ESNEK VE RİJİT ÜSTYAPILAR

[Medeniyet Mühendisi]

ESNEK VE RİJİT ÜSTYAPILAR

Bir yol üstyapısı, değişik tabakalardan oluşur. Bu tabakalar, proje ömrü boyunca emniyetli bir şekilde ve her türlü iklim koşulları altında hizmet verebilmelidir. Üst yapılar genel olarak iki temel sınıfa ayrılabilir. Bunlar esnek üst yapılar ve rijit üst yapılardır(beton yollar).


1.Esnek Üstyapılar(Asfalt Yollar)

Bir karayolu üstyapısı trafiği güvenli olarak ve ekonomik bir şekilde taşımak zorundadır. Güvenli olarak taşıma, araç tekerleği ile üstyapı yüzeyi arasındaki sürtünme ile sağlanır.Ekonomi ise yapım sırasındakullanılan malzemelerle, işletme ve taşıt maliyetleri ile ilgilidir. Bir esnek üstyapı, aşınma tabakası, temel tabakası ve alttemel tabakalarından oluşur ve üstyapının üst kısmından taban zeminine inildikçe, tabakalarda kullanılan  malzemelerin mekanik özellikleri, kaliteleri düşer. Bu tabakalanma durumunu belirleyen proje ömrü, trafik hacmi, mevcut malzeme durumu ve taban zemini dayanımı gibi kriterler gözönünde bulundurulmaktadır. Bir esnek üstyapıda en üstteki tabaka kaplama tabakasıdır. Bu tabaka aşınma ve binder olarak iki kısımda oluşur. Bu tabakanın trafiği emniyetli ve konforlu bir şekilde geçirilebilmesi için yeterli pürüzlülükte üniform bir yuvarlanma yüzeyine sahip olması gerekir. Ayrıca aşınma tabakalarının, taşıtlardan su sıçramasını ve yol yüzeyindeki küçük havuzcukların oluşmasını önlemek için drenaj tesislerine de sahip olması gereklidir. Aşınma tabakasında binder tabakasına göre daha ince malzeme kullanılır.
Esnek üstyapılar, çekme dirençleri fazla olmayan malzemelerden yapılmış alttemel, temel ve kaplama tabakalarından oluşur. Trafik yüklerinin bu tabakalardan geçerek taban zeminine iletilmesi, zemin içindeki klasik yük dağılışı gibidir. Yani tekerlek yükleri altında esnek üstyapı
deforme olur ve her tabaka, üzerine gelen yükü bir alttakine biraz daha yayarak iletir. Böylece, taban zeminine ulaşan yük kısmen büyük bir alana yayılmış olur. Esnek üst yapıdan oluşan gerilmelerin değeri yolun en üst tabakasından alta inildikçe düştüğü için, kullanılacak
malzemelerin mekanik özellikleri de bu gerilme dağılışına uygun olarak seçilir. Bitümlü karışımlardan, asfalt betonundan yapılan kaplama tabakası, trafiğin ve iklimin bozucu etkilerine doğrudan doğruya maruz kaldığı için, yüksek elastisitemodülü, kaymaya direnç yanında geçirimsizlik özelliğine de sahip bulunmalıdır. Esnek üstyapılar projelendirilmezse; aşağıdaki iki nedenden biri yolun tahrip olmasına sebep olur.

• Taban zemininde veya yol üstyapısını oluşturan tabakaların birinde meydana gelen
  gerilmelerin, malzemenin sınır gerilme değerlerini aşması ve iç dengenin bozulması ile
  ortaya çıkan kaymalar.
• Taban zemininde veya yol üst yapısı tabakalarının birindeki yüksek basınç gerilmeleri ve
  rutubet oranındaki önemli değişmeler altında oldukça büyük oturmaların ortayaçıkması,
  üst tabakaların oturmalara uymaması sonucunda oluşan çatlaklar, kopmalar.

