PRÍSPEVOK K PROBLEMATIKE ÚNAVOVÉHO NAMÁHANIA A ŽIVOTNOSTI OCEĽOVÝCH ŽELEZNIČNÝCH MOSTOV S PRIEBEŽNÝM KOĽAJOVÝM LÔŽKOM

Transcript

1 ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE STAVEBNÁ FAKULTA Katedra stavebných konštrukcií a mostov PRÍSPEVOK K PROBLEMATIKE ÚNAVOVÉHO NAMÁHANIA A ŽIVOTNOSTI OCEĽOVÝCH ŽELEZNIČNÝCH MOSTOV S PRIEBEŽNÝM KOĽAJOVÝM LÔŽKOM Ing. Richard Hlinka Obhajoba dizertačnej práce Školiteľ: Prof. Ing. Vladimír Tomica, CSc.

2 Úvod rekonštrukcie a modernizácia tratí ŽSR zvyšovanie rýchlostí rekonštrukcia železničného zvršku, spodku a mostov potreba priebežného koľajového lôžka na moste výhodné javia oceľové doskové mostovky zvyšovanie rýchlostí vlakov a zväčšovanie nápravových tlakov vozňov vlakových súprav zvýšenie dynamického namáhania jednotlivých prvkov mostov používanie ocelí vyšších pevností väčší dôraz na sledovanie únavových procesov

3 Ciele dizertačnej práce analýza roznosu zvislého pohyblivého zaťaženia cez koľajové lôžko vplyv hrúbky mostovkového plechu a vzdialenosti plochých výstuh na únavovú životnosť ortotropnej mostovky železničných mostov vplyv hrúbky mostovkového plechu dosko-roštových železničných mostov a jeho prípadného vystuženia na únavovú životnosť

4 Súčasný stav riešenej problematiky v súčasnosti platia dve normy pre návrh oceľových mostov STN Navrhovanie oceľových mostných konštrukcií, 1994 Eurokód 3: Navrhovanie oceľových konštrukcií. Časť 2: Oceľové mosty, 1998 v prílohách sú uvedené požiadavky na konštrukčné detaily oceľových mostoviek mostov pozemných komunikácií železničných mostov predpisy pre mosty pozemných komunikácií sú prepracovanejšie mosty pozemných komunikácií sú používané dlhší čas C. Beales, J. R. Cuningham, A. Bruls, H. Kostein, J. Wardenier, J. S. Leendertz a P. Menhu spôsob zaťaženia mostovky výrazne lokálne zaťažený plech mostoviek mostov pozemných komunikácií roznos zaťaženia na celú šírku plechu mostovky pri železničných mostoch jediná podmienka pre vystuženie mostovkových plechov železničných mostov t min = e / 40, t min minimálna hrúbka mostovkového plechu e vzdialenosť pozdĺžnych výstuh

5 Súčasný stav riešenej problematiky statické pôsobenie oceľových mostoviek s pribežným koľajovým lôžkom klasická teória nosníkov je nevyhovujúca stenové účinky ochabnutie šmykom pri tlačených mostovkách vydúvanie komorové mosty krútenie vnútorné sily metóda lomeníc, metóda konečných pásov, MKP,... únavové namáhanie oceľových mostoviek s pribežným koľajovým lôžkom Frýba koncentrácia napätí v mieste kríženia plechu mostovky, priečnych a pozdĺžnych výstuh špičky napätí ovplyvňujú tvar výrezu v stene priečnika hĺbka prevarenia kútových zvarov vnútorné pnutia od zvárania

6 Únava únavové poškodenia vznikajú v dôsledku opakovania plastickej lokálnej deformácie v miestach koncentrácie napätí únavový proces ovplyvňujú hlavne nasledujúce faktory: história zaťaženia a jeho účinkov na konštrukciu geometrický tvar konštrukcie a tvar dielca konštrukcie konfigurácia detailu vlastné napätia defekty (výrobné, materiálové,...) druhy únavy vysokocyklická kmitavé zaťaženie, pri ktorom je deformácia počas každého kmitu pružná malé hodnoty nominálneho napätia veľký počet kmitov do porušenia nízkocyklická kmitavé zaťažene, pri ktorom vznikajú počas každého kmitu plastické pretvorenia malý počet kmitov do porušenia

