KENTİÇİ DEMİRYOLUNDA BALASTSIZ ÜSTYAPI TASARIMLARI VE UYGULANMA ESASLARI Zübeyde ÖZTÜRK * ve Turgut ÖZTÜRK** *İTÜ İnşaat Fak. Ulaştırma Anabilim Dalı, İstanbul **İTÜ İnşaat Fak. Yapı Anabilim Dalı, İstanbul ÖZET Balastsız üstyapı diğer ülkelerde olduğu gibi ülkemizde de önem kazanmaktadır. Kentiçi raylı sistemlerde ve yüksek hızlı demiryolunda kullanılmaktadır.üstyapı ağırlığının ve yüksekliğinin daha az olması, az bakım maliyeti gerektirmesi, kullanım ömrünün fazla olması, karayolu araçları ile aynı altyapıyı kullanabilmeleri gibi nedenlerden balastsız üstyapı tercih edilmektedir. Çalışmada, bu üstyapı tipinin uygulanma esasları ve tasarım şekilleri açıklanarak bazı ülkelerdeki hatlardan örnekler verilmektedir. Balastsız üstyapıda özel gürültü önlemleri alınarak gürültü seviyesi azaltılmakta, balast olmadığı için toz problemi olmamakta ve elektrikli işletimle de hava kirliliği oluşmamaktadır. Antalya gibi turistik şehirlerde çevre etkileri az olduğu için, kullanımı uygun olan bir üstyapı tipidir. Anahtar Kelimeler: Kentiçi raylı sistem, üstyapı, dizayn SLAB TRACK DESIGNS IN URBAN RAILWAYS AND APPLICATION PRINCIPLES ABSTRACT Slab track is becoming more widespread and important in the other countries, similarly in Turkey. These types can be used both in all of the light rail systems of urban transport and also the high-speed railway systems of intercity transport. Although it s construction cost is higher, the maintenance cost for this type of infrastructure designed without ballast is lower when compared to the one with ballast. Track without ballast, creates the best results for both technically and economically. Especially small diameter tunnels can be applied and requires little art buildings.
In this report, the application principles of slab track types and designs are explaned. Slab track is better options, because, to lessen the needs to prevent the area from the dust, air pollution and noise of the ballast. It is more proper in touristic cities like Antalya. Keywords: Urban, railway system, track 1. GİRİŞ Balastlı hatlarda trafik yükleri altında balastı oluşturan granüler malzeme zamanla geometrik pürüzlülüğünü kaybedebilir ve karışan malzemelerle drenaj problemi oluşur ve bu problem düzenli bakımla önlenebilir. Balastlı üstyapıda traversler raylara 60-80cm aralıkla destek olduklarından, her travers hat geometrisinde bozukluklara neden olur. Balastlı hatlarda bir süre sonra hat üzerinde enine ve boyuna kaymalar oluşmaktadır. Kurbalarda balast tarafından sağlanan yatay direnim limitleri yatay ivmeleri companse edemez, balast tanelerinin parçalanması sonucunda raylar ve tekerlekler hasar görür. Balastın aşınması ve alt zeminden ince parçaların geçmesi sonucu balast kirlenerek geçirimliliği azalır, üstyapının ralativ yüksek ve ağır olması köprü ve viyadüklerde daha güçlü yapılar gerektirir. Hat bozulmaları, üstyapı elemanlarının kalitesine, hattın inşa şekline ve geometrisine, zemin tabakalarının homojenliğine ve alt-balastın destekleme kapasitesine bağlıdır. Balast yatağının köprü veya tünellerde devam etmesi durumunda ilave elastisite sağlamak için balast altlığı uygulamak, elastisitesi yüksek ray bağlantıları kullanmak gerekir. Bunlar uygulansa bile yine köprü ve tünellerde düzenli bir bakım gerekir. Bütün bu olumsuzluklar nedeniyle son yıllarda balastsız üstyapıya yönelinmiştir. Betona tesbitli hatlarda ise raylarla alt tabaka arasındaki bağlantı süreklidir, enine ve boyuna stabilite sağlanır, hat hizasında daha az kayma oluşur, yolcu konforu artarken, bakım maliyeti azalır, [1-2]. Hat yapım ve bakım maliyetleri işçilik, malzeme, teknoloji gibi faktörlere bağlı olarak ülkeden ülkeye değişim gösterir. Yapılan araştırmalara göre İngiltere de sürekli döşemeli balastsız hattın maliyeti balastlı hattın üst yapı döşenme (poz) maliyetinden % 30 fazladır. Balastlı hattın bakım maliyetleri fazla olduğu için 5-7 yıl içinde bu fark