Demiryolu Üstyapı Tasarımlarında Geogrid Kullanımının Sonlu Elemanlar Modellemesi ile Araştırılması

Öz

Demiryollarının, hızla artan trafiğe bağlı olarak, ortaya çıkan ulaşım sorununun çözümünde ulaştırma altyapılarının en önemli parametresi haline geldiği görülmektedir. Artan bu yoğun yük ve yolcu taşıma talebini karşılamak için, demiryollarında yolun hizmet ömrünü uzatmak, taşıma kapasitesini arttırmak, bakım döngülerini uzatmak, kullanılacak dolgu malzemesi ve altbalast tabakası için tabaka kalınlıklarını azaltmak, inşaat süresini kısaltmak ve maliyetlerin minimize edilmesi amacıyla alternatif çözümler aranmaktadır. Bu tür mühendislik problemlerin çözümünde genellikle deneysel, analitik ve sayısal yöntemlere başvurulmaktadır. Yapılan bu çalışmada sayısal bir yöntem olan ANSYS sonlu elemanlar metodu kullanılarak altbalast tabakası ile taban zemini arasına yerleştirilen tek sıra geogrid malzemenin analizler sonucu yapıya olan muhtemel etkileri değerlendirilmiştir. Ülkemiz standartlarına uygun olarak tasarımı yapılan bu demiryolu üstyapısı; geogrid malzeme kullanılmadan ve geogrid malzeme kullanılarak ayrı ayrı analiz edilmiştir. Ayrıca tasarımda farklı dingil yükü (120 kN, 225 kN, 350 kN), farklı altbalast tabaka kalınlığı (150 mm, 200 mm) ve farklı özelliklere sahip taban zemini türleri kullanılmış; toplamda 96 adet analiz kombinasyonu oluşturulmuştur. Yapılan analiz sonuçları; düşey yönlü yer değiştirme ve gerilme değeri grafikleri yardımıyla değerlendirilmiştir. Yapılan bu çalışmada, demiryolu üstyapı tasarımında geogrid malzeme kullanımı ile altbalast tabaka kalınlığının azaltılabileceği, buna bağlı olarak daha ekonomik ve yük taşıma kabiliyeti daha yüksek bir üstyapının oluşturulmasına imkân vereceği anlaşılmaktadır.

Anahtar Kelimeler

• Demiryolu
• Geogrid
• Sonlu elemanlar metodu
• ANSYS
• Altbalast
• Taban zemini

Investigation of the Use of Geogrid in Railway Pavement Designs with Finite Element Modeling

Öz

It is accepted that railway is the most important parameter of transportation infrastructures in solving the transportation obstacles that arises due to rapidly increasing traffic in almost every country. In order to meet the increasing intense freight and passenger transportation demand, alternative solutions have been sought in railways not only extending the service life and bearing capacity of the pavement, but also, reducing the layer thickness of sub-ballast layer of the filling material used and minimize the construction costs. In order to meet all these demand, experimental, analytical and numerical methods have been generally used by engineers and academic. In this study, the possible effects of a single row geogrid material placed between the sub-ballast layer and the subgrade on the structure were analyzed using the ANSYS finite element method, which is a numerical method. This railway pavement, designed in accordance with our country's standard procedures; It was analyzed separately with and without using geogrid material within the layers. In addition, different axle loads, different sub-ballast layer thicknesses and subgrade types with different properties were used in the design set up procedure; A total of 96 analysis combinations were created. Analysis results; It was evaluated with the help of vertical displacement and stress value graphs. The study shows that, the use of geogrid material in railway pavement design will enable the reduction of sub-ballast layer and, the leading of a more economical and higher load-bearing pavement layers.