7 Podmienky spoľahlivosti na únavu Wöhlerov prístup nepripúšťame vznik a rozvoj únavových trhlín pri návrhu nových konštrukcií Δσ E Δσ C Δσ E je rozkmit napätia pre cyklov Δσ C je medza únavy pre cyklov Lineárna lomová mechanika pripúšťame vznik a rozvoj trhlín pri dohliadacej činnosti (pri stanovení zvyškovej životnosti) a < a cr a je dĺžka trhliny od účinkov zaťaženia a cr je kritická dĺžka trhliny.

8 Roznos zvislého pohyblivého zaťaženia cez koľajové lôžko a jeho dopad na plech mostovky Zaťaženie normové STN Zaťaženie mostov Základný a ťažký zaťažovací vlak odvodené od UIC-71 Špeciálna zaťažovacia sústava EN Zásady navrhovania a zaťaženia konštrukcií, časť 3: Zaťaženia mostov dopravou model 71 (súčiniteľ α podľa zaťaženia traťového úseku) zaťažovacia sústava SW 12 typov prevádzkových vlakov na únavu skutočné (prevádzkové) záznamy o preprave systém IRIS N grafikon osobnej dopravy nákladné vlaky osobné vlaky

9 Roznos zaťaženia dopravou v priečnom smere Normový roznos 3,00 m STN Zaťaženie sa roznáša na šírku 3,00 m 4:1 4:1 Eurokód 1 Zaťaženie sa roznáša pod sklonom 4:1

10 Skutočný roznos zisťovaný na základe simulácií napätosti a pretvorenia koľ. lôžka MKP vplyvy, ktoré najviac ovplyvňujú roznos hrúbka koľajového lôžka pod podvalom, modul poddajnosti štrku v koľajovom lôžku a typ mostovky vplyv jej tuhosti. F Betónový podval B - 91 S 100 kn 100 kn Koľajové lôžko (E=100MPa) Mostovkový plech

11 120 Reakcia v kontakte [kn] ,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 Skutočný roznos STN Eurokód 1 STN (+55%) Hrúbka koľajového lôžka pod podvalom (mm) MKP model 4,12 4,11 4,03 4,03 4,02 4,01 4,00 STN Eurokód 1 (časť 3) 2,80 2,80 3,00 3,00 3,00 3,00 3,00 32,0% 31,9% 25,6% 25,6% 25,3% 25,2% 25,0% 2,73 2,74 2,75 2,76 2,78 2,79 2,80 33,8% 33,4% 31,8% 31,5% 30,9% 30,5% 30,0% Hrúbka koľajového lôžka pod podvalom (mm) MKP model 81,91 80,67 79,83 79,02 77,88 76,91 76,30 STN STN (čl. 10c) Eurokód 1 (časť 3) 71,43 71,43 66,67 66,67 66,67 66,67 66,67-12,8% -11,5% -16,5% -15,6% -14,4% -13,3% -12,6% 110,72 110,72 103,34 103,34 103,34 103,34 103,34 35,2% 37,3% 29,5% 30,8% 32,7% 34,4% 35,4% 73,39 73,06 72,73 72,40 72,07 71,75 71,43-10,4% -9,4% -8,9% -8,4% -7,5% -6,7% -6,4%

12 Vplyv hrúbky koľajového lôžka pod podvalom Reakcia v kontakte (kn) Reakcia v kontakte (kn) Hrúbka koľajového lôžka pod podvalom (mm) maximálna reakcia reakcia uprostred prieč. rezu Vplyv modulu poddajnosti štrku v koľajovom lôžku Reakcia v kontakte (kn) Reakcia v kontakte (kn) Modul pretvorenia štrku v koľ. lôžku (MPa) maximálna reakcia reakcia uprostred prieč. rezu

