Experimental and numerical studies on loading capacity of prestressed concrete sleepers with anchor plates
Ankraj plakalı öngermeli beton traverslerin yük taşıma kapasitelerinin belirlenmesi için deneysel ve sayısal çalışmalar
- Tez No: 637356
- Danışmanlar: PROF. DR. KONURALP GİRGİN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 94
Özet
Travers, teker yüklerini balasta aktaran bir demiryolu üstyapı elemanıdır. Malzeme bakımından traversler ahşap, çelik ve beton travers olmak üzere üç ana başlıkta toplanır. Demiryolu taşımacılığının ilk yıllarında ahşap traversler kullanılmıştır. Ancak çok fazla ağaç tüketimine sebep olduğu için çelik traversler kullanılmaya başlanmıştır. Çelik traversler birçok avantaja sahip olmasına rağmen stabilite probleminden dolayı, yerini beton traverslere bırakmıştır. Beton traversler kullanılmaya başladığında farklı tiplerde travers denenmiş, ancak trenden gelen titreşimler sebebiyle traversler bir süre sonra dağılarak parçalanmıştır. Yıllar boyunca beton travers ve öngermeli beton üzerine kazanılan tecrübeler, öngermeli beton travers kullanımını başlatmış ve yaygınlaştırmıştır. Beton traversler monoblok ve ikiz blok olmak üzere ikiye ayrılır. İkiz blok beton traversler hafif tonajlı ve düşük hızlı ray hatlarında kullanılırken, monoblok traversler ağır tonajlı ve yüksek hızlı ray hatlarında kullanılırlar. Öngermeli monoblok beton traversler, kullanılacak olan hattın gereksinimlerine göre tasarlanır. Dünya genelinde farklı tiplerde beton traversler mevcuttur. Travers geometrisi, malzeme özellikleri, öngerme halatlarının adedi, çapı ve öngerme kuvveti traverslerde değişkenlik gösteren özelliklerden bazılarıdır. Öngerme kuvvetinin betona aktarılması için de farklı uygulamalar bulunmaktadır. Günümüzde, öngermeli beton traversler dünyanın birçok yerinde kullanılmaktadır. Daha güvenli ve daha ekonomik traversler üretmek için traverslerin davranışının çok iyi bir şekilde anlaşılması gerekmektedir. Bu tez kapsamında, traverslerin davranışları ve yükleme kapasiteleri üzerine deneysel ve sayısal çalışmalar yapılmıştır. Bu çalışmalar B07 öngermeli monoblok beton traversler üzerinde yapılmıştır. Traversin taban uzunluğu 2600 mm'dir. Öngerme kuvveti, ankraj plakalar ile betona aktarılmaktadır. Deneyler, ilgili standarda uygun olarak yapılmıştır. Beton traverslere uygulanan testler iki kısma ayrılır. Bunlardan birincisi tasarım onay testleri, ikincisi ise rutin testlerdir. Rutin testler üretim hattından rastgele seçilen traversler üzerinde, travers kalitesinde herhangi bir farklılık olup olmadığını görmek için yapılır. Bu test, ray oturma alanında statik üç nokta eğilme testi olarak gerçekleştirilir. Tasarım onay testleri ise tasarlanan traversin standarda uygunluğu ve kullanılacak olduğu hattın gereksinimlerini karşıladığını göstermek için yapılır. Testler prizini almış numuneler üzerinde yapılır ve her bir travers yalnızca bir testte kullanılabilir. Statik, dinamik, yorulma, düşey çekme, boyuna ray ve elektriksel direnç testleri tasarım onay testleri altında yapılan bazı testlerdir. Bu tez çalışması için B07 tipindeki traversler üzerinde statik ve dinamik testler yapılmıştır. Statik testler travers merkezi ve ray oturma alanı olmak üzere iki farklı kesitte yapılır. Ray oturma alanında pozitif eğilme testi, travers merkezinde ise pozitif ve negatif eğilme testleri yapılmıştır. Testler, standarda uygun olan mesnetler ve yükleme protokolleriyle yapılmıştır. Ray oturma alanında yükler her adımda 10 kN artırılmış ve standardın tanımına göre ilk çatlak oluştuğunda yük boşaltılmıştır. Sonraki adımlarda yük adımları yükleme ve boşaltma şeklinde gerçekleştirilmiştir. Travers merkezinde ise 5 kN yük artışları ile göçme yüküne kadar yükleme yapılmıştır. Yük