Комплексне дослідження впливу динамічного навантаження від рухомого складу залізниці на напружено-деформований стан залізобетонних шпал із врахуванням вимог ДСТУ EN 13230

Abstract

Актуальність задачі комплексного дослідження напружено-деформованого стану залізобетонних шпал, викликана підвищеною дією навантажень на шпали від рухомого складу та підвищенням швидкостей руху. Ці чинники призводять до підвищеної динамічної дії рухомого складу на залізобетонні шпали, які у свою чергу та ряд інших факторів, викликають пошкодження та дефекти залізобетонних шпал в експлуатаційних умовах [1–5]. При цьому тріщини та виколювання бетону спричиняють корозійні пошкодження арматури залізобетонних шпал, що у кінцевому підсумку впливає на довговічність шпал, а також на забезпечення безпеки руху поїздів. У результаті значна кількість наукових досліджень присвячена підвищенню надійності та несучої здатності залізобетонних шпал. Ведуться дослідження із підвищення довговічності шпал методом застосуванням композитної арматури замість сталевої [4, 6–9]. Одним із достовірних методів оцінки ефективності удосконалених рішень із підвищення несучої здатності та довговічності залізобетонних шпал є застосування методу скінченних елементів [10]. При удосконалені конструктивних рішень шпал та математичному моделювання напружено-деформованого стану шпал слід виконувати вимоги нормативних документів [11–13]. Тому у магістерській кваліфікаційній роботі проводиться дослідження впливу навантажень від рухомого складу залізниці на напружено-деформований стан залізобетонних шпал із врахуванням вимог імплементованих норм ДСТУ EN 13230. Об’єкт дослідження – залізобетонні шпали. Предмет дослідження – напружено-деформований стан залізобетонних шпал при дії рухомого складу залізниці. Мета дослідження – провести оцінку впливу динамічного навантаження від рухомого складу залізниці на напружено-деформований стан залізобетонних шпал із врахуванням вимог ДСТУ EN 13230. За результатами магістерської кваліфікаційної роботи виконано такі задачі досліджень: -проведено аналіз факторів, які впливають на дефектність залізобетонних шпал в експлуатаційних умовах залізниці; -проведено аналіз наукових праць, щодо методів досліджень напружено-деформованого стану залізобетонних шпал; -проведено розрахунок вертикальних та горизонтальних бічних навантажень на залізобетонні шпали від рухомого складу залізниці у кривій ділянці колії; -проведено комплексне дослідження напружено-деформованого стану залізобетонної шпали із врахуванням дії динамічного навантаження від рухомого складу залізниці. Із проведеного аналізу наукових праць встановлено, що основними дефектами залізобетонних шпал в експлуатаційних умовах є повздовжні та поперечні тріщини, виколювання захисного шару бетону шпали, електрокорозія арматури шпал. При цьому факторами, які призводять до зменшення довговічності та несучої здатності залізобетонних шпал є вплив підвищених динамічних навантажень на шпали, вплив кліматичних температурних перепадів, вплив блукаючих струмів та вплив якості ущільнення щебеневого баласту під шпалою. Встановлено, що для оцінювання напружено-деформованого стану залізобетонних шпал при дії рухомого складу залізничного транспорту доцільно використовувати метод скінченних-елементів. При математичному моделювання напружено-деформованого стану шпал слід дотримуватися вимог EN 13230 у контексті задання навантажень та граничних умов при розрахунках. Проведено методику розрахунку вертикальних, горизонтальних бічних навантажень та крутного моменту на залізобетонну шпалу від дії одиночного вертикального навантаження від рухомого складу залізниці. Розрахунок виконано для кривої радіусом 300 м і при дії навантажень від локомотиву ЧС 7. За результатами досліджень встановлено, що підвищення швидкості руху локомотиву ЧС 7 призводить до підвищення значень сил, які діють на шпалу. При цьому у кривій ділянці колії значення сил діють нерівномірно від впливу внутрішньої та зовнішньої рейок колії. На основі проведених теоретичних досліджень встановлено, що при швидкості руху локомотиву ЧС 7 рівній 160 км/год величина максимальної вертикальної сили від впливу зовнішньої рейки на шпалу склала 84,21 кН, а від впливу внутрішньої рейки – 51,8 кН. У цей час максимальні значення горизонтальної бічної сили від впливу зовнішньої рейки склали 44,39 кН, а від впливу внутрішньої рейки – 10,9 кН. Величина максимальних значень згинальних моментів при швидкості локомотиву ЧС 7 рівній 160 км/год від впливу навантажень від зовнішньої рейки склали 5,1 кН, а від впливу внутрішньої рейки – 1,25 кН. За результатами комплексного моделювання напружено-деформованого стану залізобетонної шпали при впливі навантажень від рухомого складу встановлено, що максимальна величина напружень у залізобетонній шпалі при дії локомотиву ЧС 7 склала 1,65 МПа, величина максимальних переміщень – 6,96?10-3 мм, а максимальних деформацій – 3,55?10-5 мм. Встановлено, що запас міцності шпали при дії вертикальних сил та горизонтальних бічних сил від локомотиву ЧС7 при швидкості руху 160 км/год у кривій ділянці колії радіусом 300 м складає 58,8 %. Проведені досліджень дозволяють констатувати, що дана методика дозволяє провести комплексні дослідження оцінки запасу міцності залізобетонних шпал при їх проєктування. Це дозволить приймати технічні рішення та конструктивні матеріали для підвищення міцності залізобетонних шпал у залежності