REZULTATY ANALIZY NUMERYCZNEJ ROZKŁADU NAPRĘŻEŃ W ODELACH PODKŁADU

3.1. Naprężenia normalne

Jako rezultat działań numerycznych otrzymano zbiór wartości: największych naprężeń normalnych max(+)

, największych naprężeń normalnych max(-)

, największych amplitud naprężeń normalnych (+) i (-), najmniejszych naprężeń normalnych min(+)

, najmniejszych naprężeń normalnych min(-)

, najmniejszych amplitud naprężeń normalnych (+) i (-).

Rysunek 3 ilustruje wartości maksymalnych naprężeń normalnych rozciągających (r > 0) w funkcji rodzaju podkładu i sposobu podparcia podkładu na podsypce [5].

Na rysunku 4 przedstawiono kształtowanie się wartości maksymalnych naprężeń ściskających (c < 0), podobnie jak poprzednio, zależnie od rodzaju podkładu i sposobu podparcia podkładu na podsypce [5].

Natomiast rysunek 5 jest prezentacją wartości amplitud maksymalnych naprężeń normalnych (+) i (-) w poszczególnych modelach badawczych A-J, w odniesieniu do czterech analizowanych rodzajów podkładów.

Rys. 3. Wartości maksymalnych naprężeń normalnych rozciągających (r > 0) w funkcji rodzaju podkładu i sposobu podparcia podkładu na podsypce [5]

Rys. 4. Wartości maksymalnych naprężeń normalnych ściskających (r < 0) w funkcji rodzaju podkładu i sposobu podparcia podkładu na podsypce [5]

Rys. 5. Amplituda maksymalnych naprężeń normalnych (+) i (-) w poszczególnych modelach badawczych A-J, zależnie od rodzaju podkładu [5]

W oparciu o powyższe rezultaty badań sformułowano wnioski:

1) Najbardziej korzystnymi modelami podkładu posadowionego na podsypce (z uwagi na wartości naprężeń normalnych i ich amplitudy) są te, w których maksymalne zagęszczenie podsypki występuje w strefie pod szynami, czyli w obszarze przyłożenia obciążenia eksploatacyjnego (modele H, A, C). W tych modelach max naprężenia (+) i (-) wykazują wartości najniższe w podkładach drewnianych.

2) Najbardziej niekorzystnymi modelami (ze względu na wartości naprężeń normalnych i ich amplitudy) są modele E, D, F, B, I, J, w których stopień zagęszczenia podsypki pod strefą

obciążenia jest niezadawalający lub struktura zagęszczenia podsypki jest asymetryczna.

W tych modelach max naprężenia (+) i (-) osiągają wartości najniższe w podkładach strunobetonowych.

3) Najniższe amplitudy naprężeń normalnych stwierdzono dla wszystkich typów podkładów w modelach H, A, C, należących do najbardziej korzystnych (symetryczny rozkład zagęszczenia podsypki i maksymalne zagęszczenie w strefach pod szynami).

4) Podkład strunobetonowy typu PS-94 nie wykazuje najniższych wartości naprężeń normalnych, jednak jego charakter pracy jest najbardziej stabilny, ponieważ zmiany wartości maksymalnych naprężeń i amplitud w zależności od zmian struktury zagęszczenia podsypki pod podkładem są niewielkie.

3.2. Naprężenia styczne

Wyniki badań przedstawione są w postaci wykresów na rysunkach:

- rys. 6: maksymalne naprężenia styczne (+) w modelach podkładów w zależności od schematu zagęszczenia podsypki;

- rys. 7: maksymalne naprężenia styczne (-) w modelach podkładów w zależności od schematu zagęszczenia podsypki;

- rys. 8: amplituda max naprężeń stycznych (+) i (-) w modelach podkładów, zależnie od schematu zagęszczenia podsypki.

Rys.6. Maksymalne naprężenia styczne (+) w modelach podkładów w zależności od schematu zagęszczenia podsypki [5]

Rys.7. Maksymalne naprężenia styczne (-) w modelach podkładów w zależności od schematu zagęszczenia podsypki [5]

Rys. 8. Amplituda max naprężeń stycznych (+) i (-) w modelach podkładów, zależnie od schematu zagęszczenia podsypki [5]

Rezultaty pomiarów naprężeń stycznych prowadzą do stwierdzeń:

1) Biorąc pod uwagę stan naprężeń stycznych (+), oba badane rodzaje podkładów (drewniane i strunobetonowe) dość dynamicznie reagują na zmiany podparcia w podłożu (rozmieszczenie stref zagęszczenia i wartość wskaźnika zagęszczenia. Wartości naprężeń w podkładach drewnianych kształtują się na poziomie najniższym, co jest niewątpliwie zaletą.

Oba typy podkładów drewnianych (miękkie i twarde drewno) zachowują się podobnie – wartości tych naprężeń są zbliżone w poszczególnych modelach zagęszczenia podłoża.

