Ömür Temel Mühendislik

Zaman Alanında Araç-İz-Tünel-Toprak Sistemleri için Dinamik Alt Yapı Modeli

araç-yol-tünel-zemin sistemlerinin tren kaynaklı titreşimlerini hesaplamak için dinamik bir altyapı modeli sunmaktadır. Her bir alt sistemin modellenmesi, özellikle tren alt sisteminin çoklu rijit modeli ve ray alt sisteminin kiriş modeli tartışılmaktadır. Alt sistemler arasındaki dinamik etkileşim, tekerlek-ray temas teorisi, bağlantı elemanı kuvvet modeli ve yer değiştirme uyumluluğu koşulları aracılığıyla belirlenir. Önerilen model, metro araç-yol-tünel-toprak sisteminin tren kaynaklı dinamik tepkisini değerlendirerek gösterilmiştir. Daha sonra kiriş fonksiyonunun süperpozisyon teorisi kullanılarak yüzen bir döşeme izi düşünülür . Kayma menteşelerinin titreşim tepkisi üzerindeki etkisi araştırılmıştır.yüzer levha ray sisteminin titreşiminin azaltılması .

FST Sisteminin Dinamik Tepkisi

Geliştirilen araç-FST-tünel-toprak modelinin performansını göstermek için , hareket eden bir trenin altındaki yeraltı demiryolundaki bir FST sisteminin davranışını simüle etmek için sayısal bir örnek yapılmıştır . Dış çapı 6,2  m, kalınlığı 0,35 m olan metro tüneli  kullanılmaktadır. Çevredeki zemin,  tünel-zemin alt sisteminin dinamik davranışının hesaplanması için yeterince büyük olduğu gösterilen 18 m’lik bir maksimum dış yarıçapa sahiptir. Tünel, Young modülüne sahip betondan yapılmıştır.Et=50×109Pa, Poisson oranıvt=0.3, ve yoğunlukρt=2500kg/m3. Tüneli çevreleyen toprak bir Young modülüne sahiptir.Es=30×106Pa, Poisson oranıvs=0.44, ve yoğunlukρs=1770kg/m3.

Bu örnekte 12 ton dingil yüküne sahip B tipi bir metro aracı kullanılmış ve dinamik parametreler Tablo 8.2’de listelenmiştir . Trenin hızı 80  km/h.  FST yapıları, 20 m uzunluğunda, 2,8  m genişliğinde ve 0,4 m yüksekliğinde, 6,9 MN/m  rijitliğe sahip iki sıra yay tarafından desteklenen süreksiz yüzer plakalardan oluşmaktadır .  Bu nedenle, FST’nin doğal frekansı yaklaşık 8 Hz’dir. Rayın, bağlantı elemanlarının ve FST’nin ayrıntılı özellikleri Tablo 8.4’te listelenmiştir . 

Tablo 8.4 . Ray yapısı için parametreler

Aracın zaman geçmişi eğrisini ve bağlantı elemanının dinamik tepkisini gösterir. Şekil 8.15A’da gösterildiği gibi , dikey ivme değişimi -0,15 aralığındadır.zaman içinde 0,15  m/s ^2’ye kadar, bu da sürüş konforu için iyi koşulları gösterir. Raydaki dikey düzensizliğin etkisinden dolayı, tekerlek-ray temas kuvveti, statik tekerlek yükü (yani 58.6  kN) yakınında 52–66 kN aralığında değişir  (bkz . Şekil 8.15B ). Altı vagonun 12 bojisinin etkisi, Şekil 8.15C ve D’ den açıkça gözlemlenebilir , ancak kuvvetlerin zaman alanı değişimleri, yüzer levhaların ortasında ve sonunda bulunan bağlantı elemanları arasında farklıdır. Maksimum sıkıştırıcı tutturma kuvveti yaklaşık 20 kN, yüzer döşemenin sonunda bulunan maksimum çekme kuvveti, yüzer döşemenin ortasında bulunandan çok daha büyüktür. Hem sıkıştırma hem de çekme kuvvetine maruz kalan bağlantı elemanları, esas olarak sıkıştırma kuvvetine maruz kalan bağlantı elemanlarına göre daha kısa hizmet ömrüne sahip olabilir .

Kesme menteşesi takılıyken veya takılı değilken yay reaksiyon kuvvetlerinin zaman geçmişini ve uzamsal dağılımını karşılaştırır. 12 bojinin altı vagona etkisi şu şekilde olabilir:Menteşesiz durumda yay reaksiyon kuvvetinin uzaysal dağılımından açıkça gözlemlenirken, iki bitişik vagondan bojilerin üst üste binme etkisinden dolayı, kayma mafsal koşulu altında sadece yedi tepe meydana gelir. Ayrıca, kesme menteşesinin yay reaksiyon kuvvetini önemli ölçüde azaltabileceği şekilden de açıktır. Şekil 8.16D , kesme menteşe kuvvetinin zaman geçmişini gösterir. Şekilde gösterildiği gibi, kesme mafsal kuvveti -26.1 ila 26.8  kN aralığında değişmektedir.

