. Daha sonra, yorulma çatlamasını azaltmak için Saal ve Pell (1960), asfalt tabakasının tabanında yatay çekme şekil değiştirmesi kullanmayı önerdi. Dormon ve Metcalf (1965), bu fikirleri kendi üstyapı tasarımlarına uygulayan ilk kişilerdi. Shell yöntemi (Claussen ve diğerleri, 1977) ve Asphalt Institute yöntemi (Shook ve diğerleri, 1982) Dormon ve Metcalf gibi devam etti, bu nedenle her ikisi de mekanik-ampirik tasarım yöntemlerinde gerinim kriterlerini kullandılar. Mekanistik yaklaşımların faydaları arasında artan tasarım verimliliği, tehlike türlerini tahmin etme yeteneği ve küçük alan ve laboratuvar sonuçlarından tahminde bulunma yeteneği yer alır. Bunlar, mekanik-ampirik bir kaplama tasarım yönteminin katı bir şekilde ampirik olana göre birincil faydalarından bazılarıdır. Mevcut kaplamaları onarmak ve yeni kaplamalar inşa etmek için kullanılabilir, çeşitli yük kategorilerini kaldırabilir, malzemeleri karakterize etmeye yardımcı olabilir, gerçek dünya kaplama verimliliği ile daha yakından ilgili malzeme özelliklerinden yararlanır, daha doğru performans tahminlerine izin verir, inşaatın işlevini netleştirir ve iklim ve yaşlanmanın malzemeler üzerindeki etkisini hesaba katar. Esnek üstyapıların doşemesi viskoelastiktir, ancak esnek üstyapıların analizinde viskoelastik modeller üzerine çok fazla çalısma yapılmadı. Bunun nedeni, viskoelastik bir malzemenin genellikle zamana bağlı bir özelliğe sahip olması ve ayrıca esnek bir kaplamanın, modelleme çalışmasını daha da karmaşıklaştıran katmanlı bir yapı olmasıdır. Viskoelastik bir asfalt tabakası genellikle esnek kaplamalarda doğrusal olmayan stabilize veya granular tabakalar üzerindedir. Çok tabanlı elastik analiz, geleneksel olarak tasarım ve ters analizler için esnek kaplamaların davranışını elde etmek için kullanılır. Ancak, asfalt kaplamanın doğrusal elastik davranan bir malzeme olduğunu düşünmek, gerçek davranışının aşırı basitleştirilmesidir. Asfalt bağlayıcı viskoz bir sıvı olduğundan, AC oluşturmak için elastik agrega ile birleştirildiğinde viskoelastisite gereklidir. Modifiye asfalt betonu oluşturmak için, normal olarak AC'ye geleneksel bir viskoelastik malzeme olan polimer uygulanır. Sonuç olarak, viskoelastisite AC'nin kaçınılmaz bir özelliğidir. Viskoelastik malzemelerin esnek kaplamaya uygulanmasının uzun bir geleneğe sahip olmasına rağmen, viskoelastisite ilkesi ilk olarak Ferry'nin kitabında (1970) ayrıntılı olarak ele alınan polimerlerin analizinde geliştirilmiştir. Bitümlü bağlayıcının bileşimi nedeniyle, asfalt karışımı çoğu yükleme ve sıcaklıkta viskoelastik bir madde gibi davranır, sadece düşük sıcaklıklarda elastik ve kırılgandır. Asfalt tabakalarının bu viskoelastik davranışı, çeşitli trafik yükleri ve sıcaklık koşulları altında test edilmeli ve sonuç olarak üstyapı tepkileri ve çıktıları tahmin edilmelidir. Bunu başarmak için asfalt karışımlarının karmaşık modülü ve faz açısı farklı sıcaklıklarda ve dinamik yükleme frekansı koşullarında ölçülmelidir. Bu çalışmada, üst katmanın viskoelastik asfalt betonu, ikinci tabakaların doğrusal olmayan bir temel ve üçüncü katmanın elastik bir alt kat olduğu beş çok katmanlı konfigürasyon tasarlanmıştır. Tüm konfigürasyonlara hareketli bir yük uygulanmıştır. üstyapının analizini Yang H. Huang tarafından geliştirilmiş olan KENPAVE programı yardımıyla gerceklesmiştir. Bu programla, her konfigürasyon için izin verilen yük değerleri analiz edilir. Daha fazla bilgi almak için yükler de farklı hızlarda taşındı. Ve farklı hızlarda hareket eden tüm yükler analiz edildi. KENPAVE'ye göre tüm konfigürasyonlar için çıktılar ve tüm hızların grafikleri çizildi ve sonuçlar analiz edildi ve tartışıldı. Bitümlü tabakanın kalınlığı arttıkça bir kaplamanın tasarım ömrünün arttığı bulunmuştur, bu da AC tabaka kalınlığı ile izin verilen yük itibarı arasında açık bir ilişki olduğu anlamına gelmektedir. Ayrıca, bir yükün hızı arttıkça bir kaplamanın tasarım ömrünün arttığı bulunmuştur, bu da burada hız ile izin verilen yük itibarı arasında doğrudan bir ilişki olduğu anlamına gelir.
