Demiryolu ray - travers bağlantı sistemlerinin ve uygulanan testlerin incelenmesi
Investigation of railway rail –sleeper fastening systems and application tests
Yazar: MUHAMMET ZİKRULLAH AKÇAER
Danışman: PROF. DR. ZÜBEYDE ÖZTÜRK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Ulaştırma Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Ulaşım = Transportation ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Kentiçi ulaşımı rahatlatmak için kullanılan çözümlerin en önemlilerinden birisi de raylı sistemlerin arttırılmasını ve geliştirilmesini sağlamaktır. Bunun yanında teknolojik gelişmeler sonucunda yüksek hızların uygulanmasıyla şehirlerarası ulaşımda da raylı sistemler önem kazanmıştır. Ülkemizde hem şehirlerarası hem de kentiçi ulaşımda son yıllarda raylı sistemlere önemli ölçüde yatırımlar yapılmaktadır.
Demiryolu üstyapısının önemli bileşenlerinden birisi çeken ve çekilen araçlara hareket yüzeyi olarak görev yapan raydır. Raylarların traverslere bağlanmasını sağlarken diğer yandan da etkiyen dikey, yanal ve boyuna kuvvetleri karşılayarak altyapıya iletilmesini sağlayan bağlantı sistemleri de önemlidir. Bağlantı sistemlerinin sahip olduğu özellikler yolcu konforunu, titreşimi ve gürültüyü etkilerken diğer taraftan da sahip olduğu özelliklere göre üstyapıya yapılan koruyucu, düzeltici bakım maliyetlerini etkilemektedir.
Önceki dönemlerde rayların çivilerle traverslere tespitlenmesi şeklinde basitçe tarif edebileceğimiz rijit bağlantı sistemleri kullanılırken, günümüzde sektörde yaşanan gelişmelerle ve yüksek hızların uygulanmasıyla rijit bağlantı sistemleri gereksinimleri karşılayamaz duruma gelmiştir. Bu da yeni ihtiyaçları karşılayabilecek yeni sistemler geliştirilmesini beraberinde getirmiş böylece elastik bağlantı sistemleri geliştirilmiştir. 
Elastik bağlantı sistemleri rijit bağlantı sistemlerinin birçok dezavantajını ortadan kaldırmış, yüksek hızlara çıkılmasının önünü açmış, konforu arttırmış, bakım maliyetlerini de yok denecek kadar aza indirmiştir.
Bir bağlantı sisteminin elastik olarak nitelendirilebilmesi için sağlaması gereken bazı özellikler bulunmaktadır. Bu özellikleri sağlayıp sağlamadığını belirleyebilmek için laboratuvar ortamında hat üzerindeki yükleri taklit edebilen özel geliştirilmiş makinelerle testler yapılmakta elde edilen sonuçlar değerlendirilmektedir. Bu sonuçlara göre yeni geliştirilen bir bağlantı sistemi gerek görülürse, deneme hatlarında belirli bir süre işletme altında da test edilmektedir.
Demiryolu üstyapısında önemli görevleri olan bağlantı sistemlerinin yeterliliğini araştırmak için yapılan bu testleri ve elde edilen sonuçların değerlendirilmesini inceleme isteği, bu çalışmanın hazırlanmasına sebep olmuştur.
Çalışmada öncelikle ray bağlantı sistemleri hakkında bilgi verilmiş, sağlaması gereken özellikler incelenmiş tiplerine göre ana başlıklar altında gruplandırılmışlardır. Bağlantı elemanları şöminman önleyiciler, travers ankrajları ve güvenlik demirleri, pedler ve travers – ray bağlantı sistemleri olarak gruplandırılmış, ardından bağlantı sistemleri rijit ve elastik bağlantı sistemleri olarak ayrılmış, onlar da sahip oldukları alt gruplara göre gruplandırılmışlardır. Çalışmada buraya kadar da bahsettiğimiz üzere ana konumuz travers – ray bağlantı sistemleri olduğundan diğer başlıklara değinilerek geçilmiştir. Yalnız pedler her ne kadar ayrı gruplandırılsa da bağlantı sistemleriyle birlikte değerlendirilmesi gerektiğinden pedlere daha fazla değinilmiştir.