kapanır. Alman Demiryollarında yaygın kullanılan Rheda 2000 sisteminde hattın metresinin yapım maliyeti 1400 DM iken, balastlı üstyapının maliyeti 800 DM tır. Eisenman a göre balastsız üstyapıların ilk inşa maliyeti, 40-45 cm tabaka kalınlığına sahip balastlı hatlara göre tünellerde %10 ve açık alanlarda %50-70 daha fazladır. Shinkansen balastsız hattının inşa maliyeti balastlı ütyapı maliyetinin 1.3-1.5 katı olmasına karşın işletme maliyeti %18-33 ü kadardır. Bir hattın servis ömrü yaklaşık 35 yıl kabul edilirse bu süre içinde balastsız hattın toplam maliyetinin balastlı hatta göre daha düşük hale geleceği açıktır. Balastsız hatlarda: -Hat boyunca bakım maliyetinde büyük azalmalar olacaktır. Bakım işlerinde, balastın sıkıştırılması ve temizlenmesi gibi çok yekun tutan işler olmayacaktır. Bakım maliyeti, balastlı hatlardakinin %20-30 u kadar olacaktır, -Servis ömrü daha uzundur ve servis ömrü bitince hattın tamamının yenilenmesine imkan sağlar, -Koşulsuz olarak elektro-manyetik fren kullanabilme imkanı sağlar,
-Düşeyde 26 mm ve yatayda 5 mm ye varan basit düzeltmelerle küçük deformasyonları gidermek mümkündür, -Yapı yüksekliği ve ağırlığı balastlı hatlara nazaran daha azdır, [4]. -Uygun balast malzemesi bulmak zordur, -Karayolu araçları üstyapı içine girebilir, -250 km/sa veya daha yüksek hızlarda daha konforlu seyir sağlanabilir, -Yanal kuvvetlere karşı direnç yüksek olduğu için balastlı hatta göre daha büyük dever uygulanabilmekte (160-180 mm) ve daha küçük kurp yarıçapları kullanılabilmektedir, -Daha kısa sürede tamir ve yenileme işlemi tamamlanabilmektedir, -Gerekli önlemler alınarak araç geçişlerinde daha düşük titreşimler ortaya çıkmaktadır, -Tünellerde taban kaplamaları yeterli dayanıma sahip olduğundan, üstyapının taşıyıcı tabaka kalınlığı 15 cm ye kadar indirilebilmektedir, -Yapı yüksekliğinin az olması tünel yüksekliğini ve de tünelin inşa maliyetini azaltmaktadır, -Tünel içindeki eski hatlar katenerli sisteme göre elektriklendirilecekse, balastsız üstyapı kullanılarak gerekli ek gabari yüksekliği sağlanabilir, -Bakım sırasında tünel içinde toz ve kirlenme oluşmaz, -Tünellerde gerekli olan drenaj, yan yollar, sinyalizasyon, elektrik ve elektronik tesisleri bir bütün olarak birlikte yapılabilir, -Daha düşük yapı yüksekliği sonucunda daha büyük bir boşluk elde edildiği için trenlerin karşılaşması durumunda daha az hava direnimi meydana gelmektedir, -Yüksek hızlı trenlerin altında oluşan girdap etkisiyle balast tanelerinin yukarı savrulma ve taşıta çarpma tehlikesi ortadan kalkmaktadır, -Tünellerde kaza olması halinde kurtarma araçlarının tünele girmeleri daha kolay olmaktadır, -Viyadük ve köprülerde balasttan gelen yükün azalmasıyla daha ekonomik ve zarif görünümlü yapı boyutları ortaya çıkmaktadır, [1]. Bu avantajlarının yanısıra balastsız hatların bazı dezavantajları da bulunmaktadır; -Yapım maliyeti daha fazladır, -Gürültü daha fazladır, -Üstyapı pozisyonunda büyük değişiklikler ve yüksek dever uygulamaları önemli miktarda çalışma gerektirir, -Dolgularda büyük deplasmanlara adaptasyon relativ azdır, -Derayman durumunda tamir işleri uzun zaman ve efor gerektirir, -Balastlı hatlara geçiş yerleri özel dikkat gerektirir, -Alt tabakalar homojen olmalı ve oturma olmadan gelen yükleri taşıyabilmelidir. 2. BALASTSIZ HATLARIN UYGULANMA ESASLARI Balastsız üstyapının seçim, uygulanma, hesap ve boyutlandırma ile ilgili bazı önemli esasları aşağıda maddeler halinde ana hatları ile verilmektedir: 1. Demiryolu idareleri yoğun trafik nedeniyle hat bakımına fazla zaman ayırmak istememektedirler. Bakım işlem süreleri trafiği aksatmamak için genellikle hattın trafiğe kapalı olduğu gece saatleri ile sınırlandırılmaktadır. Ancak bazı demiryolu hatlarında hattın işletmeye kapalı olduğu süre 1-2 saat ile sınırlı olduğu için bakım çalışmasına yetecek süre bulunamamakta ve böyle uzun süreli işletime açık olan hatlarda balastsız üst yapı seçilmektedir.
