A hézagnélküli vágányok általánossá válása továbbra is kihívásokat jelent a kis sugarú ívekben. Az összehegesztett sínekben a hőmérséklet és az elhaladó szerelvény hatására megjelenő hatalmas feszültségeket az ágyazatnak kell megtartania. Hosszirányban ez általában nem jelent problémát, kis sugarú ívekben viszont a sima ágyazat oldalirányú ellenállása nem elegendő.
Magyarországon az UIC 60-as sínrendszer alkalmazása mellett 600 m ívsugár alatt kötelező kiegészítő intézkedésekre van szükség, hogy az ágyazat a vágányban a semleges hőmérséklethez képest ±50 oC hőmérséklet-változás [1] hatására fellépő feszültségeknek ellen tudjon állni.
Az idők során Magyarországon több különböző megoldás is született a problémára, ezeknek más-más előnye, illetve hátránya van:
• Ágyazatváll felpúpozása: Alkalmazása igen elterjedt, rendkívül költséghatékony, azonban hatása erősen limitált. Javítása, illetve a vágány szabályzása problémamentes
• Biztonsági sapka: Ez egy a betonaljra csavarozott fémlemezt jelent, melynek síkja merőleges a betonaljra, mely így továbbítja a vágányra merőleges erőket. Hátránya, hogy igen költséges, felhelyezése körülményes, ugyanígy a szabályzása is nehézkes.
• Ágyazat ragasztása: A vágánnyal párhuzamosan, a betonaljaktól 5 cm-re egy kb. 25×40 cm keresztmetszetű gerendát ragasztanak össze a zúzottkő ágyazatból úgy, hogy a vízelvezető képesség ne változzon. Előnye a biztonsági sapkához képest sokkal kedvezőbb ára, egyszerűbb kivitelezése, hátránya, hogy komolyabb szabályozásnál újra el kell végezni, illetve az esetleges hosszú távú stabilitási problémák.
• Y aljak: A különleges, Y alakú acélaljak nagy keretmerevséget és keresztirányú stabilitást adnak a vágánynak, ezáltal lehetővé téve a nagyon kis sugarú ívekben történő alkalmazást. Hátránya, hogy borzasztóan költséges, és a normál vágányrendszerektől eltérő felépítése fenntartási problémákat vetít előre, kialakítása és kis súlya miatt függőleges stabilitása gyenge.
Az utóbbi időben a legelterjedtebb módszer a hézagnélküli vágányok kis sugarú ívének stabilizálására az ágyazatragasztásos technika. Azonban bizonyos esetekben problémák merültek fel. A betonalj és a ragasztott gerenda között rés jelent meg az ágyazatban, és a ragasztott gerenda mellett lesúvadt a zúzottkő. Mint majd a továbbiakban megmutatjuk, a ragasztásos módszer ellenállása megfelelő, azonban nagyon hibaérzékeny, a módszer rosszul viseli az esetlegesen előforduló hibákat.
A fenti megoldásoknak mind van tehát egy nagy hátránya: általában költségesek, illetve a normál vágányhoz képest plusz beavatkozást igényelnek, ami viszont a fenntartás során okoz többletköltséget. Ezért kezdtünk el foglalkozni egy olyan rendszerrel, amely a vágány felépítésének megváltoztatása nélkül képes biztosítani az oldalirányú stabilitást. Normál ágyazat esetében a sínekben ébredő oldalirányú erőket a betonalj homlokfala közvetíti az ágyazatnak. A fenti módszerek mindegyike azon az elven működik, hogy megnöveli az erőközvetítő felületet, ami csökkenti az ágyazatban létrejövő feszültségeket, és növeli a stabilitást.
Közismert, hogy szemcsés anyagokkal érintkezve a sima felületek sokkal kevesebb súrlódási ellenállást képesek kifejteni, mint az érdes felületek (érdemes az autók abroncsára gondolni homokos talajon). Kollégáimmal kimutattuk [2], hogy a legnagyobb súrlódási ellenállás akkor jön létre, ha a recézés mérete legalább akkora, hogy a szemcsés anyag átlagos szemcséje félig bele tud süllyedni. Ezt az elvet a betonaljak esetében is ki lehet használni, kérdés természetesen, hogy a betonalj aljának recézésével milyen mértékben sikerül megnövelni a vágány oldalirányú ellenállását. A cikk első részében bemutatjuk az általunk javasolt új, recézett talpú betonaljat, majd először számítógépes szimuláció, azt követően kísérletek segítségével megvizsgáljuk a módszer hatékonyságát.
