Beton Yollarda Günlük Meydana Gelen Sıcaklık Değişiminin Oluşturduğu Gerilmelerin 3-D Sonlu Elemanlar Yardımıyla Mekanistik Ampirik Analizi

Abstract

Ülkemizde beton kaplamalı yollarda sık görülen bozulma nedenlerinden birisi de günlük sıcaklık farklılığından dolayı oluşan ısıl gerilmelerdir. Beton yol kaplamaların alt ve üst yüzeyinde meydana gelen sıcaklık farklarından dolayı ek gerilmeler oluşmaktadır. Termal nedenlerden dolayı oluşan çatlaklar ilk geliştiği evrelerde önemli yapısal problemlere neden olmasalar bile, zamanla donma ve çözünmeye bağlı olarak hacimce büyüyebilmektedir. Bunun neticesinde yol tabanına sızan sular, taban zemini ve diğer taşıyıcı tabakalarda bozulmalara neden olmaktadır. Yapılan literatür çalışmalarına bakıldığında termal gerilmelerden ötürü beton yollarda önemli gerilmelerin oluştuğuna rastlanılmıştır. Bu gerilmeler arazi çalışmaları ya da sonlu elemanlar modellemeleri ile literatürde yer bulmuştur. Beton kaplamalarda derinlik boyunca oluşan sıcaklık dağılımının non-lineer olması durumu lineerliğe oranla daha fazla gerilme oluşturduğu görülmektedir. Türkiye’de ve yurtdışında en yaygın olarak kullanılan C30 betonu gerçek koşullarda Hızlandırılmış Yol Test Laboratuarında yol temel tabakası üzerine dökülerek, ısıl ölçümleri kenar ve orta bölgelerinde plaka kesiti boyunca günlük olarak alınmıştır. Laboratuarda alınan ısı verileri ANSYS sonlu elemanlar modelimizde girilmiş ve daha sonra beton kaplamanın yüzeyinde, köşe ve kenar bölgelerinde çatlakları meydana getiren ısıl genleşmeye bağlı gerilmeler tespit edilmiştir. Sonuçlar, beton yollarda kaplamanın üst ve alt yüzeyi arasında ki sıcaklık farkının 15 °C lere çıktığını göstermektedir. Bu durumda Bradbury ve Wastergaard ısıl gerilme denklemlerine göre oluşan gerilmeler sıcaklık farkının olmadığı duruma göre 15 kat artmaktadır. Yatay doğrultuda bulunan deplasman değerleri, uygulamadaki beton yol plaklar arasındaki derz boşluklarının gereğinden fazla bırakıldığını göstermiş ve 0,5 mm bırakılacak bir derzin yeterli olacağını göstermiştir. Ayrıca mevcut uygulanan derz boşlukları, killi malzemelerin birikmesine izin vererek daha sonra kaplama yüzeyinde çatlaklara neden oluşturmaktadır. Anahtar Kelimeler: Isıl gerilmeler, ANSYS, Günlük sıcaklık, Isıl çatlaklar

One of the most common reason for deterioration in concrete-covered roads are thermal strains which occurs due to daily temperature changes. Additional strains occures due to thermal differences between bottom and top layers of concrete covers. Even if thermal related cracks do not cause fundemantal structural problems in its initial development stage, these cracks could increase due to freeze and thaw of the rigid pavement. Consequently, the drained water in the base layers cause deteriorations in base ground and other layers. The most common used concrete pavement class in Turkey and around the world C30 class concrete was poured in accelarated road test laboratory facility in 1/1 scale ratio conditions and thermal measures were daily taken from the edge and middle of the 5 mt by 4.5 mt and 0.15 mt thick concrete plate section. Thermal variations through the 0.15 mt thickness were measured every 5 cm depth by the thermocouples. Thermal data were entered in ANSYS finite element models and afterwards thermal expansion based strains were computed. The results show that the thermal difference between top and bottom layers were as high as 15 °C causing 15 times more stress, according to Bradbury and Wastergaard equations, compared to when there is no thermal differences. The study also showed that the joint spaces between the plates is overestimated and applied on the field considering the small lateral displacements as low as 0.5 mm found in this study. Moreover, the current joint spacing applications on the field allows clay materials to penetrate and later cause surface cracks.