Hafif raylı sistemlerde köprü ile balastsız üstyapı geçiş bölgelerinin irdelenmesi

Demiryolu ulaşımı, 19. yüzyıldan bu yana toplumların kullandığı, güvenilir bir ulaşım türüdür. Yıllar içerisinde ulaşım ihtiyacı ve insanların yolculuk sürelerindeki artışlar raylı sistemlere olan ihtiyacı arttırmıştır. Diğer kent içi ulaştırma türleri incelendiğinde demiryolu ulaşımının kazandırdığı bir çok önemli avantaj göze çarpmaktadır. Lastik tekerlekli sistemler özellikle büyümekte olan şehirler ve metropollerde arazi kullanımının sınırlanması ile trafik sorununa ve taleplere cevap verememektedir. Bununla beraber küreselleşen dünyanın en büyük sorunlarından biri olan hava ve gürültü kirliliğinin başlıca sebeplerinden biri karayolu ulaşımıdır. Bugün dünyamızda gelişmiş devletler olarak nitelenen ABD, Almanya, Japonya, Fransa, İngiltere gibi ülkeler incelendiğinde demiryolu yatırımlarına çok uzun yıllar öncesinden verdikleri değer dikkati çekmektedir. Dünyanın ilk metro sistemlerinden olan Londra Metrosu 1863 yılında kullanıma açılmıştır. Benzer şekilde yüzyıl öncesinde Paris, New York, Berlin gibi şehirlerde hizmete açılan kent içi raylı sistemler, bulundukları ülkelerin ekonomik, şehir planlaması, toplumsal ve kültürel gelişimleri açısından çok büyük katkılarda bulunmuştur. Gelişmiş ülkelerin demiryolu yatırımına öncelik veren ülkeler olması bu açıdan bakıldığında bir tesadüf değildir. Kent içi ulaşımda raylı sistemlerin kullanımı insan hayatını çarpıcı şekilde etkilemiştir. Artan nüfus ve büyüyen şehirler, raylı sistemlere olan ihtiyacı günümüzde yüzyıl öncesine göre daha da artırmıştır. Bunu takiben gelişmekte olan ülkeler de raylı sistemlere ağırlık vermeye başlamışlardır. Artan demiryolu ulaşımı beraberinde bir çok teknik soruyu da beraberinde getirmiştir. Demiryolu üstyapı ve altyapı tasarımının nasıl olması gerektiği, demiryolunda kullanılacak sanat yapıları ve tasarım standartları, kullanılması gereken malzemeler, enerji verimliliği gibi bir çok konu, gelişen teknolojik ve bilimsel birikim ile cevap aranan konulardır. Demiryolu yapısı, üstyapı ve altyapı olarak ikiye ayrılmaktadır. Bu yapının karakteristikleri; hattın kullanım amacına, hattan geçecek trafik yüklerine, güzergahdaki zemin özelliklerine, çevresel koşullara, tasarım ömrüne ve yatırım maliyetlerine göre değişiklik göstermektedir. Çok uzun süreli kullanım ömrüne ve yüksek yatırım maliyetine sahip balastsız hat tipleri olduğu gibi düşük ilk yatırım maliyetli ancak düzenli bakım gereksinimleri sahip balastlı hatlar da vardır. Önemli olan bir çok etkenin tasarım aşamasında göz önüne alınarak demiryolu ulaşımının kesintisiz, konforlu ve uzun ömürlü olmasını sağlamaktadır. Bilimsel çalışmalar göstermektedir ki demiryolu ulaşımı yeniliklere ve gelişmelere fazlasıyla açık olan bir mühendislik konusudur. Örnek olarak bundan 30 yıl önce demiryolu camiasında kabul görmüş bir bilgi zaman içinde yerini yeni buluşlarla başka bir kabule kolaylıkla bırakabilmektedir. Bundaki en önemli neden; teknolojik gelişmelerin demiryolunda kullanılan malzemeleri ve teknikleri önemli derecede etkilemesidir. Balastsız hat tasarımı ilk keşfedildiği yıllarda yüksek yatırım maliyetleri sebebiyle tercih edilmemiştir. Ancak