Analiza nośności eksploatacyjnej kolejowego obiektu ...

6254

TROCHYMIAK Wojciech1

MOSSAKOWSKI Przemysław 2

OLESZEK Radosław 3

Analiza nośności eksploatacyjnej kolejowego obiektu inżynieryjnego

WSTĘP

W ostatnim czasie decyzją Komisji Europejskiej przyznano Polsce znaczne fundusze na

przedsięwzięcia infrastrukturalne realizowane w latach 2015-2020. W znacznej części środki te

zostaną przeznaczone na projekty rewitalizacji i modernizacji istniejących linii kolejowych.

Przyczyniło się to również do nowelizacji przepisów techniczno-budowlanych, w tym

doprecyzowania zasad oceny nośności istniejących obiektów inżynieryjnych. Co z kolei ułatwia

stwierdzenie potrzeby remontu, przebudowy lub wymiany konstrukcji.

W referacie omówiono zagadnienia oceny nośności przykładowego obiektu kolejowego oraz

współczesny stan prawny dotyczący tej problematyki. Przedstawiono metodykę szacowania nośności

eksploatacyjnej wiaduktu według aktualnych norm i przepisów [1÷7, 9, 10].

1. PODSTAWA FORMALNO-PRAWNA

Podstawowymi opracowaniami regulującymi zakres analiz kolejowych obiektów mostowych przy

prędkościach v < 160 km/h są obecnie następujące dokumenty:

– Rozporządzenie MTiGM z dnia 10 września 1998r. w sprawie warunków technicznych, jakim

powinny odpowiadać budowle kolejowe i ich usytuowanie Dz. U. Nr 151 z 1998r., poz. 987

wraz z późniejszymi zmianami [7],

– Warunki techniczne dla kolejowych obiektów inżynieryjnych Id-2 (D2) [2],

– Instrukcja utrzymania kolejowych obiektów inżynieryjnych na liniach kolejowych do prędkości

200/250 km/h Id-16, znowelizowana w 2014 r. [1],

– PN-EN 1991-2:2007 Eurokod 1: Oddziaływania na konstrukcję część 2: Obciążenia ruchome

mostów [4],

– PN-EN 15528+A1:2013-04 Kolejnictwo. Klasyfikacja linii w odniesieniu do oddziaływań

pomiędzy obciążeniami granicznymi pojazdów szynowych a infrastrukturą [5],

– Normy związane, przywołane w powyższych opracowaniach (zarówno normy PN jak i PN-EN).

Ze względu na wymagania przedstawione w wymienionych przepisach niezbędne staje się również

korzystanie z norm, z okresu projektowania obiektów istniejących, np. PN-S-10030:1985 [6].

Rozporządzenie [7], mimo iż dotyczy projektowania, wpływa na standardy i koszty utrzymania

istniejących obiektów kolejowych. Zostało opublikowane w 1998 roku, jako transpozycja dawnych

przepisów funkcjonujących w PKP, kiedy nie istniały jeszcze normy PN-EN i aktualne specyfikacje

kolejowe. W pewnym stopniu ograniczało to wdrażanie standaryzacji europejskiej. W latach 2008-

2009, w ramach pierwszej inicjatywy ustawodawczej opracowywano projekt kompleksowej

nowelizacji przepisów. Z uwagi na jej obszerny zakres Ministerstwo Infrastruktury i PKP PLK S.A.

ustaliło ograniczony zakres nowelizacji rozporządzenia - tzw. "małą nowelizację".

W ramach „małej nowelizacji” Rozporządzenia [7], ogłoszonej w czerwcu 2014 roku,

wprowadzono kilka zmian, w tym między innymi:

– nową klasyfikację linii kolejowych i torów – eliminacja niekompatybilnej z taborem gradacji

obciążeń, rozróżnienie modeli obciążeń,

– gradację klas obciążeń za pomocą współczynnika α według PN-EN 1991-1: Eurokod 1 [4],

– rozróżnienia modeli obciążeń kolejowych na obciążenia projektowe i eksploatacyjne [1, 4, 5],

1 Politechnika Warszawska, WIL, IDiM, ZM; 00-637 Warszawa, Al. Armii Ludowej 16; Tel: + 48 22 825-90-75, [email protected] 2 Politechnika Warszawska, WIL, IDiM, ZM; 00-637 Warszawa, Al. Armii Ludowej 16; tel. 501-266-261, [email protected] 3 Politechnika Warszawska, WIL, IDiM, ZM; 00-637 Warszawa, Al. Armii Ludowej 16; Tel: + 48 22 234-56-95, [email protected]

Pobrano z http://repo.pw.edu.pl / Downloaded from Repository of Warsaw University of Technology 2021-10-19

