DEMİRYOLU KÖPRÜLERİ İÇİN YÜK TAŞIMA GÜVENLİĞİNİN BELİRLENMESİ

Transkript

1 DEMİRYOLU KÖPRÜLERİ İÇİN YÜK TAŞIMA GÜVENLİĞİNİN BELİRLENMESİ Barlas Özden ÇAĞLAYAN( 1 ), Erdoğan UZGİDER( 2 ), Filiz PİROĞLU( 3 ), Kadir ÖZAKGÜL( 4 ), Övünç TEZER( 4 ) ( 1 ) Y. Doç. Dr., ( 2 ) Prof. Dr., ( 3 ) Doç. Dr., ( 4 ) Arş. Gör., İTÜ İnşaat Fakültesi İnşaat Müh. Bölümü, İstanbul ÖZET Birçok ülkede demiryolları köprü işletmelerinin bir parçası olarak mevcut demiryolu köprülerinin gerçek güvenlik derecelerinin belirlenmesi için kalıcı, kullanışlı ve kolay bir yöntem geliştirilmesi önemli bir politika haline gelmiştir. Buna ihtiyaç değişik zaman aralıklarında inşaa edilmiş köprülerin birbirinden malzeme, tip, imalat teknolojisi, kabul edilen yükler ve bu yükleri taşıma mekanizmaları bakımından farklar arz etmesindendir. Bir köprünün güvenirliliği yük taşıma oranları (Rating Factor RF) ve güvenlik indisleri (safety index β) ile tariflenir. Bu her iki değer hesaplanırken de, elemanlarda, oluşmuş hasar ve/veya korozyondan, yük kaybı ve ileride gündeme gelebilecek yük arttırımı veya taşıma hacmindeki değişiklikleri, dikkate alınmalıdır. Türkiyede de TCDD-İTÜ arasında gerçekleştirilen bir protokol uyarınca yukarı bahsedilen konu üzerine çalışmalar başlatılmış ve bir seri testler ve hesaplamalar yapılarak birçok köprü için yük taşıma oranları ve güvenlik indisleri hesaplanmıştır. Hesaplarda kullanılacak köprüler, belirlenmiş kıstaslara göre seçilmiştir, zira bütün köprüleri test edip elden geçirmek, bu araştırma projesinin süresince, mümkün değildir. Bu kıstaslar; Malzeme (çelik, beton, betonarme, taş, tuğla, kompozit...) İmalat tarihi (köprünün yaşı) Yapı tipi (kafes kiriş, ark, yığma, yol altbaşlıkta, yol üstbaşlıkta,...) Açıklık (5 m'den 100 m'ye kadar) Projesinin olup olmadığı Köprü çevresinin testte müsait olup olmadığı Bu çalışmalar sırasında dinamik testler (yapı üzerinden ivme ölçülmesi), statik tesler (yapı üzerinden birim deformasyon ölçülmesi, modelleme (yapının bilgisayar ortamında modellenmesi), modelin geliştirilmesi (yapılan testlerden elde edilen verilere göre modelin iyileştirilmesi), katar yüklerinin tespiti, yük analizleri (geliştirilmiş model üzerinde katarların yürütülmesi), hesaplamalar (elemanlar için yük taşıma oranlarının hesabı ve güvenlik indislerinin belirlenmesi) adımları izlenmiştir. GİRİŞ Türkiye de 100 yıldan daha uzun bir zamana dayanan demiryolu ağı, altı bölgeye ayrılır. Bu bölgelerde bulunan demiryolu köprülerinin çoğu 1950 yılından önce boyutlandırılıp imal edilmiştir. Günümüzde arttırılmış yük vagonu ve yolcu vagonu dingil ağırlıkları ve aynı zamanada Avrupa Birliğince kabul edilen dingil yükleri altında bu yapıların hangi güvenlik faktörü ve yük taşıma oranı ile çalıştığı ilgi konusudur. Avrupa Birliğine uyum sürecinde, TCDD Avrupa birliğinde kullanılan dingil basıncına göre TCDD hatlarında hizmet veren köprülerin yük taşıma oranlarının ve güvenlik indislerinin belirlenmesi amacıyla İTU (İstanbul Teknik Üniversitesi) ile bir ortak proje başlatmış ve bu proje kapsamında, yukarıda da belirtilen altı bölgedeki köprüler bu bağlamda incelenmeye başlamıştır. TCDD-İTÜ tarafından yürütülen projenin ana amacı; 225 KN dingil basıncı (TCDD tarafından verilen özel katar için Şekil 1), UIC standart katar yükü (Şekil 1) için bu köprülerin yük taşıma güvenliklerinin TCDD tarafından önerilen β=3 güvenlik indisi (safety index) ile tanımlı seviyede olup olmadığının, köprüler üzerinde yapılacak testlerle destekli bir şekilde yapılacak analitik çalışmalarla belirlenmesidir. Bu projede köprülerin yorulma ömrü belirli bir yaklaşıklıkla belirlenmiştir. DEĞERLENDİRME YÖNTEMİ Bu yazıda, Eskişehir-Alayunt-Balıkesir, Balıkesir- Bandırma, Balıkesir-İzmir hat kesimlerinde yapılan çalışmalar anlatılacaktır. Bu hat kesimleri arasında TMH - TÜRKÝYE MÜHENDÝSLÝK HABERLERÝ SAYI /2 71

2 toplam 186 adet çelik, 692 adet ferbeton, 458 adet kemer beton, 299 adet kemer kargir, 64 adet betonarme, 78 adet taş kemer köprü mevcuttur. Şekil 1 Bu köprüleri proje için verilen süre içinde yukarıdaki bölüm de belirtilen kapsamda incelemek mümkün olmadığından, bunlar; yaş, malzeme, statik sistem, açıklık, boyutlandırma standardı, tadilat görüp görmediği parametreleri esas alınarak sınıflandırılmışlardır. Her bir sınıftan; projesinin mevcut olması, köprü ve çevresinin köprü testine uygunluk seviyesi esas alınarak birer adet temsilci köprü seçilmiş ve çalışma bu köprüler için yapılmıştır. Böylece ulaşılan sonuçlar diğer sınıfların diğer köprülerine teşmil edilmiştir. Seçilen köprüler üzerinde test treni geçişi ile oluşturulan titreşim için ivme ölçümü yapılmıştır. Bu amaçla birden fazla tren geçişi için köprünün belirli noktalarından ivme kaydı alınmıştır. Bu amaçla, serbest açıklığı 10 metre ye kadar olan köprülerde açıklık ortasına bir tarafa iki eksenli, diğer tarafa da tek eksenli ivme ölçer (Şekil 2a, 2b ve 3) konulmuştur. 10 metre nin üstündekilerde üç adet iki eksenli ivme ölçer konulmuştur. Bunların biri sabit tutulurken, diğeri gezdirilmiştir. İvme ölçerler SA-102 tipidir. Bu ivme ölçerlerden ivme datası toplayan ve depolayan data toplama sistemi Şekil 4 te Şekil 2a - İki Eksenli İvmeölçer Şekil 2b - İki Eksenli İvmeölçer (Şematik Görünüş) 72 TMH - TÜRKÝYE MÜHENDÝSLÝK HABERLERÝ SAYI /2

3 Şekil 3 - Tek Eksenli İvmeölçer Şekil 4 verilmiştir. Toplanan ivme datası trend silme ve gürültü filtreleme işlemlerinden geçirildikten sonra FFT leri (Fast Fourier Transformation) alınarak her ölçüm noktası için spektrumları bulunmuştur. Bu spektrumlardan taşıyıcı sistemin modal frekansları ve karşı gelen mod şekilleri bulunmuştur. Bilgisayar Modelinin Hazırlanması ve Kalibrasyonu Testlerden elde edilen frekans ve mod şekilleri, köprünün bilgisayar modeli kullanılarak (Şekil 5), bilgisayar ortamında bulunan frekans ve mod şekilleriyle mukayese edilmiş ve fark çıkması halinde ise; sınır yay elemanlarının rijitlikleri ile oynanarak bu dinamik parametreler birbirine yaklaştırılacak şekilde köprü bilgisayar modelleri kalibre edilmiştir. Şekil 5 te verilen köprü bilgisayar modeli; köprünün mevcut konstrüksiyon resimlerinden yararlanılarak, COSMOS/M Sonlu Eleman Programı kullanılmak suretiyle hazırlanmıştır. Bu modellerde, düğüm noktalarındaki guse levhalarının rijitlik etkisi, rijit