Rautatiesiltojen dynaaminen tarkastelu suurnopeuksilla

Abstract

Rataverkon henkilöliikenteelle on asetettu tavoitteita nopeuden nostamiseksi. Tämän vuoksi nykyisten rautatiesiltojen käyttökelpoisuutta tulevaisuudessa tulee tarkastella, sillä suunnittelustandardit määräävät tehtäväksi dynaamisen analyysin junien suurimman sallitun nopeuden ollessa yli 200 km/h. Eurokoodit sisältävät kuvauksen yksinkertaistetusta mitoitusmenettelystä, mutta varsinainen ohjeistus nykyisten siltojen dynaamisesta analyysistä puuttuu. Tämän työn tavoitteena oli arvioida nopeuden nostamisen vaikutuksia Suomen rataverkon silloille sekä esitellä dynaaminen analyysi. Nykyisistä silloista kerättiin tietoa Taitorakennerekisteristä, minkä perusteella tarkasteltavaksi valittiin tyypillisiä rataverkon siltoja. Suunnitteluohjeiden ja kirjallisuustutkimuksen pohjalta kerrottiin dynaamisen analyysin vaatimukset ja tärkeimmät tekijät. Yksiaukkoisten vapaasti tuettujen siltojen taipumien määrittämiseksi esiteltiin analyyttinen menetelmä. Kahdelle teräsbetoniselle laattasillalle laskettiin liikkuvien junakuormien tuottamat taipumat, joita verrattiin FEM-ohjelmiston tuloksiin. Täten varmistuttiin FEM-ohjelmiston soveltuvuudesta tutkimuksen tarpeisiin ennen laskennan suorittamista koko valitulle aineistolle. Laskentatuloksia vertailtiin keskenään eri siltatyyppien ja jännemittojen välillä sekä raja-arvoihin. Kannen taipumille ja pystykiihtyvyyksille on asetettu liikenneturvallisuuden raja-arvot. Kiihtyvyyden noustessa liian suureksi, on riski radan tukikerroksen epästabiiliudelle sekä junan ja raiteiden kosketusvoimien liialliselle pienenemiselle. Tarkastelluista silloista eniten ongelmia havaittiin jännitetyillä betonisilla ulokelaattasilloilla ja jännitetyllä betonisella palkkisillalla. Näillä silloilla tarkasteltavat junat aiheuttivat resonanssin ja voimakkaita vasteita, mitä osaltaan selittävät jännittämättömiä rakenteita pienempi vaimennus sekä rakenteiden hoikkuus. Myös muilla tarkastelluilla siltatyypeillä havaittiin raja-arvot ylittäviä vasteita. Rataliikenteen nopeuksien nostoa suunniteltaessa tulee kiinnittää huomiota erityisesti jännitettyihin siltoihin sekä hoikkiin rakenteisiin, sillä hoikkuuden tuomat vaikutukset ominaistaajuuteen ja massaan altistavat värähtelyongelmille. Työn tulosten perusteella havaittiin tärkeitä tekijöitä sillan värähtelyn ja dynaamisen analyysin kannalta. Vasteiden muodostuminen ja resonanssi riippuvat voimakkaasti junien ominaisuuksista, erityisesti akseliväleistä. Jotta siltojen käyttökelpoisuus tulevaisuuden tarpeisiin voitaisiin arvioida parhaalla tavalla, tulisi käytettävä junakalusto ennakoida mahdollisimman tarkasti. Dynaamisen analyysin kannalta havaittiin, että analyysin lopputulokset ovat herkkiä lähtötiedoille ja rakennemallivalinnoille. Pienet muutokset lähtötiedoissa tai erilaisten vaikutusten huomioiminen rakennemallissa muuttavat dynaamisen analyysin lopputuloksia merkittävästi. Lähtötietojen ja standardin arvojen osalta tulisi pyrkiä varmistumaan, että ne vastaisivat todellisia arvoja mahdollisimman hyvin.

Targets have been set for increasing the speed of passenger rail traffic. The usability of existing railway bridges in the future needs to be evaluated, as design standards require a dynamic analysis when train speeds exceed 200 km/h. The Eurocode includes a description of a simplified design procedure, but specific guidance on the dynamic analysis of existing bridges is lacking. The aim of the master’s thesis was to assess the impacts of increasing train speeds on existing bridges and to present a dynamic analysis. Information was collected from Taitorakennerekisteri on the existing bridges, and then typical bridges were selected to the study. Based on the design guidelines and literature review, the requirements and key factors for dynamic analysis were presented. An analytical method was described for determining the deflections of single-span simply supported bridges. Deflections caused by moving train loads were calculated for two reinforced concrete slab bridges, which were the compared to the results from the FEM software. This ensured the suitability of the FEM software for the research needs before performing calculations for all selected bridges. The calculation results were compared among different bridge types and span lengths, as well as against limit values. Traffic safety limit values have been set for deflections and vertical accelerations. As accelerations increases too much, there is a risk of instability in the track support layer and excessive reduction in the contact forces between the train and the rails. Among the examined bridges, the most issues were observed in the prestressed cantilever slab bridges and the prestressed beam bridge. The trains examined on these bridges caused resonance and strong responses, which can be partly explained by the slenderness of the struc-tures and the lower damping. Responses exceeding the limits were also observed in other bridge types. When planning to increase speeds in rail traffic, special attention should be paid to post-tensioned bridges and slender structures, as the effects of slenderness on natural frequency and mass expose them to vibration issues. Based on the results of the study, important factors for bridge vibration and dynamic analysis were identified. The responses and resonance depend heavily on the characteristics of the trains, particularly the axle spacing. To best assess the usability of bridges to future needs, the rolling stock used should be predicted as accurately as possible. From the perspective of dynamic analysis, it was found that the results of the analysis are sensitive to input data and structural model choices. Small changes in the input data or in the structural model can significantly alter the results of the dynamic analysis. It is essential to ensure that the input data and standard values correspond as closely as possible to real values.