13 A, A, A, A, Vplyv typu mostovky pod koľajovým lôžkom a) x 500 = ,000 c) 60,000 7 x 580 = ,000 b) , ,000 0,00 Tuhé podložie 1,00 2,00 Dolná ortotropna 3,00 mostovka 4,00 Horná ortotropna mostovka Dosko-roštový most Dosková mostovka - priečne stužená d)

14 Priečny roznos zaťaženia - závery modely roznosu pohyblivého zaťaženia cez koľajové lôžko v priečnom smere uvedené v norme STN a EN nedostatočne vystihujú realitu so zväčšovaním hrúbky koľajového lôžka pod podvalom dochádza k rovnomernejšiemu roznosu pohyblivého zaťaženia cez koľajové lôžko na úrovni mostovkového plechu kvalita štrku v koľajovom lôžku je vyjadrená modulom poddajnosti. Čím je jeho hodnota vyššia, tým vyššie sú extrémne hodnoty reakcií v kontakte v miestach pod koľajnicou vzhľadom na porovnanie hodnôt reakcie v kontakte koľajového lôžka a mostovkového plechu pri posudzovaní vplyvu hrúbky koľajového lôžka pod podvalom a vplyvu modulu poddajnosti štrku v koľajovom lôžku, možno konštatovať, že uvedené dva vplyvy nemajú výrazný vplyv na únavové namáhanie mostovkového plechu medzi výstuhami z výsledkov parametrických je zrejmé, že vplyv tuhosti mostovky je najdominantnejším pre roznos pohyblivého zaťaženia cez koľajové lôžko na plech mostovky. Väčšia tuhosť mostovky spôsobí nerovnomernejší roznos pohyblivého zaťaženia, čím sa zväčší aj únavové namáhanie mostovky

15 Roznos zaťaženia dopravou v pozdĺžnom smere Normový roznos STN Eurokód F=100kN F=100kN kN 50kN 25kN 25kN 50kN 25kN ,41kN/m 85,23kN/m 56,82kN/m 58,14kN/m 116,28kN/m

16 Skutočný roznos zisťovaný na základe simulácií napätosti a pretvorenia koľ. lôžka MKP vplyvy, ktoré najviac ovplyvňujú roznos hrúbka koľajového lôžka pod podvalom, modul poddajnosti štrku v koľajovom lôžku a typ mostovky vplyv jej tuhosti. 600 F koľajnica S49 F koľajnica S podval B91S mostovkový plech koľajové lôžko podval B91S 1000

17 a) b) F=100kN F=100kN 47,24kN/m 98,86kN/m 9,40kN/m 81,42kN/m 48,56kN/m 18,52kN/m F=112,5kN F=112,5kN 205,36kN/m -9,77kN/m

18 Vplyv hrúbky koľajového lôžka pod podvalom Reakcia [kn/m] Hrúbka koľajového lôžka pod podvalom Vplyv modulu poddajnosti štrku v koľajovom lôžku 120,00 Reakcia [kn/m] 90,00 60,00 30,00 0,00 Modul poddajnosti štrku v koľajovom lôžku [MPa]

19 Vplyv typu mostovky pod koľajovým lôžkom

20 Pozdĺžny roznos zaťaženia - závery schémy roznosu zaťaženia vlakovou dopravou v pozdĺžnom smere uvedené v normách STN a EN nedostatočne vystihujú skutočný roznos zaťaženia. V skutočnosti je tvar roznosu zaťaženia ale aj jeho intenzita nepriaznivejšia z hľadiska únavového namáhania pri určitom postavení vlakovej súpravy dochádza pri roznose zaťaženia v pozdĺžnom smere ku odľahčeniu časti mostovkového plechu. Tento fakt je nepriaznivý z hľadiska únavového namáhania plechu mostovky. Pri výpočte podľa normových prístupov sa tento jav nevyskytuje väčšia hrúbka štrku v koľajovom lôžku pod podvalom má za následok rovnomernejší roznos pohyblivého zaťaženia v pozdĺžnom smere. Znižuje sa maximálna hodnota reakcie v kontakte koľajového lôžka a mostovkového plechu a zväčšuje sa dĺžka, na ktorú sa zaťaženie roznáša rovnomernosť roznosu zaťaženia cez koľajové lôžko ovplyvňuje tiež modul poddajnosti štrku v koľajovom lôžku. Čím je modul poddajnosti nižší tým je roznos zaťaženia rovnomernejší, čo má priaznivý vplyv na únavové namáhanie mostovkového plechu vplyv hrúbky koľajového lôžka pod podvalom a vplyv kvality štrku v koľajovom lôžku je výraznejší v pozdĺžnom smere roznosu ako pri priečnom roznose