uzun süreli kullanım ömrü ve sorunsuzluğu sayesinde çok avantajlı bir üstyapı tipi olduğu tecrübeler ile gözlemlenmiştir. Ayrıca ilk kullanıldığı yıllardaki balastsız hat türleri ile şu andakiler arasında sayıca büyük farklar vardır. Bir çok farklı ihtiyaca cevap veren ve aynı balastslı hat gibi çok hızlı imal edilebilen türler, teknolojik gelişimler ve bilgi birikimleri sayesinde artmıştır. Karşılaşılan sorunlar, bulunabilecek çareler için en önemli motivasyon kaynağıdır. Demiryolları da kullanımları yaygınlaştıkça bir çok sorun ile karşılaşmaktadır. Zaman içinde bu sorunlara cevap bulmak için yapılan bir çok deneysel çalışma ve hatların üstyapı ve altyapısındaki kusurların gözlemlenmesi, günümüzdeki geniş bilimsel literatürü ve hat yapım yöntemlerini ortaya çıkarmıştır. Bu yenilikler ile beraber demiryolu yapısının tasarımındaki iyileştirmeler, uzun süreli kullanım ömrüne sahip, konforlu, düşük maliyetli yeni hatlar açılmasını sağlamaktadır. Bu tez çalışması kapsamında demiryolu yapısı ve özellikleri, kent içi raylı sistem ulaşım türleri ve raylı sistemlerde köprü/viyadük geçiş bölgeleri incelenmeye çalışılmıştır. Çalışma içinde geçiş bölgelerini daha iyi anlayabilmek için demiryolu altyapısı, zemini, üstyapı tipleri ve kullanılan raylı sistemler incelenmiştir. Raylar, bağlantı elemanları, traversler ve balast veya beton taşıyıcı tabaka üstyapıda kullanılan ana elemandır. Bu üstyapı elemanları, demiryolu üstyapısının trene altlık oluşturan çercevesini oluşturmaktadır. Tekerlek ile ilk temas bu yapı sayesinde sağlanır. Uzun süreli hat ömrü, sürüş konforu, gürültü üretimi gibi bir çok etmen bu ilk taşıyıcı tabakasından doğrudan etkilenir ve buna bağlı olarak doğru üstyapı tipinin seçimi bir demiryolu projesi için hayati önem taşımaktadır. Demiryolu altyapısı demiryolunun güvenli bir şekilde görevini yerine getirmesini sağlayan en önemli etkenlerden biridir. Altyapıda ortaya çıkan her hangi bir sorun hattın işleyişini uzun süreler durdurabilir. Bu sorunların telafisi genellikle zor olmaktadır çünkü altyapı kendisi ile bağlantılı olan üstyapıyı doğrudan etkiler ve sorunlar yansıtılır. Bununla beraber proje maliyetleri incelendiğinde de görülecektir ki altyapı maliyetleri diğer maliyet kalemlerine göre en yüksek olandır. Özellikle güzergah boyunca gereksinim duyulan köprü, viyadük, tünel gibi sanat yapıları yapılacak bölgenin zemin ve çevresel özelliklerine göre çok yüksek maliyetlere sebep olabilmektedir. Demiryolu altyapısı incelendiğinde öncelikle platform tabakası üstyapıya mesnetlik yapan yapı olarak öne çıkar. Bu tabakanın performansı demiryolu taban zemine bağlıdır. Demiryolunda taban zemini yeterli dolgu ve sıkıştırma ile doğal zeminin oturmalarını engellemeli ve zeminde yeterli stabilite sağlamalıdır. Bununla beraber altapı taban zemini demiryolu yükleri altında sağlamlığını korumalıdır. Ayrıca işletme süresince zemin formasyonu bozulmalara uğramamalıdır. Yarma ve dolgular, tüneller, köprüler, viyadükler, menfezler, sağlamlaştırma yapıları da altyapı sınıfında incelenir. Bu yapılar çok yüksek maliyetlidir ve tasarımsal sorunları kaldırmazlar. Özellikle çevresel faktörler ve demiryolu etkilerini doğru analiz etmeden yapılan