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

6255

– wprowadzenia wymogu sprawdzania wytrzymałości budowli kolejowych za pomocą modeli

obciążeń eksploatacyjnych zgodnie z normą PN-EN 15528+A1:2013-04 [5],

– wykreślenia dopuszczalnych nacisków osi w odniesieniu do dotychczasowych parametrów

eksploatacyjnych linii kolejowych (Tabela 3.1. Rozporządzenia [7]),

– wymóg stosowania modeli obciążeń projektowych, w przypadku obiektów nowoprojekto-

wanych, zgodnie z normą PN-EN 1991 [4], z uwzględnieniem minimalnych wartości

współczynników klasyfikacji obciążeń α=1,21 dla linii magistralnych (kat. 0) i pierwszo-

rzędnych (kat. 1) oraz α=1,10 dla linii kolejowych drugorzędnych.

W aspekcie utrzymania i klasyfikowania istniejących kolejowych obiektów inżynieryjnych

dokumentem podstawowym, określającym zakres niezbędnych analiz na potrzeby ekspertyz lub

projektów technicznych modernizacji, jest obecnie, znowelizowana w 2014 roku, instrukcja Id-16 [1].

W dokumencie tym zmodyfikowano system przeglądów obiektów kolejowych obejmujący oględziny,

kontrole okresowe coroczne, kontrole okresowe pięcioletnie i tzw. przeglądy specjalne.

Przeglądy specjalne wykonuje się w celu ustalenia parametrów użytkowych (właściwości

charakteryzujących obiekt pod względem eksploatacyjnym) i programowania dalszych działań

utrzymaniowych na obiekcie. Cel i zakres przeglądu specjalnego ustala się indywidualnie.

Celem przeglądu specjalnego może być sprawdzenie aktualnej nośności eksploatacyjnej obiektu

istniejącego, które polega na [1]:

– określeniu wartości współczynnika klasyfikacji obciążeń α dla modelu obciążenia LM-71 lub

SW/0 (model obciążenia belek ciągłych) według PN-EN 1991-2 [4] i porównaniu tego

współczynnika z wymaganym w Rozporządzeniu [7] dla danej kategorii linii kolejowej,

– określeniu kategorii linii, z uwagi na nośność eksploatacyjną obiektu obciążonego modelami

obciążeń eksploatacyjnych o charakterystykach geometrycznych wagonów wzorcowych według

normy PN-EN 15528 [5],

– ustaleniu możliwości przenoszenia przez obiekt obciążenia od znanego taboru kursującego

po rozpatrywanej linii kolejowej przy dopuszczalnej prędkości ruchu pociągów.

Na podstawie przeglądu specjalnego określa się warunki dalszej eksploatacji obiektu lub ogranicza

jego parametry użytkowe np. prędkość taboru, nacisk na osie, skrajnie itp.

2. OBCIĄŻENIA KOLEJOWE STOSOWANE W PRZEGLĄDACH SPECJALNYCH

2.1. Modele obciążeń projektowych według PN-EN 1991-2:2007

Zgodnie z wymaganiami Rozporządzenia [7] i instrukcji Id-16 [1], w celu określenia klasy

nośności istniejących obiektów inżynieryjnych i klasyfikacji linii kolejowej, w ramach przeglądów

specjalnych stosuje się dwa modele obciążeń projektowych zaczerpnięte z PN-EN [4, 9]: model

obciążenia LM-1 oraz model obciążenia SW/0.

Model obciążenia LM-71 (UIC-71) przedstawiający statyczny efekt obciążenia pionowego

wywołany normalnym ruchem kolejowym (rys. 1). Wartości obciążeń tego modelu mnoży się przez

współczynnik α=0,75÷1,46, w zależności od linii kolejowej, w ciągu której ruch kolejowy jest lżejszy

od normalnego ruchu kolejowego. Obciążenia pomnożone przez współczynnik α nazywane są

sklasyfikowanymi obciążeniami pionowymi. Model ten stosowano w dotychczasowej normie [6].

Rys. 1. Model obciążenia LM-71 (1-odcinki dowolnej długości) [4]


6256

Model obciążenia SW/0 (rys. 2) przedstawiający efekt statyczny obciążenia pionowego wywołany

normalnym ruchem kolejowym na obiektach o schematach belk ciągłych. Model obciążenia SW/0

należy mnożyć przez współczynnik α (sklasyfikowane obciążenie pionowe).