çubuklar (rigid bar) kullanılarak simule edilmiştir. Darbe Faktörünün Saptanması BE (Berechnungsgrundlagen für staehlerne Eisenbahnbrücken), UIC (Union Internationale des Chemins de fer (International Union of Railways)), AREA (American Railway Engineering Association) standartları dahil bir çok demiryolu köprüsü standardı, darbe faktörünün hız ile kademeli değişimini vermemiştir. Ayrıca darbe faktörü, köprü üzerindeki yol durumu ile yakından ilgilidir. Öte yandan, köprü açıklığı ile darbe faktörünün değişimi BE1 standardında yeterli seviyede verilmemektedir. Burada 0~140 km/saat arası hızlar ve köprü açıklığı için darbe faktörü değişimi sistematik olarak ölçülmüştür. Bu amaçla, köprü açıklığı ile değişim için BE standardı esas alınmış, hız ile değişim için seçilen köprüler üzerinde Ankara-İstanbul (Haydarpaşa) hattında iki adet kafes kirişli ve bir adet dolu gövdeli çelik köprü için (Şekil 6, 7 ve 8), TCDD tarafından tertiplenen bir katar (Şekil 8 ve Şekil 1) kullanılmak suretiyle çeşitli hızlarda geçişler için darbe testleri yapılmıştır. Öte yandan, Eskişehir-İzmir (Basmane) hattında bir adet kâgir kemer köprü, bir adet verev Şekil 6 Şekil 5 Şekil 7 TMH - TÜRKÝYE MÜHENDÝSLÝK HABERLERÝ SAYI /2 73

4 Şekil 8 Şekil 9 Şekil 10 Şekil 11 betonarme köprü ve bir adet kafes kirişli çelik köprü üzerinde (Şekil 10, 11 ve 12), TCDD tarafından tertiplenmiş olan bir katar kullanılmak suretiyle, çeşitli hızlarda geçişler için darbe testleri yapılmıştır. Ankara-İstanbul arasındaki testlerde TCDD katarı, elektrifikasyonun mevcut olması nedeniyle bir adet KONCAR marka lokomotif tarafından çekilmiş, bu lokomotifin gücü nedeniyle köprüler üzerinden test geçişleri 5, 30, 50, 70, 90, 100, 110, 120, 130 ve 130 km/saat hızlarında yapılmıştır. Ancak, Eskişehir- İzmir arasında TCDD katarı (Şekil 9 ve Şekil 1), DE tipi bir dizel lokomotif tarafından çekilmiş olması ve bu lokomotifin çekiş gücünün daha düşük oluşu ve test edilen köprülere yakın kurb ve hemzemin geçişlerin varlığı nedeniyle, köprü üzerinden test geçişleri 5, 30, 50 ve 70 km/saat hızlarında yapılmıştır. Bu testler sırasında çeşitli hızlarda katar geçişleri için kafes kirişli çelik köprülerde enleme ve boylama kirişlerinin üst başlıklarından, lase, alt başlık, dikme ve diyagonal elemanlardan; dolu gövdeli kirişli köprülerde ise anakiriş başlık levhaları, boylama ve enleme kirişlerinin başlıklarından strain (deformasyon oranları) ölçümleri yapılmıştır (Şekil 11). 5 km/saat hızındaki (crawling speed) katar geçişleri, gerçekte oldukça dinamik karakterde olan strain (deformasyon oranı) kayıtlarının statik bileşenini tespit içindir. Strain (deformasyon oranı) ölçümleri şekil 11, şekil 12b ve şekil 12c de görülen strain transducer lerle yapılmıştır. Zira, yüksek hızlara doğru bu kayıtların dinamik bileşeni gittikçe kuvvetlenir (Şekil 13). Eskişehir-İzmir hattında test edilen kâgir kemer köprüye, ayakları üzerine kâgir ve beton üzerinden ölçüm yapabilen strain transducer ler bağlanarak strain (deformasyon oranı) ölçümleri yapılmıştır (Şekil 12a) Yine bu hat üzerindeki betonarme köprüye, kâgir köprüye bağlanan transducer lerden bağlanarak çeşitli hızda katar geçişleri için strain (deformasyon oranı) ölçümleri yapılmıştır (Şekil 10 ve Şekil 12a). Her darbe testinde, köprü üzerinde çeşitli hızlarda geçirilen katar yükü altında toplanan strain (deformasyon oranı) datasının yanısıra, bir de 5 km/h lik (crawling speed) hızı ile geçirilen aynı katar yükü altında strain datası toplanmıştır. Toplanan bu data gruplarının senkronizasyonu için köprü mesnet çizgisi hizasında raya strain gauge yapıştırılmıştır. (Şekil 14). Bu şekilde her katar geçişi altında toplanan strain datası bire bir toplanabilir ve karşılaştırabilir hale getirilmiştir. Toplanan strain datasının statik ve dinamik birleşenleri Şekil 15a ve b de verilmiştir. Şekil 15c de statik ve dinamik bileşenleri üst üste toplanmış olan bir diğer idealleştirilmiş strain datasından görüldüğü gibi, her bir lokal dinamik maksimum için, karşı gelen lokal statik maksimum 74 TMH - TÜRKÝYE MÜHENDÝSLÝK HABERLERÝ SAYI /2

5 kullanılarak darbe faktörü şu formülle hesaplanmıştır: (1) Burada, I darbe faktörü, DR lokal dinamik maksimum, DR karşı gelen lokal statik maksimumdur. Böylece her lokal dinamik maksimum için hesaplanmış olan darbe faktörleri Şekil 16 da görüldüğü gibi her köprü ve geçiş hızı için normal dağılım eğrisi olarak gösterilmiştir. Bu eğriden yararlanılarak her köprü ve geçiş hızı için ortalamadan büyük darbe faktörü karakteristik değeri, Şekil 12a - Betonarme Strain Transducer ı (2) olarak bulunur. Burada, I k ortalamadan büyük karakteristik değer, I m ortalama karakteristik değer, u=1.28 ve σ standart sapmadır. Yük Taşıma Oranları ve Emniyet İndislerinin Hesabı Yukarıdaki bölümlerde belirtildiği gibi, kalibre edilmiş köprü bilgisayar modeli kullanılarak, köprü ölü Şekil 12b - Çelik Strain Transducer ı Şekil 13 Şekil 12c - Strain Transducer Köprü Diyagonaline Bağlanırken Şekil 14 TMH - TÜRKÝYE MÜHENDÝSLÝK HABERLERÝ SAYI /2 75

6 (örneğin BE ve DIN 4114) buna paralel olarak bu çalışmada yük taşıma oranları her bir köprü elemanı için, (3) Şekil 15a Şekil 15b Şekil 15c Şekil 16 - Enleme İçin Dağılım yükü ve Bölüm 1 de verilen katar yüklerinin köprü üzerindeki birer metrelik aralıklarla çeşitli pozisyonları için statik analizler yapılarak gerilme değerleri hesaplanmıştır. Hareketli yük ve ölü yükten kaynaklanan bu gerilmeler kullanılarak, aşağıdaki bölümlerde çeşitli köprü malzemesi için belirtilen yöntemlerle β- yük taşıma oranları ile β- güvenlik indisleri hesaplanmıştır. Çelik ve Kargir Köprüler Bu köprülerin boyutlandırılmasında emniyet gerilmesi kavramının kullanılmış olması nedeniyle ifadesi ile hesaplanmıştır. Bu ifadede; σ y = akma sınır gerilmesi γ = emniyet katsayısı (BE Şartnamesi) ϕ = titreşim katsayısı (= darbe faktörü) (Tablo 2.1) ω = boyutsuz burkulma katsayısı (DIN 4114), σ g = ölü yükler için elemanlarda hesaplanan gerilme değerleri, σ p = katar yükleri için elemanlarda hesaplanan gerilme değerleridir. (3) ifadesinde darbe faktörü çok konservatif olması nedeniyle BE den alınmamıştır. Bunun yerine, bizzat köprü üzerinde yapılan ölçümlerden yararlanılarak hesaplanan Tablo 1 deki değerler kullanılmıştır. Tablo 1 - Çalışma Sonucu Belirlenen Darbe Faktörleri Eleman tipi Ortalama Standart Sapma Alt başlık Diyagonaller Dikme Enleme Boylama Taş ve Tuğla Esaslı Kagir Kemer Köprüler Bu köprülerin malzemesi ile ilgili istatistik parametrelerin mevcut olmayışı nedeniyle, bunlar için β güvenlik indisi hesaplanamamıştır. Ancak raporda referans verilmiş olan katar yükleri için literatürde mevcut olan emniyet gerilmeleri kullanılarak, bunların bu yükleri emniyetli olarak taşıyıp taşımadıkları saptanmıştır. Bu amaçla, şu emniyet gerilmeleri taş esaslı kargir köprülerde kullanılmıştır; σ basınç =32 kg/cm², σ çekme =10 kg/cm²,. Tuğla esaslı kargir köprülerde ise benzer şekilde şu emniyet gerilmeleri kullanılmıştır. σ basınç = 4.3 kg/cm², σ çekme =10 kg/cm² Ayrıca, bu tür kemer köprülerin taşıyıcı sisteminde herhangi bir yerde çekme oluşup oluşmadığı kontrol edilmiştir. Ferbeton Köprüler Ferbeton köprülerde çelik profiller için Çelik ve Kargir köprüler de verilen yöntemle β ve β lar bulunanır. I k 76 TMH - TÜRKÝYE MÜHENDÝSLÝK HABERLERÝ SAYI /2

7 Kütahya Köprüsü Kütahya Demiryolu Köprüsü metre uzunluğunda kafes kirişli, perçinli ve basit mesnetli bir çelik köprüdür. Alayunt-Balıkesir hattında Km de yer almaktadır (Şekil 17 ve Şekil 18). Yapılan Dinamik Testler Bu test önceki bölümlerde anlatılanlar uyarınca yapılmıştır. Kütahya Köprüsünde toplam 4 adet dinamik test kaydı alınmıştır. Bu testler sırasında yapıyı titreştirmek için test katarı kullanılmıştır. İvme ölçerler Şekil 19 da görüldüğü gibi yerleştirilmiştir. Herbir kayıt, herbir test katarı geçişini takiben arta kalan zorlanmamış titreşim kısmından ivme kaydı olarak alınmıştır (Şekil 20). Bu 4 adet ivme datası kaydının ortalaması alınarak bulunan ivme değerlerinin kullanılması suretiyle sistemin dinamik parametreleri saptanmıştır (Şekil 21 ve Şekil 22). Yük Taşıma Oranları Bu köprü için yük taşıma oranları TCDD, UIC 71 (Şekil 1) için hesaplanarak, en elverişsiz yük durumu için aşağıdaki tabloda verilmiştir. Sonuç Tablo 2 den görülmektedir ki Kütahya Köprüsü, çalışmaya konu olan her üç katar yükünü de 3.00 değerine eşit veya üzerinde bir β- güvenlik indisi ile yük taşımaktadır. Tablo 2 - Kütahya Köprüsü Minimum İndisleri HAL TCDD Katarı İndisi UIC 71 Katarı İndisi Minimum İndisi RÜZGARSIZ RÜZGARLI Şekil 17 Şekil 20 - Dinamik Test Kaydı Şekil 18 Şekil 21 - Dinamik Test Kaydının FFT si Şekil 19 Şekil 22 - Kütahya Köprüsünün 1. Titreşim Modu TMH - TÜRKÝYE MÜHENDÝSLÝK HABERLERÝ SAYI /2 77

8 Şekil 23 - Köprünün Genel Görünüşü Şekil 24 - Köprünün Bilgisayar Modeli Alayunt-Balıkesir Hattı, Km Köprüsü Alayunt-Balıkesir hattı Km da bulunan kemer beton köprü, toplam 32 metre (6 + 2x metre) açıklığında olup, 1930 yılında inşaa edilmiştir (Şekil 23). Köprünün debuşesi yaklaşık 7 m dir. Adı geçen köprü için bilgisayar ortamında COSMOS/ M sonlu elemanlarla analiz programı yardımıyla kurulan bilgisayar modelinde eleman, düğüm noktası bulunmaktadır. Modelin toplam serbestlik derecesi dir (Şekil 24). Yapılan Dinamik Test Dinamik testler, ön kısımda anlatılanlar uyarınca yapılmıştır. İvmeölçerler, köprü üzerinde açıklık ortalarına ikişer adet yerleştirilmiştir (Şekil 25). Test katarı, ortalama hızı 50 km/saat olacak şekilde köprü üzerinden 3 kez geçirilmiş, bu sırada da ivme datası kaydı yapılmıştır. Herbir kayıt, her test katarı geçişini takiben geriye kalan zorlanmamış titreşim kısmından ivme olarak alınmıştır (Şekil 26). Bu 3 adet ivme datası kaydının ortalamaları alınarak bulunan ivme değerlerinin kullanılması suretiyle, sistemin dinamik parametreleri saptanmıştır (Şekil 27 ve 28). Şekil 25 - İvmeölçerlerin Köprü Üstündeki Yerleşimi ve Doğrultuları Şekil 27 - Dinamik Test Kaydının FFT (Fast Fourier Transform) Analizi Şekil 26 - Dinamik Test Kaydı Şekil Mod Şekli (Bilgisayar Modeli) (f1= Hz) 78 TMH - TÜRKÝYE MÜHENDÝSLÝK HABERLERÝ SAYI /2

9 YÜKLEME HALİ YAPI KISMI TCDD KATARI UIC KATARI Minimum İndisi Yük taşıma oranı Tablo 3 - İndisleri indisi Yük taşıma oranı indisi TCDD katarı UIC katarı Rüzgarsız BETON Hesabı Şekil 23 de görülen sözkonusu köprüye ait Şekil 24 de gösterilen kalibre edilmiş sonlu eleman modeli kullanılarak, tanımlanan TCDD, UIC 71 ve LM 2000 katar yüklerinin (Şekil 1) çeşitli pozisyonları ve köprü zati ağırlığı için rüzgarsız duruma ait gerilme analizleri yapılmış ve sonuçlar sırasıyla izleyen şekillerde verilmiştir. Bu analizlerin sonuçları kullanılarak önceki bölümlerde anlatılanlar uyarınca yük taşıma oranları ve güvenlik indisleri en kritik durum için hesaplanarak Tablo 3 de verilmiştir. Sonuç Tablo 3 den de görüldüğü gibi, Alayunt-Balıkesir Hattı Km köprüsü, bu çalışmaya konu olan her 3 katar yükünü de 3.00 değerinin üzerinde bir güvenlik indisi (β) değeri ile taşımaktadır (β min =8.98). Genel Sonuçlar Bu çalışmada göz önüne alınmış köprülerin, ön bölümlerde belirtildiği gibi, yapılan testler ve analitik çalışmalarla, UIC ve TCDD katarlarını β=3 emniyet indisine eşit ve ondan daha büyük emniyet indisleri ile taşıdığı gösterilmiştir. bu temsilci köprüler için bulunan sonuçları temsil ettikleri karakteristik gruplara teşmil etmek mümkündür. Bunların artık ömürleri ise yaklaşık bir hesapla tahmin edilmiştir. TEŞEKKÜR Yazarlar bu çalışmalar sırasında test, ulaşım, ekipman, işçilik, konaklama ve yemek ile ilgili ihtiyaçları karşılamalarından dolayı Varol Akar, Tugba Şenay, Haluk Eşim, TCDD ve İTÜ İnşaat Fakültesi ilgililerine teşekkür ederler. REFERANSLAR - Bakht, B. & Jaeger, L. (1990) Utilization of Service Loads in Bridge Evaluation, Bridge Evaluation, Repair and Rehabilitation, pp , Kluwer Academic Publishers. - COSMOS/M, User s Manual, SRAC Structural Analysis and Research Corporation. - Roik, K. (1978) Vorlesungen über Stahlbau, Ernst & Sohn. - Salmon, E. H. (1960), Materials and Construction, Longman. - Uzgider et al. (2004) Safety Evaluation of Railway Bridges (in Turkish), Technical Report. - Uzgider et al., (1996) General Report for the Bridge Tests Conducted in 1992, 1993 and 1994, NATO- SFS Research Project Report no. 4. Kemerde Gerilme Kemerde Gerilme Kemerde Gerilme Ayakta Gerilme TCDD Katar Yükleri Altında Oluşan Gerilme Dağılımı Ayakta Gerilme UIC Katar Yükleri Altında Oluşan Gerilme Dağılımı Ayakta Gerilme Köprünün Kendi Ağırlığı Nedeniyle Oluşan Gerilme Dağılımı TMH - TÜRKÝYE MÜHENDÝSLÝK HABERLERÝ SAYI /2 79