OPIS BADAŃ 1 Środki obciążające

Do obciążenia próbnego wykorzystano zestaw złożony z dwóch lokomotyw elektrycznych ES64U4, na początku i na końcu składu oraz dwóch wagonów osobowych typu 154A (Rys. 3).

Rys. 3. Skład pociągu używanego podczas badań

Dla każdego z torów CMK zaplanowano przejazdy w obu kierunkach z prędkościami 10, 160, 180, 200 i 208. Wartość maksymalnej prędkości wynikała z braku zgody Urzędu Dozoru Kolejowego na jazdy z prędkościami większymi niż 200 km/h. Rzeczywiste prędkości jaz były zgodne z programem w granicach ±2,5 km/h.

3.2 Metody pomiaru

Do pomiaru przemieszczeń pionowych przęseł zastosowano przetworniki indukcyjne z rejestracją komputerową z wykorzystaniem systemu Spider8 firmy Hottinger Baldwin Messtechnik. Przetworniki były zamocowane na ziemi, a przemieszczenia przęsła było przenoszone przez układ sprężyna-drut. Dla wiaduktu zespolonego pomiary przemieszczeń pionowych dodatkowo były prowadzone z zastosowaniem radaru interferencyjnego IBIS-S.

Pomiary przyspieszeń prowadzono w kierunku pionowym z zastosowaniem indukcyjnych przetworników przyspieszeń z masą drgającą z rejestracją komputerową, również przy pomocy systemu Spider8.

Pomiary przemieszczeń i przyspieszeń prowadzono w przekroju w połowie rozpiętości przęsła. W przypadku wiaduktu zespolonego na pasie dolnym rozmieszczono cztery punkty pomiaru przemieszczeń i przyspieszeń w osi każdej z szyn dwóch torów. W przypadku wiaduktu płytowego na dolnej powierzchni płyty rozmieszczono 3 punkty pomiaru przemieszczeń i przyspieszeń w osi każdego trzech torów.

Pomiary prędkości przejazdu pociągu prowadzono dwoma metodami: przy wykorzystaniu fotodiody zamocowanej do szyny z rejestracją komputerową, przy pomocy systemu Spider8 oraz z poziomu pociągu prowadzono pomiary prędkości na podstawie zliczania impulsów fotokomórki związanej z kołem lokomotywy. Ze względu na intensywną

„chmurę śniegu” otaczającą przejeżdżający pociąg pomiary z wykorzystaniem fotodiody zamocowanej do szyny dawały błędne wyniki.

Ze względu na konieczność rejestracji impulsów, pochodzących od poszczególnych kół pociągu, z fotodiody zamocowanej do szyny, dla wszystkich pomiarów prowadzonych z wykorzystaniem systemu Spider8 zastosowano częstotliwość próbkowania równą 800 Hz.

Ze względu na oczekiwane charakterystyki dynamiczne konstrukcji mostowych i częstotliwości drgań wymuszonych pochodzące od przejeżdżającego pociągu wystarczające byłoby zastosowanie częstotliwości próbkowania równej 200 Hz. Pomiary z zastosowaniem radaru interferencyjnego prowadzono z częstotliwością próbkowania 190 Hz.

3.3 Wyniki pomiarów

Wykonano szczegółową analizę zarejestrowanych przebiegów ugięć i przyspieszeń.

Określono wartości ekstremalnych amplitud. Wartości te zestawiono z wartościami ugięć i przyspieszeń przęsła obliczonymi teoretycznie. Częstotliwości drgań określono na podstawie analizy drgań wymuszonych podczas przejazdu pociągu i drgań swobodnych przęsła po zjeździe pociągu oraz obliczeń gęstości widmowej. Widma zostały sporządzone za pomocą oprogramowania Catman firmy Hottinger Baldwin Messtechnik z wykorzystaniem szybkiej transformaty Fouriera (FFT).

3.3.1 Wiadukt zespolony

Przykładowe przebiegi ugięć zarejestrowane podczas przejazdu z maksymalną prędkością przedstawiono na rys. 4 a przyspieszeń na rys. 5. Wyznaczono ekstremalne wartości amplitud ugięć i przyspieszeń dla poszczególnych prędkości przejazdów pociągu.

Na podstawie analizy przebiegów ugięć i przyspieszeń stwierdzono, że w drganiach swobodnych konstrukcji przęsła wyróżnia się składowa o częstotliwości f 1 = 14,5 Hz. Na podstawie analizy drgań swobodnych wyznaczono wartości logarytmicznego dekrementu tłumienia X w zakresie od 0,10 do 0,11.