adımlarında çatlak yüksekliği ve genişliği ölçülmüş ve gerekli veriler kaydedilmiştir. Deneyler İTÜ Yapı ve Deprem Laboratuvarı'nda gerçekleştirilmiştir. Traversler, yorulma çerçevesi adı verilen deney çerçevesinde yük kapasitesi ±500 kN ve yerdeğiştirme kapasitesi ±125 mm olan hidrolik yükveren ile yüklenmiştir. Traversin çeşitli konumlarından yerdeğiştirme ve şekildeğiştirme verileri alınmıştır. Veri alma işlemi için CDP5, CDP25 ve PI-5-100 tipi yerdeğiştirme ölçerler ve PL-60 tipi şekildeğiştirme ölçerler kullanılmıştır. Yerdeğiştirme ve şekildeğiştirme ölçerlerden alınan verilerin bilgisayara aktarılması için TDS-550 ve ASW-50C cihazları kullanılmıştır. Ayrıca, ilk çatlağın belirlenmesi ve çatlak genişliğinin ölçülmesi için 220x büyütme kapasiteli dijital çatlak ölçer ve 75x büyütme kapasiteli mekanik çatlak ölçerler kullanılmıştır. Her deneyden ikişer tane olmak üzere toplam altı adet travers üzerinde statik test yapılmıştır. Deneylerden elde edilen veriler ile her bir traverse ait yük - yerdeğiştirme, yük - şekildeğiştirme ve moment - dönme eğrileri çizilmiştir. Ray oturma alanında ve merkez kesitte yapılan deney çiftleri için yük-yerdeğiştirme eğrilerinin uyumlu olduğu görülmekle birlikte, yük-şekildeğiştirme eğrileri de oldukça yakın sonuçlar vermiştir. Yük-yerdeğiştirme eğrileri çizilirken mesnetlerden alınan yerdeğiştirme verileri yardımıyla mesnet çökmeleri göz önünde bulundurulmuştur. Moment-dönme eğrisi, yükleme yapılan kesitin karşılıklı kenarlarına yerleştirilen şekildeğiştirme ve yerdeğiştirme ölçerlerden alınan verilerle çizilmiştir. Ancak çatlağın oluştuğu ve ilerlediği bölgeye göre bazı sonuçlarda, özellikle şekildeğiştirme ölçerlerden alınan sonuçlarda, farklılıklar oluşmaktadır. Buna rağmen kesitin diğer tarafında bulunan yerdeğiştirme ölçerlerden alınan veriler moment-dönme eğrilerini çizmek için yeterli olmuştur. Travers üzerinde yapılan statik deneylerin yanı sıra, betonun basınç dayanımını belirlemek için traverslerden karot alınmış ve karot testi yapılmıştır. Merkez kesitte negatif eğilme deneyi yapılan traverslerden üçer adet numune alınmış ve numunelerin basınç dayanımlarının birbirleriyle uyumlu olduğu görülmüştür. Yapılan deneyler için standartta bazı kabul koşulları tanımlanmıştır. Ray oturma alanında yapılan deney için ilk çatlağın oluştuğu yükün, kalıcı çatlak genişliğinin 0.05 mm olduğu yükün ve göçme yükünün, belirlenen değerlerden yüksek olması gerekmektedir. Merkez kesitte yapılan negatif eğilme deneyinde ise ilk çatlağın oluştuğu yükün, belirlenen değerden yüksek olması gerekmektedir. Merkez kesitte yapılan pozitif eğilme deneyi için standartta bir kabul koşulu tanımlanmamış, ancak traversi kullanacak olan firmanın kabul koşulunu tanımlayabileceği belirtilmiştir. Ray oturma alanında yapılan ilk deney numunesinde ilk çatlağın oluştuğu yük 228 kN, 0.05 mm kalıcı çatlak oluşturan yük 388 kN ve göçme yükü 468.5 kN'dur. İkinci numunede ise bu yükler sırasıyla 198 kN, 388 kN ve 468.6 kN'dur. Merkez kesitte yapılan negatif eğilme deneyinin birinci numunesinde ilk çatlağın oluştuğu yük 49 kN ve göçme yükü 112.6 kN'dur. İkinci numunede bu değerler 54 kN ve 117.4 kN'dur. Merkez kesitte yapılan pozitif eğilme deneyinde göçme yükü ilk ve ikinci numunede sırasıyla 98.3 kN ve 97.9 kN'dur. Deneylerden alınan sonuçlar kabul koşullarıyla karşılaştırılmış ve traverslerin statik testler için gerekli koşulları sağladığı görülmüştür. Yük - yerdeğiştirme, yük - şekildeğiştirme ve moment - dönme grafiklerinin aynı deneyler için karşılaştırılmış görselleri, şekildeğiştirme ölçer ve yerdeğiştirme ölçerlerden alınan verilerle çizilen moment - dönme grafiklerinin aynı numune için karşılaştırılmış görselleri, yükleme adımlarında ölçülen çatlak yükseklikleri