2. Balastsız üstyapıda balast yerine ondan daha az şekil değiştiren beton, betonarme ya da asfalttan yapılan taşıma tabakaları veya prefabrik elemanlar kullanılır. Beton taşıma tabakası, donatısız ve derzli, zayıf donatılı ve yüzeysel derzli, sürekli boyuna donatılı ve derzsiz olarak imal edilebilir. Tabaka kalınlıkları kullanılacağı yere göre değişir. 3. Priz sırasında sıcaklık etkisiyle deforme olmaması için donatı yüzdesi, beton kesitin %0.8-0.9 u oranında olmalıdır. Tabaka ortasına konulan boyuna donatıya bağlı enine donatılar ile birlikte tabaka üst yüzeyindeki çatlak genişlikleri 0.5mm ile sınırlandırılabilmekte, böylece donatı korozyonu da önlenebilmektedir, [3]. 4. Traverssiz yapılan tiplerde çatlakların, tabaka içine ray bağlantısı yapmak amacıyla açılan deliklerin, yerleştirilen dübel veya civataların bulunduğu yerlere ulaşmamaları için çatlak oluşumu kontrol altında tutulmalıdır. Bunu sağlamak üzere, beton son sertliğine ulaşmadan önce, üst yüzeyinde yaklaşık her üç mesnette bir, mesnetlerden sonra yaklaşık 5 cm derinliğinde ve 2-3 cm genişliğinde yarıklar oluşturulur. 5. Beton taşıma tabakası üzerinde araçların seyredebilmesi için, beton kalitesi enaz C20 (BS20), karakteristik basınç dayanımları ise, silindir basınç dayanımı 20 N/mm 2, küp basınç dayanımı 25 N/mm 2 olması gerekir. (küp kenar uzunluğu 20 cm, silindir çapı 15 cm, yüksekliği 30 cm). 6. Balastsız üstyapıda taşıyıcı beton plağın emniyet gerilmesi öncelikle betonun dozajına bağlıdır. Bu tip üstyapıda 350 dozlu beton kullanımı önerilmekte ve eğilme-çekme mukavemeti 55 kg/cm 2 olarak ölçülmektedir. Kış aylarındaki çekme gerilmeleri dikkate alınarak bu değerin %40 ı alınır. 7. Bazı balastsız üstyapılarda donmaya karşı koruyucu olarak teşkil edilen strofor agregalı beton tabakada 10 kg/cm 2 lik bir eğilme-çekme mukavemeti saptanmış olup, emniyet gerilmesi olarak 5 kg/cm 2 olması istenir. 8. Strofor agregalı beton tabakada elastikiyet modülü 10000 kg/cm 2 olarak ölçülmüştür. 9. Çimento enjeksiyonu ile sertleştirilmiş ve taşıma gücü arttırılmış tabakada ise çekme mukavemetinin 15 kg/cm 2 ye kadar ulaştığı tesbit edilmiştir. Sertleştirilmiş taşıyıcı tabakada çekme emniyet gerilmesi olarak çekme mukavemetinin yarısı yani 7.5 kg/cm 2 kabul edilir. 10. Bu tabakada elastikiyet modülü ise çimento enjeksiyon miktarına bağlı olarak 60000-80000 kg/cm 2 arasında değerler almaktadır. 11. Beton taşıma tabakası yerinde dökme beton yerine prefabrik plaklar ya da çerçeveler şeklinde de üretilebilir. Yanal kuvvetlerin karşılanması için bu elemanların birbirine bağlanması gerekir. 12. Balastsız üstyapılar döşeme şekline göre mesnetli döşeme ve sürekli döşeme olmak üzere iki sınıfa ayrılabilir. Mesnetli döşeme ray tabanının 0.5m ile 0.8 m arasında değişen sabit aralıklı mesnetlere 2 parçalı olan ve yaylı elemanlar ile ayarlanabilen bağlantılar yardımıyla, alttaki taşıma tabakası üzerine bağlanmasından oluşur. 13. Sürekli döşeme tipinde raylar sürekli olarak beton taşıma tabakası üzerinde yol ekseni doğrultusunda beton bazan da çelik malzemeden yapılan paralel iki kirişin içlerinde oluşturulan oluklarda, doğal ya da yapay kauçuk yataklar içine döşenmektedir.
