A cikk szerzője:

Dr. Liegner Nándor egyetemi docens
BME Út- és Vasútépítési Tanszék

Alagutak kapuzatánál kialakuló síndilatációs mozgások

A vasúti pálya alagutakban történő átvezetésénél a vasúti felépítményre eltérő hőmérsékleti viszonyok hatnak, mint a csatlakozó pályaszakaszokon. Az alagutak kapuzatainál létrejövő hőmérséklet-különbség miatt dilatációs mozgások lépnek fel abban az esetben is, ha a sínszálakat megszakítás nélkül, hézagnélküli kialakítással vezetik át. A kutatás célja, hogy meghatározzuk a dilatációs mozgások és a sínben ébredő normálerő nagyságát az alagútkapuzatok térségében, az alagútban is és a csatlakozó földművön lévő pályaszakaszokon is 54E1 sínrendszerű, zúzottkő ágyazatú felépítmény feltételezésével.

A számítási modell általános felépítése

A kutatáshoz véges elemes modellt építettem fel az AxisVM X5 szoftverrel. A modellek a felépítmény fél keresztmetszetére vonatkoznak. A vasúti pályát vonal menti alátámasztású, Euler–Bernoulli-féle elemekből álló kétdimenziós rúdmodellel helyettesítettem, amelynek jellemzői megegyeznek az 54E1 rendszerű sín jellemzőivel:

  • keresztmetszeti területe: 6977 mm2,
  • rugalmassági modulusa: 215 000 N mm2,
  • lineáris hőtágulási együtthatója: 1,15 × 10-5 1/°C.

Terhek és támaszok

A megfelelően karbantartott, konszolidált ágyazat hosszirányú ellenállása egy sínszálra vonatkoztatva 8–10 N/mm is lehet, míg a friss ágyazaté 5 N/mm. Ennek megfelelően a csatlakozó felépítmény vonal menti támaszának határerejét vonalmenti hosszirányban az újonnan készített ágyazat modellezésénél 5 N/mm-nek vettem fel. A járművek önsúlyából keletkező függőleges terhelés hatására a vágány hosszirányú ellenállása megnövekszik, ezért a terhelt ágyazat hosszirányú ellenállását 15 N/mm értékűnek feltételeztem.
A vasúti felépítményben dilatációs mozgások és hosszirányú belső erők két fő hatásból alakulnak ki:

  • hőmérséklet-változásból és
  • gyorsító-, illetve fékezőerőből.0

A MÁV Zrt D. 12. H Utasítása [1] szerint a sín semleges hőmérsékletének névleges értéke 23 °C, a semleges hőmérsékleti zóna pedig 23 /+5-8/ °C. A sín hő­mér­séklete folyópályákon, nyáron a közvetlen napsugárzás miatt akár a 60 °C-ot is elérheti. Télen viszont  30 °C-ot javasolt figyelembe venni legkisebb értékként. Az elmúlt 50 év téli időjárásainak figyelembevételével -30 °C sínhőmérséklet kialakulásának a valószínűsége rendkívül kicsi [2, 3].
Alagutakban az árnyékhatás és a föld belső hője miatt lényegesen eltérő hőmérsékleti viszonyok alakulnak ki. A létrejövő hőmérsékleti viszonyok nagymértékben függnek az alagút hosszától. Egy rövid alagútban a levegő hőmérséklete csak kismértékben tér el az alagúton kívüli levegőétől, míg hosszú alagutakban télen és nyáron hasonló hőmérséklet van. Ennek modellezésére érzékenységi vizsgálatot végeztem, ahol két modellt építettem fel:

  • az „A” jelű eset hőmérsékleti szempontból egy „közepesen hosszú” (300 m),
  • a „B” jelű eset pedig egy „hosszú” (600 m) alagutat modellez.

