11

Helsveist spor

Kort videoforklaring Se video

En valgfri KI-generert oversikt. Det skriftlige kapitlet er den autoritative kilden.

0:00/–:––

CC 0.75× 1× 1.25× 1.5× 2×

Innhold i kapitlet

11.1 Innledning

Utviklingen av helsveist spor (CWR), med kontinuerlig sammensveiste skinner, representerer et av de viktigste fremskrittene i jernbaneteknikken [68, 164]. I eldre, konvensjonelle spor ble skinnene vanligvis lagt som korte, sammenlaskede lengder, typisk 10–40 m, forbundet med lasker og bolter. Fra åpningen av Stockton–Darlington-banen i 1825 og frem til andre verdenskrig var skjøtespor den vanlige løsningen på hovedlinjene.

Figur 11.1(a) viser den tidlige jernbanen, 11.1(b) fiskebukskinnen på separate understøttelser og 11.1(c) laskeskjøten. Sammen viser de overgangen fra understøttelse av enkeltskinner til sammenkobling av skinneender, før det helsveiste systemet.

Figur 11.1 Historiske former for jernbanespor, fra enkeltstående skinneunderstøttelser til laskede skinneskjøter. (a) Illustrasjon av Stockton–Darlington-banen i 1825. (b) Fiskebukskinne på steinblokker. (c) Skinneender forbundet med lasker og bolter.

Den historiske illustrasjonen viser en fiskebukskinne på steinblokker. Skinnehøyden varierer mellom understøttelsene. Materiale og lengde avhenger av den enkelte tidlige skinnekonstruksjonen. Science Museum Groups eksempel av Stockton–Darlington-typen [176] er av smijern. Museets særskilt dokumenterte 4,5 m lange fiskebukskinne [177] er også av smijern og stammer fra Leicester–Swannington-banen. Forelesningens kombinerte angivelse «støpejern, 4,5 m» bør derfor ikke leses som en bekreftet spesifikasjon for skinnen på illustrasjonen.

Ulempene ved skjøtespor er betydelige:

• Slagbelastninger på sporet ved hver skjøt, som gir raskere slitasje og utmatting av både spor og rullende materiell

• Behov for regelmessig justering av skjøteåpningene (for å ta opp årstidsavhengige endringer i skinnelengden)

• Støy og vibrasjoner når tog passerer skjøtene

• Redusert passasjerkomfort

• Slitasje på sporkomponenter, rullende materiell og konstruksjoner

• Behov for smøring og inspeksjon av laskene

Fra 1945 begynte helsveist spor å erstatte skjøtespor. I dag er det utbredt på hovedlinjer i Europa og andre deler av verden [130, 12].

11.2 Helsveist spor

11.2.1 Definisjon og skinnestige

Helsveist spor defineres som spor der:

• skinnelengden er så stor at midtpartiet ikke kan avlaste temperaturspenninger ved langsgående bevegelse

• den frie utvidelsen og sammentrekningen som ville ha oppstått i en ufastholdt skinne, i stor grad hindres av skinnestigen, befestigelsene og ballasten

Etter norske regler skal spor med skinner som er lengre enn 50 m, behandles og vedlikeholdes som helsveist spor [12].

Skjøten i figur 11.2 gjør kjøreskinnen sammenhengende over sveisen. Når den vanlige ekspansjonsåpningen fjernes, endres temperaturproblemet fra skjøtebevegelse til samvirket mellom kraft og fastholding som behandles i kapitlet.

Figur 11.2 En sveiset skinneskjøt i ballastspor med betongsviller.

I helsveist spor kommer den langsgående fastholdingen fra skinnestigen. Dette er den samlede konstruksjonsrammen der skinner og sviller virker sammen. Tre nivåer av lengdeforskyvningsmotstand virker på skinnen: befestigelsens klemkraft, friksjon mellom skinnefot og mellomlegg og motstand mellom sville og ballast. Figur 11.3 skiller disse tre fastholdingsmekanismene som \(P_1\) fra befestigelsen, \(P_2\) fra friksjonen mellom skinnefot og mellomlegg og \(P_3\) fra grenseflaten mellom sville og ballast.

Figur 11.3 Tre nivåer av lengdeforskyvningsmotstand i helsveist spor.

Klemkraften presser skinnen mot mellomlegget, slik at friksjonen motvirker langsgående glidning. Befestigelsen overfører kraften til svillen, og svillen overfører den videre til ballasten. Dette er ledd etter hverandre i kraftoverføringen, ikke tre uavhengige aksialkrefter som kan summeres. Glidning i en svak grenseflate kan begrense hele systemets fastholding.

11.2.2 Sveisemetoder

Forelesningen skiller mellom tre prosesser med ulike formål [175]:

• Aluminiotermisk sveising bruker reaksjonen mellom aluminium og jernoksid til å produsere flytende stål. Metoden brukes ved feltsveising og sluttsveising der en sveisemaskin kan være upraktisk.
• Brennstuksveising sammenføyer skinneendene ved elektrisk oppvarming og stuking. Den kan utføres i et stasjonært sveiseanlegg eller med en mobil maskin i sporet.
• Lysbuesveising brukes til godkjent reparasjons- og påleggsveising på skinnehoder og sporvekselkomponenter. I denne sammenhengen er dette en vedlikeholdsprosess, ikke den vanlige metoden for å fremstille en lang sammensveist skinnestreng.

Forelesningen oppgir en veiledende varighet på 15 minutter for aluminiotermisk sveising, men definerer ikke hvilken del av arbeidet tiden gjelder. Tallet er verken en full arbeidsyklus i spor eller et kriterium for gjenåpning. Klargjøring, forvarming, støping, avskjæring, avkjøling, ferdigbearbeiding og frigivelse må følge godkjent sveiseprosess og gjeldende arbeidsprosedyre.

Å utføre en sveis med tilfredsstillende kvalitet og å etablere riktig spenningsfri skinnelengde er to forskjellige oppgaver. En sveis kan være metallurgisk tilfredsstillende selv om sporet rundt fortsatt har feil spenningsfri temperatur. Avsnitt 11.3.5 forklarer den andre oppgaven. Kapittel 2 behandler skinnekomponenter og sveising mer utførlig.

Støpingen i figur 11.4(a) danner sluttsveisen; 11.4(b) viser skjøten etter avskjæring og sliping. Skill selve sveiseoperasjonen fra den ferdige kjøreflaten, som fortsatt krever foreskrevet godkjenningskontroll.

Termittdigel og støpeform under utstøping av sluttsveisen.

Ferdig metallurgisk sveis etter avskjæring og sliping.

Figur 11.4 Aluminiotermisk feltsveising ved nøytralisering av helsveist spor.(a) Termittdigel og støpeform under utstøping av sluttsveisen; og (b) Ferdig metallurgisk sveis etter avskjæring og sliping.

Det stasjonære utstyret i figur 11.5(a) og det mobile utstyret i 11.5(b) bruker elektrisk motstandsstuksveising i forskjellige produksjonsmiljøer. Skillet gjelder tilkomst og logistikk; et fotografi dokumenterer ikke sveisekvaliteten.

Figur 11.5 Utstyr for elektrisk motstandsstuksveising. (a) Stasjonær sveisemaskin. (b) Mobilt sveiseutstyr fra Railtech Schlatter.

Figur 11.6(a) viser arbeidsoppsettet og 11.6(b) lokal reparasjon av skinnehodet. Påleggsveisingen er en annen operasjon enn sammenføyning av to skinneender og må ikke forveksles med en sluttsveis i helsveist spor.

Figur 11.6 Elektrisk lysbuesveising ved reparasjon og påleggssveising. (a) Utstyr og arbeidssted. (b) Reparasjonssveising på skinnehodet.

11.2.3 Fordeler ved helsveist spor

Helsveist spor gir betydelige driftsmessige og økonomiske fordeler sammenlignet med skjøtespor:

• Lavere kostnader til sporvedlikehold (ikke vedlikehold av skjøter)

• Færre skinnefeil og skinnebrudd (ingen utmattingssprekker fra skjøter)

• Lengre levetid for skinnene (ingen laskeskjøter)

• Redusert slitasje på overbygning, underbygning og rullende materiell

• Bedre kjørekomfort

• Lavere utslipp av støy og vibrasjoner

• Lavere energikostnader til framdrift

• Enklere mekanisering av sporbygging og vedlikehold

Det samlede resultatet er en redusert levetidskostnad (LCC) sammenlignet med skjøtespor. Helsveist spor krever god kontroll med temperaturkreftene for å håndtere solslyng om sommeren og skinnebrudd om vinteren. Disse skadene kan også oppstå i skjøtespor [68, 164].

Kurveforskyvningen i figur 11.7(a), den markerte lokale feilen i 11.7(b) og den store deformasjonen i 11.7(c) viser forskjellige synlige omfang av tapt sidestabilitet. De viser geometri som krever undersøkelse, ikke en nøytraltemperatur som kan utledes fra utseendet.

Figur 11.7 Ulike synlige former for solslyng. Fotografiene viser skadetilfellene, men dokumenterer ikke spenningsfri temperatur eller årsaken til hvert tilfelle. (a) Sideforskyvning i en kurve. (b) Lokal forskyvning markert med den opprinnelige røde ellipsen. (c) Stor sideforskyvning over flere sviller.

11.2.4 Hva gjør helsveist spor mulig?

Et stabilt helsveist spor kombinerer tilstrekkelig stivhet i skinner og befestigelser med fastholding av svillene, et egnet ballastprofil og en kontrollert spenningsfri skinnelengde. Et større skinneprofil, effektive fjærende befestigelser, egnede sviller og mindre svilleavstand kan styrke systemet. Ingen av disse tiltakene fjerner temperaturkraften. De hjelper sporet med å motstå den. Komponentenes virkemåte utdypes i avsnitt 11.4.

11.2.5 Faste referanser for sporets beliggenhet

Måling av sporets beliggenhet. Faste referanser gjør det mulig å sammenligne sporets beliggenhet etter baksing med den etablerte traseen. Varig utfesting av linjen (VUL) og geodetisk varig utfesting av linjen (G-VUL) gir et ytre referansegrunnlag for denne kontrollen. I helsveist spor kan kontrollen påvise endringer i skinnens buelengde som en geometrikontroll med kort korde alene kan overse. En kurve som ser jevn ut, kan likevel ha flyttet seg innover over en lang strekning. Forelesningen viser både måling mot fastmerker og geodetisk måling av sporets beliggenhet [175]. Gjeldende krav til måling, toleranser og eventuell nøytralisering må kontrolleres før arbeidet godkjennes.

Figur 11.8(a) knytter sporstillingen til stabile merker utenfor sporet; 11.8(b) plasserer den i et geodetisk referansesystem. Begge gjør det mulig å skille en senere sporforskyvning fra bevegelse i en ustabil lokal referanse.

Figur 11.8 Faste referanser for kontroll av sporets beliggenhet. (a) Varig utfesting av linjen (VUL) knytter sporets beliggenhet til stabile fastmerker utenfor sporet. (b) Geodetisk varig utfesting av linjen (G-VUL) bestemmer sporets beliggenhet i et geodetisk referansesystem.

Merket på fundamentet i figur 11.9 er en referanse utenfor sporrammen. Nytten avhenger av en stabil og dokumentert relasjon til sporet, ikke bare av at merket er nær skinnen.

Figur 11.9 Et eksempel på et fastmerke på et mastefundament ved sporet.

Forelesningens VUL-tabell viser tettere plassering av fastmerker i krappere kurver. Dette er anbefalte avstander, ikke akseptgrenser for sporbeliggenhet. Radiusintervallene nedenfor beholder kildens skrivemåte, som ikke plasserer en eksakt grenseverdi i én av to tilstøtende rader. Aktuell utfestingsmetode og prosjektets bestemmelser må kontrolleres mot gjeldende regler for VUL/G-VUL [178].

Radiusintervall som trykt [m]	Anbefalt avstand mellom merkene [m]
–200	30
200–300	35
300–400	40
400–500	45
500–600	50
600–700	55
700–2000	60
2000–	100

Tabell 11.1 Anbefalt avstand mellom VUL-merker gjengitt fra forelesningen, ikke en generell akseptgrense eller utførelsesregel.

11.2.6 Krav til helsveist spor

Følgende utvalgte Bane NOR-krav gjelder helsveist spor i hovedspor og hovedtogspor. Sidespor og skiftespor har egne bestemmelser. Det fullstendige regelverket regulerer også komponentvalg, sveising og overganger mellom sporkonstruksjoner [12, 6]:

• Stabil understøttelse: Som teknisk forutsetning må drenering og frostsikring begrense bevegelser i underlaget som kan svekke sporgeometrien eller fastholdingen. Dette er ikke et eget tallfestet akseptkriterium for helsveist spor

• Kurveradius i hovedspor og hovedtogspor (TRV:03357–03358, TRV:07977): \(R \geq 300\) m med tresviller; \(R \geq 250\) m med betongsviller; \(R \geq 190\) m med BNF54/BNF60-friksjonssviller

• Ballast: Knust stein, nominell fraksjon 31,5–63 mm i hovedspor og hovedtogspor; Ofotbanen bruker 22,4–50 mm (TRV:08262). Foreskrevet ballastskulder, fylling av svillemellomrom og ballasthøyde inngår i kravet og er ikke valgfrie tillegg

• Sviller og svilleavstand: Betongsviller eller tresviller av type X (TRV:03361); maksimalt 650 mm i rett spor og kurver med \(R \geq 500\) m; maksimalt 600 mm i kurver med \(R < 500\) m; maksimalt 600 mm ved nyanlegg og fornyelse (TRV:03362–03364)

• Skinnebefestigelser: Fjærende systemer med stor og varig lengdeforskyvningsmotstand og stor vridningsstivhet. Alle befestigelser skal ha friksjonsøkende mellomlegg mellom skinne og underlag (TRV:03365–03367). Tillatte systemer og særbestemmelsene for bruer skal følges

• Skinner: Uten synlige defekter, rissdannelser eller brente laskehull (TRV:03370)

• Isolerte skjøter: Limte skjøter av type S eller friksjonsskjøter av type Exel for permanent plassering (TRV:02665); Benkler er tillatt midlertidig (TRV:02666). Se gjeldende komponentregler [49].

• Sporveksler: Skal sveises og nøytraliseres etter prosedyren for sporveksler, med særlig kontroll av den langsgående plasseringen mellom tunge og stokkskinne

• Geodetisk varig utfesting av linjen (G-VUL): Påkrevd før sluttsveising ved nyanlegg og sporfornyelse (TRV:03356)

Ballastskulderens profil blir særlig viktig i krappe kurver. Bane NOR krever økt skulderbredde ved radius under 500 m med tresviller og under 400 m med betongsviller (TRV:03458). Aktuell profiltegning og tabell for svilletypen må brukes. Kolonnen for BNF60/BNF60+ kan ikke brukes om hverandre med den generelle kolonnen for betongsviller. Ved dimensjonerende hastighet over 200 km/h øker TRV:03457 den angitte ballasthøyden med 50 mm. Se gjeldende ballastprofiler og tegninger [179].

Sammenlign tverrsnittet uten overhøyde i figur 11.10(a) med tverrsnittet med overhøyde i 11.10(b). Sporgeometrien påvirker ballastprofilet. Tegningene må leses med den oppgitte målereferansen og gjeldende profilkrav.

Figur 11.10 Ballastprofiler gjengitt fra forelesningen. Målene er i millimeter. Det vertikale målet 750/700 går fra overkant skinne til planum som er vist, ikke fra svilleunderkant. Tegningen erstatter ikke gjeldende bestemmelser for svilletype, kurve og hastighet som er omtalt ovenfor. (a) Rett spor og kurver uten overhøyde. (b) Overgangskurver og kurver med overhøyde, vist i forelesningen for radius over 500 m.

Sprekken ved laskebolthullet i figur 11.11(a) og sprekkene i hodeområdet i 11.11(b) viser forskjellige steder som krever tilstandsvurdering. Sveising til en sammenhengende skinnestreng fjerner ikke feil som allerede finnes i materialet.

Figur 11.11 Synlige sprekker i skinner viser hvorfor skinnetilstanden må kontrolleres før skinnene inngår i helsveist spor. (a) Sprekk fra et laskehull. (b) Sprekkdannelse i skinnehodet.

Forelesningen omtaler også limte MT-skjøter montert i sporet og Tenconi-friksjonsskjøter med seks hull, i tillegg til prefabrikkerte limte skjøter av type S og Exel-friksjonsskjøter. Dette beskriver historiske konstruksjonsmåter og eksemplene på fotografiene. Det er ikke dagens liste over tillatte skjøter, som er angitt ovenfor.

Figur 11.12(a) viser en limt S-skjøt, mens 11.12(b) viser den historiske Tenconi-friksjonsskjøten. Konstruksjonsforskjellen hjelper ved identifikasjon i felt, men det historiske eksemplet dokumenterer ikke dagens godkjenning for permanent bruk.

Figur 11.12 Eksempler på isolerte skjøter fra forelesningen. Tenconi-fotografiet er et historisk konstruksjonseksempel og utvider ikke dagens liste over tillatte permanente skjøter. (a) Limt skjøt av type S (Schmidt). (b) Tenconi-friksjonsskjøt med seks hull.

Bruk sidevisningen i figur 11.13(a) til å finne isolasjonsmellomlegget mellom skinneendene, og snittene i 11.13(b) til å følge befestigelse og isolasjon gjennom sammenstillingen. Komponenttabellen identifiserer deler som er vanskelige å skille i et feltfotografi.

Figur 11.13 Oppbygning av den forsterkede isolerte skjøten av type S som er vist i forelesningen. De nummererte delene er forklart i den tilhørende tabellen. (a) Sett fra siden med isolerende profilmellomlegg. (b) Snitt B–B og A–A gjennom den sammenboltede og isolerte skjøten.

