ANKARA ŞUBESİ PERŞEMBE SEMİNERLERİ

Transkript

1 İNŞAAT MÜHENDİSLERİ ODASI ANKARA ŞUBESİ PERŞEMBE SEMİNERLERİ Yüksek Hızlı Demiryolu Köprüleri Tasarım Esasları (Ray-Köprü Etkileşimi) İnş.Müh. Tamer Fenercioğlu 30 Mart

2 GİRİŞ Büyüyen iki demiryolu kolu; Yüksek Hızlı Demiryolu hatları ve Hafif Raylı Sistem hatları Demiryolu köprülerinde İlave tasarım kontrolleri doğurmuştur; Ray-Köprü Etkileşimi (Sürekli Ray kullanımından dolayı, CWR : Continuous Welded Rail) Dinamik Etkiler (Rezonans vb.) 2

3 TANIMLAR Demiryolu : Uluslararası demiryolu birliğine (UIC) göre, tren dolaşımını sağlayan hat sistemine verilen isim. Railway : international term used by the International Union of Railways (UIC, for the system of tracks on which trains travel Railroad : railway term used in America 3

4 Hızlı Tren Hatları ; TANIMLAR-HIZ Yeni yapılacak olan hatlardaki hız 250 km/sa veya İyileştirme yapılan hatlarda hız, Hızlı Tren ~<200 km/h 4

5 TANIMLAR-HIZ UIC st edition, Temmuz 1976 (Haziran 2009 yılında yenilenmiştir) da Hızlı Tren ve Yüksek Hızlı Tren tanımı; Hızlı (120<V<200 km/sa) ve Yüksek Hızlı (V>200 km/sa) Tren hatları için tasarlanan demiryolu köprülerinde konfor şartları ve trafik güvenliği sağlanmalıdır 5

6 TANIMLAR-HAT Hat : Ray ve Traversleri içerir. Balast üzerine yerleştirilir yada doğrudan köprü döşemesine bağlanır. Standart hat yapısı (Balastlı Hat) ; En az 30 cm 6

7 TANIMLAR-HAT Hat (track) : Ray ve Traversleri içerir. Balast üzerine yerleştirilir yada doğrudan köprü döşemesine bağlanır. Balastsız Hat ; 7

8 TANIMLAR-HAT Balast : Raylar ve traverslerden oluşan hattın yerleştirildiği, Agrega taşı, çakıl, veya cüruftan oluşan, hat stabilitesi ve drenajını sağlayan demiryolu elemanıdır. Travers : Ahşap yada öngerilmeli beton ray mesnet elemanıdır. Raylara dik olarak yerleştirilirler Maksimum aralıkları 650 mm dir. 8

9 UIC 60 TANIMLAR-HAT En çok kullanılan demiryolu ray tipi Kopma dayanımı= 900 Mpa 60 sayısı 1 metre boyundaki ray zati ağırlığını kg/m cinsinden ifade etmektedir. 9

10 Rayların ekleri; TANIMLAR-RAY Raylar belli bir boya kadar üretilebildiği için, rayların eklenmesi ve sürekliliğinin sağlanması gereklidir. Ray bağlantı noktası, Conta (civatalı bağlantı); Ray üretim boyları m arasındadır, Cebire bulonu Cebire 10

11 TANIMLAR SÜREKLİ KAYNAKLI RAY Sürekli Kaynaklı Ray (CWR, Continuous Welded Rail) : Raylar birbirine, kaynak ile eklenerek (flash butt welding) kilometrelerce uzunlukta sürekli raylar haline getirilir. Avantajı ; az sayıda ek kullanılması ile, Dayanımı yüksek, akıcı sürüş ve daha az bakım onarım, Daha yüksek tren hızları ve daha düşük sürtünme elde edilir. 11

12 TANIMLAR SÜREKLİ KAYNAKLI RAY Kaynaklı ray birleşimi Uzun ray yerleşimi, serimi Sürekli ray uygulamasında, yeterli yanal mesnet kullanılmaz ise yanal burkulma problemi yaşanabilmektedir. 12

13 DOLGU ÜZERİNDE SÜREKLİ KAYNAKLI RAY Raylar, hat enine ve düşey yönde traverslere bağlandığı ve sistem balasta yerleştirilerek düşey yönde mesnetlendiği için eğilmeden kaynaklı gerilmeler Hat boyuna yöndeki sıcaklık değişimi ve trafik yükleri (fren ve ivmelenme) balast tarafından engellendiği için de eksenel kuvvetlerden dolayı gerilmeler meydana gelir. 13

