A numerical investigation of track-bridge interaction in railway bridges
Demiryolu köprülerinde ray-köprü etkileşiminin sayısal olarak incelenmesi
- Tez No: 847503
- Danışmanlar: PROF. DR. ERAY BARAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 191
Özet
Demiryolu raylarında, ray ve köprü üst yapısı arasındaki etkileşimden dolayı raylarda ek gerilmeler oluşur. Bu fenomene ray-köprü etkileşimi (RKE) denir. Ek ray gerilmeleri (ERG'ler) esas olarak sıcaklık etkisinden, köprü üst yapısının düşey yönde eğilmesinden, köprü üzerinde hareket eden trenlerin frenlemesinden/ivmelenmesinden kaynaklanmaktadır. RKE tepkisini etkileyen önemli parametrelerden biri, köprü üst yapısı ile ray arasındaki bağlantıyı simüle eden arayüz elemanlarının davranışıdır. RKE analizinde bu bağlantı, uzunlamasına direnç-yer değiştirme eğrileri (DYE'ler) olarak adlandırılan eğrilerle tanımlanır. Birinci kısım, RKE'nin uzunlamasına yönüne sayısal araştırmalar aracılığı ile odaklanmıştır. Sayısal modelleme yaklaşımı, mevcut analitik çözümler ve köprü izleme verileri ile doğrulanmıştır. Buradaki öncelikli amaç, DYE'lerdeki değişikliklerin RKE'ye ne kadar etkisi olduğunun gösterilmesi olmuştur. Parametrik çalışma, genleşme uzunluğu ve alt yapı rijitliği etkilerini incelemek üzere genişletilmiştir. Analiz sonuçları basit mesnetli prekast kiriş köprüler için, balastsız demiryolu köprülerine özgü olduğu kanıtlanmış DYE'lerin, şartnameler tarafından belirtilen eğrilere ekonomik bir alternatif olabileceğini, ortaya çıkarmıştır. Altyapı rijitliğinin özellikle ivmelenme/frenleme yükleri altında ERG'ler üzerinde kritik bir etkisi olduğu belirlenmiştir. Çalışmanın ikinci bölümü, Türkiye'nin sismik olarak aktif bir bölgesinde bulunan iki öngerilmeli prekast beton kirişli demiryolu köprüsündeki uzunlamasına RKE detaylı bir şekilde ele almaktadır. Zemin özellikleri, fay kırılma mesafesi, köprü genleşme derzi gibi çeşitli parametrelerin RKE üzerindeki etkisini inceleyen araştırma, Zaman Tanım Alanında Analiz (ZTAA) metodu kullanarak kaydedilen sismik zemin hareketleri altındaki dinamik tepkiyi yakalamak için ayrıntılı bir sayısal modelleme yaklaşımını benimsemiştir. Sonuçlar, deprem büyüklüğü ve fay hattına uzaklığın ERG'leri önemli ölçüde etkilediğini göstermektedir. Köprü genleşme derzlerinin orta ayak konumlarında, ray gerilme dağılımını etkileyerek maksimum çekme gerilmelerini azalttığı ve basınç gerilmelerini artırdığı belirlenmiştir. Ayrıca, taban düğüm noktalarında ankastre sınır koşulları kullanmanın, zemin-yay modellemesine benzer sonuçlar verdiği görülmüştür. Tren yüklü ve yüksüz durumlar için yapılan analizlerin karşılaştırılması, tren kaynaklı yüklerin dikkate alınmasının önemini vurgulamaktadır. Son olarak, Kahramanmaraş'ta meydana gelen son depremler temelinde deprem büyüklüğünün, fay hattı ve fay kırılma mesafelerinin RKE'ye olan etkisini incelemek için aynı sayısal yaklaşım kullanılmıştır. Pazarcık (Mw=7.7) ve Elbistan (Mw=7.6) depremleri de dahil olmak üzere büyüklüklerine göre beş farklı zemin hareketi seti seçilmiştir. Her deprem için beş istasyon kullanılmış, böylece deprem büyüklük parametrelerinin, RKE tasarımına hangi sınırlamalara dikkat edilmesi gerektiği anlaşılmıştır. Analiz sonuçları, sismik etkilerin artmasıyla, deplasmanların ERG'lere kıyasla daha önemli hale geldiğini ortaya çıkarmıştır. Bu çalışmanın değerlendirmesine dayanarak tasarım önerileri geliştirilmiştir.
