Ratarakenteen kuormituskäyttäytymisen mallintaminen
Peltomäki, Marko (2020)
2020
Rakennustekniikan DI-tutkinto-ohjelma - Degree Programme in Civil Engineering, MSc (Tech)
Rakennetun ympäristön tiedekunta - Faculty of Built Environment
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2020-05-15
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202004273898
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202004273898
Tiivistelmä
Tämä diplomityö käsittelee ratarakenteen kuormituskäyttäytymisen numeerista mallintamista elementtimenetelmää käyttäen. Työ on osin kirjallisuusselvitys ja osin laskentatutkimus. Tehdyn kirjallisuusselvityksen tarkoituksena on ollut taustoittaa käytetyn laskentamallin toimintaa ja selvittää missä määrin se kykenee kuvaamaan todellisen ratarakenteen mekaanista kuormituskäyttäytymistä staattisen kuormituksen alaisuudessa. Tehdyissä laskelmissa on keskitytty penkereen ja sen eri osasten toimintaan akselipainojen noston näkökulmasta tarkasteltuna. Tarkoituksena on ollut tunnistaa ratarakenteen vaurioitumisen kannalta keskeisimmät tekijät ja määrittää näiden vaikutusmekanismit.
Ratapenkereen vaurioitumisherkkyys on ensisijaisesti riippuvainen sen muodonmuutostasosta. Kun materiaalia kuormitetaan, syntyy siihen muodonmuutoksia. Syntyvistä muodonmuutoksista osa on palautuvia ja osa palautumattomia. Maamateriaaleilla pysyvien muodonmuutosten suuruus on riippuvainen kokonaismuodonmuutostasosta: kun muodonmuutokset raerungossa ovat riittävän suuria, eivät yksittäiset rakeet kuormituksen poistuttua kykene enää palamaan alkuperäiseen asemaansa. Kuormituksen oltaessa toistuvaa, voi tämä johtaa pysyvän muodonmuutoskertymän myötä rakenteen geometrian vaurioitumiseen.
Muodonmuutostaso on kuormitustason ohella riippuvainen materiaalin lujuus- ja jäykkyysominaisuuksista. Maamateriaalin lujuus ja jäykkyys ovat jännitystilariippuvaisia, jonka seurauksena sen kuormituskäyttäytyminen on tyypillisesti hyvin epälineaarista. Kuormituskäyttäytymisen monimutkaisuudesta johtuen ratarakenteen mekaanisen toiminnan kuvaaminen kontinuumimalleilla on haasteellista. Materiaalimallien parametrisointi ei myöskään ole nykyisellään yksiselitteistä. Useista laskentamallin toimintaan liittyvistä epätarkkuustekijöistä johtuen saadut tulokset ovat luonteeltaan suuntaa-antavia, eivät suinkaan absoluuttisia.
Tehdyissä laskelmissa huomattiin radan päällys- ja alusrakenteen deviatorisen leikkausmuodonmuutostason olevan riippuvainen pohjamaan palautuvasta muodonmuutostasosta. Joustavilla pohjamailla muodonmuutokset ovat tyypillisesti suuria kautta rakenteen; kun alapuolinen pohjamaa taipuu, on yläpuolisen rakenteen seurattava perässä. Pohjajouston seurauksena syntyvän muodonmuutostason suuruus on ensisijaisesti riippuvainen materiaalilaadusta ollen huonolaatuisilla, pienen lukkitumispotentiaalin omaavilla materiaaleilla hyvälaatuisia materiaaleja suurempi. Hyvälaatuinen materiaali kykenee luultavammin myös vastustamaan pysyvää muodonmuutoskertymää huonolaatuista materiaalia paremmin, jolloin tukikerrosmateriaalin laatu ja alusrakenteen kosteustilaherkkyys lienevät rakenteen vaurioitumisen kannalta keskeisiä tekijöitä.
