Siirtymärakenteiden merkitys suurnopeusradoilla

Abstract

Tässä työssä käsitellään siirtymärakenteita, joiden avulla radassa esiintyviä äkillisiä jäykkyydenmuutoksia pyritään vähentämään. Jäykkyydenmuutoksia esiintyy niin sanotuissa epäjatkuvuuskohdissa, joita voivat olla esimerkiksi siltapäädyt, tunneliaukot ja ratarummut. Tämä jäykkyydenmuutos aiheuttaa rataan lisärasituksia, jotka voivat aiheuttaa epätasaisuuksia, jotka taas aiheuttavat lisää rasitusta. Syntyvät lisärasitukset ovat dynaamisia ja täten kasvavat nopeuden kasvaessa. Aihe on siis ajankohtainen, koska Suomessa on suunnitteilla ratoja, joiden ajonopeudet ovat suurempia kuin aikaisemmin.

Tutkimus toteutettiin kirjallisuusselvityksenä, jossa hyödynnettiin sekä kotimaisia että ulkomaalaisia kirjallisuuslähteitä. Aluksi tutkittiin epäjatkuvuuskohtia, niiden esiintymistä ja vaikutusta radan tasaisuuteen. Epäjatkuvuuskohdat aiheuttivat huomattavasti enemmän korjauskustannuksia, kuin muut radan osat. Epäjatkuvuuskohtien aiheuttama epätasaisuus myös aiheutti lisäkuormituksia rataan. Tuloksena selvisi myös, että siirtymärakenteilla voidaan vaikuttaa radassa esiintyviin jäykkyydenmuutoksiin ja täten vähentää epäjatkuvuuskohtiin syntyviä epätasaisuuksia. Monia eri siirtymärakennetyyppejä löydettiin, mutta tyypillisimmät olivat siirtymälaatat ja erilaiset jäykkyyttä vähentävät rakenteet. Suurnopeusratojen merkitystä tulevaisuuden kannalta tutkittiin ja niiden lisääntyminen Suomessa sekä maailmalla vaikuttaa todennäköiseltä. Nopeuden lisäämisellä huomattiin olevan merkittävä vaikutus rataan kohdistuviin voimiin, erityisesti epätasaisen kohdan yli kuljettaessa.

Siirtymärakenteiden käyttö Suomessa on melko vähäistä ja sen lisääntymiselle olisi tarvetta erityisesti, jos nopeuksia tullaan kasvattamaan. Siirtymärakenteiden pidentäminen nykyisestä olisi myös tärkeää. Niiden pidentämisellä todettiin olevan merkittävä vaikutus lisärasitusten ehkäisemiseen. Siirtymärakenteita voitaisiin pidentää hyödyntämällä niitä monipuolisemmin, esimerkiksi lisäämällä jäykkyyttä siirtymälaatan avulla ja vähentämällä sitä jäykemmältä puolelta jäykkyyttä vähentävillä rakenteilla.

This work deals with transition structures, which are used for lessening sudden stiffness changes in the track structure. These changes in stiffness occur in so called transition zones. Examples of transition zones are bridge approaches, tunnel openings and culverts. This change in stiffness causes additional stress to the track, which can cause unevenness, which in turn causes more stress to the track. This additional dynamic load caused by the transition zone increases if the speed of the train increases. Therefore, this subject is quite timely due to the increase in speed on railways that are being designed today in Finland.

The text was written by researching Finnish and foreign works about the subject. First the effects and occurrence of transition zones on the track was researched. It was found that much more maintenance costs were spent on transition zones in comparison to other parts of the track. The unevenness caused by transition zones also caused additional loading on the track. It was found that transition structures have a reductive effect on the unevenness of the track caused by transition zones. Many different types of transition structures were found, the most typical being approach slabs and different structures that are designed to decrease the stiffness of the track. The future of high-speed rail was studied, and their increase in the future, both in Finland and abroad, seems plausible. Speed increases influenced the loads on to the track, especially increasing the loads on uneven parts of the track.

The use of transition structures, especially in Finland, is quite rare and the requirement for more usage will increase especially if the running speeds increase in the future. Increasing the length of the transition structures was also found to be a good improvement, since the increase in length was found to have a positive effect on decreasing the additional stresses caused by transition zones. Length could be increased by utilizing different types of transition structures. For an example, in addition to using an approach slab, stiffness could be decreased on the stiffer side of the track.