14. Balastsız üstyapının boyutlandırılmasında amaç, taşıyıcı beton plak ve diğer tabakalarda meydana gelen gerilmelerin elde edilmesiyle boyut tahkiki yapılarak uygun plak ve sertleştirilmiş taşıyıcı tabaka kalınlığının saptanmasıdır. 15. Seçilmiş olan boyutlarda hesaplanan gerilmeler emniyet gerilmelerini aşıyorsa beton plağın veya diğer tabakaların kalınlığını arttırmak gerekir. Gerilmeler emniyet gerilmelerinden çok küçük kalıyorsa bu durumda da sistemin taşıma gücünden tam olarak yararlanılamayacağı için beton plak veya diğer taşıyıcı tabakaların kalınlığını azaltmak suretiyle yapım maliyeti azaltılmış olur. 16. Balastsız üstyapının boyutlandırılması herşeyden önce hattın trafik yüküne ve bölgenin iklim şartlarına bağlıdır. 17. Balastsız üstyapının tabakalarında meydana gelen gerilmeler eşdeğer tabaka yöntemi ile kolayca hesaplanır. Bu yönteme göre farklı özelliklerdeki tabakalarda oluşan sistem, tek tabakalı fiktif bir sisteme dönüştürülür. 18. Rheda tipi üstyapıda, UIC 60 rayı, 60 cm travers aralığı ve B70 traversi esas alınmıştır. Ray ile travers arasına konan elastik sömelin alanı 550cm 2 ve yatak katsayısı 60 kg/cm 3, taşıyıcı beton kalınlığı 14 cm ve dolgu beton yüksekliği 10cm alınarak 22 ton dingil yükü için sertleştirilmiş taşıyıcı tabaka kalınlığı irdelenmiştir. Buna göre; sertleştirilmiş tabakada küçük bir artış fiktif sistemin atalet momentinde önemli artışlara neden olur, sistemin momenti ise az artar, tabaka kalınlığı-gerilme değişimi doğrusaldır,[4]. 19. Bu örnekten elde dilen diğer sonuçlar: Boyutlandırmada balastsız üstyapının ana elemanı taşıyıcı beton plağın kalınlığını sabit seçerek diğer tabakalara hattın trafik yüküne göre kalınlık vermek uygundur, Taşıyıcı beton plağın kalınlığının arttırılması, özellikle sıcaklık farkı yüksek olan bölgelerde oluşacak çekme gerilmelerinin artmasına, böylece beton plağın taşıma gücünün azalmasına neden olacaktır. Aynı zamanda beton plak içine yerleştirilen donatının artmasına neden olacağından beton plak kalınlığının sabit tutulması ekonomik bir çözüm olacaktır, Sertleştirilmiş taşıyıcı tabakanın emniyet gerilmesinde çalıştırılması ile elde edilen tabaka kalınlığı, beton plakta emniyet gerilmelerinden daha büyük gerilmeler meydana getirmemelidir, İyi bir drenaj sistemi ile altyapı elastikiyet modülünün yüksek olması sağlanabilirse aynı sistemde daha küçük eğilme-çekme gerilmeleri meydana gelecektir. Böyle bir durumda da sertleştirilmiş taşıyıcı tabaka kalınlığı daha az seçilebilir. 3. BALASTSIZ ÜSTYAPI TASARIM ÇEŞİTLERİ Günümüzde balastsız hatlar genelde yüksek hızlı hatlarda ve hafif metrolarda kullanılmaktadır, Çizelge1 ve 2. de görülen düşük burulma rijitliğine sahip balastsız üstyapı sistemleri, yalnızca zeminin taşıma gücü ve rijitliğine dayanır. Prefabrike veya yerinde dökme beton üstyapılar, eğilme kuvvetine maruz kalabilir. Yumuşak ve yetersiz zeminlerde öngermeli beton ekstra bir burulma rijitliği sağlar, [5].
Çizelge1. Uygulanan balastsız üstyapı sistemleri BALASTSIZ ÜSTYAPI SİSTEMLERİ SÜREKLİ DESTEKLENMİŞ ARALIKLI DESTEKLENMİŞ RAY RAY Traversli veya bloklu Traverssiz Travers veya bloklar betona gömülü Traversler asfalt-beton yatağın üstünde Prefabrik beton plak Tek parça yerinde dökülen plak Gömülü ray Kenetlenmiş ve sürekli desteklenmiş ray Rheda Rheda 2000 Züblin (düşük titreşimli üsty.) LVT ATD (Beton-asfalt yatak) Hızlı demiryolunda (Shinkansen Bögl) Kaplamalıüstyapılarda Decktrack Hemzemin geçitler LRT CoconTrack ERL Vanguard KES Çizelge 2. Balastsız üstyapıların burulma rijitlikleri BALASTSIZ ÜSTYAPI TİPLERİ Burulma Rijitliği Düşük Yüksek Travers veya bloklar betona gömülü Traversler asfalt-beton yatağın üstünde Prefabrik beton plak Tek parça yerinde dökülen plak Gömülü ray Kenetlenmiş ve sürekli desteklenmiş ray Balastsız üstyapılar ve uygulanma şekilleri burada asfalt-beton yataklı üstyapı, beton plaklı üstyapılar, prefabrik panelli üstyapı olmak üzere 3 ana grupta incelenmektedir. 3.1. Asfalt-Beton Yataklı Üstyapı Traversler asfalt-beton bir yol yatağı üzerine yerleştirilir. Sağladığı özellikler şunlardır: Bu yatak sıradan yol makineleri tarafından yapılır. Asfalt traverse rijit ve sağlam bir altyapı oluşturduğu için 180mmlik bir dever uygulamada 2 mm lik bir hasssiyet yakalamak mümkündür. Traversler arası balastla doldurulursa hem stabilite artar hem de gürültü azalır. Asfalt-beton yatağın üzerine plak koyma imkanı vardır. Asfalt sertleşme süresi gerektirmez, sadece soğuması yeterli olduğu için imalat hızı fazladır. Malzeme özelliklerinden dolayı plak üstyapılar için asfalt uygun olabilir. Kullanılan asfalt malzeme yollarda kullanılanlardan farklı olup, birkaç değişiklik gerektirir.