Rys. 4. Przykładowy przebieg przemieszczeń podczas przejazdu pociągu z prędkością 208 km/h

Rys. 5. Przykładowy przebieg przyspieszeń podczas przejazdu pociągu z prędkością 208 km/h

3.3.2 Wiadukt płytowy

Przykładowy przebieg przyspieszeń zarejestrowany podczas przejazdu z maksymalną prędkością przedstawiono na rys. 6. Ze względu na bardzo małe wartości ugięć (< 0,01 mm) nie prowadzono analizy amplitudowej dla przebiegów ugięć. Wyznaczono ekstremalne wartości amplitud przyspieszeń dla poszczególnych prędkości przejazdów pociągu Na podstawie analizy przebiegów przyspieszeń stwierdzono, że w drganiach swobodnych konstrukcji przęsła wyróżnia się składowa o częstotliwości f 1 = 6,3 Hz. Ze względu na niski poziom drgań swobodnych po zjeździe pociągu i znaczne tłumienie nie było możliwe wyznaczenie wartości dekrementu tłumienia.

Rys. 6. Przykładowy przebieg przyspieszeń podczas przejazdu pociągu z prędkością 208 km/h

3.4 Analiza wyników pomiarów

Podstawą do analizy wyników pomiarów była analiza statyczna i dynamiczna badanych konstrukcji. Obliczenia statyczne wykonano za pomocą programu ROBOT Millenium, natomiast analizę dynamiczną za pomocą programu MES3DRUCH, opracowanego w Politechnice Świętokrzyskiej. Konstrukcję zespoloną aproksymowano rusztem.

Konstrukcję wiaduktu płytowego aproksymowano płytą, przy założeniu upraszczającym przyjmującym połączenie przegubowe z płyty z podporami.

Analizę wyników badań przeprowadzono z uwzględnieniem następujących kryteriów:

1. analizy porównawczej zmierzonych częstotliwości drgań własnych i przyspieszeń z wartościami obliczonymi teoretycznie,

2. zgodności zmierzonych częstotliwości drgań własnych i przyspieszeń z zakresem zalecanym przez normy [6, 7],

3. analizy zmierzonych wartości współczynników przeciążeń dynamicznych.

3.4.1 Wiadukt zespolony

Na podstawie przeprowadzonej analizy porównawczej wartości zmierzonych i obliczonych teoretycznie stwierdzono, że zmierzone ugięcia nie przekraczały 46% ugięć obliczonych, a zmierzone przyspieszenia nie przekraczały 23% przyspieszeń obliczonych.

Zarejestrowane podczas badań maksymalne wartości przyspieszeń nie przekraczały wartości 0,34 m/s2 i były mniejsze od 2 m/s2, czyli nie przekraczały wartości granicznych ze względu na zachowanie dostatecznego poziomu komfortu podróży pasażerów (2 m/s2), a tym bardziej ze względu na bezpieczeństwo ruchu (3,5 m/s2) [7].

Również wymagane kryterium zgodności zmierzonych przyspieszeń z wartościami obliczonymi teoretycznie (stosunek wartości zmierzonych do obliczonych ≤ 1,15) jest spełniony [5]. Natomiast nie spełnione jest kryterium zgodności dla częstotliwości, ponieważ wartość zmierzona była równa 174% wartości obliczonej.

Zalecany przez normę [6] zakres częstotliwości drgań własnych konstrukcji dla badanego wiaduktu wynosi od 5,7 do 13,2 Hz. Zmierzona częstotliwość drgań własnych pierwszego rzędu wynosi 14,5 Hz i nieznacznie przekracza ten zakres.

Zarejestrowane podczas badań maksymalne wartości współczynnika przeciążeń dynamicznych nie przekraczały wartości 1,11. Nie stwierdzono przyrostu ekstremalnych

wartości ugięć i przyspieszeń w zależności od wzrostu prędkości.

Zarejestrowany niski poziom drgań swobodnych po zjeździe pociągu i szybkie wygasanie drgań, świadczą o znacznym tłumieniu drgań po zjeździe obciążenia.

3.4.2 Wiadukt płytowy

Na podstawie przeprowadzonej analizy porównawczej wartości zmierzonych i obliczonych teoretycznie stwierdzono, że zmierzone ugięcia były znacznie mniejsze od ugięć obliczonych, a zmierzone przyspieszenia nie przekraczały 23% przyspieszeń obliczonych.

Kryterium zgodności zmierzonych przyspieszeń i częstotliwości z wartościami obliczonymi teoretycznie (stosunek wartości zmierzonych do obliczonych ≤ 1,15) jest spełniony [5]. Oszacowana częstotliwość drgań swobodnych własnych (częstotliwość pierwszego rzędu) była równa 24% częstotliwości obliczonej.

Zalecany przez normę [6] zakres częstotliwości drgań swobodnych dla badanego wiaduktu wynosi od 14,5 do 26,5 Hz. Oszacowana częstotliwość drgań swobodnych pierwszego rzędu znajduje się poniżej tego zakresu i jest równa 6,3 Hz. Zarejestrowane podczas badań maksymalne wartości przyspieszeń nie przekraczają wartości 0,25 m/s2 i nie przekraczają wartości granicznych ze względu na zachowanie dostatecznego poziomu komfortu podróży pasażerów - 2 m/s2, a tym bardziej ze względu na bezpieczeństwo ruchu - 3,5 m/s2 [7].

