Stanovení sil působících na příčné přepážky v kolejovém loži

Anotace

V příspěvku je uvedena problematika dilatací nosných konstrukcí železničních mostů o velkých dilatujicích délkách, kde v důsledku teplotních účinků dochází na koncích konstrukce ke "zřeďování a zhušťování kolejového lože" s neblahými důsledky na geometrickou polohu koleje a bezpečný a spolehlivý provoz. Použití přepážek kolejového lože v místech dilatací s sebou přináší řadu problémů. Příspěvek se zabývá zejména těmi, které se týkají stanovení sil a dalších podmínek pro efektivní návrh a dimenzování přepážek. Navržené řešení je aplikováno pro estakádu SO 5102 Parník - Dlouhá Třebová.

1. Úvod - rozbor problému

Dlouhé nosné konstrukce mostů s velkými dilatujicími délkami vykazují na koncích s pohyblivými ložisky významné dilatační pohyby od teplotních změn, které v těchto oblastech u průběžného kolejového lože způsobují jeho "zhušťování a zřeďování". Negativní zkušenosti ze zahraničí a také z ČD (např. mosty Třebíč a Kralice nad Oslavou - nosné ocelové konstrukce o dilatujicí délce cca 163 m) se "zře ď ováním a zhušťováním kolejového lože" a problémy s udržením geometrických parametrů koleje vedou ke konstrukční úpravě, která má zajistit spolehlivý a bezpečný provoz i za vyšších a vysokých rychlostí. Touto konstrukční úpravou jsou příčné přepážky v kolejovém loži pro zadržení kolejového lože v místech velkých dilatačních pohybů na koncích nosných konstrukcí. Toto řešení s sebou přináší také řadu negativních jevů, jako např. problémy s návrhem a dimenzováním přepážek, při údržbě koleje apod. Vyspělé železniční správy se s těmito problémy potýkají již řadu let a stále hledají vhodné řešení, o čemž svědčí i ta skutečnost, že Mezinárodní železniční unie UIC z podnětu francouzských drah SNCF rozeslala členským železničním správám v polovině roku 2002 dotazník, aby shromáždila jejich poznatky a dále je využila při řešení tohoto problému.

Při prvním použití příčných přepážek u ČD na estakádě SO 5012 Parník - Dlouhá Třebová (dilatujicí délky ocelobetonové spřažené nosné konstrukce 2*208,5 m), která se staví v rámci optimalizace traťového úseku Ústí nad Orlicí - Česká Třebová, chybí jakékoli vlastní zkušenosti. Zahraniční poznatky zatím nejsou publikovány a problematika není podrobněji zapracována do evropských norem a mezinárodních předpisů. Projektant SUDOP Praha a.s. si u ČD - TÚDC objednal výpočet sil, kterými působí kolej na příčné přepážky pro zadržení kolejového lože. Dále je uvedeno řešení tohoto problému.

Při stanovení sil působících na příčné přepážky v kolejovém loži je třeba využít všech možností norem a předpisů českých, evropských a mezinárodních. Rovněž je nutné využít různých konstrukčních úprav, které umožní přijatelné řešení.

