Geri Dön

Geri dönüştürülebilir malzemeden üretilmiş bariyer ile yüksek hızlı trenlerin oluşturduğu çevresel titreşimlerin azaltılması

Mitigation of environmental vibrations induced by high-speed trains using a barrier constructed from recyclable materials

PDF İndir

  1. Tez No: 956956
  2. Yazar: AYŞENUR SUBAŞI
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ERKAN ÇELEBİ
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: Sakarya Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Yapı Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 230

Özet

Modern kentlerin yoğun yerleşim bölgelerinde artan yüksek hızlı tren trafiği, konfor kaybına, yapısal bileşenlerin ömrünün kısalmasına ve hassas elektronik cihazların zarar görmesine neden olan titreşim sorunları yaratmaktadır. Bu tez çalışmasının amacı, çevreye yayılan bu olumsuz etkileri azaltmak için yüksek performanslı, düşük maliyetli ve sürdürülebilir bir titreşim yalıtım bariyerinin tasarımını ve geliştirilmesini sağlamaktır. Literatürde, sağlam zeminlerde açılan derin hendeklerin etkili bir titreşim yalıtım yöntemi olduğu bilinse de zayıf zeminlerde yanal stabilite sorunları nedeniyle bu yöntem sınırlı kalmaktadır. Özellikle gevşek kumlu veya siltli zeminler, yüzeye yakın yeraltı su seviyesi ve alüvyon gibi zayıf zeminlerde hendek iç yüzeylerinin desteklenmesi gerekliliği, mühendislik uygulamalarında zorluklar yaratmaktadır. Bu bağlamda, bu çalışmada açık hendek uygulamasına alternatif olarak düşük empedanslı ve geri dönüştürülebilir malzemelerden üretilmiş kutu dalga bariyer modeli önerilmiştir. Bariyerin ana yapısında yüksek mukavemeti nedeniyle balsa kullanılırken, dış yüzeylerinde titreşim iletimine duyarlı çift dalga oluklu mukavva tercih edilmiştir. Bariyer tasarımında kullanılan düşük empedanslı malzeme, yüzey zemin titreşim dalgalarının bariyere geçişinde ortam değişikliği hissettirmeyecek şekilde seçilmiştir; bu, dalgaların iletim mekaniklerinde önemli bir avantaj sağlamaktadır. Geliştirilen bariyerin yenilikçi tasarımı, düşük maliyetle kolay imalat ve uygulama avantajı sunarak mevcut açık hendek çözümlerine alternatif bir çözüm olarak öne çıkmaktadır. Çalışmada; SAP2000 yazılımı kullanılarak yapılan sayısal analizlerle laboratuvar deney sonuçları karşılaştırılmış, bariyerin optimum performans sağlayabilmesi için iç iskeletinin ortogonal bir ızgara sistemi ile tasarlanmasının gerekliliği vurgulanmıştır. Ek olarak, bariyerin çevresel etkilere karşı dayanıklılığını artırmak amacıyla nem izolasyonu testleri yapılmıştır. Yüksek hızlı trenlerin oluşturduğu titreşim ve gürültü etkisini azaltmak üzere geliştirilen bu bariyer modeli, sanayi tesisleri, yerleşim yerleri ve hassas cihazların bulunduğu yapılar gibi titreşime duyarlı alanlar için güvenilir ve etkili bir çözüm sunmaktadır. Yapılan laboratuvar ve arazi testleri sonucunda, geliştirilen bariyerin yüksek yalıtım performansı gösterdiği, özellikle yumuşak zeminlerde yanal stabilite gereksinimini azalttığı ve yüksek hızlı tren geçişlerinde NS yönünde %50'yi aşan ivme azalımı sağladığı belirlenmiştir. Bununla birlikte, tren kaynağına 6.5 m uzaklıkta konumlandırılan kutu bariyerin ses seviyelerinde 20 dBA'ya varan azalma sağladığı tespit edilmiştir. Titreşim yalıtım kutusunun özellikle kültürel miras koruması altındaki tarihi yapılar, hassas endüstriyel tesisler ve laboratuvarlar gibi titreşime duyarlı yapılarda da güvenle kullanılabileceği sonucuna varılmıştır. Bu tez çalışması kapsamında üretilen dalga bariyerinin hem hava hem de zemin kaynaklı titreşimleri etkili bir şekilde azalttığı ve çevresel konforun sağlanmasına katkı sunduğu tespit edilmiştir.

