EN 16432-2'de verilen tasarım yöntemlerinin Ankara-Sivas YHT hattı tünellerinde uygulanan balastsız demiryolu üstyapısı üzerinden incelenmesi

Abstract

Yaklaşık iki asırlık geçmişi bulunan modern demiryollarına gelen işletme taleplerinin her geçen gün artması, demiryolu idare ve işletmecilerini balastlı hat sistemine alternatif, daha yüksek dayanım ve kararlılığa sahip yeni sistemler geliştirmeye itmiştir. 1960'lı yıllarda sektörde öncü ülkelerde eş zamanlı ve sistematik olarak başlatılan Ar-Ge çalışmaları sonucunda 1970'li yıllarda "balastsız hat sistemleri" olarak adlandırılan yeni nesil hat sistemlerinin ilk örnekleri geliştirilmiş ve test amaçlı uygulamaları gerçekleştirilmiştir. İlk uygulamalardan günümüze geçen 50 yılda farklı ülke, kurum ve firmalar tarafından çok çeşitli balastsız hat sistemleri geliştirilmiştir. Balastsız demiryolu sistemlerindeki bu hızlı gelişim ve çeşitliliğe karşın, konu hakkında yakın tarihte yürürlüğe konulan standart ve şartnameler çok genel ve geniş kapsamlı kalmaktadır. Henüz gençlik döneminde olan balastsız demiryolu sistemlerinin standart ve şartnamelerinin önümüzdeki yıllarda farklı tasarım konseptlerinin özelinde dallanarak evirileceği varsayılabilir. Ülkemizde yeni yeni yaygınlaşmaya başlayan ve stratejik planlar dahilinde gerek yeni inşa edilecek gerekse de rehabilite edilecek hatlarda sıklıkla karşılaşacağımız balastsız demiryolu sistemlerinin ilk yatırım maliyetleri ve yenileme, modernizasyon, iyileştirme benzeri tadilat işlerinin ekonomik yükü balastlı hatlarla kıyaslandığında daha yüksektir. Bu yüzden, proje gereksinimleri doğrultusunda uygun sistem mimarisi seçmek ilk ve en önemli adımdır. Şehirler arası demiryolu yatırımları doğası gereği yüksek metrajlara sahip olduğundan dolayı, seçilen balastsız hat sisteminde yapılacak ufak iyileştirmeler dahi kayda değer maliyet avantajları getirebilirken; tasarım sırasında yapılacak bir hata hattın işletilebilirliğini ve işlevselliğini olumsuz etkileyebilir hatta hattı kullanılamaz duruma getirebilir. Bu yüzden, balastsız hatlar söz konusu olduğunda doğru sistem seçiminden sonra en önemli konulardan biri de yeter hassasiyete sahip, mutlaka tecrübe ile desteklenmiş uygun bir tasarım hizmeti almasıdır. Literatür incelendiğinde, farklı gelişim arka planlarından dolayı çok çeşitli konsept ve sistem mimarilerine sahip ve yapısal çalışma prensipleri birbirlerinden farklı balastsız hat sistemleri mevcuttur. Balastsız hat sistemleri için yürürlükte bulunan Avrupa şartnameleri serisinin (EN 16432 serisi) tarihsel gelişimine bakıldığında, tasarım yaklaşımları Eisenmann'ın 1970-2000 yılları arasında ağırlıklı olarak Almanya'da geliştirilen balastsız hat konseptleri üzerine çalışmaları baz alınarak oluşturulmuştur. Eisenmann'ın üzerinde çalıştığı balastsız hat sistemleri incelendiğinde, çoğu yerinde dökme olarak uygulanan bu sistemler beton yollardan elde edilen tecrübe birikimi ile açık hat koşulları için geliştirilmiştir. Birçoğu boyuna doğrultuda sürekli olan bu tasarım konseptlerinde sıcaklık yüklemeleri, beton büzülmeleri ve farklı oturmalar tasarımın ana odağı olarak dikkate alınmıştır. Düşey araç yükleri altında analizler zemine oturan döşeme veya kiriş kabulü ile yapılmakta, boyutlandırmada ise elastik tasarım yöntemleri uygulanmaktadır. Türkiye'nin sahip olduğu şehirler arası demiryolu ağı incelendiğinde şu anda inşa halinde olan Ankara-Sivas demiryolu projesi ülkenin 300 