Nedbrytningsmekanismer

__NUMBEREDHEADINGS__

Innledning

Et forsøk på å definere begrepet nedbrytningsmekanisme kan være som følger:

En nedbrytningsmekanisme består av en eller flere årsaker til nedbrytning og faktorer som bestemmer hastigheten til nedbrytningen (mer indirekte årsaker).

Dersom nedbrytningsmekanismen er kraftig nok og/eller har fått virket over ei viss tid, vil sporkomponenten ikke lenger fylle sin funksjon eller oppfylle bestemte kvalitetskriterier. Dette gjenspeiles i diverse nedbrytningssymptomer som kan observeres i sporet.

Inndelingen i årsaker og hastighetsbestemmende faktorer som definisjonen legger opp til, kan være vanskelig å etablere når nedbrytningsmekanismen er sammensatt og uoversiktlig. I slike tilfeller kan det være til hjelp å sortere årsakene etter hvor viktige de er for å forklare det aktuelle nedbrytningssymptomet. De forholdene som står øverst på lista vil da være det som ovenfor er kalt ’årsaker’, mens de som er lenger ut i rekken er kalt ’hastighetsbestemmende faktorer’. De sistnevnte er forhold som er mer sekundære og mer indirekte involvert i nedbrytningsmekanismen.

Tenkemåten med ’årsaker’ og ’hastighetsbestemmende faktorer’ er altså nyttig når man skal rangere forhold som har betydning for en nedbrytningsmekanisme. Skillet mellom utløsende årsaker og hastighetsbestemmende faktorer kan dessuten ha noe for seg når man skal finne botemidler mot nedbrytningen. Ideelt sett er det ønskelig å fjerne selve årsakene, men ofte er ikke det mulig og man må heller konsentrere seg om å begrense nedbrytningshastigheten. Nedenfor skal vi også se at dette skillet vil være fordelaktig når man skal beskrive nedbrytningsmodeller.

Framgangsmåten når man skal modellere nedbrytning av et jernbanespor er ikke ulik den man ellers ville ha fulgt når man skal analysere sammenhengen mellom årsak og virkning: Man observerer virkningen, som er nedbrytningssymptomet, og prøver å finne årsakene.

I samspillet mellom årsak og virkning introduseres gjerne begrepet motstand, i dette tilfellet nedbrytningsmotstand. Et spor som tåler mye uten å bli nedbrutt har høy nedbrytningsmotstand, mens et spor som blir raskt nedbrutt har lav nedbrytningsmotstand. Dette vil også gjelde individuelle sporkomponenter og ikke bare sporet som helhet. Nedbrytningsmotstanden sier egentlig det samme som nedbrytningshastigheten (strengt tatt må nedbrytningshastigheten da forstås generelt som virkning pr. årsaksenhet) , men med motsatt betydning: Høy nedbrytningsmotstand gir lav nedbrytningshastighet. Sammenhengen mellom årsak, virkning (nedbrytning), nedbrytningshastighet og nedbrytningsmotstand kan uttrykkes på følgende skjematiske måte:

nedbrytning = årsak/nedbrytningsmotstand = nedbrytningshastighet * årsak

Dette vil være et generelt mønster for flere ulike typer nedbrytningsmodeller. Rent generelt vil hensikten med en nedbrytningsmodell være å kunne forutsi hvor stor nedbrytning vi vil få når vi kjenner årsakens størrelse og nedbrytningshastigheten eller nedbrytningsmotstanden. Har vi en god nedbrytningsmodell vil den kunne hjelpe oss til å utforme sporet slik at levetida blir lengst mulig med lavest mulig kostnader.

Dersom nedbrytningshastigheten er konstant, uansett årsakens eller nedbrytningens (virkningens) størrelse, har vi en enkel, lineær nedbrytningsmodell. At modellen er lineær vil si at dersom størrelsen på årsaken endres med en viss prosent så vil nedbrytningen endres med den samme prosenten. Men nedbrytning i et jernbanespor er nok mer komplisert enn som så, og slike lineære sammenhenger vil være sjelden kost. Som oftest vil nedbrytningshastigheten variere både etter hvor stor årsaken er og etter hvor stor virkningen (nedbrytningen) er fra før. Dessuten kan det være flere årsaker som er skyld i ett og samme nedbrytningssymptom. Nøyaktige nedbrytningsmodeller kan derfor bli store og komplekse.

