Accelerations- och bromskrafter för järnvägsbroar
Analys av reduktionsfaktor
EurokodKombinerad responsLongitudinell kraftReduktionsfaktorAccelerations- och bromskraftInteraktion spår ? broLongitudinell styvhetSpår
I januari 2010 trädde europeiska konstruktionsstandarder i kraft i Sverige, vilket ersätter de föregående brostandarderna Bro 2004 och BV Bro, utgåva 9, för järnvägsbroar. Detta för med sig förändringar av regler beträffande beräkning av de krafter som påverkar brobrokonstruktionen orsakat av acceleration och bromsning. EN 1991-2, som styr trafiklaster på järnvägsbroar enligt de europeiska konstruktionsstandarderna, ger olika metoder för att beakta den samverkan som uppstår mellan spår och broöverbyggnad då accelerations- och bromskrafter verkar på rälerna. Detta examensarbete har initierats i syfte att klargöra metodernas användningsområde, hur de skall användas samt för- och nackdelar med respektive metod. De metoder som ges består av en generell metod samt två förenklade metoder som gäller under olika förutsättningar. Utöver de metoder som ges i EN 1991-2 görs en jämförelse med andra välkända metoder vilka framtagits av Banverket, International Union of Railways (UIC) respektive Ladislav Frýba. Dessutom framarbetas en teoretisk beräkningsmodell som följer aktuell standard inom ett visst begränsningsområde. Interaktionen mellan spår och broöverbyggnad med avseende på horisontella krafter beror av en mängd olika parametrar, där spårets uppbyggnad och egenskaper samt bärverkets uppbyggnad och egenskaper inkluderas. Detta innebär således att spåret på och bredvid bron samt broöverbyggnad, lager, brounderbyggnad och grundläggning bör inkluderas i analyser. Viktigt att beakta är kopplingen mellan rälerna och broöverbyggnaden och dess bärförmåga mot skjuvkrafter i longitudinell riktning. Kopplingens last-förskjutningsbeteende har visat sig vara ickelinjär, som förenklas till ett bilinjärt beteende bestående av en elastisk respektive en plastisk del. Ur detta följer att ickelinjära analyser erfordras när krafterna i kopplingen överstiger plasticeringsgränsen. Den analytiska beräkningsmodellen som tas fram inom ramen för denna rapport gäller dock endast vid elastiska förutsättningar. De väsentliga faktorerna beträffande brons över- och underbyggnad, lager samt grundläggning är dess styvhet i longitudinell riktning vid analys av effekterna till följd av acceleration och bromsning. I syfte att avgöra reduktionsfaktorn ? för bestämning av longitudinella krafter på överbyggnaden och de fasta lagren med avseende på accelerations- och bromskrafter, utförs en parameterstudie. I denna studie inkluderas fem fallstudier bestående av existerande broar samt en känslighetsanalys. De fem broarna, med tillhörande längd i parentes, utgörs av två plattramsbroar (15/23m), två balkbroar (52/150m) och en fackverksbro (82m). Balkbroarna är kontinuerliga medan plattramsbroarna och fackverksbron endast består av ett spann. Vidare analyseras plattramsbroarna utifrån en plattgrundläggning medan övriga broar analyseras utifrån både en platt- och en pålgrundläggning. I känslighetsanalysen används den teoretiska beräkningsmodellen för att på ett överskådligt sätt kartlägga de viktigaste parametrarna som påverkar reduktionsfaktorn ?. Den beräkningsmetod som förväntas ge resultat som är närmast det verkliga beteendet är den generella metoden enligt EN 1991-2, där FE-programmet FEMAP används för att göra ickelinjära analyser. Vid modellering i FEMAP beaktas de faktorer som antas ha en signifikant betydelse för det slutgiltiga resultatet. Dessutom används FEMAP för att ta fram erforderliga parametrar till andra beräkningsmetoder. Enligt analyserna i FEMAP är reduktionsfaktorn ? för platt- och pålgrundläggning 0,51 (15m) respektive 0,52 (23m) för plattramsbroarna, 0,65/0,72 (52m) respektive 0,74/0,73 (150m) för balkbroarna och 0,49/0,47 (82m) för fackverksbron, där värdet inom parentes är respektive brolängd. Detta ger en mycket bra överrensstämmelse jämfört med den analytiska beräkningsmetodiken inom dess giltighetsområde. Den största skillnaden mellan metoderna är 5 procentenheter. Metoderna enligt Banverket och UIC tycks också överrensstämma någorlunda, men dock inte i samma omfattning som den analytiska modellen. Den förenklade metoden enligt Frýba skiljer sig däremot markant från övriga metoder. De förenklade metoderna enligt EN 1991-2 ger för plattramsbroarna en reduktionsfaktor ? som är närmare 1,0 vilket innebär att accelerations- och bromskrafterna inte reduceras. Därmed skiljer resultatet kraftigt från den generella metoden. För balkbron med längden 52 m stämmer resultaten däremot väl överrens vid pålgrundläggning, men dock inte i samma utsträckning vid plattgrundläggning. Med anledning av att beräkningsmetoderna enligt EN 1991-2 kan medföra olika reduktioner med avseende på accelerations- och bromskrafter, är de gynnsamma att använda i olika situationer. Den analytiska metoden, vilken är en förenkling av de generella principerna som gäller för interaktionen mellan spår och bro, rekommenderas dock framför övriga metoder av förenklad karaktär till följd av dess goda överrensstämmelse med resultaten från FEMAP. Dessutom inkluderas samtliga av de parametrar som enligt känslighetsanalysen påverkar reduktionsfaktorn ?. De aktuella parametrarna är det fasta lagrets styvhet, brolängden samt till viss del även brons överbyggnad och spårets bärförmåga mot skjuvkraft. Slutsatserna utifrån fallstudierna är att en förenklad beräkningsmetod bör användas för att ta hänsyn till interaktionen mellan spår och broöverbyggnad orsakat av accelerations- och bromskrafter. Detta i syfte att påskynda arbetet att ta fram lasterna på konstruktionen. Den analytiska beräkningsmodellen kan användas för broar upp till en teoretisk brolängd på 60 till 100 m beroende på brons utformning. Över denna längd är det lämpligt med den generella metoden. För att förenkla analyserna ytterligare bör ytterligare en modell, där endast brolängden styr reduktionsfaktorn ?, framarbetas. För att skapa en sådan modell kan de vanligaste brotyperna studeras för en mängd olika längder med avseende på den longitudinella styvheten för de fasta lagrena, vilket sedermera ger sökt reduktionsfaktor. I denna rapport har det även uppkommit att de värden som beskriver bärförmågan för spåret i longitudinell riktning enligt införd standard kan vara kraftfullt konservativa i förhållande till mätningar för de förutsättningar som råder i Sverige i dagsläget. I syfte att klargöra om dessa indikationer är korrekta föreslås att en utredning genomförs kring spårets bärförmåga för skjuvkraft i longitudinell riktning.