Az „A” jelű esetben, az alagútban nyáron a legmagasabb sínhőmérsékletet +30 °C-ra, télen pedig a legalacsonyabb sínhőmérsékletet -5 °C-ra vettem fel. A téli hőmérséklet-változás az alagútban +28 – (-5) = 33 °C, azon kívül pedig +28 – (-30) = 58 °C. A nyári hőmérséklet-változás a földművön fekvő pályaszakaszon +60 – 15 = 45 °C, az alagútban pedig +30 – 15 = 15 °C.
A „B” jelű esetben, az alagútban nyáron a legmagasabb sínhőmérsékletet +20 °C-ra, télen pedig a legalacsonyabb sínhőmérsékletet +15 °C-ra vettem fel. A téli hőmérséklet-változás az alagútban +28 – (+15) = 13 °C, azon kívül pedig +28 – (-30) = 58 °C. A nyári hőmérséklet-változás a földművön fekvő pályaszakaszon +60 – 15 = 45 °C, az alagútban pedig +20 – 15 = 5 °C.
A számításokban hirtelen hőmérséklet-változást modellezünk. Az alagút kapuzatának szelvényében azzal a feltételezéssel éltem, hogy téli hőmérsékletnél a „k” keresztmetszettől kifelé -30 °C-os, a „k” keresztmetszettől befelé +15 °C-os. A valóságban a hőmérséklet-különbség egy adott hosszon oszlik meg, ami a biztonságot szolgálja.
Az MSZEN 1991-2 Eurocode-1 szabvány [4] szerint a fékezés terhelt szakaszán a figyelembe vehető megoszló teher 20 kN/m, amelynek maximális értéke 6000 kN. Ez egy sínszálra vonatkoztatva 10 kN/m-t jelent, amely maximum 300 m-es szakaszon hat. Az indítás hatása 33 kN/m/vágány megoszló teherrel veendő figyelembe, maximális értéke 1000 kN, így a kettő közül a mértékadó teheresetet a fékezés jelenti. A fékezőerővel kapcsolatban megjegyzendő, hogy megoszló 20 kN/m/vágány fékezőerőt csak sínfékkel ellátott mozdony tud kifejteni. A hagyományos féktuskóval felszerelt tehervonatok kocsinként G = 900 kN önsúly, μ = 0,25 tapadósúrlódás és l = 15,00 m hossz esetében is csak 15 kN/m/vágány fékezőerőt képesek kifejteni, ahol μ = 0,25 magasnak tekinthető. A nagy sebességre alkalmas személykocsik (például RailJet szerelvények) ugyan fel vannak szerelve sínfékkel és tárcsafékkel, azonban ezek viszonylag könnyű szerkezete és nagy hossza miatt is legfeljebb 50 000 (kg) × 3 (m/s2)/26,40 (m) = 5,68 kN/m/vágány megoszló fékezőerőt képesek kifejteni.
A teherkombinációk a téli, illetve a nyári hőteherből és a 300 m hosszon ható fékező terhelésből állnak elő [5]. A mértékadó normálerőket létrehozó teherállások meghatározása céljából a „k” keresztmetszetet megelőző fékezést modellező megoszló terhelést az 1. a) ábrán látható helyzetéből 50 m-es lépcsőkben eltolva juttattuk el az 1. b) ábrán látható teherállásig. Balra történő fékezések teherállásai a jobbra fékezésnek a tükörképei. Valamennyi teherhelyzetet kombináltuk mind a téli, mind a nyári hőteherrel.

1. ábra. Fékezés hatásának modellezése
A hőmérséklet-változás a terheletlen vágányon (is) fellép, míg a gyorsító-fékező erő csak a vonatok súlyával terhelt pályán alakulhat ki. Azoknál a terhelési eseteknél, ahol kizárólagosan csak a hőmérséklet-változás hatásából kialakuló elmozdulásokat és normálerőket vizsgáltuk, ott a terheletlen ágyazat p = 5 N/mm hosszirányú ellenállását vettük figyelembe. Amikor a fékezés hatásából ébredő elmozdulásokat és normálerőket határoztuk meg, akkor p = 15 N/mm hosszirányú ellenállást tételeztünk fel azon a pályaszakaszon, amelyen a fékezőerő hat. Ezekhez az esetekhez természetesen más modellt kellett felépíteni.

A cikk folytatódik, lapozás:12345Következő »

Irodalomjegyzék

  • [1] MÁV Zrt. D.12/H. Utasítás: Hézagnélküli felépítmény építése, karbantartása és felügyelete, Budapest: 2009.
  • [2] Magyar Államvasutak Zrt. D54. sz. építési és pályafenntartási műszaki adatok, előírások I., Budapest: 1986.
  • [3] Dr. Megyeri J. Vasútépítéstan. Budapest: KÖZDOK; 1991.
  • [4] EN 13146-1:2012+A1:2014, European Standard, Railway applications, track, test methods for fastening systems, Part 1. Determination of longitudinal rail restraint, European Committee for Standardization, ICS 93.100, 2012.
  • [5] MSZ EN 1991-2:2006, European Standard, Eurocode 1, Actions on bridges, Part 2, Traffic loads on bridges, European Committee for Standardization, ICS 91.010.30, 93.040, 2006.
  • [6] Liegner N, Kormos Gy, Papp H. Solutions of omitting rail expansion joints in case of steel railway bridges with wooden sleepers, Periodica Polytechnica, DOI: 10.331/PPci.8169, 2015;59(4):495–502.
  • [7] Papp H, Liegner N. Investigation of internal forces in the rail due to the interaction of CWR tracks and steel bridges with ballasted track superstructure, Pollack Periodica. DOI: 10.1556/606.2016.11.2.6, 2016;11(2):65–74. www.akademiai.com
  • [8] Papp H, Liegner N. The interaction of steel railway bridges with wooden sleepers and loaded CWR tracks in respect of longitudinal forces, CETRA 2016, 4th International Conference on Road and Railway Infrastructure, 23-25 May 2016, Sibenik, Croatia. ISSN 1848-9842.
  • [9] A BME Út- és Vasútépítési Tanszék Pályaszerkezetek Laboratóriumában végzett saját mérések alapján.
A teljes cikket megtalálja a folyóirat 2021 / Különszámában.
Ha szeretne rendszeresen hozzájutni a legfrisebb számokhoz, fizessen elő a folyóiratra.
A hozzászólások megtekintéséhez vagy új hozzászólás írásához be kell jelentkeznie!
Sínek Világa A Magyar Államvasútak Zrt. pálya és hídszakmai folyóirata
http://www.sinekvilaga.hu | ©