Som en grovinndeling kan vi tenke oss tre hovedgrupper av nedbrytningsmodeller:

a) Lineære (nedbrytningshastigheten er konstant)

b) Stabiliserende (nedbrytningshastigheten avtar med økende årsak)

c) Akselererende (nedbrytningshastigheten øker med økende årsak)

Tilfellene b) og c) ovenfor vil være ikke-lineære nedbrytningsmodeller. Av de tre hovedgruppene av nedbrytningsmodeller er det akselererende nedbrytningsmekanismer som generelt vil være mest alvorlig, og som det er viktigst å gjøre noe med ute i sporet. Figur 2.1 illustrerer de tre tilfellene av nedbrytningsmodeller.

Figur 2.1 Tre hovedgrupper nedbrytningsmodeller: a) Lineær, b) Stabiliserende, c) Akselererende

Som eksempel på en enkel lineær modell kan vi tenke oss følgende: Vi ser på permanent vertikal deformasjon i sporet målt i mm. Denne vertikale deformasjonen vil da være virkningen, eller nedbrytningssymptomet, som vi kan observere i sporet. En nærliggende forklaring er at det er trafikken, målt i million bruttotonn (MBrt), som er årsaken til denne deformasjonen. Etter å ha målt hvordan den vertikale deformasjonen utvikler seg over ei viss tid, og samtidig har data over passert trafikk (MBrt), kan vi regne ut nedbrytningshastigheten, i dette tilfellet den vertikale deformasjonshastigheten. La oss si at deformasjonshastigheten er 5 mm/MBrt. Alternativt kan denne regnes om til 0,2 MBrt/mm i nedbrytningsmotstand (i dette tilfellet deformasjonsmotstand). Legger vi en lineær modell til grunn, og bruker dataene ovenfor, kan vi regne ut hvor stor deformasjonen vil bli etter f.eks. 4 MBrt:

greier

Alternativt med deformasjonsmotstand:

greier

Eksemplet ovenfor er bare ment som en illustrasjon på hvordan man går fram dersom den aktuelle nedbrytningen var lineær.

Nedbryting - årsaker og hastighetsbestemmende faktorer

For å konkretisere det som til nå er sagt skal vi gå gjennom de viktigste årsakene til nedbrytning, samt de viktigste faktorene som bestemmer nedbrytningshastigheten. Flere av årsakene og de hastighetsbestemmende faktorene går igjen for flere sporkomponenter og blir derfor omtalt under ett her. Når de enkelte sporkomponentene blir gått gjennom i avsnitt 3 vil detaljene omkring årsakene være å finne her i avsnitt 2.

Årsaker til nedbrytning

Nedbrytningen av sporet kan sies å ha følgende hovedårsaker:

• Naturgitte forhold
• Trafikk
• Enkelte typer sporarbeider

Disse tre hovedårsakene vil bli gått gjennom mer i detalj nedenfor.

Naturgitte forhold

Klimatiske påkjenninger. De viktigste faktorene her er lufttemperatur, solinnstråling, nedbør, vind og luftfuktighet. Disse faktorene vil bestemme hvilken temperatur de enkelte sporkomponentene vil få. Nedbrytning hvor klimatiske påkjenninger er minst én av årsakene vil innbefatte solslyng, telehiv, aldring av kunststoffdeler (f.eks. i befestigelse), rust (nedbør, luftfuktighet), forvitring, skred og ras.

Tilgang på vann. Rennende vann kan erodere underbygningen og, i ekstreme tilfeller, ballasten. Dette vil endre materialsammensetning (evt. også tverrprofil) i sporet og vil føre til et svakere spor. Men særlig er det sammen med andre forhold som klimatiske påkjenninger (f.eks. frost), geologi og topografi at tilgang på vann er særlig skadelig. Vann som suges opp i steinmaterialer i mikroporer vil redusere bruddstyrken til steinmaterialet /1/, noe som vil øke nedknusningen under trafikklast.

Geologien på stedet. Bare sjelden kan geologien alene sies å være direkte årsak til nedbrytning av et jernbanespor. Det måtte i så fall være ved dramatiske hendinger som vulkanutbrudd og jordskjelv. Men stedets geologi er en viktig faktor i mer sammensatte nedbrytningsmekanismer, eller som hastighetsbestemmende faktor. Telehiv, skred, ras, jordsig og setninger kan være noen virkninger der geologien spiller en rolle. Særlig er telefarlig finstoff (silt) og sterkt oppsprukket fjell i skjæringer og tunneler uheldig. Ved skred og ras kan sporkomponenter bli knust, sporfundamentet bli svekket eller forsvinne, sporet kan bli forskjøvet og ballasten kan bli forurenset av finstoff.

Topografien eller landskapsformene på stedet er sjelden alene om ansvaret når f.eks. skred og ras skal forklares. Tilgang på vann og stedets geologi vil ofte spille inn.

