Junan jarrukuorman välittyminen pengerlaatalle

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2015-04-27
Department
Major/Subject
Georakentaminen
Mcode
R3003
Degree programme
Yhdyskunta- ja ympäristötekniikan koulutusohjelma
Language
fi
Pages
135 + 44
Series
Abstract
Suomen rataverkolle kaavaillaan tulevaisuudessa painavampia ja nopeampia junia. Keskeinen asia junien turvallisen liikennöinnin kannalta on junaradan eri rakennekerrosten kuormituskestävyys suurten kuormitusten alla. Ratarakenne on monimutkainen kokonaisuus, joka on monen eri muuttujan summa. Erityisesti jarrukuorman vaikutusta on tutkittu vähän. Kun juna jarruttaa tai kiihdyttää, ratarakenteisiin välittyy vaakasuuntaisia voimia junan pyörien ja kiskojen kontaktipinnalta. Tässä työssä tutkittiin miten jarrukuorma välittyy kiskojen tasolta pengerlaatan pinnalle. Työssä suoritettiin kirjallisuus- ja mallinnustutkimukset. Kirjallisuusosiossa selvitettiin olemassa oleva tieto junan jarrukuorman syntytavasta ja vaikutuksista ratarakenteeseen. Jarrukuorma syntyy junan pyörän ja kiskon välisestä kitkasta, jota kuvaa kitkakerroin. Kirjallisuuslähteiden mukaan kitkakerroin on 0,15…0,8. Työssä laskennallisesti määritetty kitkakerroin LM71-kuormille on 0,19…0,39. Nykyisten suunnitteluohjeiden mukaan junan jarrukuormaksi voidaan olettaa 25…28 % akselikuormasta, jolloin kitkakerroin on 0,25…0,28, tai vaihtoehtoisesti ratasilloilla 20 kN per laattametri. Työn mallinnusosiossa Plaxis 2D -elementtimenetelmäohjelmalla rakennettiin yksityiskohtainen malli ratarakenteesta ja junan jarruttuva liike simuloitiin vaiheittain kvasidy-naamisena tarkasteluna. Jarrutuksen vaikutus määritettiin vertaamalla tuloksia junan ohiajoon, jossa juna ei jarruta. Mallinnustarkastelu suoritettiin luomalla 26 tarkasteluta-pauksen geometriamatriisi, jossa eri tarkastelugeometrioiden välillä vaihdeltiin ulkoista kuormitusta ja radan rakennekerroksien mittasuhteita. Materiaaliparametreja ei vaihdeltu. Tulosten pohjalta saatiin käsitys mitkä ratarakenteet ovat oleellisia yleisen radan mallinnuksen ja ulkoisesta kuormituksesta rakenteille aiheutuvan todenmukaisen vasteen muodostumisen kannalta. Mallinnuksen perusteella jarrutuskuorma ei vaikuta ratapenkereessä merkittävästi pystysiirtymiin tai kokonaisjännityksiin. Junakuorma on ulkoisena kuormituksena niin paljon suurempi kuin jarrukuorma, että se määrittää pystysiirtymien ja kokonaisjännityksien suuruusluokan lähes kokonaan. Jarrukuorma vaikuttaa kuitenkin huomattavalla tavalla vaakasiirtymiin. Mallinnuksen tulosten perusteella työssä arvioitiin pengerlaattaan vaikuttavaksi vaakavoimaksi 50 kN per laattametri (ilman suunnitteluohjeiden nauhakuormia) tai 100 kN per laattametri (nauhakuormien kanssa). Vaakavoima todettiin samaksi niin junan ohiajossa kuin jarrutuksessa. Pengerlaatan pään alustaluku määritettiin eri rataolosuhteissa. Työn tulokset voivat auttaa radan rakenteiden tarkemmassa mallinnuksessa ja paalulaattarakenteen suunnittelussa.

In the future, trains operating on the Finnish railway network are expected to be heavier and faster. A key factor in ensuring operational railway safety is the load resistance of different structural layers of the railway embankment under high loads. A track structure is the complex sum of various variables. In particular, effects of train brake loads have not been studied in focus. When a train decelerates or accelerates horizontal forces are transmitted from the contact surface of the wheel and rail to the underlying track structure. This thesis studied how train brake loads are transmitted from the rails down to the pile slab. This thesis involved literature research and modeling. As part of the literature study, existing data on the formation mechanism and effects of train brake loads on the track structure were researched. Brake loads are produced as a result of rail-wheel friction, where a friction coefficient is used to characterize the properties of the interface interaction. Literature sources quote a friction coefficient of 0.15…0.8. In this thesis, the friction coefficient was computationally determined to lie in the range 0.19…0.39 for LM71 dimensioning loads. According to current design guidelines the brake load can be assumed to be 25…28 % of the axle load, which points at a friction coefficient of 0.25…0.28. Alternatively, on railway bridges the brake load is 20 kN per slab meter. The FEM-based Plaxis 2D geotechnical modeling program was used to construct a detailed model of the track structure where the braking motion of a train was simulated with an incremental, quasi-dynamic analysis. The effects of braking were determined by comparing results to train drive-bys, which did not include brake load components. The modeling analysis was carried out by designing a geometry matrix of 26 geometry cases, which had different combinations of external loading and track structure dimensions. Sensitivity analysis of material parameters was not in focus. Based on the results, relevant track structure components in general track modeling were pinpointed, and an understanding of the formation of realistic track structure re-sponses under external loading was gained. Modeling indicates brake loads do not substantially affect vertical deformations or total stresses. The train load is so much higher than the brake load as an external load that it determines the magnitude of vertical deformations and total stresses practically altogether. The brake load does significantly affect horizontal deformations. Based on modeling results, it was calculated that the horizontal force on the pile slab was 50 kN per slab meter (without design guideline line loads) or 100 kN per slab meter (with line loads). The horizontal force was noted to be the same for both train braking and drive-by. The findings of this thesis can assist in detailed modeling of the track structure and designing of pile-slab structures.
Description
Supervisor
Korkiala-Tanttu, Leena
Thesis advisor
Lotvonen, Sakari
Keywords
jarrutuskuorma, ratarakenne, pengerlaatta, mallinnus, Plaxis, brake load, railway embankment, pile-slab structure, modeling
Other note
Citation