Özet (Çeviri)

The increasing high-speed train (HST) traffic in densely populated urban areas has introduced significant environmental vibration problems, which lead to passenger discomfort, reduction in the service life of structural components, and potential malfunction or damage of precision electronic equipment. This doctoral study aims to design and develop a high-performance, cost-effective, and environmentally sustainable vibration isolation barrier to mitigate these adverse effects. Although open trench systems excavated in firm soils are widely recognized in the literature as effective vibration mitigation solutions, their implementation in weak soil conditions is limited due to lateral stability challenges. Soils with low bearing capacity, such as loose sands, silts, alluvial deposits, and shallow groundwater conditions, require internal trench support, which complicates conventional engineering practices. As an innovative alternative to the open trench method, this research proposes a box-shaped wave barrier (BCCB Trench) constructed from low-impedance, recyclable materials. The barrier features a structural frame made from high-strength balsa wood and sidewalls composed of double-wall corrugated cardboard, which is highly sensitive to vibration transmission. These materials were chosen not only for their environmental advantages but also for their mechanical compatibility with the surrounding soil, ensuring seamless wave propagation without causing abrupt impedance discontinuities. This feature provides a distinct advantage in preserving the natural transmission mechanics of surface and body waves. Designed specifically to reduce ground-borne and airborne vibrations induced by high-speed train passages, the proposed barrier offers a reliable and efficient solution for vibration-sensitive zones such as industrial facilities, residential neighborhoods, and structures housing delicate instrumentation. A series of field and laboratory tests were conducted to evaluate the mechanical strength, water resistance, and vibration attenuation performance of the developed prototype. Among these, full-scale field tests were performed near a high-speed railway line in Pamukova, Turkey, where real dynamic loading scenarios involving the HT65000 train set was utilized to evaluate in-situ vibration and sound reduction effectiveness. Laboratory-based three-point bending tests confirmed the structural adequacy of the barrier under lateral soil loads, verifying its suitability for deeper trench implementations in weak soil environments. To ensure environmental durability, various waterproofing techniques were tested. Among these, the greenhouse nylon coating demonstrated the lowest water absorption rates and was selected as the standard protective layer for field prototypes. The modular design of the barrier, reinforced with an internal orthogonal lattice frame, was also numerically validated using SAP2000 finite element simulations. The numerical model allowed for additional design variations, enabling the adaptation of the system to different soil and load conditions. Moreover, the application of low-density filler material, specifically Styrofoam, inside the BCCB Trench was found to enhance its vibration mitigation performance by decreasing wave reflections and increasing energy absorption. When comparing amplitude increases in front of the barrier due to reflected waves, the Styrofoam-filled version showed only a 15% increase, compared to approximately 30% in the unfilled configuration. These outcomes emphasize the critical role of internal filler material in optimizing isolation efficiency. Another critical aspect of the study was the integration of numerical modeling techniques with experimental observations. The SAP2000-based finite element model developed in this research was used to assess and improve the structural strength of the barrier design. By comparing the simulation results with experimental data, the model served as a valuable tool for validating the barrier's mechanical performance and exploring design optimizations without the need for additional physical testing. Furthermore, the study emphasized the importance of direction-specific vibration analysis, particularly in the horizontal NS and EW directions, where the majority of the train-induced surface wave energy propagates. In contrast to the common assumption that vertical vibrations dominate, this research revealed that the horizontal components were often more critical in evaluating vibration risks. This insight has major implications for the design orientation and positioning of vibration barriers near rail lines. The most distinguishing feature of the developed barrier lies in its ease of manufacturing, transport, and installation. Unlike conventional systems, it requires no heavy machinery or professional engineering labor. Its affordability and use of widely available materials make it particularly attractive for applications in rural or low-budget infrastructure projects. Furthermore, the use of biodegradable and recyclable materials supports broader sustainability goals and promotes eco-conscious engineering practices. Experimental results demonstrated that the BCCB Trench provides significant vibration reduction in soft soil environments, while simultaneously offering lateral support, reducing the need for reinforced trench walls. In particular, time-history acceleration data obtained from accelerometer readings behind the barrier showed substantial decreases in vibration amplitudes, especially in the horizontal (EW, NS) directions. Normalized amplitude and RMS analyses revealed that the foam-filled BCCB Trench achieved amplitude reductions exceeding 40%, with peak ground acceleration values falling within the effective isolation region proposed by Woods. In some cases, the performance of the BCCB Trench matched or surpassed that of traditional empty trench configurations. Comparative analyses of normalized RMS acceleration values revealed that the damping performance of the barrier systems is sensitive to train speed. While the reduction ratios remained limited under slow train passages, especially in the horizontal directions (EW and NS), the presence of the barrier was significantly more effective under high-speed trains, with reductions exceeding 50% in the NS direction. In the vertical (UD) direction, some increases were observed under slow trains, whereas notable reductions occurred during high-speed passages, suggesting a clearer damping effect with increasing wave energy. The higher performance of the foam-filled barrier in certain directions indicates that internal filling enhances energy absorption capacity. In addition to acceleration-based evaluations, sound level measurements under natural train pass-by conditions were also carried out. The presence of the BCCB Trench led to noticeable reductions of up to 20 dBA near the train source and approximately 10 dBA in more remote positions. Frequency-based insertion loss analyses further revealed that the barrier was particularly effective in the 125-500 Hz frequency range, which aligns with the dominant frequencies of ground and structural noise caused by rail systems. These findings indicate that the proposed box barrier not only reduces ground-borne vibration but also offers meaningful sound insulation capabilities. In conclusion, this study demonstrates that the BCCB Trench is an effective and practical alternative to traditional vibration isolation systems. It is capable of attenuating both airborne and ground-borne vibrations across a range of frequencies and soil conditions. Its low impedance structure ensures mechanical compatibility with natural soils, and its modular, sustainable design presents strong potential for widespread implementation in vibration-sensitive areas, including cultural heritage sites, laboratories, and precision manufacturing facilities. Future studies may focus on long-term durability assessments, further optimization of filler materials, and extension of the numerical models to more complex, layered soil environments for broader application scenarios.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    898314