Nie stwierdzono przyrostu ekstremalnych wartości przyspieszeń w zależności od wzrostu prędkości. Ze względu na bardzo niski poziom zarejestrowanych podczas badań ugięć nie analizowano współczynnika przeciążeń dynamicznych. Zarejestrowany niski poziom drgań swobodnych po zjeździe pociągu i szybkie wygasanie drgań świadczy o znacznym tłumieniu drgań po zjeździe obciążenia.

4. PODSUMOWANIE

Na podstawie analizy wyników badań w przypadku obu wiaduktów stwierdzono, że:

Zmierzone ugięcia były znacznie mniejsze od ugięć obliczonych.

Zmierzone przyspieszenia wynosiły od 0% do 23% przyspieszeń obliczonych i zarejestrowane podczas badań maksymalne wartości przyspieszeń nie przekraczały wartości 0,34 m/s2 dla wiaduktu zespolonego oraz 0,25 m/s2 dla wiaduktu płytowego i w przypadku obu obiektów były mniejsze od wartości granicznych ze względu na zachowanie dostatecznego poziomu komfortu podróży pasażerów oraz ze względu na bezpieczeństwo ruchu [7].

Oszacowana częstotliwość drgań swobodnych pierwszego rzędu wiaduktu zespolonego znajduje się powyżej zalecanego przez normę [6] zakresu i jest równa 14,5 Hz.

Oszacowana częstotliwość drgań swobodnych pierwszego rzędu wiaduktu płytowego znajduje się poniżej zalecanego przez normę [6] zakresu i jest równa 6,3 Hz.

W przypadku obu obiektów nie zaobserwowano wzrostu mierzonych wartości maksymalnych przyspieszeń i ugięć przy wzroście prędkości przejazdu pociągu

Kryterium zgodności zmierzonych przyspieszeń z wartościami obliczonymi teoretycznie (stosunek wartości zmierzonych do obliczonych ≤ 1,15) jest spełniony dla obu konstrukcji [5].

W przypadku obu obiektów stwierdzono znaczne tłumieniu drgań po zjeździe obciążenia.

Wobec pomyślnego przebiegu próbnego obciążenia i pozytywnych wyników przeprowadzonych pomiarów oba wiadukty dopuszczono do eksploatacji do prędkości Vmax ≤ 200 km/h dla taboru konwencjonalnego i prędkości Vmax ≤ 250 km/h dla taboru z

wychylnym pudłem.

Stwierdzone, znaczne rozbieżności zmierzonych i obliczonych wartości częstotliwości drgań własnych, ugięć i przyspieszeń są typowe dla obiektów o małej rozpiętości przęseł, co było szczególnie widoczne dla wiaduktu płytowego i znajduje potwierdzenie w pracy [3].

Znaczne rozbieżności wyników pomiarów i obliczeń analitycznych nasuwają wniosek, o celowości kontynuowania badań tego typu obiektów pod obciążeniem dynamicznym.

PIŚMIENNICTWO

[1] Wołowicki, W. , Sturzbecher, K. Apanas, L.: Badania dynamiczne pewnych typów mostów kolejowych związane z ich dostosowaniem do dużych prędkości taboru.

Inżynieria i Budownictwo, nr 5/2005, s. 260-264.

[2] Łaziński, P., Salamak, M.: O badaniach mostów pod próbnym obciążeniem. Inżynieria i Budownictwo, nr 5-6/2010, s. 300-303.

[3] M. Heiden M., Stadler C.: Vibration investigation of existing railway viaducts in Austria. Proc of the Conference: Experimental Vibration Analysis for Civil Engineering Structures EVACES’09, Wrocław 2009, s. 581-590.

[4] Stampler J., Janjic D., Handel C.: Standardized serviceability tests of railway bridges.

Proc of the Conference: Experimental Vibration Analysis for Civil Engineering Structures EVACES’07, Porto 2007, s. 1271-1278.

[5] Standardy techniczne - Szczegółowe warunki techniczne dla modernizacji lub budowy linii kolejowych do prędkości Vmax ≤ 200 km/h (dla taboru konwencjonalnego)/250 km/h (dla taboru z wychylnym pudłem)” - Tom III Kolejowe obiekty inżynieryjne - Wersja 1.1, PKP Polskie Linie Kolejowe S.A., Centrum Naukowo-Techniczne Kolejnictwa, Warszawa 2010 r.

[6] Norma PN-EN 1991-2:2007 Eurokod 1: Oddziaływania na konstrukcje - Część 2:

Obciążenia ruchome mostów.

[7] Norma PN-EN1990:2004 Eurokod 0: Podstawy projektowania konstrukcji.

TESTS OF TWO RAILWAY STRUCTURES ON A CENTRAL RAILWAY LINE