21 Vplyv hrúbky mostovkového plechu a vzdialenosti plochých výstuh na únavovú životnosť ortotropnej mostovky žel. mostov parametrická štúdia model skutočného mosta overený experimentálnym meraním zjednodušený model časti mostovky dynamický výpočet nahradený statickým výpočtom (výsledky prenásobené dynamickým súčiniteľom) zmena hrúbky mostovkového plechu od 12 do 22mm s krokom po 2mm vzdialenosť pozdĺžnych výstuh od 375 do 550mm s krokom po 25mm

22 Osová vzdialenosť pozdĺžnych výstuh (e) Hrúbka mostovkového plechu (t) ,25 26,79 23,44 20,83 18,75 17, ,33 28,57 25,00 22,22 20,00 18, ,42 30,36 26,56 23,61 21,25 19, ,50 32,14 28,13 25,00 22,50 20, ,58 33,93 29,69 26,39 23,75 21, ,67 35,71 31,25 27,78 25,00 22, ,75 37,50 32,81 29,17 26,25 23, ,83 39,29 34,38 30,56 27,50 25,00 vyhodnocovanie 48 rôznych modelov rovnaký sled zaťaženia (prevádzkové vlaky na únavu z EN ) Δ σ = σ σ max min

23 Vzdialenosť pozdĺžnych výstuh [mm] Vzdialenosť pozdĺžnych výstuh [mm] Priečne napätia pri výstuhe - rozkmit [MPa] Hrúbka mostovkového plechu [mm] ,07 16,86 14,69 12,82 11,21 9, ,08 17,42 15,03 13,35 11,78 10, ,44 17,54 15,29 13,50 11,83 10, ,73 18,45 16,51 14,63 12,93 11, ,12 18,56 16,94 15,26 13,64 12, ,32 19,17 17,52 16,27 14,34 13, ,75 19,64 18,09 16,69 14,63 13, ,96 20,05 18,70 17,37 15,36 14,12 Priečne napätia medzi výstuhami - rozkmit [MPa] Hrúbka mostovkového plechu [mm] ,65 11,05 9,50 8,19 7,09 6, ,69 11,40 10,10 8,86 7,86 7, ,22 12,20 10,93 9,63 8,44 7, ,37 12,39 11,15 9,91 8,78 7, ,68 12,80 11,85 10,58 9,54 8, ,99 13,10 12,37 10,87 10,05 8, ,39 13,97 13,01 11,83 10,83 9, ,57 14,24 13,56 12,31 11,38 10,21 25,00 20,00 Rozkmit napätia [MPa] 15,00 10,00 5,00 Pri výstuhe Medzi výstuhami 0, Pomer e/t

24 Vplyv hrúbky mostovkového plechu a vzdialenosti plochých výstuh na únavovú životnosť ortotropnej mostovky žel. mostov - závery Pri splnení normovej podmienky e / t 40 je rozkmit napätí v priečnom smere veľmi malý do 20MPa Rozhodujúcim bude rozkmit napätí v pozdĺžnom smere Rozkmity napätí v pozdĺžnom smere sú ovplyvnené polohou mostovky na moste horná mostovka dolná mostovka Výrazne sa prejavia napätia od spolupôsobenia mostovky s hlavným nosným systémom