 

Aşınma tabakasının altında, üstyapının oturduğu doğal zemin olan taban zeminini koruyan temel tabakası bulunur. Temel tabakası bir veya birden fazla tabakadan oluşabilir. Temel tabakasının asıl görevi taşıtların geçişlerinden dolayı gerilmeleri taban zemininin taşıma gücü sınırları içinde yaymaktır. Temel tabakası duruma göre çimentolu veya bitüm bağlayıcılı karışım, stabilize edilmiş veya dikkatle seçilmiş granüler malzeme olabilir. Trafik hacminin yüksek olduğu kesimlerde bitümlü karışımlar daha yaygın olarak kullanılmaktadır. Esnek üst yapı tabakası kaplama, temel, alttemel ve taban zemininden oluşmaktadır.





Temel tabakasının altında alttemel tabakası bulunur. Alttemel tabakasının esas görevi,bitümlü tabakaların inşası için çalışma platformu oluşturmaktır. Bu tabakada kullanılanmalzemeler genel olarak temel tabakasına göre daha düşük kalitededir ve granülermalzemedir. Mümkün mertebe yerel malzemeler ve yol inşaatında kullanılmaya elverişlimalzemeler (molozlar, cüruflar, inşaat atıkları gibi) kullanılmaya çalışılır.Taban zemini, sıkıştırılmış doğal zeminden oluşur. Yapısal olarak en önemli tabakadır. Üstyapı yükü son olarak bu tabakaya iletilir. Bu tabakanın esas görevini iyi yapabilmesi için iyi bir drenaja ihtiyacı vardır. Bir karayolu üstyapısı, tabakalı bir sistem olduğundan çok karmaşık bir yapıya sahiptir. Çünkü tabakalar farklı davranış gösteren malzemelerden meydana gelmektedir. Alttemel ve temel tabakalarını oluşturan granüler malzemeler nonlineer elastik davranışı gösterirler. Aşınma tabakasında ise özellikle sıcağa ve yükleme hızına bağlı olarak visko-elastik davranış gösteren bitümlü karışımlar kullanılmaktadır. Üstyapılara gelen yükler altında tabakaların gerilme yayılışı en üst tabakadan en alt tabakalara doğru ilerlemektedir. Böylece de tabakalarda kullanılan malzeme özellikleri bu gerilme durumundaki farklılıklardan dolayı çeşitlilik gösterir. Tekerlek noktasında oluşan gerilmeleri üstyapı tabakalara yaymakta ve bu yükleri absorbe etmeye çalışmaktadır.

Esnek üstyapılar başlangıçta iki tabakalı olarak yapılmaktaydı. Günümüzde ise artık iki tabakalı bir esnek üstyapı sistemi az kullanılır durumdadır. Genelde taban zemininin üzerinde en az iki farklı malzemeden oluşan tabakalar bulunmaktadır. Yaygın olarak üç tabakalı sistemler
yapılmaktadır. Araç yüklerinden gelen gerilmeler yüzeye daha yakın yerlerde daha büyük olduğu için alttaki tabakalara göre üst tabakalarda daha güçlü malzeme kullanımına gitmek üst yapıda oluşacak defleksiyonları azaltacaktır. Üstyapı drenajı da üstyapı taşıma kapasitesini artıran önemli bir unsurdur. Tekerlek yüklemeleri altında üstyapıda meydana gelen gerilme ve şekil değiştirmeler aşağıda gösterilmiştir.






2.Rijit Üst Yapılar(Beton Yollar)

Beton yollar, gelişmiş ülkelerde geniş bir kullanım alanına sahipolmasına karşın Türkiye’de henüz deneme safhasındadır. Bakım giderleri çok az olan ve daha uzun süre hizmet veren beton yollar, günümüzde asfalt yollara oranla daha ekonomik bir çözüm getirmektedir. Ayrıca rijit bir yol üst yapısı olan beton yolun birçok bakımdan asfalt yollara göre daha iyi performansa sahip olduğu bilinmektedir. Beton yol yapımında kullanılacak olan betonun tasarımı, standartlara uygun olarak yapılsa bile çevre koşullarına ve uygulamaya göre değişebilmektedir. Beton yolların tasarımında beton kalitesi; basınç dayanımından daha çok dayanıklılığına (durabilite) göre belirlenmektedir. Literatürde yapılan araştırma ve uygulama sonuçlarına göre beton yolların asfalt yollara alternatif olabileceği düşünülmektedir.