Yukarıda bahsettiğimiz ray bağlantı sistemlerine uygulanan testlerin nasıl yapılması gerektiği Avrupa Standardizasyon Komitesi (CEN) tarafından EN 13146 isimli standart serisinde belirlenerek standart haline getirilmiştir. Bu standart en son 2012 yılnda güncellenerek son hali verilmiştir. CEN bağlantı sistemlerine bütün olarak yapılan testlerin yapılışının yanısıra bu testlerden elde edilen sonuçların nasıl değerlendirilmesi gerektiğini, minimum değerlerini ve hangi değerler arasında olması gerekliliğini de belirleyerek standart haline getirmiştir. Bu standart da yine en son 2012 yılında güncellenerek EN 13481 standart serisi olarak kullanıma sunulmuştur. Çalışmanın devamında bu iki test ayrıntılı olarak incelenmiştir. EN 13146 serisinde uygulanan dokuz adet testin nasıl yapıldığı, EN 13481 serisinde ise beş ayrı üstyapı durumunda testlerden alınan sonuçların yorumlanmasından ayrıntılı şekilde bahsedilmiştir.
Çalışma Kadıköy-Kartal Metrosu'nda kullanılan ray bağlantı sistemine uygulanan testlerin ve sonuçlarının incelenmesiyle devam etmiştir. İstanbul'un yeni metrolarından olan Kadıköy-Kartal Metro'su 2012 yılında hizmete açılmış olup yaklaşık iki senedir hizmet vermektedir. Hatta Pandrol firmasına ait e-klips elastik bağlantı sistemi kullanılmıştır. Bu ray bağlantı sistemine EN 13146 standardına göre uygulanan deneyler ve deney sonuçlarının EN 13481-6 standardına göre değerlendirilmesine ilişkin rapor incelenmiştir. 
Her ne kadar bağlantı sistemleri bir bütün olarak çalışsa da sistemi oluşturan bileşenler ve bu bileşenlerin malzemesi, sahip olması gereken özellikler ve mukavemetleri de önem arzetmektedir. Bu nedenle her bağlantı sistemini oluşturan bileşenler ayrı ayrı incelenmeli sahip olması gereken özellikler denetlenmelidir. Bu bileşenlerin denetlenmesi ve test edilmesiyle ilgili sistem testlerinde olduğu gibi tek bir standart bulunmamaktadır. Her ülkenin kendi ulusal standartları vardır ve bu standartlara uyulması beklenmektedir. Bunlardan hangisine uyulacağının belirlenmesi de daha çok üretim yapan firma ile müşterinin anlaşmasına bırakılmıştır. Bunun yanında Uluslararası Demiryolları Birliği (UIC)'nin hemen hemen her sistemde ortak kullanılan bazı bileşenlerle ilgili belirlediği bir standart serisi bulunmaktadır. Bu standart UIC 864 O standardıdır. Bu standartta tirfonlar, civatalar ve somunlar, rondelalar ve seletlerle ilgili üretim koşulları, malzeme koşulları ve fabrika kabul koşulları öne sürülmüştür. Bizim çalışmamızın asıl konusu bağlantı sistemleri için yapılan testler olmasına rağmen UIC 864 O standart serisi de incelenmiştir.
Bağlantı sistemlerinin fabrika kabul testlerine örnek teşkil etmesi amacıyla Taksim Metrosu II.aşama inşaatında kullanılan Vossloh sistem 336 tipi elastik ray bağlantı sistemini oluşturan bileşenler için yapılan fabrika kabul testlerinin nasıl yapıldığına dair rapor da çalışmanın devamında incelenmiştir. Bileşenlere yapılan test sonuçlarını gösterir sayısal raporlar da EK kısmında verilmiştir.
Bütün bu bahsedilen bölümlerden sonra İstanbul kentiçi raylı sistemlerde kullanılan bağlantı sistemleri tanıtılmıştır. Bu tanıtımda İstanbul'un ilk metrosu olan Taksim Metrosunda kullanılan ray bağlantı sistemlerinin üzerinde ayrıntılı olarak durulmuştur. 
Taksim Metrosu üç aşamada inşa edilmiştir. Bu aşamalardan sonuncusu Türkiye'nin ilk metro geçiş köprüsü olan Haliç Metro Geçiş Köprüsü'nü de içeren inşaat aşamasıdır. Taksim Metrosu'nda üç farklı elastik ray bağlantı sistemi kullanılmıştır. Bunlardan ikisi Fransız menşeyli olan Nabla ray bağlantı sistemi, Alman menşeyli olan Vossloh sistem 336 tip bağlantı sistemleridir. Üçüncü sistem ise ülkemizde ilk defa kullanılan; yine ülkemizin ilk metro geçiş köprüsü ve yaklaşım viyadüklerinde kullanılan İngiliz menşeyli Pandrol Vanguard ray bağlantı sistemidir.