25 Vplyv hrúbku mostovkového plechu doskoroštových žel. mostov a jeho prípadného vystuženia na únavovú životnosť Pri splnení normovej podmienky e / t 40 môže byť hrúbka mostovkového plechu až 25mm Vplyv zisťovaný na základe parametrickej štúdie (hrúbka mostovkového plechu od 16 do 22mm s krokom po 2mm) Model MKP neoverený meraním na skutočnej mostnej konštrukcii Zachované tie isté postupy a zjednodušenia ako pri modelovaní ortotropnej mostovky

26 Výsledky parametrickej štúdie Priečne napätia pri hlavnom nosníku - rozkmit Hrúbka mostovkového plechu [mm] Vystužený plech 31,03 27,75 26,19 23,23 21,96 19,56 18,57 Nevystužený plech 46,35 44,26 41,39 39,06 36,08 33,77 30,97 Priečne napätia medzi hlavnými nosníkmi - rozkmit Hrúbka mostovkového plechu [mm] Vystužený plech 21,97 19,75 17,49 15,17 13,67 11,83 10,77 Nevystužený plech 36,03 32,82 29,36 25,94 23,81 20,99 19,13 50,00 45,00 40,00 S pozdĺžnymi výstuhami Bez pozdĺžnych výstuh Rozkmit napätia [MPa] 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0, Pom er e/t Pri hlavnom nosníku Mezdi hlavnými nosníkmi Vyššie hodnoty rozkmitov napätí v priečnom smere mostovky ako pri ortotropnej mostovke

27 Experimentálne overenie modelu MKP tenzometrické meranie októbra 2004 sledované miesta prejazd 46 vlakových súprav 24 nákladných vlakov 12 expresných vlakov 8 osobných vlakov 2 špeciálne vlakové súpravy meracie zariadenie: SPIDER 8, tenzometre 6/120LY11 od firmy HBM spracovanie záznamu: software CatMan 4.0 L - Longitudinal strain gauge T - Transverse strain gauge

28 6,00 MPa Napätie v plechu medzi výstuhami - priečne 3,00 0,00-3,00-6,00 9,00 Napätie v plechu medzi výstuhami - pozdĺžne 6,00 3,00 0,00-3,00 0,00 Napätie na spodnej hrane výstuhy - pozdĺžne -5,00-10,00-15,00-20,00-25,00-30,00

29 Porovnanie výsledkov Napätie (MPa) 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0, Čas (s) Priebeh napätia v pozdĺžnom smere (prípoj pozdĺžnej výstuhy na plech mostovky) Namerané Vypočítané Priebeh napätia v pozdĺžnom smere (plech mostovky medzi výstuhami) Napätie (MPa) 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0, Čas (s) Namerané Vypočítané

30 Porovnanie prevádzkového a normového zaťaženia železničnou dopravou 12 typov prevádzkových vlakov v norme EN neexistuje bližší komentár ku vlakom ich radenie, geometria a nápravové tlaky nakoľko sú účinky normových prevádzkových vlakov porovnateľné s účinkami skutočných vlakov v prevádzke? experimentálne overenie simulácia na modeloch Simulácia prevádzkového zaťaženia vplyvová čiara sledovanej veličiny získaná z experimentálne overeného modelu vyhodnotenie vplyvovej čiary hodnoty sledovanej veličiny v čase sledovaná veličina = špička napätia v mieste pripojenia pozdĺžnej výstuhy na plech mostovky triediaca metóda Rain flow spektrá rozkmitov napätí histogramy napätí

31 Normové vlaky ,94 1,88 2,83 3,77 4,71 5,65 6,59 7,54 8,48 9,42 10,36 11,30 12,25 13,19 14,13 15,07 16,01 16,96 17,90 18,84 Priebeh špičky priečneho napätia v plechu v mieste pripojenia výstuhy a spektrum rozmitov pre normový prevádzkový vlak - typ ,94 1,88 2,83 3,77 4,71 5,65 6,59 7,54 8,48 9,42 10,36 11,30 12,25 13,19 14,13 15,07 16,01 16,96 17,90 18,84 Priebeh špičky priečneho napätia v plechu v mieste pripojenia výstuhy a spektrum rozmitov pre normový prevádzkový vlak - typ 8

