Hafif raylı sistemlerde köprü ile balastsız üstyapı geçiş bölgelerinin irdelenmesi
Investigation of transition zones between bridge and balastless track for light rail transit systems
Yazar: FAHRETTİN ERSİN ERBAŞ
Danışman: PROF. DR. ZÜBEYDE ÖZTÜRK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Ulaştırma Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Hafif raylı sistemler = Light rail systems

Özet:
Demiryolu ulaşımı, 19. yüzyıldan bu yana toplumların kullandığı, güvenilir bir ulaşım türüdür. Yıllar içerisinde ulaşım ihtiyacı ve insanların yolculuk sürelerindeki artışlar raylı sistemlere olan ihtiyacı arttırmıştır. Diğer kent içi ulaştırma türleri incelendiğinde demiryolu ulaşımının kazandırdığı bir çok önemli avantaj göze çarpmaktadır. Lastik tekerlekli sistemler özellikle büyümekte olan şehirler ve metropollerde arazi kullanımının sınırlanması ile trafik sorununa ve taleplere cevap verememektedir. Bununla beraber küreselleşen dünyanın en büyük sorunlarından biri olan hava ve gürültü kirliliğinin başlıca sebeplerinden biri karayolu ulaşımıdır. 
Bugün dünyamızda gelişmiş devletler olarak nitelenen ABD, Almanya, Japonya, Fransa, İngiltere gibi ülkeler incelendiğinde demiryolu yatırımlarına çok uzun yıllar öncesinden verdikleri değer dikkati çekmektedir. Dünyanın ilk metro sistemlerinden olan Londra Metrosu 1863 yılında kullanıma açılmıştır. Benzer  şekilde yüzyıl öncesinde Paris, New York, Berlin gibi şehirlerde hizmete açılan  kent içi raylı sistemler, bulundukları ülkelerin ekonomik, şehir planlaması, toplumsal ve kültürel gelişimleri açısından çok büyük katkılarda bulunmuştur. Gelişmiş ülkelerin demiryolu yatırımına öncelik veren ülkeler olması bu açıdan bakıldığında bir tesadüf değildir. 
Kent içi ulaşımda raylı sistemlerin kullanımı insan hayatını çarpıcı şekilde etkilemiştir. Artan nüfus ve büyüyen şehirler, raylı sistemlere olan ihtiyacı günümüzde yüzyıl öncesine göre daha da artırmıştır. Bunu takiben gelişmekte olan ülkeler de raylı sistemlere ağırlık vermeye başlamışlardır. Artan demiryolu ulaşımı beraberinde bir çok teknik soruyu da beraberinde getirmiştir. Demiryolu üstyapı ve altyapı tasarımının nasıl olması gerektiği, demiryolunda kullanılacak sanat yapıları ve tasarım standartları,  kullanılması gereken malzemeler, enerji verimliliği gibi bir çok konu, gelişen teknolojik ve bilimsel birikim ile cevap aranan konulardır.
Demiryolu yapısı,  üstyapı ve altyapı olarak ikiye ayrılmaktadır. Bu yapının karakteristikleri; hattın kullanım amacına, hattan geçecek trafik yüklerine, güzergahdaki zemin özelliklerine, çevresel koşullara, tasarım ömrüne ve yatırım maliyetlerine göre değişiklik göstermektedir. Çok uzun süreli kullanım ömrüne ve yüksek yatırım maliyetine sahip balastsız hat tipleri olduğu gibi düşük ilk yatırım maliyetli ancak düzenli bakım gereksinimleri sahip balastlı hatlar da vardır. Önemli olan bir çok etkenin tasarım aşamasında göz önüne alınarak demiryolu ulaşımının kesintisiz, konforlu ve uzun ömürlü olmasını sağlamaktadır. 
Bilimsel çalışmalar göstermektedir ki demiryolu ulaşımı yeniliklere ve gelişmelere  fazlasıyla açık olan bir mühendislik konusudur. Örnek olarak bundan 30 yıl önce demiryolu camiasında kabul görmüş bir bilgi zaman içinde yerini yeni buluşlarla başka bir kabule kolaylıkla bırakabilmektedir. Bundaki en önemli neden; teknolojik gelişmelerin demiryolunda kullanılan malzemeleri ve teknikleri önemli derecede etkilemesidir. Balastsız hat tasarımı ilk keşfedildiği yıllarda yüksek yatırım maliyetleri sebebiyle tercih edilmemiştir. Ancak uzun süreli kullanım ömrü ve sorunsuzluğu sayesinde çok avantajlı bir üstyapı tipi olduğu tecrübeler ile gözlemlenmiştir. Ayrıca ilk kullanıldığı yıllardaki balastsız hat türleri ile şu andakiler arasında sayıca büyük farklar vardır. Bir çok farklı ihtiyaca cevap veren ve aynı balastslı hat gibi çok hızlı imal edilebilen türler, teknolojik gelişimler ve bilgi birikimleri sayesinde artmıştır.