Heti tukikerroksen alle asennettu routalevy vaikuttaisi lisäävän huomattavasti tukikerroksen alaosan muodonmuutostasoa. Routalevy myös luo rakenteeseen epäjatkuvuuskohdan, jonka seurauksena sepelin hienoneminen oletettavasti kiihtyy. Välikerroksen alle asennetulla routalevyllä havaittiin sitä vastoin olevan hyvin pieni vaikutus rakenteen muodonmuutostasoon. Akselipainon vaikutus rakenteen jännitys- ja muodonmuutostasoon vaikuttaisi laskelmien mukaan olevan lineaarista. On kuitenkin huomioitava, ettei muodonmuutostason vaikutus rakenteen deformaatioherkkyyteen ole luonteeltaan lineaarista. Tästä johtuen akselipainojen noston vaikutukset täytyisi aina arvioida rakennekohtaisesti.
Ratapenkereen vaurioitumisherkkyys on ensisijaisesti riippuvainen sen muodonmuutostasosta. Kun materiaalia kuormitetaan, syntyy siihen muodonmuutoksia. Syntyvistä muodonmuutoksista osa on palautuvia ja osa palautumattomia. Maamateriaaleilla pysyvien muodonmuutosten suuruus on riippuvainen kokonaismuodonmuutostasosta: kun muodonmuutokset raerungossa ovat riittävän suuria, eivät yksittäiset rakeet kuormituksen poistuttua kykene enää palamaan alkuperäiseen asemaansa. Kuormituksen oltaessa toistuvaa, voi tämä johtaa pysyvän muodonmuutoskertymän myötä rakenteen geometrian vaurioitumiseen.
Muodonmuutostaso on kuormitustason ohella riippuvainen materiaalin lujuus- ja jäykkyysominaisuuksista. Maamateriaalin lujuus ja jäykkyys ovat jännitystilariippuvaisia, jonka seurauksena sen kuormituskäyttäytyminen on tyypillisesti hyvin epälineaarista. Kuormituskäyttäytymisen monimutkaisuudesta johtuen ratarakenteen mekaanisen toiminnan kuvaaminen kontinuumimalleilla on haasteellista. Materiaalimallien parametrisointi ei myöskään ole nykyisellään yksiselitteistä. Useista laskentamallin toimintaan liittyvistä epätarkkuustekijöistä johtuen saadut tulokset ovat luonteeltaan suuntaa-antavia, eivät suinkaan absoluuttisia.
Tehdyissä laskelmissa huomattiin radan päällys- ja alusrakenteen deviatorisen leikkausmuodonmuutostason olevan riippuvainen pohjamaan palautuvasta muodonmuutostasosta. Joustavilla pohjamailla muodonmuutokset ovat tyypillisesti suuria kautta rakenteen; kun alapuolinen pohjamaa taipuu, on yläpuolisen rakenteen seurattava perässä. Pohjajouston seurauksena syntyvän muodonmuutostason suuruus on ensisijaisesti riippuvainen materiaalilaadusta ollen huonolaatuisilla, pienen lukkitumispotentiaalin omaavilla materiaaleilla hyvälaatuisia materiaaleja suurempi. Hyvälaatuinen materiaali kykenee luultavammin myös vastustamaan pysyvää muodonmuutoskertymää huonolaatuista materiaalia paremmin, jolloin tukikerrosmateriaalin laatu ja alusrakenteen kosteustilaherkkyys lienevät rakenteen vaurioitumisen kannalta keskeisiä tekijöitä.
Heti tukikerroksen alle asennettu routalevy vaikuttaisi lisäävän huomattavasti tukikerroksen alaosan muodonmuutostasoa. Routalevy myös luo rakenteeseen epäjatkuvuuskohdan, jonka seurauksena sepelin hienoneminen oletettavasti kiihtyy. Välikerroksen alle asennetulla routalevyllä havaittiin sitä vastoin olevan hyvin pieni vaikutus rakenteen muodonmuutostasoon. Akselipainon vaikutus rakenteen jännitys- ja muodonmuutostasoon vaikuttaisi laskelmien mukaan olevan lineaarista. On kuitenkin huomioitava, ettei muodonmuutostason vaikutus rakenteen deformaatioherkkyyteen ole luonteeltaan lineaarista. Tästä johtuen akselipainojen noston vaikutukset täytyisi aina arvioida rakennekohtaisesti.