FBE- Ulaştırma Mühendisliği Lisansüstü Programı - Doktora

Bu koleksiyon için kalıcı URI

http://hdl.handle.net/11527/99

Gözat

Yazar "Atahan, Ali Osman" ile FBE- Ulaştırma Mühendisliği Lisansüstü Programı - Doktora'a göz atma
  • Öge
    Radial basis function surrogate model-based optimization of road restraint systems: Three case studies
    (Fen Bilimleri Enstitüsü, 2019) Özcanan, Sedat ; Atahan, Ali Osman ; 10282867 ; Ulaştırma Mühendisliği ; Transport Engineering
    Karayolu güvenliği; hem yolu kullananların can güvenliğinin, hem de yolun geçtiği çevrenin önem derecesine göre korunmasını amaçlamaktadır. Bu kapsamda varolan karayolu geometrik standartlarının yükseltilmesi, katılım denetimi ve hız kısıtı gibi önlemlerin yanında, yoldaki önem derecesi yüksek bölgelere yolkenar koruyucu yapıları yapılmaktadır. Otokorkuluk, çarpma yastığı, uç terminalleri ve benzeri yolkenar koruyucu yapıları (YKY), yol platformuna paralel olarak refüjde veya yolkenarında inşa edilen, araçların yoldan çıkmaları durumunda çarpma ihtimalleri bulunan suni engellerdir. YKY araçların yolkenarlarında bulunan doğal veya insan yapısı engellere çarpması, köprüden düşmesi, şarampole yuvarlanması gibi tehlikeli durumları önlemek ve dolayısıyla araç içerisindeki yolcuları korumak için kullanılır. Arasıra da olsa yayaları, bisikletlileri veya yol kenarında çalışan görevlileri araç trafiğine karşı koruma amaçlı da kullanılabilirler. YKY içerisinde en yaygın olarak kullanılanı otokorkuluklardır. Otokorkuluklar karayollarında kullanılan pasif güvenlik tertibatlarından biridir ve kendisine araç darbesi olana kadar yol güvenliğine herhangi bir katkıda bulunmazlar. Otokorkuluklar genel olarak çarpan araçları karayolu içerisinde, mümkünse güvenlik şeridinde tutmak, araçların hareket enerjisini yutmak ve onları yavaşlatarak durdurmak üzere tasarlanırlar. Tasarımı amaçlanan mühendislik yapılarının tam boyutlu gerçek testleri hem pahalı hemde zaman almaktadır. Nümerik (sonlu elemanlar) modellemelerin ve sayısal algoritmaların gelişmesiyle beraber, mühendislik yapılarının tam ölçekli modellerinin, Ls-Dyna ve benzeri ticari sonlu elemanlar programları kullanılarak modellenmesi yaygınlaşmaktadır. Nümerik benzetimler kullanılarak yapılan tasarımlar zaman ve verim açısından avantaj sağlamaktadır. Özellikle nümerik yöntemler analitik (matematik) yöntemlerle birleştirilerek yapılan benzetim tabanlı tasarım eniyileme çalışmalarıyla eniyi tasarımlar elde edilebilmektedir. Benzetim tabanlı tasarım eniyilemesi yönteminde genel anlamda izlenen yol; öncelikle farklı kombinasyonlarda ve çeşitli benzetimler yapılarak sistemin davranışları belirlenir. Daha sonra elde edilen benzetim verilerine, uygun eniyileme yöntemi uygulanarak ideal tasarım elde edilir. Fakat çok sayıda benzetim yapmak yüksek maliyet ve zaman gerektirmektedir. Bundan dolayı genellikle sezgisel model/metamodel (surrogate model) tercih edilmektedir. Metamodel; uygulanan modelin, kendisinin çeşitli bileşenleri arasındaki ilişkilerin açıklanması ve tanımı için hizmet veren modelin modelidir. Esas modeli taklit eden model olarakta açıklanmaktadır. Metamodel çok sayıda benzetim