Karşılaşılan sorunlar, bulunabilecek çareler için en önemli motivasyon kaynağıdır. Demiryolları da kullanımları yaygınlaştıkça bir çok sorun ile karşılaşmaktadır. Zaman içinde bu sorunlara cevap bulmak için yapılan bir çok deneysel çalışma ve hatların üstyapı ve altyapısındaki kusurların gözlemlenmesi, günümüzdeki geniş bilimsel literatürü ve hat yapım yöntemlerini ortaya çıkarmıştır. Bu yenilikler ile beraber demiryolu yapısının tasarımındaki iyileştirmeler, uzun süreli kullanım ömrüne sahip, konforlu, düşük maliyetli yeni hatlar açılmasını sağlamaktadır.
Bu tez çalışması kapsamında demiryolu yapısı ve özellikleri, kent içi raylı sistem ulaşım türleri ve raylı sistemlerde köprü/viyadük geçiş bölgeleri incelenmeye çalışılmıştır. Çalışma içinde geçiş bölgelerini daha iyi anlayabilmek için demiryolu altyapısı, zemini, üstyapı tipleri ve kullanılan raylı sistemler incelenmiştir.
Raylar, bağlantı elemanları, traversler ve balast veya beton taşıyıcı tabaka üstyapıda kullanılan ana elemandır. Bu üstyapı elemanları, demiryolu üstyapısının trene altlık oluşturan çercevesini oluşturmaktadır. Tekerlek ile ilk temas bu yapı sayesinde sağlanır.  Uzun süreli hat ömrü, sürüş konforu, gürültü üretimi gibi bir çok etmen bu ilk taşıyıcı tabakasından doğrudan etkilenir ve buna bağlı olarak doğru üstyapı tipinin seçimi bir demiryolu projesi için hayati önem taşımaktadır. 
Demiryolu altyapısı demiryolunun güvenli bir şekilde görevini yerine getirmesini sağlayan en önemli etkenlerden biridir. Altyapıda ortaya çıkan her hangi bir sorun hattın işleyişini uzun süreler durdurabilir. Bu sorunların telafisi genellikle zor olmaktadır çünkü altyapı kendisi ile bağlantılı olan üstyapıyı doğrudan etkiler  ve sorunlar yansıtılır. Bununla beraber proje maliyetleri incelendiğinde de görülecektir ki altyapı maliyetleri diğer maliyet kalemlerine göre en yüksek olandır. Özellikle güzergah boyunca gereksinim duyulan köprü, viyadük, tünel gibi sanat yapıları yapılacak bölgenin zemin ve çevresel özelliklerine göre çok yüksek maliyetlere sebep olabilmektedir. 
Demiryolu altyapısı incelendiğinde öncelikle platform tabakası üstyapıya mesnetlik yapan yapı olarak öne çıkar. Bu tabakanın performansı demiryolu taban zemine bağlıdır. Demiryolunda taban zemini yeterli dolgu ve sıkıştırma ile doğal zeminin oturmalarını engellemeli ve zeminde yeterli stabilite sağlamalıdır. Bununla beraber altapı  taban zemini demiryolu yükleri altında sağlamlığını korumalıdır. Ayrıca işletme süresince zemin formasyonu bozulmalara uğramamalıdır.
Yarma ve dolgular, tüneller, köprüler, viyadükler, menfezler, sağlamlaştırma yapıları da altyapı sınıfında incelenir. Bu yapılar çok yüksek maliyetlidir ve tasarımsal sorunları kaldırmazlar. Özellikle çevresel faktörler ve demiryolu etkilerini doğru analiz etmeden yapılan sanat yapıları, hem sistemin konforunu hem de ömrünü doğrudan etkiler.
