Demiryollarında contalı ve uzun kaynaklı rayların sonlu elemanlar yöntemi ile analizi
Calculations of jointed rails and continiuously welded rails on railway by finite element methods
Yazar: ERDEM İNAL
Danışman: PROF. DR. HAKAN GÜLER
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Ulaştırma Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Demiryolların raylar, contalı ( kısa raylar ) ve uzun kaynaklı (sürekli kaynaklı) raylar olmak üzere ikiye ayrılır. Contalı raylar kısa uzunluktaki rayların birleştirilmesiyle oluşurlar. Uzun kaynaklı raylar ise contaların kaldırılarak rayların kaynaklanmasıyla oluşurlar. Ray döşemesi yapılırken, rayların döşeneceği bölgenin yıl içinde görülen en yüksek ve en düşük sıcaklıkları dikkate alınarak bir ray serim sıcaklığı belirlenir. Havanın soğuk ve sıcak olma durumuna bağlı olara, her bir travers tarafından rayın hareketini önlemeye yönelik bir tepki kuvveti oluşur. Ray uç noktasından itibaren rayın hareketini önleyen kuvvetler travers sayısına bağlı olarak değişiklik göstermektedir. Simetri noktasında bu değer maksimum değere ulaşır. Kısa raylar (contalı raylar) kısa uzunluktaki rayların cebire demiri ve bulonlarla bağlanmasıyla oluşurlar. Özellikle yaz dönemlerinde artan sıcaklıkla birlikte raylarda genleşme meydana gelir. Contalı raylarda sıcaklıktan dolayı meydana gelen termal kuvvetlere, conta bölgesindeki cebire demiri ve bağlantı malzemesiyle birlikte traversler karşı yönde bir direnç gösterirler. Ancak bu direnç yetersiz olup raylar yönde bir uzama yaparlar. Rayın termal kuvvetler etkisinde uzamasından dolayı, iki ray arasında bir boşluk bırakılır. İki ray arasındaki bu boşluğa genleşme aralığı ( diletasyon payı) adı verilir. Uzun kaynaklı raylar, contaların kaldırılarak ray birleşim yerlerinin kaynaklanarak, rayların sürekli hale getirilmesiyle oluşurlar. Rayların kaynağı yerinde üç farklı yöntemle yapılır. Bunlar; yakma alın kaynağı, elektrik ark kaynağı ve alüminotermit ray kaynağıdır. Uzun kaynaklı rayların uzunluğu hat kesimine bağlı olup makas noktalarına ya da hat başı ve sonuna kadar sürekli olabilmektedir. Uzun kaynaklı raylarda, termal kuvvet ve direnim kuvvetlerinin toplamının sıfır olduğu uzunluk genleşmeyen kısım olarak dikkate alınır.

Bu tez çalışmasında, contalı ve uzun kaynaklı rayların sonlu elemanlar yöntemiyle analizi yapılmıştır. Contalı raylarda; termal kuvvetler altındaki raylarda meydana gelen uzamalar ve gerilmeler hesaplanmıştır. Demiryolu üstyapı ve raylara etki eden termal kuvvet modeli oluşturulduktan sonra rayların termal yükler altındaki davranışı incelenmiştir.

Abstract:
Railway transportation has an important role on passenger and freight transportation. Railways have a great advantage on carrying of the huge amount of freights and passengers with their high speeds. The developed or developing countries give an importance to railways because of its numerous advantages. On the other hand it is very important for railway organizations to enable railway tracks to be in operation during the year effectively and efficiently. Railway organizations mostly prefer traditional railway superstructure and substructure system consisting of sub-ballast, ballast, sleepers, rails and fasteners. The rails, fasteners and ballast layer consist of railway superstructure, on the other hand the subgrade and sub-ballast layers consist of substructure. The rail elements are very important facing with the train loads and transmitting these loads to the following structures. The laying, fixing and connecting of rails require a sensitive work during the construction and maintenance processes. Railway organizations connect the rails in two ways which are called as joint and weld techniques. The railway tracks are named as Jointed Rails (JR) and Continuously Welded Rails (CWR) on the base of their connection types. In this paper, a study was performed to measure the rails' performance under the thermal effects. For this purpose, some numerical calculations were realized and in parallel a finite element model is constituted by using a finite element methods' (FEM) techniques to solve some complex problems of railway tracks under the thermal force effects. On the base of developed railway track FEM modal, the dilatation joints, the length of rails, the rail-sleeper-fastener and ballast interaction was evaluate and some conclusions were made.