Geometric factors in roadway drainage
Yol drenajında geometrik faktörler
- Tez No: 752896
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ALİ UYUMAZ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Hidrolik ve Su Kaynakları Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 117
Özet
Yağış esnasında ve hemen sonrasında karayolları birer kanal görevi görürler. Dolayısıyla, yolların yüzeysel drenajı, yolun kendisi, kullanım sağlayanlar, ve yol çevresindekiler için büyük önem taşımaktadır. Drenajı düzgün tasarlanmayan otoyollar farklı yönlerden tehlike oluştururlar. Motorlu araç ve kullanıcıları açısından su sıçramaları görüş mesafesini sıfıra kadar indirebilmekteyken, biriken sular manevra hakimiyetini ortadan kaldırabilmekte, trafiği yavaşlatmakta, ve belli hız değerlerinde ilerleyen taşıtlar için yol yüzeyindeki su filmi kalınlıgının eşik değerin üzerine çıkması lastiklerin yerle kontağını keserek özellikle yol tasarımından kaynaklanan hidroplan (su yatagi) riski oluşturmaktadır. Diğer taraftan saglıksız drenajın yaya, bisikletli, ve engelliler için oluşturacagı olumsuzluklar aşikardır, ki buna kontolsüz motorlu araç trafiği de eklendiğinde büyük riskler oluşmaktadır. Özellikle bordürlerin yer aldığı yollar yüksek debiler biriktirebileceğinden, akım kontrolü sağlanamadığı takdirde çevreye de riskler oluşturur. Bunların yanı sıra, özellikle düzlemsel yüzeyini koruyamayan yollarda ve su alma açıklıklarının doğru planlanmadığı bölgelerde, biriken sular yol gövdesine nüfuz ederek, alttemele zarar verebilmekte, bu da kaplamaya zarar vereceğinden hem sürüş konfor ve güvenliğini etkilemekte, hem yol onarım masraflarını arttırmakta, ve hem de yolun ömrünü kısaltmaktadır. Donma noktasının altına düşen sıcaklıklarda, yagmur suyu veya günün sıcak saatlerinde eriyen kar suları tahliye edilmediği takdirde donup genleşeceginden, yola tahribati kronik hale getirmektedir. Bu tür yollarda ilerlemekte olan trafikte sürücüler oluşan deformasyonlardan uzaklaşmak için şerit ihlallerine yol açmakta, bu da trafikte, özünde yine drenaj problemlerinin yol açtığı, aksamalar ve tehlikeler oluşturmaktadır. İstatistikler olumsuz hava koşullarının kaza riskini arttıdığını ortaya koymaktadır, fakat bu kazaların birçoğu kullanıcı kaynaklı olarak sınıflandırılmaktadır ve istatistiklere göre yol kaynaklı hatalar ülkemizde oldukça düşüktür. Fakat, hem bireysel tecrübelerimiz var olan yolların olumsuz hava koşullarına çok da uygun olmayabildiğini göstermekteyken, hem de bu durum son yıllarda özellikle batı ülkelerinde pekçe kabul gören güvenli sistem tetkiki (safe system approach), anlayışına terstir. Bu sistem kapsamında kullanıcı hataları ve sonrasındaki etkiler minimize edilmeye çabalanir. Birleşmiş Milletler, mesela, 2030 yılına kadar yol kazalarındaki ölüm ve yaralanmaların bu kapsamda yarıya indirilmesini hedeflemektedir. Güvenli sistem tetkiki, hataların insan kaynaklı sınıflandırılmasının mazeret kabul edilemeyecegini benimser. Bu doğrultuda, olumsuz hava şartlarının sebep olduğu kazaların minimize edilebilmesi amacıyla, yol tasarım ve drenajının yeniden gözden geçirilmesinde fayda vardır. Yol tasarımı, genel kabül gören bazi durumlar dışında, ülkeden ülkeye ve hatta şehirler arasında farklılıklar oluşturabilir. Bu bir taraftan anlaşılabilirdir çünkü topografya, yağış rejimi, ve bölgenin gelişmişliği hem eşik değerlerini ve hem de beklentileri şekillendirmektedir. Diğer