Demiryolu zemininin geoteknik analizinin yapılması, kullanılacak malzemelerin, dolguların, sanat yapılarının ve hat üstyapısının belirlenmesinde önemli yer tutar. Bu amaçla belirlenen Avrupa ve ABD'ye ait bir çok sınıflandırma yöntemi vardır. Bu yöntemler ışığında güzergahdaki doğal zemin incelenir ve eğer yetersiz ise gerekli güçlendirmeler uygulanır. Önemli olan stabil olan ve demiryolu rijitliğini olumsuz yönde etkilemeyen bir zemin tabakası oluşturmaktır.
Trafik yükleri, demiryolu taşıtının dingil yüklerini sefer sayılarını baz alarak hesaplanan ve altyapı ile üstyapı tasarımını doğrudan belirleyen çok önemli bir parametredir. Belli bir trafik yükü altında konforlu ve güvenli olan bir demiryolu yapısı, daha yüksek trafik yükleri altında sorunlara maruz kalabilir.
Kent içi raylı sistemler güvenliğin, konforun, hızlı ve pratik şehir içi ulaşımın sağlanması için çok önemlidir. Kent içi raylı sistemlerde verimli bir işletimin sağlanması için yukarıda belirtilen faktörler ışığında yolcu kapasitesi çok önemli bir belirleyicidir. Taşıma kapasitesine göre tramvay, hafif raylı sistem (hafif metro) ve metro olarak ayrılırlar. Bu sistemlerin hepsi elektrik enerjisi ile hareket etmektedir ve çevre kirliliğini karayolu ulaşımına göre oldukça düşürmektedir. Yapım maliyetleri incelendiğinde de taşıma kapasitesi ile doğru orantılı bir maliyet analizi görülmektedir. Taşıma kapasitesindeki artış trafik yüklerinde artışa neden olur ve  raylı sistemlerin altyapı tasarımını doğrudan etkiler. 
Bu tez çalışmasında detaylı olarak incelenen balastsız üstyapıdan köprü/viyadük yapısına geçiş bölgeleri demiryolu yapısının aniden değiştiği bölgelerdir. Bu değişim sebebiyle zemin oturmaları, üstyapı ve altyapı bozulmaları ve yüksek maliyetli bakım  ihtiyaçları ortaya çıkmaktadır. Demiryolu köprüleri genellikle derin temellere sahip, minimum düzeyde oturma yapan, stabil ve rijit yapılardır. Ancak yaklaşım bölgeleri dolgu zeminde bulunur ve tekrarlayan tekerlek yükleri ile daha yüksek miktarda düşey seviye kaybına uğrarlar. Geçiş bölgesinde karşılaşılan en önemli problem bu ani seviye değişiminin yarattığı dinamik yükleme etkisidir.
Demiryolu hatlarında rijitlik değişimlerinin mümkün olduğunca yavaş ve kademeli olması istenmektedir. Aksi durumda hem yolculuk konforu, hem de demiryolu alt ve üstyapısı olumsuz yönde etkilenecektir. Oluşan deformasyonlar zamanla ağır bakım maliyetlerine dönüşecektir. Geçiş bölgelerinde, özellikle doğal zeminin çok stabil olmadığı durumlarda, bu rijitlik değişimine sıklıkla rastlanmaktadır.
Demiryolu geçiş bölgelerinde karşılaşılan sorunlar ile ilgili alınan önlemler iki ana kısımda incelenmektedir. Bunlardan birincisi altyapıda  ve zemin elemanlarında alınan önlemlerdir. Bunlar genellikler geçiş bölgesindeki zemini güçlendirmeye ve rijitliğini arttırmaya yönelik önlemlerdir. Zemin altında beton yaklaşım plakası kullanımı, taş kolonların veya kazıkların zemin içine belli aralıklarla yerleştirilmesi, zemindeki dolgu elemanlarının iyileştirmesi, balastlı hat yerine daha rijit olan balastsız hattın kullanılması, balast altına asfalt tabakası yerleştirilmesi gibi yöntemler bu başlıktaki çeşitli iyileştirme yöntemleridir.
