MODEL DISCRET DE CALCUL AL SUPRASTRUCTURII CĂII DE RULARE

CU DALE MONOLITE

Ş.L. dr. ing. Valentin-Vasile UNGUREANU

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRAŞOV,

FACULTATEA DE CONSTRUCŢII

ing. Farcas PÁLS.C. RAP DEVELOPMENT S.R.L. BRAŞOV

SIBIU2012

În acestă lucrare este prezentat un model discret de calcul al suprastructurii căii de rulare cu dale monolite, dezvoltat cu ajutorul programului de elemente finite SAP2000. Modelul a fost validat prin comparare cu modele similare realizate pe plan mondial. S-a realizat și un studiu parametric privind influenţa rigidităţii reazemului de sub dală asupra necesarului de armare a dalei.Calea pe dale, de asemenea, numită și cale fără prismă a căii (balast), este compusă din șine fixate în mod direct sau indirect, prin prinderi, de o placă de beton, care este amplasată pe un substrat. Acest sistem de cale este frecvent utilizat în tuneluri sau structuri aeriene, însă, datorită avantajelor pe care le prezintă, tinde să fie utilizat tot mai frecvent și ca o alternativă viabilă comparativ cu calea clasică cu prismă a căii.

Comparația căi de rularecu balast cu calea pe dale

Cale de rulare cu balast Dezavantaje: − tendinţa cadrului șine-traverse de a se deplasa după o perioadă de timp, atât lateral cât și longitudinal; − acceleraţie laterală necompensată limitată în curbe, impusă de rezistenţa laterală limitată furnizată de balast; − transformarea în praf a granulelor de balast din patul de balast, rezultând particule care afectează șina și roţile; − permeabilitate redusă datorată contaminării, uzării balastului și pătrunderii de particule fine din corpul terasamentelor în prisma căii; − o structurã a căii de rulare relativ grea și cu înălţime de construcţie mare care necesită o structură mai puternică pentru poduri și viaducte.

Cale de rulare cu dale

Avantajele căii de rulare cu dale:− Calea de rulare este în mare măsură lipsită de întreţinere. Nu sunt necesare lucrări de întreţinere precum burajul, ciuruirea balastului și alinierea caii de rulare. Costurile de întreţinere reprezintă 20-30% din costurile de întreţinere ale căii de rulare cu balast; − Creșterea duratei de viaţă și posibilitatea înlocuirii aproape totale la sfârșitul duratei de viaţă; − Disponibilitatea maximă a liniei și deranjarea minimă datorită lucrărilor rare de întreţinere în timp de noapte; −Absenţa forţelor de antrenare a balastului la trecerea trenurilor cu viteză mare; − Utilizarea necondiţionată a frânelor electro-magnetice pe roată; − Excesul de supraînălţare a căii și lipsa (insuficienţa) de supraînălţare a căii, în cazul traficului mixt (cu circulaţia atât a trenurilor de marfă cât și a trenurilor de pasageri) nu are efect asupra poziţiei căii; − Înălţime redusă de construcţie și greutate redusă.

Dezavantajele sistemului căii de rulare cu dale

În comparaţie cu calea de rulare cu balast, dezavantajele căii de rulare cu dale (sau căii de rulare fără balast) sunt în general: − Costuri de construcţie mai mari; − Reflexia mai mare a zgomotului purtat de aer; − Modificări mari ale poziţiei căii de rulare și modificări mari ale supraînălţării căii pot fi posibile numai prin creșterea subtanţială a volumului de muncă; − În cazul deraierii, lucrările de reparaţie vor necesita mai mult timp și mai mult efort; − Zona de trecere de la calea de rulare cu balast și calea de rulare cu dale necesită atenţie.