Hatta yaklaşık iki aydır işletmeye açık olan Pandrol ve Vossloh bağlantı sistemlerinin olduğu kısımla ilgili henüz istatistiksel veri elde edilemediğinden inceleme dışı bırakılmıştır. Diğer yandan hatta 15 senedir  işletme altında bulunan Nabla sistemi ve 5 senedir işletme altında bulunan Vossloh sistem 336 döşeli kısımlar maliyetleri açısından incelenerek karşılaştırılmışlardır. Bu inceleme için Taksim Metrosu özellikle seçilmiştir, çünkü aynı işletme senaryosunda, aynı işletme yükleri altında farklı sistemler kullanılmıştır. Bu da inceleme için hem kolaylık hem de doğruya en yakın sonuca ulaşma imkanı sağlamıştır.
Nabla sistemi Vossloh sistem 336'ya göre daha sade ve daha basit bir yapıya sahiptir. Bunun yanında Vossloh sistem 336 daha karmaşık ancak hatta uygulanması sırasında işçilik kalitesinin daha önemli olduğu bir sistemdir.  İncelemede ray bağlantı sistemleri bazında km başına düşen ilk satın alma, ilk yatırım ve yıllık olarak koruyucu – düzeltici bakım masrafları hesaplanarak karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma sonucunda Nabla sisteminin hem  ilk yatırım maliyetinin hem de bakım maliyetlerinin daha yüksek olduğu tespit edilmiştir.
Çalışmada; günümüzde raylı sistem beklentilerini elastik ray bağlantı sistemlerinin yerine getirebileceği açıkça görülmüştür. Ayrıca birçok bileşenin biraraya gelmesiyle oluşan ray bağlantı sistemlerinin seçilmeden önce belirlenen standartlar çerçevesinde testlerin yapılarak sistemin uygunluğu konusunda yine standartların çizdiği koşullara göre değerlendirilmesi gerektiği anlaşılmaktadır. Bu testlerin laboratuvarda sadece bu iş için geliştirilmiş makinelerle sistemi çeşitli koşullara tabi tutarak yapıldığı görülmüştür. Ayrıca aynı şartlarda işletme altında olan elastik ray bağlantı sistemlerinden Nabla sistemi ile Vossloh sistem 336 karşılaştırılmış Nabla sisteminin ilk yatırım ve bakım maliyetlerinin açık şekilde daha yüksek olduğu sonucuna varılmıştır.

Abstract:
One of the most important solutions used to relieve urban transportation is provide to increase and develop railway systems. Besides, as a result of technological developments, through the application of high-speed technology, intercity railway systems have gained importance in transportation. In our country, especially recent years, there exist considerable investments on railway systems operating intracity and intercity.
One of the important components of the railway superstructure is the rail that acts as running surface for railway vehicles. For fastening rails to sleepers, the effect of vertical, lateral and longitudinal forces transmitted by satisfying the infrastructure that enables rail fastening systems is also important. Rail fastening system properties affect passenger comfort, vibration and noise. On the other hand, superstructure's protective and corrective maintenance costs are incurred because of these properties.
In prior times, rigid fastening systems were being used anchoring rails with nails to the sleepers with a simple technique, but recently with the developments in the sector and implementation of high-speeds, rigid fastening systems system has become unable to meet the requirements. This situation brought about new systems which can satisfy new requirements, and elastic fastening systems are developed.
Elastic fastening systems eliminate many disadvantages of rigid fastening systems, it paves the way for high-speed servicing, it increased comfort, and also it minimizes maintenance costs.
There are some certain characteristics for qualifying a fastening system as an elastic fastening system. In order to qualify whether a system is elastic or not some tests are conducted with machines that imitate the track loads in the laboratories and results are evaluated. According to these results, if needed, a newly developed fastening system is tested in lines for a certain time.
Inclination to investigation of these tests and evaluation of the test results which have important tasks on railway superstructure has led to prepare this study.