Yol yapımında önemli olan asfaltın geçirimsizliği donma dayanımı gibi özellikler demiryolunda yerini asfalt stabilitesinin arttırılması ve deformasyona karşı dayanıklı olması gibi özelliklere bırakır. Asfalt yüklemeden ve sıcaklık farkından oluşan gerilmelere uyum sağlayabilir. Bu yüzden asfalt sürekli bir yol yatağı olarak uygulanabilir. Ses ve titreşim asfaltın yapısından dolayı betona göre oldukça azdır. Asfalt geri dönüşümü daha çok olan bir malzemedir. Almanya da 28860m uzunluğunda doğrudan asfalt üzerine yerleştirilen travers ve raydan oluşan demiryolu hattı bulunmaktadır. ATD sisteminde ise beton yatak üzerine asfalt bir tabaka ve onun üzerine traversler yerleştirilmiştir. Asfalt karayolunda olduğu gibi demiryolunda da +/-2mm prezisyonla karayolundakine benzer bir şekilde uygulanır. Özel karışımlarla geliştirilerek ekstrem hava koşullarında minimum 50-60 yıl kullanım ömrü sağlanır. Ortalama tabaka kalınlığı 25-30 cm arasında değişiklik göstermektedir. Ortadaki bağlantı elemanı yanal kuvvetlere karşı direnim sağlar. Rayların düşeyde ayarlanmasından sonra travers ve yatak arasındaki boşluk sentetik ve esnek malzeme ile doldurulur. 3.2. Beton Plaklı Üstyapılar Prefabrik plaklar birçok ülkede uygulanmaktadır. Japonya ve Almanya bu ülkelerin başında gelmektedir. Avantajları; makineleşmeye yüksek seviyede izin verir, ray doğrudan yerleştirilip, kolayca düzeltilebilir, işçilik kalitesine çok bağlı değildir, tamiri ve yenilenmesi kolaydır. Traversli olarak ve traverssiz olarak yapılanlar olmak üzere iki ana gruba ayrılır. Bunlar da kendi içinde alt gruplara ayrılırlar. Beton Plak ÜzerindeTraversli Olarak Yapılanlar Genellikle prefabrik traversler ya elastik olarak ya da sıkı bir şekilde beton taşıyıcı plağa bağlanırlar. Elastik bağlantıda lastik sömeller kullanılmaktadır. Elastikiyet (yay katsayısı 20-30 kn/mm) sağlamak için travers blokları altına lastik sömeller, rayla travers arasına ise elastikiyeti daha düşük olan seletler konulmaktadır. Balastssız üstyapının çeşitli inşa tipleri arasında kullanılan traverslerin taşıyıcı tabaka üstüne serbest yerleştirilmeleri veya gömülecek şekilde konulmaları çerçevenin kolayca monte edilmesini sağlar. Travers kullanılması ray açıklığı ve ray eğiminin verilmesinde kolaylık sağlar. Bu iki geometrik standartın hassas bir şekilde uygulanabilmesi yüksek hızlı demiryollarında çok önemlidir. Ortası Bağsız İkiz Blok Betonarme Traversli Olanlar Bu sistemde betonarme ikiz blokların arasında bağ olmayıp, travers blokların yanal kaymasını önlemek için beton taşıyıcı tabakaya U şeklinde donatılar yerleştirilir. İsviçre de, Manş Tünelinde ve Madrit metro tünelinde uygulanmıştır. Çift bloklu, araları bağsız beton traverslerin tünel, viyadük ve köprülerde kullanılması için betonarme kirişler üzerine konulmaları gerekir. Raydan çıkmaya karşı kontr-ray kullanılmaktadır.
