Pohjainten toimivuuden mallintaminen rautatietärinän vaimentamisessa
Söderholm, Anniina (2025)
2025
Rakennustekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Civil Engineering
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
2025-01-30
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202501301828
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202501301828
Tiivistelmä
Tässä diplomityössä tarkasteltiin ratapölkyn alle asennettavien pohjainten käytettävyyttä rautatietärinän vaimentamiseen. Työ koostuu kirjallisuusselvityksestä sekä laskentatutkimuksesta. Tehdyn kirjallisuusselvityksen tarkoituksena oli esitellä värähdysliikettä, liikennetärinän vaikutuksia ja tärinän mallintamista elementtimenetelmällä teoreettisella tasolla. Pohjainten toimivuutta tarkasteltiin pääosin kaksiulotteisilla FEM-mallinnuksilla, joihin yhdistettiin erilaisia mittausdatasta tai 3D-mallinnuksista muodostettuja junaherätteitä. Laskentatulosten perusteella tehtiin arvio pohjainten soveltuvuudesta tärinän vaimennukseen erilaisissa pohjamaaolosuhteissa.
Työssä pyrittiin mallintamalla selvittämään maanpinnan hallitsevat taajuusalueet, kun junan ajonopeudet olivat 50 km/h ja 70 km/h. Tuloksia tarkasteltiin pystysuuntaisen heilahdusnopeuden ja taajuusjakauman kautta. Tarkasteluissa käytettiin kolmea eri jäykkyyksistä pohjamaatyyppiä: savea, silttiä ja moreenia. Hallitsevat taajuudet selvitettiin 14 m etäisyydellä raiteen keskilinjasta, ja ne olivat välillä 1,3–10 Hz. Taajuudet esitettiin tuloksissa terssikaistoittain. Taajuusalueet riippuivat jonkin verran tarkasteltavasta junan nopeudesta. Pohjaimen käyttö ei vaikuttanut hallitseviin taajuuksiin. Myös pengerpaksuuden vaikutusta värähtelyyn tarkasteltiin mallintamalla.
Tehdyissä tarkasteluissa huomattiin pohjaimen vaikuttavan erityisesti kuorman jakautumiseen ratarakenteelle. Saadut tulokset antavat jonkinlaista käsitystä pohjaimen hyödyllisyydestä rautatietärinän vaimentamisessa erityyppisissä kohteissa. Pohjaimen vaikutus rautatietärinän vaimennukseen on työn perusteella suurin matalilla pengerpaksuuksilla välimaalajeilla, joilla primäärinen jousto syntyy lähellä pohjamaan pintaosaa. 2D-laskentamallin toimintaan liittyvien epätarkkuustekijöiden takia saatuja tuloksia voidaan pitää luonteeltaan suuntaa antavina. This master's thesis examined the functionality of under-sleeper pads in mitigating railway vibrations. The work consists of a literature review and a computational study. The aim of the literature review was to research vibrational motion, the effects of traffic-induced vibrations, and the modeling of vibrations using the finite element method at a theoretical level. The functionality of the under-sleeper pads was mainly analyzed through two-dimensional FEM modeling. The model was combined with various dynamic loads which presented the effect from the train, formed from measurement data or 3D models. Based on the modeling results, an assessment was made regarding the suitability of the under-sleeper pads for vibration mitigation under different ground conditions.
The study aimed to model and identify the dominant frequency ranges of the ground surface when train speeds were 50 km/h and 70 km/h. The results were examined through vertical oscillation velocity and frequency distribution. Three different soil types with varying stiffness were used: clay, silt, and moraine. The dominant frequencies were identified at 14 meters from the centerline of the track, ranging from 1.3 to 10 Hz. The frequencies were presented in the results in one-third octave bands. The frequency ranges varied somewhat depending on the examined train speed. The use of the under-sleeper pads did not significantly affect the dominant frequencies. The impact of embankment thickness on vibration was also examined through modeling.
From the analyses conducted, it was observed that the under-sleeper pads particularly influenced the load distribution on the track structure. The results provide some insight into the applicability of the under-sleeper pads in mitigating railway vibrations in various contexts. According to the findings, the effect of the under-sleeper pads on railway vibration mitigation is greatest with shallow embankment thicknesses for transitional soil types such as silt, where primary deformation occurs close to the surface of the ground. Due to inaccuracies related to the functioning of the 2D calculation model, the obtained results can be considered indicative in nature.
Työssä pyrittiin mallintamalla selvittämään maanpinnan hallitsevat taajuusalueet, kun junan ajonopeudet olivat 50 km/h ja 70 km/h. Tuloksia tarkasteltiin pystysuuntaisen heilahdusnopeuden ja taajuusjakauman kautta. Tarkasteluissa käytettiin kolmea eri jäykkyyksistä pohjamaatyyppiä: savea, silttiä ja moreenia. Hallitsevat taajuudet selvitettiin 14 m etäisyydellä raiteen keskilinjasta, ja ne olivat välillä 1,3–10 Hz. Taajuudet esitettiin tuloksissa terssikaistoittain. Taajuusalueet riippuivat jonkin verran tarkasteltavasta junan nopeudesta. Pohjaimen käyttö ei vaikuttanut hallitseviin taajuuksiin. Myös pengerpaksuuden vaikutusta värähtelyyn tarkasteltiin mallintamalla.
Tehdyissä tarkasteluissa huomattiin pohjaimen vaikuttavan erityisesti kuorman jakautumiseen ratarakenteelle. Saadut tulokset antavat jonkinlaista käsitystä pohjaimen hyödyllisyydestä rautatietärinän vaimentamisessa erityyppisissä kohteissa. Pohjaimen vaikutus rautatietärinän vaimennukseen on työn perusteella suurin matalilla pengerpaksuuksilla välimaalajeilla, joilla primäärinen jousto syntyy lähellä pohjamaan pintaosaa. 2D-laskentamallin toimintaan liittyvien epätarkkuustekijöiden takia saatuja tuloksia voidaan pitää luonteeltaan suuntaa antavina.
The study aimed to model and identify the dominant frequency ranges of the ground surface when train speeds were 50 km/h and 70 km/h. The results were examined through vertical oscillation velocity and frequency distribution. Three different soil types with varying stiffness were used: clay, silt, and moraine. The dominant frequencies were identified at 14 meters from the centerline of the track, ranging from 1.3 to 10 Hz. The frequencies were presented in the results in one-third octave bands. The frequency ranges varied somewhat depending on the examined train speed. The use of the under-sleeper pads did not significantly affect the dominant frequencies. The impact of embankment thickness on vibration was also examined through modeling.
From the analyses conducted, it was observed that the under-sleeper pads particularly influenced the load distribution on the track structure. The results provide some insight into the applicability of the under-sleeper pads in mitigating railway vibrations in various contexts. According to the findings, the effect of the under-sleeper pads on railway vibration mitigation is greatest with shallow embankment thicknesses for transitional soil types such as silt, where primary deformation occurs close to the surface of the ground. Due to inaccuracies related to the functioning of the 2D calculation model, the obtained results can be considered indicative in nature.