km/sa hıza izin verecek balastsız hat kullanılan ilk YHT hattıdır. Uygulamaya bakıldığında tünellerde ve bazı istasyonlarda balastsız hat uygulandığı görülmektedir. Ankara-Sivas YHT hattı teknik şartnamesi incelendiğinde, tasarım konsepti olarak Alman Demiryollarını izlediği ve yapısal analizler için EN 16432-2'ye yönlendirdiği görülmektedir. EN 16432-2 incelendiğinde Sonlu elemanlar metoduna ek olarak iki adet de analitik hesap yöntemi önerir: Zimmermann yöntemi ve Westergaard yöntemi. Zimmermann ve Westergaard yöntemi hem tarihsel gelişimi hem de teknik açından incelendiğinde, katmanlarında boyuna doğrultuda eğilme ve kesme süreksizliği bulunan (örneğin prefabrik hat döşemeleri) ya da çok dar veya çok geniş bir ene sahip balastsız hat üstyapı sistemleri için geçerliliği tartışmaya açıktır. Zimmermann yöntemi enine doğrultuda kesit tesiri vermezken, boyuna doğrultuda kesit tesirlerini hat üstyapısının yarı genişliğini dikkate alarak sürekli kiriş kabulü ile hesaplar. Bu yüzden, Zimmermann yönteminin birçok balastsız hat üstyapı sistemi için yeter doğrulukta sonuç vermeyeceği tahmin edilebilir. EN 16432-2'de verilen Westergaard yöntemi ise, elastik zemine oturan döşeme kabulüne dayanarak yüklemenin döşeme kenar ve köşe bölgelerinde yeter uzaklıkta olduğunu varsayarak boyuna ve enine doğrultuda kesit tesirlerini hesaplar. Westergaard yöntemi ile elde edilen kesit tesirleri döşeme boyutlarından bağımsız sonuç verirken aynı zamanda Zimmermann yöntemine benzer şekilde boyuna doğrultudaki (moment ve/veya kesme) süreksizlikleri dikkate alamaz. Bu sebeple, Westergaard yönteminin de bazı balastsız hat üstyapı sistemleri için yeter doğrulukta sonuç vermeyeceği tahmin edilebilir. Bu yüksek lisans tezinin ana amacı, döşeme genişliği, yük modelinin konumu ve üzerinde oturduğu altyapının rijitliğinin değiştirilmesi sonucu Zimmermann ve Westergaard yöntemleri ile elde edilen sonuçların sonlu elemanlar analizleri ile elde edilen sonuçlarla karşılaştırılması ve EN 16432-2'de önerilen bu iki yöntemin, ülkemizdeki geniş çaplı ilk uygulama örneği olan Ankara-Sivas YHT hattında tercih edilen prefabrik döşemeli balastsız hat sistemi üzerinden hassasiyetinin ve geçerliliğinin belirlenmesidir. Tez kapsamında Westergaard ve Zimmermann analizlerine ek olarak üç boyutlu katı elemanlarla ve iki boyutlu alan elemanlarla olmak üzere iki farklı yaklaşımla sonlu elemanlar analizleri kurulmuştur. Bu analizlerde sadece düşey araç yüklerine odaklanılmış ve devlet demiryollarının Ankara-Sivas YHT hattı tünellerinde uygulanan tip kesitleri seçilmiştir. Yine aynı hat için belirlenen tasarım kriterleri (aks yükü, tasarım hızı ve dinamik arttırma katsayısı) korunmuş, tezin ana amacı doğrultusunda hat üstyapı genişliği, yatak katsayısı ve yük modelinin konumu değiştirilerek karşılaştırma tabloları ve grafikleri elde edilmiştir. Çalışma altı ana bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde tezin amacı kapsamı ve hipotezler sunulmuştur. İkinci ve üçüncü bölümde sırasıyla balastsız hat üstyapıları ve analitik analiz modelleri ile ilgili literatür taraması verilmiştir. Dördüncü bölümde tez kapsamında incelenen balastsız hat sistemi tanıtılmış ve analiz modellerine ait genel kabuller ile girdiler verilmiştir. Beşinci bölümde kurulan analiz modellerinin sonuçlarına ve bu sonuçların yorumlanmasına yer verilmiştir. Altıncı ve son bölümde ise çalışmadan elde edilen sonuçlar ve öneriler