ve genişlikleri tez içerisinde detaylı olarak gösterilmiştir. Sayısal modelin oluşturulması için birçok mühendislik alanında kullanılan üç boyutlu bir sonlu eleman analiz programı olan Abaqus/CAE 2019 programı kullanılmıştır. Beton travers ve mesnet olarak kullanılacak parçalar üç boyutlu katı (solid) eleman olarak, öngerme halatları ise üç boyutlu çubuk (wire) eleman olarak oluşturulmuştur. Beton traversin çizimi programa aktarılmış ve bazı düzenlemeler yapılarak gerçek travers geometrisine yakın bir geometri oluşturulmuştur. Programın içinde gömülü bir birim sistemi olmadığından program dışında belirlenmiş birim sistemi, modeli oluşturmaya başlamadan seçilmelidir. Traversin modellenmesinde SI (mm) birim sistemi kullanılmıştır. Beton malzemesi için elastik ve beton hasar plastisitesi (concrete damage plasticity) tanımları kullanılmıştır. Çelik için ise elastik ve plastik tanımları kullanılmıştır. Elastik sekmesinde malzemenin elastisite modülü ve poison oranı değerleri girilmiştir. Plastik sekmesinde ise malzemenin gerilme-şekildeğiştirme bağıntısı gerçek gerilme (true stress) ve gerçek şekildeğiştirme (true strain) olarak girilmiştir. Malzeme tanımından sonra her bir parça için kesit tanımları ve atamaları yapılmıştır. Üç boyutlu travers için solid homojen kesit, üç boyutlu öngerme halatı için ise truss çubuk eleman kesiti tanımlanmıştır. Programın assembly kısmında parçaların birleştirilmesi yapılmaktadır. Öngerme halatı adedince kopyalanmış ve traversin içinde gerçek konumlarına yerleştirilmiştir. Öngerme kuvvetinin betona aktarılması ve eğilme deneyi yüklemesi için iki farklı adım tanımlanmıştır. İlk adımın zaman periyodu 40, ikinci adımın zaman periyodu ise 2000'dir. Her iki adım için farklı mesnet koşulları tanımlanmıştır. Öngerme kuvvetlerinin aktarıldığı adımda traversin orta kesitine sınır koşulları uygulanırken, eğilme yüklemesinin yapılacağı adımda sınır koşulları ray oturma bölgelerine uygulanmıştır. Buna ek olarak yüklemenin deneye benzer şekilde simetrik olarak gerçekleşmesi için yükleme adımında traversin merkez kesitinin yatay hareketi kısıtlanmıştır. Yükleme düşey doğrultuda deplasman verilerek ikinci adımda tanımlanmıştır. Öngerme halatları ile travers arasındaki etkileşim interactions bölümünde oluşturulmuştur. Öngerme halatları beton içerisinde gömülü olarak tanımlanıp aderansın sağlanabilmesi için embedment seçeneği kullanılmıştır. Traversin ağ yapısı (mesh) tetrahedral elemanlarla oluşturulmuştur. Mesnet ve yüklemenin yapıldığı kritik bölgelerde daha fazla eleman oluşturulmuştur. Sonlu eleman ağı tanımlanırken eleman boyutları için farklı denemeler yapılmış ve en iyi sonuç, eleman boyutlarının yukarıda bahsedilen kritik bölgelerde 10 mm, traversin diğer bölümünde ise 50 mm olarak tanımlanması ile elde edilmiştir. Bütün tanımlamalar tamamlandıktan sonra analiz başlatılmıştır. Programdan merkez kesitte yapılan negatif eğilme deneyi için alınan sonuçlar ile yük - yerdeğiştirme, moment - dönme ve yük - şekildeğiştirme eğrileri çizilmiş ve deney sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Deney sonuçlarına oldukça yakın sonuçlar elde edilmiştir. Merkez kesitte ve ray oturma alanında pozitif eğilme deneyleri için de birer analiz gerçekleştirilmiş ve merkez kesitte deney sonuçlarına benzer sonuçları elde edilmiştir. Ray oturma alanı için yapılan analizden alınan grafikler bazı bölgelerde deneyden farklı sonuçlar vermiştir. Bu kesit için yapılacak ilave analizler, malzeme tanımı ve ya diğer özelliklerde yapılacak değişikliklerle doğru sonuçlar alınması öngörülmektedir. Öngermeli beton traverslerin davranışları ve taşıma kapasitelerinin sonlu eleman programı kullanılarak üretimden önce tahmin edilerek zaman ve maliyetin azaltılması mümkündür.
Özet (Çeviri)
One of the most important member of railway superstructure is sleeper which transfers wheel loads to ballast. Throughout railway transportation history, different materials have been used for sleepers such as wood, steel and concrete. Even though wood and steel have a lot of advantages, some of their disadvantages show that concrete is the most suitable material for sleepers. Monoblock and twin-block are two main types of concrete sleepers. Prestressed monoblock concrete sleepers are used in heavy haul railways. Requirements of the railway line determine the design of the sleeper. There are several types of prestressed concrete sleepers. Material properties, geometry and prestressing force are some of the features that can be changed for different sleepers. Besides, the method for transferring the prestressing force differs for various sleepers. Prestressed concrete sleepers are in use all over the world. Behavior of the sleepers should be well understood in order to design safe and economic sleepers. In the scope of this thesis, experimental and numerical studies have been carried out on B07 type prestressed monoblock concrete sleepers. Base length of the sleeper is 2600 mm. Anchor plates was used to transfer prestressing force to sleeper. Experiments were carried out as three point bending test in accordance with standards. Two kinds of tests were defined in the standard as design approval test and routine test. Routine tests are performed in order to see the variations in the quality of sleeper. Design approval tests are performed to establish compliance with design. Design approval tests comprises of various experiments such as static, dynamic and fatigue tests. Static and dynamic tests were performed for this thesis. Each sleeper was used for only one test. Experiments were performed in ITU Structural and Earthquake Engineering Laboratory (STEELab). Load was applied with hydraulic actuator. Displacement and strain data were acquired from different locations of the sleepers. Transducers, strain gauges, pi gauges and microscopes were used for gathering data. Additionally, concrete compression tests were carried out to cored specimens that were taken from the sleepers in order to ascertain the compressive strength of the concrete. Static tests were applied on rail seat and center sections. Positive bending test was carried out on rail seat section. Positive and negative bending tests were performed on center section. Sleeper was loaded step by step and crack lengths were measured at each step. Required data were recorded and expressed in details. Finally, 3D finite element model was generated using Abaqus/CAE 2019 software. Concrete block was created as 3D solid part, and prestressing wires were modelled as 3D wire elements. Prestressing wires were embedded into concrete sleeper to simulate adherence between the concrete and the wires. Two steps was defined for the analysis. First one was for transferring prestressing forces to concrete, and the second one was for three point bending test. Different boundary conditions were created for each step. Finite element mesh was created using tetrahedral elements. Force - displacement, moment - rotation and force - strain curves were obtained from numerical model for negative bending test and compared with experimental results. Results of the analysis are quite close to the results of the experiments. Thus, the loading capacity of a prestressed monoblock concrete sleeper can be predicted by using finite element analysis.
Benzer Tezler
- Kiriş-kolon birleşim bölgelerinin ileri teknoloji malzemelerle güçlendirilmesi
Beam-column joints retrofitted with advanced technological materials
SİNAN MURAT CANSUNAR
Doktora
Türkçe
2023
Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Yapı Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KADİR GÜLER
- Basınç tipi zemin ankraj davranışının sayısal analizler ve saha deneyleri ile incelenmesi
Investigation of compression ground anchor behaviour through numerical analyses and field tests
GÖKALP DEMİRCİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RECEP İYİSAN
- Bambu donatılı betonarme kirişlerin düşey yükler altında göçme davranışlarının deneysel olarak incelenmesi
Tests to collapse of bamboo reinforced concrete beams under vertical loads
ÖZLEM KARAKUŞ ZAMBAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OĞUZ CEM ÇELİK
- Experimental and numerical studies on replaceable links for eccentrically braced frames
Dışmerkez çelik çaprazlı perdelerde değiştirilebilir bağ kirişleri için deneysel ve numerik çalışmalar
YASİN ONURALP ÖZKILIÇ
Doktora
İngilizce
2020
İnşaat MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CEM TOPKAYA
- İçi beton dolu çift cidarlı çelik tüplerin (CFDST) eksenel basınç altında deneysel olarak incelenmesi
Experimental investigation of concrete filled double skin steel tubes (CFDSTs) under axial compression
BERİKA CEREN CİHAN YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OĞUZ CEM ÇELİK