An influence of a generated track intentional irregularity on a static work of a railway track

Bednarek, Włodzimierz Andrzej

doi:10.24425/ace.2021.136462

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

An influence of a generated track intentional irregularity on a static work of a railway track

Autorzy

Bednarek Włodzimierz Andrzej

Treść / Zawartość

Pełne teksty:

Pobierz

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2021.136462

Warianty tytułu

Wpływ wywoływanych w torze zamierzonych nierówności na statyczną pracę toru kolejowego

Języki publikacji

Abstrakty

The purpose of the following paper is to present the experimental field investigations in jointless railway track subjected to the author’s generated imperfections on its static work. The main concept for the executed investigations is to induce an intentional imperfection (both a concave and convex irregularity) in an actual railway track, propose a way of appropriate measurement (using the PONTOS system), and utilize author’s field investigations results to calibrate necessary parameters for theoretical calculations. An experimental formula describing the value of the force transferred from the rail to the railway sleeper on the grounds of the survey site caused by a locomotive is provided. Furthermore, the deflection of the chosen railway rail and sleeper due to the generated imperfection is subjected to analysis. Finally the objective of the present consideration is to resolve the calculations into the beam element such that the results can be used in computational railway practice. The scheme of the so-called a “hanging sleeper” is particularly unfavourable, a gap arises between the sleeper and the foundation, for which the significant changes appear, especially in the rail deflections and stresses. A work scheme of the railway track elements is described on the generated short concave and convex irregularity.

Celem niniejszej pracy jest przedstawienie eksperymentalnych badań terenowych w bezstykowym torze kolejowym poddanym generowanym autorskim imperfekcjom na jego statyczną pracę. Główną koncepcją przeprowadzonych badań jest wywoływanie zamierzonej nierówności rzeczywistego toru kolejowego, zaproponowanie odpowiedniego sposobu pomiaru (z wykorzystaniem systemu PONTOS) oraz wykorzystanie wyników badań terenowych autora do skalibrowania niezbędnych parametrów do obliczeń teoretycznych. Wykonane badania terenowe pozwalają opisać problem przenoszenia siły z koła na szynę i z szyny na podkład kolejowy dla przyjętych schematów (rys. 2), w których symuluje się autorskie nierówności w torze (zarówno wklęsła jak i wypukła nierówność). Autorskie badania terenowe przeprowadzone na rzeczywistym torze kolejowym umożliwiły bezpośrednie określenie ugięć szyny i podkładu (rys. 4a i b) oraz określenie rzeczywistej wartości siły przenoszonej z szyny na współpracujący podkład (tabele 3 i 5). Według opinii autora umieszczenie czujnika w stalowej płycie podkładki szynowej (rys. 3a) nie zakłóca warunków pracy toru i może być wykorzystane do pomiaru rzeczywistej siły przenoszonej z szyny na podkład podczas symulacji nierówności na torze. Uzyskane zmiany naprężeń w stopce szyny i wartości siły przekazywanej z szyny na podkład kolejowy (rys. 4c i d) są zauważalne dla rozpatrywanego przekroju (rys. 2a i b). Na podstawie przeprowadzonych badań można stwierdzić, że opisane znaczące zmiany ugięć i naprężeń w elementach toru kolejowego widoczne są tylko w obciążonym torze kolejowym. Sztywność toru sprawia, że nie jest możliwe oddanie przez niego kształtu powstającej, zwłaszcza krótkiej nierówności w jego podparciu. W konsekwencji powstają obszary braku kontaktu, które generują znaczące zmiany w pracy poszczególnych elementów toru. Końcowym efektem rozważań jest wykorzystanie przeprowadzonych obliczeń i badań dla elementu belkowego, aby uzyskane rezultaty i parametry mogły być wykorzystane do obliczeń w praktyce inżynierskiej. Przyjęto dla pracy szyny model belki spoczywającej na jednoparametrowym podłożu gruntowym, a dla podkładu kolejowego model belki spoczywającej na jednoparametrowym i dwuparametrowym podłożu gruntowym. Schemat tak zwanego wiszącego podkładu (rys. 2a) jest szczególnie niekorzystny, powstaje bowiem luka między podkładem a podłożem oraz pojawiają się znaczące zmiany, zwłaszcza w ugięciach szyn i naprężeniach. Schemat pracy elementów toru kolejowego opisano na wygenerowanej krótkiej wklęsłej i wypukłej nierówności. Przeprowadzone analizy teoretyczno-eksperymentalne potwierdzają zatem przydatność proponowanej metody symulowania i pomiaru deformacji toru (z wykorzystaniem nieniszczącego systemu PONTOS). Wytworzona nierówność w torze ze znanymi początkowymi wartościami długości i strzałki poddano analizie teoretycznej, w której możliwe jest określenie charakteru przenoszenia obciążeń na kolejne elementy toru kolejowego oraz określenie, między innymi, zmierzonej rzeczywistej charakterystyki siły przenoszonej z szyny na podkład kolejowy.