verilmiştir. Elde edilen sonuçlar irdelendiğinde aşağıda sıralanan bulgular elde edilmiştir. İlk hipotezde altyapı rijitliği azaldıkça analitik analiz yöntemlerinin daha konservatif kalacağı ve sonlu elemanlar analizleri ile analitik analizlerin arasındaki farkların artacağı tahmin edilmiştir. Elde edilen sonuçlar özetlenecek olursa, enine doğrultuda gerilmeler dikkate alındığında hipotez ile uyumlu olarak, altyapı rijitliği azaldıkça sonlu elemanlar analiz sonuçları ile analitik analiz yöntemleri arasındaki farklar açılmaktadır. Diğer bir yandan boyuna doğrultuda gerilmeler dikkate alındığında ise tahmine paralel bir davranış gözlemlense de net bir yargıya varılamamıştır. İkinci hipotezde döşeme en genişliğindeki değişimlerin Westergaard yönteminde önerilenin aksine yapısal davranış üzerine etkisi olacağı tahmin edilmiştir. İkinci hipotez bünyesinde iki yargı barındırmaktadır. İlki, döşeme genişliği daraldıkça yükleme konumu döşeme kenarına yaklaşacağı için yükleme durumu iç yükleme durumundan uzaklaşarak kenar yükleme durumuna yakınsayacak dolayısıyla da sonlu elemanlar analizlerinden elde edilen boyuna doğrultuda gerilmeler artarak EN 16432-2'de verilen analitik analiz yöntemlerinin üzerine çıkacaktır. Sonuçlar bu varsayımla uyumsuz olup, uyumsuzluğun nedenleri Bölüm 6'da açıklanmıştır. İkinci olarak ise döşeme genişliği arttıkça, artan konsol momentlerinden dolayı, sonlu elemanlar analizlerinden enine doğrultuda elde edilen gerilmelerin Westergaard yöntemine kıyasla artacağı tahmin edilmiştir. Elde edilen sonuçlar hipotez ile uyumlu olarak değerlendirilmiştir. Üçüncü hipotezde, EN 16432-2'de verilen analitik analiz modellerinde dikkate alınamayan katman-1'in üst yüzeyinin açıklık bölgesinde enine doğrultuda oluşan gerilmeler bazı durumlarda kritik seviyeye geleceği tahmin edilmiştir. Elde edilen analiz sonuçları hipotezi desteklemektedir. Dördüncü hipotezde boyuna doğrultuda süreksizlik bölgelerinde analitik analiz modelleri ile tespit edilemeyen iki davranış öngörülmüştür. İlki, süreksizlik bölgelerine yakın bölgelerde yapı davranışı iç yükleme durumundan uzaklaşarak köşe yükleme durumuna yakınsayacak dolayısıyla da sonlu elemanlar analizlerinden elde edilen davranış EN 16432-2'de verilen analitik analiz yöntemlerinde ön görülen durumdan farklılaşacaktır. Sonuçlar bu varsayımla uyumsuz olup, uyumsuzluğun nedenleri Bölüm 6'da açıklanmıştır. İkinci olarak ise, prefabrik döşemeler arasında bulunan bu süreksizlik bölgelerinde, sürekli devam eden alt temel tabakasında sonlu elemanlar analiz modellerinde yüksek mertebelerde boyuna yönde gerilmelerin oluşacağı tahmin edilmektedir. Elde edilen analiz sonuçları hipotez ile uyumludur. Sonlu elemanlar analiz sonuçları incelenirken çalışma başında öngörülmeyen bazı sonuçlar doğrultusunda yeni bir hipotez daha ortaya atılmıştır. Bu doğrultuda, tek aks yüklemesi altında yeni bir analiz seti kurulmuş ve elde edilen yeni sonuçlar üzerinden ek bir yükleme durumu kullanılması önerilmiştir. Ek olarak, literatür taraması doğrultusunda, yapısal tasarımda dinamik etkileri dikkate almak için kullanılan dinamik yük artırma katsayısının kullanımı konusunda bir öneri sunulmuştur. Sonuç olarak bu çalışma balastsız hatlarda yapısal tasarım yaklaşımlarının geçerlilik sınırlarını karşılaştırma analizleri ile belirlemeye çalışmış ve bundan sonra yapılacak yeni teknik şartname ve standardizasyon çalışmaları için fikir vermeyi amaçlamıştır.