Günümüzde beton kütle özeliklerinin belirlenmesi ve istenilen özelliklerde beton üretilmesi konusunda ciddi problemlerle karşılaşılmamaktadır. Ancak, özellikle betonun yerine yerleştirilmesi ve sıkıştırılması sürecinde beton özelliklerini etkileyen faktörlerin kontrolünde ve beton özelliklerinin test edilmesinde önemli sorunlar çıkmaktadır. Bu sürecin yeterince değerlendirilmemesi nedeni ile elemanların tasarlanan beton kullanım ömründe ciddi ölçüde azalmalar görülmektedir. Sonuçta kullanımda önemli konfor ve ekonomik kayıpları ortaya çıkmaktadır. Bu yaklaşımla bakıldığında kulanım konforu ve dayanıklılığın çok daha önemli olduğu anlaşılmaktadır.

Çimento betonu ile yapılan kaplamalara "Beton Yollar" denir. Beton yolların yapısal ömrü uzundur, uzun yıllar bakım onarım gerektirmeden kullanılabilirler, her mevsimde, her hava koşulunda yapılabilirler. Yol kaplaması olarak betonun görevi, trafikten gelen şiddetli tekil
yükleri tabana iletmek ve bu sırada tabanın deforme olmamasını sağlamaktır. Bu durum, betonun rijitliğinden yararlanmak sonucunu doğurur. Beton, çekme direnci düşük olan bir yapı malzemesidir. Betonda deformasyonlar ile gerilmeler arasındaki bağıntı lineer değildir. Ayrıca,
yükler kalktıktan sonra bir süre, betonda kalıcı deformasyonlar görülür. Daha sonra beton yavaş yavaş ilk duruma döner. Bir tekerlek yükü bir beton plak üzerinden geçerken çekme, basınç ve eğilme gerilmeleri oluşur. Tekerlek geçtikten sonra gerilmeler yön değiştirerek kaybolur.
Özellikle yoğun ağır taşıt trafiği taşıyan bir beton yolda bu gerilme değişmeleri kısa zaman aralıkları ile sürekli olarak kendini gösterir. Bu durumda, beton plakta çekme ile basınç arasında değişen sürekli gerilmeler oluşur, bu da zamanla malzemenin yorulmasına neden olur. O halde
bu tip gerilmelerin, betonun sürekli direncinin çok altında bulunması gerekir. Diğer malzemeler gibi beton da sıcaklığın artmasına veya azalmasına bağlı olarak genişlemekte veya büzülmektedir. Buna ek olarak kaplamaların alt ve üst yüzeyleri günlük ve mevsimlik sıcaklık ve nemlilik farkları nedeniyle eğilme ve bükülmelere uğrar.


Bir beton kaplamanın davranışı, dökülen beton tabakalarının özelliklerinin yanı sıra, kaplama altına serilen alt temel ve temel tabakası ile mevcut taban zemininin özelliklerine bağlı olarak değişir. Bu nedenle, projelendirme sırasında, beton kaplamanın davranışını etkileyen taban toprağı, temel malzemesi, betonu oluşturan kum, çakıl, çimento ve betonarme demiri gibi malzemelerin fiziksel özelliklerinin çok iyi incelenmesi gerekmektedir.