Rys. 2. Model obciążenia belek ciągłych SW/O (qvk = 133 kN/m, a=15 m, c=5,3 m) [4]

W normie PN-EN [4] występują także inne schematy obciążeń kolejowych, których instrukcja Id-

16 [1] nie wymienia wprost, tj. model SW/2 przedstawiający ciężki ruch towarowy (nie należy

mnożyć go przez współczynnik α), model "pociągiem bez ładunku", modele HSLM-A lub HSLM-B

przedstawiające obciążenie od pociągów pasażerskich przy prędkościach przekraczających v ≥ 200

km/h. Model ten służy do analiz quasi-statycznych, które wykorzystują efekty obciążenia statycznego

mnożone przez współczynnik dynamiczny φ i ich konfrontacji z analizami dynamicznymi.

W normie PN-EN [4] z modelami obciążenia LM-71 i SW/0, stosowanymi w przeglądach

specjalnych, sprzężone są obciążenia od hamowania lub przyspieszania tych schematów oraz siły

odśrodkowe (bezwładności) od obciążenia skupionego Qtk i równomiernie rozłożonego qtk, określane

osobno dla każdego z rozpatrywanych modeli obciążenia (LM-71, SW/0). W Id-16 [1] nie

doprecyzowano konieczności stosowania tych obciążeń.

2.2. Modele obciążeń eksploatacyjnych według PN-EN 15528+A1:2013-04

Wymaganie sprawdzenia konstrukcji istniejących na obciążenia eksploatacyjne występuje w

nowelizacji Rozporządzenia [7] oraz w instrukcji Id-16 [1]. Według instrukcji należy określić, w

przypadku obiektów istniejących, kategorię linii kolejowej na podstawie charakterystyk

geometrycznych i obciążeń od wagonów wzorcowych na podstawie normy PN-EN 15528 [5]. W

instrukcji Id-16 ograniczono liczbę kategorii linii kolejowych do dziewięciu (Tab. 1). Charakterystykę

wagonów wzorcowych, tj. komplet modeli obciążeń eksploatacyjnych stosowanych w analizach

istniejących kolejowych konstrukcji mostowych, przedstawiono w Tabeli 2.

Tab. 1. Wagony wzorcowe dla poszczególnych kategorii linii kolejowych wymagane w instrukcji Id-16 [1]

Kategoria linii D4 D3 D2 C4 C3 C2 B2 B1 A

Nacisk osi [t] 22,5 22,5 22,5 20,0 20,0 20,0 18,0 18,0 16,0

Nacisk liniowy [t/m] 8,0 7,2 6,4 8,0 7,2 6,4 6,4 5,0 5,0

Tab. 2. Wagony wzorcowe (referencyjne) według PN-EN 15528+A1:2013 [5]

Wagon

referencyjny

Obc.

na oś P [t]

Masa na jednostkę

długości p [t/m] Charakterystyka geometryczna wagonu wzorcowego

A 16,0 5,0

B1 18,0 5,0


6257

B2 18,0 6,4

C2 20,0 6,4

C3 20,0 7,2

C4 20,0 8,0

D2 22,5 6,4

D3 22,5 7,2

D4 22,5 8,0

xL-a 20,0 8,0

xL-b 22,5 7,4

E4 25,0 8,0


6258

E5 25,0 8,8

Uwagi: 1) Klasa E4 i E5 obowiązuje tylko dla wagonów towarowych; 2) ruch specjalny może zostać zaszeregowany

zgodnie z innymi przepisami lub do innych kategorii linii (np. kategorii F – 27,5 t lub G – 30,0 t); 3) Wagony wzor-

cowe xL-a i xL-b wykorzystuje się przy sprawdzeniach kategorii linii D4xL obowiązującej tylko dla lokomotyw,

przy czym może być zastosowana także dla innego rodzaju pojazdów; 4) można zastosować dodatkowe wagony

referencyjne dla opisania specjalnych warunków ruchu na specjalnych liniach (np. wagon F z obc. na oś P = 27,5 t

lub wagon G z obc. na oś P = 30 t)

Według PN-EN 15528 [5] i instrukcji Id-16 [1] kategoria linii jest nadawana przez oznaczenie

literowe A < B < C < D < E i liczbowe 1 < 2 < 3 < 4 < 5. Na przykład kategorie D3, D2, C4, C3, C2

są niższe bądź równe kategorii D4 (zarówno litera jak i liczba są mniejsze bądź równe), lecz C3 ≠ D2,

D3 ≠ C4, a D4xL > D4, ale D4xL ≠ E4, E5. Przy ocenie pociągu, najważniejszym kryterium jest

wybór najbardziej niekorzystnej kategorii z największymi ograniczeniami prędkości pojazdu.

Transport towarowy jest kompatybilny z linią, jeżeli kategoria linii odpowiada dopuszczalnym

limitom obciążenia ładunkiem pojazdów/wagonów, a kategoria linii dla lokomotywy nie przekracza

prędkości maksymalnej związanej z kategorią linii podanej ocenie. Ruch pasażerski jest kompatybilny

z linią, jeżeli kategoria linii dla lokomotywy i składów nie przekracza prędkości maksymalnej

związanej z kategorią linii podanej ocenie.