Tegningen av den forsterkede type S-skjøten viser hvordan den metalliske kraftoverføringen isoleres elektrisk med profilmellomlegg, mansjetter og fôringer. Antallene nedenfor er gjengitt fra forelesningens deleliste til denne tegningen. Oppføringen av én lask er beholdt som en verdi i kildens liste, ikke som en angivelse av samlet antall lasker i en komplett skjøt med lasker på begge sider. Ved arbeid må valg, antall og montering følge godkjent produkttegning.

Posisjon	Del	Antall i kilden
1	Lask	1
2	Laskebolt	4
3	Mutter	4
4	Profilmellomlegg av nylon, 6 mm	1
5	Dytron hardvevd isolasjonsmansjett	2
6	Isolasjonsfôring	4

Tabell 11.2 Deler i den illustrerte forsterkede type S-skjøten. Forelesningseksempel, ikke en gjeldende materialliste eller monteringsanvisning.

11.3 Langsgående krefter i helsveist spor

I helsveist spor omdannes temperaturendringer til aksialkraft fordi skinnen ikke kan utvide eller trekke seg fritt sammen. Den følgende utledningen etablerer den grunnleggende kraftsammenhengen som brukes videre i kapitlet.

Temperaturendring er den viktigste kilden til aksialkraft i en fastholdt skinne. Sideforskyvning av kurvespor, sporveksler, bruer og togenes akselerasjon eller bremsing kan også endre eller omfordele kraften. De følgende avsnittene behandler disse mekanismene i samme rekkefølge som forelesningen.

11.3.1 Termisk deformasjon og kraft

Figur 11.14(a) tillater fri temperaturutvidelse, mens 11.14(b) tillater elastisk forlengelse ved strekk. Ingen av skissene representerer alene en fullt fastholdt, oppvarmet skinne. Fastholdingen hindrer den frie lengdeendringen og gir aksialkraft i stedet.

Figur 11.14 Termisk og elastisk endring av skinnelengden. (a) Fri termisk utvidelse av en skinne. Den samlede forlengelsen fordeles mellom de to endene i den symmetriske skissen. (b) Elastisk forlengelse under påførte strekkrefter. Dette er en belastet skinne som kan deformeres fritt, ikke en oppvarmet skinne med begge ender fastholdt.

De to skissene viser forskjellige tilfeller der skinnen kan deformeres fritt. En fritt oppvarmet skinne endrer lengde med \(\Delta L=\alpha\Delta t L\). Ved en påført strekkraft \(P_t\) er den elastiske forlengelsen \(\Delta L_\mathrm{el}=P_tL/(AE)\), tilsvarende \(\varepsilon_\mathrm{el}=\Delta L_\mathrm{el}/L=\sigma_t/E\) med strekkspenning \(\sigma_t=P_t/A\). En oppvarmet skinne som er fastholdt, kombinerer termisk tøyning med en motsatt rettet elastisk tøyning, slik at den samlede forlengelsen er null.

Når en skinne som er fastholdt mot utvidelse, utsettes for en temperaturøkning \(\Delta t\), bygges det opp en trykkraft. Når temperaturen faller, oppstår strekkrefter. Utledningen kombinerer Hookes lov med ligningen for termisk utvidelse. Betrakt en skinne med tverrsnittsareal \(A\), elastisitetsmodul \(E\) og lineær varmeutvidelseskoeffisient \(\alpha\). En fullstendig fastholdt skinne er hindret i å utvide eller trekke seg sammen. Her måles \(\Delta t=T-T_{sf}\) fra den faktiske spenningsfrie tilstanden; en negativ verdi gir strekk. Tøyningen som ville oppstått i en fri skinne, er:

\[ \varepsilon_\mathrm{free} = \alpha \,\Delta t \]

(11.1)

Full fastholding betyr at den samlede lengdetøyningen er null. Med positiv tøyning ved forlengelse er \(\varepsilon_\mathrm{tot}=\varepsilon_\mathrm{el}+\varepsilon_\mathrm{free}=0\), slik at \(\varepsilon_\mathrm{el}=-\alpha\Delta t\). Hookes lov gjelder denne elastiske tøyningen. I ligningene 11.2 og 11.3 er spenningen \(\sigma\) og kraften \(P_\mathrm{rail}\) definert som positive i trykk. Dermed blir:

\[ \sigma = E\,\varepsilon_\mathrm{free} = \alpha E \,\Delta t \]

(11.2)

Multiplikasjon med tverrsnittsarealet gir aksialkraften i én skinne:

\[ P_\mathrm{rail} = \sigma A = \alpha E \,\Delta t\, A \]

(11.3)

Ved å sette inn materialegenskapene for skinnestål (\(\alpha = 1{,}15\times10^{-5}\,\mathrm{K}^{-1}\), \(E = 2{,}1\times10^5\,\mathrm{N\,mm^{-2}}\)) fås:

\[ \begin{aligned} P_\mathrm{rail} &= 1{,}15\times10^{-5} \times 2{,}1\times10^5 \cdot \Delta t \cdot A\\ &= 2{,}415\,\Delta t \cdot A \approx 2{,}4\,\Delta t \cdot A \quad [\mathrm{N}] \end{aligned} \]

Resultatene ovenfor bygger på temperaturspenningen i Ligning 11.2 og aksialkraften i Ligning 11.3. Her er \(\alpha = 1{,}15 \times 10^{-5}\,\mathrm{K}^{-1}\) varmeutvidelseskoeffisienten for stål, \(E = 2{,}1 \times 10^5\,\mathrm{N\,mm^{-2}}\) elastisitetsmodulen, og \(A\) skinnens tverrsnittsareal i \(\mathrm{mm}^2\). I den praktiske formen \(P_\mathrm{rail}\approx2{,}4\,\Delta t\,A\) brukes \(\Delta t\) i kelvin og \(A\) i \(\mathrm{mm}^2\), slik at \(P_\mathrm{rail}\) fås i newton.

Hovedpoenget er at kraften i en fastholdt skinne bare avhenger av temperaturendringen og tverrsnittsarealet, ikke av skinnelengden. Den samlede kraften i de to skinnene er \(P_\mathrm{tot}=2P_\mathrm{rail}\), slik at større skinneprofiler utvikler større temperaturkraft ved samme temperaturendring.

Regneeksempel.

Eksemplet med den eldre UIC60-geometrien bruker \(A = 7686\,\mathrm{mm}^2\). Hvis skinnetemperaturen er \(25\,^\circ\mathrm{C}\) over den spenningsfrie temperaturen (\(\Delta t=25\,\mathrm{K}\)), blir trykkraften i én skinne

\[ \begin{aligned} P_\mathrm{rail} &\approx 2{,}4\,\Delta t\,A\\ &= \left(2{,}4\,\frac{\mathrm{N}}{\mathrm{mm}^2\,\mathrm{K}}\right) (25\,\mathrm{K})(7686\,\mathrm{mm}^2)\\ &= 461\,160\,\mathrm{N} \approx 461\,\mathrm{kN}. \end{aligned} \]

Den samlede trykkraften i begge skinner er dermed \(P_\mathrm{tot}=2P_\mathrm{rail}=922\,\mathrm{kN}\). Hvis temperaturen i stedet var \(25\,^\circ\mathrm{C}\) under den spenningsfrie temperaturen, ville kraften hatt samme størrelse, men vært en strekkraft.

Profil	\(A\) [\(\mathrm{mm}^2\)]	\(P_\mathrm{tot}\) [\(\Delta t{=}1\,\mathrm{K}\)]	\(P_\mathrm{tot}\) [\(\Delta t{=}25\,\mathrm{K}\)]
S49 (49E1)	6297	30,2 kN (3,0 tf)	756 kN (76 tf)
S54 (54E3)	6948	33,4 kN (3,3 tf)	834 kN (83 tf)
UIC60 (60E1)	7686	36,9 kN (3,7 tf)	922 kN (92 tf)

Tabell 11.3 Samlet aksialkraft \(P_\mathrm{tot}=2P_\mathrm{rail}\) i begge skinner med det eldre profilegenskapssettet som brukes i dette kapitlet.

Omtrentlige verdier i tonnkraft er beregnet med \(1\,\mathrm{tf}=9{,}80665\,\mathrm{kN}\approx10\,\mathrm{kN}\).

Skinneprofilkonvensjon.

Tverrsnittsarealene i dette kapitlet følger det eldre egenskapssettet for S49/S54/UIC54/UIC60 som ligger til grunn for kildeberegningene. Bane NOR kobler disse eldre betegnelsene til henholdsvis 49E1, 54E3, 54E1 og 60E1 [118]. Dagens produsenttabeller etter EN 13674-1 angir noe avvikende nominelle arealer for enkelte profiler [136]. De eldre verdiene beholdes slik at regneeksempler og oppgaver bygger på ett internt konsistent datasett. Ved prosjektering skal dokumenterte egenskaper for den faktisk leverte skinnen benyttes.

11.3.2 Nøytraltemperatur og spenningsfri temperatur

Nøytraltemperaturen er referansetilstanden for å vurdere om et helsveist spor er utsatt for trykk eller strekk. Små endringer i denne referansen kan påvirke risikoen for solslyng og skinnebrudd betydelig.

Definisjon

Nøytraltemperaturen \(T_n\) er den tilsiktede, spenningsfrie skinnetemperaturen som velges ved prosjektering og bygging. Ved denne temperaturen skal skinnen verken være utsatt for trykk eller strekk. I drift er det ofte nyttig å skille denne målverdien fra den faktiske spenningsfrie temperaturen \(T_{sf}\), som kan endres på grunn av skinnevandring, sidejustering, sveising eller vedlikeholdsarbeid.

\[ T_n = T_m + X \]

(11.4)

der \(T_m=(T_\mathrm{max}+T_\mathrm{min})/2\) er temperaturen midt mellom høyeste og laveste påregnelige skinnetemperatur. Forelesningen angir \(X=0\)–\(10\,\mathrm{K}\) som en illustrativ forskyvning oppover for å balansere risikoen for solslyng og skinnebrudd. Sammenhengen forklarer prinsippet for valg av målverdi og erstatter ikke infrastrukturforvalterens fastsatte verdi. Dette er prinsipper for å etablere spenningsfri skinnelengde. Skinnen må først frigjøres fra utilsiktet fastholding, og gjeldende leggeprosedyre må følges. Målverdien kan etableres ved å:

• Legge skinnen ved nøyaktig nøytraltemperatur, eller

• Varme skinnen til nøytraltemperaturen før befestigelse, eller

• Forlenge (strekke) skinnen mekanisk slik at den får tilsvarende forlengelse før befestigelse

Bane NORs krav og nordiske eksempler

Reglene for nøytraltemperatur er knyttet til infrastrukturen. Bane NOR angir en målverdi på \(+21\,^\circ\mathrm{C}\) (TRV:05305), med toleranse \(\pm3\,^\circ\mathrm{C}\) for praktisk sveisearbeid (TRV:05308); lokale avvik krever godkjent dispensasjon (TRV:05306). Tabell 11.4 skiller mellom nasjonale regler og deres anvendelsesområder. Sveisetemperatur, tilsiktet spenningsfri temperatur og tillatt temperatur ved vedlikehold er ulike størrelser.

Forvaltning	Målverdi [\(^\circ\)C]	Toleranse [\(^\circ\)C]
Trafikverket	Geografisk fastsatt målverdi	\(-3/+7\) rundt målverdien (rapport for 2024)
Väylä, eksempel fra 2024 for kurver \(R<1000\) m	\(+17\) til \(+22\) (RATO 11, 15/2024, §11.1.1.1)	Dette avgrensede tilfellet er ikke én nasjonal målverdi
Banedanmark	\(+22\)	\(\pm 7\) for \(V \leq 200\) km/h; \(\pm 3\) for \(200 < V \leq 250\) km/h
Bane NOR	\(+21\)	\(\pm 3\)

Tabell 11.4 Eksempler på målverdier for nøytraltemperatur hos nordiske jernbaneforvaltninger.

Kilder: Bane NORs byggeregler [11], Trafikverkets forklaring av geografisk nøytraltemperatur [180] og solkurverapport 2024, s. 17 [181], samt Banedanmark BN1-66-3 (6. desember 2023), §5.13 [182]. Den finske verdien er det uttrykkelig avgrensede kurvetilfellet i Väylä RATO 11, 15/2024, s. 5 [183]. Dette er et datert eksempel fra den opprinnelige utgaven 15/2024, som ble erstattet av 15/2024 v2 fra 1. desember 2024. Ved dagens arbeid må gjeldende RATO-utgave og relevante bestemmelser brukes.

Eksempel på årstidsvariasjon i skinnetemperaturen.

Forelesningen illustrerer et skinnetemperaturområde fra \(-30\,^\circ\mathrm{C}\) til \(+55\,^\circ\mathrm{C}\). Med \(T_{sf}=+21\,^\circ\mathrm{C}\) ligger skinnen \(34\,\mathrm{K}\) over den spenningsfrie tilstanden i det varme tilfellet og \(51\,\mathrm{K}\) under den i det kalde. Med kapitlets eldre 49E1-areal på \(6297\,\mathrm{mm}^2\) og den avrundede koeffisienten \(2{,}4\,\mathrm{N/(mm^2\,K)}\) blir resultatet omtrent 514 kN trykkraft per skinne og 771 kN strekkraft per skinne.

Foregående forelesningsside bruker \(-40\) til \(+55\,^\circ\mathrm{C}\), mens dette regneeksemplet bruker \(-30\) til \(+55\,^\circ\mathrm{C}\). Dette er ulike eksempelintervaller som ikke må blandes. Med det valgte 49E1-arealet er kraftendringen i én fastholdt skinne \(2{,}4\times6297=15\,112{,}8\,\mathrm{N/K}\), eller omtrent \(15{,}11\,\mathrm{kN/K}\). Diagrammets omtrentlige \(1{,}5\,\mathrm{tf/K}\), 76 tf og 51 tf er grove undervisningsanslag, ikke nøyaktige enhetsomregninger av resultatene i kN ovenfor.

Måltemperaturen gjør altså ikke de største strekk- og trykkreftene like store. Den balanserer to forskjellige former for svikt: solslyng ved trykk og skinnebrudd ved strekk. Eksemplet gjelder skinnetemperaturer, ikke en prognose for lufttemperaturen, og temperaturområdet gjelder ikke generelt for alle jernbaner.

Les figur 11.15 i forhold til nøytraltemperaturen: Oppvarming og avkjøling ligger på hver sin side av referansen og gir motsatt kraftfortegn i fastholdt skinne. Bruk beregningen i kN ved siden av, ikke kildens omtrentlige tonn-kraft-verdier.

Figur 11.15 Årstidsavhengig temperaturbelastning rundt en spenningsfri temperatur på +21 °C. De opprinnelige kraftangivelsene er grove anslag i tonnkraft basert på omtrent 1,5 tf per grad for én 49E1-skinne. Beregningen i teksten bruker en uttrykkelig angitt koeffisient og gir kreftene i kN.

Følger av endret spenningsfri temperatur

Hvis den faktiske spenningsfrie temperaturen \(T_{sf}\) avviker fra den prosjekterte \(T_n\):

• \(T_{sf} > T_n\): større strekkrefter om vinteren \(\Rightarrow\) risiko for skinnebrudd

• \(T_{sf} < T_n\): større trykkrefter om sommeren \(\Rightarrow\) risiko for solslyng

Åpningen i figur 11.16 viser hvordan en brukket skinne kan se ut når endene går fra hverandre. Avkjøling øker strekkbelastningen i fastholdt skinne, men et gapfotografi alene fastslår ikke hva som startet bruddet.

Figur 11.16 Skinnebrudd med synlig åpning. Avkjøling under den spenningsfrie temperaturen øker strekkraften i en fastholdt skinne.

Figur 11.17(a) viser atskilt skinnemateriale ved en åpning; 11.17(b) viser sprekkdannelse ved et sveiseområde. Bildene hjelper med å lokalisere bruddet, mens utløsende mekanisme krever opplysninger om materiale, temperatur og driftshistorikk.

Figur 11.17 Flere eksempler på skinnebrudd. Et fotografi alene avgjør ikke om temperatur, utmatting, en sveisefeil eller en annen mekanisme utløste bruddet. (a) Et løsnet skinnestykke ved bruddåpningen. (b) Sprekkdannelse gjennom et sveiseområde.

Forskyvningen i overhøydekurven i figur 11.18(a), de markerte feilene ved infrastrukturen i 11.18(b) og langs skinnen i 11.18(c), samt den lokale knekken i 11.18(d), viser geometri som må undersøkes. Bildene viser mulige utslag, ikke en måling av den lave nøytraltemperaturen som omtales her.

Figur 11.18 Eksempler på solslyng knyttet til forklaringen av lav spenningsfri temperatur. De opprinnelige røde sirklene markerer lokale feil. Fotografiene er illustrasjoner og dokumenterer ikke den faktiske spenningsfrie temperaturen. (a) Forskyvning i en kurve med overhøyde. (b) En markert feil ved stasjonsanlegg. (c) En markert feil sett langs skinnen. (d) En lokal knekk i en kurve.

11.3.3 Pustepartier og kraftoverføring

Figur 11.19 skiller de bevegelige pustesonene fra den låste midtsonen. Følg gradienten fra skinneenden mot midten når pustelengden knyttes til den fordelte lengdemotstanden.

Figur 11.19 Skinneendene beveger seg i pustepartiene. Det låste midtpartiet bærer temperaturkraften som oppstår ved fastholding. Originalskissen viser temperaturspenning; ved konstant skinneareal gir P = Aσ et kraftforløp med samme form.

I helsveist spor skjer utvidelse og sammentrekning som følge av temperaturendringer bare i pustepartiene, de bevegelige endepartiene ved hver ende av det helsveiste avsnittet. I det sentrale, låste partiet bygges det opp store aksialkrefter fordi langsgående deformasjon er hindret. Likevektsskissen i Figur 11.20 viser hvordan ballastens lengdeforskyvningsmotstand mobiliseres over pustelengden ved skinneenden.

