Construction of a Functional 1:5 Scaled Ballasted Railway Track for Laboratory Testing

Abstract

Det vil bli laget et funksjonelt skalert jernbanespor for laboratorieeksperimentering ved NTNU fra januar til juni 2023. Sporet vil bli plassert i laboratoriet til instituttet for bygg- og miljøteknikk. Målet med denne masteroppgaven er å konstruere det best mulige funksjonelle 1:5 skalerte jernbanesporet ved hjelp av tilgjengelig materiale.

Det skalerte sporet vil være omtrent geometrisk lik Bane NORs overbygningsklasse d. Forvrengninger av fysiske egenskaper er likevel uunngåelige, og skaleringslover må brukes ved tolkning av testresultater. For denne skalerte modellen oppnås delvis likhet ved å etablere geometrisk likhet som en betingelse, og resultatene fra valideringstesting brukes til å foreslå en anvendbar skaleringsfunksjon.

Den skalerte modellen bygges utelukkende med kommersielt tilgjengelig materiale. Denne beslutningen gjør konstruksjonen tid- og kostnadseffektiv, men kompromitterer egenskaper og likhet. Skinnene er laget av et T-profil stålbjelke og svillene er laget av et firkantet stålrør. Befestigelsen består av firkantede skiver, bolter og langmuttere som er innlemmet i svillene. Skivene klemmer skinnene fast til svillene. Det skalerte ballastmaterialet er laget av knust stein fra Vassfjellet. Kornfordelingskurven er parallell med Bane NORs krav, nedskalert med en faktor på 1/5.

Komponentene monteres til Wigaard-sporet (TWT), et funksjonelt 1:5 skalert, ballastert jernbanespor. TWT er et 2,5 meter rettspor med justerbare egenskaper og er enkelt å bygge og bruke.

En stiv ramme bygges over modellens bredde, og en jekk, en lastcelle og et måleur festes til rammen. Oppsettet brukes til å måle TWTs vertikale nedbøyning under en 4,4 kN aksellast på hver skinne. Ballastsifferet anslås å være 0,0478 N/mm$^3$. Dette anslaget forutsier og sammenligner resultatene fra den vertikale belastningstesten med teori.

Valideringstestene avslører at TWT hadde mer vertikal bøyning enn det teorien antyder, og at avstanden mellom svillene har betydelig mindre innflytelse på vertikal bøyning enn forventet. Imidlertid er resultatene lineære, noe som gjør det mulig å foreslå en skaleringsfunksjon som forbedrer de matematiske prediksjonene. Den svake lastfordelingen på TWT kan være forårsaket av ulike faktorer.

TWT er den første iterasjonen av en allsidig representasjon av et fullskala ballastert spor. Det langsiktige målet er å skape et apparat som kan produsere nyttige data i ulike nye lastsituasjoner. En slik modell vil være en verdifull ressurs for akademiske miljøer ved NTNU og jernbanefagmiljøet nasjonalt.

A ballasted railway track will be created for laboratory experimentation at NTNU from January to June 2023. It will be located in the laboratory owned by the Department of Civil and Environmental Engineering. The objective of this master's thesis is to construct the best possible functional 1:5 railway track from easily accessible material.

The scaled track will be approximately geometrically similar to Bane NOR's superstructure class d. However, distortions of physical properties are inevitable, and scaling laws must be used when interpreting test results. For this scaled model, establishing geometrical similarity as a scaling condition ensures partial similarity, and the results from validation testing are used to suggest a useful scaling function.

The scaled model is built using exclusively commercially available material. This decision makes the construction cost-effective and time-efficient, albeit compromising properties and similarities. The rails are made of a T-profile steel bar, and the sleepers are made from a square steel pipe. The fastening system comprises square washers, bolts, and coupling nuts integrated into the sleepers. The scaled ballast material is made of crushed rock from Vassfjellet, with a grading curve that parallels Bane NOR's requirements down-scaled by a factor of 1/5.

The components are assembled to the Wigaard track (TWT), a functional 1:5 scaled ballasted railway track. TWT is a 2.5-meter tangent track with adaptable properties and is manageable to build and use.

A rigid frame is constructed to span the model's width, and a jack, a loading cell, and a dial gauge are fastened to the frame. The setup measures TWT's vertical deflection under a 4.4 kN axle load on each rail. The foundation coefficient is estimated to be 0.0478 N/mm$^3$. This estimation predicts and compares the vertical load results to theory.

The validation test revealed that TWT had more vertical deflection than the theory suggests and that sleeper distance had significantly less influence on vertical deflection than expected. However, the results are linear, making it possible to suggest a scaling function that improves the mathematical predictions. Various factors can cause weak load distribution on TWT.

TWT is the first iteration of a versatile representation of a full-scale ballasted railway. The long-term goal is to create an apparatus that can produce meaningful data in multiple new loading situations. Such a model would be a valuable asset to the academic community at NTNU and the railway research community nationwide.