Sporets sidemotstand
__NUMBEREDHEADINGS__
Innledning
For å unngå at sporet knekker ut ved store trykkspenninger i skinnene, må vi ha tilstrekkelig sidestabilitet i sporet. En rekke faktorer er med på å bestemme hvor stabilt sporet er mot sideveis forskyvning. De viktigste er
- ballastprofil
- ballastkvalitet
- ballastens komprimeringsgrad
- svilletype
- befestigelsestype
- skinneprofil
Sportekniske krav til et helsveist spor er gitt i [JD 530].
Faktorer som påvirker sidestabiliteten
Sporets stabilitet mot sideveis utknekking er avhengig av
- sporets sideforskyvningsmotstand
- sporets vridningsmotstand
Sideforskyvningsmotstand
Sideforskyvningsmotstanden kan defineres som den motstand en sville møter når den beveger seg eller prøver å bevege seg sideveis. Den totale sideforskyvningsmotstand kan vi dele opp i 3 komponenter:
| Fb = motstand fra svillebunn |
| Fs = motstand fra svillesider/svillemellomrom |
| Fe= motstand fra ballastskulder/svilleender |
Ligning 6.1
Vi kan regne med følgende bidrag fra de 3 komponentene til den totale sideforskyvningsmotstanden:
mer greier
Praktiske forsøk har vist at sideforskyvningsmotstanden er avhengig av veien svillene forflytter seg (figur 6.1).
For nylig pakket spor antar forskyvningsmotstanden en konstant verdi etter noen få millimeter forskyvningsvei. For et konsolidert spor når forskyvningsmotstanden en maksverdi (FP) før den avtar til en konstant verdi (FL). Praktiske forsøk har vist at maksverdien for konsolidert spor opptrer ved en sideforskyvning på 5 mm eller mindre, mens forskyvningsmotstanden når en konstant verdi etter 100 - 150 mm forskyvningsvei.
Følgende faktorer har innflytelse på motstanden som sporet møter ved sideforskyvning:
- ballastprofil
- ballastkvalitet
- ballastens konsolideringsgrad
- svilletype
- svilleavstand
Ballastprofilet
Ballastskulderen har en avgjørende innflytelse på sporets sideforskyvningsmotstand. Figur 6.2 viser hvordan sideforskyvningsmotstanden endrer seg når skulderbredde og høyde endrer seg. Resultatene bygger på praktiske forsøk utført av European Rail Research Institute (ERRI).
Figur 6.2 Sideforskyvningsmotstand avhengig av ballastskulder
Figur 6.2 viser f.eks, at sideforskyvningsmotstanden øker med ca. 10% dersom skulderbredden øker fra 40 til 55 cm utenfor svilleende. En opphoping av ballastskulderen på 10 cm medfører videre ca. 20% økning i side-forskyvningsmotstanden.
Ballastmengde i svillemellomrommet
Også ballastmengden i svillemellomrommet bidrar til sporets motstand mot sideveis forskyvning. Figur 6.3 viser hvordan sideforskyvningsmotstanden reduseres når vi fjerner ballast fra svillemellomrommet.
Figur 6.3 Sidemotstand avhengig av ballast i svillemellomrom
Ballastprofiler
For å sikre tilstrekkelig sidemotstand er det satt krav til ballastprofilet for spor som skal helsveises (Figur 6.4) [JD 530, kap 10]. Tabell 6.1 viser hvilke profiler som skal anvendes ved forskjellige kombinasjoner av kurveradier og svilletyper.
