Karayolu üstyapısında güvenilirlik analizi için Monte Carlo simülasyon yöntemi kullanılarak mekanistik-ampirik tasarım yöntemlerinin karşılaştırılması
Comparison of mechanistic-empirical design methods using the Monte Carlo simulation method for reliability analysis in highway pavement
- Tez No: 864906
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MURAT ERGÜN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Ulaşım, İnşaat Mühendisliği, Engineering Sciences, Transportation, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Ulaştırma Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 85
Özet
Karayolu üstyapısı, yol güzergahındaki iklim koşulları, malzeme türleri ve ekonomik koşullara bağlı olarak rijit ve esnek kaplamalar olmak üzere iki tipte inşa edilmektedir. Esnek üstyapılar; bitümlü yüzey tabakası, temel tabakası ve alttemel tabakalarından oluşmaktadır. Esnek üstyapı tasarımı; üstyapı tabaka kalınlıklarının hesaplanması ve tabakaları oluşturan agrega ve bitüm gibi malzeme özelliklerinin belirlenmesini içermektedir. Tasarımı etkileyen en önemli faktör yola etkiyen trafik yükleridir. Üstyapı tasarımında genel olarak analitik yöntemler, ampirik yöntemler ve mekanistik-ampirik (M-A) yöntemler kullanılmaktadır. Ülkemizde esnek üstyapı tasarımı, Karayolları Genel Müdürlüğünün yayımladığı, AASHTO 93 tasarım yöntemi esas alınarak hazırlanan Esnek Üstyapılar Projelendirme Rehberi ile yapılmaktadır. AASHTO 93 üstyapı tasarım yöntemi ampirik bir yöntemdir. Son yıllarda hem analitik hem de ampirik yaklaşıma uyum sağlayabilen mekanistik-ampirik tasarım yöntemleri birçok ülkede kullanılmaktadır. Üstyapı tasarımı açısından güvenilirlik, kaplamanın hizmet ömrü boyunca maruz kalacağı trafik yükü ve çevresel koşullar altında yeterli performans gösterme olasılığıdır. Güvenilirlik analizi için bir simülasyon metodu olan Monte Carlo yöntemi kullanılmıştır. Bu yöntemde tasarım parametreleri; dağılım türü, ortalama ve standart sapma değerleri kullanılarak simüle edilmektedir. Parametrelerin istenen olasılık dağılımı rastgele sayı üretimi yoluyla yapay olarak elde edilmektedir. Tasarım parametreleri kullanılarak oluşturulan kesitlerin mekanik tepkileri KENLAYER yazılımı ile belirlenmiştir. Mekanik tepkileri yol ömürlerine dönüştürmek için ampirik transfer denklemleri kullanılmıştır. Hesaplanan yol ömürleri ve yola etkiyen trafik yükleri ile kesitlerin güvenilirlik değerleri bulunmuştur. Bu tez çalışmasının amacı Esnek Üstyapılar Projelendirme Rehberi'nde önerilen üstyapı tabaka kalınlıkları ve üstyapı tasarım parametrelerinin Monte Carlo simülasyon yöntemi ile simüle edilerek mekanistik-ampirik tasarım yöntemleri açısından güvenilirliğinin araştırılması ve karşılaştırılmasının yapılmasıdır. Bu tez altı ana bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde, ulaşım, ulaştırma ve karayolu üstyapısı ile ilgili genel bilgiler verilmiş ve tezin amacı açıklanmıştır. İkinci bölümde, karayolu esnek üstyapısı ve üstyapıyı oluşturan tabakalar hakkında ayrıntılı bilgiler verilmiştir. Esnek üstyapı tasarım yöntemleri; analitik, ampirik ve mekanistik-ampirik olmak üzere üç başlık altında toplanmıştır. Üçüncü bölümde, Monte Carlo simülasyon yöntemi kullanılarak yapılan güvenilirlik analizinin esnek üstyapı tasarımına uyarlanması açıklanmıştır. Dördüncü bölümde, tasarım parametrelerinin seçimi anlatılmış ve güvenilirlik analizi sürecinin adımları sıralanmıştır. Beşinci bölümde, yapılan analizler sonucunda elde edilen sonuçlar; grafikler, çizelgeler ve şekiller yardımıyla gösterilmiştir. M-A yöntemlerin benzerlikleri ve farklılıkları ortaya koyulmuştur. Altıncı bölümde, sonuçlar irdelenmiştir. AASHTO 93 ile uyum sağlayan M-A yöntemler açıklanmış ve öneriler sunulmuştur.
