Road Life Analysis of AASHTO-93 Sections with Fixed Structural Number Using Mechanistic-Empirical Methods

Öz

AASHTO-93 method, which is a regression-based empirical method, is used in the flexible pavement design of Turkish highways. The structural number (SN), calculated depending on the strength and thickness of the layers forming the pavement, is one of the basic parameters used in the calculation of road life in the AASHTO method. In a design where the road class and subgrade bearing capacity do not change, the standard axle load number that the road can carry until it deteriorates does not change unless the SN value changes. In this study, the thicknesses of the layers forming a traditional flexible pavement were changed in 4 different values as 0.5-1.0-1.5 and 2.0 cm, so that the SN value does not change. The new sections, which did not change the road life according to the AASHTO method, were analyzed with mechanistic-empirical methods and the change rates in road life values were investigated. Among the different sections studied, the critical changes that provide an increase in the fatigue-related pavement life (Nf) were obtained by increasing the thickness of the bituminous hot mix asphalt (HMA) layers and decreasing the thickness of the plant-mix base (PMB) layer. The thickness changes within the bituminous layers did not change the road life values significantly. In the calculation of the pavement life (Nr) due to the rutting, Nr values increased in the sections where the HMA layer thicknesses decreased and the resulting SN difference was balanced with the increase in PMB thickness.

Anahtar Kelimeler

• AASHTO-93 method
• structural number
• mechanistic-empirical method
• rutting
• fatigue

Üstyapı Sayısı Değişmeyen AASHTO-93 Kesitlerinin Mekanistik-Ampirik Yöntemler ile Yol Ömrü Analizi

Öz

Türkiye karayollarının esnek üstyapı tasarımında regresyon tabanlı ampirik bir yöntem olan AASHTO-93 yöntemi kullanılmaktadır. Üstyapıyı oluşturan tabakaların mukavemet ve kalınlıklarına bağlı olarak hesaplanan üstyapı sayısı (SN) AASHTO yönteminde yol ömrünün hesaplanmasında kullanılan temel parametrelerden bir tanesidir. Yol sınıfı ve taban zemini taşıma gücü değişmeyen bir tasarımda SN değeri değişmedikçe yolun bozulana kadar taşıyabileceği standart dingil yükü sayısı değişmemektedir. Bu çalışmada geleneksel bir üstyapıyı oluşturan tabakaların kalınlıkları, SN değeri değişmeyecek şekilde 0,5-1,0-1,5 ve 2,0 cm olmak üzere 4 farklı değerde artırılmış veya azaltılmıştır. Oluşan SN artış veya azalışı diğer tabakalardan bir tanesinin kalınlığı değiştirilerek dengelenmiştir. Yeni oluşan ve AASHTO yöntemine göre yol ömrü değişmeyen kesitlerin mekanistik-ampirik yöntemler ile analizleri yapılarak yol ömrü değerlerindeki değişim oranları incelenmiştir. Çalışılan farklı kesitler arasında, yorulmaya bağlı kaplama ömründe (Nf) artış sağlayan kritik değişimler; bitümlü sıcak karışım (BSK) tabakaların kalınlıklarının artması ve plent-miks temel (PMT) tabakasının kalınlığının azalması ile elde edilmiştir. Bitümlü tabakaların kendi içlerindeki kalınlık değişimleri yol ömrü değerlerini anlamlı bir oranda değiştirmemiştir. Tekerlek izinde oturmaya bağlı kaplama ömrü (Nr) hesabında ise BSK tabaka kalınlıklarının azaldığı ve oluşan SN farkının PMT kalınlığı artırımı ile dengelendiği kesitlerde Nr değerleri artmıştır.

Anahtar Kelimeler

• AASHTO-93 yöntemi
• üst yapı sayısı
• mekanistik-ampirik yöntem
• tekerlek izinde oturma
• yorulma

Kaynakça

1. Hacıoğlu S. Esnek üstyapılı yollarda çatlak tamir yöntemi uygulanarak asfalt ömrünün uzatılması. Yüksek Lisans Tezi, Bahçeşehir Üniversitesi, İstanbul, 2013.
2. İnanlı B. Mekanistik ampirik üstyapı tasarımının mevcut bir yolda kullanılması ve bakım/onarımın performansına etkisi. Yüksek Lisans Tezi, Bahçeşehir Üniversitesi, İstanbul, 2016.
3. Kök E. Karayolu ve havaalanı üstyapı tasarım yöntemleri, karşılaştırması ve Türkiye uygulamaları. Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, İstanbul, 2008.
4. Huang YH. Pavement Analysis and Design (2nd ed.). New Jersey: Pearson Prentice Hall, 2004.
5. Tunç A. Kaplama Mühendisliği ve Uygulamaları. Ankara: Asil Yayın Dağıtım, 2004.
6. Mashayekhi M, Amini AA, Behbahani H, Nobakht S. Comparison of mechanistic-empirical and empirical flexible pavement design procedures of AASHTO: a case study. International Conference Bituminous Mixtures and Pavements; 2011; Thessaloniki, Greece. 319–28.
7. Bostancıoğlu M. AASHTO-93 yönteminin mekanistik ampirik tasarım yöntemleri ile uyumunun belirlenmesi. Türk Doğa ve Fen Dergisi 2020; 9(2): 64–75.
8. Tunç A. Yol Malzemeleri ve Uygulamaları. Ankara: Nobel Akademi Yayıncılık; 2001.

