Tramvay hatlarında farklı durumların plak yorulmasına etkisinin incelenmesi
Fatigue performance of track slab for tramway under different conditions
Yazar: EFE ERDEM
Danışman: PROF. DR. ZÜBEYDE ÖZTÜRK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Raylı Sistemler Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Raylı Sistemler Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Ulaşım = Transportation

Özet:
İki yüz yılı aşkın tarihiyle demiryolu taşımacılığı genel çalışma prensibini korusa da ilk günden bugüne son teknoloji araçlarla ulaşılan hızlar, yeni sinyal sistemleri ile ulaşılan sefer sıklık seviyeleri ve balastsız hatlarla ulaşılan kullanım ömürleri düşünüldüğünde çok büyük gelişmeler göstermektedir.
Son dönemlerde hat tasarımlarında oluşan gelişim yüksek hızlarda dahi hat geometrisinin bozulmadan uzun yıllar korunmasını sağlamıştır. Hat yapısındaki en önemli gelişme balastsız hat yapılarının kullanımının yaygınlaşmasıdır.
Maddelerin yorulma özelliği demiryolu ve havayolu kazaları ile fark edilip literatüre geçmiş ve bu alanda birçok bilimsel çalışma yapılmıştır. İlk çalışmalarda yorulmanın metallerin kristalleşmesinden kaynaklı olduğu düşünülmüş olsa da daha sonra aslında yorulmanın zamanla maddenin zayıflayıp ekstrem yüklere ulaşmasa bile kırılmasına neden olduğu anlaşılmıştır.
Demiryollarında yorulma etkisi öncelikle ray ve tekerlerde görülmüş daha sonra araç gövdelerinde, boji elemanlarında, traverslerde, ray bağlantı elemanlarında ve plaklarda yorulma detaylı bir şekilde araştırılmıştır. Araç ve hat üst yapı elemanlarının tasarımlarında kullanılan teorik değerler testlerle doğrulanmalı ve düzenli bir bakım onarım planı yapılmalıdır. Demiryolları tarihinin en büyük kazalarından biri olan Eschede tren kazası yorulma kaynaklı ve tamamen kullanılan teker tipinin yorulma testlerinin yapılmaması ve bakımının doğru yapılmaması kaynaklı olmuştur.
Demiryolu üst yapısında rayların teker-ray etkileşimindeki tekrarlı kuvvetler nedeniyle deformasyonları oldukça sık rastlanan durumlardır. Farklı doğrultudaki kuvvetlerin etkisi nedeniyle raylarda temas yüzeyi çatlakları, kabuklanma, izole cebire çatlakları, ray kaynağı çatlakları ve makas bölgelerinde mangan bloklarda oluşan tehlikeli sonuçlar doğacak hasarlar oluşabilir. Bu hasarları azaltmak için iyi bir ray teker analizi yapılmalı ve yüzeyi sertleştirilmiş raylar kullanılmalıdır. Hataların tehlikeli sonuçlarını sıfıra indirmek doğru bakım ve kullanımla mümkündür. Ray taşlama, kurplarda yağlama, yüzey kaynakları gibi yöntemlerle ray hasarları büyük çatlak ve kırıklara dönmeden müdahale edilebilir.
Demiryolu hatlarında balastsız hat döşemelerinin yorulma analizleri, balastsız hatların yorulma açısından balastsız hatlarla kıyaslanması gibi alanlarda geçmişte bazı çalışmalar yapılmıştır. Bununla birlikte beton elemanların fiber donatılı olup olmamasının yorulmaya etkisi ile ilgili testler literatür araştırmasında incelenmiştir. Bu çalışmalarda yapılan testlerle balastsız hat plaklarının kırılma oluşturacak kritik deplasman değeri üzerinde yorulma yükleme sayısı kapasitesi tahmini yapılmıştır. Bir diğer araştırmada ise hat kesitinde asfalt tabakanın özelliklerini, plak beton sınıfını ve ray bağlantı elemanı rijitliğini değiştirerek en ideal tasarım durumları için tasarım önerilerinde bulunulmuştur.
Bu çalışmada yorulmanın tarihi, önermeler, hipotezler, yapılan bilimsel çalışmalar incelendikten sonra, bir tramvay hattı dingil yükleri ve kesitine benzer bir koşul için hesaplamalar yapılmıştır. Bir referans ve beş karşılaştırma durumu için hesaplamalar
xxii
yapılmış ve ray tipi, selet aralığı, selet genişliği, ray yastığı rijitliği ve dingiller arası mesafe gibi parametrelerin değiştirilmesinin yorulma üzerinde etkileri araştırılmıştır.