Kayma menteşesi ve menteşe dışı koşullar altında her bir çelik yay konumunda yüzer levhanın maksimum ivmesini göstermektedir. Menteşesiz koşullar altında yüzer levhanın maksimum ivmesi 1,53 ile 5,14  m/s2 ^{arasındadır} ve bu, monte edilen kesme menteşesi için 0,80–1,79  m/ ^s2’ye düşürülür . Şekil 8.17B ayrıca, kayma menteşesi ve menteşe dışı koşullar altında her bir çelik yay konumunda yüzer levhanın maksimum yer değiştirmesini karşılaştırır. Aynı sonuca ulaşılabilir. Bu nedenle, kayma menteşesinin yüzer levhanın titreşimini önemli ölçüde azaltabileceğini gösterir.

Önerilen metro aracı-FST-tünel-toprak modelinde tünel ve toprak dikkate alındığından , FST sisteminin titreşim azaltma etkisi, FST sistemi ve geleneksel raydaki tünel ve toprağın ivme ve hızı karşılaştırılarak doğrudan belirlenebilir. sistem. Şekil 8.18 , FST ve geleneksel ray sistemleri altında tünel ve zemin ivmelerini karşılaştırmaktadır. FST sistemi ile karşılaştırıldığında, trenin her bir tekerlek takımının tünel titreşimi üzerindeki etkisi ivmelenmede net bir şekilde gözlemlenebilir.geleneksel ray sistemi altında tünelin eğrisi ters çevrilir. Tünel ters çevrilmesine olan mesafe ile zeminde ivme azalır. FST sistemi altında tünel ve zeminin maksimum ivmesi yaklaşık 0,06  m/s ^2’dir , bu da geleneksel ray sistemindeki ivmenin yaklaşık yirmide biri ila kırkta biri kadardır.

Şekil 8.19 , FST ve geleneksel ray sistemleri altında tünel ve toprağın hızını karşılaştırır. Şekilde gösterildiği gibi, titreşimin yüksek frekanslı bileşenleri FST sistemi tarafından izole edilmiştir. FST sistemi altında tünelin ve toprağın maksimum hızı 0,47  mm/s civarındadır ve bu, geleneksel ray sistemindeki hızın yaklaşık yarısı ile dörtte biri arasındadır.

FST sisteminin titreşim izolasyon etkisini net bir şekilde anlamak için , tünel ve zeminin titreşim ivme seviyesinin (VAL) ve hız seviyesinin (LV) üçte bir oktav bant spektrumu Şekil 8.20’de çizilir . Şekilde gösterildiği gibi, hem VAL hem de LV, tünel ters çevrilmesine olan mesafe ile azalır. FST sisteminin titreşim izolasyon performansı, yüksek frekansta (12,5  Hz’in üzerinde) mükemmeldir. Tasarlanan FST sisteminin maksimum titreşim izolasyon etkisi 20 dB’yi aşabilir ve en etkili titreşim karşı önlemlerinden biri olduğu gösterilmiştir . 

Normal stresin zaman geçmişi eğrilerini gösterir.τrrve kesme gerilimiτrztünele farklı mesafelerde toprakta ters çevirin. A Noktasının (z=75m,θ=0degrees,r=3.1m), B Noktası (z=75m,θ=0degrees,r=5.1m) ve C Noktası (z=75m,θ=0degrees,r=10.1m) toprakta bu çalışmada ele alınmıştır. Üç noktadan tünel invertine olan mesafeler sırasıyla 0, 2 ve 7  m’dir. FST sistemi için eğrilerde gözlenmeyen, geleneksel ray sistemi için üç zaman alanı eğrisinin hepsinde on iki tepe değeri meydana gelir. Bu, seçilen yüksek frekanslı dinamik gerilimlerin FST sistemi tarafından azaltıldığını gösterir. A Noktasında, FST sistemi maksimum normal stresin %25’ini azaltabilirτrrve maksimum kesme geriliminin %50’siτrz. C Noktasında, geleneksel hat ve FST sistemleri için zemin dinamik gerilmelerinin farkı azalır. Bunun nedeni, gerilmelerin yüksek frekanslı bileşenlerinin zeminde önemli ölçüde zayıflamasıdır.

Metro treni modelin boylamsal orta noktasından geçtiğinde, geleneksel ray ve FST sistemleri altındaki zemin dinamik gerilmelerinin uzamsal dağılımlarını ayrıca karşılaştırır . Konvansiyonel ray sistemi altında zemin gerilme eğrilerinde on iki tepe değeri gözlenir. Yay tepki kuvvetleri varsayıldığındanTünel kabuğunun dibine uygulanacak (yani,θ=0degreesver=3.1), FST ve geleneksel ray sistemlerinin enine kesitindeki zemin gerilmelerinin dağılım modeli arasında belirgin bir fark gözlenmemiştir. Sonuç olarak, FST sistemi benimsenerek zemin dinamik gerilmeleri büyük ölçüde azaltılabilir.