Biologisk nedbrytning. Råte i tresviller er kanskje det man først og fremst tenker på. Men også vegetasjon som vokser i sporet vil virke nedbrytende idet det over tid blir dannet humus som vil forringe egenskapene til ballasten. Det samme gjelder for løv og annet biologisk materiale som vinden måtte ta med seg inn i sporet. Finstoffholdige masser som holder på vann og som ligger rundt biologisk nedbrytbart materiale vil akselerere nedbrytningsprosessen.

Kjemisk nedbrytning. Rust på skinner og befestigelsesdeler av stål vil inngå her. Likeså vil kloridinntrengning i betong kunne sies å være en form for kjemisk nedbrytning. Tilgang på vann og hvilke stoffer vannet inneholder vil være viktig for slike prosesser. I tunneler kan aggressivt vann som drypper ned fra henget være et problem og skape alvorlige rustangrep.

Trafikken

Trafikken påfører sporet krefter som over tid vil bryte ned sporet. For sporet vil alle trafikklaster (vertikalt, sideveis og langsetter sporet) opptre som dynamiske laster selv om sporet er i feilfri stand. Når et tog farer forbi vil alle lastbærende deler først bli pålastet og deretter avlastet – for hver aksel som passerer. (Derimot vil det kjørende materiellet, om vi ser bort fra sideveis påkjenninger, stort sett oppleve statiske og kvasistatiske krefter dersom sporet er perfekt). Vertikalkomponenten av de trafikale påkjenningene skyldes aksellast og omlagringseffekter i kurvene (kvasistatiske bidrag). Sideveis vil trafikken påføre sporet krefter som en følge av kurvegange og sinusgange (pendling). Langsetter sporet vil togene overføre bremse- og akselerasjonskrefter til sporet.

Ujevnheter i hjul og skinne vil gi mer tilfeldige dynamiske tillegg som kommer i tillegg til de kreftene som er omtalt ovenfor. Målinger i sporet har vist at de vertikale kreftene i sporet kan bli opptil 3 ganger så store som en statisk betraktning skulle tilsi. Dette vil i hovedsak skyldes alvorlige geometriske hjul- og skinnefeil. En annen årsak til dynamiske krafttilskudd er brå endringer i stivhet langsetter sporet (sporveksler, bruer uten gjennomgående ballast, overgang fra tresviller til betongsviller, brå overgang fra jordfylling til fjellskjæring eller tunnel med lavt ballastprofil o.a.). For alle disse mer tilfeldige dynamiske kreftene er det viktig at sporet ikke er for stivt slik at disse bidragene blir spredd i tid og rom. Størrelsen på hjul- og skinnefeil og variasjon i stivhet langsetter sporet vil være viktig for hvor hurtig nedbrytingen skjer. Figur 2.2 viser ei måling av dynamiske tillegg som følge av hjulslag. Vi ser at tilleggslastene kan bli betydelige selv ved meget moderate hastigheter.

Figur 2.2 Eksempel på dynamiske tilleggslast pga. hjulslag, fra /2/.

I tillegg til langsgående friksjon pga. bremsing eller akselerasjon er det friksjon mellom hjulperiferien og skinnehodet som skyldes at det koniske hjulet blir tvunget til å rulle rett fram. Dessuten vil det være friksjon mellom hjulflens og skinnehode i skarpe kurver dersom hjulflens og skinnehode er i kontakt.

Skinnene vil ta opp lastene vertikalt, sideveis og langsetter sporet som en bjelke siden skinnestålet kan ta både trykk og strekk. I resten av sporet under skinnene blir kreftene tatt opp hovedsakelig som trykk- og friksjonskrefter (granulære materialer kan ikke ta strekkrefter). Klemfjærene og svillene representerer det viktigste unntaket der det delvis opptrer strekkrefter.

Alle disse kreftene vil bryte ned sporet på en eller annen måte. Friksjonen sliter vekk materiale (skinnestål, gummimellomlegg, sviller, ballast), mens trykkreftene knuser materiale (i hovedsak betongsviller og ballast). Dessuten blir sporkomponentene utsatt for utmatting, som er en prosess der mikrofeil i materialet utvikler seg til større sprekker etter ei tid med dynamisk last. Til slutt går den aktuelle sporkomponenten i stykker. Skinner og sviller er eksempler på komponenter som er utsatt for utmatting.

Endringer i trafikken vil ofte være en årsak til økt nedbrytning, eksempler kan være at det innføres nytt rullende materiell, at tillatt aksellast økes, at trafikkmengden øker eller at kjøremønster i sporveksler og avviksspor endres.