Özet (Çeviri)
Highway pavements are constructed in two types, rigid and flexible pavements, depending on the climatic conditions, material types, and economic conditions on the road. In Turkey, flexible pavements are more commonly used than rigid and composite pavements. Flexible pavements consist of a bituminous surface layer, base and sub-base layers built on the subgrade. Bituminous layers are the top layers of the pavement that are directly exposed to traffic loads. While bituminous layers exhibit viscoelastic properties, base and subbase layers are composed of granular materials. Flexible pavement design is defined as the calculation of the required pavement layer thicknesses so that the pavement can serve safely without being exposed to large deformations under traffic loads and environmental conditions throughout its design life. The most important factor affecting the design is the traffic loads on the road. In the design of flexible pavements, analytical methods, empirical methods, and mechanistic-empirical methods are commonly utilized. Analytical methods enable the calculation of layer thicknesses using theoretical analysis programs. The Shell flexible pavement design method is the most widely recognized analytical method. Empirical methods, which are conventional design methods, rely on the results of experiments and are dependent on the conditions under which the experiments are conducted. Over the years, widely utilized empirical design methods include California Transport Rate, Rode Note 29, and AASHTO. The AASHTO 93 method, a regression-based empirical approach for designing flexible pavement, is used in Turkey. The Highways Flexible Pavement Design Guide prepared by the Turkey General Directorate of Highways presents Tables 12.1, 12.2, and 12.3 for specifying flexible pavement thicknesses based on specific reliability values and traffic loads throughout the pavement's service life. Mechanistic-empirical methods combine situations that cannot be modeled with analytical methods with empirical correlations and performance observations. Mechanistic-empirical methods offer both an analytical and empirical approach to design. The mechanical aspect of mechanistic-empirical design methods involves calculating the mechanical responses (stress, strain, and displacement) that may occur in the pavement based on traffic loads, material properties, and environmental conditions. The empirical part of the method is to convert response values into service life by using empirical transfer equations obtained from road tests and laboratory experiments. Asphalt Institute (AI), Shell, US Army Corps of Engineers (USACE), Belgian Road Research Center (BRRC), Transport and Road Research Laboratory (TRRL), Federal Highway Administration (FHWA), Illinois Department of Transportation (ILLINOIS), Austin Research Engineers (ARE) and MechanisticEmpirical Pavement Design Guide (MEPDG) are the mechanistic-empirical methods. The reliability of a designed pavement is the possibility of showing adequate performance during its service life under the traffic load and environmental conditions. Reliability in terms of pavement design is expressed as the probability that the number of standard axle load wheels allowed is greater than the number of standard axle load wheels applied. There are three basic reliability analysis methods: First Order Second Moment (FOSM) Methods, Point Estimation Methods, and Simulation Methods. Simulation methods include Monte Carlo simulation. The Monte Carlo simulation method is used to reveal the relationships between certain parameters and variables. In this method, a given model is simulated many times by generating random numbers. It allows the comparison of design methods by generating random data sets with known distribution properties and design parameters. The aim of this study is to investigate and compare the reliability of the proposed pavement layer thicknesses and pavement design parameters in terms of mechanisticempirical design methods by simulating them with the Monte Carlo simulation method. The design parameters to be used in mechanistic-empiricial methods are selected as layer thicknesses, elasticity modulus, poisson's ratios, and tire contact pressure. In this thesis study, a traditional pavement section consisting of a bituminous hot mixture surface layer, base, and sub-base layers was selected. KENPAVE software was used to determine the mechanical responses of the design section under load in mechanistic-empiricial design methods. KENPAVE is software used for the analysis and design of both rigid and flexible pavements. It has two parts: KENSLAB and KENLAYER. The KENSLAB section is used for the design of rigid pavements, while the KENLAYER section is used for the design of flexible pavements. KENLAYER is used to find values such as displacement and strain of linear elastic, non-linear elastic, and viscoelastic defined layers under various axle loads. In the reliability analysis, firstly, different variations of the parameters, whose mean and standard deviations were determined, were calculated using the Monte Carlo simulation method per the probability distributions. The mechanical responses of the sections created using these parameters were determined with the KENLAYER software. Transfer equations were used to transform mechanical responses into road