In this study firstly, rail fastening systems are explained, necessary characteristics are analyzed, and they are grouped under sections according to type. Fastenings are grouped as anti-creep devices, sleeper anchors and security anchors, pads and sleeper – rail fastening systems; and after that rail fastenings separated as rigid and elastic fastenings than they are also grouped as according to their sub-groups. In this study as we mentioned above until here, our main issue is sleeper – rail fastening systems other titles are mentioned briefly. But although pads must be evaluated together with fastening systems so they are explained in detail. 
Rail fastening tests, mentioned above, should be carried out according to the International Committee for Standardization (CEN) in EN 13146 series and was converted into a named standard.This standard has been updated and finalized in the year 2012. CEN determines standards for how to evaluate test results, minimum values and intervals of test which are applied for whole fastening system. This standard is finally updated again in 2012, and available in a series of EN 13481. In continuation of the study, these two tests were examined in detail. How the tests in EN 13146 series of nine tests are carried out, and how the EN 13481 series of five separate body tests are described and interpreted in detail. 
Study is continued by inspecting the tests and analyzing results of tests which are carried out on fastening system used in Kadıköy – Kartal Metro in İstanbul. Kadıköy – Kartal Metro is one of the newer metros of İstanbul established in 2012 and serves about two years. In this track e-clip rail fastening system, Pandrol Company is used. The report of tests are analyzed which are applied on this rail fastening system according to EN 13146. Results of EN 13481 were also examined. 
Although, rail fastening systems work as a whole system, components of system, materials and strength properties are also important. Therefore, components of every rail fastening system should be examined separately and features of components must be checked. In inspection and testing of these components as a system, there exists only one standard. Each country has its own national standards and are expected to comply with these standards.Which one of these standards to comply with is based on agreements between manufacturing companies and customers. Besides, International Union of Railways (UIC) determined a standard series for components which are in the common base used in almost every system.This standard is the standard UIC 864 O. This stipulates some manufacturing, materials and factory acceptance requirements for sleeper-screws, bolt and nuts, spring washers, pads and baseplates. The main purpose of our study is tests for whole rail fastening systems. In addition the UIC 864 standard is investigated.
For an example of factory acceptance tests of rail fastening systems components, Vossloh System 336 type elastic rail fastening system's components tests, which is used in Taksim Metro's second phase construction, factory acceptance test report is examined with how the tests done. Numerical reports which show the results of components are attached in Appendix.
Then in the study, rail fastening systems used in Istanbul urban rail systems have been introduced. In this presentation, rail fastening systems used in first metro system of Istanbul, Taksim Metro are discussed in detail.
Taksim Metro was built in three phases. The last phase is the construction phase which consists of Haliç Metro Bridge that is the first metro bridge of Turkey. Three different elastic rail fastening systems are used in Taksim Metro. Two of them are Nabla rail fastening system which originating from France and Vossloh System 336 which originates from Germany. The third one is used for the first time in our country; used in our country's first metro bridge and approach viaducts Pandrol Vanguard rail fastening system which is originates from United Kingdom.
Pandrol and Vossloh System 336 type rail fastening systems which are used in service for two months were excluded from analyses because no statistical data is achieved yet. On the other hand, Nabla rail fastening system which is servicing for fifteen years and Vossloh System 336 rail fastening system which is in servicing for five years are examined and compared in terms of costs. Taksim Metro is specially selected for this review, because different rail fastening systems are used in under the same servicing scenario and under the same operating load. This provides convenience for review and also has enabled the closest to achieving results.
Nabla rail fastening system is less complex than Vossloh System 336 rail fastening system and also Nabla system has more simple structure than Vossloh System 336 type. On the other hand, Vossloh System 336 rail fastening system is more complex but implementation on track quality of workmanship is more important than Nabla fastening system. In the examination, for each rail fastening system; initial purchase per km, initial investment per km, and yearly protective and corrective maintenance costs have calculated and compared with each other. At the end of comparing both initial investment costs and maintenance costs Nabla fastening system is found higher. 
In this study it is clearly seen that, nowadays many transportation necessities can be satisfied by elastic rail fastenings. Also rail fastening system must be tested and evaluated in accordance with the requirements of related standards before selecting for a railway track. These tests are applied with machines which are manufactured for only these tests and applied various conditions. In addition, elastic rail fastenings of Nabla and Vossloh System 336 which is in-service under same conditions are compared and it has been concluded that initial investment and maintenance costs of Nabla System is clearly higher than Vossloh System 336 type rail fastening system.