Az új betonaljtípus
Mint már említettük, a legnagyobb súrlódást akkor mérjük, ha a szemcsék több mint félig belesüllyednek a recékbe. A túl mély rece azonban csökkenti az ágyazat hasznos magasságát, ezért érdemes a legkisebb hatékony recemélységet választani. A szokásos szemcseméret 25-65 mm-es, eloszlás esetén ez kb. 30 mm-es recemélységnek adódik. Az optimális rece-ágyazat kapcsolat érdekében a recék dőlésszögét a függőlegeshez képest 45˚-nak választottuk. Kétfajta mintázatot vizsgáltunk (1. ábra), az egyikben a recék fűrészfogszerűen állnak, csak a betonalj hosszirányában képesek erőhatás kifejtésére. A másikban 45˚-os rombusz alakú mintázatot választottunk, ami így már képes a vágány hosszirányában fellépő erőket is felvenni, ami a lélegző szakaszoknál lehet előnyös, illetve valószínű, hogy a hosszú távú használatból eredő kopás ellen is ez a védettebb mintázat.
1. ábra A recézett aljú betonaljak talpa. Felül a fűrészfog, alatta a rombuszos és legalul a hagyományos
Szimulációs módszer
A szimulációs módszerek lényege, hogy az igen költséges prototípusok előállítása és kísérletek elvégzése előtt meg tudjuk becsülni a várható hatékonyságot (hatástalanság esetén megspórolva a kísérleteket). Ipari alkalmazásokban leggyakrabban végeselem-szimulációs módszereket alkalmaznak, azonban ahhoz több olyan bemeneti paraméterre lenne szükségünk a recés aljú betonalj esetén, aminek nem vagyunk birtokában.
Ezért a különböző intézkedések összehasonlításához diszkrét elem módszert használtunk. A diszkrét elem módszer lényege, hogy a szemcsék (kövek) mozgását a Newton- egyenletek megoldásával számolja ki, miáltal lehetőségünk van minden egyes kő külön követésére, illetve a kövek közötti erők mérésére is a terhelési tesztek során. Két szemcse között felléphet nyomó, illetve súrlódási erő. Az előbbit ki lehet számolni a szemcsék átfedéséből, az utóbbihoz szükséges a relatív elmozdulások nyilvántartása is.
Ez a két számolás gömb alakú részecskék esetén végezhető el gyorsan zárt alakban. Bármilyen más alakzat választása nagyban megnöveli a számítási igényt. Mivel célunk nem az volt, hogy minél pontosabb kvantitatív eredményeket kapjunk, hanem hogy a különböző technológiákat, illetve újabb megoldási javaslatokat minél gyorsabban össze tudjuk hasonlítani, ezért a vasúti ágyazatban használt, egyébként éles élű köveket úgy szimuláltuk, hogy egy nagyobb gömbhöz véletlenszerűen hozzáragasztunk négy másik kisebb félgömböt, hogy növeljük a gördülési ellenállásukat.
A szimuláció megvalósításához a LAMMPS [3] diszkrét elem szimulációs csomag módosított változatát használtuk [4]. A szimuláció során a következőképpen építettünk fel egy tesztszakaszt: Az ágyazat egy apró kavicsos szilárd rétegen fekszik. Egy betonaljközt szimuláltunk periodikus határfeltétellel, ez, mint majd látni fogjuk, igen előnyös volt a ragasztás szimulálásánál, hiszen az így valóban úgy viselkedik, mint egy hosszú gerenda. Erre került az 57 cm vastag, a megfelelő 25/65 szemcsehatárú kőréteg. A betonaljat apró kavicsokból építettük fel, és hossza az eredeti 2,42 m helyett a szimuláció felgyorsítása végett mindössze 1 m volt, ezt majd figyelembe kell venni az eredmények kiértékelésénél. A szimuláció során próbáltuk követni a vágányépítési folyamatokat. Először a köveket rászórtuk a szilárd rétegre.
2. ábra Ágyazatkialakítás-metszetek: a) ágyazatváll-magasítás, b) ágyazatragasztás, c) biztonsági sapka
Ezután behelyeztük a betonaljat, majd az ágyazatot óvatos rázással jól összetömörítettük. A rézsű kialakítása kivágással történt, dőlésszöge 1:2, azaz a valóságban alkalmazottnál laposabb. Ezzel próbáltuk kompenzálni a kelleténél gömbszerűbb köveket. Megjegyezzük, hogy a szimulált kövek rugalmassági modulusa két nagyságrenddel kisebb a valódi kőnél, de ezt statikus terhelésnél az elmozdulás átskálázásával kompenzálni lehet. A 2. ábra mutatja az összeállítások keresztmetszetét. A púpozás kialakítása egyértelmű, a ragasztás során a [4] publikációban kifejlesztett ragasztási módszert használtuk, a biztonsági sapkát úgy alakítottuk ki, hogy egy vékony réteg követ az ágyazatból hozzáragasztottunk a betonaljhoz, a biztonsági sapka geometriájának megfelelően. A recézett betonaljat a fűrészfog-geometriával vizsgáltuk.
