Comparative Investigation of New Green Sleeper Model with B70 Type Prestressed Sleepers

Öz

Under today's high-speed, high tonnage, and intensive operating conditions, railway structural elements are frequently subject to resonance damage, and their actual service life is shortened. In addition, steel-reinforced, prestressed or non-prestressed concrete sleeper models available in the world require a prestressing process or the use of stirrup reinforcements. Apart from this, since prestressed types will be exposed to prestressing force shortly after the production, it also requires the use of high early strength concrete and cement with high environmental damage. All these reasons cause significant financial and environmental damage. In this study, a new sleeper model called green sleeper was investigated by using domestic laminated carbon-fiber-reinforced polyurethane plates, which is an advanced functional material, and low dosage CEM II class cement, to improve the damping ratio and carbon emission of railway sleepers. At the end of the study, it was determined that the carbon emission of the concrete raw material used in the new type of sleepers was approximately 50% lower and that the rail seat static positive moment determination test results were above the specification limits, and provide 87%, 37% and 36% reduction in peak values of transfer functions at 1st, 2nd, and 3rd resonance frequencies, respectively.

Anahtar Kelimeler

• Railway sleeper
• resonance frequency
• damping ratio
• carbon fiber reinforced polymer

Yeni Yeşil-Travers Modelinin B70 Tipi Öngerilmeli Traverslerle Karşılaştırmalı İncelenmesi

Öz

Günümüzün yüksek hız ve tonajlı, yoğun işletim şartları altında demiryolu yapı elemanları sıklıkla rezonans hasarlarına uğramakta ve fiili servis ömürleri kısalmaktadır. Ayrıca dünyada mevcut çelik donatılı, öngerilmeli veya öngerilmesiz beton travers modelleri, öngerilme işlemi veya etriye kullanım zorunluluğu getirmektedir. Bunun dışında öngerilmeli tipler, üretimin hemen ertesi gün gerdirme kuvvetine maruz kalacağından, yüksek erken dayanımlı beton ve çevresel zararı yüksek çimento kullanım zorunluluğu da getirmektedir. Tüm bu sebeplerle önemli düzeyde mali ve çevresel zararlar doğmaktadır. Bu çalışmada, demiryolu traverslerinin sönümleme oranında ve karbon emisyonunda iyileştirme sağlanması için, ileri fonksiyonel bir malzeme olan yerli lamine karbon-fiber takviyeli poliüretan plakalar ve düşük dozajlı CEM II sınıfı çimento kullanılarak yeşil travers olarak adlandırılan yeni bir travers modeli araştırılmıştır. Çalışma sonunda yeni tip traverslerde kullanılan beton hammaddenin karbon emisyonunun yaklaşık %50 daha düşük olduğu, standartlarda istenilen ray mesnedinde statik yüklemeli pozitif moment tayini test şartlarını sağladığı ve 1., 2. ve 3. dikey rezonans frekanslarına ait transfer fonksiyonu zirve değerlerinde sırasıyla %87, %37 ve %36 oranında düşüş elde edildiği tespit edilmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Demiryolu traversi
• rezonans frekansı
• sönümleme oranı
• karbon fiber takviyeli polimer

Kaynakça

1. [1] “Rezonans,” [Online]. Available: https://tr.wikipedia.org/wiki/Rezonans_(fizik) (21.04.2022)
2. [2] “Tacoma narrows bridge,” [Online]. Available: https://adsimutec.com/en/fem-cfd-simulation-pinboard/application-examples/multiphysics-coupling-interaction/tacoma-narrows-bridge (21.04.2022)
3. [3] “Track behaviour,” [Online]. Available: https://the-contact-patch.com/book/rail/r1412-track-behaviour (21.04.2022)
4. [4] D. Thompson, C. Jones, S. Iwnicki, “Handbook of railway vehicle Dynamics”” Boca Raton: CRC Press, 2006.
5. [5] “Dosya: İstanbul”, [Online]. Available: https://tr.wikipedia.org/wiki/Dosya:Istanbul_Feb_2020_11_46_10_411000.jpeg
6. [6] F. Çeçen, B. Aktaş, “Yeni nesil demiryolu traversleri ve yerli frp donatı kullanımının deneysel araştırması,” Demiryolu Mühendisliği, Sayı: 13, Sayfa: 53-64. Ocak 2021, doi: https://doi.org/10.47072/demiryolu.803452
7. [7] R. You, D. Li, C. Ngamkhanong, S. Kaewunruen, “Fatigue life assessment method for prestressed concrete sleepers,” Frontiers in Built Environment, 2017, Volume 3, Article 68. Erişilebilir (27.08.2021): https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fbuil.2017.00068/full
8. [8] W. Ferdous, A. Manalo, G. V. Erp, T. Aravinthan, S. Kaewunruen, A. M. Remennikov, “Composite railway sleepers – recent developments, challenges and future prospects,” Composite Structures, 2015, vol. 134, pp. 158–168, doi: https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2015.08.058

