YENİLENEBİLİR HİBRİT BARİYER TASARIMI VE ÇARPIŞMA PERFORMANSININ BELİRLENMESİ

Abstract

ÖZET

Dünyada olduğu gibi ülkemizde de başlıca ölüm sebeplerinden biri trafik kazalarıdır. Trafik kazalarına ait istatistikler incelendiğinde kaza yapan aracın yoldan çıkarak bariyerlere çarpması sonucu meydana gelen ölüm veya yaralanma oranı, bariyerlerin sahip olduğu tasarım, üretim, malzeme gibi karakteristik özelliklerin etkisine bağlı olduğu bilinmektedir. Dünya genelinde kullanılan bariyer türleri çelik, beton, ahşap ve plastik malzemelerden üretilmektedir. Bu tip bariyerlerin birbirlerine karşı birtakım avantaj ve dezavantajları vardır.

Bariyer tasarımlarında genellikle öncelikli olarak güvenlik ve yapısal gerekliliklerin dikkate alınmasından dolayı estetik yaklaşım göz ardı edilmiştir. Ülkemizde Karayolları Genel Müdürlüğü (KGM), Karayolu Teknik Şartnamesinde (2013) sadece çelik ve beton bariyerler için malzeme ve uygulama standartları verilmiştir. Yine aynı şekilde KGM Karayolu Tasarım El Kitabı’nda (2005) beton ve çelik bariyer gereksinimi ve yerleşimine ilişkin bilgiler verilmiş olup ahşap bariyerlere ilişkin herhangi bir yönetmelik bulunmamaktadır.

Literatürde genellikle üç tip ahşap bariyer kullanılmaktadır. Bunlar; ilk olarak ana gövdesi ahşap ve dikmeleri çelik olan, ikinci olarak dikmeler ahşap ancak ana gövde çelik olan ve üçüncü olarak tamamen ahşap olan bariyerlerdir. Literatür ve bariyer üretim endüstrisi incelendiğinde; ahşap bariyerlerin darbe enerjisini, ses ve ışığı absorbe etme yeteneğini ve estetik etkisini bir arada değerlendiren yeterli bir ahşap bariyer tasarımı henüz bulunmamaktadır.

Literatüre ve sektöre yön vermesi düşünülen bu çalışmada, ahşap malzeme ve kum kullanılarak tamamen masif olan bariyerlere göre daha ekonomik, hafif, estetik, sesi ve darbe enerjisini absorbe edebilen “yenilenebilir hibrit bariyerler” tasarlanmıştır. Yenilenebilir olması organik ve çevre dostu olan ahşap malzeme kullanılmasıyla, hibrit olması ise kum ile takviye edilmesiyle sağlanmaktadır. Tasarlanan edilen bariyerin diğer bariyerlere kıyasla ortaya koyduğu en önemli yenilik, çarpışma esnasında ortaya çıkan darbe kuvvetlerini absorbe etmek için çelik/beton yerine kum ile takviye edilerek kullanılması ve ahşabın sadece mukavemetinden değil binlerce yıldır kullanıldığı gibi estetik görünümünden faydalanılmasıdır. Yüksek şok absorpsiyonuna sahip olan ahşap malzeme ve kumun birlikte kullanımının hibrit bariyerin darbe absorpsiyonunu önemli ölçüde arttıracağı ve dolayısıyla çarpışma sonrası araçta meydana gelecek olan hasarı, yaralanma ve ölüm olasılığını azaltacağı düşünülmektedir. Bariyerlerde kum kullanımı, bariyerlerin yapısal özelliklerine katkı sağlamaktadır. Ayrıca kum maliyet düşürücü ve tedarik kolaylığı açısından oldukça önemli bir materyaldir.

Yenilenebilir hibrit bariyerleri diğer bariyerlerden ayıran en önemli özelliklerinden biri ahşap kullanımı ile birlikte ağaç malzemede depolanan karbonun doğaya geri dönüşümünün geciktirilmesidir. Bu şekilde küresel iklim değişiminin yavaşlatılmasına katkıda bulunulacaktır.

Tasarlanan bariyerin şekli F tipi New Jersey bariyer olarak belirlenmiştir. Bunun temel nedeni üretilecek olan hibrit bariyerin etkinliğini mevcut bir bariyer sistemi ile karşılaştırabilmektir. Yeni üretilecek olan bariyerin verimliliği kanıtlandıktan sonra muhtelif şekillerde tasarımlar yapılabilecektir.

Yeni bir bariyer tasarımının yol kenarlarında kullanılabilmesi için dünyada var olan standartlarda belirtilen çarpışma testlerinden başarı ile geçmesi gerekmektedir. Bu çalışma kapsamında EN 1317 standardı esas olarak alınmıştır. Ülkemizde gerçek zamanlı bir çarpışma merkezi bulunmamaktadır. Yurt dışındaki test merkezlerinde ilgili çarpışma testlerinin gerçekleştirilmesinin oldukça maliyetli olduğu bilinmektedir. Bu çalışma kapsamında gerçek zamanlı çarpışma testlerinin yürütülebilmesi için gerçeğe en yakın deneysel çarpışma sistemi simüle edilerek tasarlanmış ve uzun uğraşlar sonucu kurulmuştur. Tasarımda EN 1317 standardı, TB 31 kabul şartlarında belirtilen araç ağırlığı (1500 kg) ile aynı ağırlıkta bir pandül kullanılmıştır.