Rijit üstyapıların kayma sürtünme katsayılar yüksektir. Kaymaya karşı direnci fazladır. Güven vericidir. Boyuna sürtünme katsayısı 0,70; enine sürtünme katsayısı0,65 civarındadır. Ayrıca, ıslak oldukları zaman, sürtünme katsayısının küçülmesi diğer plastik bağlayıcılarla yapılan,
kaplamalara göre daha azdır. Yol yüzeyi düz olduğundan yağış sulan kolay akar ve yüzey çabuk kurur. Yuvarlanma sürtünme katsayısı, dolaysıyla harekete karşı direnci düşüktür. Vasıtaların yıpranması azalır, mekanik Ömürleri artar. Motordan tekerleklere aktarılan kuvvet düzenli
olacağından yağ ve yakıt masrafı azalır. Bandaj, lastik aşınması az olur ve en önemlisi de ekonomiktir.

Gürültüsüzdür, tozsuzdur ve ışığı az emer. Yüzey pürüzlülüğü az olduğu için yüksek hızda az gürültü yapar. Yüzeyin dayanıklılığı malzemelerin ufalanıp toz haline dönüşmesini önler. Açık rengi sayesinde gece kolay görünür. Islak olduğu zaman daha tehlikeli far ışığı yansımalarına sebep olmaz. Bu olay trafik güvenliği açısından önem taşır.

Diğer kaplama tiplerine göre en önemli özelliklerinden biri de temel ve aşınma tabakasının aynı malzemeden ve genellikle tek tabaka halinde yapılabilmesidir. Ancak bu halde, aşınma tabakasında görülecek herhangi bir bozukluk, beton yol döşemesinin temel ile birlikte değiştirilmesini gerektirir. Hâlbuki temel tabakasının hizmet süresi çok uzun olabilir. Ekonomik düşünceler beton yolu iki tabaka halinde yapmak gereğini ortaya çıkarmıştır. Böylelikle, üst kısmı oluşturan aşınma tabakasının gerek malzeme kalitesine gerekse yapım yöntemine çok özen göstererek hizmet süresinin uzaması sağlanır.

Beton yollar alt tesisler bakımından güçlük yaratır. Beton yolların yapımından sonra doğal gaz kanalizasyon, su, telefon tesislerinin yapım ve tamirleri çok güçlükle yapılır. Yeraltı tesislerindeoluşacak arızaların yerlerini bulmak güçtür. Arıza giderildikten sonra, beton yolların tamir edilen kısımları zayıf kalır. Buna karşılık, suyu geçmemesinin ve homojen olmasının sonucu olarak trafik yük ve sarsıntılarını, titreşim etkilerini her tarafa yayması dolayısıyla beton kaplamalar en iyi koruyucu tabaka görevini yaparlar.

Rijit üst yapıların avantajlı yanlarının yanında sakıncaları da vardır. Küçük periyotlu (günlük vb.) ısı değişikliklerinden kaynaklanan, plak içi sıcaklık eşitsizliğidir. Güneş ışığına doğrudan maruz kalan plağın üst yüzeyi alt yüzeye kıyasla daha çabuk ısınır. Isı yükselmesi yavaş yavaş derinliklere doğru iner. Alt yüzeyin sıcaklık derecesi maksimum değerine üst yüzeyden bir kaç saat sonra erişir. Döşemenin kalınlığında ve ısında durumuna göre, plağın alt ve üst yüzeyleri arasındaki sıcaklık farkı 30 °C'ye kadar çıkabilir. Bu durum sonucu iki tip gerilme doğuşu görülür yani sıcaklığın yükselmesi halinde, üst yüzey alt yüzeyden sıcak olacağından plak
kabarır, ortası yükselir ve üst kısım çekmeye ait kısmı basınca maruz kalır. Betonun elastisite modülünün E:100000 kg/cm2 dilitasyon derzleri arasındaki uzaklığın 30 m olması halinde,30°C’ lik bir fark için basınç gerilmelerinin değeri 20–30 kg/cm2 ye ulaşabilmektedir. Kaplamanın üst ve alt kısımlarındaki nem farkından da buna benzer gerilmeler doğar.