Figur 6.4 Ballastprofiler for helsveist spor
| spor med tresviller | spor med betongsviller | skinnelengder > 30 m. | skinnelengder < 30 m. |
|---|---|---|---|
| Rettlinje og radier > 500 m | Rettlinje og radier > 400 m | Profil 1 | Profil 1 |
| Radier 499-400 m | Radier 399-300 m | Profil 2 | Profil 1 |
| Radier 399-300 m | Radier 299-250 m | Profil 3 | Profil 1 |
| Radier < 300 m | Radier < 250 m | ikke tillatt | Profil 1 |
Ballastkvalitet
Ballastmaterialets kornform og fraksjonering har innflytelse på hvor stor motstand ballasten yter mot sideveis forskyvning av svillene. Det er et krav om at ballasten i et helsveist spor skal bestå av fullverdi pukk med kornstørrelse 25-63 mm. (tidl. 25-50 mm).
Forurensninger og vann i ballasten vil nedsette forskyvningsmotstanden betraktelig. Dårlig drenering vil altså være med på å redusere sikkerheten mot solslyng.
Ballastens konsolideringssgrad
Sporjustering
Alle arbeider som reduserer ballastens konsolideringsgrad medfører en reduksjon i sideforskyvningsmotstanden. Figur 6.5 viser resultater av forsøk med å sideforskyve sporet etter sporjustering. Vi ser at forskyvningsmotstanden rett etter sporjustering faller til 30-50 % av full motstand. Dersom vi bruker kantvibrator øker motstanden noe, mens bruk av dynamisk sporstabilisator som vibrerer hele sporet øker forskyvningsmotstanden til mellom 60 og 75 % av full motstand.
Etter sporjustering skal det iverksettes hastighetsreduksjon i kurver med radius £ 400 m dersom det kan forventes skinnetemperaturer over +30 0C [JD 532, kap.13]. Full sidemotstand oppnås etter ca. 150 000 brt togpassering. Dette tilsvarer 3 - 6 dager ved hovedspor i Norge. Bruk av dynamisk sporstabilisator vil øke sidemotstanden tilsvarende ca. 80 000 brt umiddelbart.
Ballastrensing
Andre sporarbeider som reduserer forskyvningsmotstanden er ballastrensing og svillebytte. Etter ballastrensing kan vi regne med at motstanden er redusert til 20 - 30 % av full motstand.
Det må utvises meget stor aktsomhet ved slike sporarbeider i varmt vær. Regler for vedlikehold av helsveist spor [JD 532, kap. 10] gir temperaturbegrensninger for slike arbeider. Arbeid som svekker sporets stabilitet skal bare utføres i skinnetemperaturområdet 0 - +30 0C.
Figur 6.5 Sideforskyvningsmotstand etter sporjustering
Svilletype
Svillenes form og tyngde er med på å bestemme sporets sidestabilitet. Figur 6.6 viser resultatet av praktiske forsøk med sideforskyvning av sporavsnitt med forskjellige svilletyper. Forsøkene er utført av ERRI.
Figur 6.6 Sideforskyvningsmotstand med forskjellige svilletyper
I figuren er forskyvningsmotstanden for tresviller brukt som referanse. Vi ser at betongsviller har vesentlig bedre sideforskyvningsmotstand enn tresviller og stålsviller. Det er fremfor alt tyngden til betongsvillene som gjør at disse yter større motstand. Vekten til en betongsville er 250 - 300 kg mens en tresville veier fra 50-80 kg.
Formen på svillene har også betydning for sideforskyvningsmotstanden. Figur 6.7 viser skjematisk tresville, monoblokk betongsville og toblokk betongsville sett ovenfra. Vi ser at monoblokk betongsvillens “innsving” på midten bidrar til større friksjon mot ballasten ved sideveis forskyvning enn den rektangulære tresvillen. Toblokk betongsviller har to endeflater som yter motstand mot bevegelse sideveis og er således den svilletypen med suverent best sideforskyvningsmotstand. Det er også verdt å merke seg at betongsvillenes underkant har betydelig større flate enn overkanten på svillene. Dette pga. at friksjonen mellom underkant av sville og ballasten utgjør en stor del av den totale sideforskyvningsmotstanden.