sanat yapıları, hem sistemin konforunu hem de ömrünü doğrudan etkiler. Demiryolu zemininin geoteknik analizinin yapılması, kullanılacak malzemelerin, dolguların, sanat yapılarının ve hat üstyapısının belirlenmesinde önemli yer tutar. Bu amaçla belirlenen Avrupa ve ABD'ye ait bir çok sınıflandırma yöntemi vardır. Bu yöntemler ışığında güzergahdaki doğal zemin incelenir ve eğer yetersiz ise gerekli güçlendirmeler uygulanır. Önemli olan stabil olan ve demiryolu rijitliğini olumsuz yönde etkilemeyen bir zemin tabakası oluşturmaktır. Trafik yükleri, demiryolu taşıtının dingil yüklerini sefer sayılarını baz alarak hesaplanan ve altyapı ile üstyapı tasarımını doğrudan belirleyen çok önemli bir parametredir. Belli bir trafik yükü altında konforlu ve güvenli olan bir demiryolu yapısı, daha yüksek trafik yükleri altında sorunlara maruz kalabilir. Kent içi raylı sistemler güvenliğin, konforun, hızlı ve pratik şehir içi ulaşımın sağlanması için çok önemlidir. Kent içi raylı sistemlerde verimli bir işletimin sağlanması için yukarıda belirtilen faktörler ışığında yolcu kapasitesi çok önemli bir belirleyicidir. Taşıma kapasitesine göre tramvay, hafif raylı sistem (hafif metro) ve metro olarak ayrılırlar. Bu sistemlerin hepsi elektrik enerjisi ile hareket etmektedir ve çevre kirliliğini karayolu ulaşımına göre oldukça düşürmektedir. Yapım maliyetleri incelendiğinde de taşıma kapasitesi ile doğru orantılı bir maliyet analizi görülmektedir. Taşıma kapasitesindeki artış trafik yüklerinde artışa neden olur ve raylı sistemlerin altyapı tasarımını doğrudan etkiler. Bu tez çalışmasında detaylı olarak incelenen balastsız üstyapıdan köprü/viyadük yapısına geçiş bölgeleri demiryolu yapısının aniden değiştiği bölgelerdir. Bu değişim sebebiyle zemin oturmaları, üstyapı ve altyapı bozulmaları ve yüksek maliyetli bakım ihtiyaçları ortaya çıkmaktadır. Demiryolu köprüleri genellikle derin temellere sahip, minimum düzeyde oturma yapan, stabil ve rijit yapılardır. Ancak yaklaşım bölgeleri dolgu zeminde bulunur ve tekrarlayan tekerlek yükleri ile daha yüksek miktarda düşey seviye kaybına uğrarlar. Geçiş bölgesinde karşılaşılan en önemli problem bu ani seviye değişiminin yarattığı dinamik yükleme etkisidir. Demiryolu hatlarında rijitlik değişimlerinin mümkün olduğunca yavaş ve kademeli olması istenmektedir. Aksi durumda hem yolculuk konforu, hem de demiryolu alt ve üstyapısı olumsuz yönde etkilenecektir. Oluşan deformasyonlar zamanla ağır bakım maliyetlerine dönüşecektir. Geçiş bölgelerinde, özellikle doğal zeminin çok stabil olmadığı durumlarda, bu rijitlik değişimine sıklıkla rastlanmaktadır. Demiryolu geçiş bölgelerinde karşılaşılan sorunlar ile ilgili alınan önlemler iki ana kısımda incelenmektedir. Bunlardan birincisi altyapıda ve zemin elemanlarında alınan önlemlerdir. Bunlar genellikler geçiş bölgesindeki zemini güçlendirmeye ve rijitliğini arttırmaya yönelik önlemlerdir. Zemin altında beton yaklaşım plakası kullanımı, taş kolonların veya kazıkların zemin içine belli aralıklarla yerleştirilmesi, zemindeki dolgu elemanlarının iyileştirmesi, balastlı hat yerine daha rijit olan balastsız hattın kullanılması, balast altına asfalt tabakası yerleştirilmesi gibi yöntemler bu