Słowa kluczowe

railway track imperfection irregularity simulation concave irregularity convex irregularity

imperfekcja tor kolejowy generowanie nierówności nierówność wklęsła nierówność wypukła

Wydawca

Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej

Czasopismo

Archives of Civil Engineering

Rocznik

2021

Tom

Vol. 67, nr 1

Strony

81--97

Opis fizyczny

Bibliogr. 42 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Bednarek Włodzimierz Andrzej

wlodzimierz.bednarek@put.poznan.pl

Poznan University of Technology, Faculty of Civil and Transport Engineering, Institute of Civil Engineering, Division of Bridges and Railway Engineering, Poznań, Poland

Bibliografia

1. M. A Arslan, O. Kayabasi “3-D Rail-Wheel contact analysis using FEA”, Advances in Engineering Software, Vol. 45, Issue 1; 325-331, 2012.
2. W. A. Bednarek “Loss of contact analysis in jointless track on ballast due to influence of non-axial horizontal subsoil reaction transfer”, Archives of Civil Engineering, L. 3: 455-475, 2004.
3. W. A. Bednarek ”Local subgrade unevenness of lengthwise profile influence on work conditions of CWR track”, Foundations of Civil and Environmental Engineering, No. 15: 19-40, 2012.
4. W. A. Bednarek “An influence of vertical deformations of track structure and subgrade on jointless track’s work (in Polish), Seria Rozprawy Nr 506, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań, 2013.
5. W. A. Bednarek “Analysis of static forces generated in-track on a railway sleeper resting on an elastic foundation due to structural imperfections using the PONTOS system”, MATEC Web of Conferences 262, 11001 (2019), p. 6; 2019.
6. C. J. Bowe, T. P. Mullarkey “Wheel-rail contact elements incorporating irregularities”,Advances in Engineering Software, Vol. 36, Issues 11-12: 827-837, 2005.
7. S. D. Iwnicki, A. J. Bevan “Damage to Railway Wheels and Rails: A Review of the Causes, Prediction Methods, Reduction and Allocation of Costs”, The International Journal of Railway Technology, Vol. 1, Issue 1: 121-146, 2012.
8. K. Karttunen “Influence of rail, wheel and track geometries on wheel and rail degradation”, ISBN 978-91-7597-203-9, ISSN 0346-718X, Sweden, 2015.
9. J. A. Zaker, H. Xia, J. J. Fan “Dynamic response of train-track system to single rail irregularity”, Latin American Journal of Solids and Structures, Vol. 6, No. 2: 89-104, 2009.
10. A. M. Remennikov, S. Kaewunruen “A review of loading conditions for railway track structures due to train and track vertical interaction”, Structural Control and Health Monitoring, Vol. 15, Issue 2: 207-234, 2007.
11. W. Frühauf, J. Jungwirth, M. Scholz, H. Stoiberer “Slab track systems on engineering structures - A holistic design approach”, Railway Technical Review. Vol. Special, The German High Speed Rail System. n.° Mar.: 78-88, 2008.
12. A. L. M. Paixao “Transition zones in railway tracks. An expiremental and numerical study on the structural behaviour”, Doctor's thesis, Portugal, Porto, 2014.
13. J. Sołkowski “The transition effect in rail tracks - assessment of transient energy for low frequency vibrations”, Archives of Civil Engineering, LX, 1: 123-143, 2014.
14. D. Larsson “A study of the track degradation process related to changes in railway traffic”, Luleå University of Technology, Sweden, 2004.
15. J. N. Varandas, P. Hölscher, A.G. Silva Manuel “Dynamic behaviour of railway tracks on transitions zones”, Computers&Structures, Vol. 89, Issues 13-14: 1468-1479, 2011.
16. S. L. Grassie “Rail corrugation: advances in measurement, understanding and treatment”, Wear, Vol. 258: 1224-1234, 2005.
17. S. L. Grassie “Rail corrugation: characteristics, causes and treatments”, Journal of Rail and Rapid Transit, 223F: 581-596, 2009.
18. Q.Y. Liu., B. Zhang, Z.R. Zhou “An experimental study of rail corrugation”, Elsevier Science B.V., Wear, 255: 1121-1126, 2003.
19. J. Pombo, J. Ambrósio, M. Pereira, R. Verardi, C. Ariaudo, N. Kuka “Influence of track conditions and wheel wear state on the loads imposed on the infrastructure by railway vehicles”, Computers&Structures, Vol. 89, Issues 21-22: 1882-1894, 2011.