Figur 11.20 Likevekt i pustepartiet til et helsveist spor.

Trinnene i figur 11.21 representerer svillenes påfølgende bidrag til lengdefastholdingen. Den jevne gradienten i beregningen idealiserer disse diskrete kraftoverføringene; den er ikke en egen fysisk lastvei.

Figur 11.21 Hver sville overfører en del av den langsgående lasten. Det trinnvise skinnekraftforløpet kan idealiseres som en jevn kraftgradient. I originaldiagrammet betegner P et svillebidrag og N den akkumulerte aksialkraften.

Pustelengden avhenger av endringen i temperaturkraft og tilgjengelig lengdeforskyvningsmotstand. Verdier på 50–100 m er nyttige som illustrerende størrelsesorden, men gir ingen universell minste skinnelengde. Et sentralt, fullt fastholdt parti oppstår i den enkle modellen bare når avsnittet er lengre enn summen av de to pustepartiene. Med to forutsatte pustepartier på 50 m betyr det en lengde over 100 m; det norske regelverkskravet om å behandle skinner over 50 m som helsveist spor er en egen definisjon.

Ved en fri skinneende er aksialkraften null dersom endemotstanden neglisjeres. Innover mot det låste partiet overfører den langsgående fastholdingen kraft til skinnen. Med konstant motstand per meter øker aksialkraften derfor lineært til den når temperaturkraften ved full fastholding. En større temperaturforskjell krever et lengre pusteparti, mens sterkere langsgående fastholding forkorter det. De to endene beveger seg i motsatt retning: Oppvarming skyver hver fri ende utover, mens avkjøling trekker den innover. Dette forklarer hvorfor bevegelsen konsentreres ved skjøter og andre avbrudd, selv om det sentrale partiet nesten ikke endrer lengde.

Lengden på pustepartiet \(L\) er:

\[ L = \frac{P_\mathrm{rail} - R_j}{r_\ell} \]

(11.5)

der \(P_\mathrm{rail}\) er aksialkraften i én skinne som skal overføres mellom det låste avsnittet og den frie enden (kN), \(R_j\) er restmotstanden ved skinneenden eller skjøten (kN), og \(r_\ell\) er ballastens lengdeforskyvningsmotstand per lengdeenhet for én skinne (typisk om lag 10 kN/m for godt komprimert ballast). Den mobiliserte motstanden over pustepartiet er da \(r_\ell L\), slik at Ligning 11.5 er et likevektsestimat og ikke en definisjon av selve temperaturkraften. Lengder på 80–100 m er mulige eksempler, men må følge av kraften og motstanden i det aktuelle tilfellet. Denne formen bruker kraftstørrelser for et fullt mobilisert kraftoverføringsparti, med \(P_\mathrm{rail}>R_j\geq0\) og \(r_\ell>0\). Den skal ikke gi negativ lengde ved avkjøling eller når skjøtemotstanden hindrer bevegelse; avlastning og retningsskifte krever at krafthistorikken tas med.

Regneeksempel.

Hvis én skinne må overføre \(P_\mathrm{rail}=500\) kN til det låste avsnittet, og ballastens lengdeforskyvningsmotstand er \(r_\ell=10\) kN/m per skinne, blir pustelengden

\[ L = \frac{500\,\mathrm{kN}}{10\,\mathrm{kN/m}} = 50\,\mathrm{m}, \]

når restmotstanden i skjøten neglisjeres. Beregningen gjelder én skinne, og det er derfor motstanden per skinne som skal brukes.

Sammenlign motstandskurvene i figur 11.22 ved samme temperaturendring. Valgt lengdemotstand endrer beregnet pustelengde. De to horisontale eksempellengdene kan derfor ikke leses som generelle godkjenningsgrenser.

Figur 11.22 Pustepartiets lengde for forelesningens 54E3-datasett ved langsgående motstand på 6, 8, 10, 12 og 14 kN/m per skinne. Kurvene starter i null og ser derfor bort fra gjenværende skjøtemotstand. De grønne linjene ved 80 m og 100 m markerer illustrative lengder, ikke et generelt akseptabelt intervall.

Parameterdiagrammet viser direkte betydningen av fastholdingen. Ved \(\Delta t=40\,\mathrm{K}\) gir det valgte 54E3-arealet \(P_\mathrm{rail}=2{,}4\times40\times6948=667\,008\,\mathrm{N}\). Uten skjøtemotstand gir \(r_\ell=6\) og \(14\,\mathrm{kN/m}\) pustepartier på henholdsvis omtrent 111 m og 48 m. Forelesningens markerte intervall på 80–100 m kan derfor ikke tilordnes alle godt konsoliderte spor uten å angi temperaturendring og langsgående motstand.

11.3.4 Sideforskyvning og kontroll av sporbeliggenhet

Forelesningen knytter pakking ved lav temperatur og innoverforskyvning i kurver til redusert spenningsfri temperatur. Strekkraften i skinnene kan trekke et forstyrret spor innover ved arbeid ved lav temperatur. Forebyggende tiltak er å unngå utilsiktet innoverforskyvning, sikre tilstrekkelig ballaststøtte på innsiden av kurven, kontrollere sporbeliggenheten mot fastmerker og nøytralisere når det kreves. En utvidet indre ballastskulder må dimensjoneres etter gjeldende ballastbestemmelser. Den erstatter ikke retting av forskjøvet spor. De faktiske temperaturgrensene for pakking følger vedlikeholdsreglene omtalt i avsnittet om solslyng.

Figur 11.23 knytter kurvepakking til den endrede skinnebanen mellom A og B. En sporjustering kan endre lengden som kurven krever, selv om ingen skinne bevisst er kappet eller strukket.

Figur 11.23 Pakkmaskiner i en kurve og den opprinnelige skissen av endrede skinnetraséer mellom punktene A og B. En radiell sideforskyvning endrer skinnelengden som kreves for å følge kurven.

Når sporet i en kurve forskyves sideveis (for eksempel ved pakking og sidejustering av sporgeometrien), endres den spenningsfrie temperaturen fordi skinnens buelengde endres:

\[ \Delta T_{sf} \approx -\frac{\Delta R}{\alpha R} \]

(11.6)

der \(\Delta R\) er spormidtens radielle forskyvning innover, og \(\alpha\) er varmeutvidelseskoeffisienten for skinnestål. Uttrykket følger av at den krumningsbetingede endringen i skinnelengde settes lik en tilsvarende fri termisk tøyning.

Figur 11.24 Buegeometri ved sideforskyvning i en kurve. Originaldiagrammet definerer \(\Delta R\) som en radiusøkning utover.

I geometrien i figur 11.24 er vinkelen \(\varphi\) uendret. Med \(\varphi\) i grader og diagrammets positive radiusendring utover får vi

\[ \begin{aligned} \varphi &= \frac{L}{R}\frac{180}{\pi} = \frac{L+\Delta L}{R+\Delta R}\frac{180}{\pi},\\ \frac{\Delta L}{L} &= \frac{\Delta R}{R} = \alpha\,\Delta T_{sf},\\ \Delta T_{sf} &\approx \frac{\Delta R}{\alpha R}. \end{aligned} \]

Her flyttes den samme kontinuerlige skinnen til en endret bue, uten at skinnen kappes eller tilføres lengde. En forskyvning utover øker den spenningsfrie temperaturen. Ligning 11.6 definerer derimot den radielle forskyvningen som positiv innover, slik at fortegnet blir motsatt.

Figur 11.25 tallfester virkningen av en sideforskyvning ved å knytte sammen sidebevegelse, kurveradius og tilsvarende endring i spenningsfri temperatur. En forskyvning innover (mot kurvesenteret) reduserer buelengden, noe som tilsvarer en reduksjon i \(T_{sf}\) og dermed større trykkrefter. En sideforskyvning på 10 cm innover i en kurve med \(R = 300\) m reduserer den spenningsfrie temperaturen med \(29\,^\circ\mathrm{C}\), en svært stor virkning. En forskyvning utover har motsatt fortegn: Den øker den spenningsfrie temperaturen og dermed risikoen for strekkbrudd om vinteren. Fortegnskonvensjonen er viktig fordi ordinær geometrikorreksjon utilsiktet kan endre spenningstilstanden selv om skinnen ikke kappes. Verdien følger av \(0{,}10/(1{,}15\times10^{-5}\times300)=28{,}99\) K; originalfiguren er en omtrentlig illustrasjon.

Figur 11.25 Bane NOR-graf som viser endringen i spenningsfri temperatur ved sideforskyvning av sporet [16].

Før- og etter-sammenligningen i figur 11.26 knytter innoverforskyvning til en endret nøytraltilstand. Skill de opprinnelige, omtrentlige kraftverdiene fra de omregnede verdiene med kapitlets oppgitte koeffisient.

Figur 11.26 Før og etter en innoverforskyvning av sporet. Originaldiagrammet bruker forelesningens omtrentlige temperaturendring på 28 K og kraftendring på 1,5 tf/K. Med kapitlets angitte varmeutvidelseskoeffisient gir 10 cm forskyvning ved 300 m radius 28,99 K og den omregnede trykkraften i varmt vær som er oppgitt i teksten.

I det samme 49E1-eksemplet blir en opprinnelig \(T_{sf}=21\,^\circ\mathrm{C}\) omtrent \(21-28{,}9855=-7{,}99\,^\circ\mathrm{C}\) etter 0,10 m innoverforskyvning ved \(R=300\,\mathrm{m}\). Ved en skinnetemperatur på \(55\,^\circ\mathrm{C}\) blir temperaturforskjellen som gir trykk, \(62{,}99\,\mathrm{K}\). Med kapitlets avrundede kraftkoeffisient blir kraften \(P_\mathrm{rail}\approx2{,}4\times6297\times62{,}9855=951\,887\,\mathrm{N}\), eller omtrent 952 kN per skinne, mot 514 kN før forskyvningen. Originaldiagrammet bruker de grovere tilnærmingene 28 K og 1,5 tf/K, som gir angivelsene \(-7\,^\circ\mathrm{C}\), 62 K og 93 tf. Ingen av beregningene beviser at solslyng vil oppstå. De viser den økte trykkraften sporet må motstå.

Tabell 11.5 angir toleransene for horisontal beliggenhet i TRV:05056. Dette er avvik fra prosjektert sporbeliggenhet, ikke lokale retningsfeil målt med kort korde.

Kvalitetsklasse og hastighet	Kurveradius	Nyjustert spor, ±mm	Vedlikeholdsgrense, ±mm
Q0–Q1, \(160<V\leq300\) km/h	Alle	20	30
Q2–Q5, \(V\leq160\) km/h	\(R>1000\) m	40	60
Q2–Q5, \(V\leq160\) km/h	\(750<R\leq1000\) m	40	40
Q2–Q5, \(V\leq160\) km/h	\(500<R\leq750\) m	30	30
Q2–Q5, \(V\leq160\) km/h	\(350<R\leq500\) m	20	20
Q2–Q5, \(V\leq160\) km/h	\(R\leq350\) m	15	15

Tabell 11.5 Toleranser for horisontal beliggenhet i spor med fastmerker eller geodetiske referanser.

Kilde: Bane NOR, horisontal beliggenhet, TRV:05056–05060 [50]. Overskridelse av en vedlikeholdsgrense krever utbedring ved første anledning. Innvendig forskyvning som oppdages om våren, har høy prioritet. Nøytralisering gir ingen generell tillatelse til å la en sporbeliggenhet utenfor toleransene stå uendret. Krav til minste tverrsnitt er også bestemmende dersom den prosjekterte beliggenheten ville gi konflikt (TRV:05060).

Figur 11.27(a) illustrerer brudd, risikoen som her knyttes til utoverforskyvning og økt nøytraltemperatur; 11.27(b) illustrerer solslyng, som her knyttes til innoverforskyvning og redusert nøytraltemperatur. Bildene beviser ikke at en slik forskyvning faktisk skjedde før de fotograferte hendelsene.

Figur 11.27 De to skaderisikoene ved endret spenningsfri skinnelengde. Fotografiene viser brudd og solslyng. Retningen på en eventuell forutgående sideforskyvning kan ikke bestemmes ut fra fotografiene alene. (a) Skinnebrudd, en risiko som øker ved utoverforskyvning som hever spenningsfri temperatur. (b) Solslyng, en risiko som øker ved innoverforskyvning som senker spenningsfri temperatur.

11.3.5 Nøytralisering av sporet

Nøytralisering etablerer den tilsiktede spenningsfrie skinnelengden ved legging og gjenoppretter den ved behov i driftsfasen. Referansen er den prosjekterte nøytraltemperaturen \(T_n\). Nøytralisering er nødvendig når:

• Den faktiske spenningsfrie temperaturen ligger utenfor det tillatte nøytraltemperaturområdet, ikke bare avviker fra målverdien

• Gjeldende bygge- eller vedlikeholdsprosedyre krever nøytralisering. TRV:05022 krever dette etter bestemte større inngrep i spor som ikke er varig utfestet. TRV:05024 og TRV:05025 gir betingede unntak for begrensede arbeider eller korrekt nøytralisert og utfestet spor der beliggenheten kan kontrolleres

Det følgende beskriver det mekaniske prinsippet, ikke en fullstendig arbeidsinstruks:

1. Fastsett skinnetemperatur, tilsiktet nøytraltemperatur, behandlingslengde og referansemerker etter den godkjente prosedyren.
2. Frigjør skinnen fra fastholding som hindrer omfordeling av spenninger, blant annet ved foreskrevet løsning av befestigelser og kapping. Ruller løfter skinnen fri fra skinneleiene, og foreskrevet vibrasjon eller banking overvinner gjenværende friksjon. Skinnen må kunne nå en kjent, frigjort tilstand før den nødvendige forlengelsen påføres.
3. Innenfor det tillatte nøytraltemperaturområdet frigjøres spenningene, og skinnen befestes på nytt som foreskrevet. Under dette området brukes kontrollert oppvarming eller mekanisk strekking for å gi den frigjorte lengden forlengelsen som svarer til \(T_n\), med nødvendig tillegg for sluttsveisingen. En for varm skinne kan ikke korrigeres bare ved å strekke den mer.
4. Kontroller forlengelsen langs behandlingslengden, befest skinnen i foreskrevet rekkefølge, utfør sluttsveisen og dokumenter nøytraliseringen.

Å kappe skinnen og sveise igjen en kort åpning dokumenterer ikke at hele den tilsiktede lengden er nøytralisert. Gjenværende fastholding, ujevn forlengelse og bevegelse under arbeidet kan etterlate en ujevn spenningstilstand. Arbeidet styres av Bane NORs detaljerte prosedyre for nøytralisering [184], som kreves i TRV:05359. Prosedyren skiller mellom spenningsfrigjøring innenfor nøytraltemperaturområdet og kontrollert forlengelse under dette området. Den angir også krav til utstyr, forankring, måling og sveisebetingelser. Hydraulisk strekkapparat anbefales. Varmevogn skal ikke brukes ved skinnetemperatur under +10 °C. Sluttsveising over nøytraltemperaturområdet er ikke tillatt (TRV:05376), og arbeidet skal ledes av personell med kompetanse etter TRV:05360.

Regneeksempel.

For en frigjort og spenningsfri skinnelengde på 100 m ved \(14\,^\circ\mathrm{C}\) og en tilsiktet nøytraltemperatur på \(21\,^\circ\mathrm{C}\) er den nødvendige tilsvarende forlengelsen før befestigelse

\[ \begin{aligned} \Delta L &= \alpha L\Delta T\\ &= (1{,}15\times10^{-5}\,\mathrm{K}^{-1}) (100\,000\,\mathrm{mm})(7\,\mathrm{K})\\ &= 8{,}1\,\mathrm{mm}. \end{aligned} \]

Den samme forlengelsen kan oppnås ved å varme skinnen eller ved mekanisk strekking før befestigelse.

Sluttsveisen avslutter arbeidet. Den aluminiotermiske sveiserekkefølgen er vist i figur 11.4.

Målverdien og toleransen for nøytralisering kommer fra Bane NORs byggeregler, TRV:05305–05308 [11]. Arbeidstemperaturer og begrensninger etter arbeid følger vedlikeholdsreglene [6]. EN 14587-2 gjelder mobil brennstuksveising av skinner, og EN 14730-2 gjelder kvalifisering av aluminiotermiske sveisere, godkjenning av entreprenører og aksept av sveiser; ingen av dem angir norsk målverdi for nøytraltemperatur eller temperaturgrenser for pakking.

Strekkeutstyret i figur 11.28 gir kontrollert skinneforlengelse under nøytralisering. Formålet er å etablere ønsket nøytraltilstand før sluttsveising, ikke bare å trekke sammen en synlig åpning.

Figur 11.28 Hydraulisk strekkutstyr under nøytralisering av skinner.

11.3.6 Sporveksler og tilstøtende spor

Sporveksler skaper ekstra langsgående krefter fordi de virker som halvfaste punkter i skinnen. Aksialkreftene i stokkskinnene øker lokalt i tungedelen. Teknisk regelverk krever derfor særlig oppmerksomhet på sveiserekkefølge, nøytralisering og den langsgående plasseringen mellom tunge og stokkskinne når en sporveksel sveises inn i helsveist spor [10, 12].

Stokkskinner, tunger, felles sviller og tilstøtende spor beveger seg ikke uavhengig av hverandre. Langsgående last kan overføres gjennom sporvekselkonstruksjonen og gi lokale krafttopper i skinnene og bøyning av svillene. Når pustepartiene holdes utenfor sporvekselen, reduseres én kilde til relativ bevegelse. Derfor må sveiserekkefølgen og nøytraliseringen også ta hensyn til tilstøtende spor.

Sporvekseleksemplet viser også hvorfor forebygging må omfatte hele sporsystemet. Avhengig av godkjent konstruksjon kan tiltak være skinnestoppere, tyngre eller spesielt utformede sviller og ren ballast med god sidestøtte. De tilstøtende sporene må inngå i nøytraliseringsplanen slik at bevegelsen ikke konsentreres i sporvekselen.