14 DOLGU ÜZERİNDE SÜREKLİ KAYNAKLI RAY Sürekli kaynaklı ray, uzama ve kısılmanın tamamen tutulduğu orta bölge (central zone) ve her iki uçta 150 m uzunluğunda uzama bölgelerinden (breather zone) oluşmaktadır. 14

15 DOLGU ÜZERİNDE SÜREKLİ KAYNAKLI RAY ÇİFT HATLI DEMİRYOLU GÜZERGAH ENKESİTİ 15

16 DEMİRYOLU HATTINDA KÖPRÜ OLMASI DURUMU Demiryolu hattında rayların sürekli olması ile mesnetlerin süreksiz olması durumunda, (örneğin; köprü ve yaklaşım dolgusu); Fren ve/veya İvmelenme etkileri, Sıcaklık değişimi etkileri, Düşey yüklerden dolayı hem köprü hem de hat eksenel yüklere maruz kalmaktadır. 16

17 DEMİRYOLU HATTINDA KÖPRÜ OLMASI DURUMU Köprü boy kesiti Yaklaşım dolgusu Üstyapı (Döşeme ve öngerme kirişleri) 17

18 DEMİRYOLU HATTINDA KÖPRÜ OLMASI DURUMU Çift hatlı demiryolu köprüsü enkesiti 18

19 DEMİRYOLU HATTINDA KÖPRÜ OLMASI DURUMU Rayların köprü üzerinde de sürekli olması durumunda, köprü yapısının düşey deformasyonları ve boyuna yöndeki hareketleri, demiryolu hattında deplasmanların ve gerilmelerin oluşmasına sebep olacaktır. Köprü ve hattın hareket kabiliyeti olması demek, herhangi birine uygulanan kuvvet veya oluşan deplasmanın, diğerinde kuvvet oluşturması anlamına gelmektedir. Sonuç olarak ray ve köprü arasında ETKİLEŞİM oluşmaktadır 19

20 RAY KÖPRÜ ETKİLEŞİMİ Ray ve köprü arasındaki etkileşim ; (yani birinin davranışının, diğerinin davranışı üzerindeki sonuçları) Bu etkileşim, demiryolu hattı köprüye bağlı olduğu için oluşur ve bu durum hat köprüye direkbağlı olduğunda da, balastlı olduğunda da geçerlidir. 20

21 RAY KÖPRÜ ETKİLEŞİMİ Ray-Köprü etkileşimini etkileyen parametreler; Köprü parametreleri Genleşme mesafesi, L T Açıklık uzunluğu, L Mesnet rijitliği, Üst yapı dönme rijitliği Üst yapı yüksekliği 21

22 Hat parametreleri Ray kesit alanı RAY KÖPRÜ ETKİLEŞİMİ Hat dayanımı: Boyuna yönde yer değiştirmelere karşı dayanım, ray ve mesnetlendiği döşeme veya balast arasındaki göreli yer değiştirmesinin bir fonksiyonu olarak, yer değiştirmeye karşı hattın birim uzunluğundaki kuvvettir. Bu dayanım küçük deplasmanlarda hızla artar, fakat deplasmanlar belirli limite ulaştığında neredeyse sabitlenir. i Aşağıdaki grafik hattın boyuna yer değiştirmeye karşı dayanımını ifade etmektedir. 22

23 Hat Dayanımı Hat Bi-lineer davranışı; RAY KÖPRÜ ETKİLEŞİMİ 23

24 RAY KÖPRÜ ETKİLEŞİMİ Hat Yapı Sisteminin modellenmesi ; 24

25 RAY KÖPRÜ ETKİLEŞİMİ Hat-üstyapı-mesnet sistemi tipik modeli 25

26 DİKKATE ALINACAK ETKİLER Düşey trafik yükleri, LL Düşey yükler üstyapıda eğilmelere, bu eğilmeler uç kesitlerde dönmelere, dolayısıyla altından mesnetli kesit üst noktalarında boyuna deplasmanlara neden olmaktadır. LM71 yük modeli tek hatlı demiryolunda normal trafik için statik düşey yük etkisini ifade etmektedir. 26