Nedfall av forurensende materiale fra vognene vil også representere et nedbrytningsproblem som skyldes trafikken. Det er først og fremst ballastpukken som får sine egenskaper forringet av slik forurensing.

Sporarbeider

Sporarbeider av forskjellig slag blir vanligvis igangsatt for å øke eller opprettholde kvaliteten og levetida til kjørevegen, og vil dermed være viktig for å hindre nedbrytning av sporet. Men enkelte typer sporarbeid vil ha som en utilsiktet effekt at nedbrytningen av noen sporkomponenter øker.

Skinnesliping, som er gunstig for utvikling av rifler og korte bølger, kan være ugunstig med tanke på utmatting fordi skinnetverrsnittet minker (men samtidig blir dynamiske krefter redusert). Dessuten blir materiale fjernet som trafikken ellers ville ha brukt tid på å slite bort. Skinnesliping må derfor brukes med omhu for å unngå å forkorte levetida til skinnene unødig.

Sporjustering og ballastrensing innebærer gjerne at sporet løftes etter skinnene, noe som vil føre til at klemfjærene mister store deler av sin klemkraft dersom slike arbeider må gjentas ofte. Særlig hvis svillene sitter godt fast i pukken, f.eks. på grunn av mye finstoff i sporet, vil slik løfting av skinnestigen være uheldig for klemfjærene.

Pakking av sporet under sporjustering medfører ikke så rent sjelden til at det slås stykker av svillene og bidrar trolig til også å knuse ned ballasten. Særlig ved metoder der to og to sviller blir pakket samtidig er det fare for at sviller kan bli slått i stykker. Årsaken er at slik pakking krever jevn og nøyaktig svilleavstand for at svillene skal unngå å bli truffet av pakklabbene.

Anleggstrafikk som ved nybygging blir kjørt på pukk som er lagt ut i sporet må unngås. Spenningene i ballasten kan bli meget høye fra slik trafikk, og alvorlig nedknusing kan bli resultatet.

I de tilfeller der det foretas grøfterensk (eller annet arbeid med sideterrenget) med skinnegående utstyr er det en viss fare for spill av finere jordmasser som dermed kan forurense pukklaget.

Ved arbeider med sideterrenget der vegetasjon og torvlag fjernes kan det oppstå erosjonsproblemer. Det er derfor viktig at sideterrenget blir erosjonssikret så raskt som mulig ved å etablere ny vegetasjon, ved plastring med sprengstein eller på annen måte.

Faktorer som bestemmer nedbrytningshastigheten

Eksempler på faktorer som sjelden er utløsende årsak til nedbrytning, men som har betydning for hvor hurtig nedbrytningen av sporet skjer, kan være:

• Materialkvaliteter og nåtilstanden til sporet
• Kvalitet og frekvens på utførelse av sporarbeider
• Sporgeometri og geometri i kontakten mellom hjul og skinne
• Samvirkeeffekter der flere årsaker virker sammen

Materialkvaliteter og nåtilstanden til sporet

Størrelsen på flytespenninger, bruddspenninger, initialspenninger og elastisitetsmoduler for de ulike materialene som brukes i over- og underbygningen vil påvirke nedbrytningshastigheten. Vi ønsker gjerne at materialene har så høye flyte- og bruddspenninger som mulig, mens høye elastisitetsmoduler ikke nødvendigvis bør etterstrebes. F.eks. bør mellomlegget mellom skinne og sville være forholdsvis mykt (ha lav elastisitetsmodul) selv om det har rimelig høye flyte- og bruddspenninger.

Dessuten bør alle materialene ha størst mulig motstand mot permanente (plastiske) deformasjoner. Figur 2.3 viser i prinsippet en såkalt arbeidskurve for stål.

Figur 2.3 Prisippskisse av arbeidskurve (spennings-tøyningsdiagram) for stål. Figuren illustrerer begrepene elastisitetsmodul (stigningstallet til første del av kurven), flytespenning og bruddspenning.

Initialspenninger er spenninger som er i komponenten uten at den er påvirket av temperatursvingninger eller last (egenlast og nyttelast). Slike spenninger skyldes i hovedsak tilvirkningen av komponenten, og kan for noen tilfeller være en ønsket effekt, f.eks. forspenning av betongsviller. For skinnene er slike spenninger med på å redusere lastkapasiteten og er dermed en høyst uønsket effekt. Under utlegging og kompaktering av de granulære lag bygges det også inn initialspenninger, men disse er så små at de for alle praktiske formål kan ses bort fra. Initialspenninger kalles også gjerne for egenspenninger, residualspenninger eller restspenninger. Forspenning benyttes ofte som betegnelse i forspente komponenter som betongsviller.