9. İncegül M. Bilgisayar destekli üstyapı tasarımı. Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, İstanbul, 2004.
10. Mousa MR, Abo-Hashema MA, Gadallah AA, Mousa RM. Evaluation of pavement performance prediction models under different traffic and climatic conditions. 14th International Conference on Asphalt, Pavement Engineering, and Infrastructure; 2015; 1–19.
11. Bostancıoğlu M. Mekanistik ampirik esnek üstyapı tasarım modellerinin tabaka kalınlık ve rijitlik oranlarına bağlı olarak karşılaştırılması. Gümüşhane Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 2021; 11(1): 91-102.
12. Behiry AEAEM. Fatigue and rutting lives in flexible pavement. Ain Shams Eng J 2012; 3(4): 367–374.
13. Carvalho RL, Schwartz CW. Comparisons of flexible pavement designs: AASHTO empirical versus NCHRP project 1-37a mechanistic-empirical. Transp Res Rec 2006; 1947(1): 167–174.
14. Muniandy R, Aburkaba E, Thamer N. Comparison of flexible pavement performance using Kenlayer and Chev pc software program. Aust J Basic Appl Sci 2013; 7 :112–9.
15. Chegenizadeh A, Keramatikerman M, Nikraz H. Flexible pavement modelling using Kenlayer. Electron J Geotech Eng 2016; 21(7): 2467–2479.
16. Sağlık A, Güngör AG. Esnek Üstyapılar Projelendirme Rehberi. Ankara: Karayolları Genel Müdürlüğü, 2008.
17. Hadi MNS, Bodhinayake BC. Non-linear finite element analysis of flexible pavements. Adv Eng Software 2003; 34(11–12): 657–662.
18. Sarkar A. Numerical comparison of flexible pavement dynamic response under different axles. Int J Pavement Eng 2016; 17(5): 377–387.
19. Ekwulo E, Eme D. Fatigue and rutting strain analysis of flexible pavements designed using CBR methods. Afr J Environ Sci Techno 2009; 3(12): 412-421.
20. Samad E. Sensitivity analysis in flexible pavement performance using mechanistic empirical method (Case study: Cirebon–Losari road segment, West Java). Civ Engineering Forum 2011; 20: 1163-1174.
21. Ghanizadeh A, Ziaie A. Nonpas: a program for nonlinear analysis of flexible pavements. Int J Integr Eng 2015; 7(1): 21-28.
22. Zhao J, Wang H. Mechanistic-empirical analysis of asphalt pavement fatigue cracking under vehicular dynamic loads. Constr Build Mater 2021; 284: 122877.
23. Ahmet F, Thompson J, Kim D, Huynh N, Carrol E. Evaluation of pavement service life using AASHTO 1972 and mechanistic-empirical pavement design guides. Int J Transp Sci Technol 2023; 12: 46-61.
24. Çelik ON, Eyada SO. Assessment of flexible pavement fatigue life of turkish typical sections using mechanistic empirical pavement design approach for coastal region. Ain Shams Eng J 2019; 10: 33-43.
25. Shakhan MR, Topal A, Şengöz B. Data collection for implementation of the mechanistic empirical pavement design guide (MEPDG) in Izmir, Turkey. Turk J Civ Eng 2021; 32: 11361-11380.
26. Le AT, Lee HJ, Park HM, Kim TW. Development of Korean pavement design guide for asphalt pavements based on the mechanistic-empirical design principle. Balt J Road Bridge Eng 2011; 6: 169-176.
27. Toth C, Primusz P. New Hungarian mechanistic-empirical design procedure for asphalt pavements. Balt. J. Road Bridge Eng. 2020; 15: 161-186.
28. Fuhaid AFA, Arifuzzaman M, Gul MA. Application of mechanistic empirical pavement design guide software in Saudi Arabia. Appl Sci-Basel 2022; 12: 8165.
29. Diaz MM, Perez I. Mechanistic-empirical pavement design guide: features and distinctive elements. Rev Constr 2015; 14: 32-40.
30. Kaimo LT, Sargado JM, Jr DP. Flexible Pavement Design Using Mechanistic Empirical Pavement Design Guide in the Philippines. International Journal of Geomate 2019; 17: 9-17.