2. Vodorovné účinky od svislých zatížení

Na přepážky v kolejovém loži působí zemní tlaky od zatížení kolejovým ložem a od zvětšení zemního tlaku vyvozeného pohyblivým zatížením podle čl. 15, 42 a 43 ČSN 73 6203. 
Podle ČSN 73 0037 se stanoví zemní tlaky následovně: 
Svislý zemní tlak od kolejového lože na dně žlabu je 
s_z = g z = 18 * 0,7 = 12,6 kN/m² 
a rovnoměrné svislé zatížení pro výpočet závěrných zdí a pro těžký zatěžovací vlak T je
fa = g h = 18 * 3,75 = 67,5 kN/m².
Zemní tlak v klidu podle čl. 39 vztahů (2), (4) a čl. 42, přičemž součinitel zemního tlaku v klidu je
Kr = 1 - sin jef = 1 - sin 40° = 0,357
a vodorovné tlaky v klidu na dně žlabu jsou
s_r = s _z Kr = 12,6 * 0,357 = 4,5 kN/m²,
Ds_r = fa Kr = 67,5 * 0,357 = 24,1 kN/m²,
s_r + Ds_r = 28,6 kN/m².
Aktivní zemní tlak podle čl. 47 vztahů(15), (17) a čl. 49 vztahu (20), přičemž součinitel aktivního tlaku je
Ka = tg² (45°­j /2) = tg² (45 - 40/2) = 0,2174
a vodorovné aktivní tlaky na dně žlabu jsou
s_a = s_z Kz = 12,6 * 0,217 = 2,75 kN/m²,
Ds_a = fa Ka = 6,75 * 0,217 = 14,65 kN/m²,
s_a + Ds_a = 17,4 kN/m².
Rozhodnutí, zda se pro zatížení a dimenzování přepážky bude uvažovat zemní tlak v klidu nebo aktivní zemní tlak, závisí na konstrukci přepážky a její tuhosti. Přepážku se doporučuje zatěžovat rovnoměrným vodorovným zatížením s intenzitou rovnou tlakům na dně žlabu.

3. Účinky podélných sil

Podélné síly (rozjezdové a brzdné síly, účinky způsobené teplotními změnami kolejnic a mostních konstrukcí, včetně nestejnoměrného oteplování a ochlazování kolejnic a mostu jak místně tak časově a z toho vyplývajícího vzájemného působení koleje a mostu apod.) mohou vyvozovat na přepážky v kolejovém loži v obecných případech velmi vysoké účinky, na které by nebylo možné je nadimenzovat. Těmto případům se lze vyhnout využitím vhodných konstrukčních úprav železničního svršku a opatřeními, které silové účinky na přepážky výrazně sníží při zachování nezbytně potřebných funkcí. Tím je problém převeden z úlohy určit maximální kombinace zatížení a na ně provést návrh a dimenzování na úlohu minimalizace nebo optimalizace zatížení na kritické prvky, tj. příčné přepážky v kolejovém loži.

 Jako účelné se jeví uvolnit vazby mezi kolejnicí a pražci v oblasti přepážek. Z hlediska funkčnosti dilatačního zařízení je nezbytné zajistit možnost posunu jazykové kolejnice mezi přepážkou a dilatačním zařízením na opěře a za ní. Tím se výrazně omezí podélné síly, které přecházejí z kolejnic přes pražce do kolejového lože a působí na přepážku. Tyto síly se převedou v místech dostatečně vzdálených od přepážky přes kolejové lože přímo do tělesa železničního spodku. Obdobně lze uvolnit vazbu v upevnění na druhé straně, tj. u přepážky na mostě a síly převést do žlabu kolejového lože. Schéma možného řešení je znázorněno na obr. l a 2.

Zbývá stanovit velikost sil působících na přepážku. Pro toto jsou důležité následující údaje, které jsou uvedeny např. v [5, 7, 8]:

1. Podélný odpor pražců v kolejovém loži: - nezatížená kolej: = průměrná údržba 12 kN/m, = dobrá údržba 20 kN/m, - zatížená kolej 60 kN/m.

Poznámka: Některé železnice používají pouze 20 kN/m pro nezatíženou kolej a pro zatíženou 40 kN/m (NS) nebo 60 kN/m (DB), tzn. v hodnotách je dosti značný rozptyl a železniční správy užívají různé hodnoty.

2. Podélný odpor kolejnic vzhledem k pražci je v běžných případech vyšší než podélný odpor pražců v kolejovém loži, a to jak pro upevnění klasické se svěrkami, tak upevnění pružné. Podélný odpor kolejnic vzhledem k pražci lze snížit tak, aby byl stejný nebo nižší než podélný odpor v kolejovém loži. Lze toho dosáhnout např. svěrkou ŽS2 umožňující kluzné posunutí nebo použitím pružných svěrek nebo spon s nižší přítlačnou sílou. Při použití svěrek ŽS2 se podélný odpor prakticky blíží nule. Při použití pružných svěrek s nižší přítlačnou sílou může klesnout podélný odpor na hodnotu asi 4 kN na 1 pražec. Toto zatížení pak působí na délku pražce 2,6 m a plochu asi 0,5 m². Při vyšších přítlačných silách svěrek nebo spon jsou podélné síly také vyšší. Podélný odpor kolejnice vzhledem k pražci pro některá upevnění může dosáhnout hodnot 20 kN a více pro 1 pražec. 