    Yüksek hızlı trenlerin ürettiği titreşimlerin azaltılması için önerilen bir dalga bariyer modelinin yerinde ölçümlerle etkinliğinin araştırılması

    Investigation of the effectiveness of a proposed wave barrier model for reducing vibrations generated by high-speed trains through in-situ measurements

    BERNA İSTEGÜN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    İnşaat MühendisliğiSakarya Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ERKAN ÇELEBİ

  2. Tez No

    639277

    Esnek ambalaj sektörü rotogravür baskı makinalarında etil asetat kaynaklı yangınların nedenleri ve yangını önlemek için alınması gereken tedbirler

    Ethyl acetate caused fires and precautions in flexible packaging sector rotogravur printing machines

    EMRE RESULOĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Mühendislik Bilimleriİstanbul Gedik Üniversitesi

    İş Sağlığı ve Güvenliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ HASAN UĞUR ÖNCEL

  3. Tez No

    540982

    Gıda ile temas eden PET ambalajların migrasyon durumlarının araştırılması

    Investigation of migration potential in food contact PET packagings

    ESMA KORKMAZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Gıda MühendisliğiBursa Teknik Üniversitesi

    Lif ve Polimer Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HASAN BASRİ KOÇER

  4. Tez No

    446867

    Investigating the effects of lightweight recycled bumper and chassis system on vehicle crashworthiness

    Hafif geri dönüştürülebilir malzeme ile üretilmiş ön tampon ve şasi sisteminin araç kaza dayanımı üzerindeki etkilerinin incelenmesi

    BATUHAN GÜRER

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    KazalarOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Sürdürülebilir Çevre ve Enerji Sistemleri Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. VOLKAN ESAT

  5. Tez No

    857062

    Ahşap atık olarak odun peletinin beton malzemede kullanımının deneysel çalışmalarla incelenmesi

    Investigation of the use of wood pellet as wood waste in concrete material through experimental studies

    BAŞAK AKÇAY

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    MimarlıkGebze Teknik Üniversitesi

    Mimarlık Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. CAHİDE NUR AYDIN İPEKÇİ

Geri Dön