life values. Reliability values of the sections were found using the calculated road lives and traffic values. Reliability analysis was conducted based on the safety margin (S). The safety margin is calculated as the difference between the number of allowed standard axle repetitions (N) and the number of applied standard axle load repetitions (n). While“N”values are the road lives found by mechanistic-empiricial design methods,“n”values are the T8.2 standard axle load. In the reliability coefficient adapted to the normal distribution, values below 0 indicate the possibility of deterioration, and values above 0 indicate the safe area. The thesis consists of six main chapters. The first chapter is the introduction. In this chapter, general information about transportation, and highway pavement is given and the aim of the thesis is explained. In the second chapter, detailed information about highway flexible pavement and its constituent layers is given. Flexible pavement layers are explained with figures. Flexible pavement design methods are categorized under three headings: analytical, empirical, and mechanistic-empirical. The steps used in pavement design methods are explained with formulas. In the third chapter, the concepts of reliability and reliability analysis are explained. The methods used in reliability analysis are listed. The method of adapting the reliability analysis using the Monte Carlo simulation method to pavement design is given. In the fourth chapter, the steps of the design parameters selection and reliability analysis process are explained. In the fifth chapter, the results of the analysis are presented with graphs, charts, and figures. The similarities and differences of the mechanistic-empirical methods are presented. In the sixth chapter, the results are discussed. Mechanistic-empirical methods complying with AASHTO 93 are explained and recommendations are presented. Reliability and compatibility comparison of the AASHTO 93 method, which is used for flexible pavement design in the Highways Flexible Pavement Design Guide prepared by the Turkey General Directorate of Highways, with the mechanisticempirical design methods was carried out. 8 fatigue and 5 rutting based mechanisticempirical methods were analyzed. According to the results obtained from this thesis, the following evaluations were made: It is seen that the rutting dependent reliability of the design sections is higher than the fatigue dependent reliability. It is concluded that the AASHTO 93 pavement design method used in our country produces sections that are more resistant to rutting failure type. It was observed that the rutting reliability was more consistent with the Shell and USACE methods. It is seen that the Shell mechanistic-empirical design method achieves good compatibility levels in both fatigue and rutting failure analyses. It is seen that ARE method is more reliable for fatigue failure and USACE method is more reliable for rutting failure. Compliance tables that can determine the level of reliability of a section in mechanistic-empirical design methods according to different load, climate and soil conditions are thought to provide great convenience to designers. In future studies, the sensitivity of design parameters to affect the reliability of mechanistic-empirical design methods can be measured for both types of failure. By determining the parameter that is more sensitive to variability, the relevant design section can be strengthened or if the section is too strong, the pavement thickness can be reduced to be economical.
Benzer Tezler
- Karayolu üstyapısında tahribatsız elektromanyetik test yöntemi ile kalite kontrol
Quality control on pavement with non-destructive electromagnetic test method
MURAT BAYAZİT
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
UlaşımDüzce Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SERCAN SERİN
- Bitümlü malzemelerin reolojik ve dielektrik özelliklerinin yapay sinir ağlarıyla modellenmesi
Modeling the rheological and dielectric properties of bituminous materials with artificial neural networks
BETÜL DEĞER ŞİTİLBAY
Doktora
Türkçe
2023
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşaİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA KARAŞAHİN
DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA SİNAN YARDIM
- Karayolu esnek üstyapısında meydana gelen bozulmalar, nedenleri ve onarılması
Deformations in the road structure, their reasons and maintenance methods
AHMET DOLGUN
Yüksek Lisans
Türkçe
2003
İnşaat MühendisliğiEskişehir Osmangazi Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. KORKUT ARBERK
- Karayolu üstyapılarında taşıma gücü düşük taban zeminine sahip kesimlerde geogrid kullanımının üstyapı yapısal performansına etkisi
The effect of using geogrid on pavement structural performance in highway pavements with low bearing capacity subgrade
SÜLEYMAN GÖKOVA
Doktora
Türkçe
2018
UlaşımSüleyman Demirel Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET SALTAN
- İnşaat ve yıkıntı atıklarından elde edilen geri dönüşüm malzemelerinin karayolu üstyapısında kullanımı
Usability of the construction and demolition waste derived from recycling material for superstructure of highway
ALİ ÇAĞRICI
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
İnşaat MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MUSTAFA SİNAN YARDIM