Toprak İşleri ve Demiryolu Hatlarının Tasarımı 9/27/2017. Yrd. Doç. Dr. N. Özgür Bezgin Ders 4

Transkript

1 GÜZ 2017 İnşaat Mühendisliği Bölümü Topak İşlei ve Demiyolu Mühendisliği -Eathwoks and Design of Railways- Yd. Doç. D. N. Özgü Bezgin o z g u. b e z g i i s t a n b u l. e d u. t 19 Ekim 2017 Dödüncü Des Hızlı ten devimi öncesi -Befoe the high speed ail evolution senesinde Alstom taafından yapılan denemelede 330 km/saat hıza ulaşılmıştı. Bu hızla, eko denemelei olup, işletmeye alınabilecek güven, konfo ve ekonomiyi sağlayabilecek hızla değildi. Elektikli tenle ile ulaşılabilen hizmet hızlaı 1950 lede 160 km/saat civaındaydı. Hızlı seyahat ihtiyacı -The need to tavel fast- 160 km/saat hız üzeinde ulaşılması hedeflenen hız değelei ancak özel olaak hazılanmış belili hatlada geçekleştiilebiliyodu ve bu hatlaın üstyapısı da çoğu zaman yeteli olmuyodu. Yüksek hızlada meydana gelen titeşimlein ve kuvvetlein şiddeti, nomal hızla için hazılanmış hat üst yapılaına fazla geliyo ve hattı bozabiliyodu. Resimde, 1955 senesinde Fansa da geçekleştiilen 326 km/saat yüksek hız denemesi sonasında oluşan hat bozukluklaı göülmektedi. Hızlı seyahat ihtiyacı -The need to tavel fast- 23 Ekim 1903 de Almanya da elektikli bi ten ile geçekleştiilen bi denemede 206,7 km/saat hıza ulaşıldı. 15 Mayıs 1933 de, Hambug ve Belin aasında dizel ten seti ile 160 km/saat hızda sefele düzenlendi. 20 Hazian 1939 senesinde, Bologna ve Roma aasında 203 km/saat hıza ulaşan ve 160 km/saat hızda hizmet veen ETR 200 elektikli ten seti kullanıldı. Özetle, ulaşılan en yüksek hizmet hızı değei 160 km/saat olup, yolcu tenlei otalama km/saat aasında hızla haeket edebiliyoladı.

2 Ulaşılan hızlaın mutlak kıyaslaması -Absolute compaison of speeds eached - Faklı eneji tülei ile ulaşılan hızlaın kıyaslaması -Compaison of speeds eached by diffeent foms of enegies- UIC taafından yapılan hız sınıflandımalaı -Speed classifications by UIC- Günümüzde hizmet veen ten tülei -Type of tains in sevice today- UIC ye göe hız sınıflaı. Günümüzde, dizel-elektik motolu tenle ve elektikli tenle kullanılmaktadı. Dizel-elektik motolu tenle, yük katalaının çekiminde sıklıkla kullanılmaktadıla. Elektikli tenle, dizel çekimli katalaa göe daha düşük ağılıkta olduklaından ve yolcu taşımacılığı için tasalandıklaından hızlı ve yüksek hızlı ten hatlaında kullanılmaktadı. Theoetical Taffic Loads and Classication of Tukish Railway Netwok Accoding to the Tack Maintenance - Kemal Selçuk Öğüt

3 Balastlı bi demiyolu hattının kesiti -Coss section of a ballasted ailway line- Hat üst yapısı Dolguda ye alan tek hatlı bi demiyolu kesiti -A single tack ailway on fill- Düz bi doğultu üzeinde dolguda ye alan bi demiyolu hattının en-kesit niteliklei: Sub-gade (alt yapı) Sub-soil (doğal zemin) Mevcut doğal zemin Yükü dağıtmak ve geilmelei indigemek için balast katman. Donma etkileine kaşı ve denaj için eğimli katman. Yama veya dolgu ile inşa edilen ve denaj için eğimli altyapı (subgade). Yama ve dolgu ile oluştuulan altyapı -Substuctue geneated via cut and fill- Bi demiyolu hat üst yapısı, yama (cut) ve/veya dolgu (fill) ile oluştuulan bi oluşum (fomation, fomasyon) ile belilenen güzegah üzeine kuulu. Kaynak: Tack Fundamentals

