Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Railway bridges with floating slab track systems: Numerical modelling of rail stresses - Dependence on properties of floating slab mats
Luleå University of Technology, Department of Civil, Environmental and Natural Resources Engineering, Structural and Construction Engineering.
2018 (English)Independent thesis Advanced level (professional degree), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesisAlternative title
Järnvägsbroar med en vibrationsdämpande matta under ballastfritt spår : Numerisk modellering av hur spänningarna i rälsen påverkas av den elastiska mattan (Swedish)
Abstract [en]

The increased use of continuously welded rails in the railway systems makes it necessary to increase the control of the rail stresses to avoid instability and damages of the rails. Large stresses are especially prone to appear at discontinuities in the railway systems, such as bridges, due to the interaction between the track and the bridge. The interaction leads to increased horizontal forces in the rails due to the changed stiffness between the embankment and the bridge, temperature variations, bending of the bridge structure because of vertical traffic loads and braking and traction forces. If the compressive rail stresses become too high it is necessary to use costly and maintenance-requiring devices such as rail expansion joints and other rail expansion devices. These devices increase the railway systems life cycle cost and should if possible be avoided.

The use of non-ballasted track on high-speed railways, tramways and subways, has increased since this kind of track requires less maintenance and according to some investigations have a lower life cycle cost compared to ballasted track. The non-ballasted track is usually made of a track slab to which the rails are connected through fastenings. The track slab is connected to the bridge structure and held in place by shear keys. When non-ballasted tracks are used in populated areas it is sometimes necessary to introduce some vibration and noise damping solution. One of the possible solutions is to introduce a floating slab mat (elastic mat) under the track slab on the bridge.

The influence of the floating slab mats properties on the rail stresses is investigated in this degree project. The investigation was performed through a numerical modelling of two railway bridges using the finite element software SOFiSTiK. The results from the investigation showed that there was a small reduction of the compressive rail stresses by approximately 3 – 7% (depending on the stiffness of the elastic support, load positions and the properties of the mat) when a mat was installed under the track slab. The results from the investigation also showed that there was a small reduction (up to approximately 1 %) of the compressive stresses in the rail when the thickness of the mat was increased, and the stiffness of the mat was reduced. This reduction of the compressive stresses is assumed to be caused by the mat being mounted on the sides of the shear keys. The lower stiffness of the mat allows the track slab and the bridge deck to move more freely parallel to each other in the horizontal direction. This leads to a decrease of the stresses in the rail due to a lower interaction between the track and the bridge. It was also shown that the rail stresses increased if the friction between the slab mat and the bridge deck was considered. This is because of an increase of the interaction between the track and the bridge due to the mats horizontal stiffness.

Abstract [sv]

Den ökade användningen av kontinuerligt svetsade räler i järnvägsnäten i världen leder till en ökad kontroll av rälsspänningarna för att undvika instabilitet och skador på rälsen. Särskilt vid en diskontinuit i järnvägssystemet, som vid broar, kan stora tillskottspänningar i rälsen uppstå till följd av interaktionen mellan spår och bro. Interaktion leder till ökade horisontella krafter som verkar på rälsen och beror på den förändrade styvheten mellan järnvägsbank och bro, temperaturvariationer, nedböjning av bron på grund av vertikala trafiklaster samt broms- och accelerationskrafter. Om spänningarna i rälsen blir för stora behöver kostsamma och underhållskrävande dilatationsfogar införas. Dessa dilatationsfogar ökar järnvägssystemets livscykelkostnad och är något som ska undvikas att införas i den mån det är möjligt.

Användningen av ballastfritt spår för höghastighetsjärnvägar, spårvägar och tunnelbanor ökar på grund av att dessa spår kräver mindre underhåll och har enligt vissa undersökningar en lägre livscykelkostnad i jämförelse med ballasterat spår. Ballastfritt spår består oftast av en betongplatta till vilken rälsen är kopplad genom befästningar. Plattan är i sin tur kopplad till underbyggnaden genom skjuvförbindare som håller plattan på plats. När ballastfritt spår används i bebodda områden är det ibland nödvändigt att ta till vibrations- och ljuddämpande åtgärder. En åtgärd som används på brokonstruktioner för att minska vibrationer och ljudföroreningar är att montera en vibrationsdämpande matta, som är tillverkad av ett elastiskt material, mellan betongplattan och broöverbyggnaden.

I detta examensarbetet undersöks hur den vibrationsdämpande mattans egenskaper påverkar rälsspänningarna. Resultaten från undersökningen visar att spänningarna i rälsen minskar med cirka 3–7 % (beroende på det elastiska stödets styvhet, lastpositioner och mattans egenskaper) när en elastisk matta installeras under spårplattan i jämförelse med när ingen matta används. När mattans tjocklek ökar och när styvheten sänks minskar spänningarna med cirka 1 % i jämförelse mellan den tjockaste och tunnaste mattan. Denna minskning av spänningarna antas bero på att den vibrationsdämpande mattan som är monterad på sidan av skjuvförbindarna ger en möjlighet för spåret och bron att förskjutas fritt parallellt varandra innan en interaktion mellan spår och bro uppstår. Det visade sig även att om friktionen mellan mattan och broöverbyggnaden medräknas ökar spänningarna i rälsen. Detta beror på att mattan då skapar en större interaktion mellan spåret och bron gentemot fallet då mattans horisontella styvhet inte beaktas.

Place, publisher, year, edition, pages
2018. , p. 366
Keywords [en]
ballasted track, bridge, elastic mat, expansion, finite element method (FEM), finite element analysis (FEA), floating slab mat, interaction, International union of railways (UIC), non-ballasted track, SOFiSTiK
Keywords [sv]
ballasterat spår, ballastfritt spår, bro, dilatationsfogar, finita elementmetoden (FEM), finit elementanalys (FEA), fixerat spår, interaktion, Internationella järnvägsunionen (UIC), SOFiSTiK, vibrationer, vibrationsdämpande matta
National Category
Engineering and Technology Civil Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:ltu:diva-67297OAI: oai:DiVA.org:ltu-67297DiVA, id: diva2:1174847
External cooperation
WSP Sverige AB
Educational program
Civil Engineering, master's level
Examiners
Available from: 2018-01-17 Created: 2018-01-16 Last updated: 2018-01-17Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(45737 kB)400 downloads
File information
File name FULLTEXT02.pdfFile size 45737 kBChecksum SHA-512
45781d86df9a87d649e989511717b14c9221137cafdc7532924c2f20a29f461c608ac4c681ac68d2a4f0aaaa964726b2b9585cbf8691e550271e3648747cc420
Type fulltextMimetype application/pdf

Search in DiVA

By author/editor
Kostet, Daniel
By organisation
Structural and Construction Engineering
Engineering and TechnologyCivil Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 400 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 409 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf