Metro türü şehiriçi raylı ulaşım sistemlerinde kentleşme sebebiyle ray düzleminde meydana gelen geometrik deformasyonların sayısal olarak değerlendirilmesi
Numerical evaluation of geometric deformations occurring in rail plane due to urbanization in metro-type urban rail transport systems
Yazar: SÜLEYMAN TÜREDİ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ŞÜKRÜYE İYİNAM
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Raylı Sistemler Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Raylı Sistemler Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Günümüzde artan kentleşme ile birlikte yapılaşma artmakta ve yapıların büyük bir kısmı mevcut ve yapımı süren metro güzergahlarının üzerinden geçmektedir. Metro türü yapıların genellikle servis ömürleri yaklaşık 100 senedir. Bu durum gözetildiğinde yüzey kotunda servis ömrü boyunca sürekli bir kentsel değişim yaşanmaktadır. Güncel teknoloji ve alan darlığından dolayı genel olarak İstanbul gibi şehirlerde bu kentsel değişim yapıların yüksek katlı olma ihtiyacını da beraberinde getirmektedir.
Buna bağlı olarak raylı sistemler yaşayan sistemlerdir. Çevre ile etkileşim düzeyi yüksek ve düşük tolerans limitlerine sahiptirler. Bu sebeple raylı sistemlerde, raylarda meydana gelen deformasyonlar yolcu konforu ve işletme güvenliği açısından önem arz etmektedir. Bu deformasyonlar malzeme deformasyonu ve geometrik deformasyon olmak üzere iki ana başlıktan oluşmaktadır. Malzeme deformasyonu genellikle ray ve vagon ilişkisinden kaynaklı oluşmaktadır. Geometrik deformasyonlar ise gene ray ve vagon arasında oluşabildiği gibi çevresel dinamik ve statik etkilerden kaynaklı da oluşabilmektedir.
Genel olarak metro türü yapılardaki tünel cidarı (kalıcı kaplaması) şehirdeki yapılaşmaya bağlı olarak ilgili idare birimleri tarafından kontrol edilmektedir veya belirli sınır ölçütleri koyularak yapısal anlamda sorunların önüne geçilmektedir. Ancak ray düzlemi için genellikle böyle bir tahkik yapılmamaktadır. Oysaki ray düzleminde meydana gelebilecek bir deformasyon hem güvenliği hem konforu hem de işletme maliyetini doğrudan etkilemektedir.
Bu çalışmada ray düzlemindeki geometrik deformasyonların şehirlerdeki yapılaşma ile ilişkisi incelenmiş olup özellikle metro türü yapılarda işletme sürecinde zemin yüzeyinde devam eden kentleşme sebebiyle ray düşey ve yatay düzleminde ne gibi bir etkinin olduğu, güvenlik limitlerinin sağlanıp sağlanmadığı sayısal ortamda modellenip çeşitli yüklenme varyasyonları ile sürecin gelişme mekanizmasındaki etkisi gözlenmiştir.
Sayısal analizlerde sonlu elemanlar metodu kullanan PLAXIS programı kullanılarak, zeminin elasto-plastik davranışını modelleyebilen 'pekleşen zemin' modeli kullanılmıştır. Bu modelde, asal gerilme düzleminde oluşan deviatorik, izotropik ve odometrik yüklemeler altında gelişen plastik deformasyonlardan kaynaklı zemin pekleşmesine bağlı olarak zeminin yenilme limitleri hesaplanabilmektedir. Zemin elemanı programdaki on beş noktalı üçgensel elemanlarla, tünel ve bina elemanları ise plaka elemanlarla tanımlanmıştır. Bu elemanlar dokuzuncu dereceden integrasyon olanağı sağlamaktadırlar. Zemin parametreleri ortalama bir zemin sınıfını temsilen yaklaşık olarak belirlenip kullanılmıştır. Burada ele alınan durumlar zemin türüne, katmanlaşmasına göre çok farklı davranış gösterebileceği için bu çalışmada sabit bir zemin sınıfı kullanılmıştır. Analizlerde ilk olarak başlangıç zemin gerilmeleri tanımlanmıştır. Sonrasında işletmede olan raylı sistem hattı modellenmiştir. Bu aşamadan sonra ise deformasyonlar sıfır olarak kabul edilerek ilgili koşula göre yükleme yapılmıştır. Bu durum işletmede olan bir hattın yakınına yapılan yapılaşma sürecinde ray kotlarında meydana gelen durumu yansıtmaktadır.