2.3. Tabor rzeczywisty kursujący po linii kolejowej

Według wymagań instrukcji Id-16 [1] przy ocenie nośności eksploatacyjnej istniejących

kolejowych obiektów inżynieryjnych należy ustalić możliwość przenoszenia przez konstrukcję

indywidualnych modeli obciążenia od znanego taboru kursującego po linii kolejowej.

Na potrzeby przedstawionych analiz przyjęto, że po analizowanym wiadukcie kolejowym kursują

na przykład pojazdy szynowe w postaci:

– Elektrycznych Zespołów Trakcyjnych typu Newag 19 WE,

– Elektrycznych Zespołów Trakcyjnych typu Pesa 27 WE,

– składów oznaczonych jako „Push Pull” złożonych z lokomotywy EU 47 i czterech wagonów.

3. PRZYKŁAD WYZNACZANIA NOŚNOŚCI EKSPLOATACYJEJ WIADUKTU

3.1. Charakterystyka przykładowej konstrukcji

Przedmiotem analiz był przykładowy żelbetowy wiadukt kolejowy wybudowany w latach 2001-

2003. Wiadukt przeprowadza dwa tory w rozstawie osiowym 4,34 m. Kąt skrzyżowania wiaduktu z

przeszkodą wynosi ~90°. Długość całkowita wiaduktu wynosi 50,74 m. Długość pomostu wynosi

41,66 m.

Wiadukt jest ramowym obiektem czteroprzęsłowym o rozpiętościach przęseł 9,30 + 10,75 + 10,75

+ 9,30 m. Schematem statycznym są dwie dwuprzęsłowe ramownice oparte wspólnie na skrajnych

podporach (przyczółkach) oraz środkowej podporze pośredniej. Dźwigar (rygiel ramownic) stanowi

płyta żelbetowa, monolityczna o zmiennej wysokości konstrukcyjnej. Projekt techniczny przewidywał

wybudowanie osobnych ustrojów nośnych pod każdym z torów. Ostatecznie połączono obie części

płyty likwidując dylatacje wzdłużną.

W przekroju poprzecznym wykształcone są dwie oddzielne części płyty pod każdym z torów z

grubością 0,3 m w strefie międzytorza. Podniebienia płyt są poziome. Górne płaszczyzny płyt są

ukształtowane ze spadkiem poprzecznym około 4,5÷5% w kierunku osi płyt (osi torów), w których

utworzono rowki odwadniające. Na zewnętrznych krawędziach płyt ukształtowano ścianki o

wymiarach 155 x 300 mm, ograniczające wspólne dla obu torów koryto balastowe.


6259

Podpory i fundamenty wykonano w postaci masywnych przyczółków żelbetowych z betonu B25

(~C20/25), posadowionych na palach wierconych z iniekcją podstaw o średnicy 90 cm z wyciąganą

rura obsadową.

Do wykonania konstrukcji nośnej wiaduktu zastosowano beton klasy B40 (~C30/37)(F150, W8)

oraz stal zbrojeniowĄ klasy AII (18G2b) i AI (St3SX). Wiadukt zaprojektowano na obciążenie

taborem kolejowym UIC-71 klasy k=+2 (αk=1,21) według PN-S-10030:1985 [6].

3.2. Założenia i zakres wykonanych analiz

Z uwagi na rozbudowanie problematyki oceny nośności istniejących kolejowych obiektów

inżynieryjnych oraz chęć zachowania przejrzystości opracowania, analizę statyczną wiaduktu

przeprowadzono w czterech etapach (na podstawie analizy opracowań [1, 3÷7, 8, 9, 10]):

– Etap 1 – określenie obwiedni wielkości statycznych z wykorzystaniem modeli obciążeń

kolejowych w oparciu o przepisy obowiązujące w okresie projektowania wiaduktu kolejowego

PN-S-10030:1985 [6],

– Etap 2 – określenie nośności projektowej na podstawie obwiedni wielkości statycznych z

wykorzystaniem modeli obciążeń kolejowych z aktualnej normy obciążeń obiektów mostowych

PN-EN 1991-2 [4] i porównanie jej z obwiednią od schematów obciążeń z okresu projektowania

według [6],

– Etap 3 – określenie nośności eksploatacyjnej obiektów metodą porównawczą na podstawie

modeli obciążeń eksploatacyjnych według normy PN-EN 15528 [5] poprzez porównanie

obwiedni od wagonów wzorcowych dla danej kategorii linii kolejowej według Id-16 [1] z

obwiednią od schematów obciążeń z okresu projektowania według [6],

– Etap 4 - określenie sił wewnętrznych wywołanych obciążeniem według schematu taboru

kursującego po danej linii kolejowej w postaci taboru wskazanego przez Zamawiającego:

elektryczne zespoły trakcyjne EZT Newag 19 WE, EZT Pesa 27 WE i skład pasażerski „Push

pull” oraz porównania ich z odpowiadającymi wielkościami projektowymi.

