Estetik, hafif ve yeni nesil ağır hizmet tipi çelik köprü otokorkuluk sistemi geliştirilmesi
Development of an aesthetic, lightweight and new generation heavy containment level steel bridge rail
Yazar: MEHMET ONUR ÖZTEPE
Danışman: PROF. DR. ALİ OSMAN ATAHAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Ulaştırma Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Otokorkuluk sistemleri, karayollarında herhangi bir sebep ile kontrolden çıkan taşıtın yol kenar bölgesine geçmesini önlemek ve taşıtı güvenli bir şekilde yola döndürmek için kullanılan yol kenarı güvenlik elemanlarıdır. Otokorkuluk sistemi yol kenar bölgesindeki yaya ve diğer yol kenarı tesislerini korumanın yanında, çarpan taşıtın içinde bulunan yolcuları da çarpma etkisinden korumak adına tasarlanan yol kenarı güvenlik elemanlarıdır. Otokorkuluk sistemleri kullanım amacına göre değişik tiplerde üretilmektedir. Yüksek düşü mesafesine ve yoğun ağır vasıta trafiğine sahip yol bölgelerinde kullanılan otokorkuluk sistemleri ağır hizmet tipi otokorkuluk sistemi olarak adlandırılırlar. Ağır hizmet tipi otokorkuluk sistemleri ağırlıklı olarak köprü gibi karayolu yatırımlarında kullanılmaktadır. Köprüler yapıları gereği hareketli sistemlerdir. Bu sebeple genleşme derzi yapılarına sahiptirler. Otokorkuluk sistemlerinin köprülerde kullanımında genleşme derzi bölgelerine özel tasımlara ihtiyaç duyulmaktadır. Tez kapsamında, ülkemizde hâlihazırda devam eden ve yapılması planlanan karayolu yatırımları kapsamında gerçekleştirilecek; köprü, viyadük gibi projelerde kullanılmak üzere normal açıklıklı bölge ve genleşme derzi bölgesi olmak üzere iki farklı tasarıma sahip ağır hizmet tipi bir çelik otokorkuluk sistemi tasarımı geliştirilmiştir.
Tez kapsamında, tasarımı yapılan ağır hizmet tipi otokorkuluk sisteminin analizleri karmaşık dinamik çözümler yapabilen sonlu elemanlar simülasyon yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bu yazılım, dinamik çarpışma senaryosunun ekspilisit sonlu elemanlar analizlerini yapabilen ve analizler sonucunda çarpışma anını simüle edebilen bir yazılımdır. Bu yazılımda, çarpışma senaryosunun elemanları olan otokorkuluk sistemi ve taşıtın üç boyutlu sonlu eleman modelleri oluşturulmuştur. Üç boyutlu sonlu elemanlar modelleri oluşturulan otokorkuluk sistemi ve taşıt elemanlarının mekanik özellikleri programa tanımlanmıştır.  Oluşturulan taşıt ve otokorkuluk sistemi sonlu elemanlar modelleri standartların ön gördüğü çarpışma test kriterlerine göre sanal ortamda çarpışma testine tabi tutulmuştur. LS-DYNA yazılımının oluşturduğu dinamik çarpışma simülasyonu üzerinden otokorkuluk sistemlerinin performans değerlendirmeleri ve yapısal optimizasyonları yapılmıştır. 
Ağır hizmet tipi (AHT) otokorkuluk sistemleri köprü, viyadük gibi yamaçlarda ve yüksek kotta bulunan karayolu bölgelerinde kullanılan otokorkuluk sistemleridir. Aracın karayolunu terk etmesi halinde yüksek mesafelerden düşmesiyle sonuçlanabilecek kazaları önlemek adına geliştirilmiştir. Bu sebeple AHT otokorkuluk sistemleri ağırlıklı olarak yol kenarı banket bölgelerinde kullanılmaktadır. Bu otokorkuluk sistemleri, ağır vasıta trafiğinin yoğun olduğu bölgelerde, yüksek ağırlıklı taşıtları karayolu sınırlarında tutma amacı ile kullanılırlar. Taşıtın otokorkuluk sistemine çarpması sonucu doğan dinamik ve statik yüklemelere karşı basit otokorkuluk sistemlerine oranla çok daha yüksek mukavemete sahip otokorkuluk sistemleridir. Çarpışma etkilerine karşı otokorkuluk sisteminde oluşan yanal yer değiştirme hareketlerinin sınırlandırıldığı otokorkuluk sistemleridir.