4 Bi uygulama -An application- Çift hatlı bi demiyolu kesiti -Coss section of a double line ailway- Ancak uygulamada bazen, bu güven aalığı içeisine katene dieklei gibi unsula yeleştiilebilinmektedi. Oluştuulan üst yapının kesit özelliklei ve ölçülei bulunmaktadı. Bi demiyolu hattının en kesit ölçülei biçok unsua bağlıdı. Bu unsula aasında: 1. Hat sayısı. 2. Hatla aasındaki mesafe. 3. Taves uzunluğu. 4. Balast kalınlığı. 5. Taves bitiminden itibaen balast genişliği. 6. Balast eğimi. 7. Alt balast (suya kaşı kouyucu katman) kalınlığı. 8. Kablo ve su kanallaının genişliklei. 9. Elektik diekleinin konumlaı. Hat mekezinden, üst yapı kenaına olan mesafe -Distance between the aiload centeline to the edge of supestuctue- Balast kalınlığı ve genişliği -Ballast thickness and width- 300 km/saat hız değeine kada tasalanan hatlada, hattın mekezinden üst yapının bittiği ve altyapının başladığı noktaya kada olan mesafe ise 3,8 mete olaak tespit edilmişti. Hız değei, 160 km/saat den düşük ise mekezden üst yapının bittiği noktaya kada ise 3,3 mete, 160 km/saat ve 200 km/saat aasındaysa 3,5 mete olaak tespit edilmişti. L=40 50 cm T= cm h=30 35 cm 3,3 3,5 veya 3,8 mete Taves bitiminden itibaen en az 40 cm uzunlukta balast bulunmalıdı. Taves, tamamen balast içeisine gömülü olmalıdı (yaklaşık cm)

5 Balast kalınlığı ve genişliği -Ballast thickness and width- İstenen cm genişlik L=50 cm 270 cm T=130 cm Hat mekez doğultulaı aasındaki mesafe -Distance between the aiload centelines- Hızı 300 km/saat e kada olan yeni hatlada, hatlaın mekezlei aasındaki mesafe en az 4,5 mete, 160 km/saat e kada hızla için tasalanan hatlada, mekezle aası mesafe 4 mete olaak tespit edilmişti. h =62 cm h=30 35 cm 4,5 mete veya 4 mete Öneğin, h = 30 cm, T =130 cm, L=50 cm ve B70 taves için 17 cm taves deinliği, h = ( ) / = 62 cm. Balastın bittiği yee kada mesafe = 1,5 * = 273 cm Hat en kesiti genel ölçülei -Tack pofile geneal dimensions- Bu duumda, düz bi yüksek hızlı hat kesitinin genişliği: 2 x 3,8 m + 4,5 m = 12,1 m Nomal hızda bi hat genişliği: 2 x 3,3 + 4 = 10,6 m Hat göünümü -Tack view- Hat üst yapısı üzeine yağan yağmu suyunun hızlı bi şekilde balast katmanında uzaklaşması geeki. Su, bünyesinde ye aldığı tanesel (ganüle) zemin içeisinde etkin geilmelei azaltı. YAPIRAY Ankaa Konya Yüksek Hızlı Ten Hattı

6 İstenen duum -Suggested condition- Hat göünümü -Tack view- He ne kada, yük ve yapı gabaisi, balastın bitim hizasında kalsa da, balastın atından bi güven aalığı istenen bişeydi. Hat üst yapısı üzeine yağan yağmu suyunun hızlı bi şekilde balast katmanında uzaklaşması geeki. Su, bünyesinde ye aldığı tanesel (ganüle) zemin içeisinde etkin geilmelei azaltı. YAPIRAY Ankaa Konya Yüksek Hızlı Ten Hattı Faklı hızlada faklı kuba yaıçaplaı -Diffeent cuve adii at diffeent speeds- Dönemeçlede (kubalada) etki eden kuvvetle