yapmak yerine, benzetimi yapılacak modelleri taklit ederek, maliyet ve zamandan avantaj sağlayabilmektedir. Otokorkuluklar genel olarak yatay doğrultuda ray ve dikey doğrultuda dikmelerden oluşur. Araç çarpması durumunda ray esneyerek darbe yüklerini dikmelere aktarır ve dikmeler de yükü mesnetlendiği zemine iletir. Tasarımın istendiği gibi çalışabilmesinde dikmelerin zemine gömülme derinlikleri en önemli detaylardan birisidir. Bilindiği gibi karayollarında otokorkulukların çakıldığı zeminler genellikle büyük değişiklikler göstermesine rağmen otokorkuluk çakılma derinlikleri zeminlerin özelliklerine göre belirlenmemektedir. Uygulamada dikme gömülme derinliğinin her tip zeminde aynı olması mühendislik açısından kabul edilebilir bir durum değildir. Ayrıca otokorkulukları oluşturan ray ve dikme gibi ana parçaların kesit ve geometrik ölçüleri sistemin güvenlik performansını ve ekonomik tasarımı etkilemektedir. Tüm bunlarla beraber güvenlik, sağlamlık, malzeme ömrü ve montaj/demontaj avantajları otokorkuluk sistemlerinin tercih edilmesinde etkili faktörlerdir. Yukarıdaki açıklamaların ışığında, karayolu güvenliği sistemlerini etkileyen faktörler göz önüne alındığında, üç vaka ele alınmış ve bu tezde eniyilemeleri amaçlanmıştır. Ele alınan bu vakalar/durumlar, C, H ve S tipi dikmelerin eniyi gömülme derinliklerinin belirlenmesi, S235JR, S275JR ve S355JR kalite çelik malzemelerden üretilen H1W4 ve H2W4 korkuluk sistemlerinin kesitsel eniyilemesi ve sağladığı avantajlar nedeniyle tercih edilen otokorkuluk sistemi olarak New Jersey (NJ) tipi beton bariyerin eniyi/en emniyetli tasarımının elde edilmesidir. Yapılan çalışmalar aşağıda özetlenmiştir. Durum 1: İlk durumda, üç farklı korkuluk dikmesinin değişenken yoğunlukta toprağa gömülü eniyi/faydalı derinliklerini bulmayı amaçladı. Dikmeler, sahada dinamik darbe yükleri ile test edilerek, dikme-toprak etkileşimi araştırılmış ve daha sonra detaylı sonlu elemanlar modelleri yapılmıştır. Deneysel testlerin ve benzetimlerin pahalı ve zaman alıcı olduğu iyi bilinmektedir. Bu nedenle, eniyileme hesaplama maliyetini düşürmek için, deneysel ve pahalı üç boyutlu sonlu eleman modellerini taklit edecek taşıyıcı/vekil modelleri oluşturmak için radyal temelli fonksiyon tabanlı metamodelleme metodolojisi kullanılmıştır. Radyal temelli fonksiyon modelini oluşturmak için, tam faktöryel tasarımı yardımıyla örneklemler türetilmiştir. Daha sonra, türetilmiş veriler sonlu elemanlar analizleri kullanılarak amaç fonksiyonları oluşturuldu. Türetilen değişkenler ve amaç/kısıt fonksiyonları yardımıyla radyal temelli fonksiyon tabanlı metamodeller üretildi. Metamodellerin doğruluğu "k-kat çapraz doğrulama" ile sınandı, daha sonra çok amaçlı genetik algoritma kullanılarak eniyileme yapıldı. Eniyi gömülme derinlikleri elde edildikten sonra, sonuçların sonlu eleman benzetimleri, tam ölçekli çarpışma testi sonuçlarıyla karşılaştırıldı. Eniyi gömülme derinlikleri gerçek gömülme derinlikleriyle karşılaştırıldığında, güvenlik ve çarpma dayanıklılığından ödün vermeden önemli ekonomik avantajlar sağlamıştır. Yapılan karşılaştırmadan, C, S ve H tipi dikmeler için sırasıyla % 17.89, % 36.75 