The increasing demand for the modern railways, which have a history of almost two centuries, has led the railway authorities and operators to develop more robust track superstructure systems, as an alternative to the ballasted lines. As a result of the simultaneous and systematic R&D studies initiated in the leading countries of the railway technology in the 1960s, the first examples of the new generation track systems called "ballastless track systems" were developed in the 1970s and their first applications for testing purposes were carried out. In the first 50 years of their first applications, a wide variety of ballastless track systems have been developed by different countries, institutions and companies. Despite the above-mentioned rapid development and variety in ballastless railway systems, the standards and specifications that have been put into effect recently on the subject remain very general and high-level. It can be assumed that the standards and specifications regarding ballastless railway systems, which are still in its preliminary forms, will evolve by branching out to different design concepts in the following years. Ballastless railway systems – which have recently become widespread and we will frequently come across either in the to be constructed or rehabilitated tracks in accordance with the strategic plans – have a higher initial investment, renovation, modernization and improvement costs compared to ballasted tracks. Therefore, the first and most important step is to choose the suitable system architecture in line with the project requirements. As intercity railway investments have high length in meters by their nature, minor improvements on the selected ballastless track system could provide remarkable cost advantages; however, any mistake that could possibly be made during the design process might negatively impact the operation and functionality of the track and might even turn the track into an unusable one. Therefore, when it comes to the ballastless tracks, following the selection of the most suitable system, one of the most important topics is to get a suitable design service that has adequate precision supported by experience. When the literature is reviewed, it can be seen that ballastless track systems have a wide variety of design concepts and system architectures causing quite distinct structural behaviors due to different development backgrounds. Considering the historical development of current version of European standard series for ballastless track systems (EN 16432 series), the design approach is based on Eisenmann's studies on the ballastless track systems developed mainly in Germany between the early 70's and late 90's. The ballastless track systems that Eisenmann studied on were mostly in situ pavements developed for at grade sections (laid on soil subgrade), with the design experience gained through concrete roadbuilding. In these design concepts -many of which are continuous in the longitudinal direction- temperature loadings, concrete shrinkage and differential settlements are considered as the main focus of the design. The structural analysis assumptions are based on slab on grade/or beam on an elastic foundation under the vertical wheel loads and elastic design methods are used for structural design of the members. When Turkey's intercity rail network is analyzed, Ankara-Sivas railway project, which is currently under construction, is the country's first high-speed railway (HSR) line designed according to 300km/h speed with ballastless track. In the scope of the project, it is seen that ballastless tracks are applied in tunnels and some of the stations. When the technical specifications of the Ankara-Sivas HSR line are examined, they follow the German Railways for the design concepts and directs to EN 16432-2 for structural analysis. EN 16432-2 proposes two analytical calculation methods in addition to the finite element method: Zimmermann method and Westergaard method. When historically and technically analyzed, Zimmermann and Westergaard methods' validity is open to debate for ballastless track pavement systems with longitudinal bending and shear discontinuities in their layers (for example, in the case of prefabricated slab tracks) or with a very narrow or wide width. Zimmermann method does not give results in the transverse direction, it only calculates the section forces in the longitudinal direction by assuming a continuous beam, taking into account the half-width of the track superstructure. Therefore, it can be predicted that the Zimmermann method will not provide sufficient accuracy for many ballastless track systems. The Westergaard method given in EN 16432-2, on the other hand, calculates the cross-sectional effects in the longitudinal and transverse directions, assuming that the loading is at a sufficient distance from the slab edge and corner regions, based on the assumption of the slab on the elastic ground. While the cross-sectional effects obtained with the Westergaard method give results independent of the slab dimensions, at the same time, it cannot take into account the discontinuities in the longitudinal direction (moment and/or shear) similar to the Zimmermann's method. For this reason, it can be predicted that the Westergaard method will not provide sufficient accuracy for some of ballastless track systems. The main purpose of this master's thesis is to determine the effects of change in the slab width, position of the load model and the