For en sporveksel i helsveist hovedspor krever Bane NOR at tilstøtende spor er helsveist i minst 60 m fra sporvekselen (TRV:05438). I spor med tresviller angir TRV:05439 100–200 skinnestoppere over minst 60 m, montert vekselvis mot trykk- og strekkrefter. Disse skinnestopperne virker i lengderetningen og må skilles fra svilleankrene mot sideforskyvning i avsnitt 11.4. Se kravene til bygging av sporveksler [185]. Kravet om 60 m tilstøtende helsveist spor må skilles fra nøytraliseringens omfang: TRV:05445 krever nøytralisering minst 60 m fra de seks endeskjøtene ved grunnradius under 1200 m. Ved grunnradius 1200 m eller større omfatter TRV:05446 i tillegg sporvekselens gjennomgående kontinuerlige skinnestrenger.

Figur 11.30 viser et eksempel på solslyng ved Hønefoss, der sideforskyvningen av sporet er synlig gjennom sporvekselområdet.

Figur 11.29 viser at den målte kraften varierer gjennom den viste sporvekselen i stedet for å være konstant. Den lokale økningen i stokkskinnen gjelder samvirket mellom geometri og fastholding i dette tilfellet, ikke en universell faktor.

Figur 11.29 Forelesningens eksempel på målt aksialkraft langs en 1:12-sporveksel i Tyskland. Den lokale kraftøkningen i stokkskinnen gjelder det viste tilfellet, med referanseverdiene P=400 kN og en temperaturendring på 25 °C.

Figur 11.30 Solslyng ved Hønefoss (sporveksel nr. 11), 2018.

Skinnevandringshindret og snittet i figur 11.31 viser hvordan skinnebevegelse motvirkes gjennom kontakt med svillen. Dette er lengdefastholding, til forskjell fra de tverrgående svilleankrene som omtales senere.

Figur 11.31 Skinnestopper i spor med tresviller, med snitt som viser anlegget mot svillen.

11.3.7 Bruer og glideskjøter

Skinner og bru påvirker hverandre fordi brudekket og skinnene har ulike temperaturbevegelser og langsgående fastholding. Bane NOR bruker bruas ekspansjonslengde, ikke bare total brulengde, i følgende utvalgte krav. Ekspansjonslengden er summen av brulengder som får utløst bevegelsen gjennom bevegelige lagre på samme sted:

• Stålbru uten gjennomgående ballast: ekspansjonslengde \(D>100\) m krever glideskjøt (skinneekspansjonsinnretning) ved det bevegelige lageret (TRV:03495).
• Stålbru med gjennomgående ballast: ekspansjonslengde over 90 m krever glideskjøter (TRV:03485).
• Betong- eller samvirkebru med gjennomgående ballast: ekspansjonslengde over 120 m krever glideskjøter (TRV:03484).

For stålbruer uten gjennomgående ballast med \(10<D\leq100\) m angir TRV:03498–03500 i stedet ingen glideskjøt, glidebefestigelse og helsveist spor minst 150 m utenfor hvert landkar. TRV:03521 angir glidebefestigelse av typen Pandrol Railfree. Bestemmelsene erstatter ikke relevant analyse av samvirket mellom spor og bru. Figur 11.34 og 11.38 viser henholdsvis glideskjøt og glidebefestigelse. Se Bane NOR, Spor på bruer [186]. For det egne tilfellet \(D\leq10\) m krever TRV:03501–03503 samme befestigelse som i tilsluttende spor, ingen skinneskjøt på brua og minst 150 m fra brua til eventuell overgang fra helsveist til lasket spor. Vilkårene for befestigelse i TRV:03519 gjelder også. Ved \(D>100\) m kreves normal fjærende befestigelse (TRV:03496), med ekstra skinnestoppere i de angitte tilsluttende tresvillesporene uten underlagsplater med fjærfeste (TRV:03389).

Hvordan brua endrer skinnekraften

Uten glideskjøt overføres brudekkets bevegelse gjennom skinneoppleggene og gir lokale tillegg til temperaturkraften som allerede finnes i det helsveiste sporet. Tilleggskraften varierer langs brua og i tilstøtende spor. Den vanlige kraften i det låste partiet beskriver derfor ikke alle tverrsnitt. Et bevegelig brulager tillater bevegelse av brudekket, men frigjør ikke i seg selv skinnens langsgående kraft.

Følg de lokale endringene i skinnekraft og forskyvning i figur 11.32 der brubevegelsen virker sammen med de sammenhengende skinnene. Skissen viser samvirket kvalitativt. En bruberegning krever fortsatt de faktiske fastholdings- og bevegelsesforholdene.

Figur 11.32 Skinnekraft og forskyvning på en bru uten glideskjøt. Brubevegelsen gir lokale endringer i begge størrelsene. Skissen er kvalitativ og definerer ikke et dimensjonerende lasttilfelle.

Figur 11.33 legger en skinneuttrekksanordning til brusamvirket. Bevegelsen ved anordningen omfatter både brubidraget og pusting i tilstøtende skinner. Slaglengden kan derfor ikke bestemmes fra bruens utvidelse alene.

Figur 11.33 Skinnekraft og forskyvning på en bru med glideskjøt. Bevegelsen i glideskjøten omfatter både brubevegelsen og pustingen i de tilstøtende skinnene.

Figur 11.34 Glideskjøt på en bru uten gjennomgående ballast.

Figur 11.35 viser skinneuttrekksanordningen ved en ballastført brutilløpsstrekning under bygging. Feltbildet knytter bevegelsesdetaljen til understøttelsen og grensesnittet mot brua.

Figur 11.35 Glideskjøt ved et ballastspor inntil en bru under bygging.

Finn den bevegelige stokkskinnen og den faste tungen i figur 11.36. Overlappende geometri tillater lengdeforskyvning samtidig som kjørekanten opprettholdes, til forskjell fra en vanlig åpen skinneåpning.

Figur 11.36 Glideskjøt som tillater langsgående bevegelse og opprettholder kjørekanten på sporviddesiden. Originalskissen viser bevegelig stokkskinne og fast tungeskinne.

Kurveinstallasjonen i figur 11.37 viser én systemspesifikk løsning. Den viser at geometri og bevegelsesopptak må prosjekteres sammen, ikke at enhver skinneuttrekksanordning er egnet i kurve.

Figur 11.37 Glideskjøt i kurve på Københavns metro. Dette er et eksempel fra et bestemt sporsystem, ikke en generell tillatelse til å anlegge glideskjøt i enhver kurve.

Snittet i figur 11.38(a) viser fjær og mellomleggsplater i glidebefestigelsen; 11.38(b) viser detaljene i den monterte e2071-sammenstillingen. Skinnen understøttes og føres samtidig som lengdeglidning bevisst tillates.

Figur 11.38 Railfree-befestigelsens geometri og detalj av e2071 i felt. (a) Railfree glidebefestigelse: snitt som viser de spesielle mellomstykkene og fjæren. (b) Pandrol e2071 Railfree-befestigelse, med mellomstykkene markert i originalfotografiet.

Figur 11.39 viser et bruspor uten vanlig ballastlag. Understøttelse og befestigelsesgrensesnitt må derfor identifiseres direkte ved vurdering av hvordan brubevegelse og skinnekrefter overføres.

Figur 11.39 Spor uten gjennomgående ballast på en bru.

En glideskjøt tar opp relativ bevegelse mellom skinnene på et valgt sted. Nødvendig bevegelseskapasitet avhenger både av brubevegelsen og av bevegelsen i de tilstøtende pustepartiene. Den bør derfor ikke dimensjoneres ut fra bruas frie utvidelse alene. Glidebefestigelser har en annen funksjon: De reduserer den langsgående kraftoverføringen mellom brudekket og skinnen, samtidig som påkrevd understøttelse og føring av skinnen opprettholdes.

I den viste glideskjøten kan den ene skinnen bevege seg i lengderetningen, mens overlappende stokkskinne og tungeskinne opprettholder kjørekanten på sporviddesiden. Fotografiet fra Københavns metro viser bruk i kurve. På Bane NORs nett tilsidesetter ikke dette eksemplet anbefalingen om rettlinje i TRV:07817 eller forbudene mot horisontalradius under 250 m og vertikalradius under 10 000 m i TRV:08230–08231. Railfree-detaljen viser en annen mekanisme: Spesielle mellomstykker og fjærgeometri tillater langsgående skinnebevegelse i befestigelsen samtidig som sideføringen opprettholdes. Komponenten på fotografiet er merket Pandrol e2071.

11.3.8 Skinnevandring og langsgående fastholding

Bane NOR viser til amerikanske forsøk med tunge godstog der bremsing eller akselerasjon overførte langsgående krefter på opptil 260 kN til skinnene [16]. Gjentatte bevegelser kan gi skinnevandring, en gradvis nettoforskyvning i forhold til svillene, og endre den spenningsfrie tilstanden. Den samme lærekilden gir et modelleksempel med bremsing i 15‰ fall der tilleggskraften i UIC60-skinner tilsvarer omtrent 10 °C reduksjon i spenningsfri temperatur. Ingen av verdiene er en universell maksimalverdi. Egnede befestigelser, lengdeforskyvningsmotstand i ballasten og eventuelle skinnestoppere motvirker vandringen.

Tegn i felt kan være skjeve sviller, klemmer som har flyttet seg fra normalstillingen, og mellomlegg som har forskjøvet seg under skinnefoten. Slike observasjoner viser at fastholding eller bevegelse må undersøkes. De måler ikke den spenningsfrie temperaturen direkte. Inspeksjonen bør se skinnen, befestigelsen og ballasten i sammenheng, særlig ved bremsestrekninger, stigninger og fall, sporveksler og overganger mellom ulike sporkonstruksjoner.

Forebygging av skinnevandring omfatter derfor vedlikehold av de foreskrevne fjærene, isolatorene og mellomleggene, kontroll av plassering og klemvirkning og gjenoppretting av prosjektert langsgående fastholding. En annen befestigelse med større klemkapasitet er et konstruksjonsvalg som krever kompatibilitet med sporsystemet. Vilkårlig tilstramming eller utskifting av komponenter erstatter ikke den godkjente løsningen.

Kraftoverføringen gjennom befestigelsen, mellomlegget og grenseflaten mellom sville og ballast er vist i figur 11.3. Den svakeste grenseflaten kan begrense fastholdingen som er tilgjengelig for å motvirke skinnevandring.

De skjeve svillene i figur 11.40 er en feltindikasjon på relativ lengdebevegelse. Tolkningen må kontrolleres med referansemålinger og tilstanden til befestigelse og understøttelse, ikke ved å fastsette skinnekraft fra fotografiet.

Figur 11.40 Skråstilte tresviller, en feltindikasjon på relativ langsgående bevegelse.

De forskjøvne mellomleggene i figur 11.41(a) og vridde klemmene i 11.41(b) viser detaljer i skinnesetet som må undersøkes for relativ bevegelse og feil inngrep. De kvantifiserer verken vandringslengde eller nøytraltemperatur.

Figur 11.41 Feltobservasjoner knyttet til relativ skinnebevegelse. (a) Forskjøvne mellomlegg viser relativ bevegelse ved skinnefestet. (b) Befestigelsesfjærer som har forskjøvet seg fra normalstillingen. Fotografiet alene fastslår ikke den spenningsfrie temperaturen.

11.4 Sporets sideforskyvningsmotstand

Sporets sideforskyvningsmotstand er den viktigste stabiliserende kraften mot sideveis bevegelse av et helsveist spor. Den avhenger av det samlede bidraget fra skinner, befestigelser, sviller, ballastprofil og ballastkonsolidering.

Figur 11.42 innleder stabilitetsspørsmålet: Sporrammen må beholde sporstillingen under belastningene. Geometrien er overdrevet for illustrasjon. Bruk derfor de følgende mekaniske diagrammene, ikke dette bildet, til analyse av deformasjon.

Figur 11.42 Stilisert illustrasjon av et tog og deformert spor. Den illustrerer temaet stabilitet og dokumenterer verken en virkelig hendelse eller en geometrisk korrekt solslyngmodell.

Figur 11.43 knytter oppvarming, trykkraft og mulig sidedeformasjon sammen prinsipielt. Oppvarming alene fastsetter ikke grensen for solslyng. Fastholding, geometrifeil og motstand må også inngå i stabilitetsvurderingen.

Figur 11.43 Prinsippskisse av oppvarming, trykkraft i skinnene og sideveis spordeformasjon. Termometeret er illustrerende og angir ingen solslyngtemperatur.

11.4.1 Motstandsmekanismer

Sporets sideforskyvningsmotstand (LTR) er motstanden fra skinnestigen og ballasten mot en akkumulert sideforskyvning. Den er den viktigste parameteren for sikkerhet mot solslyng i helsveist spor og består av fire hovedbidrag:

• Bøyestivheten i skinnen (andre arealmoment om vertikalaksen, ikke det andre arealmomentet om horisontalaksen som brukes ved vertikal skinnebøyning)

• Befestigelsens vridningsmotstand: Klemkraft, skinneleiets dimensjoner og friksjonen mellom skinne og mellomlegg påvirker LTR. Slitte mellomlegg og isolatorer kan redusere motstanden betydelig

• Bidraget fra sville og ballast: Bunnfriksjon (omtrent 40 %), samvirke mellom svilleendene og ballastskulderen (omtrent 35 %) og friksjon mellom svillesidene og ballasten i svillemellomrommene (omtrent 25 %). Dette er illustrerende bidrag for en monoblokksville, ikke faste dimensjoneringsandeler

• Ballastens kvalitet og profil: Skulderbredde, fylling mellom svillene, ballastens kornstørrelse og konsolideringsgrad

Både sporkonstruksjon og vedlikeholdstilstand må angis når sideforskyvningsmotstand sammenlignes. Forelesningen bruker en ukonsolidert ballasttilstand som felles sammenligningsgrunnlag for ulike konstruksjoner. Det bidrar til å skille konstruksjonens virkning fra økningen som skyldes trafikk eller mekanisk stabilisering. Ukonsoliderte forsøk er likevel ikke automatisk sammenlignbare: Ballastprofil, påført vertikallast, prøvelengde og forskyvningskriterium må også samsvare.

11.4.2 Stivhet i skinner og befestigelser

Skinnestigens rammestivhet. Skinnene motstår sidebøyning, mens befestigelsene motstår rotasjon av skinnen i forhold til svillene. Sammen bestemmer de hvordan skinnestigen deformeres mellom ballastoppleggene. Skinnefotens bredde, andre arealmoment for sidebøyning, kontaktarealet i skinneleiet, mellomleggets egenskaper og klemkraften har alle betydning. Slitte mellomlegg eller isolatorer kan redusere befestigelsens bidrag. Et større skinneprofil kan øke sidestivheten, men utvikler også større temperaturkraft ved samme temperaturendring. Begge virkninger må tas med i vurderingen.

Figur 11.44 skiller skinnebøyning fra rotasjon ved befestigelsene under sidebelastning. Begge bidrar til sporpanelets respons. Skinnestivheten alene er derfor ikke stivheten til hele rammen.

Figur 11.44 Skinnebøyning og rotasjon i befestigelsene ved sidebelastning av skinnestigen.

Sammenlign stålfordelingen i det lette profilet i figur 11.45(a) med 60E1 i 11.45(b). Målene bestemmer det aktuelle annet arealmomentet. Samlet masse alene beskriver ikke motstanden mot sidebøyning.

Figur 11.45 Skinnetverrsnitt og geometrien som bidrar til bøyestivhet. (a) Skinne på 35,7 kg/m, slik den er målsatt i forelesningen. (b) 60E1-skinne, slik den er målsatt i forelesningen.

Figur 11.46(a) viser den elastiske befestigelsen og kontaktene i skinnesetet; 11.46(b) viser slitte mellomlegg og isolatorer. Svekket kontakt kan endre rotasjonsfastholdingen. Befestigelsen må derfor vurderes som en sammenstilling, ikke bare ved å kontrollere at klemmen finnes.

Figur 11.46 Befestigelsens tilstand og rotasjonsmotstand. (a) Elastiske skinnebefestigelser og kontakt i skinneleiet. (b) Slitte isolatorer og skinnemellomlegg kan redusere klemkraft og rotasjonsmotstand.

De røde kontaktlengdene i figur 11.47 viser en geometrisk forskjell mellom befestigelsesløsningene. Sammenligningen viser hvor rotasjonsfastholdingen virker, men kontaktlengden alene fastsetter ikke sammenstillingens rotasjonsstivhet.

Figur 11.47 Forelesningen sammenligner Vossloh-befestigelser for å vise ulike kontaktlengder ved skinnefoten, markert med rødt. Økt rotasjonsmotstand avhenger av hele befestigelsen, ikke bare den markerte lengden.

Skinnefoten, steget og hodet bidrar alle til tverrsnittets bøyeegenskaper. I hvert skinneleie motvirkes rotasjon av klemkraft, friksjon i mellomlegget og sidestøtte fra underlagsplatens anslag eller en innstøpt skulder. Forelesningen nevner gummi, polyuretan og kork som eksempler på mellomleggsmaterialer med ulike friksjons- og deformasjonsegenskaper. Også kontaktareal og slitasjetilstand har betydning. Sammenligningen av Vossloh M-fjær og W30HH illustrerer denne kontaktmekanismen. Den er ingen produktrangering eller erklæring om norsk godkjenning. Kortformen «skinnenes bøyestivhet + befestigelsens rotasjonsmotstand» betegner samvirkende bidrag til skinnestigens oppførsel, ikke direkte tallmessig addisjon av størrelser med ulike enheter.

11.4.3 Svilletype, svilleavstand og svilleankre

Svilleform og samvirke med ballasten. Svillevekten forklarer bare en del av motstanden. Toblokksviller gir flere endeflater mot ballasten. Y-formede stålsviller og sammenkoblede svillerammer endrer skinnestigens geometri og lastfordeling. Egenskapene kan ikke utledes fra materialet alene. Mindre svilleavstand gir flere fastholdingspunkter per meter, men gevinsten avhenger også av ballasten mellom nabosvillene.

