Demiryolu kaynaklı titreşimlerin optimal üstyapı tasarımı ile azaltılması
Reduction of railway induced vibrations via optimal superstructure modelling
Yazar: ARİF ULU
Danışman: DOÇ. DR. MUZAFFER METİN ; PROF. DR. AYTAÇ ARIKOĞLU
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Teorisi ve Kontrol Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Ulaşım = Transportation ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Dağıtık sistemler = Distributed systems ; Demir yolları = Railways ; Genetik algoritmalar = Genetic algorithms ; Viskoelastik = Viscoelastic

Özet:
Şehir içi ve şehirler arası ulaşımda yeni hatların tasarlanması sürecinde yolcu konforu ön plana çıkmakla beraber çevreye yayılan demiryolu kaynaklı titreşimlerin azaltılması da önem arz etmektedir. Çevreye yayılan bu titreşimleri gidermenin temel mantığı zemine aktarılan kuvvetin azaltılmasıdır. Bunu en uygun maliyetle sağlamak bir mühendislik problemidir. Maliyet ve kuvvet izolasyonu arasında doğru bir orantı olduğu için ikisi arasında optimal bir seçim yapmak gereklidir. Bu çalışmada esas olarak maliyet ve kuvvet izolasyonu bakımından elastomerlerin optimal seçimi üzerine odaklanılmıştır. Doğru bir üstyapı modeli kurmak için rayın, ray pedinin farklı modelleme teknikleri üzerine durulmuştur. Ray modelleri için Euler-Bernoulli ve Timoshenko kiriş teorilerinin kısmi diferansiyel denklemleri Hamilton Prensibiyle çıkartılmıştır. Yeni dağıtık ray pedi modelleri olan ve yarı analitik çözümlerde kullanılabilen Yerel Sürekli Mesnet Modeli (YSMM) ve Genişletilmiş Yerel Sürekli Mesnet Modelleri (GYSMM) tanıtılmıştır. Pedlerin imal edildiği elastomerlerin davranışları sıcaklık ve frekansa bağlı değiştiğinden viskoelastik malzeme olarak tanımlanmalıdır. Bu çalışmada piyasada bulunan 12 farklı ped Dinamik Mekanik Analiz (DMA) ile test edilmiş ve alınan deneysel veriler ışığında elastomer malzemeler için en uygun modelleme şeklinin kesirli türevli viskoelastik modeller olduğu görülmüştür. Ancak bunların zaman uzayında ifadesi zor ve maliyetli olduğundan klasik viskoelastik malzeme modellerini kullanmak için yeni bir yöntem geliştirilmiş, malzeme cevapları Kalıtımsal İntegral'in nümerik çözümüyle sağlanmıştır. Kurulan iki farklı tipteki analitik model hem saha ölçümleriyle hem de sonlu elemanlar yöntemiyle doğrulanmıştır. Bu üstyapıların optimizasyonu için Çok Amaçlı Genetik Algoritmalar (ÇAGA)'dan birisi olan NSGA-II kullanılmış, amaç fonksiyonları olarak zemine iletilen kuvvet ve maliyet seçilmiştir. Algoritma içinde viskoelastik malzeme özelliklerinin yanında pedlerin geometrik özellikleri de dikkate alınmıştır. Pareto optimal cephelerden seçilen birer örnek mevcut hatlarla frekans uzayında mukayese edilmiştir. Üstyapı ve araç etkileşimindeki bozuklukların frekans düzeylerine bakılarak optimal çözümlerin hangi bozukluklara karşı etkili olduğu incelenmiştir. Sonuçta, malzeme verilerinin elde edilmesinden Pareto optimal sonuçların incelenmesine kadar bütün aşamalar bir sistematik içinde aktarılmıştır. Demiryolu üstyapı tasarımında raylı sistemlerin çevreye etkilerini ve üst yapı maliyetini en aza indirmeyi hedefleyen, optimal çözüm üreten bir yöntem ortaya konmuştur.

Abstract:
It is important to reduce railway-induced vibrations that spread to the environment when designing new lines in urban and intercity transportation. By reducing the force transferred to the ground, these vibrations can be eliminated from spreading to the environment. The problem is how to ensure this at the lowest possible cost. There is a direct correlation between cost and force isolation, so it is necessary to make an optimal choice between the two. This study mainly focused on the optimal selection of elastomers in terms of cost and force isolation. Several modeling techniques are utilized to establish a realistic superstructure model of rail and rail pad. In rail models, partial differential equations of Euler-Bernoulli and Timoshenko beam theories were derived by Hamilton's Principle. New distributed rail pad models, the Locally Continuous Support Model (LCSM) and the Extended Locally Continuous Support Model (ELCSM), were introduced for semi-analytical solutions. Considering that elastomers used to make the pads change their behavior depending on temperature and frequency, they were classified as viscoelastic materials. In the study 12 different pads on the market were tested by using Dynamic Mechanical Analysis (DMA). Based on the experimental study, the fractional derivative viscoelastic models were found to be the most suitable modeling method. Since they were difficult and costly to express in time domain, a new method was developed to use classical viscoelastic material models, and the material responses were derived from the numerical solution of the Hereditary Integral. The finite element method and field measurements were used to validate two types of analytical models. The force transmitted to the ground and the cost were chosen as objective functions for the optimization of these superstructures using NSGA-II, one of the Multi-Objective Genetic Algorithms (MOGA). In addition to the viscoelastic material properties, the geometric properties of the pads were also taken into account in the algorithm. The frequency domain was compared with samples selected from the Pareto optimal fronts. By looking at the frequency levels of the disturbances in the superstructure and vehicle interaction, the optimal solutions were examined against which disturbances. Thus, all stages from obtaining the material data to analyzing the Pareto optimal results were systematic. In railway superstructure design, an optimal solution was put forward to minimize the environmental effects of rail systems and the cost of superstructure and produces.