Karbon – fiber donatıyla öngerilmesiz monoblok demiryolu beton traversi geliştirilmesi

Abstract

Demiryolu traverslerinin planlanan servis ömürlerinden önce kullanılamaz hale gelmeleri, son yirmi-otuz yılda, demiryolu bakım ve yenileme maliyetlerini önemli ölçüde artırmış durumdadır. Dünya genelinde araştırmacılar, demiryolu traverslerinin çeşitli özellikleri ve yük taşıma kapasiteleri üzerinde birçok faydalı çalışmalar yürütmüştür. Ancak hâlen, yüksek dinamik darbe yüklerine, traverslerin rezonansa uğramasına ve çelik öngerilme donatılarının korozyona maruz kalmalarına karşı yeterli performansa sahip etkili bir çözüm üretilememiştir. Bu faktörler ele alınmayan bir dizayn ise yalnız traverslerin değil, tüm demiryolu sisteminin hasara uğramasına neden olmaktadır. Bugün dünyada korozyon problemlerini önlemek için, fiber takviyeli polimer donatıların kullanılması alternatif bir çözüm olarak ortaya çıkmıştır. Ayrıca, traverslerin rezonansa uğramalarının önlenmesi için ise öngerilmesiz şekilde, pasif donatılı tasarımın fizibil bir çözüm olabileceği düşünülmektedir. Fiber takviyeli polimer donatılar içinde de karbon-fiber donatıların, tekrarlı yüklere karşı yüksek yorulma dayanımına ve oldukça yüksek çekme dayanımına ve düşük relaksasyona sahip olması gibi birçok özellikleri ile traversler için en uygun seçenek olduğu düşünülmektedir. Bu kapsamda, demiryollarında istenen ve güncel literatürde önerilen yüksek taşıma kapasitesine, karbon-fiber donatıları, öngerilmesiz vaziyette kullanarak ulaşmanın mümkün olup olmadığının belirlenmesi için deneysel bir çalışma yürütülmüştür. Bu amaçla öncelikle bu yeni malzemelerle kapasite hesaplaması yapılmış, hesaplamalarda İtalyan CNR-DT 203/2006 kılavuzunda önerilen güvenlik katsayıları kullanılmıştır. Üretilen prototipe EN 13230'da istenen ray mesnedinde statik pozitif moment testi uygulanmış, sonuçlar dünyada yaygın olarak kullanılan B58 ve B70 tipi öngerilmeli ve U3 tipi öngerilmesiz beton traversler ve literatürde istenen değerler ile karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre, yeni tip traversler, statik dizayn yükü bakımından B70 tipi öngerilmeli beton traverslerden bile daha iyi neticeler vermiştir. Üstelik bu prototiplerde daha küçük B58 tipi beton kesit alanları kullanılmıştır. İlerleyen süreçte mezkûr standartta istenen dinamik ve yorulma testlerinin ve öz-frekans ölçümlerinin de yapılması ve saha uygulamalarıyla performansının izlenmesi gerekmektedir.

Over the last two or three decades, the premature failures of railway sleepers have significantly increased the track maintenance and replacement costs. Researchers have previously studied various characteristics and load carrying capacities of railway sleepers, but there is no remarkable solution for the high dynamic impact loads, the resonance of concrete sleepers and the corrosion of steel rebars or prestress tendonds. A sleeper design which do not consider those factors, could damage not only sleepers but also whole railway system. In order to avoid corrosion problems, the use of fibre reinforced polymer bars has emerged as an alternative solution. And also, to prevent resonance vibrations of railway sleepers, non-prestressed reinforcing of sleepers could be a feasibly solution. Among all fibre reinforced polymer bar types, carbon fiber-based systems are the least prone to failure due to fatigue-cyclic loading, exhibit very high tensile strength and low relaxation. The computational analysis of new sleepers was based on Italian guideline (CNR-DT 203/2006). New designed carbon-fibre reinforced sleepers are analyzed with regard to EN 13230, rail seat static positive moment test and compared between the B58 and B70 type prestressed and U3 type non-prestressed concrete sleepers. From the results it was concluded that the concrete sleeper reinforced with carbon fiber reinforced polymer bars shows higher strength than all this concrete sleeper types, moreover the smallest B58 type concrete sleeper cross section areas was used. For about dynamic tests and resonance performance, further works and field measurements needs to be undertaken.