Figur 11.48 sammenligner svilletyper under forholdene i de historiske prøvene. Spredningen viser følsomhet for understøttelse og svillegeometri, ikke en gjeldende prosjekteringsfaktor for alle sviller av samme materiale.

Figur 11.48 Historisk sammenligning av relativ sideforskyvningsmotstand for tre-, stål-, monoblokkbetong- og toblokksviller, i forelesningen tilskrevet UIC 720R (1986) [175]. Spredningen gjelder de illustrerte forsøkene og er ingen gjeldende dimensjoneringsfaktor.

Figur 11.49 fordeler ballastfastholdingen mellom svillens underside, sider og ender. De ulike prosentsettene viser at fordelingen avhenger av forholdene. De skal ikke summeres eller overføres som universelle konstanter.

Figur 11.49 Motstand mellom sville og ballast ved underside, sider og ender. Svarte prosenter viser den illustrerte amerikanske tommelfingerregelen, mens røde prosenter viser forelesningens europeiske sammenligning. Andelene er illustrerende og er ikke generelle dimensjoneringsverdier. Originaldiagram: Dr Andrew Kish, Kandrew Inc. Consulting Services, USA.

Snittvisningen i figur 11.50 synliggjør de ekstra flatene som griper inn i ballasten ved en toblokksville. Den knytter svillegeometrien til endeflatenes bidrag i motstandsdiagrammet foran.

Figur 11.50 Toblokksville med ekstra endeflater som griper inn i ballasten. Originalillustrasjon: ITB-Tradetech, Brussel, Belgia.

Den profilerte svillen i figur 11.51(a), rammeløsningen i 11.51(b) og det innskårne eksemplet i 11.51(c) bruker ulike former for å gripe inn i ballast eller avstive rammen. Detaljen i 11.51(d) forklarer kontaktgeometrien i den innskårne formen. Virkemåtene må skilles før ytelsen sammenlignes.

Figur 11.51 Spesielle svilleformer som skal øke samvirket med ballasten eller rammestivheten. (a) BNF60-friksjonssville med profilert underside, Norge. (b) Rammesviller i spor i Østerrike. (c) Svilletype med bølget form, vist som et amerikansk eksempel. (d) Detalj av siden og undersiden på svillen med bølget form.

Figur 11.52 knytter den profilerte undersiden til en dypere skjærsone i ballasten. Den tilsiktede motstanden bygger på ballastens friksjon og innlåsing. Et intakt profil uten egnet ballastkontakt er derfor ikke tilstrekkelig.

Figur 11.52 Prinsippet for BNF60-friksjonssvillen: Den profilerte undersiden flytter skjærsonen dypere ned i ballasten og mobiliserer ballastens indre friksjon og forkiling.

Figur 11.53 Målt sidekraft som funksjon av samlet vertikallast for ulike svilletyper. Verdiene er forsøkskrefter i kN, ikke motstand per meter spor.

Figur 11.54 knytter undersiden på den lagrede svillen til de navngitte feltinstallasjonene. De oppgitte kurveradiene beskriver eksemplene. De er ikke en selvstendig regel for valg av friksjonssville et annet sted.

Figur 11.54 BNF60-friksjonssviller: lagring og detaljer av undersiden, Follobanen ved Oslo S med R=190 m og Rørosbanen med R=201–242 m, slik eksemplene er identifisert i forelesningen. De oppgitte radiene gjelder disse eksemplene.

Løsningene i figur 11.55 endrer svillemasse, ballastinngrep eller rammeforbindelse på forskjellige måter. Bruk oversikten til å sammenligne virkemåtene, men skill produktgodkjenning og kvantitativ motstand fra selve illustrasjonen.

Figur 11.55 Eksempler på spesielle svilleutforminger: Eder, sville med utvidede endepartier, Y-formet stål, rammesvillene RS95 og RS115, forsterket sville og B70-ZSX. Oppgitt kilde: Eisenbahn Ingenieur, 8/2018 [175]. Oversikten illustrerer mekanismer og er ingen liste over systemer som er godkjent i Norge.

Figur 11.56 sammenligner deformasjon av et vanlig svillepanel med den kryssavstivede løsningen under sidekraft. Formforskjellen forklarer en stivhetsmekanisme, men skjematiske nedbøyninger gir ikke et tallfestet stivhetsforhold.

Figur 11.56 Bøyning av skinnestiger med enkeltsviller og kryssavstivede ZSX-tvillingsviller under en tverrlast P. Skissene viser ulike deformasjonsmekanismer uten å angi et tallfestet stivhetsforhold. Oppgitt kilde: Eisenbahn Ingenieur, 8/2018 [175].

Figur 11.57(a) viser pressede stålsviller under bygging, 11.57(b) viser tverrsnitt og mål, og 11.57(c) viser den forskjellige Y-formede løsningen. Form og ballastinngrep varierer også innenfor kategorien stålsviller.

Figur 11.57 Pressede stålsviller og Y-formede stålsviller. (a) Legging av pressede stålsviller. (b) Original måltegning av en presset stålsville. Tegningen er gjengitt som et konstruksjonseksempel, ikke som en gjeldende norsk spesifikasjon. (c) Y-formede stålsviller i ballastspor.

Figur 11.58 sammenligner svilleavstand sammen med de angitte ballastprofilene. Både understøttelsen og prøveforholdene har betydning. De relative verdiene må derfor ikke behandles som universelle korreksjoner for svilleavstand.

Figur 11.58 Historisk sammenligning av svilleavstand, tilskrevet ORE D117 RP8 (1976) [175]. Tilfellene med 0,45, 0,58 og 0,65 m viser ulik relativ motstand for ballastprofilene angitt med d/h i originalskissen. Dette er forsøksresultater, ikke foreskrevne svilleavstander eller generelle dimensjoneringsfaktorer.

Innretningene i figur 11.59 øker det sideveis inngrepet ved svillene. Skill denne tverrgående virkningen fra skinnevandringshindrene som ble omtalt tidligere. Detaljene motvirker forskjellige relative bevegelser.

Figur 11.59 Svilleankere som øker sidemotstanden, med eksempler fra metroen i København og Semmeringbanen i Østerrike.

Undersiden av en BNF-friksjonssville har et markert profil som griper inn i ballasten. Profilet tvinger skjærsonen ned i pukken, slik at bevegelsen ikke hovedsakelig skjer langs en glattere svilleunderside. Mekanismen utnytter ballastens indre friksjon og låsevirkningen mellom kornene, ikke bare økt svillevekt. Ballastens tilstand og konsolidering er fortsatt viktige [175].

Laboratorieforsøk med standard- og friksjonssviller, sammen med ERRI/Bane NORs sammenstillinger av virkningen fra ulike svilletyper, viser at den tilgjengelige sideforskyvningsmotstanden avhenger sterkt av vertikallast og svilletype  [137, 18]. Dette er viktig før den forenklede likevektskontrollen \(q=P/R\) brukes, fordi motstanden i kontrollen ikke er en fast materialkonstant. Figur 11.53 viser representative målte trender.

Eksemplene på spesielle sviller bygger på flere mekanismer. Profilert underside eller bølget side øker inngrepet i ballasten. Utvidede endepartier og to blokker endrer flatene som mobiliserer passiv ballastmotstand. Sammenkoblede rammer eller kryssavstivede tvillingsviller øker samvirket mellom naboopplegg. Bøyeskissene for ZSX sammenligner vanlige skinnestiger med kryssavstivede svillepar under en tverrlast. Pressede og Y-formede stålsviller gir flere eksempler på hvordan geometrien endrer samvirket med ballasten og lastfordelingen. Eksemplene må vurderes som komplette sporsystemer. BNF60-fotografiene viser en kurve på 190 m ved Oslo S og kurver på 201–242 m på Rørosbanen. Dette er stedlige eksempler og erstatter ikke gjeldende krav til radius og sviller. De historiske diagrammene for svilletype og svilleavstand viser de relative tendensene forelesningen gjengir, med tilhørende spredning. De gir ikke generelle multiplikasjonsfaktorer for motstanden.

Svilleankre mot sideforskyvning. Disse innretningene griper inn i ballasten og øker motstanden mot sideveis bevegelse av svillene. De må skilles fra skinnebefestigelser og fra skinnestoppere som motvirker langsgående skinnevandring. Forelesningen viser bruk i Københavns metro og på Semmeringbanen i Østerrike. Svilleankre er et tiltak som må vurderes for det aktuelle sporsystemet, og erstatter ikke et tilstrekkelig ballastprofil.

11.4.4 Ballastens kvalitet og profil

Ballastens tilstand og profil. Kantet, bestandig pukk gir låsevirkning mellom kornene. Fylte svillemellomrom mobiliserer motstand langs svillesidene, og en understøttet ballastskulder holder svilleendene på plass. Bredere eller forhøyet ballastskulder kan øke motstanden, men løs stein tippet på en skråning uten tilstrekkelig støtte gir ikke den samme fastholdingen. Forurensning, dreneringsproblemer, nedknusing og forstyrrelser kan alle endre oppførselen. Ballastfraksjonen og det foreskrevne profilet må passe til banen, svilletypen og kurveradiusen. Se kapittel 3 for de grunnleggende ballastegenskapene.

Ballasten skal også fordele last med egnet elastisitet og drenere vann. Et rent, porøst ballastlag betyr her åpne hulrom mellom bestandige steinkorn, ikke svake eller svært porøse enkeltkorn. Vanninnhold, forurensning og frysing kan endre kontaktforhold og forkiling. En midlertidig frosset tilstand må ikke regnes som varig konsolidering. Kubiske, kantete korn, egnet gradering og motstand mot slitasje bidrar til å bevare de tilsiktede egenskapene. De historiske diagrammene for materiale, gradering og skulderform illustrerer disse virkningene under de aktuelle forsøksforholdene. Forhøyet ballastkrone og bredere skulder endrer fastholdingen på ulike måter, og virkningen kan derfor ikke reduseres til én generell prosentverdi.

De kantede partiklene i figur 11.60 illustrerer ballastkontaktene som gir friksjon og innlåsing under sporet. Kornformen er ett bidrag. Profil, komprimering og forurensning påvirker fortsatt tilgjengelig motstand.

Figur 11.60 Kantet pukkballast under et skinnegående kjøretøy.

Figur 11.61 sammenligner historiske material- og graderingsforsøk, ikke én isolert virkning av kornstørrelse. Les materialbeskrivelsene sammen med kurvene. Sammenligningene erstatter ikke gjeldende ballastspesifikasjoner.

Figur 11.61 Historiske sammenligninger av ballastmateriale og gradering, tilskrevet ORE D117 RP8 (1976) [175]. De svenske, sveitsiske, tyske og franske tilfellene sammenligner avrundede og knuste materialer med ulik form og størrelse. De er ikke gjeldende tillatte ballastfraksjoner.

I figur 11.62 varieres skulderbredde og kronehøyde under de viste prøveforholdene. Samvirket forklarer hvorfor sidemotstanden ikke kan utledes fra skulderbredden alene.

Figur 11.62 Historisk virkning av skulderbredde c og kronehøyde h på relativ sideforskyvningsmotstand, tilskrevet ERRI (1995) [175]. Båndene sammenligner h=0 med h=10–15 cm under de illustrerte forholdene. De definerer verken et norsk ballastprofil eller et akseptansekriterium.

Den hevede skulderen i figur 11.63(a) og skulderen uten krone i 11.63(b) er forskjellige ved svilleendene, der ballasten gir sidefastholding. Sammenlign formforskjellen med prøvekurven foran uten å anta at fotografiene tallfester virkningen.

Figur 11.63 Sammenligning av ballastskuldre. (a) Forhøyet ballastskulder ved svilleendene. (b) Ballastskulder uten forhøyning. Sammenlign formen med det foregående fotografiet.

Figur 11.64(a) viser vanlige skuldre, 11.64(b) utvider ytterskulderen, og 11.64(c) kombinerer utvidelse med hevet krone. Rekkefølgen viser hvor ballastgeometrien endres. Gjeldende profil må fortsatt velges etter kravene som er oppgitt ovenfor.

Figur 11.64 De tre ballastprofilene som er illustrert i forelesningen. Originalmålene er beholdt, og utvidelse og ballastkrone er markert. Gjeldende profil velges etter Bane NOR TRV:03458 og tilhørende krav for banen. (a) Profil 1 i forelesningen: ordinære skuldre på begge sider. Målene er gjengitt fra undervisningstegningen. Gjeldende profilkrav fra Bane NOR styrer prosjekteringen. (b) Profil 2 i forelesningen: utvidet ytre ballastskulder. (c) Profil 3 i forelesningen: utvidede skuldre og forhøyet ballastkrone, markert med rødt.

For helsveist spor og laskede skinner lengre enn 30 m angir TRV:03458 disse radiusbåndene (m):

Profil	Tresviller	Betongsviller	BNF60/BNF60+
1	Rettlinje eller >500	Rettlinje eller >400	Rettlinje eller >400
2	499–400	399–300	399–300
3	399–300	299–250	299–190

Tabell 11.6 Valg av ballastprofil hos Bane NOR, med radiusbånd som trykt i TRV:03458.

Minsteradiene gjelder hovedspor og hovedtogspor. Bruk godkjente profiltegninger og krav [179] ved prosjektering. TRV:08262 foreskriver ballastfraksjon 31,5–63 mm i disse sporene, unntatt 22,4–50 mm på Ofotbanen.

Den publiserte tabellen bruker heltallsbånd, ikke en fullstendig matematisk inndeling. Eksakte grensetilfeller må avklares mot gjeldende godkjente krav og tegninger.

Den brede ytterskulderen i figur 11.65(a) står i kontrast til de eksponerte svilleendene i 11.65(b) og den begrensede understøttelsen ved skråningen i 11.65(c). Observasjonene retter inspeksjonen mot tilgjengelig ballastvolum og innspenning ved endene.

Figur 11.65 Ballastprofiler og sidestøtte i felt. (a) Bred og forhøyet ballastskulder på utsiden av en kurve. (b) Synlige svilleender og et ufullstendig ballastprofil illustrerer redusert sideveis fastholding. (c) Ballast ved en bratt skråning med begrenset sidestøtte ved skulderen.

Figur 11.66 samler skinnebøyning, befestigelsesrotasjon og ballastkontakt i én respons for sporpanelet. En endring av én komponent må derfor vurderes sammen med de andre fastholdingsmekanismene.

Figur 11.66 Sporrammens sidemotstand. Skinnebøyning, rotasjon i befestigelsen og kontaktflatene mellom sville og ballast virker sammen. Virkningen avhenger av skinneprofil, befestigelse, sviller samt ballastens kvalitet og profil.

Ved ballastforsøk må kornform og gradering, finstoff, vanninnhold og eventuell frost oppgis. Motstand målt i én tilstand kan ikke uten videre overføres til en annen, særlig etter tining eller forstyrrelse. Ballasttykkelse, skuldergeometri, fylte svillemellomrom og konsolideringsgrad inngår i den samme vurderingen.

11.4.5 Pakking, motstandskurver og konsolidering

Sideforskyvningsmotstanden beskrives av en sammenheng mellom kraft og forskyvning, ikke av én konstant. I forelesningens eksempel med konsolidert spor øker motstanden raskt til en topp ved en liten sideforskyvning. Deretter avtar den mot en lavere restmotstand når bevegelsen øker. Nylig pakket spor har en lavere og flatere respons fordi ballasten er forstyrret. Toppmotstanden ved liten forskyvning og motstanden etter stor forskyvning er derfor forskjellige inndata i en stabilitetsmodell.

Sammenlign målingene før pakking, rett etter pakking og senere i figur 11.67. De viser forstyrrelse og gjenoppbygging i ett panel, ikke en universelt tilstrekkelig ventetid før drift uten restriksjoner.

Figur 11.67 Målt sideforskyvningsmotstand for et 3,85 m langt sporavsnitt før pakking, like etter pakking og tre dager senere.

Figur 11.68 skiller den første motstandstoppen fra restmotstanden ved større forskyvning. Modellverdien må svare til den aktuelle forskyvningstilstanden. Forskyvningen i kurven er ikke en tillatt sporstillingsfeil.

Figur 11.68 Illustrerende motstandskurver. Toppverdien ved liten forskyvning og restverdien ved stor forskyvning beskriver forskjellige tilstander. De viste forskyvningene er ikke tillatte toleranser for sporbeliggenheten.

Kurvene i figur 11.69 knytter gjenoppbygging til akkumulert trafikk i de historiske eksemplene. Forløpet avhenger av ballastforstyrrelsen og belastningsforholdene. Trafikktonnasje alene er derfor ikke et universelt gjenåpningskriterium.

Figur 11.69 Gjenoppretting av sideforskyvningsmotstand ved akkumulert trafikk. Historiske kurver etter V. Profillidis (1987) [175], gjengitt i forelesningen.

Figur 11.70(a) viser vertikallast kombinert med horisontal vibrasjon, mens 11.70(b) viser prinsippet i stabiliseringsmaskinen. Prosessen skal etablere ballastkontakter kontrollert i stedet for bare å overlate dette til senere togpasseringer.

Figur 11.70 Dynamisk sporstabilisering: virkemåte og maskinen som vises i forelesningen. (a) Vertikal belastning og horisontal vibrasjon i en dynamisk sporstabilisator. (b) Dynamisk sporstabilisator vist i forelesningen.

Den markerte enheten i figur 11.71(a) vises nærmere i 11.71(b). Arbeidet ved svilleendene retter seg mot et annet kontaktområde enn pakkeverktøyene under skinnesetene.

Figur 11.71 Komprimering ved svilleendene. (a) Utstyr for komprimering ved svilleendene på en pakkmaskin. Sirkelen fra forelesningen markerer enheten. (b) Nærbilde av komprimeringsenheten ved svilleendene.