taraftan, özellikle araştırma bazlı somut xxvi gerçekler vardır ve belirli düzeyde bir standard oluşmuş durumdadır. Drenaj açısından incelendiğinde, yolun kendini drene edebilecek kapasiteye sahip olması büyük önem tasımaktadır; bunun sağlanabilmesi için, yol yüzeyinin düzlemsele yakın olması su akışının bloke edilmesini ortadan kaldıracağından büyük avantajlar taşımaktadır. O halde düzlemsel olarak ele alabildiğimiz yol yüzeyinin açısal olarak konumlandırılışına gerekli önem verilirse, yanal eğim sayesinde yüzeye gelen yağış bordüre yönlendirileceğinden ve yolun boyuna eğimi sayesinde akışına devam edeceğinden, yağışın araç trafiğine etkisi belli ölçülerde azaltılmış olur. Bu eğimlerin değerlerinin belirlenmesinde sürücü konforu ve farklı kaynaklı kazaların minimize edilmesi göz önünde bulundurulmasının yanı sıra, tasarım yağış şiddetine bağlı olarak oluşturacakları film kalınlıklarının su yatağı oluşturmayacak şekilde düzenlenmiş olması taşıt güvenliği açısından büyük önem taşımaktadır. Diğer taraftan, eğim değeri su girişlerinin kapasitelerini de doğrudan etkilemektedir. Bu bakımdan, enine ve boyuna eğim değerlerinin etkilerinin doğru tespiti önemlidir ve bu çalışmada tekdüze enine eğim ve sıfır dışı boyuna eğim değerlerinin etkileri incelenmiştir. Bu kapsamda bu çalişmada öncelikle su yatağı yani hidroplana eğimin etkileri farklı yol genişlikleri ve yağış şiddetleri için araştırılmıştır. Bunu yaparken yüzey suyu için kinematik dalga yaklaşımından istifade edilerek bir derinlik hesaplama modeli oluşturulmuş, ve farklı eğim değerleri için bu model kullanılarak elde edilen su derinliklerinin deneysel olarak farklı araştırmacılarca tespit edilmiş olan hidroplan tehdidi oluşturan kalınlıklarla kıyaslanmıştır. Normal şartlarda, topografyanın boyuna eğime etkisi kaçınılmazdır; artan boyuna eğimler ise, eğer enine eğimlerle dengelenmezlerse, su yolu uzunluğunu arttırmakta ve film kalınlıklarının tehlikeler oluşturabilecek düzeylere yükselmesine yol açmaktadır. Bu açıdan farklı değerler için sonuçların incelenmesi önem taşımaktadır. Güvenlik kısıtlamaları göz önünde bulundurulunca enine eğimler maximum %6'ya kadar incelenmiş ve eğim değeri arttıkça eğimin su derinliğine etkisinin azaldığı gözlemlenmiştir. Örneğin enine eğim degerinin %1'den %2'ye çıkarılması ile %5'den %6'ya çıkarılmasının (aradaki fark eşit olsa da) su yüksekliğine etkisi aynı değildir; dolayısıyla bu durum yol konforu ve güvenliği de dikkate alınarak bir değerlendirme yapılmalıdır. Çalışmanın sonuçları göstermiştir ki, enine eğim optimizasyonu olumsuz hava koşullarının yol açabileceği su yataği problemlerini önemli ölçüde bertaraf edebilmektedir. İklim şartları da göz önünde bulundurularak—donma olaylarının yaşandığı bölgelerde kış sürüş güvenliği açısından enine eğim artımında dikkatli olunmalıdır—enine eğimler şekillendirilirken, yol yüzeyi su miktarlari değerlendirmede aktif bir parametre olarak değerlendirilmelidir. Çalışmanın ilerleyen kısmında enine ve boyuna eğimin geleneksel olarak kabul edilegörmüş yagmur suyu yayılma genişlikleri için ve aynı zamanda yayaların yağmur suyundan etkilenmelerini minimize edecek su yükseklikleri icin—ki bunlar birbirlerinden oldukça farklıdırlar—su alma açıklıklarının ara mesafelerine etkileri arastırılmıştır. Bu araştırma yapılırken ilk kısımda elde edilen model kullanılarak hidroplan riski içeren konfigürasyonlar elimine edilmiştir. Kalan modeller rasyonel