Velkým problémem je vystihnout přenos podélných sil z pražců přes kolejové lože na přepážku a do žlabu kolejového lože. K tomu dochází jak při působení kvazistatického zatížení od účinků způsobených teplotními změnami kolejnic a mostních konstrukcí, tak od dynamicky působících účinků rozjezdových a brzdných sil. Protože jsem se dosud nesetkal s řešením tohoto problému ani v odborných publikacích, budu se ve svých úvahách držet na straně, pokud možno, bezpečné. Svislé zatížení se z pražce do kolejového lože roznáší podle [5] ve sklonu 4 : 1, což je hodnota dosti konzervativní proti nereálnému poměru 1 : 1 v ČSN. Při absenci podobných údajů ve směru vodorovném uvažuji analogicky poměr 1 : 4. Z toho vychází, že při běžných rozměrech by se podélná síla z pátého a dalších pražců již měla stále více roznášet do dna žlabu kolejového lože. Další otázkou je, jak se vodorovná síla (tlak) přenáší kolejovým ložem, které je svrchu otevřené. Jaké vodorovné tlakové napětí dokáže přenést? Kdy dojde k trvalému přetvoření, porušení, "nakypření" kolejového lože apod.?

Vzhledem k výše uvedenému doporučuji přepážku zatěžovat plošně rovnoměrným zatížením o intenzitě odpovídající velikosti vazby v upevnění kolejnice na pražec. Při použití nižších přítlačných sil doporučuji následující hodnoty:
- pružné svěrky s nižší přítlačnou silou - 8 kN/m²,
- svěrky ŽS2 s možností prokluzu - 3 kN/m².

Pokud přítlačné síly v upevnění jsou vysoké a k prokluzu dochází mezi pražcem a kolejovým ložem, lze intenzitu rovnoměrného zatížení uvažovat rozdílnou pro působící plochu pražce na přepážku a pro plochu kolejového lože. Vycházet lze z hodnot dříve uvedených.

4. Doporučení pro uspořádání železničního svršku v oblasti příčných přepážek kolejového lože a přechodové oblasti

kolejového lože a přechodové oblasti Umístění dilatačního zařízení UIC 60 lze provést podle obr. 1, tj. přepážky jsou uprostřed mezi svary dle výrobní dokumentace [10], neboť nebývá žádoucí svar kolejnice umisťovat blízko přepážek a dilatací. Mezi přepážku a dilatační zařízení lze vložit 5 pražců s uvolněnou vazbou v upevnění. Na druhou stranu od přepážky na most může počet uvolněných vazeb být i vyšší.

Počet uvolněných vazeb v upevnění lze mezi přepážkou a dilatačním zařízením zvýšit, pokud se využije nového ustanovení v revidovaném předpise ČD S3 "Železniční svršek, kde se v části dvanácté "Železniční svršek na mostních objektech" připouští větší rozsah vzdáleností mezi závěrnou zídkou a kolenovou kolejnicí 2 až 8 m. Potom by byly oba svary na opěře a tělese železničního spodku a vzdálenost svaru bližšího k přepážce by činila asi 3 m. Počet uvolněných pražců mezi přepážkou a dilatačním zařízením by byl asi 13.

Řešení lze také optimalizovat, zejména pokud se s výrobcem dohodne dodání delší jazykové kolejnice (delšího návarku), aby svary byly ve vzdálenosti větší než 3,6 m. Při optimalizaci v oblasti přechodu koleje z mostu na těleso železničního spodku je třeba uvažovat faktory, které mají podstatný vliv (umožnění dilatací mostu od teplotních změn, zamezení přemáhání kolejnic a jejich svarů, zajištění potřebné tuhosti jízdní dráhy bez náhlých změn, zachycení rozjezdových a brzdných sil, omezení velikosti rozevření spáry po lomu kolejnic při nízkých teplotách, zajištění stability koleje apod.).