9. [9] F. Çeçen, “Karbon – fiber donatıyla öngerilmesiz monoblok demiryolu beton traversi geliştirilmesi,” Yüksek Lisans Tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İnşaat Mühendisliği Ulaştırma ABD, Gazi Osman Paşa Üniversitesi, Tokat, 2019
10. [10] Z. Öztürk, T. Öztürk, V. Arlı, “Yüksek hızlı demiryolu köprülerinde rezonans olayı,” 2018. Erişilebilir (27.08.2021): www.imo.org.tr/resimler/ekutuphane/pdf/1448.pdf
11. [11] H. P. J. Taylor, “The railway sleeper: 50 years of pretensioned, prestressed concrete,” 1993. [Online]. Available: https://www.researchgate.net/publication/288948138_The_prestressed_concrete_railway_sleepers_-_50_years_of_pretensioned_prestressed_concrete [09.03.2022]
12. [12] L. M. Domingo, C. Z. Martín, C. P. Avilés, J. I. R. Herráiz, “Analysis of the influence of cracked sleepers under static loading on ballasted railway tracks,” Hindawi Publishing Corporation The Scientific World Journal, 2014, Volume 2014, Article ID 363547. doi: http://dx.doi.org/10.1155/2014/363547
13. [13] A. Remennikov, S. Kaewunruen, “Investigation of vibration characteristics of prestressed concrete sleepers in free-free and in-situ conditions,” 2005. Erişilebilir (27.08.2021): http://ro.uow.edu.au/engpapers/284
14. [14] V. Arlı, Z. Öztürk, “Balastlı hatta ray-tekerlek titreşimlerinin demiryolu dinamiğine etkisinin belirlenmesi,” Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 2014, Cilt 20, Sayı 3, Sayfalar 100-110. Erişilebilir (27.08.2021): https://dergipark.org.tr/tr/pub/pajes/issue/20487/218165?publisher=pamukkale%3Fpublisher%3Dpamukkale
15. [15] C. Esveld, Modern railway track. ISBN 978-1-326-05172-3, 2014
16. [16] A. N. Hanna, “State-of-the-Art Report on Prestressed Concrete Ties for North American Railroads,” PCI Journal. 1979, Avaliable at (23.02.2022): https://www.pci.org/PCI/Publications/PCI_Journal/Issues/1979/September-October/Prestressed_Concrete_Ties_for_North_American_Railroads.aspx
17. [17] “Türkiye Cumhuriyeti Cumhurbaşkanlığı Strateji ve Bütçe başkanlığı On Birinci Kalkınma Planı (2019-2023)”, [Online]. Available: https://www.sbb.gov.tr/wp-content/uploads/2019/07/OnbirinciKalkinmaPlani.pdf (21.04.2022)
18. [18] M. S. Çelik, Z. Öztürk, “Demiryolu traverslerinin çok yönlü incelenmesi ve örnek hat üzerinde kullanılan farklı tipteki traverslerin irdelenmesi,” Yüksek lisans tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İnşaat Mühendisliği ABD, Ulaştırma Mühendisliği Programı, İstanbul, 2015
19. [19] Y. Engin, “Hazır Beton ve Sera Etkisi (Excel ile Hesaplama),” [Online]. Available: https://www.betonvecimento.com/beton-2/hazir-beton-ve-sera-etkisi (21.04.2022)
20. [20] F. Çeçen, B. Aktaş, “Modal and harmonic response analysis of new cfrp laminate reinforced concrete railway sleepers,” Engineering Failure Analysis, Vol: 127, ID: 105471, 2021, doi: https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2021.105471
21. [21] F. Çeçen, B. Aktaş, H. Öztürk, İ. Ş. Öztürk, M. B. Navdar, “Comparison of new LCR and ordinary prestressed concrete railway sleepers with LUR tests,” Construction and Building Materials, Vol: 321, ID: 126414, 2022, doi: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2022.126414
22. [22] F. Çeçen, B. Aktaş, H. Öztürk, İ. M. B. Navdar, Ş. Öztürk, “Behaviour of new LCR and ordinary prestressed concrete railway sleepers under repeated impact loads,” Construction and Building Materials, Vol: 319, ID: 126151, 2022, doi: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.126151
23. [23] B. Aktaş, F. Çeçen, H. Öztürk, M. B. Navdar, İ. Ş. Öztürk, “Comparison of prestressed concrete railway sleepers and new LCR concrete sleepers with experimental modal analysis,” Engineering Failure Analysis, Vol: 131, ID: 105821, 2022, doi: https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2021.105821
24. [24] F. Çeçen, B. Aktaş, “Incremental LUR tests of new LCR concrete railway sleepers,” Engineering Failure Analysis, Vol: 130, ID: 105793, 2021, doi: https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2021.105793
25. [25] F. Çeçen, B. Aktaş, “Lamine CFRP Donatılı Traverslerin Deneysel ve Sonlu Eleman Analizleriyle İncelenmesi,” Demiryolu Mühendisliği, Sayı: 14, Sayfa: 26-38, Temmuz 2021, doi: https://doi.org/10.47072/demiryolu.869946
26. [26] F. Çeçen, B. Aktaş, H. Öztürk, M. B. Navdar, İ. Ş. Öztürk, “Karbon-Fiber Plaka Donatılı Traverslerin, B70-Tipi Öngerilmeli Beton Traverslerle Karşılaştırmalı İncelenmesi,” Demiryolu Mühendisliği, Sayı: 15, Sayfa: 97-110, Ocak 2022, doi: https://doi.org/10.47072/demiryolu.1028740
27. [27] F. Çeçen, B. Aktaş, “B70 Tipi Demiryolu Traverslerinde Polipropilen Fiber Kullanımının Deneysel İncelenmesi,” Demiryolu Mühendisliği, Sayı: 15, Sayfa: 158-169, Ocak 2022, doi: https://doi.org/10.47072/demiryolu.990316