İlk aşamada yapısal analiz programı üzerinde yorulma analizleri yapılacak olan hattın katı modeli yapılmış ve elemanların Elastisite modülü, Poisson oranı gibi parametreleri eklenmiştir. Daha sonra ilgili standarda göre hesaplanan arttırılmış dingil yükü raylar üzerinde uygulanmıştır. Elemanlar arası bağlantı özellikleri de program üzerinde tanımlanarak gerçeğe yakın sonuçlar hesaplanmaya çalışılmıştır.
Altı farklı model için analizler yapılıp gerilme dağılımı, ray ve zemin deplasman grafiklerinin çıktıları alınmış ve incelenmiştir. Oluşan plak gerilmeleri üzerinden ilgili standartta verilen ampirik formüllerle yükleme sayısı tahmini yapılmıştır.
Analiz sonuçları açık ve net bir şekilde göstermektedir ki gerilme dağılımının homojen olduğu plaklarda yorulmaya karşı dayanım ömrü daha uzun oluşan gerilmeler daha düşüktür. Gerilme konsantrasyonları yorulma için faydalı bir durum değildir ancak beton plakta bir gerilme konsantrasyonu azaltma durumunda raydaki deplasmanlar artmakta ve ray gerilmeleri artmaktadır. Bu nedenle bu hesaplamaları yaparken sadece plak gerilmeleri değil aynı zaman ray, ray bağlantı elemanı ve varsa traverslerin üzerinde oluşacak iç kuvvetler de göz önünde bulundurulmalıdır.
Sonuç olarak bu çalışma raylı sistemlerde özellikle de demiryolu üst yapısında yorulmanın ne denli önemli bir kriter olduğunu, gerekli testlerin ve bakım-onarımın zamanında yapılması gerektiğini ve bazı parametrelerin değiştirildiğinde nasıl katkılar-zararlar getireceğini göstermiş ve birçok yorulma analizi-testi için fikir vermeyi amaçlamıştır.

Abstract:
After two centuries experience on railways simple working methods of railway has not been slightly changed. Whereas technology of rollings stocks have been developing to very high speeds, headways less than two minutes were acheived by advance level of signallings system and ballastless track usage have brought an excellent level of track structure and geometry. This improvement in ballastless track technology brings us to create track slabs with 100 years of life cycle and millions of load cycles.
The recent developments in ballastless tracks during last decades make the durability and stability of track structure and geometry excellent for long time. The most important milestone to make condition at that level was starting usage of slab track instead of ballasted tracks.
Slab track brings strong guideway stability as well as much longer service life of railway tracks and substructures.
With growing railway technology the fatigue performance of railway components increased slightly. Fatigue firstly was noticed by the serious railway and aircraft accidents due to fatigue failure. Severity of the risks and failures made scientist to research about the root causes of those failure. Even though the stresses occurred on the components were not as much as strength of the material, but somehow the elements were failing.
At the beginning scientists thought metal crystalizing is the reason for those failures, but afterthat fatigue became an issue of various material, not only metals, then fatigue was defined as deformation of the components under cyclic load effect.
The most important development was a test of rolling stock axles in order to propose a stress-load cycle diagram. Palgrem-Miner rules and Goodman diagram developed fatigue analysis one step more by defining relation between stresses and load cycles.
Rail-wheel contact is one of the must important subjects of track-rolling stock interface. In addition, it is the root and main cause of rail and wheel fatigue failure. Rail-wheel contact creates severe damages on running rail, insulated rail joint and rail welding such as rail vertical-horizontal wear, corrugation rail surface splitting, rail contact surface cracks, welding cracks and splits, rail hole cracks and fish plate cracks at mechanical rail joint by the effect of different loads in different direction. In addition to those main effects, fatigue is observed on rail clips, bolts of fastening base plate, concrete, sleepers and track slab.
As rail-wheel interaction is very importent for the running rails, the effects on rolling stock wheels and bogie are very critical and they should be evaluated, this is obviously vital. In 1998 the train accident in Eschede was due to a fatigue failure of wheel that has been holded by switch and broken. Ultrasonic tests and rail re-profilling are vital test and repair methods to prevent dramatic results of fatigue failure.