7 Faklı hızlada faklı kuba yaıçaplaı -Diffeent cuve adii at diffeent speeds- Ekatman genişliği -Gauge length- Ekatman genişliği (gauge length), ay başlığı mekezinin 14,5 mm ± 0,5mm aşağısından ay tabanına çekilen paalel çizginin, ay başlaının iç yüzeyleini kestiği noktala aasındaki mesafedi. Tekelek kesiti -Wheel pofile- Dönemeçlede tekelek haeketi -Wheel motion in cuvatues- Yüksek hızlı tenlede tekelek konikliğinin azaltılmasının önemli bi nedeni, lase haeketinin oluşumuna engel olmaktı. Zia yüksek hızlada oluşabilecek lase, teni aydan çıkaabili. Moden Railway Tack - Pof. D. Coenaad Eseld

8 Dönemeçlede tekelek haeketi -Wheel motion in cuvatues- Dönemeçlede tekelek haeketi -Wheel motion in cuvatues- R d = R 0 + e 2, R i = R 0 e 2 e λ d d = d 0 + n e λ d i = d 0 n d d d i = R d R i d d d i = R d R i R 0 = d o. e. n 2(e λ) R 0 e Dönemeçlede tekelek haeketi -Wheel motion in cuvatues- Önek: e = mm, tekelek çapı d o = 1 m ve l= mm ise 1/n = 1/20, 1/30 ve 1/40 için R o değeleini bulun. Dönemeçlede tekelek haeketi -Wheel motion in cuvatues- Önek: e = mm, tekelek çapı d o = 1 m ve R o = 1700 m ise 1/n = 1/20, 1/30 ve 1/40 için (e l) değeleini bulun.

9 Raylaın üzeinde haeket kaynaklı yatay kuvvet -Lateal foces acting on the ails due to motion- Demiyolu hattı üzeinde, kavislede (kubalada) haeket eden bi ten dingillei aacılığı ile hat üzeine yatay kuvvet uygula. Taves balast etkileşimi ve yatay dienç oluşumu -Sleepe balast inteaction and lateal esistance fomation- Hattın yatay yüklee kaşı temel dienci, tavesin balast ile etkileşimi sonucu otaya çıkmaktadı. Bu kuvvet, dingil yükü, ten hızı ve kavis yaıçapı ile ilgilidi. m v2 F = Yatay yüklee kaşı dienç ve kaalılık -Resistance and stability against lateal loads- Yatay yüklee kaşı dienç ve kaalılık -Resistance and stability against lateal loads- Hat üzeinde bi tenin, hattın eğisel kısmından geçmesini sağlayan mekezcil kuvvet, ten üzeine açık aazide yatay olaak etki edebilecek üzgala ve süekli olan aylaın sıcaklık faklılıklaında bukulmalaı, hat üzeinde yatay etki oluştuula. Hat üst yapısı bu etkilee kaşı, yatay yönde kaymadan tepki gösteebilmelidi. Tavesle, balast katman içeisine gömülü olup, bu sayede, taban sütünmesi, taves ucunda oluşan dienim ve taves boyunca oluşan sütünme etkilei ile yatay etkilee kaşı kaalılık sağlayabilmektedi. Toplam dienimin dağılımı: 1. %45-50: Taves alt sütünme 2. %35-40: Taves uç dienci 3. %10-20: Taves boy sütünmesi The Lateal Resistance of the Tack D. Benhad Lichtbege Plasse and Teue