Figur 11.72 viser en annen stilling av svilleendekomprimatoren. Knytt verktøystillingen til ballasten ved svilleenden for å skille virkningen fra pakking under svillen.

Figur 11.72 Kantkomprimeringsutstyr i den andre stillingen som vises i forelesningen.

Figur 11.73 sammenligner forstyrrelsen ved forskjellige arbeidstyper. Prosentene forklarer hvorfor stabilitetstiltak etter arbeid må passe til operasjonen som er utført, men er ikke grenser for å frigi sporet.

Figur 11.73 Forelesningens sammenligning av gjenværende sideforskyvningsmotstand etter ulike sporarbeider. Prosentene er illustrerende sammenligninger, ikke grenseverdier for gjenåpning.

Ved sammenligning av målinger må det kontrolleres ved hvilken forskyvning motstanden ble avlest, og om resultatet gjelder én sville, én skinne eller en lengde av hele skinnestigen. Forsøkskraften dividert med lengden av det prøvde sporavsnittet gir en gjennomsnittlig motstand per meter, men bare for det aktuelle forsøksoppsettet. En toppverdi målt i konsolidert spor skal ikke brukes uendret for nylig pakket spor eller i en analyse som krever restmotstand.

Konsolidering ved trafikk endrer kurven gradvis etter vedlikehold. Forelesningens forsøk før og etter pakking og eksempler med trafikkert tonnasje viser mekanismen. Verken én fast ventetid eller én prosentvis gjenoppretting beskriver alle steder. Gjeldende krav til arbeid og stabilisering styrer fortsatt gjenåpning og hastighetsbegrensninger.

Etter pakking kan sideforskyvningsmotstanden være vesentlig lavere enn før arbeidet. Motstanden gjenopprettes når ballastkontaktene setter seg og kornene låses mot hverandre under belastning. Forelesningen skiller mellom tre mekanismer:

• Konsolidering ved trafikk gjenoppretter gradvis fastholdingen gjennom gjentatte toglaster.
• Komprimering ved svilleendene virker lokalt på ballasten ved siden av svilleendene.
• Dynamisk sporstabilisering påfører kontrollert belastning og vibrasjon gjennom skinnestigen etter pakking.

Bane NORs gjeldende vedlikeholdsregler bruker 100 000 bruttotonn (0,1 MBT) som konvensjon for full stabilisering. En dynamisk sporstabilisator (DSS; engelsk DTS) godskrives denne tilsvarende virkningen når den brukes etter hver pakking, mens en kantvibrator godskrives 25 000 bruttotonn. Dette er regelverkskonvensjoner. Den faktiske gjenopprettingen avhenger fortsatt av sporet og arbeidet som er utført. Maskinens oppbygning er vist i kapittel 5, figur 5.13.

Godskrevet stabilisering gir ikke generell tillatelse til ubegrenset hastighet. Kravene til ballastprofil, nøytralisering, geometri og begrensninger etter arbeid må også være oppfylt. DSS er for eksempel forbudt over ballastmatter, og bruk på bruer og andre konstruksjoner krever foreskrevet analyse godkjent av Bane NOR og en vurdering av konstruksjonens aktuelle tilstand. Se Bane NORs krav til vedlikeholdsarbeider i helsveist spor [6], blant annet TRV:05103, 05108 og 05111.

De målte kurvene i forelesningen gjelder en skinnestige på 3,85 m. De to vertikale skalaene uttrykker samme resultat: 40 kN fordelt over denne lengden tilsvarer omtrent 104 N/cm spor. Kurvene sammenligner tilstanden før pakking, like etter pakking og tre dager senere. Gjenoppbyggingen etter tre dager er en observasjon fra dette tilfellet, ikke en regel om ventetid. Trafikkurven som tilskrives V. Profillidis (1987) [175], skiller på tilsvarende måte mellom komprimering mellom svillene og gjenoppbygging uten slik behandling.

Forelesningen beskriver konsolidering på flere måter. Teksten stiller 100 000 bruttotonn sammen med et intervall på 1–2 millioner bruttotonn for fysisk gjenoppbygging. Et eget illustrerende søylediagram setter fullt konsolidert spor til 100 % og viser omtrent 50 % etter sporfornyelse, 50 % etter ballastrensing, 60 % etter pakking og 85 % etter pakking med DTS; den siste søylen på 100 % er merket 0,5–5 millioner bruttotonn. Dette er ulike sammenligninger med ufullstendig angitte betingelser. De erstatter ikke Bane NORs gjeldende stabiliseringskonvensjon, og søylen på 85 % må ikke forveksles med den separate relative forbedringen på 50–80 % som er oppgitt et annet sted. Fysisk gjenoppbygging og godskrevet stabilisering er ulike størrelser.

11.4.6 Bølgeslitasje og svilleskader

To skadeforløp viser hvordan observasjoner kan knyttes til disse mekanismene. Bølgeslitasje på skinnene øker vibrasjonene, som kan forstyrre ballastkontaktene. Sliping reduserer denne eksitasjonen, men ballasttilstanden må fortsatt vurderes. Sprukne betongsviller, blant annet sviller med skader knyttet til alkalireaksjoner, kan svekke understøttelsen og befestigelsens funksjon. Utskifting av skadde sviller utbedrer dermed en annen svakhet. Ingen av tiltakene gjenoppretter i seg selv en feil spenningsfri temperatur.

Figur 11.74(a) plasserer bølgedannelsen i sporet, og 11.74(b) viser detaljen i skinneoverflaten. Den periodiske eksitasjonen kan gi vibrasjon og knytter dermed kjøreflatens tilstand til forstyrrelse av ballastkontaktene.

Figur 11.74 Eksempler på bølgeslitasje fra forelesningen. (a) Bølgeslitt skinne i spor. Forelesningen knytter vibrasjonene til forstyrrelse av kontaktene mellom ballastkornene. (b) Detalj av bølgeslitasje på skinnens løpeflate.

De sprukne svillene i figur 11.75(a) gir grunnlag for tilstandsvurdering; håndteringen i 11.75(b) viser at utskifting også forstyrrer sporets understøttelse. Fotografiet alene fastslår ikke en diagnose om alkalireaksjon.

Figur 11.75 Svilleskader og utskifting. (a) Sprukne betongsviller. Forelesningen bruker bildet til å drøfte nedbrytning knyttet til alkalireaksjoner. Et fotografi alene fastslår ikke den kjemiske årsaken. (b) Maskinell håndtering av en betongsville ved utskifting.

11.4.7 Dynamisk avlastning

En kritisk, men ofte undervurdert faktor er dynamisk avlastning: den vertikale avlastningen av sporet som oppstår foran og bak en aksel på grunn av bølgen av elastisk nedbøyning. Figur 11.77 knytter denne akselinduserte vertikalbevegelsen til den midlertidige reduksjonen i dynamisk sideforskyvningsmotstand.

Figur 11.76 sammenligner økt lokal belastning under en aksel med avlastning i løftebølgen ved siden av. Sidemotstanden under et passerende kjøretøy er derfor ikke nødvendigvis lik den ubelastede statiske motstanden overalt i panelet.

Figur 11.76 Aksellast øker motstanden lokalt, mens løftebølgen avlaster tilstøtende spor.

Figur 11.77 Dynamisk avlastning og redusert sideforskyvningsmotstand.

I den forenklede modellen til Kish og medarbeidere knyttes motstanden under vertikal belastning til svillens statiske motstand [122]:

\[ F_D = F_S + \mu V \]

(11.7)

Her er \(F_D\) den belastede svillens sideforskyvningsmotstand, \(F_S\) dens statiske motstand før et passerende kjøretøy tilfører eller fjerner vertikallast, og \(\mu\) en tilsynelatende friksjonskoeffisient mellom sville og ballast. Tilleggsreaksjonen \(V\) er positiv ved økt vertikallast og negativ ved avlastning. Det statiske bidraget omfatter allerede egenvekten, som derfor ikke skal legges til på nytt gjennom \(V\). Alle kraftstørrelsene gjelder samme sville. Den lineære tilnærmingen begrenses av tap av ballastkontakt og kan ikke videreføres til strekkrefter i kontakten. Avlastning kan redusere motstanden betydelig, slik forelesningens eksempel med 1 mm løft illustrerer.

Avlastningsmønsteret avhenger av boggiavstand, akselavstand, aksellast og sporets vertikale stivhet. Skinnen kan presses ned under én aksel samtidig som nærliggende sviller avlastes delvis. Et tungt tog øker derfor ikke sideforskyvningsmotstanden jevnt langs hele toget. En eksisterende retningsfeil kan vokse der avlastning og sidekrefter opptrer samtidig. Forelesningen bruker dette samvirket til å forklare hvorfor toghastigheten og tilstanden etter vedlikehold har betydning, også når en statisk kontroll av radial likevekt ser tilfredsstillende ut.

Figur 11.78 plasserer belastnings- og avlastningssonene i forhold til aksel- og boggiavstand. Den skiller kjøretøygeometrien fra sporets vertikalstivhet, som begge påvirker løftemønsteret.

Figur 11.78 Boggiavstand, akselavstand, aksellast og sporets vertikale stivhet påvirker hvor sporet belastes og avlastes. Deformasjonen er skjematisk. Her er V aksellast; dette er en annen størrelse enn det ekstra svillereaksjonsbidraget V i motstandsligningen.

Den separate kurven som tilskrives DB Netz, Michael Missler, angir sideforskyvningsmotstand ved 2 mm sideforskyvning. De viste verdiene faller fra 12,4 N/mm uten løft til 7,5 N/mm ved 1 mm løft, 4,3 N/mm ved 3 mm og 3,8 N/mm ved 5 mm. Punktet ved 1 mm beholder omtrent 60 % av startverdien, noe som forklarer forelesningens avrundede reduksjon på 40 %. Forsøksbetingelsene er ikke fullstendig oppgitt, så kurven er et eksempel og ikke en universell sammenheng. Togets hastighet, lengde og gjentatte belastninger påvirker den dynamiske eksitasjonen i tillegg til den øyeblikkelige avlastningen; dette kan ikke erstattes av én statisk motstandsfaktor.

Figur 11.79 viser hvor følsom den illustrerte sidemotstanden er for et lite løft. Reduksjonen gjelder dette eksemplet og den valgte måleforskyvningen. Den må ikke brukes som en universell korreksjon for et annet spor.

Figur 11.79 Motstand ved 2 mm sideforskyvning som funksjon av løft i eksemplet tilskrevet DB Netz, Michael Missler. Ved 1 mm løft er den avleste verdien omtrent 60 % av startverdien; dette er ett eksempel, ikke en universell lov.

11.4.8 Oversikt over forhold som påvirker motstanden

Vedlikeholdsarbeid kan midlertidig redusere sville–ballast-bidraget til LTR, mens konsolidering og stabilisering gradvis gjenoppretter motstanden. Tabell 11.7 gjengir forelesningens illustrerende påvirkningsverdier. Tolkningen avhenger av sporklasse, ballasttilstand, svilletype og målemetode. Bane NORs veiledning om sidemotstand og faglitteraturen drøfter de tilhørende mekanismene [18, 129].

Tallverdiene er hentet fra forelesningens sammenstilling [175]. Prosentene gjelder forskjellige sammenligninger og forsøksbetingelser. De skal ikke summeres eller brukes som universelle korreksjonsfaktorer.

Faktor	Virkning på LTR	Kommentar
Skinnens bøyestivhet \(I_y\)	\(-5\) til \(+4\) %	Vanligvis underordnet ballast og sviller
Befestigelsens vridningsmotstand	\(+10\) til \(+20\) %	Avhenger av klemmens tilstand og friksjonen mellom skinne og mellomlegg
Svillemateriale: betong mot tre	\(+60\) %	Dominerende faktor
Redusert svilleavstand	\(+5\) til \(+10\) %	Større sville–ballast-kontakt per meter
Pakking	Reduksjonen avhenger av forholdene	Se målte kurver før og etter pakking
Ballastrensing	\(-70\) %	Fjerning av finstoff
Sporjustering / forstyrrelse av ballast	\(-50\) til \(-60\) %	Særlig kritisk i varmt vær
Ballastkomprimering	\(+10\) til \(+20\) %	Illustrerende intervall fra forelesningen; metode og tilstand har betydning
Dynamisk sporstabilisator (DSS)	\(+50\) til \(+80\) %	Anslag fra forelesningen; sammenligningsgrunnlaget er ikke angitt
Svilleankre mot sideforskyvning	\(+30\) til \(+40\) %	Ekstra fastholding mellom sville og ballast, ikke befestigelsesklemmer
Knust mot avrundet ballast	\(+30\) %	Låsevirkning mellom kornene
Redusert ballastskulder	\(-10\) til \(-50\) %	Geometriavhengig
Utilstrekkelig ballast i svillemellomrommene	Reduksjon på opptil 50 %	Redusert fastholding ved svillesidene
Dynamisk avlastning (passerende aksel)	\(-30\) %	Forbigående avlastning

Tabell 11.7 Utvalgte forhold som påvirker sporets sideforskyvningsmotstand (LTR).

Forelesningen oppgir også splint- eller flisformede ballastkorn med en foreløpig virkning på «−10 %?». Spørsmålstegnet er viktig: Forsøksgrunnlag og sammenligningstilstand er ikke oppgitt. Kornformen må vurderes når låsevirkningen undersøkes, men denne foreløpige verdien er ikke en dimensjonerende reduksjonsfaktor.

Parameterkartet til Michael Kohler sammenfatter de viktigste påvirkningene. Det grupperer vurderingen i følgende samvirkende deler:

• Ballast: bergart, kornfordeling, flisighet og kornform; ballasttykkelse; skulderbredde, forhøyning og helning; fylling mellom svillene; og komprimering påvirket av trafikk, vedlikehold, tredjepartsarbeid og lokal forstyrrelse ved bruender. Mellomlegg under svillene og ballastmatter er også endringer i understøttelsen som må vurderes.
• Sviller: vekt, tverrsnitt, skråflater og innsnevret form, svilleankre og avstand; undersidekontakt og statiske og dynamiske egenskaper i svillemellomlegg; friksjon langs langsidene og passiv motstand ved endene.
• Befestigelser: rotasjonsstivhet, lengdeforskyvningsmotstand og klemkraft.
• Skinner: tverrsnittsareal, varmeutvidelseskoeffisient og andre arealmoment for sidebøyning; tilsiktet temperatur, temperatur ved legging og faktisk spenningsfri temperatur; samt termiske egenskaper, inkludert absorpsjon og varmeledning.
• Geometri og eksponering: kurveradius, stigning eller fall, bølgeslitasje, skinnevandring ved trekkraft eller bremsing, ujevnheter i side og høyde, overhøydefeil, geografisk orientering og skygge.
• Bruer: vibrasjon; rotasjon og vertikal eller langsgående bevegelse ved dekkendene; og tilleggskrefter knyttet til dekktemperatur, trekkraft, bremsing, trafikk og vedlikehold.

Forbindelseslinjene viser at delene virker sammen. Kartet gir en ramme for undersøkelsen, ikke en liste med uavhengige numeriske fradrag.

Følg grenene i figur 11.80 fra skinnekraft og geometri til understøttelseskomponentene og tilstanden deres. Kartet er nyttig som sjekkliste ved undersøkelse fordi påvirkningene virker sammen, ikke som uavhengige korreksjonsfaktorer.

Figur 11.80 Detaljert parameterkart for sporets sidestabilitet. Originaldiagram: Michael Kohler, BAU, Sveits. Grenene viser samvirkende påvirkninger, ikke uavhengige numeriske korreksjonsfaktorer.

11.4.9 Nødvendig motstand i en kurve

Figur 11.81 knytter aksialkraft i kurvet spor til radialbelastning. Kraft og motstand må gjelde samme grunnlag, enten én skinne eller hele sporet. Blanding av grunnlagene gir en faktor-to-feil.

Figur 11.81 Radial likevekt for et krumt sporavsnitt. P og q må gjelde samme skinne eller skinnestige; kapitlet bruker samlet kraft i begge skinner og samlet spormotstand per lengdeenhet. I originalskissen betegner α en geometrisk vinkel, ikke varmeutvidelseskoeffisienten.

Sammenhengen \(q=P/R\) uttrykker den sideforskyvningsmotstanden per sporlengdeenhet som trengs for å balansere en trykkraft i skinnene i en kurve med radius \(R\). Dette er en likevektskontroll for krumme skinner, ikke et fullstendig kriterium mot solslyng. Stabiliteten avhenger også av retningsfeil, bøyestivhet, fastholding og randbetingelser, som drøftet i avsnitt 11.5.

\[ q_\mathrm{tot} = \frac{P_\mathrm{tot}}{R} \]

(11.8)

Betrakt et kort, krumt avsnitt av skinnestigen med halvvinkel \(\theta\). De radielle komponentene av de to endekreftene summeres til \(2P_\mathrm{tot}\sin\theta\). Resultanten av en jevnt fordelt radiell motstand langs samme bue er \(2q_\mathrm{tot}R\sin\theta\). Likevekt gir \(q_\mathrm{tot}=P_\mathrm{tot}/R\). Utledningen forutsetter en gitt kurvegeometri. Den undersøker ikke om en skinnestige med geometriske avvik vil forbli stabil etter en forstyrrelse.

Her er \(P_\mathrm{tot}\) den samlede trykkraften i de to skinnene, og \(q_\mathrm{tot}\) er skinnestigens samlede sideforskyvningsmotstand per meter. Hvis motstanden per skinne brukes i stedet, skal \(P_\mathrm{rail}\) og \(q_\mathrm{rail}\) brukes på begge sider av den samme kontrollen. Det fysiske resultatet er det samme, men en sammenblanding av samlet kraft og motstand per skinne gir en feil med faktor to. Formelen viser at de krappeste kurvene krever størst LTR [68, 164]. Gjeldende ballastprofil, svilletype og svilleavstand avhenger derfor av kurveradius og sporkategori. Friksjonssviller er ett angitt alternativ og kreves ikke i alle kurver. Avvik fra obligatoriske minste kurveradier krever godkjent dispensasjon etter TRV:00188, ikke bare ekstra fysiske tiltak.