Do określenia parametrów użytkowych (eksploatacyjnych) wykorzystano tzw. metodę porówna-

wczą szacowania nośności obiektu. Polega ona na wykonywaniu obliczeń statycznych, w których

porównuje się skutki działania obciążeń, na które został zaprojektowany ustrój ze skutkami działania

obciążeń współczesnych, określonych według obowiązujących norm. Kryterium porównawcze

stanowią wyniki sił wewnętrznych i przemieszczeń w przekrojach krytycznych (przęsłowych i

podporowych w ryglu ramy, przywęzłowych w słupach podporowych).

W odniesieniu do sprawdzanych kluczowych elementów składowych konstrukcji (słup podporowy,

rygiel ramy) przyjęto następujące kryteria:

– element spełnia wymogi danej klasy obciążeń według [4, 7] i kategorii linii kolejowej [1, 5, 7],

jeżeli charakterystyczne siły wewnętrzne bez żadnych współczynników i siły ze współczynni-

kiem φdyn od modelu taboru dla danej klasy/kategorii nie przekraczają odpowiadających

wartości projektowych na podstawie [6],

– element nie spełnia wymogów danej klasy obciążeń i kategorii linii kolejowej, gdy powyższe

kryterium nie są spełnione.

Model numeryczny konstrukcji nośnej wiaduktu (rys. 3) wykonano w systemie MES SOFiSTiK,

w formie prętowej ramownicy przestrzennej (klasy e1, p

3). Do analizy przyjęto pojedynczą

ramownicę pod jednym torem. Ramownica składa się z dwóch przęseł o teoretycznych rozpiętościach

przęseł 10,75 i 9,30 m, które stanowią jej rygiel. Wysokość konstrukcji jest zmienna od 0,60 m w

osiach podpór skrajnych do 0,80 m nad słupem. Słup jest monolitycznie połączony z ryglem i jego

wymiary maleją od zamocowania w ryglu do zamocowania w fundamencie. Grubość zmienia się od

0,60 m przy ryglu do 0,40 m przy fundamencie. Szerokość słupa wynosi w zamocowaniu w ryglu

4,34 m, przy fundamencie 3,40 m. Rygiel i słup wiaduktu modelowano za pomocą elementów

belkowych typu Timoshenko (korekta na ścinanie). Sposób łożyskowania wynikający z projektu

zamodelowano poprzez odbieranie odpowiednich stopni swobody wybranym węzłom podporowym


6260

modelu. Słup stanowi podporę stałą konstrukcji, natomiast na końcu rygla konstrukcja ma możliwość

przemieszczeń podłużnych i poprzecznych.

Rys. 3. Model numeryczny MES konstrukcji wiaduktu kolejowego (ramownica przestrzenna, e1, p

3)

Modele obciążeń wiaduktu przyjęto według [4÷6] i charakterystyki taboru kursującego po

rozpatrywanej linii kolejowej. Wiadukt został zaprojektowany zgodnie z do niedawna

obowiązującymi normami i główny model obciążenia ruchomego jest tożsamy z obecnie

obowiązującym (LM-71). W obliczeniach uwzględniono tylko obciążenia krótkotrwałe ruchome.

Obliczenia wykonano na wartościach charakterystycznych obciążeń.

3.3. Opis wybranych wyników

Podstawę do porównań stanowiły siły wewnętrzne i przemieszczenia od obciążeń projektowych

według [6]. Porównania wykonywano na wartościach charakterystycznych z uwzględnieniem

współczynnika klasy αk=1.21, na który przedmiotowy wiadukt został zaprojektowany. W wartościach

nie uwzględniono współczynnika dynamicznego, ponieważ w normie [4] i [6], przy założeniu

starannego utrzymania toru, mają one identyczne wartości, tj. φdyn = 1.305.

Rys. 4. Obwiednia momentów My w ryglu konstrukcji. Kolor niebieski – Mymax od LM-71, kolor czerwony –

Mymin od LM-71; kolor zielony - Mymax i Mymin od SW/0, kolor czarny obwiednia od SW/2

W tabeli 3 przedstawiono porównanie stopnia wykorzystania projektowych sił wewnętrznych w

elementach konstrukcji. Wartości procentowe dodatnie w tabelach oznaczają zwiększenie siły w

stosunku do odpowiadającej wartości projektowej, natomiast ujemne jej zmniejszenie. Na rysunkach

4÷6 przedstawiono przykłady obwiedni momentów zginających od obciążenia projektowego LM-71,

SW/0, SW/2 - dodatkowo analizowany schemat [4] (rys. 4), wagonami wzorcowymi D4 [5] (rys. 5) i

od przykładowego rzeczywistego taboru – skład typu EZT Newag 19 WE (rys. 6).


