Yüksek hızlı trenlerin çevre yapılarda oluşturduğu titreşimlerin önlenmesi için bariyer sistemlerin etkinliğinin parametrik olarak incelenmesi

Abstract

Hızlı demiryolu hattına yakın yapıları yumuşak zemin koşullarında taşınan kuvvetli titreşimlerden korumak için düşey dalga bariyeri veya dalga engelleyici yapay anakaya modeli inşaat mühendisliğinin pratik uygulamalarında kullanılmaktadır. Dalga bariyerlerinin titreşim kaynağının yakınına yerleştirilmesi aktif yalıtım yapıldığını, titreşim kaynağının uzağında, korunacak yapının yakınında yer alması ise pasif yalıtım yapıldığını göstermektedir. Bu çalışmanın öncelikli hedefi hızlı tren trafiğinin ürettiği titreşimleri ve dalga bariyerinin yerleştirilmesi ile çevre binalardaki etkilerinin azaltılmasına ilişkin çözümleri, yapı-zemin ortak sisteminin karşılıklı etkilerinide kapsayan bir dalga yayılım problemi olarak ele alıp, ayrık sayısal çözüm yöntemlerinden yararlanarak idealize edebilmektir. Sonsuz zemin bölgesinin ayrıklaştırılması ve buna bağlı olarak radyasyon koşulunun sağlanması kesim noktalarında uygun sınır koşullarının yazılarak geometrik sönümün probleme dahil edilmesi ile mümkündür. Bu amaçla, problemin arazi koşullarını gerçeğe yakın temsil eden malzeme yaklaşımlarına dayanan ve zeminin geometrik sönümünün hesaba katıldığı sayısal model, iki boyutlu düzlem şekil değiştirme koşulları altında sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak elde edilmiştir. Sonlu elemanlar metodu kullanılarak zaman tanım alanında yapılan çözümlemelerde dinamik yük kaynağı olarak, Türkiye’nin yüksek hızlı demiryolu hatlarında kullanılan lokomotiflerin V=250 km/h geçiş hızına ait demiryolu platformuna uyguladığı yük fonksiyonu kullanılmıştır. Zemin ortamının doğrusal olmayan mekanik davranışını temsil etmek için, Mohr-Coulomb akma kriteri altında elastoplastik malzeme modeli tercih edilmiştir. Geliştirilen yapı-zemin-dalga bariyer sisteminin matematik simülasyonu ile, yüksek hızda hareket eden tren yüklerinin özellikle taşıma gücü açısından zayıf, alüvyon zeminlerde neden olduğu kuvvetli dalga yayılışı ve sonucunda yapı-zemin dinamik etkileşimi problemi analiz edilerek en uygun yalıtım aracı belirlenmiştir. Dalga bariyerinin ideal boyutlarının ve tesis edileceği yerin belirlenerek yalıtım performansı açısından en uygun dolgu malzemesinin seçimi, kapsamlı parametrik çalışmalar yürütülerek araştırılmıştır.

To protect structures nearby high-speed railway track from soft ground transmitted strong vibrations, trench barrier or artificial bedrock wave impeding model can be used in civil engineering practical applications. Installation of wave barriers nearby the vibratory source indicates the active (near field) isolation, whereas the placement away from the vibratory source nearby the structure to be protected from incoming waves indicates passive isolation. The primary objective of this study is to deal with railway traffic induced vibrations and associated solutions to reduce its influence on surrounding structures by installation of wave barriers as wave propagation problems including soil-structure interaction, and then to idealize by utilizing discrete numerical solution methods. Discretization of finite-soil and preparing radiation condition which depends on discretization is possible by adding geometric damping into problem at cut off points with defined suitable boundary conditions. To this end, approaches to the problem based on material representing in-situ soil condition close to reality and a numerical model that takes into account the geometrical damping of a soil were obtained by using the finite element method under the two-dimensional plane-strain conditions. In the time domain analysis using the finite element method, the high speed train load function on the slab track is simulated corresponding to railway engine passing with a velocity of 250 km/h on the Turkish high-speed rail lines. To represent the non-linear mechanical behavior of a soil environment, the elasto-plastic material model has been preferred under Mohr-Coulomb yield criterion. The most optimum wave impeding barrier is achieved by mathematical simulation of the developed soil-structure-wave barrier system, strong ground motion particularly weak in terms of carrying capacity in alluvial soils induced by high speed train moving loads and analyzing soil–structure dynamic interaction problem as a result. Determining the ideal size and the localization of the wave barrier, the selection of backfill material based on the screening performance, is investigated by carrying out extensive parametric studies.