27 DİKKATE ALINACAK ETKİLER İvmelenme (Demeraj) ve fren yükleri, LF Hat boyuna doğrultuda, ray üst noktasında etki ettirilen yüklerdir. 2 veya daha fazla hatlı köprülerde, bir hatta fren diğer hatta ivmelenme yükleri dikkate alınır. 27

28 DİKKATE ALINACAK ETKİLER Köprü yapısı ve Hat sistemi için sıcaklık değişimi etkisi, RST Köprü üst yapısının boyuna yöndeki uzama / kısalma T =+/-35 o C Demiryolu hattında genleşme elemanları olması durumunda, T = +/- 20 o C Sıcaklık değişimi analizleri hattın yüksüz olması durumunda yapılmalıdır. 28

29 KÖPRÜ VE HAT İÇİN TASARIM KRİTERLERİ Daha önce anlatılan etkileşim için yapılan analizler hat ve köprü için değerlendirilmeli ve tasarım kriterleri sağlanmalıdır. Yük kombinasyonu Mesnet reaksiyonu hesapları ve izin verilen ilave ray gerilme kontrolleri için dikkate alınacak yük kombinasyonu; R = R LL + R LF + R RST 29

30 KÖPRÜ VE HAT İÇİN TASARIM KRİTERLERİ Sürekli kaynaklı raylarda izin verilen ilave ray gerilmeleri Köprü ve bitişiğindeki kenar ayaklar üzerindeki raylar için, hat ve yapının değişken yükler altında birleşik davranışından kaynaklanan izin verilebilir ilave ray gerilmeleri, aşağıdaki tasarım değerleriyle sınırlandırılmalıdır: Basınç: 72 N/mm², Çekme: 92 N/mm². İlave ray gerilmeleri için yukarıda belirtilen sınır değerler, aşağıdaki koşullara uyan hatlar için geçerlidir. Minimum 900 N/mm 2 çekme dayanımına sahip olan UIC60 tipi ray, Düz hatlar veya r 1500 m yarıçaplı hatlar, Maksimum aralığı 65 cm olan beton traversli balastlı hatlar, Traverslerin altında minimum 30 cm sıkıştırılmış balastlı hatlar. 30

31 KÖPRÜ VE HAT İÇİN TASARIM KRİTERLERİ Yapı deformasyonu için sınır değerler; Demeraj ve frenden dolayı B (mm), aşağıdaki belirtilen değerleri aşmayacaktır; Köprünün iki ucunda da ray genleşme elemanlarına sahip olmayan sürekli kaynaklı raylar veya döşemenin bir ucunda ray genleşme elemanlarına sahip olanlar için 5 mm. Döşemenin iki ucunda ray genleşme aygıtı olan ve balastın döşeme sonlarında sürekli olduğu durumlarda 30 mm. Düşey trafik yükleri için, H (mm) 8 mm değerini aşmayacaktır. 31

32 Özet KÖPRÜ VE HAT İÇİN TASARIM KRİTERLERİ 32

33 ÖRNEK Basit mesnetli, öngerme kirişli, iki açıklıklı demiryolu köprüsü 3d Model 33

34 ÖRNEK Basit mesnetli, öngerme kirişli, iki açıklıklı demiryolu köprüsü Düşey trafik yükleri altında ray eksenel yük diyagramı, LL, kn 34

35 ÖRNEK Basit mesnetli, öngerme kirişli, iki açıklıklı demiryolu köprüsü Demeraj ve Fren yükleri altında ray eksenel yük diyagramı, LF, kn 35

36 ÖRNEK Basit mesnetli, öngerme kirişli, iki açıklıklı demiryolu köprüsü Sıcaklık değişimi etkisi altında ray eksenel yük diyagramı, RSTP, kn (Döşeme ısı değişimi) 36

37 ÖRNEK Basit mesnetli, öngerme kirişli, iki açıklıklı demiryolu köprüsü Summary 37

38 İLGİLİ STANDARDLAR UIC Track / Bridge Interaction UIC Loads to be Considered in Railway Bridge EN 1990 Eurocode : Basis of Structural Design, Annex A2 EN Eurocode 1 : Actions on structures-part 2 Traffic Loads on Bridges DLH DEMİRYOLLARI EKİ Köprü Tasarım Esasları Sonuç Raporu,

39 SONUÇ Sorular? 39

40 SONUÇ Teşekkürler 40