Clasificare caii pe dale: După tipul suportului sub șină:

Suport discontinuu sub șină a1) Cu traverse sau blocuri - Traverse sau traverse bibloc înglobate în beton

- Traverse deasupra platformei de beton asfaltic

a2) Fără traverse - Dale prefabricate din beton

- Dale turnate pe șantier (pe structurile civile)

Suport continuu sub șină - Șină înglobată

- Șină cu prindere și susţinere continuă

O privire generală asupra posibilităţilor privind metodele de construcţie pentru căile de rulare fără balast SISTEME DE CALE DE RULARE CU DALE

Suport discontinuu sub şină Suport continuu sub şină

Cu traverse sau blocuri Fără traverse

Traverse sau

traverse bibloc

înglobate în beton

Traverse deasupra

platformei de beton

asfaltic

Dale prefabricate

din beton

Dale turnate pe

şantier (pe

structurile civile)

Şină înglobată Şină cu prindere şi

susţinere continuă

Rheda

Rheda 2000

Züblin

LVT

ATD Shinkansen

Bögl

Cale de rulare

încorporată în

partea carosabilă

pe structurile civile

Cale de rulare

încorporată

în partea

carosabilă

Metrou uşor

Pasaje rutiere la

nivel

DeckTrack

Cocon track

ERL

Vanguard

KES

BREVIAR DE CALCUL

Schema statică avută în vedere în analiza stării de eforturi și deformații determinate de convoiul de tren pe o cale pe dala din beton, este o dală pe reazeme elastice încărcată cu forțele aferente care acționează asupra dalei, forțe ce se transmit de la șina care este solicitată de convoi.

Dala a fost modelată cu elemente tip shell, iar șina cu elemente tip bară cu secțiunea transversală identică cu cea a șinei.

Legătura dintre nodul din planul fix pe care se află structura analizată și nodul din planul dalelor este de tipul NLLink și a fost denumită FUND (de la fundație).

Pentru NLLink FUND am folosit următoarele valori ale rigidităților:

Pentru dala de beton:

- pe direcția U1: 410000 kN/m;

- pe direcția R1: 185000 kNm/rad;

- pe direcția R2: 385000 kNm/rad;

- pe direcția R3: 58000 kNm/rad;

Detalierea logăturilor (link-urilor)

Legătura dintre nodul din planul dalei și nodul din planul șinelor este de tipul NLLink. Pentru prinderea K elementul de tip NLLink a fost denumit PRINDK. Această legătură modelează prinderea șinei de dalei.

Pentru NLLink PRINDK am folosit următoarele valori ale rigidităților:

- pe direcția U1: 150000 kN/m;

- pe direcția U3: 16800 kN/m;

- pe direcția R1: 400 kNm/rad;

- pe direcția R2: 45 kNm/rad;

- pe direcția R3: 500 kNm/rad.

Detalierea logăturilor (link-urilor)

◦ Definirea secțiunilor și a materialelor◦ Aceste

elemente geometrice corespund șinei tip 60.

Analiza nodurilor(link-urilor)

S-au avut in vedere următoarele caracteristici ale oțelului :

- densitatea, ρo = 7850 kg/m3;

- greutatea volumetrică, γ = 76,8195 kN/ m3;

- modulul de elasticitate, E = 2,1 x 108 kN/m2;

- coeficientul lui Poisson, μ = 0,3;

- coeficientul de dilatare termică liniară, α = 1,15 x 10-5 mm/(mm ºC);

S-au avut în vedere următoarele caracteristici de material pentru dala de beton:

- densitatea, ρo = 2400 kg/m3;

- greutatea volumetrică, γ = 23,5616 kN/ m3;

- modulul de elasticitate longitudinală, E = 3,8 x 107 kN/m2;

- coeficientul lui Poisson, μ = 0,2;

- coeficient de dilatare liniară, α = 9,9 x 10-6 mm/(mm ºC);

Caracteristicile geometrice ale sectiunii transversale ale dalei din beton:

Evaluarea încărcărilorGeometria vagonului:Parametrii geometrici al vagonului au fost utilizate pentru a specificadistanţele dintre sarcinile datorate la două roţi adiacente la douavagoane adiacente. Așa cum se arată în figura următoare,pe lungimeaunei dale se poate amplasa doua roţi ale două vagoane adiacente,distanța dintre două osii este la cuplare este 1.83m și distanţa dintreosiile după cuplare între vagoane este 2m.

Evaluarea încărcărilorPoziția încărcărilor din convoi

Leganda:V= încărcări verticaleL= încărcări laterale.Lt = încărcări longitudinale×= încărcări verticale în plan

Secțiune transaversală prin dala utilizată la analiză

ÎNCĂRCĂRI SPECIFICEGreutate proprie:-încărcare dată din dala de beton armat, șină și material mărunt.