32 Prevádzkové vlaky ,82 1,64 2,46 3,28 4,10 4,92 5,74 6,56 7,38 8,20 9,01 9,83 10,65 11,47 12,29 13,11 13,93 14,75 15,57 16,39 Priebeh špičky priečneho napätia v plechu v mieste pripojenia výstuhy a spektrum rozmitov pre skutočný vlak v prevádzke dlhý nákladný vlak ,65 1,31 1,96 2,61 3,27 3,92 4,57 5,23 5,88 6,54 7,19 7,84 8,50 9,15 9,80 10,46 11,11 11,76 12,42 13,07 Priebeh špičky priečneho napätia v plechu v mieste pripojenia výstuhy a spektrum rozmitov pre skutočný vlak v prevádzke expresný vlak

33 Porovnanie účinkov normového a skutočného prevádzkového zaťaženia časový úsek = 1 týždeň početnosť vlakových súprav Typ vlaku Počet vlakových súprav Podľa Eurokódu 1 Skutočný Osobný Expresný Nákladný Iný 0 2 Spolu Norma EN predpokladá väčší počet hlavne nákladných vlakov (rozdiel 30%) Schémy nákladných vlakov sú zložené z lokomotív s tiažou 225kN na jednu nápravu, čo približne vystihuje skutočné lokomotívy pre nákladné vlaky na tratiach ŽSR Rovnaká nápravová sila je uvažovaná aj pre väčšinu nákladných vagónov v skutočnej prevádzke sú takéto nápravové sily od vagónov len výnimočné Skutočné nákladné vlaky v prevádzke dosahujú až dvojnásobnú dĺžku oproti normovým (väčší počet vagónov = väčší počet náprav = väčší počet napäťových kmitov)

34 Histogram spektra rozmitov napätí pre prevádzku za 1 týždeň ,50 19,48 18,45 17,43 16,40 15,38 14,35 13,33 12,30 11,28 10,25 9,23 8,20 7,18 6,15 5,13 4,10 3,08 2,05 1,03 Početnosť kmitov Rozkmit napätia [MPa] Eurokód 1 Skutočnosť

35 Závery Priebežné koľajové lôžko významne ovplyvňuje roznos prevádzkového zaťaženia na mostovku. Normový roznos zaťaženia nedostatočne vystihuje skutočný roznos. Extrémne hodnoty pre únavové hodnotenia predstavujú nielen jej maximálne ale aj minimálne veľkosti. Bol preukázaný výskyt striedavého namáhania plechu medzi pozdĺžnymi výstuhami. Rozdiel medzi normovým prístupom a skutočnosťou je aj v predpokladanom zaťažení mostov a ich mostoviek. Extrémne hodnoty nápravových síl vlakov sa viac menej zhodujú, avšak v skutočnosti je početnosť náprav vlakových súprav omnoho vyššia. To má za následok väčší počet cyklov namáhania ako predpokladá norma. Na rozdiel oproti ortotropnym mostovkám mostov pozemných komunikácií, kde dominuje únavový účinok na plech mostovky medzi pozdĺžnymi výstuhami (v priečnom smere mosta), pri mostoch s koľajovou dopravou je z hľadiska únavy významnejší pozdĺžny smer. Ide hlavne o miesta spolupôsobenia mostovky s hlavným nosným systémom. V rámci tejto dizertačnej práce boli načrtnuté a riešené len niektoré problémy oceľových mostov s priebežným koľajovým lôžkom. Nakoľko dochádza k neustálemu zvyšovaniu rýchlosti na železničných tratiach, zväčšovaniu nápravových síl vagónov a používaniu vysokopevnostných ocelí bude treba čoraz viac sledovať únavové procesy na takýchto typoch konštrukcií. Táto práca má byť príspevkom k veľmi aktuálnej riešenej problematike.

36