Yapılan analizlerde gözlemlenmesi en muhtemel geometrik deformasyon mekanizmalarının nivelman bozulması, dever bozulması, dresaj bozulması ve burulma hatası olduğu görülmüştür. Temel aksında yapılan yüklemelerde nivelman ve dever bozulması görülürken, dışmerkezli yapı yüklemelerinde burulma durumunun baskın olduğu görülmüştür.
Buradan edinilen bilgilere dayanılarak metro türü yapılarda hat düzleminde meydana gelen kentleşmenin ray düzlemi üzerinde negatif etkilere sebep olabileceği ve güvenlik limitlerini aşabileceği görülmüştür. Bu etkiler bakım limitleri dahilinde olduğunda bakım sürelerinin kısalmasına, işletme maliyetlerinin artmasına, işletme titreşim limitlerinin aşılmasına, titreşimle birlikte gürültü limitlerinin aşılmasına ve yolcu seyahat konforunun etkilenmesine sebebiyet verebilecektir. Bu etkiler güvenlik limitlerini aştığında ise derayman riski oluşturabilecek kadar ciddi sorunlara sebebiyet verebilecektir.
Konunun işletmeci tarafından ele alındığında ortaya çıkabilecek mali ve hukuki yükümlülüklerin konut sahipleri tarafında ne gibi sonuçlar doğuracağı ayrıca üzerinde durulması gereken bir konudur. Araştırılması önerilmektedir.
Bu çalışmadan çıkan sonuçlara dayanarak kentleşme ile birlikte mevcut işletmesi devam eden metro türü yapılarda ray düzlemi için de limit kontrollerinin yapılması önerilmektedir.

Abstract:
Nowadays, structuring is increasing with respect to urbanization and most of those structures pass over existing and under construction metro lines. Metro-type structures are commonly have 100 years of life span. Considering this situation, there is a continuous urban transformation at the surface level throughout the service life. As a consequence of current technology and lack of land, that urban transformation brings the need for structures to be high-rise at the cities like Istanbul. Whit respect to that, rail systems are living systems. They have high interaction with the environment and they also have less tolerance limits. Therefore, deformations that occurred on the rails and the rail systems have importance in terms of passenger comfort and operation security. These deformations divided into two main titles as material deformation and geometric deformation.
Material deformation generally occurs by the relation between the rail and the wagon. Geometric deformations also cause by the relation between the wagon and the rail, but they additionally might occur because of the environmental static and dynamic effects.
In general, tunnel wall (permanent coating) of the metro-type structures are either controlled by the responsible administrative units according to urbanization of the city or by setting specific boundary criteria, structural problems are being prevented. However, such an inspection is not generally made for the rail plane. Yet any deformation that could happen on the rail plane would affect safety, comfort, and the operation cost directly.
In this study, the relationship between geometric deformations in the rail plane and urban development in cities has been examined, focusing particularly on metro-type structures and the effects of ongoing urbanization on the vertical and horizontal planes of the rail surface during the operational phase. The study involves modeling the situation in a numerical environment whether safety limits are met or not and effects on the development mechanism of the process have been observed with the various loading variations.
The "hardening soil" model, which can simulate the elasto-plastic behavior of the soil have been used with helps of the PLAXIS program which uses the finite element method in the numerical analyses . In this model, the yield limits of the soil can be calculated based on the soil hardening due to plastic deformations that occur under deviatoric, isotropic, and odometrical loading conditions in the principal stress plane.
Tunnel and building elements are defined using plate elements while soil element is defined using fifteen-point triangular element. These elements provide the opportunity for the ninth degree integration. Soil parameters are approximately determined and used to represent an average soil class. In this study, a fixed soil class has been used, considering that the behaviors can vary depending on the soil type and layering in different cases. Initial soil stresses have been defined first in the analyses. After this stage, deformations have been assumed to be zero, and loading has been applied according to the relevant condition. This situation represents the case in rail elevations that occur during the construction process near an operating rail line.
In the analyses, it has been observed that the most probable geometric deformation mechanisms are levelling distortion, cant distortion, and torsional error. During loadings applied along the foundation axis, levelling distortion and cant distortion are observed, while in eccentric structural loadings, torsional distortion is dominant. According to information obtained here, for the metro-type structures, urbanization occurred in the line plane could lead negative effects on the rail plane and could exceed the safety limits. When these effects are within maintenance limits, they can lead to shortened maintenance periods, increased operating costs, exceeding operational vibration limits, exceeding noise limits along with vibrations, and affecting passenger travel comfort. In case these effects exceeded safety limits, it would cause so serious problems that occur derailment risk. When considering the perspective of homeowners, the potential financial and legal obligations that may arise from these issues should be carefully examined. It is recommended to investigate. Based on the results of this study, it is recommended to perform limit controls also for the rail plane in existing metro-type structures alongside urbanization.