Prawidłowość taka nie występuje w przypadku podkładów strunobetonowych: największe wartości naprężeń wykazuje podkład PS-83. Pomimo zaobserwowanego największego stanu wytężenia (rys. 6) podkład PS-83 okazał się najbardziej stabilny wobec zmian warunków podparcia.

2) Rozpatrując wykresy naprężeń stycznych (-) przedstawione na rysunku 7, najbardziej stabilnym okazał się podkład strunobetonowy PS-94 (najmniejsze wartości naprężeń stycznych i brak jakiejkolwiek zmiany wartości naprężeń wobec zmian warunków posadowienia). Największe wartości analizowanych naprężeń wystąpiły ponownie w podkładzie PS-83. Natomiast wartości pośrednie naprężeń i stricte jednakowe odnotowano w modelach z podkładami drewnianymi.

3) Z wykresów amplitud maksymalnych naprężeń (+) i (-) wywnioskowano (rys. 8):

- najkorzystniej zachowuje się podkład PS-94 (najmniejsze wartości amplitud i umiarkowane ich wahania),

- wartości amplitud naprężeń w obu typach podkładów drewnianych (różniących się zasadniczo twardością komponentu) są praktycznie jednakowe,

- największe wartości amplitud naprężeń wykazuje podkład PS-83, jednak ich wahania w zależności od zmian stanu zagęszczenia ośrodka ziarnistego w podłożu są nieznaczne.

4) Podkład strunobetonowy PS-94 wykazuje wyjątkową stabilność pracy w nawierzchni (rys. 7), niezależnie od konfiguracji stref zagęszczenia w podsypce (symetria lub asymetria). Wydaje się być wysoce niezawodnym elementem drogi kolejowej, odpowiednim dla szlaków na których planowana jest jazda pociągów ze znaczną prędkością i o dużej masie brutto. Z wykresów na rysunkach 6, 7, 8 wynika, że podkłady strunobetonowe PS-83, należące do starszej generacji rodziny tych elementów (krótsze, wytwarzane z niższej klasy betonu i inaczej sprężane niż podkłady PS-94) funkcjonują nieefektywnie. Z powyższych rozważań wynika następująca konkluzja: ewolucja sprężonych elementów nawierzchni kolejowej postępuje we właściwym kierunku i przyczynia się do bardziej efektywnego użytkowania tego typu konstrukcji.

4. PODSUMOWANIE

Analiza modeli podkładów w zmiennych warunkach podparcia na podsypce wykazała między innymi pozytywną cechę zachowania się podkładów strunobetonowych typu PS-94 w odniesieniu do podkładów strunobetonowych starszego typu (PS-83). Tą cechą jest stabilność, czyli utrzymanie „reżimu” niewielkich zmian stanu naprężeń normalnych i amplitud wobec zmian struktury zagęszczenia podsypki (symetria lub asymetria stref zagęszczenia), będących wynikiem zaniedbań w utrzymaniu toru albo wystąpienia nagłej lokalnej destrukcji podłoża, wygenerowanej sytuacją kryzysową (np. wysoki poziom wody gruntowej i jej filtracja).

Rezultaty wykonanych obliczeń numerycznych stanowią potwierdzenie obowiązującej w praktyce zasady zagęszczania podsypki w strefie podszynowej. Ponadto, odnośnie podkładów strunobetonowych, istotny jest wpływ lokalizacji strefy intensywnego zagęszczenia podsypki na generowanie uszkodzeń tych podkładów, na przykład pęknięcia górnej płaszczyzny podkładu w jego strefie środkowej. Źródłem pochodzenia tych pęknięć jest praca obciążonego eksploatacyjnie podkładu według schematu statycznego belki z obustronnymi wspornikami, podpartej w pionowej osi symetrii.

Piśmiennictwo

[1] Id-3 Warunki Techniczne Utrzymania Podtorza Kolejowego. PKP Polskie Linie Kolejowe S.A., Warszawa 2009.

[2] Standardy Techniczne-Szczegółowe warunki techniczne dla modernizacji lub budowy linii kolejowych do prędkości v 200 km/h dla taboru konwencjonalnego i v 250 km/h dla taboru z wychylnym nadwoziem. Centrum Naukowo Techniczne Kolejnictwa, Warszawa 2009.

[3] Surowiecki A.: Podstawy teorii nawierzchni dróg szynowych. Wykłady dla studiów doktoranckich. Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, Instytut Budownictwa, Wrocław 2011.

[4] Surowiecki A.: Prędkość jazdy jako parametr w technice transportu szynowego. Projekt badawczy PWr., Politechnika Wrocławska, Instytut Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn, Zakład Logistyki Transportu, Wrocław 2010.

[5] Wasiak M.: Analiza współpracy podkładu kolejowego z podłożem. Pr. magisterska.

Promotor: Surowiecki A., Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, Instytut Budownictwa, Wrocław 2011.

NUMERICAL ANALYSIS OF STRESS STATE OF RAILWAY SLEEPER