method ve Manning denkleminin yol geometrisine uyarlanmiş hali ile kullanılarak (Izzard modifiye) giriş açıklıkları arasında olabilecek maksimum mesafeler elde edilmiştir. Bunlar bakım gibi nedenler göz önüne alınarak tavsiye edilen açıklık genişlikleriyle kıyaslanarak, boyuna ve enine eğimin etkileri ortaya konulmuştur. Su derinliği olarak geleneksel uygulama bordür derinliğiyle kıyas yapmaktır, ancak bu durum özellikle yayalar, bisikletliler, ve engelliler için istenmeyen senaryolar oluşturmaktadır ve bu kullanıcıların yolu kullandıkları durumlarda drenaj tasarımının xxvii gerekli önlemler doğrultusunda yapılması önem arzetmektedir. Bu durum kotu hava şartlarında acil durumların göz önünde bulundurulduğu haller için de önem arzeder. Boyuna eğimlerin %10'a kadar ve yanal eğimlerin %6'ya kadar olduğu durumlar için analizler yapılmış olup her ne kadar belli bir bölgeye bağlı çalışılmasa da yağmur sularının toplanma zamanı 5 dakika varsayılır ve tekerrürü 10 yıl alınırsa, 250 mm hr-1 'a kadarki şiddetlerde hidroplan tehlikesinin 15 m'ye kadar genişliklere sahip yollarda giderilebildiği görülmüştür. Çalışma su alma acıklıklarının—model her ne kadar enine eğimle ters orantılı olarak değiştiğini gösteriyor olsa da ( su derinliğinin de enine eğime bağlı olmasından ötürü—enine eğimle doğru orantılı olarak değiştiğini ile) ortaya koymuştur. Bu da çoğunlukla enine eğimin artmasının açıklık mesafesini arttırdığı anlamına gelmektedir. Bu durum enine eğim değerinin tolere edilebilir maksimum su derinliğinin maksimum su yayılmasına oranına eşit veya küçük olduğu durumlar için geçerlidir. Diger bir ifade ile su derinliğinin maksimum derinlik değerlerine ulaşmadığı durumlar için. Eğer oran enine eğim değerinden küçük olursa, mesaf ile değişmektedir; bunun sebebi, enine eğimden bağımsız olarak modelde maksimum su derinliğinin kullanılıyor olmasından kaynaklanmaktadır. Ortalama olarak yayılma genişliğinin 1 m'nin altında olacağını varsayar ve bir bordür yüksekliğinin de 0.1 m olduğunu varsayarsak, elde edilen oran 0.1 olacağından ve enine eğim değeri muhtemel %10'un altında değer alacagından, derinlik kontrolü gerektirmeyen böyle bir durumda tolere edilebilir mesafelerin ile değişeceği aşikardır. Fakat eğer tolere edilebilir derinlikler 0.03 m değerlerine düşerse, o vakit değişim ile gercekleşir. Boyuna eğimin artışı, diğer taraftan, genel itibariyle maksimum su alma ağzı açıklığı mesafelerini hidroplana yol açmadığı sürece arttırmaktadır. Bu doğrultuda, özellikle yol kenarı su yüksekliğinin önem taşıdığı durumlarda, su alma ağızlarının konumları planlanirken, yol geometrisinin (diger bir ifade ile maksimum su derinliğinin de) ayrıca parametreler arasında incelenmesi gerekmekte ve giriş konumları buna göre karar verilmelidir. Diğer bir ifade ile, eğer yayılma genişliği kadar su yüksekliği de önem taşıyorsa, sualma ağızlarının (veya kentdışı yollarda dolgu şevi erozyonunu engellemek veya farklı amaçlar için kullanılan bordürlerin olması durumunda su oluklarının) ara mesafelerinin tayininde, enine eğimin etkisinin seçilen değere göre mesafeyi belli bir limite kadar arttırıcı etkisi olurken, bu limitin aşımından sonra azaltıcı etkiye sahip olduğunu ortaya koymuştur. Son olarak bu çalışmada yağış sonrası suların uzaklaştırılması amacıyla inşa edilen su giriş yapılarından bördürde bırakılan açıklıklara ait modeller incelenmiştir. Bordür taşında bırakılan düsey açıklıklar ülkemiz