Balastlı ve balastsız hatlarda betonarme traverslerin kullanımı ve üretiminin irdelenmesi
Examination of the use and production of reinforced concrete sleeper in ballasted and unbalasted lines
Yazar: BUĞRAHAN SELVİ
Danışman: PROF. DR. ZÜBEYDE ÖZTÜRK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Ulaştırma Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Balastlı üst yapı = Ballasted structure ; Balastsız üst yapı = Ballastless structure ; Betonarme yapılar = Reinforced concrete structures

Özet:
Demiryolları 1800'lü yılların başında yük taşımacılığında kullanılmış ve daha sonraki zamanlarda ise yolcu taşımacılığına da evrilerek en önemli ulaşım yöntemlerinden birisi haline gelmiştir. Demiryolları yapımında kullanılan travers tipi de teknolojinin gelişmesiyle beraber ahşap traverslerden betonarme traverslere dönüşmüştür. Günümüzde en çok kullanılan travers tipi olan betonarme traversler kolay üretim ve yapım, dayanıklılık ve kolay değiştirilebilmesi ile ön plana çıkmıştır.
Yapılan literatür araştırmasında betonarme traverslerin kullanım farklılıkların neler olduğu ve avantajlarına göre uygunluk durumlarının detaylandırılmasına karar verilmiştir. Ayrıca yine betonarme traverslerin üretimi sırasında görülen farklılıklar ve yeni üretim yöntemlerinin incelenmesi uygun görülmüştür.
Bu çerçevede kullanım alanları incelenirken, balastlı hatlarda betonarme traverslerin kullanım detayları verilmiş ve taban plakası ve travers altı pedlerin traverslerin döşenmesi sırasındaki görevlerinden bahsedilmiştir. Balastsız hatlardaki betonarme travers kullanımı için uygulanan method olan döşeme traversi yani balastsız hat döşemelerinin neden tercih edildiği anlatılmış ve kullanım alanlarındaki ayrıntılara yer verilmiştir. Bu iki farklı kullanım alanı olan balastsız hattın balastlı hat ile birleştiği noktadaki travers kullanımı ve geçiş detayları da devamında anlatılmaktadır. Kullanım alanları bölümünün son bölümünde ise betonarme traverslerin, ufak bir alanı kapsayan, demiryolları dışındaki kullanım alanından bahsedilmiştir. Dünyada özellikle küresel ısınma için en önemli konulardan biri olan geri dönüşümün, betonarme traversler için de geçerli olduğuna ve hangi yöntemle yapılıp kazanımlarının neler olacağına dair bilgiler de verilmiştir.
Üretim yöntemleri incelenen diğer bir ana başlık olmuştur. Betonarme traverslerin tasarım yüklerine dair kabullerden bahsedilmiştir. Ülkemizde yer alan betonarme travers fabrikalarının üretim yöntemleri fabrikalardan alınan güncel bilgi ve fotoğraflarla da desteklenerek anlatılmıştır. Fabrikalar anlatılırken üretim aşamalarından bahsedilmiştir. Kalıp hazırlama, donatı hazırlama, beton döküm işlemleri ve vibrasyon, kür odalarının üzerinde durulmuştur. Stok sahalarının yüksek yükleri kaldırabilecek zemin yapısına sahip olması gerektiği söylenmiştir. Devamında betonarme travers çeşitleri olan tekil blok, ikiz blok traverslerinin ve döşeme şeklinde olan balastsız hat döşemesi traversinin üretim yöntemleri yer almaktadır. Traversler üretilirken dayanımlarına katkı sağlayan traverslere öngerilme uygulama metodu da anlatılan konular arasındadır. Öngerilme yapıya, servis halinde gelecek yükleri karşılayacak bir taşıma kapasitesi kazandırmaktadır. Öngerilme uygulanan betonarme travers daha üretim aşamasındayken kullanım sırasındaki gerilmelere maruz bırakılır.
Üretim yöntemleri anlatılırken farklı noktalara da değinmek amacıyla, yeni kullanılmaya başlanılan fiber donatılı traversler ve plastik granüllü traverslere detaylıca yer verilmiştir. Son zamanlarda kullanımı diğer betonarme alanlarda da artan fiber donatıların, betonarme traversler ile demiryolu sektörüne de girişi görülmüştür. Ve traverslerin geri dönüştürülmesi gibi önemli olan bir diğer konu da plastik geri dönüşümünden gelen parçaların betonarme travers üretiminde kullanılması olduğu belirtilmiştir. Oluşan lastik kauçuk atıklarının ve bunların yakılmasının dünyamız ve küresel ısınma için ne kadar tehlikeli olduğu hatırlatılmıştır. Betonarme traverslere bu atıkların bir kısmını ekleyerek hem onların avantajlarından yararlanıp hem de çevreye verilen zararın azaltılabileceği belirtilmiştir.