Figur 6.7 Svilletyper
Sideforskyvningsmotstand uttrykkes gjerne som motstand pr. lengdeenhet. Dersom vi kjenner motstanden for en sville finner vi sideforskyvningsmotstanden ved å dividere med svilleavstanden.
Ligning 6.2
Sporets sideforskyvningsmotstand er altså omvendt proporsjonal med svilleavstanden. For å opprettholde tilstrekkelig sideforskyvningsmotstand i et helsveist spor er det derfor viktig at ikke svilleavstanden blir for stor. Ved JBV tillates det maks 65 cm svilleavstand i helsveist spor dersom sporet har kurveradius større enn 500 m. For kurver med mindre radius skal svilleavstanden ikke overstige 60 cm.
Målinger av sideforskyvningsmotstand
Sideforskyvningsmotstanden måles ved å skyve/dytte enten enkeltsviller eller flere sviller sammen. Figur 6.8 viser et oppsett for å måle sideforskyvningsmotstanden. Figur 6.9 viser typiske verdier for sideforskyvningsmotstand i nypakket spor, mens figur 6.10 viser verdier fra målinger på tresvillespor i USA.
Figur 6.8 Måling av sideforskyvningsmotstand
Figur 6.9 Sideforskyvningsmotstand i nypakket spor
Figur 6.10 Sideforskyvningsmotstand for tresviller ved varierende ballaststyrke
Vridningsmotstand
For at en utknekking av sporet i horisontalplanet skal kunne oppstå, må skinnene rotere i forhold til svillene (figur 6.11).
Figur 6.11 Vridningsmotstand
Når vi betrakter sporet som en ramme bestående av skinner og sviller vil vridningsmotstanden i rammens ledd ha innflytelse på sidestabiliteten til sporet. Vridningsmotstanden, eller rammestivheten er avhengig av befestigelsen. Fjærens klemkraft og friksjonen mellom skinne og mellomlegg/isolator er av stor betydning.
Lengden av skinnefotsidens anleggsflate mot underlagsplate eller isolator er avgjørende. Dersom vi sammenligner Hey-Back befestigelsessystem med Pandrol PR og e–systemer ser vi at Hey-Back platens ribbekant har betydelig lengre anleggsflate mot skinnefotsiden enn Pandrol-isolatoren har. Figur 6.12 viser tydelig hvor stor betydning denne forskjellen har på vridningsmotstanden. Det nye befestigelsessystemet Pandrol Fastclip har en sideisolator som har betydelig lengre anleggsflate mot skinnefotsiden enn Pandrol PR/e-clip-systemene og vil derfor ha en større vridningsmotstand.
Slitasje på isolator og mellomlegg
På et betongsvillespor vil slitasje på isolator og mellomlegg kunne redusere vridningsmotstanden betraktelig ved at det oppstår "slark" i befestigelsen. Slitasje på isolatorer opptrer først og fremst i krappe kurver hvor de laterale sporkreftene er størst. Nettopp i krappe kurver har vi den største risiko for solslyng. Det er derfor god grunn til å holde isolatorenes tilstand under oppsyn i krappe kurver.
Figur 6.12 Vridningsmotstand for Hey-Back og Pandrol PR
Skinneprofilets betydning for sidestabiliteten
Skinneprofilets treghetsmoment om skinnens vertikale akse har innflytelse på hvor stivt hele sporet blir mot sideveis forskyvning. Samtidig øker aksialkraften i skinnene når tverrsnittsarealet øker. Det er dermed ikke gitt at et større skinneprofil medfører større sikkerhet mot solslyng. Figur 6.13 viser hvilken innflytelse forskjellige skinneprofil har for sikkerhet mot utknekking, hvor det er tatt utgangspunkt i S49. Beregningene gjelder for rett linje og er utført etter Meiers metode (se avsnitt 3.3.1). Vi ser for eksempel at S54 medfører en reduksjon i sikkerhet mot solslyng på 4% i forhold til S49.
Figur 6.13 Skinneprofilets innflytelse på sikkerhet mot utknekking