Ortası Bağlı İkiz Blok Betonarme Traversli Olanlar Betonarme ikiz bloklar Y veya L kesitli demir çubukla bağlanmışlardır. Dünya da kullanıldığı hat uzunluğu 400 kmdir. Traverslerin ve rayların birinci olarak dökülmüş beton tabakası üzerine döşenmesi, kot, eksen ve yol açıklığı ayarlamalarının yapılması açılarından rahat bir sistemdir. Birinci tabaka beton üzerine beton traversler verilen aks noktalarına göre yerleştirilir. Beton travers bloklarını kısmen saran ve içlerinde elastomer yastık bulunan lastik torbaların, taban üzerindeki beton blok altında kaymaması için, her bir torba beton travers bloğuna iki tarafından iki lastik şeritle çemberlenmiştir. Beton travers üstü ile ray tabanı arasına konan lastik seletler, diğer balastlı demiryollarında olduğu gibi yüksek frekanslı vibrasyonu yeterince azaltacaktır. Düşük frekanslı titreşimlerin emilmesi ise, nitrojen dolgulu küçük hücrelerden oluşan ve beton travers blokların altına yerleştirilen elastomer hava yastığı ile sağlanır. Bu sistemde raylar traverslerin üzerine döşendikten sonra bağlantı elemanları ile traverslere tesbit edilir. Eksen ve kot ayarı yapılarak, ince agrega ile hazırlanmış akıcı beton travers lastik torba üst kenarına kadar doldurulur. Taksim- 4. Levent arası metro hattında kullanılan Stedef VSB bu tipe girmekte olup, Fransa da ve İsviçre deki tünellerde, Seul ve San Diago da uygulanmaktadır, [2]. Kısmen Betona Gömülü Traversli Yapılanlar Beton traverslerin betona kısmen gömülü olarak kullanılmaları Almanya da yeni yapılan yüksek hızlı hatlarda ve bazı metrolarda görülmektedir. Betonarme ön/art germeli traversler yerinde dökülen betonarme yatağın içine yerleştirilir. Rheda ve Züblin sistemleri buna örnektir. Düşük titreşimli (LVT) veya Stedef sistemleri de Fransız TGV hatlarında tünellerde ve metrolarda kullanılmaktadır. Rheda Sistemi; Bu sistem Münih Teknik Üniversitesinde geliştirilip, ilk olarak 1972 yılında Almanya da Rheda istasyonunda 850m uzunluğundaki deneme hattında uygulanmıştır. Bugüne kadar ray taşlaması dışında bir bakım gerektirmemiştir. Yapılan ölçümler 250 km/saate kadar çıkan hızlarda deformasyon davranışının bugüne kadar değişmediğini göstermiştir. Ayrıca kurbalarda ve rampalarda hiçbir tasman ve ondülasyona maruz kalmamaktadır. Daha sonra 2800 m uzunluğundaki çift hatlı Sengeberg Tünelinde kullanılan bu sistemde, sağlam zemin üzerinde hazırlanan betonarme yatağa kısmen gömülü, gerdirimli beton traversler yerleştirilmekte ve hepsini birlikte kapsayan beton dökümü uygulanmaktadır, Şekil 1. Bu tabakada alt kısımda boyuna direnci sağlayacak demir donatı bulunmaktadır. Üst kısımda direnç sağlayacak demir donatı ise özel olarak travers altlarında bırakılmış deliklerden geçmektedir. Daha sonra bütün kısımlar hep birlikte betonlanır. Yol döşenmesi tamamlandıktan sonra yatay ve düşeydeki düzeltmeler, traverslerin sonlarında bulunan deliklerden geçebilen ve ayar edilebilen özel millerle yapılır. Rheda üstyapısı Alman Demiryollarının pek çok tünelinde ve Singapur Metrosunda başarıyla kullanılmaktadır. Bu sistemin ömrü 50-60 yıl arasında tahmin edilmektedir.
Şekil1. Sengeberg Tünelinde uygulanan Rheda tipi Bu sistemlerde UIC 60 rayı ve Vossloh 300 bağlantı sistemi kullanılmaktadır. Servis ömrünü sağlamak için, yeterince kusursuz ölçüm yapmak ve kullanılan inşa malzemesine uygun bir konstrüksiyon uygulamak, sıkı bir zemin üstüne dona karşı güvenceli bir temel ile iyi işleyen bir su drenajı gerçekleştirmek gerekmektedir. Rheda 2000 de sistemin zayıf noktaları atılmıştır. Top-down metodu ile iç ray kenarı referans kabul edilerek ayarlama yapılmaktadır. Züblin Sistemi; Züblin sistemi, tek parça beton plağın içine gömülmüş betonarme traverslerden oluşur. Betonun kıvamı traverslerin içine itilmesine ve yerleştirilmesine izin vermeyecek kadar sert, batmasına neden olacak kadar da yumuşak olmamalıdır. Yapı tarzı Rheda sistemine benzeyen bu sistemde, gerdirimli beton traversler yol aks ve kotuna uygun bir şekilde kalıp ve demiri hazırlanmış plakaya yerleştirilerek betonu dökülür. Bu işlem için özel üstyapı döşeme aracına gerek duyulur. Bu araç 10 adet traversi eksenden eksene 65 cm aralıklarla ve betonarme tabakaya 7 cm