Programvaror för arbetet med höghastighetsjärnväg - Statiska och dynamiska analyser för bank och undergrund

Abstract

At present there is an ongoing investigation of a Swedish high-speed rail. It is decided that the railway will be constructed with a slab track and mainly be founded on an embankment. There is an uncertainty in how to conduct stability and settlement calculations for the embankment and subgrade and how dynamic effects should be considered. The present Master’s thesis aims to analyze appropriate software for static aswell as dynamic calculations.

Slab tracks provide a higher stability of the track but a key issue is that practically all settlements must be avoided. The dynamic effects are related to the train speed and resonance may occur if the train speed approaches the so called critical speed of the railway system. Ten persons have been interviewed in this thesis. To estimate the settlements in the embankment and subgrade the interviewees seem to agree that a finite element software intended for geotechnical analysis is the best alternative. Concerning
the dynamic effects most of the interviewees reckon that a dynamic analysis mainly aims to consider the risk for resonance. Dynamic analysis and settlement analysis are considered to be two separate kinds of simulations. There is an uncertainty about to what extent it will be necessary to consider the dynamic effects. For dynamic calculation general-purposed finite element programs are considered to be the best alternative.

Abstract (Swedish)

Världens första höghastighetsbana byggdes mellan Tokyo och Osaka år 1964. Sedan dess har länder i framförallt Asien och Europa också infört höghastighetståg och just nu pågår arbetet med höghastighetsjärnväg i Sverige. Den kommer att trafikeras av höghastighetståg med en hastighet upp till 320 km/h. Det är beslutat att järnvägen ska utformas med fixerade spår vilket är den vanligaste lösningen för höghastighetsbanor. Banan ska till största delen gå på bank och det råder en osäkerhet kring hur bärighets- och sättningsberäkningar för bank och undergrund bör utföras och hur dynamiska effekter bör beaktas.

Det här examensarbetet syftar till att utreda vilka befintliga programvaror som anses lämpliga att använda i arbetet med höghastighetsjärnvägen med avseende på både statiska och dynamiska beräkningar för bankmaterial och undergrund. Det ska även utreda i vilken utsträckning dynamiska effekter bör beaktas och hur beräkningsmodellerna kan valideras. Arbetet har inletts med en litteraturstudie och en inventering av befintliga programvaror för att ge underlag till den intervjustudie som sedan genomförts. Studien bestod av kvalitativa intervjuer som genomfördes för att samla in information och för att sammanställa olika
uppfattningar.

Fixerade spår ger en större stabilitet än ballastspår vilket gör att deformationer av spåret blir mindre förekommande, förutsatt en god grundläggning. Jämfört med ballastspår har fixerade spår även ett lågt underhållsbehov. En utmaning med fixerade spår är däremot att det kräver att det i princip inte uppkommer några sättningar. För ballastspår går det att kompensera för lokala sättningar genom att tillföra ballast så att spårgeometrin återställs. För fixerade spår innebär däremot en större ändring av spårets position omfattande arbete.

Järnvägskonstruktioner utsätts för dynamiska krafter som tågtrafiken ger upphov till. Dessa dynamiska effekter är hastighetsberoende och för tåg på spår riskerar ett resonansfenomen/höghastighetsfenomen att uppkomma ifall tåget närmar sig en så kallad ”kritisk hastighet”. Den kritiska hastigheten beror på en kombination av spårets och jordens egenskaper. Styvheten hos såväl spåret som banken och den underliggande jorden är viktiga för att uppnå en hög kritisk hastighet.

Tio personer med olika bakgrund har intervjuats och deras svar har sammanställts. Flera av de intervjuade lyfter några av de speciella förutsättningar som finns i projektet med höghastighetsbanorna i och med att de ska utformas med fixerade spår. Utmaningar ligger i de strikta sättningskraven och att det är en för oss ny byggteknik. För att beräkna sättningar i bank och undergrund är de intervjuade i stort sett eniga om att något finita elementprogram (FEM-program) anpassat för geotekniska tillämpningar som är aktuellt. Programmet bör erbjuda anpassade materialmodeller för att underlätta analysen. Exempel på programvaror som nämns är Plaxis, Zsoil, Comsol Multhiphysics och finita differensprogrammet Flac. En av de intervjuade är även inne på att använda programvaran Particle Flow Code (PFC) som är ett program som använder ”Distinct Element Method”.

De flesta av de intervjuade anser att dynamiska analyser främst eller endast syftar till att utvärdera risken för att det uppstår ett resonansfenomen genom att analysera den kritiska hastigheten för järnvägssystemet. Man ser gärna att dessa dynamiska analyser genomförs under linjärelastiska förhållanden. Några av de intervjuade beskriver att det är möjligt att genomföra geotekniska icke-linjära, dynamiska analyser med att det är komplicerade beräkningar som det finns en begränsad erfarenhet av. Dynamiska analyser och sättningsberäkningar ses som två olika typer av analyser. I hur stor utsträckning det kommer att vara nödvändigt att analysera de dynamiska effekterna råder det en viss osäkerhet kring.

För de dynamiska beräkningarna ses också FEM-program som det främsta alternativet. Några är inne på att det främst handlar om beräkningsingenjörens preferens och färdighet vid val av program. Många av de intervjuade utgår från att de dynamiska beräkningarna görs under linjärelastiska förhållanden och det är främst olika generella FEM-program som diskuteras för det ändamålet.

För att validera såväl sättningsberäkningar som dynamiska analyser anser många av de intervjuade att det bästa är att göra försök i full skala och att det i höghastighetsprojektet hade kunnat vara ett bra alternativ att bygga upp en provbank.

• author: Söderbäck, Ina
• supervisor: Andreas Persson; Anders Lenngren
• organization: Transport and Roads
• course: VVB820 20171
• year: 2017
• type: H3 - Professional qualifications (4 Years - )
• subject: Technology and Engineering
• keywords: höghastighetsjärnväg, programvaror, sättningar, höghastighetsfenomen, dynamik
• report number: 304
• ISSN: 1653-1922
• language: Swedish
• id: 8916559
• date added to LUP: 2017-06-19 11:05:55
• date last changed: 2017-06-19 11:05:55