Va fii simbolizat cu DÎncărcare permanentă: -încărcare din vehicul avănd acțiunea statică 1440kN total ,care corespunde unei forțe verticale concentrate pe o singură roată de 180 kN pentru fiecare dintre 8 roți. Încărcare dinamică:-va fii luată în considerare cu multiplicarea încărcării statice cu un coeficient egal cu 1,66 rezultănd 300 kN pentru fiecare dintre 8 roți. Încărcare din impact:- este luat ca fiind aproape egal cu încărcarea statică respectiv 150 kN Din acestea rezultă incărcările verticale V sunt egale cu 450 kN (încărcarea dinamică+ încarcarea din impact).

ÎNCĂRCĂRI SPECIFICEÎncărcări laterale:

Sunt date din forțele centrifugale cu încărcătură aplicată pe vagon în curbe, și datorate din șerpuire, efecte termice și alte forțe laterale date de vechicul și este luată ca fiind egală cu aproximativ 100kN.Va fii simbolizat cu L.

Încărcări longitudinale: Încărcările longitudinale rezultă din frănarea vehiculului și forței de

tracțiune( din demararea) vehicului, efecte termice și alte forțe dinamice date de vechicul. Este apreciat ca fiind 25% din încărcarea totală verticală, respectiv 45 kN, va fii simbolizat cu Lt.

Alte încărcări: Presiunea vântului, presiunea pământului, presiunea din cutremur,

presiunea din îngheț- dezgheț, toate aceste încărcări vor fii luate ca fiind egale cu zero în aceată analiză.

DEFINIREA COMBINAȚILORNUME Tipul Cazul Factorul

COMB1 Linear Add DEAD 1.400000COMB1 Live 2.300000COMB1 Laterala 1.400000COMB2 Linear Add DEAD 1.800000COMB2 Live 1.800000COMB2 Laterala 1.800000COMB3 Linear Add DEAD 1.400000COMB4 Linear Add DEAD 1.400000COMB4 Laterala 1.400000COMB4 Live 1.400000COMB4 Longitudianla 1.400000COMB5 Linear Add DEAD 1.400000COMB5 Live 1.400000COMB5 Laterala 1.400000COMB6 Linear Add DEAD 1.400000COMB6 Laterala 1.400000COMB7 Linear Add DEAD 1.400000COMB7 Live 1.400000

Anv Envelope COMB1 1.000000Anv COMB2 1.000000Anv COMB3 1.000000Anv COMB4 1.000000Anv COMB5 1.000000Anv COMB6 1.000000Anv COMB7 1.000000

DEAD= ÎNCĂRCARE PROPRIELIVE= ÎNCĂRCARI VERTICALE

LATERALĂ= ÎNCĂRCARI LATERALELONGITUDINALĂ= ÎNCĂRCARI LONGITUDINALE

Forțele tăietoare maxime la nivelul șinei

Momente incovoietoare maxime la nivelul șinei,fata de un plan paralel cu planul median al dalei

Eforturi axiale maxime la nivelul dalei

Rezultanta momentului incovoietor maximfata de un plan paralel cu planul median al dalei, diagrama M max

Efort de compresiune principală, diagrama Fc

Studiu parametric

Se va proceda la un studiu parametric constând din analiza mai multor modele, variind apoi rigiditatea reazemului de sub dală și menținând constanți ceilalți parametrii de calcul. valoarea rigidităţii reazemului de sub dalăavut valorile 120.000 kN/m, 205.000 kN/m, 410.000 kN/m, 820.000 kN/m și 1230000kN/m

Studiu parametric

Studiu parametric

Studiu parametric

Studiu parametric

Studiu parametric

Studiu parametric Diagrama de variație a ariei de armătură necasară în funcție de variația rigidității patului

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

120000 205000 410000 820000 1230000

Aa x

Aa y

CONCLUZIIDalele cu o rigiditate mare la încovoiere sunt capabile să suporte momentele încovoietoare și să repartizeze încărcarea din trafic pe o lungime mai mare a căii, micșorând astfel eforturile unitare pe terenul de sub ele. De asemenea dala este capabilă să acopere ca un pod punctele slabe sau tasările locale fără a modifica geometria căii de rulareCercetările au arătat că este posibil să se utilizeze dale continue din beton armate la încovoiere pe teren moale Din studiul parametric se poate concluziona: cu cât rigiditatea reazemului de sub dală este mai mare cu atât aria de armare scade semnificativ

Va multumesc pentru atentie !