Son bölümde ise önceki başlıklarda belirtilen kullanım alanlarına ve üretim yöntemlerine dair karşılaştırma bilgilerine yer verilmiştir. Balastsız ve balastlı hatların karşılaştırılması yapılmış ve avantajlı olduğu noktalara değinilmiştir. Sonrasında ise tekil blok ile ikiz blok karşılaştırması yer almış ve öngerilme ile ardgerilme farklılıklarından bahsedilmiştir. Balastsız hat döşemesi üretiminin avantajları ve yine plastik granüllü üretim, fiber donatılı üretim avantajlarına yer verilmiştir. Birçok açıdan maliyet karşılaştırması yapılmış olup, gerçek maliyetlerden yola çıkılarak bir tekil blok travers, bir makas travers ve bir balastsız hat döşemesinin üretiminde ortak olarak kullanılan çimento, agrega ve donatı tutarlarının toplamı karşılaştırılarak tablolaştırılmıştır.
Betonarme traversler dayanıklılık açısından karşılaştırılmıştır. Balastlı hat için olan kontrol parametreleri, travers altı balast yüksekliğinin kontrolü, hat üzerinde bulunan balast seviyesinin travers seviyesine göre durumu, hat üzerindeki çamurlu bölgelerin tespiti, travers başlarındaki balast omuz genişliği, travers ve balast hataları ve bağlantı malzemesi kontrolü ve balast değişimidir. Balastsız hatların sahip olduğu avantajlar hattın daha düşük bir kalınlığa sahip olmasıdır ve kullanım ömrü de yaklaşık 2 katıdır. Balastsız hatta drenaj ve donma kabarması terimleri oldukça önemlidir. Bu uygulamalar düzgün yapılmamış ise zemin kaldırılıp yeniden yapılması gerekebilir. Balastsız hatlarda yol stabilitesi rijit bir levha yardımıyla sağlanırsa, bakım miktarı da önemli ölçüde azalacaktır. Ray taşlama sayesinde raydaki ve ray yüzeyindeki düzensizlikler giderilir. Bu, düzgün çalışma ve gürültü üretiminin azalması için önemli bir koşuldur. Taşlama ayrıca dalgalanmaları çok daha yavaş gelişmesini sağlar. Balastlı hat ile karşılaştırıldığında, dinamik kuvvetler daha düşük olduğundan ve ray desteklerinde kademeli bir bozulmaya neredeyse hiç neden olmadığı için, kaynakların yakınında veya (yalıtımlı) mafsalların yakınında ezikler gibi arızalar önemli ölçüde daha yavaş gelişecektir.
Üretim ve hat üzerindeki imalat süreci açısından yapılan karşılaştırmada farklı tip traverslerin sahada 1 günde ortalama döşenme miktarlarına bakılmış ve tekil blok traverslerin balastsız hat döşemesine oranla önemli ölçüde daha hızlı imalat yapıldığı anlaşılmıştır.
Yapılan karşılaştırmalar değerlendirilmiş ve önceki bölümlerde detaylı olarak belirtilen karşılaştırmalar düzenlenerek tek bölümde sunulmuştur.
Tez kapsamında demiryolu inşaatı sektöründe oldukça çok kullanılan yöntemlerden, Rheda, Züblin, Bögl, Stedef, Shinkansen ve Heitkamp yöntemlerinden bahsedilmiştir. Bunlardan Rheda yöntemi ile yapılan bir balastsız hattan balastlı hatta geçiş detayları verilerek geçiş bölgesi özellikleri anlatılmıştır.
Sonuç ve öneriler bölümünde ise yeni üretim yöntemleri üzerinde durularak betonarme traverslerle ilgili yeni bilgilerin öğrenilip paylaşılması amaçlandığı belirtilmiştir. Ayrıca balastsız hattan balastlı hatta geçişlerin çok önem arz ettiği ve bu bölgelerin detaylıca anlatıldığı söylenmiştir. Kullanım ömrü dolmuş betonarme traverslerin geri dönüştürülebileceği tekrar hatırlatılmıştır.

Abstract:
Railways were used in freight transportation in the early 1800s and later evolved into passenger transportation and became one of the most important transportation methods. The type of sleeper used in the construction of railways has also changed from wooden sleepers to reinforced concrete sleepers with the development of technology. Reinforced concrete sleepers, which are the most used sleeper type today, have come to the fore with their easy production and construction, durability and easy replacement.