6261

Rys. 5. Obwiednia momentów My w ryglu konstrukcji. Kolor niebieski – Mymax od LM-71, czerwony – Mymin

od LM-71; linie przerywane - Mymax (niebieski) i Mymin (czerwony) od wagonów D4

Rys. 6. Obwiednia momentów My w ryglu konstrukcji. Kolor niebieski – Mymax od LM-71, czerwony – Mymin

od LM-71; linie przerywane - Mymax (niebieski) i Mymin (czerwony) od EZT Newag 19 WE

Tab. 3. Stopień wykorzystania sił projektowych w elementach konstrukcji

Rygiel konstrukcji - momenty zginające Słupy podporowe - siły normalne i momenty zginające

Max - My Zmiana

[kNm] [%]

[N02, N13] LM 1 1822 0,0% Tak

SW/0 1661 -8,8% Tak

SW/2 1548 -15,0% Tak

[N22] D4 861 -52,7% Tak

EZT-19WE 674 -63,0% Tak

EZT-27WE 588 -67,7% Tak

PUSH-PULL 613 -66,4% Tak

[N02, N13] LM 1 -1980 0,0% Tak

SW/0 -1943 -1,9% Tak

SW/2 -2063 4,1% Nie

[N22] D4 -1185 -40,2% Tak

EZT-19WE -603 -69,6% Tak

EZT-27WE -430 -78,3% Tak

PUSH-PULL -761 -61,6% Tak

[N02, N13] LM 1 1455 0,0% Tak

SW/0 1284 -11,8% Tak

SW/2 1197 -17,7% Tak

[N22] D4 654 -55,1% Tak

EZT-19WE 523 -64,1% Tak

EZT-27WE 497 -65,8% Tak

PUSH-PULL 537 -63,1% Tak

C

[N13]

Tabor

eksploatowany

B

[N13]

Tabor

eksploatowany

NormaModel

obciążeniaPrzekrój

Spełnia

wymogi

A

[N13]

Tabor

eksploatowany

Min - N Zmiana

[kN] [%]

[N02, N13] LM 1 -1799 0,0% Tak

SW/0 -1893 5,3% Nie

SW/2 -1911 6,3% Nie

[N22] D4 -993 -44,8% Tak

EZT-19WE -606 -66,3% Tak

EZT-27WE -355 -80,3% Tak


Spełnia

wymogi

D

[N13]

Tabor

eksploatowany

NormaModel


Min - Mz Zmiana

[kNm] [%]

[N02, N13] LM 1 -192 0,0% Tak

SW/0 -180 -5,8% Tak

SW/2 -168 -12,2% Tak

[N22] D4 -84 -56,0% Tak

EZT-19WE -73 -62,1% Tak

EZT-27WE -58 -69,9% Tak


E

[N13]

Tabor

eksploatowany

NormaModel


Spełnia

wymogi

Obciążenia poziome od hamowania lub przyspieszania, poprzez współdziałanie ciągłych szyn,

podkładów i podsypki kolejowej, są częściowo przenoszone na nasyp poza obiektem. Według poz.

6.5.4.6.1(3) PN-EN [4] siły te, przekazywane na łożyska nieprzesuwne, można zredukować za

pomocą współczynnika ξ=0,6÷0,7 (ze względu na współdziałanie z konstrukcją torowiska poza

obiektem). Nie dotyczy to jednak konstrukcji ramowych, w których ξ=1,0.

Na podstawie zestawienia globalnych (wypadkowych) sił poziomych zebranych z długości obiektu

stwierdzono, że siły hamowania lub przyspieszania od współczesnych modeli obciążeń projektowych


6262

według PN-EN [4] są o około 19%÷185% większe od sił obliczonych według schematów z okresu

projektowania obiektu [6]. Z uwagi na schemat statyczny analizowanej konstrukcji w postaci ramy,

przegubowo-przesuwne podparcia na przyczółkach, siły hamowania występujące na pomoście (ryglu)

powodują znaczne zginanie stosunkowo wiotkiego słupa podpór wewnętrznych. Ze względu na

monolityczne (sztywne) połączenie podpór (nr 2, 5) z ryglem ramy, powstają w nich dodatkowe

momenty zginające. Z tego powodu siły poziome powodują znaczne zwiększenie sił wewnętrznych w

całym ustroju, nie akceptowalne z punktu widzenia sił wywołanych obciążeniem projektowym [6].