20. I. Povilaitienė, A. Laurinavičius “Reduction of external rail wearing on road curves”, Journal of Civil Engineering and Management, Vol X, No 2, 123-130, 2004.
21. I. Povilaitienė, I. Z. Kamaitis, I. Podagėlis “Influence of gauge width on rail side wear on track curves”, Journal of Civil Engineering and Management, Vol XII, No 3, 255-260, 2006.
22. Y. Sato, A. Matsumoto, K. Knothe “Review on rail corrugation studies”, Elsevier Science B.V., Wear, 253: 130-139, 2002.
23. M. Guerrieri, G. Parla “A new high-efficiency procedure for aggregate gradation determination of the railway ballast by means image recognition method”, Archives of Civil Engineering, LIX, 4: 469-482, 2013.
24. D. Navikas, M. Bulevičius, H. Sivilevičius “Determination and evaluation of railway aggregate sub-ballast gradation and other properties variation”, Journal of Civil Engineering and Management, Vol. 22, Issue 5: 699-710, 2016.
25. T. Mazilu “A Dynamic Model for the Impact between the Wheel Flat and Rail”, U.P.B. Sci. Bull., Series D, Vol. 69, No. 2: 45-58, 2007.
26. C. Kraśkiewicz, A. Zbiciak, W. Oleksiewicz, W. Karwowski “Static and dynamic parameters of railway tracks retrofitted with under sleeper pads”, Archives of Civil Engineering, Vol. LXIV, Issue 4: 187-201, 2018.
27. C. Kraśkiewicz, A. Zbiciak, A. Al. Sabouni-Zawadzka, A. Piotrowski “Experimental research on fatigue strength of prototype under sleeper pads used in the ballasted rail track systems”, Archives of Civil Engineering, Vol. LXVI, Issue 1: 241-255, 2020.
28. M. Sol-Sánchez, F. Moreno-Navarro, M. C. Rubio-Gámez “The use of elastic elements in railway tracks: A state of the art review”, Construction and Building Materials, 75, p. 293-305, 2015.
29. F. W. Beaufait, P. W. Hoadley “Analysis of elastic beams on nonlinear foundations”, Computers&Structures, Vol. 12, Issue 5: 669-676, 1980.
30. I-B. Teodoru, V. Muşat “Beam elements on linear variable two-parameter elastic foundation”, Buletinul Institutului Politehnic Din Iaşi, Tomul LIV(LVIII), Fasc. 2: 69-78, 2008.
31. C. V. G. Vallabhan, Y. C. Das “Parametric study of beams on elastic foundations”, Journal of the Engineering Mechanics Division, Vol. 114, No. 12: 2072-72, 1988.
32. V. Z. Vlasov, N. N. Leont’ev “Beams, plates, and shells on elastic foundation”, Jerusalem: Israel Program for Scientific Translations; (translated from Russian), 1966.
33. D. Z. Yankelevsky, M. Eisenberger, M. A. Adin “Analysis of beams on nonlinear Winkler foundation”, Computers&Structures, Vol. 31, Issue 2: 287-292, 1989.
34. W. A. Bednarek “Determination of Foundation coefficients for a 2-Parameter Model on the Basis of Railway sleeper Deflection”, Continuous Media with Microstructure 2, ©Springer International Publishing Switzerland, ISBN 978-3-319-28239-8, ISBN 978-3-319-28241-1 (eBook), DOI 10.1007/978-3-319-28241-1, 325-341, 2016.
35. M. Eisenberger, D. Z. Yankelevsky “Exact stiffness matrix for beams on elastic foundation”, Computers&Structures, Vol. 21, Issue 6: 1355-1359, 1985.
36. M. Eisenberger, J. Bielak “Finite beams on infinite two-parameter elastic foundations”, Computers&Structures, Vol. 42, Issue 4: 661-664, 1992.
37. P. Gulkan, B. N. Alemidar “Exact finite element for a beam on a two-parameter elastic foundation: a revisit”, Structural Engineering and Mechanics, Vol. 7, Issue 3: 259-276, 1999.
38. R. Mullapudi, A. Ayoub “Nonlinear finite element modeling of beams on two-parameter foundations”, Computers&Geotechnics, Vol. 37, Issue 3: 334-342, 2010.
39. A. Dudzik, P. Obara “An stability analysis of Timoshenko beam resting on elastic foundation”, (in Polish), cientiarum Polonorum, Acta, Architectura, Vol. 9, No. 1: 17-29, 2010.
40. I-B. Teodoru, V. Muşat “The modified Vlasov foundation model: An attractive approach for beams resting on elastic supports”, EJGE, Vol. 15, Bund. C: 1-13, 2010.
41. C V. G. Vallabhan, Y. C. Das “Modified Vlasov model for beams on elastic foundations”, Journal of Geotechnical Engineering, Vol. 117, Issue 6: 956-966, 1991.
42. W. Buczkowski “A solving of beams at variable stiffness by finite differences method”, (in Polish), Architectura, 8 (3-4): 49-64, 2009.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-ee260997-133e-4d8d-9eda-edbb528fb861