Konsekvent lastmodell for utmatting av jernbanebruer

Abstract

Jernbanenettet i Norge består av et stort antall stålbruer som sto ferdige for over 60 år siden. Teknologisk utvikling og befolkningsvekst har ført til at bruene er dimensjonert for helt andre trafikksituasjoner enn det som er tilfellet i dag. Kunnskap om utmattingskader i jernbanebruer var heller ikke spesielt utviklet da bruene ble dimensjonert. Det er viktig å ha oversikt over utmattingstilstanden i gamle jernbanebruer, fordi det avgjør hvilke bruer som først må repareres eller skiftes ut for å unngå brukollaps.

På oppdrag fra Bane NOR gjennomførte Johs Holt AS i 2018 kontrollberegninger av 21 bruer på de tyngst trafikkerte strekningene i jernbanenettet. Problemet med slike beregninger er at det ikke finnes lastmodeller for utmattingsanalyser som er direkte representative for historiske belastninger på den norske jernbanen. Ved NTNU er det utviklet en ny lastmodell for utmattingsberegninger av gamle jernbanebruer. Modellen er utviklet med et ønske om å være konservativ og konsekvent; den ønsker å innføre historiske skadeverdier som tilsvarer det verst mulige tilfellet for alle brukomponenter, samtidig som at ingen komponenter blir favorisert over andre komponenter i analysen. Lastmodell utviklet ved NTNU og lastmodell brukt av Bane NOR sammenlignes ved å gjennomføre utmattingsanalyser av den naglede fagverksbrua Lerelva bru.

Resultatene viser at både godstog og persontog bidrar til skadeverdier i brua. Langbærere blir rangert som mest kritiske brukomponent av begge lastmodeller. Lastmodell utviklet ved NTNU innfører betydelig større skadeverdier enn lastmodell brukt av Bane NOR i alle brukomponenter. Tidsperioden etter 1985 skiller seg klart ut som perioden med størst bidrag til utmattingsskader, og bidragene fra tidsperioder før 1960 er neglisjerbare. På grunn av sentrifugallastene innføres det større skadeverdier i brukomponenter i yttersving enn innersving.

Lastmodell utviklet ved NTNU er verken konsekvent eller konservativ for brua, hovedsakelig fordi utmattingsskader i bruer med horisontalkurvatur i stor grad avhenger av toghastigheter. Det er utviklet en forbedret lastmodell som maksimerer skadeverdier med hensyn på toghastigheter. Lastmodellen er både konsekvent og konservativ for spenningspunktene i brua. Om dette gjelder generelt for alle lignende bruer er derimot usikkert, og må undersøkes videre. Til slutt diskuteres lastmodellens fordeler/ulemper, og ulike metoder for å inkludere målinger av dagens jernbanelaster i utmattingsberegninger presenteres.

The Norwegian railway network consists of a large number of steel bridges that were constructed more than 60 years ago. Technological advances and population growth have led to the bridges being designed for completely different traffic conditions than what is present today. The fatigue damage mechanism in railway bridges was also not properly understood when the bridges were designed. It is essential to estimate the state of material fatigue in these railway bridges, so that the most critical bridges can be repaired or replaced to avoid bridge collapse.

The problem of fatigue calculations in Norway is that there exist no load models that are a direct representative of historical loads on the Norwegian railway. At NTNU, a new load model has been developed for fatigue calculations of old railway bridges. The model is developed with a desire to be conservative and consistent; it wants to introduce historical fatigue damage that correspond to the worst possible case for all bridge components, and at the same time be equally conservative for all components. Load model developed at NTNU and a load model used by Bane NOR are compared by analyzing the fatigue damages in the nailed truss bridge Lerelva bridge.

The results show that both freight trains and passenger trains contribute to damage in the bridge. Both load models rank stringers as the most critical component. Load model developed at NTNU introduces greater damage values than load model used by Bane NOR in all components. The period after 1985 clearly stands out as the period with the largest contribution to fatigue damage, and contributions from periods before 1960 are negligible. Due to the centrifugal loads, greater damage values are introduced in components in the outer curve than the inner curve of the bridge.

Load model developed at NTNU is neither consistent nor conservative for Lerelva bridge, mainly because fatigue damage in bridges with horizontal curvature largely depends on train speeds. An improved load model has been developed that maximizes damage values with regard to train speeds. The load model is both consistent and conservative for the bridge. Whether this applies in general to all similar bridges, is however uncertain, and must be investigated further. Finally, the advantages/disadvantages of the load model are discussed, and various methods for including measurements of current railway loads in fatigue calculations are presented.