Ugięcia konstrukcji od rozpatrywanych modeli obciążeń określono dla fazy II (zarysowanej) pracy

przekroju. Maksymalne ugięcie od modelu LM-71 równe u1=7,2 mm było mniejsze od ugięcia

dopuszczalnego udop=L/600 = 17,9 mm według [3]. Ugięcia od pozostałych schematów były mniejsze

od u1. Konstrukcja wiaduktu spełnia kryteria odnośnie dopuszczalnych ugięć (udop=L/600) dla

wszystkich modeli obciążenia projektowego, eksploatacyjnego i taboru rzeczywistego według

wymogów PN-EN 1990:2000/A1 [3].

PODSUMOWANIE I WNIOSKI KOŃCOWE

Aktualny stan prawny [1, 7], dotyczący kolejowych obiektów inżynieryjnych, wymaga ich oceny

obejmującej sprawdzenie stanu technicznego obiektu, zgodności ze współczesnymi przepisami [2÷4]

oraz określania tzw. nośności eksploatacyjnej [1, 5]. Polega ona na określaniu wartości współczynnika

klasyfikacji obciążeń α na podstawie PN-EN 1991 [4] i porównaniu tego współczynnika z

wymaganym w Rozporządzeniu [7] dla danej linii, określeniu kategorii linii, z uwagi na nośność

obiektu obciążonego modelami obciążeń eksploatacyjnych według PN-EN 15528 [5] i Id-16 [1] oraz

ustaleniu możliwości przenoszenia przez obiekt obciążenia od znanego taboru kursującego po linii

kolejowej przy dopuszczalnej prędkości ruchu pociągów.

Na podstawie wykonanych obliczeń, przykładowego wiaduktu, można sformułować następujące

wnioski w zakresie pionowych obciążeń kolejowych uwzględnionych w PN-EN [4]:

– obiekt spełnia wymagania klasy α = 1,21 dla linii magistralnych (kat. 0) i pierwszorzędnych

(kat. 1) według Rozporządzeń [7] i PN-EN [4], dla modeli obciążeń pionowych,

– obiekt jest przystosowany do przenoszenia normalnego ruchu kolejowego reprezentowanego

przez model SW/0 według PN-EN [4].

Kluczowe do oceny obiektu są poziome obciążenia kolejowe według [4]. Z uwagi na zwiększenie o

ponad 185% sił hamowania lub przyspieszania według [4], w stosunku do wartości projektowych [6],

należy stwierdzić, że obiekt nie spełnia wymogów normy PN-EN [4] w tym zakresie. Oznacza to, że z

uwagi na siły poziome, obiekt znajduje się poza klasyfikacją przedstawioną w normie PN-EN [4] i nie

może być zakwalifikowany do kategorii linii kolejowej przewidzianej w [7].

W odniesieniu do obciążeń eksploatacyjnych według PN-EN 15528 [5], można stwierdzić, że pod

względem statycznym konstrukcja w idealnym stanie technicznym (bez uszkodzeń) odpowiada

kategorii nośności eksploatacyjnej linii kolejowej D4.

Porównując wartości sił wewnętrznych spowodowanych przez model obciążenia rzeczywistego

pionowego, zdefiniowanego przez Zleceniodawcę, stwierdzono, że siły te są mniejsze od sił

spowodowanych obciążeniem projektowym według [6]. Oznacza to, że analizowany wiadukt

kolejowy może bezpiecznie przenieść obciążenie od taboru rzeczywistego EZT Newag 19 WE, EZT

Pesa 27 WE i składu „Push pull” w zakresie obciążeń pionowych. Zalecana prędkość poruszania się

taboru w obrębie wiaduktu nie może przekraczać v = 60 km/h.

Analizując współczesne przepisy [1, 2, 7], normy [3÷6] i opracowania [8÷10], autorzy wnioskują,

że ocena nośności eksploatacyjnej wiaduktów kolejowych na ich podstawie nie jest w pełni

miarodajna w odniesieniu do konstrukcji ramowych. W tych schematach statycznych na wytężenie

duży wpływ mają obciążenia od sił hamowania lub przyspieszania. W obowiązującej normie obciążeń

projektowych PN-EN [4, 9] obciążenia te są znacznie większe niż w przepisach wcześniejszych.

Powoduje to, że obiekty istniejące trudno sklasyfikować za pomocą współczynników α, wymaganych

przez normy [4] i przepisy [7]. Podobnie, w odniesieniu do obciążeń eksploatacyjnych, norma PN

15528 [5] przedstawia tylko modele obciążeń pionowych (grawitacyjnych). Nie zawarto w niej reguł


6263

przyjmowania, istotnych w kolejnictwie, obciążeń poziomych (hamowanie, przyspieszanie) od taboru

kolejowego. Pominięcie tych sił nie daje pełnego obrazu wytężenia układów ramowych.