İkinci olarak ise üstyapı elemanlarında alınan önlemler gelmektedir. Bunları; farklı uzunlukta ve tipteki traverslerin kullanılması, üstyapı elemanları için kullanılan pedler ile rijitliğin düşürülmesi, ek ray uygulaması, balast stabilitesinin arttırılması olarak sıralayabilirz. Ayrıca farklı yöntemlerin bir arada kullanılması bir çok uygulamada olumlu sonuçlar vermektedir.  Örnek olarak bir geçiş bölgesinde hem zemin altında yaklaşım plakası hemde ek ray uygulaması yapılabilir. Aynı zamanda köprü bölgesinde de yüksek sönümlemeye sahip ray altı pedleri kullanılarak rijitlik düşürülebilir. Bu kombine uygulamalar ile çok daha az seviyede rijitlik değişimine sahip bir geçiş bölgesi elde edilebilir. Böylece sistemin performansı, servis ömrü ve konforu arttırılır.
İyileştirme yöntemleri arasında en yaygın kullanıma sahip olanlarından biri; zemin dolgusunda kullanılan malzemelerin kademeli olarak iyileştirilmesi ve bir kama şekli verilerek stabilitelerinin arttırılmasıdır (teknik blok uygulaması). UIC 719-R  "Demiryolları Hatları için Toprak İşleri ve Altyapı" standardına göre farklı demiryolları ağları için farklı geometride ve malzeme içeriğinde zemin dolgulu geçiş bölgesi tasarımları vardır. Bu yöntem, genel kabul görmüş, başarılı bir iyileştirme yöntemidir ve hala çeşitli deneyler ve tecrübeler ile gelişmektedir. Bununla beraber yaklaşım plakası uygulaması, balastın altındaki zemin tabakasına yayılan beton bir plaka kullanımı ile oturmaların azaltılması için kullanılan bir başka iyileştirme yöntemidir. Bu yöntemin yüksek performans ile çalışması için genellikle üstyapıda kullanılan bazı iyileştirme yöntemleri ile beraber kullanılması önerilir. 
Bu iki yöntem tezin son bölümünde örnek bir çalışma için zeminin stabilitesini artırmadaki faydaları açısından incelenmiştir. Örnek çalışma bir hafif raylı sistem uygulamasında, balastsız hattan köprüye geçiş bölgesindeki zemin oturmalarını irdelemektedir. Dingil yükü 130 kN olarak alınmıştır ve dinamik yükleme durumu gözönüne alınarak bu yük %75 arttırılmıştır. Hiçbir iyileştirme yöntemi uygulanmayan durumlar ile farklı iyileştirme yöntemleri uygulanan durumların performansları, HyperWorks programı ile sonlu elemanları analizi yapılarak incelenmiştir.
Sonuç olarak kullanılan yaklaşım plakası ve teknik blok yöntemlerin zemin oturma eğilimini engellemeye yönelik ciddi bir katkı yaptığı ve hattaki seviye değişimlerini istenen düzeyde tutmaya yardımcı olduğu gözlemlenmiştir. Geçiş bölgelerinde önemli olan seviye değişimlerinin bir bölgede yoğunlaşmamasıdır. Seçilen iyileştirme yöntemleri bu amaca hizmet etmektedir. Normal zemin durumundaki geçişe göre yaklaşım plakası ve teknik blok kullanılan modellerde oturma değerleri, zemin için seçilen oturma limitlerinin içinde kalmaktadır. Oturmaların azaltıması konusunda teknik blok uygulaması, yaklaşım plakasına göre daha iyi bir performans göstermektedir. Sonlu elemanlar analizi sonucunda hat altyapısında yapılacak stabilitesi yüksek zemin dolgusu uygulamasının (teknik blok uygulaması) raylı sistemde balastsız üstyapı ile köprü geçiş bölgesinde en iyi performansı gösteren iyileştirme yöntemi olarak olduğu görülmüştür.

Abstract:
Railway transportation is a safe transportation mode for people since the 19th century. The demand of the transportation needs has dramatically increased in time. Once compared to other modes of transportation, the advantages of railway transportation stands out. Especially, increased traffic load and  land use are becoming an unsolvable problem with highway transportation in growing and mega cities today. In addition, air pollution and noise are resourced substantially by highways with increasing populations.
Many developed countries such as USA, Japan, Germany, France and UK  had already constructed their local transportation networks and have been using effectively for decades. Their  rail networks also contribute to their development and civilization level in paralel since more than a century. Usage of rail transportation has affected publics outstandingly.  
Today demand of rail transportaton is higher than before due to increasing population  rates and longer distances in cities. Following this, growing cities also pay more attention to railway investments day by day. Accordingly, in company with new railway networks all around the world bring a lot of technical questions to engineers. How superstructure and infrastructure of railway should be designed and how it may be more sufficient and long-lasting are some of these questions. Engineering studies focus these subjects and try to find effective and innovative answers for challenges of railway with developing technology and return of experiences.