AHT otokorkuluk sisteminin tasarımında, otokorkuk sistemlerine dair ülkemizde ve Avrupa'da kullanılan standartlar incelenmiştir. İlgili TS EN 1317 standardında ortaya konulan gereklilikleri sağlayacak bir tasarım oluşturulması prensibi üzerinden hareket edilmiştir. İlgili standartlarda otokorkuluk sistemleri için tam ölçekli çarpışma testi gerekliliği ortaya konulmuştur. Tam ölçekli çarpışma testinde amaç, otokorkuluk sisteminin taşıtı güvenli bir şekilde karayoluna döndürme işlevini başarıyla gerçekleştirdiğini deneysel yöntemlerle kanıtlamaktır. İlgili standartta tam ölçekli çarpışma testi verilerinin değerlendirmesinde üç temel kıstas ve bu temel kıstaslara ait performans seviyeleri belirlenmiştir. Bunlardan ilki olan yolda tutma performans seviyesi, otokorkuluk sisteminin çarpma etkilerine karşı taşıtı yolda tutma potansiyelini ifade etmektedir. Ağır hizmet tipi bir otokorkuluk sistemleri yüksek yolda tutma gerekliliklerini sağlaması gereken otokorkuluk sistemleridir. Bu sebeple tasarımı yapılan ağır hizmet tipi otokorkuluk sistemi tasarımı için yolda tutma performans seviyesi H4b olarak belirlenmiştir. Belirlenen H4b seviyesi için ilgili TS EN 1317 standardı, otokorkuluk sisteminin TB11 ve TB81 testlerine tabi tutulmasını öngörmüştür. İkinci kıstas olan çarpma şiddeti performans seviyesinin belirlenmesinde ASI ve THIV indeksleri kullanılmaktadır. Bu indeksler TS EN 1317'de paylaşılan bir sıra formülün kullanılması ile hesaplanmaktadır. ASI indeksi, çarpışmanın yolcu için şiddetini ifade eder. ASI indeksinin değerine göre çarpma şiddeti performans seviyesi "A", "B" ve "C" olmak üzere üç sınıf olarak belirlenmiştir. "A" en düşük çarpma şiddet seviyesini ifade ederken "C" en yüksek çarpma şiddet seviyesini ifade eder. THIV (Teorik Baş Çarpma Hızı) indeksi, çarpışma esnasında aracın içinde olan yolcunun kafa bölgesinde, çarpışma etkileri ile oluşan ani hareketin hızını, dolayısı ile yolcunun kafa bölgesinde oluşan çarpma şiddetini ifade eder. THIV indeksi için ilgi standartta belirtilen azami değer 33 km/saat olarak ifade edilmiştir. Ağır hizmet tipi otokorkuluk sistemi tasarımında çarpma şiddeti performans seviyesinin minimum "B" sınıfı olmasına karar verilmiştir. Üçüncü kıstas olan çalışma genişliği performans seviyesi, çarpışma sonrası yol dış tarafına bakan yüzeylerinin en uç bölgesi ile çarpışma öncesi otokorkuluk sisteminin yola bakan yüzeylerinin en uç bölgesi arasındaki mesafeyi ifade etmektedir. Ağır hizmet tipi otokorkuluk sistemleri, kullanım amaçları gereği çalışma genişliğinin düşük olması gereken sistemlerdir. Bu sebeple ağır hizmet tipi otokorkuluk sistemi tasarımı için çalışma genişliği performans seviyesi konservatif bir yaklaşımla W3 olarak belirlenmiştir. W3 çalışma genişliği performans seviyesi, maksimum yanal yer değiştirme hareketinin 1000 mm olabileceğini ifade etmektedir. 