Türkiye'de karşılaşılan bir tür olmamakla birlikte, yol yüzeyinde yer almaması açısından büyük avantajlar taşır. Izgaralar motorlu/motorsuz araç trafiğini etkilemekte olup riskler oluştururken, bordürdeki açıklıklar için böyle bir durum söz konusu değildir. Ayrıca düşey açıklık oldukları için, bunların tıkanması da pek sözkonusu değildir, dolayısıyla çok az bakım gerektirir; gerekli bakım ve onarım çalışmalarında ise trafikte yaşanabilecek aksamalar konumları gereği minimize edilmiş olur. Bu tür giriş yerlerinin kapasitelerinin veya gerekli açıklık miktarlarının ölçümlendirilebilmesi için birçok çalışma yapılmış olmakla birlike, tamamen analitik olan çalışmalar nadirdir. Bu konuya damga vuran çalışma ise 1950 yılında yapılmıştır. Sonra gelen arastırmacılarca Carl F. Izzard tarafindan yapılan bu çalışma analitik çözümlü model sundugu ve deneysel çalışmalar kullanılarak empirik modellerın de ortaya konulduğu gerekçesiyle pekçe övülmüştür. ABD Federal Karayolu İdaresi'nin son Kentsel Drenaj Dizayn Manueli olan HEC-22'nin modellerinin belli ölçüde bu çalışmadan türetildiği 2018 yılında detaylarıyla günışığına çıkarılmış, öncelikle uyumlu olarak başlayan türetilmelerin sonrasında yön değişip tüm modelleri depresyonsuz duruma indirgeme amacıyla eşdeğer eğim ilişkilerinin ortaya konularak Izzard modellerinden sapıldığı etraflıca detaylandırılmıştır. Sıkça kullanılan bir manuele önderlik etmiş olması, bu çalışmanın önemini vurgulamak açısından önemlidir. Okumakta olduğunuz çalışma göstermiştir ki, esasında Izzard modelleri bazi açılardan yanıltıcıdır ve eşdeğer eğim kavramı Izzard tarafından aleni olarak belirtilmemiş olsa da uygulanmıştır; bu bağlamda HEC-22'nin Izzard'dan sapmasından ziyade, ayak izlerini takip ettiğini söylemek mümkündür. Izzard'in modeller arasında geometrik benzerlik hipotezi ileri sürüp, tutarlı sonuçlar elde ettikten sonra, hiç bir açıklama yapmaksızın bu modelleri ileri sürdüğü bu çalışmada ortaya konulmuş ve sonuçlar bagımsız deneysel data ile test edilmiştir. Ne var ki, bu eşdeğer eğimler açıklık önünde lokal eğim olan veya bordür boyunca belli bir genişlikte sürekli bir yükseltilmiş eğim olan durumlar için tespit edilmiş olsa da, ikisinin birlikte bulundugu durumlar için tespit edilmemiştir. Bu geometrilerin uygulamada sıkça kullanılmasına rağmen manuelde yer almamiş olması, ve belirsiz bir şekilde de olsa, tek tipmiş gibi muamele edilebilecekmiş gibi lanse edilmesi şaşırtıcıdır. Oysa ki, bu konuda literatürde yapılmış çalışmalar –ki üniversitemiz İstanbul Teknik Üniversitesinde bu tez çalışmasını yöneten Dr. Ali Uyumaz tarafından yapılmış çalışmalar da–mevcuttur ve bunlar pekçe kullanılan bu manuele uyarlanmalıdır. HEC-22, bordürde bırakılan açıklıkların ülkemizde uygulanması durumunda kullanılabilecek bir rehber olarak görülebilir ve özellikle bu bakımdan da eksikliklerinin tespit edilmesi, önem taşımaktadır. Bordürde bırakılan açıklıkların uygulanması halinde, önemli varsayılan bir kısım diğer çalışmalardan da bahsedilmiştir. Sonuç itibariyle, sağlıklı yol dreni için, farklı yönleriyle geometrik unsurların etkileri araştırılmiş, su alma ağzı açısından bordürde bırakılan açıklıklar üzerine yapılan çalışmalar derinlemesine incelenmiştir. Özellikle son yıllarda artan yağışlar ile, daha tutarlı yol dizaynı öngörülebildiği gibi kaçınılmazdır ve tüm yönleriyle ele alınmalıdır, ve optimum eğim değerleri bu noktada aktif rol oynamaktadır.