In the literature research, it was decided to detail the differences between the usage areas of reinforced concrete sleepers and their suitability according to their advantages. In addition, the differences observed during the production of reinforced concrete sleepers and the examination of new production methods were deemed appropriate.
In this context, while examining the usage areas, the details of the use of reinforced concrete sleepers on ballasted lines are given and the duties of the base plate and under sleeper pads during the laying of sleepers are mentioned. It is explained why the slab sleeper, which is the method applied for the use of reinforced concrete sleepers in ballastless lines, is preferred and the details in the usage areas are given. The sleeper usage and transition details at the point where the ballastless line, meets the ballasted line, are also explained in the following. In the last part of the usage areas section, the usage area of reinforced concrete sleepers, which covers a small area, outside the railways, is mentioned. Information on recycling, which is one of the most important issues in the world, especially for global warming, is also valid for reinforced concrete sleepers, how it will be done and what the benefits will be.
Production methods were another main topic examined. The assumptions regarding the design loads of reinforced concrete sleepers are mentioned. The production methods of the reinforced concrete sleeper factories in our country are explained with the support of current information and photographs taken from the factories. While describing the factories, the production stages are mentioned. Mold preparation, reinforcement preparation, concrete casting processes and vibration, curing rooms are emphasized. It has been said that stockyards should have a ground structure that can handle high loads. Following are the production methods of single block and twin block sleepers, which are types of reinforced concrete sleepers, and slab sleepers in the form of slabs. The method of applying prestressing to the sleepers, which contributes to their strength while the sleepers are produced, is also among the topics covered. Prestressing gives the structure a bearing capacity to meet the loads that will come in service. Prestressed reinforced concrete sleeper is exposed to stresses during use while still in production.
In order to touch on different points while explaining the production methods, fiber reinforced sleepers and plastic granulated sleepers that have just started to be used are given in detail. Recently, the use of fiber reinforcements, which has increased in other reinforced concrete areas, has also entered the railway sector with reinforced concrete sleepers. And it is stated that another important issue such as recycling of sleepers is the use of parts from plastic recycling in the production of reinforced concrete sleepers. It has been reminded how dangerous the tire rubber wastes and their burning are for our world and global warming. It has been stated that adding some of these wastes to reinforced concrete sleepers can both benefit from their advantages and reduce the damage to the environment.
In the last section, comparison information about the usage areas and production methods mentioned in the previous titles is given. The comparison of ballastless and ballasted lines has been made and the advantageous points have been mentioned. Afterwards, the comparison of single block and twin block took place and the differences between prestress and poststress were mentioned. The advantages of slab sleeper production and the advantages of plastic granule production and fiber reinforced production are also included. Cost comparisons were made in many respects, and the sum of the cement, aggregate and reinforcement amounts used jointly in the production of a single block sleeper, a turnout sleeper and a slab sleeper was tabulated based on the actual costs.
Reinforced concrete sleepers were compared in terms of durability. The control parameters for the ballasted line are the control of the ballast height under the sleeper, the condition of the ballast level on the line relative to the sleeper level, the determination of the muddy areas on the line, the ballast shoulder width at the sleeper heads, the control of the sleeper and ballast faults and the fastening material, and the ballast change. The advantages of ballastless lines are that the line has a lower thickness, and its service life is about 2 times. For ballastless area, the terms drainage and frost heave are very important. If these applications are not done properly, the floor may need to be removed and redone. If road stability is ensured with the help of a rigid plate in ballastless lines, the amount of maintenance will be significantly reduced. Irregularities on the rail and on the rail surface are eliminated by rail grinding. This is an important condition for smooth operation and reduced noise production. Grinding also allows fluctuations to develop much more slowly. Compared to ballasted track, failures such as dents near welds or near (insulated) joints will develop significantly more slowly, as the dynamic forces are lower and cause almost no gradual deterioration of the rail supports.
In the comparison made in terms of production and the manufacturing process on the line, the average amount of laying of different types of sleepers in 1 day in the field was examined and it was understood that the single block sleepers were produced significantly faster than the laying of the ballastless line.
The comparisons made were evaluated and the comparisons stated in detail in the previous sections were arranged and presented in a single section.
Within the scope of the thesis, Rheda, Züblin, Bögl, Stedef, Shinkansen and Heitkamp methods, which are widely used in the railway construction sector, are mentioned. Among them, the transition zone features are explained by giving the details of the transition from a ballasted line to a ballastless line made by Rheda method.
In the conclusion and suggestions section, it is stated that it is aimed to learn and share new information about reinforced concrete sleepers by emphasizing new production methods. It has also been said that the transitions from ballastless to ballasted lines are very important and these areas are explained in detail. It has been reminded again that reinforced concrete sleepers whose lifespan has expired can be recycled