derinlikte vibre ederek yerleştirmektedir. Traverslerin vibrasyonlu dökülen beton ile kaplanması dışında travers ortalarında her iki yanda plastik kaplı dübelli deliklerden geçebilen ankraj bulonları da kullanılmaktadır. Dökülen 28 cmlik betonarme tabakası ile buna 7 cm derinlikte oturtulan beton traverslerin aks ve kot ayarı için traverslerin her iki sonunda bulunan düzeltme deliklerinden geçen pimlerden yararlanılmaktadır. Bu sırada ortaya çıkan boşluklar basınçla uygulanan ve çabuk priz alabilen özel harç ile sıkıştırılarak doldurulmaktadır. Meydana gelen hava basıncı özel deliklerden boşalmaktadır, Şekil 2 de bu üstyapı tipi görülmektedir. Şekil 2. Züblin sistemi
Traverssiz Olarak Yapılanlar Traverssiz yapılanların özel yapıştırıcılı ve tabana gömülü gibi tipleri bulunmaktadır. Özel Yapıştırıcılı Üstyapı; Bu tip üstyapılar daha çok köprü, viyadük, tünel gibi sanat yapılarında uygulanır. Farklı uygulanma şekilleri vardır. Ya doğrudan doğruya sanat yapısının betonu üzerine ya da bunun üzerine konulan beton veya betonarme yastık üzerine uygulanırlar. Ayrıca Alman Demiryollarında özel yapıştırıcı harç ile ve özel yapıştırıcı harç kapsülü ile ray tesbiti yapılan metro hatları bulunmaktadır. Tabana Gömülü Üstyapı; Gömme raylar, mantar ve poliüretan malzemelerden meydana gelen bir bileşim ile desteklenmektedir. Bu sistem hafif raylı sistemlerden hızlı trenlere kadar tüm demiryolu sistemlerinde kullanılır. Bu sistemde elastik şerit halinde rayın sürekli olarak desteklenmesi, rayın elastik sabitlendiği oluklar ile yönlendirilmesi, rayın elastik birleşik dökülerek sabitlenmesi, spesifik bir elastisite değerine ulaşmak için oluk boyutları, elastik birleşik ve şeritlerin optimum değerlerde dizayn edilmesi gerekir. Şehir içinde beton veya asfalt caddelerde tramvay hattı inşa etmek gerektiğinde hattın geçeceği yeri tamamen kazmak yerine, tabana gömülü üstyapıyı uygulamak için bir kesit çıkarmak yeterlidir. İki üst yan tarafın bozulmaması için uzun kenarı 10 cm olan bir L korniyer kırılan asfalt kaplamasının yanlarına yerleştirilmekte ve böylece yol kesiti korunmaktadır. Ray pateni altı ile paten dış yanları 1.5 cm lik izole maddesi ile kaplanır. Ray gövdesinin dışındaki boşluklar PVC boru ile diğer boşluklar ise bir çeşit izolasyon malzemesi ile kapatılır. İstanbul da beton üstü asfalt kaplamalı yollar için de böyle bir tip düşünülmüştür. Bu tip üstyapılarda oluklu raylar kullanılmaktadır. Şehir dışı hafif raylı sistem hatlarında ise vinyol tipi ray kullanılabilmektedir. Gömülü ray sistemiyle ilgili uygulamalar: Son 30 yılda birçok gömme raylı sistem projesi uygulanmıştır. Deurne ( Hollanda) yakınlarında 1976 yılında uygulanan pilot projede, işletim hızı 160 km/h değerine kadar çıkan demiryolu hattında gömme ray uygulaması yapılmıştır. Hat, olukları içerisinde desteklenmiş eski NP46 tipte raylar ve 6 m lik prefabrike beton plaklar kullanılarak inşa edilmiştir ve bu pilot projeden olumlu sonuçlar alınmıştır. 1994 yılında hattın rayları yenilenmiş fakat yenilenen rayların aşınması diğer raylara kıyasla dikkate alınır oranda düşük olmuştur, [5]. Başka bir pilot proje Hollanda da Best yakınlarında 3 kmlik bir hat olup,1999da uygulanmıştır ve hala izlenmektedir. Üstyapısı 42 cm. kalınlığında beton platformdan oluşan hatta, platformun eğilme dayanımını artırmak için boyuna donatı kullanılmıştır. Beton platform, stabilize toprak ve beton yol yatağı üzerine konulmuştur, Şekil 3. Şekil 3. Gömülü raylı üstyapı
Döşeme Hatlar: Gömülü ray sisteminin çok yüksek eğilme rijitliği sağlayan bir örneği döşeme hatlardır. Döşeme hatlar özellikle yumuşak topraklar üzerinde kullanılmak için prefabrike veya yerinde dökülmüş sürekli bir beton taşıyıcı kullanılarak dizayn edilmiştir. En üst tabakada raylar gömme raylarda olduğu gibi veya direkt bağlantı elemanları kullanılarak uygulanırlar. Hattın beton döşemesi, kazılıp kaldırılan toprak ile aşağı yukarı aynı ağırlıkta inşa edildiğinden yok gibi kabul edilebilir. Yapının ağırlığı nedeniyle zeminde ilave oturma oluşmamaktadır, Şekil 4. Şekil 4. Döşeme hat Yapının yüksek eğilme rijitliği farklı gerçekleşecek oturmaları engellerken, titreşimleri de azaltır. Yapının bükülmeye karşı