Özet (Çeviri)
In railway tracks, additional stresses occur in rails due to interaction between the rail and the bridge superstructure, which is a phenomenon known as track-bridge interaction (TBI). The additional rail stresses (ARSs) develop mainly as a result of temperature effect, vertical bending of bridge superstructure, braking/acceleration of trains traveling over the bridge. One of the major parameters affecting the TBI response is the behavior of interface elements simulating the coupling between the bridge superstructure and the rail. In TBI analysis this coupling is defined by the so-called longitudinal resistance-displacement curves (RDCs). The first part of the study focuses on the longitudinal aspect of TBI through numerical investigation. The numerical modeling approach was verified with available analytical solutions and data obtained from bridge monitoring. The primary interest was to illustrate how sensitive the TBI response is to changes in RDCs. The parametric study was extended to investigate the effect of expansion length and substructure stiffness. Analysis results reveal that for simply supported precast concrete girder bridges, using RDCs developed from ballastless railway track measurements can be an economical alternative to specified provisions. Substructure stiffness was determined to have a crucial effect on the ARSs especially under acceleration/braking loads. The second part of the study comprehensively investigates longitudinal TBI in railway bridges under seismic ground motion. The investigation focused on two prestressed concrete girder bridges located in a seismically active area of Türkiye. The study focused on the influence of various parameters on TBI, including service earthquake intensity measure, soil property, distance to fault, and deck expansion joint locations. A detailed numerical modeling approach utilized Nonlinear Time History Analysis (NTHA) to capture dynamic responses under recorded seismic ground motions. Results reveal that earthquake magnitude and distance to fault significantly affect ARSs. Expansion joints at pier locations impacted rail stress distribution, reducing maximum tensile stresses and increasing compressive stresses. Furthermore, using fixed boundary conditions at pier bases provides comparable results to soil spring modeling for the investigated bridges. Comparison of analysis results for utilization of unloaded and loaded RDCs highlights the importance of considering train-induced loads in seismic assessments. Finally, the same numerical approach was further utilized to explore the effect of scaling of the ground motion, distances to epicenter and rupture on TBI response, based on recent earthquakes happened in Kahramanmaraş, Türkiye. Five different ground motion sets were selected based on their intensity including Pazarcık (Mw=7.7) and Elbistan (Mw=7.6) earthquakes. Five stations were utilized for each event to assess how earthquake intensity measures can reveal limitations in TBI response in design. As seismic intensity increases, the analysis highlights the importance of displacements over ARSs in design limitations. Design recommendations were developed based on evaluation of this study.
Benzer Tezler
- Dinamik sonlu eleman analizleri yardımıyla otobüslerde kullanılan polietilen yakıt tanklarının dayanımının incelenmesi
Durability assesment of polyethylene fuel tanks used in buses via dynamic analysis
GÖKAY SİMİTÇİOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. VEDAT ZİYA DOĞAN
- Demiryolu ray - travers bağlantı sistemlerinin ve uygulanan testlerin incelenmesi
Investigation of railway rail –sleeper fastening systems and application tests
MUHAMMET ZİKRULLAH AKÇAER
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Ulaşımİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZÜBEYDE ÖZTÜRK
- Numerical investigation of running dynamics of a freight wagon bogie with variable gauge wheels
Aks açıklığı değiştirilebilir bir yük vagonu bojisinin seyir dinamiğinin sayısal olarak incelenmesi
GÖKHAN KARAKAŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiRaylı Sistemler Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. EMİN SÜNBÜLOĞLU
- Bir demiryolu yük vagonunun sayısal yöntemlerle seyir emniyeti ve yorulma dayanımının araştırılması
The numerical investigation of running safety and fatigue analysis of a freight wagon
BERAT GÜRCAN ŞENTÜRK
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
ÖĞR. GÖR. EMİN SÜNBÜLOĞLU
- Numerical and experimental investigation on the crushing behaviour of auxetic lattice cells produced with additive manufacturing techniques
Eklemeli imalat teknikleri ile üretilmiş ökzetik kafes yapıların ezilme davranışlarının nümerik ve deneysel olarak incelenmesi
KADİR GÜNAYDIN
Doktora
İngilizce
2020
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALİT SÜLEYMAN TÜRKMEN
DR. ÖĞR. ÜYESİ ANTONIO MATTIA GRANDE