Regneeksempel.

Anta en kurve med \(R=400\) m og en samlet trykkraft i begge skinner på \(P_\mathrm{tot}=720\) kN. Den nødvendige samlede sideforskyvningsmotstanden er

\[ q_\mathrm{tot,req}=\frac{P_\mathrm{tot}}{R} = \frac{720\,\mathrm{kN}}{400\,\mathrm{m}} = 1{,}8\,\mathrm{kN/m}. \]

Hvis samlet LTR før pakking er 10 kN/m og pakkingen reduserer den til 45 %, er den tilgjengelige samlede motstanden \(0{,}45\times10=4{,}5\) kN/m. Siden \(4{,}5>1{,}8\) kN/m, er den enkle likevektskontrollen oppfylt. Hastighetsbegrensninger kan likevel være nødvendige fordi dynamisk avlastning, retningsfeil og nylig forstyrret ballast ikke inngår i kontrollen.

Forelesningen utleder også den radiale likevekten ved å løse opp kreftene langs en fast akse. For å unngå å forveksle den geometriske vinkelen med varmeutvidelseskoeffisienten betegnes sektorvinkelen her med \(\theta\). Med buekoordinaten \(s=R\varphi\) er \(ds=R\,d\varphi\), og komponenten av jevnt fordelt radial motstand blir

\[ Q_x=\int_0^{R\theta} q_\mathrm{tot}\cos(s/R)\,ds =q_\mathrm{tot}R\int_0^\theta\cos\varphi\,d\varphi =q_\mathrm{tot}R\sin\theta. \]

Endekraftens komponent er \(P_\mathrm{tot}\sin\theta\), som gir det samme resultatet \(q_\mathrm{tot}=P_\mathrm{tot}/R\). Dersom en projisert koordinat \(S=R\sin\varphi\) brukes i stedet, er \(dS=R\cos\varphi\,d\varphi\). Buelengde og projisert lengde må holdes fra hverandre; forelesningen bruker svært like symboler for dem.

11.5 Solslyng

Helsveist spor kan knekke ut sideveis ved stor trykkraft. Definisjonen nedenfor klassifiserer en solslynghendelse; grensene som krever tiltak, kan være strengere.

11.5.1 Konsekvenser og måling i felt

Solslyng er særlig farlig fordi:

• Det medfører stor avsporingsrisiko

• Det er svært vanskelig å forutsi fordi kontinuerlig og direkte måling av skinnekraften i drift normalt ikke er tilgjengelig

• Et passerende tog kan utløse solslyngen

Solslyng er ifølge Bane NOR en sideforskyvning av sporet på mer enn 25 mm når den måles med en korde på 10 m; årsaken er langsgående trykkrefter i skinnene [50]. Dette er en definisjon av skadetilfellet, ikke en tillatt grense for retningsfeil. TRV:05051 angir klasseavhengige umiddelbargrenser i D1 på 10–22 mm. Feil kan derfor kreve tiltak før grensen i solslyngdefinisjonen er nådd.

I en kurve sammenlignes den målte pilhøyden med den etablerte sporbeliggenheten. Den ordinære pilhøyden som skyldes selve kurven, er ikke en solslyngforskyvning. Forelesningens måleeksempel gjelder det ekstra sideavviket, ikke hele avstanden fra korden. Figur 11.84 viser måleprinsippet i felt for å påvise sidebuen over den 10 m lange korden.

Det deformerte sporet i figur 11.82(a) viser geometrifaren, mens 11.82(b) illustrerer hvor alvorlig en avsporing kan være. Det andre fotografiet dokumenterer ikke at solslyng var årsaken til akkurat denne ulykken.

Figur 11.82 Spordeformasjon og et avsporingsfoto brukt til å drøfte mulige følger. Fotografiene fastslår ikke en ulykkesårsak. (a) Spordeformasjon brukt i forelesningen for å illustrere faren for solslyng. (b) Avsporingsfoto brukt i forelesningen for å illustrere mulige følger av tapt sporestabilitet. Fotografiet alene fastslår ikke årsaken.

Figur 11.83 definerer den ekstra sideforskyvningen mot en 10 m korde. Korden gir en repeterbar målereferanse. Definisjonen gir ikke tillatelse til å la en mindre deformasjon bli liggende i drift.

Figur 11.83 Forelesningen markerer 10 m-korden og ekstra sideforskyvning som brukes i definisjonen av solslyng. Definisjonen er ikke en tillatt grense for sporgeometrien.

Figur 11.84 Måling av sidebuen ved solslyng i felt.

Nærbildet i figur 11.85 viser kordemåling under undersøkelse. Referanselengden og målestedet må registreres sammen med forskyvningen slik at observasjonene kan sammenlignes på samme grunnlag.

Figur 11.85 Nærbilde av kordemåling ved undersøkelse av en sideveis spordeformasjon.

11.5.2 Årsaker og retningsfeil

Forhold som reduserer LTR eller øker trykkreftene:

• For liten ballastprofil (smale skuldre, utilstrekkelig fylling mellom svillene)

• Forurenset ballast (redusert indre friksjon)

• Sporvedlikehold (pakking, ballastrensing), kritisk i varmt vær

• Dynamisk avlastning fra passerende tog, som kan redusere LTR betydelig; se det målte eksemplet i avsnitt 11.4.7

• Vibrasjoner fra tog som løsner ballasten (bølgeslitasje på skinnene)

• Feil i sporgeometrien (retningsfeil, setningsbetingede feil)

• Løse eller slitte befestigelser, sprukne betongsviller

• Sideforskyvning ved pakking ved lave temperaturer

• Skinnevandring som endrer den spenningsfrie temperaturen

• Utilstrekkelig nøytralisering av sporet

Formen på en retningsfeil har betydning i tillegg til det største utslaget. Feilens amplitude og bølgelengde bestemmer den lokale krumningen og bøyningen som kreves for å deformere skinnestigen. Brå endringer i fastholdingen, for eksempel ved en sporveksel eller overgangen mellom betong- og tresviller, kan konsentrere bevegelse og kraft. En liten, isolert måleverdi bør derfor vurderes sammen med geometrien og sporkonstruksjonen omkring.

Den lille skulderen i figur 11.86(a) og den smale formasjonsbredden i 11.86(b) begrenser tilgjengelig ballast ved svilleendene. Dette er forskjellige inspeksjonsobservasjoner som begge kan begrense sideunderstøttelsen.

Figur 11.86 Liten ballastskulder og smalt formasjonsplan i forelesningens felteksempler. (a) Liten ballastskulder ved svilleendene. (b) Smalt formasjonsplan i en kurve begrenser plassen til ballastprofilet.

Sammenlign avsetningene i figur 11.87(a) og ved svillene i 11.87(b) med de lokale flekkene i 11.87(c) og avsetningene i svillemellomrommene i 11.87(d). Fordelingen hjelper med å målrette undersøkelse av vann og finstofftransport, men utseendet alene identifiserer ikke materialkilden eller dreneringsfeilen.

Figur 11.87 Eksempler på forurenset ballast og pumpesviller. Undersøk vann, finstofftransport og understøttelse før årsaken bestemmes. (a) Spor med lokale lyse avsetninger, omtalt i forelesningen som forurenset ballast eller pumpesviller. (b) Avsetninger av finstoff ved betongsviller. Årsak og dreneringstilstand må undersøkes. (c) Lokale avsetninger langs sporet illustrerer forelesningens observasjon av hvite felt. (d) Avsetninger i svillemellomrommene i et eksempel på forurenset ballast.

Sporstillingsvariasjonene i figur 11.88(a) og 11.88(b) ligger ved endringene i fastholding som eksemplene beskriver. Slike overganger krever måling av geometri og lengdebevegelse fremfor en antakelse om konstant skinnekraft.

Figur 11.88 Forelesningens eksempler på variasjon i sidebeliggenheten ved endret fastholding. (a) Variasjon i sidebeliggenheten ved endrede sporforhold, presentert i forelesningen som et eksempel ved et fastpunkt. (b) Et annet felteksempel på variasjon i sidebeliggenheten ved endret fastholding.

Figur 11.89 skiller feilamplitude fra bølgelengde. To feil med samme største utslag kan ha ulik form og forskjellig betydning for stabiliteten. Ett maksimalt sideutslag er derfor ikke en fullstendig geometribeskrivelse.

Figur 11.89 Amplitude og bølgelengde beskriver forskjellige egenskaper ved en retningsfeil. Begge påvirker formen på en mulig solslyngdeformasjon.

Felteksemplene tilfører flere kontrollpunkter. Et smalt formasjonsplan kan hindre tilstrekkelig ballastskulder selv om selve ballasten er god. Lyse avsetninger ved pumpesviller viser transport av finstoff og krever undersøkelse av vann, understøttelse og drenering; fargen alene bestemmer ikke mekanismen. Dårlig drenering og setninger kan gi geometrifeil. Planoverganger, bruer og sporveksler er eksempler på endret fastholding der sidebeliggenhet og kraftfordeling krever særlig oppmerksomhet.

Forelesningens uttrykk «tension peaks» betyr her lokale topper i aksialkraft eller spenning; solslyng om sommeren er knyttet til trykk. Eksemplene omfatter svake eller råtne tresviller, slitte befestigelser, overganger mellom svilletyper, mangelfulle referanser for sporbeliggenhet og små ekspansjonsåpninger i tilstøtende skjøtespor. Dersom en skjøteåpning lukkes ved oppvarming, endres kraftoverføringen. Sidebevegelse under pakking kan ha betydning både ved lav og høy skinnetemperatur. Lange betongbruer er et annet samvirketilfelle, men forelesningens omtrentlige lengdeangivelse på 50–100 m er verken en universell terskel for tilleggskraft eller en regel om glideskjøter.

Figur 11.90(a) kombinerer en sporveksel med overgang mellom svilletyper; 11.90(b) illustrerer skinnevandringseksemplet. Bruk de synlige overgangene til å formulere spørsmål om fastholding og bevegelse, ikke til å beregne aksialkraft fra bildene.

Figur 11.90 Eksempler ved sporveksel, svilleovergang og skinnevandring brukt til å drøfte lokale kraftkonsentrasjoner. (a) Deformert spor ved en sporveksel og overgang mellom betong- og tresviller. Fotografiet gir grunnlag for undersøkelse, ikke en entydig årsaksforklaring. (b) Forelesningens eksempel på solslyng knyttet til skinnevandring. Den synlige geometrien alene tallfester ikke skinnekraften.

11.5.3 Kritisk skinnetemperatur

Meier-modellen anslår en kritisk temperaturøkning ved idealisert sporgeometri og sidemotstand. Uttrykket for kurvespor nedenfor er gitt i Bane NORs undervisningsmateriale, ligning 6.7 [18]. Det er en modell for å studere stabilitet, ikke en tillatt drifts- eller arbeidstemperatur. Sporets ekvivalente andre arealmoment må representere den aktuelle skinnestigen og befestigelsene; å doble skinnens andre arealmoment for sidebøyning er en uttrykkelig forenkling, ikke en generell kalibreringsregel.

Modellen gir en temperaturøkning over den faktiske spenningsfrie tilstanden. Den tilsvarende absolutte skinnetemperaturen er \(T_\mathrm{cr}=T_{sf}+\Delta t_\mathrm{cr}\). En beregnet økning på \(40\,\mathrm{K}\) og en absolutt skinnetemperatur på \(40\,^\circ\mathrm{C}\) er derfor forskjellige størrelser.

De to forelesningsskissene bygger på forskjellige forutsatte deformasjonsformer. Skissen for rett spor har sideutslag i motsatte retninger over en lengde delt i tredeler; kurveskissen har en utoverrettet bue. Dette er separate tilnærminger: Med korreksjonsfaktorer lik én gir grensen når kurveradius går mot uendelig, en koeffisient på 16 under kvadratroten i kurveuttrykket, mens uttrykket for rett spor bruker 8,7. Uttrykkene går derfor ikke over i én felles formel i denne grensen. De forskjellige forutsetningene må beholdes ved tolkning av resultatene.

Figur 11.91 definerer den antatte deformasjonsformen for rettlinjet spor i Meier-tilnærmingen. Geometriforutsetningene inngår i modellen og må kontrolleres før et resultat overføres til en observert feil i felt.

Figur 11.91 Forutsatt deformasjonsform i forelesningens Meier-tilnærming for rett spor.

For rett spor:

\[ \Delta t_\mathrm{cr} = \sqrt{\frac{8{,}7 J w}{(\alpha F)^2 E f^*}} \]

(11.9)

Finn radius, deformasjonslengde og amplitude i figur 11.92 før uttrykket for kurvet spor brukes. Den antatte utoverrettede formen skiller seg fra rettlinjemodellen og må ikke reduseres til amplituden alene.

Figur 11.92 Forutsatt utoverrettet deformasjon av spor i kurve, med radius R, deformasjonslengde L og amplitude f*.

For spor i kurve:

\[ \Delta t_\mathrm{cr} = \left(-\frac{8J}{\alpha F R f^*} + \sqrt{\left(\frac{8J}{\alpha F R f^*}\right)^2 + \frac{16Jw}{(\alpha F)^2 E f^*}}\right) k_1 k_2 \]

(11.10)

Forelesningen bruker størrelser for hele sporet: \(F=2A\) er samlet tverrsnittsareal av begge skinner, \(J\) er skinnestigens ekvivalente andre arealmoment for sidebøyning, og \(w\) er samlet sideforskyvningsmotstand fra ballasten per lengdeenhet spor [\(\mathrm{N\,cm^{-1}}\)]. I disse undervisningsberegningene er \(f^*\) en forutsatt sideavviksamplitude, illustrert som 1,5–2,5 cm i forelesningen; \(k_1\) tar hensyn til ballastkonsolidering og \(k_2\) til dynamisk avlastning, begge illustrert i området 0,5–1,0. Dette er modellforutsetninger, ikke grenseverdier for godkjenning. Bruk positive \(F,J,E,\alpha,w,f^*\) og, for spor i kurve, \(R\), med konsekvente enheter i centimeter og newton. Modellamplitude \(f^*=0\) eller null radius ligger utenfor uttrykkenes gyldighetsområde. \(J\) gjelder sidebøyning; bruk av det langt større andre arealmomentet for vertikal bøyning ville overvurdere den kritiske temperaturen. En reduksjon skal ikke legges inn på nytt gjennom \(k_1\) eller \(k_2\) dersom den samme virkningen allerede er tatt med i \(w\). Figur 11.93 illustrerer virkningen av radius og retningsfeil for et annet parametersett.

Forelesningens notasjon er ikke entydig: Skissen for rett spor betegner \(f^*\) som et kritisk sporavvik, mens parameterlysbildet omtaler \(f\) som en innledende eller anslått retningsfeil. Disse begrepene er generelt ikke utbyttbare. Her bruker eksemplene \(f^*\) som den oppgitte inngangsverdien til den tilnærmede modellen; den er verken en målt feil utledet fra figuren eller et tillatt geometriavvik. Den opprinnelige modellutledningen må undersøkes for å avklare kildens terminologi fullt ut.

Regneeksempel.

For et illustrerende spor med eldre UIC60-geometri i en kurve med radius 500 m, med \(q_\mathrm{rail}=6\) kN/m per skinne og \(f^*=2{,}0\) cm, brukes centimeter og newton i Ligning 11.10 [133, 59]. Følgende inndata for hele sporet forutsettes, inkludert et effektivt andre arealmoment valgt for dette eksemplet:

\[ \begin{aligned} F &= 153{,}7\,\mathrm{cm}^2,\\ J &= 1025{,}8\,\mathrm{cm}^4,\\ w &= 120\,\mathrm{N\,cm^{-1}},\\ R &= 50\,000\,\mathrm{cm}. \end{aligned} \]

Med \(E=2{,}10\times10^7\,\mathrm{N/cm^2}\), \(\alpha=1{,}15\times10^{-5}\,\mathrm{K^{-1}}\) og \(k_1=k_2=1\) gir innsetting \(\Delta t_\mathrm{cr}\approx84{,}6\,^\circ\mathrm{C}\). Hvis skinnetemperaturen er \(20\,^\circ\mathrm{C}\) over den spenningsfrie temperaturen, viser den forenklede beregningen en margin fordi \(20\,^\circ\mathrm{C}<84{,}6\,^\circ\mathrm{C}\). Dette er likevel bare en innledende kontrollberegning.

Figur 11.93 Kritisk temperaturøkning etter Meier–Chatkeo-metoden for forelesningens separate 49E1-eksempel: betongsviller med 650 mm avstand, 400 mm ballastskulder og konsoliderings- og avlastningsfaktorer på 0,7 hver. Diagrammet illustrerer tendenser; forelesningen oppgir ikke alle numeriske inndata. Dette er andre inndata enn i regneeksemplet med UIC60 [133, 59].

Forelesningen viser også følgende separate eksempel med spenningsfri temperatur 19 °C. Fullstendige inndata for motstand, treghetsmoment og korreksjonsfaktorer er ikke oppgitt, så verdiene kan ikke gjenskapes entydig fra lysbildet. De beholdes som kildeeksempler på virkningen av radius, svilletype og vedlikehold, ikke som tillatte temperaturer for arbeid eller drift. Den etterfølgende følsomhetsberegningen bruker egne, fullstendig oppgitte inndata.

Svilletype	Tilstand	\(R=250\) m [°C]	\(R=500\) m [°C]
Tre	Konsolidert	70	89
Tre	Etter pakking	53	68
Tre	Etter ballastrensing	38	49
Betong	Konsolidert	97	120
Betong	Etter pakking	72	91
Betong	Etter ballastrensing	49	64

Tabell 11.8 Forelesningens opprinnelige eksempel på absolutte kritiske skinnetemperaturer.

