Yüksek hızlı tren kaynaklı titreşimlerin zemin ve yapılar üzerindeki etkisinin değerlendirilmesi: Deneysel ve sayısal çalışma
Evaluating the impact of high-speed train-induced vibrations on ground and structures: Experimental and numerical study
Yazar: ABDUL AHAD FAIZAN
Danışman: DOÇ. DR. OSMAN KİRTEL ; PROF. DR. MACIEJ DUTKIEWICZ
Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Yüksek hızlı trenlerin (YHT) neden olduğu  yer kaynaklı titreşimler, güzergâh boyunca çevre yapılarda insan konforu açısından istenmeyen titreşimler oluşturabileceği gibi hassas aletlerde işlevsel bozukluklara ve özellikle parlayıcı-patlayıcı madde bulunduran tesislerde istenmeyen sonuçlara sebep olabilir. Demiryolu hatlarının artmasıyla oluşan yer titreşimi gibi sorunlar ve bunların yakınındaki yapılar üzerindeki dinamik etkileri, yoğun nüfuslu kentsel alanlarda önemli bir çevresel sorun haline gelmiştir. Mühendisler için bu tür alanlarda yapı inşa etmek  büyük bir zorluk teşkil etmekte ve mevcut demiryolu hatlarına yakın yeni binaların inşası dikkatli tasarım gerektirmektedir. İlk aşamada, YHT kaynaklı çevresel titreşimlerin etkisini değerlendirmekte ve geliştirilen sayısal modelleri kullanarak tam ölçekli saha koşullarında deneysel sonuçlarını doğrulamaktadır. İstanbul-Ankara yüksek hızlı demiryolu güzergâhının Sapanca-Kırkpınar bölgesinde, tren kaynaklı titreşimlerin çevredeki yerleşim alanları üzerindeki etkisini araştırmak amacıyla deneysel incelemeler ve serbest zeminde ölçümleri yapılmıştır. Bu çalışmada, üç eksenli ivmeölçerler kullanılarak demiryolu hattına dik doğrultuda belirli mesafelerde hızlı tren geçişi esnasında oluşan titreşimler ölçülmüştür. 200-250 km/h hıza sahip YHT kaynaklı dikey ve yatay serbest zemin titreşimlerine ait ivme verileri analiz edilmiştir. İkinci aşamada, hızlı tren geçişi kaynaklı çevresel titreşimlerin, serbest zemin ve yakındaki betonarme binalar üzerindeki etkisini parametrik olarak incelemek amacıyla hızlı tren-demiryolu-zemin sonlu eleman modeli geliştirilmiştir. Sonlu eleman analizleri için PLAXIS 3D Ultimate yazılımı kullanılmıştır. Yapay yansımaları en aza indirmek ve titreşim enerjisini sınırlarda dağıtmak için, sonsuz alanın yanal uzantısı viskoz soğurucu sınırlar kullanılarak modellenmiştir. Yapılan saha çalışmalarından elde edilen titreşim verileri ile doğrulanan gelişmiş sayısal model kullanılarak, yüksek hızlı trenlerin farklı dinamik özelliklerdeki yapılar üzerindeki etkilerini incelemek için kapsamlı parametrik analizler yapılmıştır. Son olarak, ANSYS programı kullanılarak yığma yapı tipindeki binaların dinamik davranışını ele almak ve aynı zamanda demiryolu titreşimlerinin yakındaki betonarme yapılar üzerindeki etkilerini incelemek amacıyla parametrik çalışmalar yapılmıştır. Parametrik analizler soncunda elde edilen titreşim verileri, yapı hasarı ve insan konforu açısından, Amerikan (FTA, 2006) ve Almanya (DIN 4150–2/3) standartlarına göre incelenmiştir. Deneysel ve parametrik çalışmalardan elde edilen titreşim ölçüm verileri, YHT kaynaklı çevresel titreşimlerin olumsuz etkilerinden kaçınmak için, demiryollarına yakın konumlardaki konut ve endüstriyel tesislerin planlanmasında özellikle yararlı olabilir.

Abstract:
Vibrations caused by high-speed trains (HSTs) may affect the service life of structural components, resulting in malfunctions of sensitive instruments located inside buildings and potentially leading to undesirable consequences, especially in facilities containing explosive materials. Excessive ground-borne vibrations induced by HSTs not only can cause damage to the nearby buildings but also affect the human comfort by undesired induced vibrations. These vibrations pose significant challenges for engineers to build structures in such areas and construction of new buildings close to existing railway lines requires careful design. In the first part of the study, the impact of HST-induced environmental vibrations is assessed and experimental results are validated under full-scale field conditions using developed numerical models. Experimental investigations and measurements on free-field were conducted to examine the impact of train-induced vibrations on surrounding residential areas in the Sapanca-Kırkpınar region of the Istanbul-Ankara high-speed railway line. In this study, vibrations generated during the passage of high-speed trains at specific distances perpendicular to the railway line were measured using triaxial accelerometers. Acceleration data related to vertical and horizontal ground vibrations at speeds of 200-250 km/h generated by HSTs were analyzed. Subsequently, a finite element model of the HST-railway-ground system was developed to parametrically examine the effects of HST-induced environmental vibrations on free-field and nearby reinforced concrete buildings. PLAXIS 3D Ultimate software was used for finite element analyses. To minimize artificial reflections and dissipate vibrational energy at the boundaries, the lateral extension of an infinite domain was modeled with viscous absorbing boundaries. Comprehensive parametric analyses were conducted to investigate the effects of high-speed trains on structures with different dynamic characteristics using the validated numerical model. Additionally, vibration analyses were conducted using the ANSYS program to examine the effects of railway vibrations on nearby masonry and reinforced concrete buildings. The vibration data obtained from parametric studies were evaluated according to American (FTA, 2006) and German (DIN 4150-2/3) standards in terms of structural damage and human comfort. The vibration measurement data obtained from experimental and parametric studies could be particularly useful in planning residential and industrial facilities in proximity to railways to avoid the adverse effects of HST-induced environmental vibrations.