olan yüksek direnci ise, yumuşak zeminlerde bile oldukça stabil bir temel hazırlar. Toprak alt tabakalarında bulunan noktasal zayıflıklar, döşeme hattın rayları bir köprü gibi çalışacağından hattı etkilemezler, tolere edilirler. Yapının yüksek rijitliği ve küçük titreşimlerin toprağa iletilmesini sağlayacağından, döşeme hat sistemi, yüksek hızlı hatlarda ve zayıf zeminlerde uygulanır. Döşeme hat sistemi, gömülü raylı sistemlerin kullanımı için mükemmeldir. Uygun ray profili SA 42 nin kullanımı ile, gürültü oluşumu standart balastlı demiryolu hattının gürültü oluşum değerlerine kadar indirilebilir. Yapı yerinde sürekli kirişler olarak, prefabrike getirilip birleştirilerek veya her iki metod da kullanılarak inşa edilebilir, [5]. 3.3 Prefabrik Panelli Üstyapı Tramvay hatlarında prefabrik paneller oldukça pratiktir ve kısa sürede uygulanabilmektedir. Panel kalıplarında sonradan raylar yerleştirilebilecek şekilde yuvalar bırakılmaktadır. Beton yuvanın iç cidarında ince bir çelik gömlekli kaplama vardır. Bu yuvaya yerleştirilerek, ray alttan lastik selet ve iki yandan da lastik kamalar ile tesbit edilmektedir. Beton prefabrik paneller, yol döşenmesinde birbirine gene lastik contalar ile birleştirilmektedir. Döşenecek yola göre kullanılacak prefabrik tip ve ebatları değişiklik gösterir, [6]. Bu tipe örnek olan Shinkansen hatlarında 5 m uzunlukta, 2.3 m genişlikte ve 16 cm kalınlıkta zayıf donatılı prefabrik betonarme plaklar kullanılmaktadır. Plaklar, boyuna ve
enine yönde silindirik kesitli (40 cm çaplı) elemanlarla tutulur. Bunlar da taşıyıcı tabakanın konstrüksiyon betonuyla sıkı sıkıya bağlanmışlardır. Betonarme plakların altına 4 cm kalınlığında çimento-asfalt harcı doldurulur. Shinkansen hatlarında plak kalınlığı 19 cm ye çıkarılarak enine ve boyuna yönlerdeki öngermeler azaltılmaktadır. Bu plağın altına 25 mm kalınlıkta bir elastik tabaka yerleşirilmektedir. 4. SONUÇLAR Yapım masrafları daha fazla olmasına karşın bakım masraflarının önemli ölçüde düşük olması, bakım için hattın kapatılmasına gerekli olmayışı, daha küçük yarıçaplı kurbların uygulanabilmesi ve daha küçük kesitli sanat yapılarının yeterli olması balastsız üstyapının önemli üstünlükleridir. Kentiçi raylı sistemlerde, yüksek hızlı hatlarda, tünel ve viyadüklerde balastsız üstyapı yapılması çeşitli faydalar sağlamaktadır. Bu şekilde rayların doğrudan doğruya tünel veya viyadük beton tabanına traversli veya traverssiz döşenmesi ile, balast serilmesi, sıkıştırılması, devamlı bakımı gibi işlemler ortadan kalkmıştır. Ayrıca bu tür bakım işlemleri trafiği aksatmaktadır. Hattın tünel içinde bulunan kesimlerinde balastsız üstyapının uygulanması ile balastlı üstyapıya göre tünel yüksekliğinde 20-30 cm e kadar bir azalma sağlanarak tünelin enkesiti küçültülebilmektedir. Köprü ve viyadüğe rastlayan kesimlerde de balastsız üstyapı daha küçük boyutlar gerektirecek, daha estetik bir görünüm ve tasarruf sağlayacaktır. Balastsız üstyapı daha büyük dingil yüklerine uygundur ve yanal kuvvetlere karşı daha iyi bir direnim gösterir. Eşit dingil yükü ve eşit işletme hızında altyapıda meydana gelen gerilmeler diğerine göre daha azdır. Bu avantajlarına karşın inşa maliyetinin yüksek olması ve yer hareketlerinden fazla etkilenmesi önemli dezavantajlarıdır. Değişik yatak elemanları kullanılarak değişik tip ve şekillerde balastsız üstyapı uygulamaları yapılmaktadır. Bunların tasarım şekilleri ve uygulanma özellikleri çalışmada incelenmektedir. KAYNAKÇA [1] Z. Öztürk and T. Öztürk, 2003, Types of Reinforced Concrete Railway Infrastructures and Essentials of their Computations, 9. International Symposium on Concrete Roads, İstanbul. [2] B. Berksoy, 1995, Demiryollarında Balastsız Yollar, Yapı Merkezi, İstanbul. [3] TS 3233, 1979, Requirements for Design and Construction of Prestressed Concrete Structures,TSE, Ankara. [4] B. İnal, 1998, Balastsız Üstyapı, Bitirme Ödevi, İTÜ, İnşaat Fak., İstanbul. [5] C. Esveld, 2001, Modern Railway Track, Second Edition, Delft University of Technology, Netherlands. [6] TS 9967, 1992, Design, Construction and Erection Methods for Precast Reinfoced and Prestressed Concrete Elements, Structures and Buildings, TSE, Ankara.