ve % 43.09 gibi bir ekonomik avantaj sağlandığı sonucuna varılmıştır. Durum 2: İkinci durumda, S235JR, S275JR ve S355JR kalite çelik malzemelerden üretilen H1W4 ve H2W4 performans seviyesindeki korkulukların güvenlik ve ekonomik açısından optimize edilmesi amaçlanmaktadır. Bu amaçla, taşıyıcı/vekil model tabanlı eniyileme kullanılmıştır. Bu bağlamda, tasarım değişkenleri dikme genişliği (x1) ve rayın kesit kalınlığı (x2), objektif fonksiyonlar çalışma genişliği (w) ve araç çıkış açısı () olarak seçilmiştir. Tasarım değişkenleri (x1, x2), tam faktöryel tasarım (FFD) yöntemi ile türetilmiş, amaç ve kısıt fonksiyonlarını elde etmek için türetilen verilerin sonlu elemanlar benzetimleri kullanılmıştır. Sonuç olarak, radyal temelli fonksiyon (RBF) bazlı metamodeller, elde edilen veriler yardımıyla oluşturulmuş ve daha sonra modellerin doğruluğu sınanmıştır. Son olarak, RBF metamodelleri çok amaçlı genetik algoritma (MOGA) kullanılarak eniyilemesi yapılmıştır. Benzetime dayalı tasarım eniyilemesi (SBDO) sonucunda, farklı çelik malzemesi sınıfları için H1W4 ve H2W4 korkuluk sistemlerinin eniyi tasarımları elde edilmiştir. Eniyi otokorkuluk tasarımlarının EN1317 standartı güvenlik kriterlerini sağlamasının yanında, mevcut otokorkuluk tasarımlarına kıyasla % 23'e varan bir ekonomik avantaj sağladığı sonucuna varılmıştır. Durum 3: Son durumda, malzemenin sağladığı avantajlar ve montaj/sökme kolaylığı ile birlikte, bir çarpışmadan sonra en az hasarla sağlanan onarım kolaylığı ve sürdürülebilirliği, yol kenarı güvenliği için beton bariyerlerin tercihini arttırmaktadır. Bununla birlikte, rijit sistemler olarak beton bariyerler çarpışma durumunda oldukça risklidir. Bu sistemlerin uygulama amacının en büyük önceliği güvenlik olduğu için, ilgili standartlarda gerekli güvenlik kriterlerini sağlayan ve çevre açısından, özellikle sürücüler için oldukça güvenli olan tasarımlara sahip olmak istenmektedir. Bu çalışmada, New Jersey (NJ) beton bariyerinin, hızlanma şiddeti endeksine (ASI) bağlı yaralanma seviyesini azaltan ve EN1317/2 standardındaki güvenlik kriterlerini karşılayan eniyi/en emniyetli tasarımı, benzetim tabanlı tasarım eniyilemesi ( SBDO) hedeflenmiştir. Bu amaçla, New Jersey tipi bariyerin kritik tasarım noktaları belirlenmiştir. Ardından kritik tasarım noktaları değişken olarak alınmış ve EN1317'deki güvenlik kriterleri çok amaçlı eniyileme (MOO) için amaç fonksiyonu olarak alınmıştır. Değişkenler ve objektif fonksiyonlar belirlendikten sonra, veriler sonlu elemanlar (FE) ile modellenerek taşıyıcı/vekil model, radyal baz fonksiyonunun eniyi ağırlıklı noktasal birliği (OWPE-RBF) şeklinde kurulmuştur. Daha sonra, MOO problemini çözmek için çok amaçlı genetik algoritma (MOGA/NSGA-II) kullanılmıştır. Elde edilen eniyi güvenlikli tasarım, doğrulanmış orijinal tasarımla, sonlu elemanlar (FE) ortamında tam boyutlu modelleme yapılarak kıyaslanmıştır. Sonuç olarak, NJ tipi bariyerlerin kritik tasarım noktaları ve OWPE-RBF modeliyle ilgili önemli tespitler elde edildi. Her şeyden önce, önerilen analitik model ve izlenen yol ile % 22-23 daha güvenli olan ASI-yaralanma seviyesine sahip bir tasarım elde edildi.