від умов експлуатації.The relevance of a comprehensive study of the stress–strain state of reinforced concrete sleepers is determined by the increased load impact from rolling stock and the growing train speeds. These factors lead to an increased dynamic effect of rolling stock on reinforced concrete sleepers, which, along with a number of other factors, cause damage and defects in reinforced concrete sleepers under operational conditions [1–5]. At the same time, cracks and concrete spalling result in corrosion damage to the reinforcement of reinforced concrete sleepers, which ultimately affects their service life as well as the safety of train traffic. As a result, a significant number of scientific studies are devoted to improving the reliability and load-bearing capacity of reinforced concrete sleepers. Research is being conducted to enhance sleeper durability by replacing steel reinforcement with composite reinforcement [4, 6–9]. One of the most reliable methods of evaluating the effectiveness of improved solutions for increasing the load-bearing capacity and durability of reinforced concrete sleepers is the finite element method [10]. When improving the design solutions for sleepers and performing mathematical modeling of their stress–strain state, the requirements of regulatory documents must be followed [11–13]. Therefore, in this master’s thesis, a study is conducted on the influence of railway rolling stock loads on the stress–strain state of reinforced concrete sleepers, taking into account the requirements of the implemented standards of DSTU EN 13230. Object of research – reinforced concrete sleepers. Subject of research – the stress–strain state of reinforced concrete sleepers under the action of railway rolling stock. Purpose of research – to assess the impact of dynamic loading from railway rolling stock on the stress–strain state of reinforced concrete sleepers in accordance with the requirements of DSTU EN 13230. According to the results of the master’s thesis, the following research tasks were completed: -an analysis of the factors influencing the occurrence of defects in reinforced concrete sleepers under railway operational conditions was carried out; -an analysis of scientific works on research methods of the stress–strain state of reinforced concrete sleepers was performed; -calculations of vertical and horizontal lateral loads on reinforced concrete sleepers from railway rolling stock in a curved track section were performed; -a comprehensive study of the stress–strain state of reinforced concrete sleepers under the influence of dynamic loads from railway rolling stock was conducted. The analysis of scientific works revealed that the main defects of reinforced concrete sleepers under operational conditions are longitudinal and transverse cracks, spalling of the protective concrete layer, and electrocorrosion of reinforcement. The factors that reduce the durability and load-bearing capacity of reinforced concrete sleepers include increased dynamic loads, fluctuations in climatic temperatures, stray currents, and the quality of ballast compaction beneath the sleeper. It was established that to evaluate the stress–strain state of reinforced concrete sleepers under the action of railway rolling stock, the finite element method is advisable. When performing mathematical modeling of the stress–strain state of sleepers, the requirements of EN 13230 regarding load application and boundary conditions should be followed. A methodology for calculating vertical loads, horizontal lateral loads, and torque on a reinforced concrete sleeper from a single vertical load of railway rolling stock was developed. The calculation was performed for a curve with a radius of 300 m under the load from the ChS7 locomotive. The research results showed that increasing the speed of the ChS7 locomotive leads to higher force values acting on the sleeper. In the curved track section, these forces act unevenly due to the influence of the inner and outer rails. Based on theoretical studies, it was established that at a train speed of 160 km/h for the ChS7 locomotive, the maximum vertical force from the outer rail on the sleeper was 84.21 kN, while from the inner rail it was 51.8 kN. At the same time, the maximum horizontal lateral force values were 44.39 kN from the outer rail and 10.9 kN from the inner rail. The maximum bending moment values at a speed of 160 km/h were 5.1 kN from the outer rail and 1.25 kN from the inner rail. According to the results of the comprehensive stress–strain state modeling of reinforced concrete sleepers under railway rolling stock loads, the maximum stress in the sleeper under the ChS7 locomotive load was 1.65 MPa, the maximum displacement was 6.96·10-3 mm, and the maximum strain was 3.55·10-5 mm. It was found that the safety factor of the sleeper under vertical and horizontal lateral forces from the ChS7 locomotive at a speed of 160 km/h in a curved track section with a radius of 300 m was 58.8 %. The conducted research makes it possible to conclude that this methodology allows for comprehensive assessment of the safety factor of reinforced concrete sleepers during their design. This provides the basis for making technical decisions and choosing construction materials to enhance the strength of reinforced concrete sleepers depending on operational conditions.