Tez kapsamında geliştirilen yeni nesil ağır hizmet tipi otokorkuluk sistemi tasarımının, işlevsel olmasının yanı sıra hafif ve estetik bir tasarıma sahip olmasına da özen gösterilmiştir. Köprü geçişlerinde geniş bir görüş açısı sağlaması ve ekonomik olması adına 4200 mm gibi geniş bir dikme açıklığı seçilmiştir. Otokorkuluk sistemi tasarımında, standart 2N ve 3N ray sistemlerinden farklı olarak kutu profil ray sistemleri kullanılmıştır. Dikme sistemleri de çelik kutu profil elemanlardan oluşturulmuştur. Oluşturulan ağır hizmet tipi otokorkuluk sistemi tasarımının Solidworks yazılımı ile üç boyutlu modeli oluşturulmuştur. Sonlu elemanlar analiz dosyalarının oluşturulmasında LS-PrePost yazılımı kullanılmıştır. Solidworks yazılımında oluşturulan üç boyutlu model LS-PrePost yazılımına aktarılmıştır. LS-PrePost yazılımında, analiz için gerekli sonlu elemanlar ağı oluşturulmuş ve otokorkuluk sistemi tasarımını oluşturan her bir eleman için ayrı ayrı element ve malzeme özellikleri tanımlanmıştır. LS-PrePost yazılımda, son olarak otokorkuluk sisteminin sınır ve mesnet koşulları tanımlanmış ve otokorkuluk sistemi sonlu elemanlar modeli tamamlanmıştır. Oluşturulan otokorkuluk sistemi sonlu elemanlar model dosyası ve test laboratuvarlarından temin edilen taşıt sonlu elemanlar model dosyası TB11 ve TB81 test biçimlerinde bir araya getirilmiş ve LS-DYNA yazılımı için analiz dosyası oluşturulmuştur. Tez kapsamında geliştirilen otokorkuluk sisteminin sonlu elemanlar analizleri LS-DYNA yazılımı ile gerçekleştirilmiş ve çarpışma testleri sanal ortamda simüle edilmiştir.
LS-DYNA yazılımında oluşturulan analiz simülasyonları değerlendirilmiş ve test verilerinin ilgili standartta belirtilen gereklilikleri sağlayıp sağlamadığı irdelenmiştir.  Otokorkuluk sistemi nihai tasarımı oluşturulurken çok sayıda simülasyon gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen analiz ve simülasyon çalışmaları sonucunda otokorkuluk sistemini oluşturan elemanlarını konumlar, geometrik tasarımları, et kalınlıkları ve profil tipi özellikleri ilgili standartlarda belirtilen çarpışma performansı gerekliliklerini sağlayacak şekilde optimize edilmiştir. Tez kapsamında tasarımı yapılan ağır hizmet tipi otokorkuluk sisteminin çarpışma davranışları TB11 ve TB81 test simülasyonları üzerinden incelenmiştir. Otokorkuluk sistemi çarpışma testi simülasyonlarında, taşıtın otokorkuluk sisteminin herhangi bir parçasına takılması gibi çarpışma testini başarısız kılacak bir durum görülmemiştir. Otokorkuluk sisteminin, taşıtın otokorkuluk sistemini aşarak yolu terk etmesini önlediği ve taşıtı ilgili standartlarda belirtilen sınırlar çerisinde tutma konusunda başarılı bir performans gösterdiği görülmüştür. Tasarım aşamasında seçilen H4b yolda tutma performans seviyesi için gerekli test tipleri olan TB81 ve TB11 testleri sonucunda çarpma şiddeti performans seviyesi ön görüldüğü gibi "B" sınıfı olarak elde edilmiştir. Çarpışma testleri için ilgili standartlarda belirtilen bir diğer performans seviyesi olan çalışma genişliği performans seviyesi tasarım aşamasında belirlenen hedef çalışma genişliği değeri olan W3 olarak elde edilmiştir. Yapılan çok sayıda simülasyon ve analiz sonucunda; estetik, hafif ve yeni nesil bir ağır hizmet tipi otokorkuluk sistemi tasarımı ortaya konulmuştur.