Utformingen av de enkelte komponentene har også mye å si for hvor stivt sporet oppleves av det rullende materiellet. Dette vil igjen påvirke den dynamiske oppførselen til materiell og spor. Hvor mye utformingen har å si viser eksemplet fra mekanikken der en rektangulær bjelke vil kunne ta større last om den står på høykant enn om den ligger ned. På samme måte vil ei skinne kunne ta mer last om den er høyere enn den er bred når samme mengde og type stål blir brukt. Noe av det samme gjelder for svillene, men her må man også ta hensyn til at lastene skal fordeles ned i pukken. For ballastlaget vil utformingen av skulder og tykkelsen under svillene være av betydning, mens for underbygningen vil bl.a. skråningsutforming ha en del å si.

Lokale svakheter i nye materialer. Materialer som anvendes i sporet bør dessuten ikke ha lokale svakheter som gjør at de for raskt brytes ned. Eksempler her kan være skinnefeil som utvikler seg til sprekker, steinreir i betongmaterialer og lommer av finstoff i ballasten. Slike inhomogeniteter vil lede an i nedbrytningen av sporet.

Nedbrytningsfeil. Under avsnittet om trafikken ovenfor var vi inne på dette med at hjul- og skinnefeil kan skape store dynamiske lastbidrag som en årsak til nedbrytning. Like gjerne kan dette sees på som en faktor som påvirker nedbrytningshastigheten. Men også andre tilstandsparametre som finstoffinnhold i ballasten, redusert klemkraft i befestigelsen og dårlig drenering, for å nevne noen, vil bidra til at nedbrytningen av komponentene i sporet går hurtigere.

Kvalitet og frekvens på utførelse av sporarbeider

Ved drift, vedlikehold og nybygg vil kvaliteten ved utførelsen og hvor ofte slike arbeider gjøres påvirke tilstanden i sporet og dermed hvor hurtig det brytes ned. Selv om noen typer sporarbeider kan bidra til å bryte ned sporkomponenter, er et godt drifts- og vedlikeholdsopplegg viktig for å hindre og forsinke nedbrytning av sporet.

Av mer driftspregede aktiviteter som har betydning for å begrense nedbrytning, nevnes vegetasjonskontroll, etterfylling av smøremidler i smøreapparater for skinnesmøring (ev. smøre selv), fjerning av løv i skinnegangen og generell visitasjon. Snørydding om vinteren er selvsagt for å sikre framkommeligheten, men snø er ikke en faktor som i seg selv bidrar i særlig grad til å bryte ned sporet. Hardpakket snø og is i sporveksler er likevel viktig å fjerne slik at sporvekselen blir mulig å legge om og ikke blir skadet ved trafikkbelastning.

Av vedlikeholdsoppgaver som er mer planlagt, eller som er basert på en observert tilstand i sporet, er det sporjustering, skinnesliping, sporvekselvedlikehold, utskiftning av befestigelsesdeler og sviller, ballastrensing, grøfterensk og tiltak for å sikre skråningsstabilitet som er de viktigste for å hindre nedbrytning av sporet. Skinnebytte og mer punktvise utskiftninger av traumaterialer er mer sjeldne aktiviteter, men ikke desto mindre viktige når behovet oppstår.

Det er viktig at drifts- og vedlikeholdsoppgaver blir utført til rett tid slik at man til enhver tid har det beste sporet ut fra en teknisk og økonomisk vurdering. Blir slike oppgaver forsømt, vil man komme inn i en ond sirkel der etterslepet i vedlikehold gjør at sporet brytes ned raskere enn det ville ha gjort med et fornuftig vedlikehold. Med et akkumulert vedlikeholdsbehov vil det årlige vedlikeholdet bli dyrere enn om sporet var i fornuftig stand.

Sporgeometri og geometri i kontakten mellom hjul og skinne

Ved dårlig sporgeometri, både tilsiktet (slik sporet er bygd) og utilsiktet (sporfeil), vil trafikklastene på sporet bli større enn ved god sporgeometri. Dette gjelder både horisontal- og vertikalgeometri. På kort sikt er det derfor viktig å holde god sporjustering, mens det på lengre sikt vil være fornuftig å slake ut kurver og få en mindre bratt vertikalgeometri.

I krappe kurver kan hjulflensen bli liggende mot skinnehodet og dermed slite ekstra på skinnene. I slike kurver vil dessuten de fleste tog kjøre med maksimal ukompensert sideakselerasjon som i tillegg bidrar til maksimal omlagring av vertikalkrefter slik at indre skinnestreng blir avlastet mens ytre