10 Taves balast etkileşimi ve yatay dienç oluşumu -Sleepe balast inteaction and lateal esistance fomation- Yatay yüklee kaşı kaalılık -Stability against lateal loads- Tavesin pizmatik olmayan fomunun, sağlayabileceği yatay dienç değei üzeinde katkısı olmaktadı. Üst yapının yatay kaalılığı (lateal stability) ile ifade edilen, yatay kuvvetle altında hattın doğultusunun bozulmamasıdı. Bunun için de etki eden yatay yüke, hat üst yapısı taafından yatay yönde bi tepki kuvvetinin oluştuulabilmesi geekmektedi de Fansa da yapılan bi deneyde, 58 cm mekezi aalıklala yeleştiilen ahşap tavesle üzeinde 46 kg/m lik ayladan oluşan bi hat üzeinde seyi esnasında düşey ve yatay kuvvetle uygulayaak hattın kayma miktaı incelendi. Kaynak: Kish, 11 Nisan 2014, William W. Hay Lectue Seies: FUNDAMENTALS OF TRACK LATERAL SHIFT FOR HIGH-SPEED RAIL APPLICATIONS Yatay yüklee kaşı kaalılık -Stability against lateal loads- Belili bi düşey dingil yük (P) değei altında yatay kaalılığın muhafaza edilebileceği yatay yük (Y) değei, yapılan bi çalışma sonucu Pud Homme eşitliği ile Ton biiminde ifade edilmektedi: Yatay yüklee kaşı kaalılık -Stability against lateal loads- Ancak bu eşitlik ile tespit edilen değele, düşük hızlada çalışan bi hat üzeinde denendi ve günümüzde, eşitlik taafından beyan edilen değelein, hattın yatay kapasitesinin oldukça altında olduğu tespit edilmişti. k= 0,85 (eğilik ve ay sıcaklık etkisini katmak için) Y = k 1 + P 3 Dingil yükü (Ton) Düşey Yatay 10 4,3 15 6,0 20 7,7 Diğe taaftan bu denklem, tutucu (consevative) yaklaşımı ile bugün de kullanılmaktadı.

11 Devesiz bi dönemeçte savulma hızı -Sliding speed on a cuve without supeelevation- Önek-1 -Example-1 Dönüş yönüne göe, ayladan bi tanesine buden iç kuvveti etki edecekti. 250 km/saat (69,4 m/s) hızla 17 Tonluk dingil yüküne sahip tenin giebileceği kubanın yaıçapı nedi? h Mekezkaç kuvveti = m. v2 Güvenli bi dönüş için budene uygulanacak sını kuvvet, üst yapıya hasa vememeli ve h m. v2 17 Tonluk bi dingil yükü için 6,7 Tonluk bi yatay kayma yükü tespit edeiz (Pud homme) F yatay dienç = 6,7 Ton * 9,8 m/s 2 = N b F Buden = m. v2 ayıca oluşan mekezcil ivme de yolcula taafından katlanılabili olmalıdı, yük tenleinde ise yükü yeinden kaydımamalıdı. b F yatay dienç = m. v = m v2 69,42 = = m Devesiz bi dönemeçte devilme duumu -Rollove condition on a cuve without supeelevation- Deve -Cant- m. v2 h = m. g b 2 v = g. b. 2. h Devesiz bi kubada dışta kalan ay, içte kalan aylaa göe daha fazla düşey kuvvet altında kalıp daha çok aşını. F a e = G e 2 + F h Mekezkaç kuvveti = m. v2 h m.g h sını = g. b. 9,8 1, = 2. v2 2 69,4 2 h sını = 1,9 m F a = G 2 + F h e F a + F b = G b Yüksek hızlı ten setleinde ağılık mekezi ay üst kotundan yaklaşık 1,5 mete yüksekliktedi bu duumda ten bu hızda takla atmaz. F b = G 2 F h e

12 Deve -Cant- Deve -Cant- Deve attıkça, düşey kuvvet ile içteki ay aasındaki moment kolu azalmaktadı ve dolayısı ile içteki ay, düşey kuvvetin daha büyük bi yüzdesini taşımaktadı. Dış aydaki kuvveti atıan unsu viaja giiş hızı ve viaj yaıçapı ile otaya çıkan mekezcil kuvvetti. F b cosα e = Gcosα e/2 + Gsinα h m v2 v2 cosα h + m sinα e/2 F a + F b = G Deve değeini uygulamada sınılayan etkenle aasında: 1. Viajda duan bi ten üzeine deve yüzünden yatay yönde etki edecek ve yolculaın ahatsız hissetmeleine neden olacak kuvvetle. 2. Yüksek hızlada viaja gien bi tenin iç tekeleklei üzeinde azalan kuvvetle nedeniyle aydan çıkma tehlikesinin oluşması. 3. İç tekele üzeinde atan kuvvetle nedeniyle iç aylada aşınmalaın atması. 4. Vagon içeisinde sabitlenmemiş yüklein kayması. v = 0 ise F b = G 2 + G tanα h e F a = G 2 G tanα h e Deve -Cant- Denge devei -Equilibium cant- Develi bi kubada demiyolu aacına etki eden yatay ve düşey ivme değelei: Net yatay ivmenin 0 olduğu deve değei, denge devei (equilibium cant) veya teoik deve olaak ifade edili. Bu duumda demiyolu aacının viajda daiesel haeket yapmasını sağlayan kuvvet tamamen aaç ağılığının deve kaynaklı yatay bileşeni taafından kaşılanı. Deve ile altyapıya aktaılan yatay kuvvet değei indigenmiş olu. Denge deveine sahip bi kubaya gien tenin ilgili denge hızı ise: Düşük açıla için ( <8 o ) için:

13 Deve eksiği -Cant deficiency- Deve eksiği -Cant deficiency- Ancak uygulamada, bi kubaya denge deve değeini vemek mümkün olmaz. Zia denge deve değeine sahip bi viaja giilmesi geeken hızlaın altında giilebilmesi ve bu duumda da ihtiyaçtan daha fazla deve etkisi altında sounlala kaşılaşılması olasıdı. Bu duumda h eq denge devei (teoik deve) h t de uygulama devei (patik deve) ise deve eksiği h d : Teoik devein uygulanmadığı patik deve altında tam olaak gideilemeyen ve ada kalan mekezcil ivme değeinin bi sınıı vadı. Zia insan bünyesinin tahammül edebileceği ve ötesinde ahatsızlık hissedeceği yatay ivme değelei, ülke şatnameleinde belitilmektedi. Fansa da ve Almanya da, yolculaın tahammül edebileceği net ivme değe en fazla, a y = 0,05g 0,15g (0,5 m/s 2 1,5 m/s 2 ) aasında değelendiilmişti. Yeni hatlada izin veilen deve ve deve eksiği -Allowed cant and cant deficiency on new lines- Yeni hatlada izin veilen deve ve deve eksiği -Allowed cant and cant deficiency on new lines- Deve en fazla 200 mm. Otalama deve 180 mm ± 20 mm. İzin veilen en yüksek deve eksiği: Dikkat edilise, yaıçap açıkça ifade edilmemektedi. Zia yaıçap: 1. Seyi hızı 2. En yüksek deve 3. İzin veilen deve 4. İzin veilen deve eksikliği ile otaya çıkan bi değedi.

14 Yatay ivmenin tahammül edilebili değei a =1m/s2 -Enduable value of lateal acceleation- Yatay ivmenin tahammül edilebili değei-a=1 m/s2 -Enduable value of lateal acceleation- Önek-1 deki ten, m yaıçaplı dönemece mekanik olaak giebilse de hissedilen ivme değei oldukça yüksekti: İzin veilen yatay ivme değeinin 1 m/s 2 olduğu bi duumda devesiz olaak 250 km/saat hız izin veilebilecek en yüksek yaıçap değei ise: v 2 v 2 = 69, = 3,9 m s 2 = 0,4g = 69,42 = 1 m = m s2 İzin veilen yatay ivme değeinin 1 m/s 2 olduğu bi duumda devesiz olaak 160 km/saat hız izin veilebilecek en küçük yaıçap değei ise: v 2 = 44,42 90 km/saat hız için en küçük yaıçap değei: v 2 = 252 = 1 m = m s2 = 1 m = 625 m s2 Bu yaıçap değeini bi mikta deve kullanaak azaltmak mümkündü. Yatay ivmenin tahammül edilebili değei-a=0,4m/s2 -Enduable value of lateal acceleation- İzin veilen yatay ivme değeinin 0,4 m/s 2 olduğu bi duumda devesiz olaak 160 km/saat hız izin veilebilecek en yüksek yaıçap değei ise: v 2 = 44,42 90 km/saat hız için en yüksek yaıçap değei: v 2 = 252 = 0,4 m = m s2 = 0,4 m = m s2 Bu değelei bi mikta deve kullanaak azaltmak mümkündü. Hız yaıçap değelei: a = 1m/s 2 için deve yok -Speed adius values no cant- Hız (km/saat) Yaıçap (m)

15 Hız yaıçap değelei: a = 0,4 m/s 2 için deve yok -Speed adius values no cant- Hız (km/saat) Yaıçap (m) Kubalada deve kullanımı -Supeelevation use along cuves- Kubalada oluşan kaydıma kuvvetleini veya devime momentleini azaltmak veya tamamen gidemek için deve (supeelevation) uygulanı. Dönüş yönünde kullanılan deve ile aacın ağılığının kuba yönünde bi bileşkesi oluştuulaak aacın dönüş esnasında hat üzeinde seyi kolaylaştıılmaktadı. Kuba yaıçapının deve ile ilişkisi -Relation of cuve adius with cant- 250 km/saat (69,4 m/s) hızla ileleyen bi tenin, sadece devein sağladığı zati ağılık bileşeni ile net yatay ivme oluştumaksızın m lik bi kubadan geçiş yapabilmesi için ihtiyaç duyacağı deve nedi? v 2 = h s g 69, = h ,8 h min = 0,153 m = 153 mm Kuba yaıçapının deve ile ilişkisi -Relation of cuve adius with cant- 250 km/saat (69,4 m/s) hızla ileleyen bi tenin, 3500 m yaıçaplı bi kubaya, altyapıya bi yatay kuvvet aktamadan giebilmesi için kubaya veilmesi geeken deve nedi? v 2 = h s g 69, = h ,8 min = 0,210 m = 210 mm

16 Kuba yaıçapının deve ile ilişkisi -Relation of cuve adius with cant- Kuba yaıçapının deve ile ilişkisi -Relation of cuve adius with cant- Bi yüksek hızlı ten hattı tasaımında izin veilen deve değei 130mm ise, 3500 m yaıçaplı kubada dengelenemeyen yatay ivme değei nedi ve bu değe katlanılabili mi? 250 km/saat hızda, 3500 m yaıçaplı ve 130mm develi bi hattın deve eksiği nedi? Deve eksiği = 210 mm 130 mm = 80 mm gsinθ~gtanθ = h 130 g = s ,8 = 0,85 m s 2 69, = 1,37 m s 2 Net yatay ivme = 1,37 0,85 = 0,53 m s 2 < 1 m s 2 Alman Demiyollaı, öneilen yaıçap değelei -Deutsche Bahn, ecommended adius values- Yeni nesil hatlada planlanan uygulama değelei -Planned application paametes in new geneation high speed ailways- 170 mm teoik deve, 100 mm uygulama devei ve 70 mm deve eksikliğine göe öneilen yaıçap değelei. Bu koşulla altında hissedilen net yatay ivme: 0,47 m/s 2.

17 Tükiyede nomal hızlı hatlada uygulanan deve -Cant values used in nomal speed lines in Tükiye- Yatabilen tenle -Tilting tains- Tükiyede de, belili bi tasaım hızı ve yaıçap değeine sahip bi hatta izin veilen en yüksek deve 130 mm ve en yüksek deve eksiği 100 mm di. Teoik deve: İzin veilen deve eksiği, nomal hatlada, hissedilebilecek yatay ivme değeini: V = km/saat R = m d = mm a = 100 g = 0,65 m ile sınılamaktadı 1500 s2 Mevcut hat üzeinde daha yüksek hızlada hizmet planlanıyosa ve hattın mevcut yapısı (deve ve yaıçap) bu yeni ve yüksek hızın oluştuacağı yatay ivme değeleinin kullanımını engelliyosa veya Mevcut ekatman değei kısıtlıysa (nomal ekatman değeinden düşük) ancak mevcut hat üzeinde daha yüksek hızlada hizmet talep ediliyosa Hattın, bu yeni hız için sahip olmadığı koşulla, ten gövdesine eğim veeek sağlanabili. Tilting tains adı veilen bu tenlein gövdelei, 5 8 deece aasında yatabileek içedeki kişilein hissedeceği yatay ivme değeini azaltıla. Yatabilen tenle -Tilting tains- Dödüncü desin sonu T e ş e k k ü e d e i m Yd. Doç. D. N. Özgü Bezgin o z g u. b e z g i i s t a n b u l. e d u. t