stiffness of the infrastructure by comparing the results of Zimmermann and Westergaard methods to the results obtained by the finite element analysis and to determine the sensitivity and validity of these two methods proposed in EN 16432-2, over the prefabricated slab track system preferred in the Ankara-Sivas YHT line, which is the first large-scale ballastless track application example in Turkey. Within the scope of the thesis, in addition to the Westergaard and Zimmermann analyses, two different approaches of finite element analyses were followed: three-dimensional solid elements and two-dimensional shell elements. In these analyses, only the vertical vehicle loads were considered and the typical sections the state railways applied in the Ankara-Sivas YHT line tunnels were modelled. The design criteria (axle load, design speed and dynamic amplification factor) determined for the same line were preserved again, and in alignment with the main purpose of the thesis, the track pavement width, foundation modulus and the position of the load model were changed to obtain comparison tables and graphics. The study consists of six main parts. In the first chapter, the aim of the thesis, scope and hypotheses are presented. In the second and third chapters, a literature review on ballastless track superstructures and analytical analysis models are presented, respectively. In the fourth chapter, the ballastless track system, which is examined within the scope of the thesis, is introduced, the general assumptions and inputs of the analysis models are given. In the fifth chapter, the results of the analysis models and the interpretation of these results are given. In the sixth and last chapter, the results and recommendations obtained from the study are given. To summarize the results briefly, the following findings were obtained. In the first hypothesis, it is estimated that as the stiffness of the infrastructure decreases, analytical analysis methods will remain more conservative and the differences between finite element analyses and analytical analyses will increase. To summarize the results obtained, when the stresses in the lateral direction are considered, the differences between the finite element analysis results and the analytical analysis methods become wider as the foundation modulus decreases, in accordance with the hypothesis. On the other hand, considering the stresses in the longitudinal direction, although a behavior parallel to the estimation was observed, a clear judgment could not be reached. In the second hypothesis, it is estimated that the changes in the width of the slab would have an effect on the structural behavior contrary to what was suggested in the Westergaard method. The second hypothesis contains two judgments. Firstly, as the slab width narrows, the loading position will approach the slab edge, so the loading situation will move away from the inner loading state and converge to the edge loading state, and thus, the stresses in the longitudinal direction obtained from the finite element analyses will increase and exceed the analytical analysis methods given in EN 16432-2. The results are inconsistent with this assumption, and the reasons for the discrepancy are explained in Chapter 6. Secondly, as the slab width increases, it is estimated that the stresses in the lateral direction from the finite element analysis will increase compared to the Westergaard method due to the increased cantilever moments. The results obtained were considered as in accordance with the hypothesis. In the third hypothesis, the lateral stresses occurring in the center region of the top surface of layer-1, which cannot be taken into account in the analytical analysis models given in EN 16432-2, are predicted to reach a critical level in some cases. The analysis results obtained support the hypothesis. In the fourth hypothesis, two behaviors that cannot be detected by analytical analysis models are predicted in the longitudinal discontinuity regions. Firstly, in regions close to the discontinuity regions, the behavior of the structure will move away from the internal loading state and converge to the corner loading state, thus the behavior obtained from the finite element analyses will differ from the situation predicted in the analytical analysis methods given in EN 16432-2. The results are inconsistent with this assumption, and the reasons for the discrepancy are explained in Chapter 6. Secondly, in these discontinuity regions between the prefabricated floors, it is predicted that high longitudinal stresses will occur in the continuous pavement layer in the finite element analysis models. The analysis results obtained are compatible with the hypothesis. In the light of the finite element analysis results, a new hypothesis was put forward based on the results that were not foreseen at the beginning of the study. In this direction, a new analysis set was established under single axle loading and it was suggested to use an additional load case based on the new results obtained. In addition, based on the literature review, a proposal is presented on the use of the dynamic load increasing coefficient, which is used to take into account the dynamic effects in the structural design. As a result, this study aims to give an idea for the new technical specification and standardization studies to be done from now on by determining the validity limits of the structural design approaches in ballastless lines with comparison analyses.