Použití pružných svěrek s nižší přítlačnou silou v oblasti přepážek umožní také použití betonových pražců B91. Předností je, že v případě lomu kolejnice je tato držena a je menší nebezpečí posunu kolejnice a rozevření spáry. Použití svěrek ŽS2 umožňujících snadnější prokluz je vázáno na žebrové podkladnice a pražce betonové, popř. dřevěné a bezprostředně u přepážky by bylo možné užít širších žlabových pražců, z každé strany asi po jednom.

Z dalších aspektů přechodu koleje přes přepážky je nutno zvážit maximální vzdálenost pražců přes přepážky; v případě estakády Parník 760 mm při max. dilataci 220 mm. Únosnost kolejnice vyhovuje, ale větší vzdálenost pražců z hlediska tuhosti je nehomogenitou v trati. Při dilataci nad 200 mm by měla být další podpěra mezi přepážkami. Nutno uvážit, zda max. dilataci nelze snížit na 200 mm nebo mírně pod 200 mm. Maximální osová vzdálenost pražců v dilatačním zařízení UIC 60 je jednou 700 mm. Popřípadě navrhnout jiná opatření, aby úvahy o mezilehlé podpěře kolejnice mezi přepážkami se staly pokud možno bezpředmětnými a zbytečnými. Antivibrační pružná rohož na ocelové přepážce kolejového lože a přisazení prvního pražce k ní je velmi žádoucí. Problémy s údržbou, zejména podbíjením pražců přilehlých k přepážkám.

Případným alternativním řešením je uložení kolejnic na masivní přepážky. Potom odpadají problémy s dimenzováním přepážek, ale je třeba řešit jiné problémy jako např. zajištění homogenity jízdní dráhy co do tuhosti (poddajnosti), možnosti výškové a směrové rektifikace uložení kolejnic na přepážce apod.

5. Závěry

Bylo navrženo řešení, jak postupovat při výpočtu zatížení příčných přepážek v kolejovém loži při jejich dimenzování. Dále byla doporučena řada konstrukčních úprav, které umožňují snížit účinky zatížení na přepážky a přispívají ke komplexnějšímu řešení celého problému přechodu koleje v místech velkých dilatačních pohybů. Problémem je řada informací, které je třeba získat experimentálním a teoretickým výzkumem. Jedná se zejména o přenos sil a silových toků v kolejovém loži a jeho chování při tom. První nadějí je vyhodnocení odpovědí v dotazníkové anketě UIC, což by měla být podrobná rešerše dosavadních poznatků. Na to by měl navazovat návrh na výzkum a doplnění poznatků potřebných pro praxi, které se musí pomítnout do norem, předpisů a praktické realizace.

Dokumentace, předpisy a normy
[1] Poskytnutá dokumentace k SO 5102 Parník - Dlouhá Třebová, estakáda, SUDOP Praha a.s.
[2] ČSN 73 0037 Zemní tlak na stavební konstrukce
[3] ČSN 73 6203 Zatížení mostů
[4] Předpis ČD S3 Železniční svršek, dosud platné a nově připravované znění
[5] ČSN P ENV 1991-3 (73 6203) Zásady navrhování a zatížení konstrukcí. Část 3: Zatížení mostů dopravou
[6] Vyhláška UIC 717 Doporučení pro nosné konstrukce mostů vyplývající ze stavebnětechnických požadavků železničního svršku a z potřeby omezení hluku
[7] Vyhláška UIC 774-3 Interakce kolej - most. Doporučení pro výpočet
[8] Final draft pr EN 1991-2 Eurocode 1: Actions on structures - Part 2: Traffic loads on bridges, July 2002
[9] Final PT draft EN 1990 Eurocode: Basis of structural design - pr Annex A2: Application for bridges (Normative), July 2002
[10] Výrobní dokumentace - Dilatační zařízení UIC 60 (400 m), DT Výhybkárna a mostárna, spol. s r.o. Prostějov

Obr. 1 Schéma uspořádání přechodu koleje z mostu na opěru

Obr. 2 Schématický řez

zpět na seznam