Özet (Çeviri)
Viscoelasticity was a classic idea but it has not been applied too successfully to the modeling of flexible pavement, even though it has been characterized for several years in asphalt concrete (AC). The key reason is that a viscoelastic material often has a very time-dependent property and also that a flexible pavement is a layered structure which further complicates the modeling work. A viscoelastic asphalt layer is usually supplemented by nonlinear unbound/bound layers in flexible pavements. The multilayered elastic analysis is traditionally used to obtain the response of flexible pavements for design and inverse analyses; however, considering asphalt pavement to be a linear elastic substance is an oversimplification of its actual nature. In this work, five multi-layered configurations are designed, where the top layer is viscoelastic asphalt concrete, the second layer is a nonlinear base and the third layer is an elastic subgrade. A moving load was applied to all configurations. To help in analysis KENPAVE software is used, knowing that it was designed by Yang H. Huang, who design this program to be mechanical-empirical software. Utilizing the software, allowable load reputations are analyzed for each configuration. To get more information loads moved at different speeds too. And all loads that move at different velocities were analyzed. According to KENPAVE outputs for all configurations and all velocities graphs were plotted and results were analyzed and discussed. Results are presented in percentages so the understanding and reading of them will be much easier. It was found that the design life of a pavement increases as the thickness of the bituminous layer increases, that means there is a clear relationship between AC layer thickness and allowable load reputation. Also it was found that the design life of a pavement increases as the speed of a load is increased, that means we have also here direct relationship between velocity and allowed load reputation.
Benzer Tezler
- Taşıt lastiklerinin dinamik karakteristiklerinin ölçülmesi
Experimental analysis of dynamic characteristics of pneumatic tires
ÖZGEN AKALIN
- Bond Graf metodu ile taşıt süspansiyon sisteminin modelleme ve similasyonu
Modelling and simulation of vehicle suspension system using Bond Graph method
NURKAN YAĞIZ
Doktora
Türkçe
1993
Makine Mühendisliğiİstanbul ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FAHRETTİN ARSLAN
- Biyolojik sistemlerden esinlenilmiş, atımlı jet itme sistemine sahip bir su altı aracının kavramsal dizaynı ve itme veriminin sayısal değerlendirmesi
Conceptual design of a biologically inspired pulsed-jet underwater vehicle and numerical evaluation of propulsive efficiency
MUSTAFA KEMAL ÖZALP
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi ve Deniz Teknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDİ KÜKNER
- Seyir dirençlerinin tespiti ve dinomometre simülasyonu için taşıt datalarının hazırlanması
Determination of road resistances and vehicle data preparation for dynamometer simulation
S.FEZA ERYURTLU
- Taşıt kliması performansının deneysel araştırılması
Experimental performance investigation of an automobile air conditioning
REFİK ÖZMEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Teknik EğitimSelçuk ÜniversitesiMakine Eğitimi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUAMMER ÖZGÖREN