Tabell 11.9 er et etterprøvbart følsomhetseksempel. Begge forutsatte sporsystemer bruker \(F=153{,}7\) cm\(^2\), effektivt \(J=1025{,}8\) cm\(^4\), \(E=2{,}10\times10^7\) N/cm\(^2\), \(\alpha=1{,}15\times10^{-5}\) K\(^{-1}\), \(f^*=2{,}0\) cm, \(k_1=k_2=1\) og \(T_{sf}=19\,^\circ\)C. System A starter med \(q_\mathrm{tot}=6\) kN/m; system B med \(12\) kN/m. De forstyrrede tilfellene forutsetter reduksjoner på 50 % og 70 %, ført direkte inn i \(w\) uten en ekstra konsolideringsfaktor. Bruk \(w=10q_\mathrm{tot}\) N/cm og \(R\) i cm i ligning 11.10, og legg deretter til \(T_{sf}\). De forutsatte systemene bestemmer ikke motstanden til et svillemateriale og dokumenterer ikke sporets sikkerhet.

System og tilstand	Samlet sidemotstand [kN/m]	Modelltemperatur, \(R=250\) m [\(^\circ\)C]	Modelltemperatur, \(R=500\) m [\(^\circ\)C]
A, utgangspunkt	6	53,1	70,9
A, 50 % reduksjon	3	37,4	49,4
A, 70 % reduksjon	1,8	30,4	39,0
B, utgangspunkt	12	79,9	103,6
B, 50 % reduksjon	6	53,1	70,9
B, 70 % reduksjon	3,6	40,7	54,2

Tabell 11.9 Beregnede absolutte modelltemperaturer med oppgitte forutsetninger. Verdiene er ikke drifts- eller vedlikeholdsgrenser.

Faktiske arbeidsbegrensninger følger Bane NORs vedlikeholdsregler [6]. TRV:05016 skiller mellom temperaturintervaller for pakking og baksing etter radius og muligheten for å kontrollere sidebeliggenheten. TRV:05017 begrenser normalt andre arbeider som svekker stabiliteten, til skinnetemperatur fra 0 til +30 °C, med de angitte unntakene. Etter pakking og baksing i kurver med \(R<400\) m og forskriftsmessig ballastprofil krever TRV:05100 høyst 40 km/h når skinnetemperaturen er eller ventes å bli over +30 °C, til 50 000 bruttotonn har passert. Ved mangelfullt ballastprofil gjelder begrensningen uavhengig av temperatur etter TRV:05101. TRV:05102 angir unntaket ved bruk av dynamisk sporstabilisator; de særskilte kravene til bruk av maskinen gjelder fortsatt. Disse utvalgte eksemplene gjengir ikke alle kravene til gjenåpning: TRV:05098 knytter også hastigheten til svilletype, skinnetemperatur og akkumulert bruttotonnasje. TRV:05099 begrenser hastigheten i ikke-nøytralisert spor til høyst 40 km/h. Etter TRV:05096 skal aktuell hastighetsreduksjon gjelde arbeidsavsnittet og 50 m til hver side. Ordinær pakking ved \(R=350\) m er begrenset til +10 til +30 °C. Med utfesting som gjør sideforskyvning kontrollerbar, kan nedre grense være +5 °C. TRV:05016 har et særskilt unntak for baksing ved oppstått solslyng eller feil utover umiddelbargrensen.

11.5.4 Vurdering av risiko for solslyng

Forelesningen grupperer de medvirkende mekanismene i økt belastning og redusert motstand. Temperatur, bremsing og samvirke med bruer eller sporveksler kan øke eller omfordele skinnekraften. Krappe kurver og retningsfeil øker behovet for sidestøtte. Svake komponenter, mangelfullt ballastprofil og nylig utført vedlikehold reduserer evnen til å motstå belastningen.

Figur 11.94 Forelesningens forenklede oversikt over forhold som påvirker solslyng. Forgreningene organiserer årsakene. De utgjør ikke et kvantifisert feiltre eller uavhengige sannsynligheter.

En praktisk gjennomgang stiller tre sammenhengende spørsmål:

1. Hva endret kraften? Kartlegg skinnetemperaturen, sannsynlig spenningsfri tilstand, nylig baksing eller sveising og nærliggende kilder til langsgående fastholding.
2. Hva reduserte motstanden? Undersøk ballastskuldre og svillemellomrom, vedlikeholdshistorikk, befestigelsenes tilstand, sviller og tegn til dårlig drenering eller forurenset ballast.
3. Hvor kan en feil vokse? Undersøk retningsfeil, krappe kurver, overganger og mulig påvirkning fra et passerende tog.

Et fotografi alene kan ikke fastslå årsaken. Observasjonene må sammenholdes med målinger og vedlikeholdsdokumentasjon før tiltak velges.

Bruk figur 11.95 som en diagnostisk øvelse: Beskriv den synlige deformasjonen, og finn deretter hvilke opplysninger om temperatur, kraft, ballast og arbeidshistorikk som trengs for å prøve mulige årsaker. Kjøretøyet ved siden av gir kontekst, ikke bevis for utløsende mekanisme.

Figur 11.95 Forelesningens avsluttende undersøkelseseksempel: synlig spordeformasjon nær et kjøretøy. Kartlegg temperatur, krafttilstand, ballast og arbeidshistorikk før årsaken fastslås.

Følg de rettede skinneendene i figur 11.96(a), oppvarmingen i 11.96(b) og den ferdige skjøten i 11.96(c) som en byggesekvens. At den synlige sekvensen er fullført, erstatter ikke nødvendig sveisekontroll og godkjenning.

Figur 11.96 Innretting av skinner, oppvarming og den ferdige skjøten i forelesningens avsluttende sveisebilder. (a) Skinneender rettet inn før sluttsveising. (b) Oppvarming under sveising i spor. (c) Den ferdige skinneskjøten som er vist i forelesningen. Utseendet alene dokumenterer ikke at sveisen oppfyller kravene.

11.6 Oppsummering

Temperaturkraft. Ved å fjerne de fleste skinneskjøtene reduserer helsveist spor slagbelastning, støy og vedlikehold ved skjøtene. Prisen er at skinnens termiske utvidelse og sammentrekning fastholdes over lange strekninger. Dette gir trykkraft i varmt vær og strekkraft i kaldt vær. Nøytraltemperaturen er derfor en av de viktigste kontrollparameterne ved prosjektering og vedlikehold av helsveist spor.

Lengdeforskyvningsmotstand. Befestigelser, sviller, ballast og tilknyttede konstruksjoner motvirker skinnevandring og termisk bevegelse. I skinnestigens sentrale parti er bevegelsen i praksis fastholdt. I pustepartiene kan skinneendene bevege seg, og skinneåpningene kan endres med temperaturen. Bruer, sporveksler og vedlikeholdsarbeid gjør denne oppførselen mer sammensatt fordi de gir lokale endringer i fastholding og stivhet.

Fare for solslyng. Høy skinnetemperatur skaper trykkraft, men solslyng oppstår bare når sporet ikke har tilstrekkelig sideforskyvningsmotstand og stabilitet i sidebeliggenheten til å motstå kraften. Krappe kurver, svake ballastskuldre, nylig utført pakking, svake sviller og geometrifeil reduserer alle marginen mot solslyng. Sikkerheten i helsveist spor er derfor knyttet til skinnetemperaturen, sporets tilstand og vedlikeholdshistorikk.

Nøytralisering. Kapping, sveising, pakking, ballastrensing og annet arbeid kan endre skinnens innelåste spenningstilstand eller midlertidig redusere spormotstanden. Korrekt nøytralisering gjenoppretter det nødvendige nøytraltemperaturområdet, mens restriksjoner og inspeksjoner etter vedlikehold beskytter sporet til motstanden er gjenopprettet. Tidspunktet for vedlikeholdet er derfor en del av sikkerhetsstyringen for helsveist spor, særlig i varmt vær.

Systemforståelse. Skinnespenning, befestigelsesmotstand, ballasttilstand, kurveradius, bruer, sporveksler, glideskjøter og temperaturområdet i drift virker sammen. Et helsveist spor med skinner av høy kvalitet, men svak sidestøtte er usikkert, mens et godt støttet spor med feil nøytraltemperatur fortsatt kan være sårbart. Det tekniske målet er å opprettholde en stabil balanse mellom temperaturkraft og spormotstand gjennom hele året.

Oppgaver

Bruk \(\alpha E=2{,}415\,\mathrm{N/(mm^2\,K)}\) i kraftberegningene hvis det ikke uttrykkelig bes om en avrundet verdi. Når bare nøytraltemperaturen er oppgitt, forutsettes den faktiske spenningsfrie temperaturen lik denne målverdien. Se bort fra gjenværende endemotstand i de enkle beregningene av pustelengde.

Oppgave 1: Temperaturspenning i skinner og nøytraltemperatur

En 54E3-skinne (\(A = 6948\,\mathrm{mm}^2\)) i et helsveist spor legges ved en spenningsfri temperatur på \(18\,^\circ\mathrm{C}\) (den nedre grensen i et toleransebånd på \(21\pm3\,^\circ\mathrm{C}\)). Skinnetemperaturen stiger til \(52\,^\circ\mathrm{C}\) om sommeren og synker til \(-32\,^\circ\mathrm{C}\) om vinteren.

(a) Beregn trykkraften i én skinne og i begge skinner ved \(52\,^\circ\mathrm{C}\).

(b) Beregn strekkraften i én skinne og i begge skinner ved \(-32\,^\circ\)C.

(c) Hvilke største trykk- og strekkrefter ville en skinne nøytralisert nøyaktig til målverdien (\(T_n = 21\,^\circ\)C) utviklet i begge skinner innenfor det samme temperaturområdet?

(d) Hvilket tilfelle er mest kritisk for solslyng om sommeren, og hvilket er mest kritisk for skinnebrudd om vinteren?

Oppgave 2: Pakking av helsveist spor i varmt vær

Et helsveist spor med betongsviller i en kurve med \(R = 350\) m pakkes midt på sommeren ved en skinnetemperatur på \(42\,^\circ\mathrm{C}\). Nøytraltemperaturen er \(21\,^\circ\mathrm{C}\). Skinnestigens samlede LTR før pakking er 12 kN/m; etter pakkingen faller den til 40 %. Den samlede trykkraften i begge skinner er 800 kN.

(a) Hva er den nødvendige samlede LTR per meter etter \(q_\mathrm{tot}=P_\mathrm{tot}/R\)?

(b) Oppfyller LTR etter pakking dette kravet?

(c) Kan ordinær pakking fortsette ved denne skinnetemperaturen etter TRV:05016? Skill mellom normal temperaturgrense for arbeidet, den enkle kontrollen av radial likevekt og de angitte unntakene for utbedring av akutte feil.

(d) Hvilke driftsmessige tiltak bør iverksettes umiddelbart?

Oppgave 3: Beregning av nøytralisering

Et avsnitt med helsveist spor skal nøytraliseres om våren. Skinnetemperaturen på tidspunktet for nøytraliseringen er \(12\,^\circ\mathrm{C}\), men tilsiktet nøytraltemperatur er \(21\,^\circ\mathrm{C}\).

(a) Forklar fremgangsmåten for å oppnå riktig nøytraltemperatur ved å frigjøre skinnespenningene og bruke kontrollert oppvarming eller mekanisk strekking, med hensyn til sluttsveisingen.

(b) Hvis sporet avspennes og befestes uten oppvarming eller kontrollert mekanisk strekking, hva blir den faktiske spenningsfrie temperaturen \(T_{sf}\), og hva blir følgen for trykkreftene om sommeren?

(c) Bane NOR tillater \(T_n = 21 \pm 3\,^\circ\mathrm{C}\) [11]. Anta at skinnen er fullstendig spenningsfrigjort, og at faktisk spenningsfri temperatur er dokumentert til \(18\,^\circ\mathrm{C}\). Oppfyller denne tilstanden temperaturtoleransen, og hvorfor kan den likevel være mindre gunstig for solslyng om sommeren enn \(21\,^\circ\mathrm{C}\)? Forklar hvorfor leggetemperaturen alene ikke dokumenterer samsvar (TRV:05377–05378).

Oppgave 4: Pustelengde i helsveist spor

Pustepartiet i et helsveist spor er sonen nær en fri skinneende der langsgående forskyvninger oppstår ved temperaturendringer. For én 54E1-skinne (\(A = 6\,934\,\mathrm{mm}^2\), \(E = 210\,\mathrm{GPa}\), \(\alpha = 1{,}15\times10^{-5}\,\mathrm{K}^{-1}\)) på betongsviller med en lengdeforskyvningsmotstand i ballasten på \(r_\ell = 10\,\mathrm{kN\,m^{-1}}\) per skinne:

(a) Utled et uttrykk for pustelengden \(L_e\) som funksjon av temperaturendringen \(\Delta T\).

(b) Beregn \(L_e\) for \(\Delta T = 40\,\mathrm{K}\).

(c) I en idealisert kontroll av kraftoverføring forutsettes en forankringslengde på 80 m med fullt mobilisert, konstant lengdeforskyvningsmotstand på \(10\,\mathrm{kN/m}\) per skinne. En bru tilfører \(120\,\mathrm{kN}\) per skinne i samme retning som temperaturkraften i del (b). Er \(r_\ell L\) større enn den samlede kraften? Forklar hvorfor denne likevektskontrollen ikke dokumenterer kapasiteten til et virkelig spor–bru-system, og hvorfor en vanlig sveis ikke er en fri skinneende.

Oppgave 5: Kontroll av solslyng

Et helsveist spor i en kurve med \(R = 400\,\mathrm{m}\) har en skinnetemperatur \(22\,^\circ\mathrm{C}\) over nøytraltemperaturen \(T_n\). Ballastens sideforskyvningsmotstand etter nylig pakking er \(q_\mathrm{rail} = 8\,\mathrm{kN\,m^{-1}}\) per skinne. Bruk det eldre UIC60-datasettet (\(A = 7686\,\mathrm{mm}^2\); bruk skinnens andre arealmoment om vertikalaksen \(I_\mathrm{lat} = 512{,}9\,\mathrm{cm}^4\) per skinne i Meier-beregningen, ikke det andre arealmomentet om horisontalaksen).

(a) Beregn den samlede aksiale trykkraften \(P_\mathrm{tot}\) i begge skinner.

(b) Beregn den nødvendige samlede sideforskyvningsmotstanden per meter \(q_{\mathrm{tot,req}}=P_\mathrm{tot}/R\).

(c) Omregn den tilgjengelige motstanden til den samme konvensjonen for hele sporet (\(q_\mathrm{tot}=2q_\mathrm{rail}\)). Oppfyller motstanden etter pakking det enkle kravet til radial likevekt?

(d) Bruk Meier–Chatkeo-metoden for spor i kurve (Ligning 11.10) med oppgitt modellamplitude \(f^* = 1{,}5\,\mathrm{cm}\), \(J = 2 \times 512{,}9\,\mathrm{cm}^4\), \(F = 2 \times 76{,}86\,\mathrm{cm}^2\), \(R = 40\,000\,\mathrm{cm}\), \(k_1 = k_2 = 1\) og \(w = 2q_\mathrm{rail}=160\,\mathrm{N\,cm^{-1}}\), og anslå den kritiske temperaturøkningen \(\Delta t_\mathrm{cr}\). Sammenlign den faktiske økningen (22 \(^\circ\)C) med modellanslaget. Hvorfor dokumenterer ikke denne sammenligningen alene en sikker driftstemperatur?

Oppgave 6: Lengdeforskyvningsmotstand og oppførsel ved skinneåpning

Et ballastert spor med helsveiste skinner av typen 60E1 har en gjennomsnittlig lengdeforskyvningsmotstand i ballasten på \(r_\ell = 8\) kN/m per skinne. I løpet av en varm sommer ble skinnetemperaturen målt til 56 \(^\circ\)C. Skinnens nøytraltemperatur er 21 \(^\circ\)C (Bane NORs tekniske regelverk). Bruk følgende parametere:

• Tverrsnittsarealet av to 60E1-skinner: \(F = 2 \times 76{,}9\,\mathrm{cm}^2 = 153{,}8\,\mathrm{cm}^2\)

• Elastisitetsmodul: \(E = 210 \times 10^5\,\mathrm{N\,cm^{-2}}\)

• Varmeutvidelseskoeffisient: \(\alpha = 1{,}15 \times 10^{-5}\,\mathrm{K}^{-1}\)

Ballastens lengdeforskyvningsmotstand brukes bare i beregningen av pustelengden i del (c). Del (b) gjelder nødvendig sideforskyvningsmotstand og skal ikke kontrolleres mot \(r_\ell\).

(a) Beregn den samlede aksiale trykkraften \(P_\mathrm{tot}\) i begge skinner ved \(T = 56\,^\circ\)C.

(b) Beregn den samlede sideforskyvningsmotstanden per lengdeenhet som kreves for radial likevekt i en kurve med \(R = 500\) m.

(c) I hvilken avstand fra den frie enden av det helsveiste avsnittet når én skinne aksialkraften i den låste sonen? (Pustelengde for \(\Delta t = 35\,^\circ\)C med \(r_\ell = 8\) kN/m per skinne.)

Oppgave 7: Tolkning av en solslynghendelse

Bruk fotografiet fra Hønefoss i figur 11.30 sammen med oversikten i figur 11.94.

(a) List opp det som kan observeres direkte i fotografiet. Skill observasjonene fra antakelser om årsaken.

(b) Foreslå én mekanisme som kan øke eller omfordele skinnekraften, og to mekanismer som kan redusere sideforskyvningsmotstanden.

(c) Hvilke opplysninger om temperatur, sporbeliggenhet, vedlikehold og komponenter ville du be om før du avgjorde hvilken mekanisme som var årsaken?

(d) Forklar hvorfor det å gjenopprette den synlige sporbeliggenheten alene ikke nødvendigvis løser det underliggende problemet.