Demiryolu hatları üzerine, hat ve tren tekerleklerindeki düzensizlikler nedeniyle etki eden dinamik darbe kuvvetlerinin analitik olarak çözümlenmesi
Analytical evaluation of the dynamic impact forces acting on railway tracks due to track and wheel roughness
Yazar: ERDEM BALCI
Danışman: DOÇ. DR. NİYAZİ ÖZGÜR BEZGİN
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / İnşaat Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Ulaşım = Transportation ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Demiryolu hatları boyunca ve tren tekerlekleri üzerinde oluşabilen düzensizlikler, trenin hat üzerine, kendi statik ağırlığından daha yüksek değerlerde dinamik kuvvetler aktarmasına neden olabilir. Hat üzerine aktarılan kuvvetlerin belirli sınır değerleri geçmesiyle ray ve ray bağlantı elemanlarında hasarlar, traverslerde çatlaklar ve traversi taşıyan balast tabakasında aşınma ve ufalanma veya traverslerin içerisine gömülü olduğu betonarme levhalarda çatlama gibi sonuçlarla karşılaşılabilir. Tüm bunların sonucunda hattın hizmet, güvenlik ve güvenilirlik değerleri düşer ve hattın bakım maliyetleri artar. Bu hasarlar, yapının sürdürülebilirliğini azaltır ve ilerleyen süreçte hattın yapısal güvenliği açısından ciddi riskler oluşturabilir. Bu nedenle, dinamik darbe kuvvetlerinin gerçekçi ve pratik bir şekilde tahmin edilmesi, tasarım ve bakım planlamalarının da zaman içerisinde sürekli olarak güncellenmesi gereken bu tahminlere uygun olarak yapılması gerekir.

Bu çalışma, hat ve tekerlek düzensizliklerinden kaynaklanan dinamik darbe kuvvetlerinin en yüksek değerini tahmin edebilen bir dizi birleştirilmiş denklemin sunulmasıyla, devam eden bir araştırma girişimini sonlandırmaktadır. Bu çalışma içerisinde ayrıca, dingil mesafesinin, hat esneme direnci üzerinde etkileri analitik olarak incelenerek, boji dingili mesafesinin dinamik darbe kuvvetleri üzerindeki etkisi incelenerek, iki veya üç dingilli bojilerdeki dingil mesafesine bağlı olarak  deneyimlenen görünür hat esneme direnci değerlerini gösteren genelleştirilmiş fonksiyonlar sunulacaktır. Demiryolu hatları boyunca, hattın birim esneme direncinin ve profilinin değişebileceği köprü, menfez ve tünel geçiş bölgeleri, makas bölgeleri, ray bağlantıları ve ray ondülasyonları gibi süreksizlik durumlarındaki dinamik darbe kuvvetleri için literatürde yer alan sonlu elemanlar analizleri ve saha deney sonuçları ile bu çalışmada önerilen analitik denklem bulgularının yüksek uyumluluk gösterdiği görülmüştür. İlgili yöntemin pratik bir şekilde kullanılabilmesi için, ham haldeki hat profil verisi üzerinde Dalgacık Dönüşümü uygulayarak düzensizlik tespiti yapan, dinamik darbe kuvvetlerini tahmin eden ve hat değişkenleri arasındaki ilişkiyi inceleyen ALLTRACK v3 masaüstü yazılımı geliştirilmiştir.

Abstract:
Railway track and train wheel irregularities may cause the train to transfer a dynamic force to the track that is higher than its own static force. When the transferred forces exceed certain limit values, results such as damage to the rail and rail fasteners, cracks in the sleepers and wear on the ballast layer may occur. As a result of all these damages, the drainage ability and the vertical carrying capacity of the track structure decrease and high track maintenance requirements cause increased costs. These damages reduce the sustainability of the structure and may pose serious risks to the structural safety of the track in the future. Therefore, dynamic impact forces must be estimated realistically and practically, and design and maintenance planning must be made in accordance with these estimates.

This work concludes an ongoing research initiative by presenting a set of coupled equations that can predict the peak value of dynamic impact forces due to track and wheel irregularities. It also examines the effect of axle spacing on dynamic impact forces and provides a set of generalized functions that show the apparent track stiffness values experienced depending on the axle spacing in two- or three-axle bogies. It has been observed that the findings of the equations proposed in this study are in high compatibility with the finite element analysis and field test results in the literature for dynamic impact forces due to track transitions to bridges, tunnels and culverts where both the track stiffness and profile may change, discontinuity locations such as turnout zones, rail joints and rail corrugations. In order to use the relevant method in a practical way, ALLTRACK v3 desktop software has been developed, which detects irregularities by applying Wavelet Transform on raw track profile data, estimates dynamic impact forces and examines the relationship between track parameters.