Streszczenie

W ostatnim czasie decyzją Komisji Europejskiej przyznano Polsce znaczne fundusze na przedsięwzięcia

infrastrukturalne realizowane w latach 2015-2020. W znacznej części środki te zostaną przeznaczone na

projekty rewitalizacji i modernizacji istniejących linii kolejowych. Przyczyniło się to również do nowelizacji

przepisów techniczno-budowlanych, w tym doprecyzowania zasad oceny nośności istniejących obiektów

inżynieryjnych. Co z kolei ułatwia stwierdzenie potrzeby remontu, przebudowy lub wymiany konstrukcji. W

referacie omówiono zagadnienia oceny nośności przykładowego obiektu kolejowego oraz współczesny stan

prawny dotyczący tej problematyki. Odniesiono się do sposobów oszacowania stanu technicznego konstrukcji i

kwestii obliczeniowych. Scharakteryzowano, wymagane przepisami, modele kolejowych obciążeń

eksploatacyjnych i projektowych stosowane w ocenie istniejących kolejowych obiektów inżynieryjnych.

Opisano metodologię i sposób analizy przykładowego wiaduktu kolejowego o konstrukcji żelbetowej ramowej.

Przedstawiono wybrane wyniki obliczeń oraz wnioski i spostrzeżenia wynikające z przeprowadzonych ocen

nośności eksploatacyjnej obiektu.

Słowa kluczowe: wiadukt kolejowy, obciążenia eksploatacyjne, obciążenia kolejowe, analiza nośności

Analysis of the service load capacity of a civil engineering railway structure

Abstract

Recently the European Commission has granted substantial funding to Poland for the infrastructural projects

to be implemented in the years 2015-2020. In vast part the funds will be used for revitalization and

modernization of existing railways. The decision has also led to the amendment of technical and construction

regulations, which includes detailed specification of the principles of assessing the load capacity of existing

engineering structures. This in turn has facilitated the ability to determine whether a given structure requires

repairs, modifications or replacement. The paper discusses the issue of assessment of load capacity of an

exemplary railway viaduct as well as the associated current legal status. It addresses the methods of assessing

the technical condition of a structure as well as the calculation-related issues. It describes the models of service

and design loads, required by the regulations, which are used while assessing the existing railway engineering

structures. The paper also describes the methodology and the ways of analyzing an exemplary railway viaduct

with a reinforced concrete frame structure. Selected results of calculations as well as the observations resulting

from the conducted assessment of the facility’s load capacity are presented in the paper.

Keywords: railway viaduct, service loads, railway loads, analysis of the service load capacity

BIBLIOGRAFIA

1. Id-16 Instrukcja utrzymania kolejowych obiektów inżynieryjnych na liniach kolejowych do

prędkości 200/250 km/h. Warszawa 2014 r.

2. Id-2 (D-2) Warunki techniczne dla kolejowych obiektów inżynieryjnych. PKP-PLK S.A.,

Załącznik do zarządzenia nr 29/2005 Zarządu PKP-PLK S.A. z dnia 18 maja 2005r.

3. PN-EN 1990: 2004/A1 Podstawy projektowania konstrukcji, PKN, Warszawa, 2008, 2010.

4. PN-EN 1991-2: 2007 Oddziaływania na konstrukcję - Część 2: Obciążenia ruchome mostów,

PKN, Warszawa 2007.

5. PN-EN 15528+A1:2013-04 Kolejnictwo. Klasyfikacja linii w odniesieniu do oddziaływań

pomiędzy obciążeniami granicznymi pojazdów szynowych a infrastrukturą.

6. PN-S-10030:1985 Obiekty mostowe. Obciążenia.

7. Rozporządzenia MTiGM z dnia 10.09.1998r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny

odpowiadać budowle kolejowe i ich usytuowanie (Dz. U. nr 151 z 1998r., poz. 987) wraz ze

zmianami z dnia 05-06-2014.

8. Madaj A. Wołowicki W., Projektowanie mostów betonowych. WKŁ, Warszawa 2010.

9. Sturzbecher K., Obciążenie mostów kolejowych w świetle norm europejskich. AIIL PP 16/2013,

Wydawnictwo PZ, Poznań 2013.

10. Turas A., Łopatka R, Wybrane aspekty analizy nośności kolejowych obiektów mostowych w

świetle zaleceń normy PN-EN 15528-A1. AIIL PP 18/2014, Wydawnictwo PZ, Poznań 2014.


Analiza nośności eksploatacyjnej kolejowego obiektu ...

Documents

Transcript of Analiza nośności eksploatacyjnej kolejowego obiektu ...