Railway structure is consist of two main parts; superstructure and infrastructure. These two are depends on environmental factors, transport capacity and demands, design life, carried loads on rail. Every project is shaped by unique circumstances and restrictions. Most important point is to built safe, rapid, effective, comfortable and long lasting railway network. 
Scientific studies demonstrates that railway transportation is very open to innovations and developments. Some acceptions of railway design has changed completely with technological inventions.  For insance; 30 years before,  engineers could not foresee that one day ground-level power supply will be commonly used but today this kind of innovative solutions spread fastly. 
Every problem is an opportunity for a creative solution and also biggest motive power to solve. In  parallel with this, railway engineering experienced challenges and focuses solutions of special problems. 
Main focus of  this thesis study is transition zones between track and bridge for railways. In order to explain resources of transition zone problems so many studies have been done in railway engineering literature. Once these studies analyzed, it is seen that main issue for transiton zones between bridge decks and rail tracks is abrupt stiffness change of different zones. Rail track suffers early due to sudden changes and then different settlements are triggered. Different structural behaviour of conventional track and bridge causes accelerated degradation and shortened component life of rail track. 
In order to understand methods of improvements for transition zones, this study firstly focuses railway structure and its components. Rails, fastenings, sleepers, ballast and concrete slab built main frame of track structure. On the other hand success of rail structure as a whole topic which requires; durable subgrade and foundation of the track to carry repeated traffic loads and to be resilient to environmental impacts.
Hence in first section of the study obtains railway structure as a complete subject. Infrastructe elements, geotechnical classification methods and analyses, formation layers, protection layers of railways and geosynthetics for railways are investigated.
The platform layer is bearing layer for wheel loads. Superstructure supports and distrubutes wheel loads and needs periodical maintenance of the renovation during time.To ensure safe operation of rails, fastenings and sleepers should work in harmony to carry loads and guide vehicles smoothly. The ballast including crushed stone and help damping of train vibrations. Also it ensures fast drainage and proper load distribution.
Track is seperated two different types: ballasted and ballastles track. Conventional track design is consist of ballastles track. In the last 40 years an increase in train speed and axle load  and other challenges in the conventional ballasted track system modified to ballastless railway track system. Two systems have different advantages and disadvantages, although  ballastles track usage has become more common type regarding long life and low maintenance. However intercity rail networks still prefers ballasted track in so many countries all around the world due to low initial capital investment of  ballasted track. All aspects should be evaluated during project design phase and selection of track types should be done accordingly.
In the second section, local railway system types are explained and in order to  understand differencies, useful figures of railway classification regarding load capacity and investment costs are used. The main criteria to classify local rail network is load carrying capacity of rail system. LRT and  Metro systems have higher carrying capacity than  tramway systems. On the other hand  tramway lines are still popular for short distances of central areas. Investment cost of Metro is exactly higher than other systems as 40-90 Million US $. 
In the third section, thesis more focuses to main subject; "Transition zones between bridges and open tracks of railway". In this section resources of problems and solution methods are detailed specifically. Main resource of settlements is sudden change of stiffness. Two main improvement methods are used for transition areas. These are "modifying substructure and subgrade elements" and  "modifying superstructure elements".  Track having vertical settlements due to subgrades plastic behaviour. In this situation, higher quality soils can be used to ensure durable infrastructure. Also in order to increase rigidity of track; additional rails, increasing ballast stability, wider sleepers may be used superstructure methods. Moreover combine methods can have higher rate of success in transition zones of track because in the same time settlements decrease and rigidity can be higher on track structure. This means; rails can have smoother and comfortable drive and  higher maintenance costs can be reduced. During design phase,  natural soil of transition areas should be studied and according to this the best improvement method should be choosen accordingly. 
A case study has been carried out for LRT track in transition zone between bridge and ballasted  track in the last section in order to understand track structure behaviour with and without modifying substructure. Therefore,  four different modeles have been created  and analysed with using HyperWorks, finite element analysis software. For models, natural soil is chosen as good quality limestone material in order to have precise analyse with linear elastic acception. 
All settlement analyses are investigated in conclusion part. Open track without any improvement and transition track to bridge approach models demonstrates settlements. Hovewer, it is observed that both used improvement methods (technical block and approach slab)  have good performances in order to prevent different settlement of ballastless track while the techical block application having best transition performance.