The Influence of Under Ballast Mats on Railway Superstructure
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3016975Utgivelsesdato
2022Metadata
Vis full innførselSamlinger
Sammendrag
Den økende etterspørselen etter jernbanetransport, fører til et behov for modernisering og utvidelse av eksisterende jernbanelinjer. På grunn av at jernbanen opplever store endringer, blir togene også mer avanserte med høyere aksellast og økte hastigheter. De fleste jernbanelinjer bygges i tunneler i urbane områder for enklere tilgang for passasjerer. I slike områder er det også strenge reguleringer om utslipp av vibrasjoner og støy. Et mottiltak for å forhindre slike utslipp er å inkludere en ekstra elastisk komponent i jernbanesporet, nemlig ballastmatter (UBM). Innsetting av myke ballastmatter er ønskelig for å dempe strukturstøy og vibrasjoner. Imidlertid er det lite fokus på hvordan ballastmatter påvirker den generelle responsen til sporkonstruksjonen.
To numeriske 3D-modeller med forskjellige design er modellert for å evaluere hvilken som er mest optimal og effektiv for å utføre statiske og dynamiske analyser. En mesh-konvergensstudie er utført for å optimalisere modellene. I tillegg er CPU-tiden som kreves for simuleringer av hver modell dokumentert for å observere effektiviteten. Den valgte 3D-modellen er deretter kalibrert mot en 2D-modell, som er basert på Zimmermann-metoden, og validert med modal analyse. Modellen er videre brukt som standard for å sammenligne de statiske og dynamiske responsene når elastiske parametere varieres, samt når ballastmatter er inkludert i sporkonstruksjonen. Samtidig er modellen også analysert under ulike belastningsforhold; statisk punktbelastning, flere punktbelastninger og harmonisk belastning for dynamiske simuleringer.
Resultatene viser at ballastmattene påvirker den statiske og dynamiske responsen til sporet. De statiske analysene viser at nedbøyningen med den mykeste ballastmatten ikke overskrider kravet fra Bane NOR om maksimum nedbøyning av sporet på 3 mm. Imidlertid ble den anbefalte grensen på 2 mm overskredet av alle ballastmattene. Samtidig viser ballastmattene en tendens til å øke spenningsfordelingen i ballastlaget med avtagende stivhet. Endring av tykkelsen på ballasten har en mindre effekt på den statiske og dynamiske responsen til det modellerte jernbanesporet, sammenlignet med endring av stivheten til mellomlegget og ballastmattene. Påvirkningen av avstanden mellom aksler er også vurdert i 3D-modellen ved å simulere flere aksellaster fra et Stadler FLIRT 75-tog, noe som ytterligere øker nedbøyningen av skinnen. Reseptanskurvene fra de dynamiske analysene viser at nedbøyningen øker og resonansfrekvensene forskyves mot lavere frekvenser med avtagende stivhet av ballastmattene. Kurvene viser også at ballastmattene er mer effektive under 200 Hz, som er innenfor spekteret av strukturstøy og vibrasjoner.
Selv om den statiske responsen ikke overskrider sporets maksimale nedbøyning, kan den være mer betydelig under dynamiske belastningsforhold. For eksempel kan forskyvningen av resonansfrekvenser på grunn av ballastmattene gjøre sporet mer eksponert for resonans ved spesifikke frekvenser, slik som passeringsfrekvensen over korrugeringer og sviller. Dersom flere elastiske parametere for et jernbanespor justeres samtidig, vil det være nødvendig å evaluere den totale responsen til sporet for å unngå risiko for feil. The growing demand for railway transportation leads to a need for modernization and expansion of existing railway lines. Because the railway is experiencing changes, new trains are also becoming more advanced with higher axle loads and increased speeds. Most railway lines are constructed in tunnels in urban areas for easier passenger access. In such areas, there are strict regulations on emissions of vibrations and noise. A countermeasure to prevent such emissions is incorporating an additional elastic component in the railway track, namely the under ballast mat (UBM). Insertion of soft UBMs is desirable to mitigate ground-borne noise and vibrations. However, little attention is given on how ballast mats affect the overall response of the track construction.
Two numerical 3D models with different designs are modeled to evaluate which is the most optimal and efficient for performing static and dynamic analyses. A mesh convergence study is conducted to optimize the models. In addition, the CPU time required for each model is documented to observe their efficiency. The selected 3D model is then calibrated against a 2D model, which is based on the Zimmermann method, and validated with modal analysis. The model is further used as a benchmark to compare the static and dynamic responses when elastic parameters are varied and when ballast mats are included in the track construction. At the same time, the model is analyzed with different loading conditions; static point load, multiple point loads, and harmonic load for dynamic simulations.
The results showed that the UBMs affect the static and dynamic response of the track. The static analysis shows that the maximum deflection with the softest UBM does not exceed the maximum limit of 3 mm, set by Bane NOR. However, the recommended limit of 2 mm is exceeded by all UBMs. The UBMs also tend to increase the stress distribution in the ballast layer with decreasing stiffness. Changing the thickness of the ballast has a minor effect on the static and dynamic behavior of a railway track compared to varying the stiffness of the rail pad and the UBM. The effect of spacing between axles is also considered in the 3D model by simulating multiple axle loads from a Stadler FLIRT 75 train. This loading condition showed that adjacent axles do influence each other and increase the deflection of the rail even more than with individual point loads. The receptance curves obtained from the steady-state dynamic analysis show that the deflection increases, and the resonance frequencies are shifted towards lower frequencies with decreasing stiffness of the UBM. The receptance curves also show that the UBMs are more efficient below 200 Hz, which is within the range of ground-borne noise and vibrations.
Although the static response does not exceed the maximum deflection of the track, it can be more significant under dynamic loading conditions. For instance, the shifting of resonance frequencies due to the insertion of UBMs can make the railway tracks more susceptible to resonate at specific frequencies, such as the corrugation- and sleeper-passing frequencies. If numerous elastic parameters of a railway track are adjusted simultaneously, it would be necessary to evaluate the total response of the track to avoid the risk of failures.