Teräksiset portaalirakenteet

Abstract

Väyläviraston liikenneympäristön ja sähköistettyjen ratarakenteiden teräksisten portaalirakenteiden suunnittelu- ja valintaohjeistukset vaativat täsmennystä. Liikenneympäristön portaalirakenteiden ohjeissa ei ole otettu kantaa kaikkiin portaalirakenteiden suunnittelun kannalta olennaisiin seikkoihin. Sähköistettyjen ratarakenteiden portaalirakenteiden tyyppipiirustukset ovat iäkkäitä. Tästä syystä ne vaativat päivitystä nykyaikaan. Tilaajan pyynnöstä tutkimuksen pääpaino pidettiin liikenneympäristön teräksisissä portaalirakenteissa.

Tilaaja esitti aihealueita, joita tuli tarkastella. Muutosehdotuksien määrittelyä varten käytettiin kolmea eri tutkimusmenetelmää. Ne olivat kirjallisuuskatsaus, haastattelut ja mitoitusanalyysit. Kirjallisuuskatsauksessa perehdyttiin aluksi portaalirakenteisiin, niihin vaikuttaviin kuormiin ja ilmiöihin. Tämän jälkeen tarkasteltiin nykyisiä Väyläviraston ohjeita ja niitä Eurokoodien mukaisia standardeja, joilla oli vaikutusta portaalirakenteiden suunnitteluun ja toteutukseen. Tämän lisäksi tarkasteltiin Euroopan ulkopuolella säädettyjä määräyksiä sekä ohjeita portaalirakenteiden suunnitteluun ja toteutukseen liittyen. Viimeisenä tarkasteltiin ulkomailla toteutettuja tutkimuksia portaalirakenteisiin liittyen.

Tutkimuksessa haastateltiin liikenneympäristön ja sähköistettyjen ratarakenteiden portaalirakenteiden kanssa toimivia asiantuntijoita. Heiltä kysyttiin mielipidettä Väyläviraston ohjeiden ja tyyppipiirustusten muutostarpeista. Haastattelumenetelmäksi valittiin puolistrukturoitu teemahaastattelu. Tutkimusmenetelmän avulla haastateltavilta saatiin tutkimuksen kannalta oleellisin tieto samalla menetelmän antaessa haastateltavalle hänen vaatimansa tilan.

Haastattelujen ja kirjallisuuskatsauksen tulosten perusteella mitoitusanalyyseissä valittiin tarkasteltavaksi, olisiko mahdollista korvata Väyläviraston ristikkoportaalien aaltodiagonaalit suorilla diagonaaleilla. Rakenteen toteutettavuuden tarkasteluun sopi parhaiten suorilla diagonaaleilla mallinnetun rakenteen vaurionsietokyvyn tarkastelu. Analyysit suoritettiin FEM -ohjelmalla. Rakenteesta poistettiin diagonaaleja niin kauan kunnes saavutettiin jonkin rakenteessa olleen sauvan kapasiteetin ylittyminen.

Tutkimuksen tulokseksi saatiin, että liikenneympäristön tyyppipiirustusten mukaiset rakenteet olivat hyvässä kunnossa muutamia yksityiskohtia lukuun ottamatta. Ohjeissa tulisi tarkastella luonnollisesta tuulesta aiheutuvan väsyttävän kuorman vaikutusta sekä korkean ajoneuvoyhdistelmän ohituksesta aiheutuvien puuskien vaikutusta rakenteen rasituksiin. Näiden lisäksi ohjeissa tarvittaisiin ratkaisu yleistyvien telematiikkakylttien aiheuttamiin muutostarpeisiin. Rakenteelliseksi muutosehdotukseksi tyyppipiirustusten ristikkoportaalirakenteille saatiin, että ne voitaisiin toteuttaa suorilla diagonaaleilla. Esitetty rakenteellinen muutosehdotus vaatii kuitenkin lisätutkimuksia. Sähköistettyjen ratarakenteiden portaalirakenteiden tyyppipiirustukset vaativat päivittämistä nykyaikaan. Muutostarpeita olisi etenkin viittauksissa ja vaatimuksissa.

The guidelines for the design and selection of steel gantries for the Finnish Transport Agency’s traffic environment and electrified track structures require clarification. The guidelines for gantries on the traffic environment have not taken a position on all aspects relevant to designing gantries. Type drawings of gantries of electrified track structures are outdated. For this reason, they require an update to the present. Due to the request of the subscriber, the focus of the research was held on the steel gantries of the traffic environment.

The subscriber presented topics that needed to be looked at. Three different research methods were used to define the amendments. These were a literature review, interviews and design analyses. The literature review first looked at gantries, the loads and phenomena that affect them. This was followed by an examination of the current guidelines of the Finnish Transport Agency and the standards in accordance with the Eurocodes that had impact on the design and implementation of gantries. In addition to this, regulations outside Europe and guidelines for design and implementation of gantries were examined. Lastly, studies conducted abroad in relation to gantries were examined.

In this study, experts were interviewed working with gantries in the transport environment and electrified railway structures. They were asked for their opinion on the modification needs of guidelines and type drawings of the Finnish Transport Agency. A semi-structured themed interview was chosen as the interview method. The most relevant information for the research was obtained from the interviewees at the same time as the method gave the interviewee the space he required.

Based on the results of interviews and the literature review, it was selected in the design analyses to consider whether it would be possible to replace the wave bracing members of the Finnish Transport Agency’s lattice gantries with straight bracing members. The best way to study the feasibility of the structure with straight bracing members was studying the damage tolerance of the structure. The analyses were carried out with FEM program. Bracing members were removed from the structure until the capacity of one of the chords or bracing members in the structure were exceeded.

The result of the study was that the type drawings of the gantries of the traffic environment were in good condition except for a few details. In the guidelines should be considered the effect of the fatigue load caused by natural wind, as well as the effect of high vehicle buffeting on structural stresses should be considered. In addition to these, a solution would be needed to the guidelines caused by increasing use of variable message signs. As a structural amendment to the lattice gantries of the type drawings, it was found that they could be implemented with straight bracing members. However, the amendment requires further research. The type drawings of the gantries of the electrified railway structures require updating to modern times. There would be a need for change, especially in the references and requirements.