başlıktaki çeşitli iyileştirme yöntemleridir. İkinci olarak ise üstyapı elemanlarında alınan önlemler gelmektedir. Bunları; farklı uzunlukta ve tipteki traverslerin kullanılması, üstyapı elemanları için kullanılan pedler ile rijitliğin düşürülmesi, ek ray uygulaması, balast stabilitesinin arttırılması olarak sıralayabilirz. Ayrıca farklı yöntemlerin bir arada kullanılması bir çok uygulamada olumlu sonuçlar vermektedir. Örnek olarak bir geçiş bölgesinde hem zemin altında yaklaşım plakası hemde ek ray uygulaması yapılabilir. Aynı zamanda köprü bölgesinde de yüksek sönümlemeye sahip ray altı pedleri kullanılarak rijitlik düşürülebilir. Bu kombine uygulamalar ile çok daha az seviyede rijitlik değişimine sahip bir geçiş bölgesi elde edilebilir. Böylece sistemin performansı, servis ömrü ve konforu arttırılır. İyileştirme yöntemleri arasında en yaygın kullanıma sahip olanlarından biri; zemin dolgusunda kullanılan malzemelerin kademeli olarak iyileştirilmesi ve bir kama şekli verilerek stabilitelerinin arttırılmasıdır (teknik blok uygulaması). UIC 719-R "Demiryolları Hatları için Toprak İşleri ve Altyapı" standardına göre farklı demiryolları ağları için farklı geometride ve malzeme içeriğinde zemin dolgulu geçiş bölgesi tasarımları vardır. Bu yöntem, genel kabul görmüş, başarılı bir iyileştirme yöntemidir ve hala çeşitli deneyler ve tecrübeler ile gelişmektedir. Bununla beraber yaklaşım plakası uygulaması, balastın altındaki zemin tabakasına yayılan beton bir plaka kullanımı ile oturmaların azaltılması için kullanılan bir başka iyileştirme yöntemidir. Bu yöntemin yüksek performans ile çalışması için genellikle üstyapıda kullanılan bazı iyileştirme yöntemleri ile beraber kullanılması önerilir. Bu iki yöntem tezin son bölümünde örnek bir çalışma için zeminin stabilitesini artırmadaki faydaları açısından incelenmiştir. Örnek çalışma bir hafif raylı sistem uygulamasında, balastsız hattan köprüye geçiş bölgesindeki zemin oturmalarını irdelemektedir. Dingil yükü 130 kN olarak alınmıştır ve dinamik yükleme durumu gözönüne alınarak bu yük %75 arttırılmıştır. Hiçbir iyileştirme yöntemi uygulanmayan durumlar ile farklı iyileştirme yöntemleri uygulanan durumların performansları, HyperWorks programı ile sonlu elemanları analizi yapılarak incelenmiştir. Sonuç olarak kullanılan yaklaşım plakası ve teknik blok yöntemlerin zemin oturma eğilimini engellemeye yönelik ciddi bir katkı yaptığı ve hattaki seviye değişimlerini istenen düzeyde tutmaya yardımcı olduğu gözlemlenmiştir. Geçiş bölgelerinde önemli olan seviye değişimlerinin bir bölgede yoğunlaşmamasıdır. Seçilen iyileştirme yöntemleri bu amaca hizmet etmektedir. Normal zemin durumundaki geçişe göre yaklaşım plakası ve teknik blok kullanılan modellerde oturma değerleri, zemin için seçilen oturma limitlerinin içinde kalmaktadır. Oturmaların azaltıması konusunda teknik blok uygulaması, yaklaşım plakasına göre daha iyi bir performans göstermektedir. Sonlu elemanlar analizi sonucunda hat altyapısında yapılacak stabilitesi yüksek zemin dolgusu uygulamasının (teknik blok uygulaması) raylı sistemde balastsız üstyapı ile köprü geçiş bölgesinde en iyi performansı gösteren iyileştirme yöntemi olarak olduğu görülmüştür.