Deneysel çarpışma sisteminde gerçekleştirilen testlerin ardından Ls Dyna simülasyon ortamında optimizasyon testleri gerçekleştirilmiştir. Optimizasyon testlerinde deneysel çarpışma sistemi ve yenilenebilir hibrit bariyer sisteminin modelleri doğrulanmıştır. Bu aşamanın ardından TB31 test kriterlerine uygun şekilde yenilebilir hibrit bariyer hattı oluşturulmuş ve National Crash Analysis Center (NCAC) tarafından doğrulanmış 1500 kg’lık bir araç ile çarpışma testleri yürütülmüştür.

Deneysel çarpışma testi sonuçları ile Ls Dyna simülasyon testi sonuçlarının birbirleri ile uyumlu olduğu görülmüştür. TB31 simülasyon testi sonuçlarına göre hesaplanan ASI (çarpışma şiddeti) değerinin B sınıfında yer aldığı görülmüştür. Çalışma genişliklerinin ise W2 sınıfında yer aldığı ortaya çıkmıştır. Gerçekleştirilen tüm testlerde aracın bariyeri terk ettiği çıkış açısının bariyere çarptığı açının %60’ından daha az olduğu anlaşılmıştır. Ayrıca araç çıkış kutusu içerisinde kalarak bariyer hattını güvenli bir şekilde terk etmiştir. Bariyer yüzeyinde bulunan ahşap keresteler sadece çarpma noktasında deforme olmuştur. Yerinde bakım ve onarım kolaylığı sağlaması açısından ahşap, kerestelerin hızlı bir şekilde değiştirilmesi ile bariyerlerde güvenli bir şekilde kullanılabilecektir.

Bu çalışma kapsamında gerçekleştirilen optimizasyon çalışmaları, bir sonraki adımda hedeflenen, dünya genelinde akredite olmuş test merkezlerinde büyük ölçekli tam zamanlı çarpışma testlerinin gerçekleştirilmesine ve ilgili kurumların standartlaşma çalışmalarına bir altlık teşkil edecektir.

ABSTRACT

As in the world, one of the main causes of death in our country is traffic accidents. When the statistics of traffic accidents are examined, the rate of deaths or injuries caused by the accident of the car crashing the barriers depends on some characteristics of the barriers. Barrier types used worldwide are produced from steel, concrete, wood and plastic materials. These types of barriers have several advantages and disadvantages against each other.

Aesthetic appearance features have remained in the background due to the fact that security and structural requirements are generally taken into account in barrier designs. In our country, General Directorate of Highways (KGM) gives material and application standards for only steel and concrete barriers in the Highways Technical Specification (2013). Likewise, information on the concrete and steel barrier requirement and placement is given in the KGM Highway Design Handbook (2005), and there are no instructions regarding wooden barriers.

Three types of wooden barriers are generally used in the literature. These; First, the main body is wooden, and the posts are steel, secondly the posts are wooden but the main body is steel and thirdly, the barriers are all wooden. There is not yet an adequate wood barrier design that evaluates the impact energy, sound and light absorption ability and aesthetic effect of wooden barriers together.

In this study, "renewable hybrid barriers" that are more economical, light, aesthetic, able to absorb sound and impact energy than other barriers were designed using wood and sand. Its renewability is explained by the use of wood material, and its hybridity is explained by the reinforcement with sand. The most important innovation of the designed barrier compared to other barriers is to use it by reinforcing with sand instead of steel / concrete to absorb the impact forces arising during the crash and to benefit from the aesthetic appearance of wood. It is thought that the use of wood, which has high impact absorption, and sand will significantly increase the impact absorption of the hybrid barrier, thus reducing the possibility of damage, injury and death after crash. In addition, the use of sand in barrier production significantly reduces the cost.

With the use of wood in renewable hybrid barriers, forest products will gain new usage areas. In addition, delaying the recycling of carbon stored in forest products to nature will be ensured. In this way, it will contribute to slowing down global warming.

The shape of the designed barrier is determined as New Jersey F shape barrier. The main reason for this is to compare the effectiveness of the hybrid barrier to be produced with an existing barrier system. It was decided that it would be more appropriate to consider the shape concern after proving the efficiency of the new barrier to be produced.

In order for a new barrier design to be used on the roadside, it must successfully pass the crash tests specified in the standards existing in the world. Within the scope of this study, EN 1317 standard was taken as the basis. There is no crash centre in our country. It is known that carrying out relevant crash tests in test centres abroad is quite costly. Within the scope of this study, an experimental crash system has been designed to conduct crash tests. In the design, a pendulum of the same weight as the vehicle weight (1500 kg) specified in the EN 1317 standard, TB 31 acceptance conditions was used.

After the tests performed in the experimental crash system, optimization tests were carried out in the Ls Dyna simulation. Experimental crash system and renewable hybrid barrier system models have been verified in optimization tests. After this stage, an edible hybrid barrier line was created in accordance with TB31 test criteria and crash tests were carried out with a 1500 kg car that was verified by NCAC.

It has been observed that the experimental crash test results and Ls Dyna simulation test results are compatible with each other. It was seen that the ASI value calculated according to the TB31 simulation test results was in B class. It has been found out that the working widths are in the W2 class. In all tests performed, it was understood that the exit angle at which the car left the barrier was less than 60% of the angle when it hit the barrier. In addition, the car left the barrier line safely, remaining in the exit box. The wooden timbers on the barrier surface are deformed only at the point of impact. In order to provide on-site maintenance and repair convenience, the barriers can be reused after the crash by quickly changing the wooden timbers.

The optimization studies carried out within the scope of this study will constitute the basis for the realization of large-scale crash tests in accredited test centres worldwide and the standardization studies of the relevant institutions.