Abstract:
Guardrail systems are one of the roadside safety hardware that are used to prevent vehicles from running off the road by containing and redirecting errant vehicles safely back to the road platform. A guardrail system is a roadside safety element designed to protect pedestrians and other roadside facilities in the roadside zone, as well as to protect passengers inside the crashed vehicle from impact. The guardrail systems produce in different types according to the purpose of use. The bridge rails are a type of guardrail that are used on bridge decks with excessive fall distance. It is well known that bridges can expand or contract under environmental influences due to their structural characteristics. For this reason, they incorporate expansion joints to mitigate undesired loads. Bridge rails used at expansion joint require special details. Within the scope of the thesis, two different designs of bridge rails developed to use in projects that will be realized within the scope of highway investments that are already underway and planned to be made, in our country such as bridges and viaducts.
Within the scope of the thesis, the analysis of the bridge rail designs were carried out by using finite element simulation software LS-DYNA that can make complex explicit dynamic calculations and simulations. In this software, three-dimensional finite element models of the bridge rail and the vehicle were created. The mechanical characteristics of the guardrail and vehicle elements are described in the software. These models were subjected to a crash test in the virtual environment according to the crash test criteria stipulated by the European Crash Testing Standard, TS EN 1317. Performance evaluations and structural optimizations of guardrails were made using the crash simulation created by the software.
Heavy containment level barriers are the kind of guardrail that used to contain and redirect heavy vehicles, such as 30 ton or heavier trucks. These barriers are used in areas with heavy vehicle traffic to keep heavy vehicles at the borders of the highway. These are the guardrails that have a much higher strength compared to ordinary guardrails against dynamic and static loads caused by the vehicle crashing the guardrail. It is the guardrails where the lateral displacement movements occurring in the guardrail against the crashing effects are limited.
The full-scale crash test requirement for the guardrails have been introduced in the relevant norms. The aim of the full-scale crash test is to prove by experimental methods that the guardrail successfully accomplished the function of guiding the vehicle safely to the road. In the evaluation of the full-scale crash test data in the standards, three basic criteria and the several levels of these basic criteria are determined. The first criterion specified in the relevant norm is the containment level. The containment level refers to the potential of the road guard to keep the vehicle on the road against the dynamic effects it will have cause when the vehicle hits the guardrail.  
In this thesis, the containment level was selected as H4b for the design of the bridge rail. Thus, bridge rail designs should be subjected to TB11 and TB81 tests according to the relevant TS EN 1317 norm. 
The second criterion specified in the relevant norm is the impact severity level. ASI (Accident Severity Index) and THIV (Theoretical Head İmpact Velocity) indices are used to determine the level of impact severity. ASI and THIV indices are used to determine the level of impact severity. ASI and THIV indices are calculated using a series of formulas. The ASI index indicates the severity of the crash for the passenger. According to the value of the ASI index, the level of impact severity is determined in three classes: "A", "B" and "C". Class "A" indicates the lowest impact severity, while class "C" indicates the highest impact severity. The THIV (Theoretical Head Impact Velocity) index refers to the speed of sudden movement caused by crash effects in the passenger head inside the vehicle during the crash. In the relevant standard, the maximum value that the THIV index can take as a result of the crash test is specified as 33 km/h. It was decided that the collision safety level of the bridge rail designed within the scope of the thesis should be minimum class "B". 
The third criterion specified in the relevant norm is the working width level. The working width level is the maximum lateral displacement caused by the impact of an accident between the undeformed tip of the guardrail on the road side and the deformed tip of the guardrail on the outside of the road. Bridge rail is the kind of guardrail that have to have a low working width for their intended use. For this reason, the working width level of the bridge rail was determined as W3 or 1000 mm with a conservative approach.