Anahtar Kelimeler

• Railway
• Geogrid
• Finite element method
• ANSYS
• Sub-ballast
• Subgrade

Kaynakça

1. [1] G. N. Goud, B. Ramu, B. Umashankar, S. Sireesh & M. R. Madhav, “Evaluation of layer coefficient ratios for geogrid-reinforced bases of flexible pavements,” Road Materials and Pavement Design, doi: 10.1080/14680629.2020.1812424
2. [2] K. Sweta, S. K. K. Hussaini, “Effect of geogrid on deformation response and resilient modulus of railroad ballast under cyclic loading,” Construction and Building Materials, vol. 264, 2020, doi: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.120690
3. [3] G. Sridevi, G. Sudarshan, A. Shivaraj, "Performance of geocell and geogrid reinforced weak subgrade soils," Proceedings of the Indian Geotechnical Conference 2019, vol. 5, pp. 273-283, doi: https://doi.org/10.1007/978-981-33-6466-0
4. [4] S. B. Dhule, S. S. Valunjkar, S. D. Sarkate, S. S. Korrane, “Improvement of flexible pavement with use of geogrid,” Electronic Journal of Geotechnical Engineering, vol. 14, pp. 269-279, 2011
5. [5] R. D. Holtz, “Geosynthetics for soil reinforcement,” Frontier Technologies for Infrastructures Engineering, 2009. doi: https://doi.org/10.1201/9780203875599.ch6.
6. [6] B. Canpolat, “Demiryolu üstyapı tasarımlarında geogrid kullanımı ve etkisi,” Yüksek Lisans Tezi, FBE, İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı, AKÜ, Afyonkarahisar, 2023
7. [7] Tensar International Limited, Hat balastı ve alt-balastın mekanik olarak stabilizasyonu, 2014, United Kingdom.
8. [8] N. T. Ngo, B. Indraratna, C. Rujikiatkamjorn, “Modelling geogrid-reinforced railway ballast using the discrete element method,” Transportation Geotechnics, 2016, doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.trgeo.2016.04.005

9. [9] S. F. Brown, J. Kwan, N. H. Thom, “Identifying the key parameters that influence geogrid reinforcement of railway ballast,” Geotextiles and Geomembranes, 2016, vol. 25, pp. 326-335, doi: 10.1016/j.geotexmem.2007.06.003
10. [10] S. Aydın, “Karayollarında kullanılan farklı tür geogridler için kullanılacak dolgu miktarının araştırılması,” Yüksek Lisans Tezi, FBE, İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı, Toros Üniversitesi, Mersin, 2019
11. [11] T. K. Sert, A. Gurbuz, M. V. Akpinar, “A study on the effects of highway reinforcement on load distribution,” Sciennovation A Journal of Structural Science and Innovation, vol. 2, pp. 51-58, 2020
12. [12] H. Zanzinger, “Laboratory testing of geogrids and geocells used fort he function stabilisation,” Sekizinci Ulusal Geosentetikler Konferansı, pp. 43-66, May. 2019
13. [13] S. Archer, “Subgrade improvement for paved and unpaved surfaces using geogrids,” Contech Construction Products Inc, 2008
14. [14] B. Ç. Karagül, “Yol dolgularının geogrid kullanılarak iyileştirilmesi,” Yüksek Lisans Tezi, FBE, İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı, İTÜ, İstanbul, 2007
15. [15] S. K. K. Hussaini, B. Indraratna, J. S. Vinod, "Performance assessment of geogrid-reinforced railroad ballast during cyclic loading," Transportation Geotechnics, vol. 2, pp. 99-107, Nov. 2014, doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.trgeo.2014.11.002
16. [16] J. Sadeghi, A. R. T. Kian, H. Ghiasinejad, M. F. Moqaddam, S. Motevalli, “Effectiveness of geogrid reinforcement in improvement of mechanical behavior of sand-contaminated ballast,” Geotextiles and Geomembranes, 2020, vol. 48, pp. 768-779, doi: 10.1016/j.geotexmem.2020.05.007
17. [17] B. Ağbaba, “Baalstlı demiryolu ve balastsız demiryolunun ANSYS programı yardımıyla analizinin yapılması ve karşılaştırılması,” Yüksek Lisans Tezi, FBE, İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı, Gazi Üniversitesi, Ankara, 2019
18. [18] Y. Özdemir, P. Voltr, “Analysis of the wheel and rail frictionless normal contact considering material parameters,” Journal of Applied Mathematics and Computational Mechanics, no. 15, pp. 101-109, 2016, doi: 10.17512/jamcm.2016.2.11
19. [19] C. Gürer, T. Akıllı Törer, K. Aslantaş, “Yüksek hızlı hatlarda granüler altbalast yerine asfalt tabaka kullanımının sonlu elemanlarla modellenmesi,” Demiryolu Mühendisliği, no. 14, pp. 39-48, Temmuz 2021, doi: 10.47072/demiryolu.867120
20. [20] G. Leonardi, D. L. Bosco, R. Palamara, F. Suraci, “Finite element analysis of geogrid-stabilized unpaved roads,” Sustainability, no. 12, pp. March 2020, doi: 10.3390/su12051929
21. [21] V. H. Shamami, A. K. Khiavi, “Effect of temperature on geosynthetic rutting performance in asphalt pavement,” Petroleum Science and Technology, no. 35, pp. 1104-1109, 2017, doi: 10.1080/10916466.2017.1305400
22. [22] S. Skuodis, N. Dirgeliene, J. Medzvieckas, “Using triaxial tests to determine the shearing strength of geogrid-reinforced sand,” Studia Geotechnica et Mechanica, no. 42, pp. 341-354, 2020, doi: 10.2478/sgem-2020-0005