In order to prevent those kind of fatigue failures on railway tracks an appropriate maintenance and repair plan must be adopted as well as rail-wheel interaction study should be done very well that the study should state the best fitting rail type for the rolling stock wheel. Precautions and repair method such as rail grinding, rail lubrications at tight curves, rail surface build-up welding are vital to prevent and mitigate risk due to the fatigue failure of materials.
During the evaluation of fatigue literatüre scientists have performed analysis about fatigue performance of ballastless track and compare ballastless track and ballasted track in terms of fatigue behaviours of the track components. In addition to railway slab tracks a study has examined the relavancy of fibres in concrete to improve the fatigue performance of the concrete.
In a study performed a full scale fatigue test in order to see the fatigue strength of slab track as load cycle by the mean of critical vertical displacement of the concrete slab. An other research showed the effects of asphalt layer properties, fastening system stiffness, concrete class of slab track. After having of the test results the study proposed the best track conditions in order to catch 100 years of durability under traffic loads.
This study examined the evolution of fatigue literature, formulas, hypothesis, scientific studies regarding to railway components especially focused on track components. Those components include railway infrastructure components such as running rails, rail fastening systems, sleepers, rail pads, slab track as well as other railway subsystem components such rolling stock bogie and body components. Many of the fatigue failures on track and rolling stock bogie are caused by rail-wheel interaction. Lateral and vertical forces at the point of wheel-rail interaction create fatigue damages on running rails and fastening system as well as on the wheels. Worn rails and wheels must be observed in certain frequency and must be repaired with the proven trearment such as rail grinding and rail re-profiling. Moreover those certain observations and inspections are critical to see a need of replacement on the components of railway subsystems.
After studying development and effects of fatigue, the study covers a wide analysis about slab track fatigue performance. The amalysis starts with the design of the track model. Track model consists of compacted soil, concrete slab track, rail base plate, rail pad, rail clips and continuous welded rail. Slabs are divided into three sections in order to prevent load distrubition by the mean of construction joint.
After creating the general design conditions, material properties were assigned to the each component and the connection properties are defined to be ideally same with reality. Fatigue load combination was applied on the rail as wheel points load within wheel base. The components were divided finite elements and analysis had been performed by the mean of structural analysis tools.
The analysis has been done for one reference and five comparison conditions (six in total). The main purpose of this study was not changing of slab or soil mechanical and geometric properties. Instead of those change the track design parameters such as rail pad stiffness, rail profile type (grooved or vignol), fastening system spacing, baseplate dimensions and finally wheel base. Analysis results were plotted for internal longitudinal and transversal stresses in concrete slab, rail and soil displacement. According to stress distrubiton and principle stress values showed the estimated fatigue performance of slab as per relevant standard. It is clearly observed that whenever the stress is distributed homogeously the fatigue performance was increased and stress concentration at certain points reduced fatigue performance. In the analysis everytime one parameter has been changed and compared with the reference situation and it is observed that wheel base, rail pad stiffnes and fastening spacing affected fatigue load cycle capacity the most. As a result the study will be an opinion for the fatigue in railway slab tracks and give some influence and encourage for new studies. In addition, the study can be adopted for the full-scale test in order to verify the finite element solution on the structural analysis tool as many research has been performed structural analysis as weel as full-scale tests.
To summerize the whole study demonstrates that the importance of fatigue evaluation of railway components are very important to prevent dangerous results of the fatigue failures. In addition to analysis, theories and formules, an appropriate and relevant full scale tests should be adopted in order to see the estimated mean time to failure for each component.
Test results on changing parameter inspire on the design of the railway tracks. It demostrates there are ways such alternative ways to decrease the fatigue stress consantrations on the slabs.
The test results at certain load cycle values will give the operator an insight to plan its maintenance scheduled. Of course scheduled maintenance is very important, however a predictive maintenance is a strong maintenance method with using laser scanner for infrastructure and rolling stock equipment to see the fatigue effects on the components as well as see the general conditions of them.
Lastly, the author has tried to contribute the railway fatigue literatute with a unique study by combining his resources and knowledge. If the resources that need investments would be increased, the tests of the given conditions in the study might be performed.
The author hopes that the study will give courage for new researchs and developments for the railway fatigue issue that has been caused unfortunate accidents in the history.