The design of the new generation bridge rail developed within the scope of the thesis has been paid attention to have a light and aesthetic design as well as being functional. In the design of the bridge rail developed within the scope of the thesis, the distance between posts was chosen as 4200 millimeters, which is a wider value compared to standard designs. Rectangular hollow section steel profile rail elements were used in the design. The posts were also created from rectangular hollow section steel profile elements. The three-dimensional model of the bridge rail design was created with Solidworks software. LS-PrePost software was used to create finite element analysis files. Three-dimensional model created in Solidworks software was imported to LS-PrePost software. In the LS-PrePost software, the finite element model (FEM) required for analysis were created and the element and material properties were defined separately for each part that constitutes the bridge rail design. In the creation of the finite element model (FEM), the boundary and support properties were defined for each part. The finite element model file of both vehicle and bridge rail were combined in the test composition TB11 and TB81.
In the scope of the thesis, crash test analysis simulations created in LS-DYNA software were evaluated. Whether the analysis simulation data fulfill the crash test requirements specified in the relevant norm was examined. Numerous simulations were carried out while creating the final design of the bridge rail. As a result of the analysis and simulation studies, the features of the guardrail system components such as locations, geometric designs and wall thicknesses are optimized to meet the collision performance requirements specified in the relevant norms. The dynamic impact behavior of the bridge rail design was examined through the TB11 and TB81 crash test simulations. In these simulations, vehicles were successfully contained and redirected by the barrier with minimal barrier damage. It was observed that the bridge rail performed as intended and showed a successful performance in keeping the vehicle within the borders of the highway as specified in TS EN 1317 standard.
It has been observed that the vehicle continues its post-collision trajectory within the post-collision movement area, or exit box, specified in the relevant TS EN 1317-2 norm. In addition, in crash test simulations, no barrier override or underride behavior was observed. In TB11 and TB81 simulations there was not an observation that would result in test failure, such as longitudinal element seperation or vehicle rollover. Furthermore, in TB11 simulation Barrier damage was fairly small and redirection of passenger car is acceptable. All the occupant risk factors calculated are well withinn the acceptability limit specified in TS EN1317 standard part 2. On the other hand, for the TB81 impact tractor trailer created a moderate damage to barrier and repair of posts and rail elements are necessary. Post impact trajectory of the tractor trailer is also within the exit box criteria specified in TS EN1317 standard part 2.
The crash performance of each element constituting the bridge rail system was evaluated separately using the TB11 and TB81 crash test simulations. As a result of the evaluation, it has been observed that each element forming the guardrail system acts in the integrity of the guardrail system. It has been observed that the strengths of each element constituting the guardrail system are sufficient during the crash event. 
ASI index was calculated as 1,4 based on the formulation provided in TS EN1317 standard part 1. All the acceleration data needed was obtained from the accelerometer placed in 900 kg car during the TB11 crash test simulation. According to the 1,4 ASI index value, the impact severity level was obtained as "class B". The THIV index was calculated as 32,4 km/h with the data obtained from the TB11 crash test simulations. The value of 32,4 km/h THIV index remains within the acceptable limits described in TS EN1317 standard part 2. 
The working width value was calculated as 0,901 meters from the TB81 test simulations. Thus, working width class is determined as W3. Vehicle intrusion distance (VIm) and dynamic displacement (Dm) parameters, which are not considered as acceptance criteria in the relevant TS EN 1317-2 standard, help to predict potential problems that may arise due to the change of application areas of the guardrail systems. Vehicle intrusion distance (VIm) and dynamic displacement (Dm) parameters were evaluated using crash test simulations. The vehicle entry distance (VIm) value for the guardrail system design was found to be negligibly low. Furthermore, it is concluded that the dynamic displacement distance is not important for the AHT guardrail system designed within the scope of the thesis.
As a result of the TB81 and TB11 test simulations, which are the test types required for the H4b containment level selected during the design phase, the impact severity level was obtained as the " class B" as predicted. The working width level, which is the other security level specified in the relevant norm, was obtained as the target value determined as W3 at the design stage. As a result of numerous simulations and analyzes carried out within the scope of the thesis, an aesthetic, light and new generation bridge rail design was introduced.