Özet (Çeviri)
Optimal drainage of roadways is crucial for safety, comfort, and economics. Lack of drainage results in reduced friction, lowered visibility, and ponded water creating danger and (at the least) nuisances to overall road users and the owners of nearby properties. In the long run, deterioration in roads follows as the standing water gets in in warmer climates and snowmelt expands in colder with the following frost damages; these decline driving safety and comfort for the second time in addition to the added cost of reconstruction and rehabilitation of the roadway. Thus, considerations regarding roadway drainage are an indispensable part of roadway design for both the overall safety of users and properties and the longevity of the roadway itself. Roadway flow takes two forms: over-lane (i.e., overland) flow and gutter flow (i.e., channel flow) adjacent to the curb. Thus, roadway drainage encompasses both overlane flow thickness optimization and controlling gutter flow. This dissertation investigates the most efficient and effective slope orientation for roadways of various widths, environmental conditions, and functionalities to establish necessary draining. That encompasses producing a physically based model for over-lane flow depth to investigate hydroplaning risks based on slope orientation; to examine the correctness of the common perception that inlet capacity is what controls inlet spacing. It also aims to frame the existing flush curb opening inlet studies within their scope and determines the missing parts to the most commonly used guidelines. While there are studies concerned with the sideway gutter flow and its spread, the flow contributing to hydroplaning directly from the roadway surface is less studied, and the geometric limits to antihydroplaning values are not well established. This work employs a kinematic wave equation (KWE) and provides a model to calculate water depth for the over-lane flow. The flow depths obtained via the new model are compared with antihydroplaning flow depths to find optimal cross slopes for various combinations for given longitudinal slopes. Establishing hydroplaing-free roads is the first step in establishing safe roads. A large amount of literature focuses on limiting the flow spread from the curb for a range of cross slope values; this leads to various flow depths due to of altered cross section, but the standards seem to fall shy in controlling the depth of flow. HEC-22, the urban drainage design manual of the US Department of Transportation, endorses limiting the flow depths to curb height and fixes the criterion for the inlet spacing to maximum allowable flow spreads. HEC-22 also recommends inlet spacing to be between 90-150 m. The common perception is that inlet capacity controls inlet spacing, but the impact of slope orientation under given criteria (such as a particular depth limitation) does not get much attention. This work, with no regard to inlet capacity but using the antihydroplaning configurations from the earlier part, analyzes maximum allowable inlet spacings and compares them to HEC-22's inlet spacing recommendation of 90-150 m to show any orientation that needs consideration beyond inlet capacity in xxiv designing inlet spacing. Maximum allowable inlet spacings are obtained for fixed maximums to flow depth and spread for the channel flow, and fixed maximums to over-lane water film thickness. The impact of slope orientation on inlet spacing was then analyzed. Having the results for varying slope orientations is crucial especially in changing terrains where perhaps each inlet spacing needs updating with changing slope, and spacing is critical for optimal drainage. The sizing of inlets under various slope orientations is important as the capacity varies with slope orientation. Curb opening inlets, the vertical openings at curbs, were investigated in this work also, for they noninterfere with the roadway and nonclog being a secure and effective candidate to most areas. A detailed analysis of the foundational models of curb opening inlets is presented for various geometric designs of flush orientations located on-grade. These geometries/types include simple vertical openings on curbs, openings with warped pavement in the close vicinity to increase capture capacity, and openings with not only the vicinity of the inlet depressed but also the approach gutter to increase drainage capacities further. The existing models were studied in detail and the misattributes to fundamental models were brought to the light. This work aimed to decrease the aftermath of inclement weather for the concerned partners from the bicyclist to the maintenance person via providing analyses to improve roadway drainage with the help of correct roadway slope orientation. This work contributes to (self) drainage by providing: 1) an easy to apply model for computing the over-lane flow depths so the geometries that are safe in terms of hydroplaning could be determined by any designer. 2) a detailed analysis of geometric configurations and putting forward not only which ones are safe in terms of hydroplaning but also which require attention in determining inlet spacing beyond the criteria of inlet capacity and maintenance purposes. 3) the details on curb opening inlet literature and investigating some inconsistencies regarding certain designs in what is probably the most commonly used manual (i.e. HEC-22).
Benzer Tezler
- Otoyollarda kullanılan geometrik ve fiziki standaertların irdelenmesi ve Türkiye'deki uygulamalar
Başlık çevirisi yok
LEYLA TÜRKSELCİ
- Prediction of road construction cost quantities and their unit prices for Turkey
Türkiye için yol maliyet miktarlarını ve birim fiyatlarını önceden tahmin için bir model
HİKMET BAYIRTEPE
Yüksek Lisans
İngilizce
1988
İnşaat MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ.DR. ÖZDEMİR AKYILMAZ
- İstanbul'da ışıklı kavşaklarda doğru giden akımlar için birim otomobil eşdeğerinin (BOtE) araştırılması
Investigation of passenger car equivalent (PCE) for through - traffic at signalized intersection in istanbul
SÜMEYYE ŞEYMA KUŞAKCI
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Ulaşımİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. KEMAL SELÇUK ÖĞÜT
- İstanbul'da ışıklı yaya geçitlerinde sürücülerin yatay işaretlemeye uymama oranlarının trafik ışığı konumuyla ilişkisinin incelenmesi
Investigation of the relationship between the violation rates of road marking and the positions of the traffic light on the signalized pedestrian crossings in Istanbul
ZELİHA ÇAĞLA ÇAĞLAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. KEMAL SELÇUK ÖĞÜT
- Kent içi otoyolların kavşaksız kesimlerinde serbest akım hızı ve kapasiteyi etkileyen faktörlerin incelenmesi
An investigation of the factors affecting the free flow speed and capacity for basic freeway segments of urban freeways
MUSTAFA TANIŞ
Doktora
Türkçe
2013
Ulaşımİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. KEMAL SELÇUK ÖĞÜT