Terheléses tesztek
A megalkotott mintákon keresztirányú terheléses teszteket végeztünk el. A valós tesztekhez hasonlóan, a betonaljon az erőt fokozatosan növelve, folyamatosan mértük a betonalj elmozdulását. Az így kapott erő-elmozdulás grafikonokat a 3. ábra tartalmazza. Az ágyazat egy ideig elasztikus módon reagál a terhelésre, azonban egy idő után plasztikus deformációk jelennek meg, és az ágyazat nem képes nagyobb erőhatásoknak ellenállni. A 3. ábrán az elmozdulásokat visszaszámoltuk a valós rugalmassági modulusokhoz, hogy az elfogadott 2 mm-es elmozduláshoz tartozó erőértékeket le tudjuk olvasni. Jól látható, hogy az ismert technológiák eredményei megfelelnek az elvárásoknak. A sima kavicságy a leggyengébb, a magasított ágyazatváll csak egy kicsit erősebb, míg az ágyazatragasztás és a biztonsági sapka 1,5-2-szer nagyobb erőhatást bír ki, mint a sima ágyazat. Az új, recés aljú betonalj a másik két módszerrel megegyező terhelésnövekedést képes elviselni, ami mindenképpen biztató a jövőbeli alkalmazás szempontjából. Az eredmények azt mutatják, hogy ideális esetben a recés aljú betonalj képes kiváltani a többi jelenleg használatos technológiát, az ellenállása megfelelő. Azonban a szimuláció ennél behatóbb vizsgálatokra is lehetőséget ad.
3. ábra Szimulációs terheléses tesztek eredménye
A diszkrét elem szimuláció során meg kell határozni a kövek közötti erőket, hogy a Newton-egyenleteket meg tudjuk oldani. Ezt használja a módszer a gyorsulások, ezáltal az elmozdulások meghatározására. Azonban statikus esetben is igen sok információt hordoznak a kövek között fellépő erőhatások. Ezek eloszlása, koncentrációja jelezheti az adott konstrukció gyenge pontját, esetleg instabilitását. A 4. ábrán a három fontos esetben (ragasztott ágyazat, biztonsági sapka, recés aljú betonalj) mutatjuk meg az ágyazatban a terhelés hatására létrejött erőváltozásokat. Mindhárom kép ugyanakkora, 8 kN erő esetén készült. A piros hengerek jelzik az erőt. A henger két kő tömegközéppontja között helyezkedik el, és sugara arányos a két kő között fellépő erővel.
4. ábra Erőhatások oldalirányban terhelt betonaljak esetén
Tehát minél vastagabb a henger, annál nagyobb erőket látunk. A ragasztott ágyazat esetében az erők a ragasztott rész és a betonalj között koncentrálódnak. Ezért nagyon érzékeny ennek az 5 cm vékony résznek az állapotára, emellett a ragasztás előtt teljesen az ágyazat széléig láthatók viszonylag nagy erőhatások, azaz ez a módszer igényli a legjobban az ágyazat tökéletes állapotát. A második esetben az erőkoncentrációt a biztonsági sapka előtt találjuk. Itt az történik, hogy a lemezre merőlegesen ható erők képesek idővel a lemezt elgörbíteni, vagy annak fáradásos törését okozni. A recés aljú betonalj esetén viszont nem látunk ilyen erőkoncentrációt, hiszen minden egyes mélyedés külön-külön adja át az erő egy kis részét, azaz az erőátadás sokkal nagyobb felületen történik. Ezért várhatóan az elhasználódás is több időt vesz majd igénybe.
Kísérletek
A mérés során egy négy betonaljból álló vágányszakaszt építettünk, amit egyik oldalról egy hidraulikus emelővel két-két betonaljanként párhuzamosan megnyomtunk. A betonaljak másik oldala szabványos 35 cm-es ágyazatvállat kapott, 1:1,5-es rézsűvel. Az ágyazatokat kézi vibrátorral tömörítettük. Négy különböző betonaljtípust hasonlítottunk össze: LM, LI, egyenes recés aljú LI, rombusz aljú LI. A vizsgálatok során minden betonaljjal három mérés történt. Először megcsúszásig terheltük a betonaljakat, amikor a nyomóerő már nem volt tovább növelhető, majd az erőt fokozatosan megszüntetve vizsgálhatóvá vált az elmozdulás elasztikus része.
A méréseket a BME Út és Vasútépítési Tanszékéről dr. Kormos Gyula és dr. Liegner Nándor végezte. Az 5. ábra mutatja a mérési eredményeket. Azt láthatjuk, hogy a recézés minden esetben jelentősen megnövelte a betonalj keresztirányú ellenállását. A szabványos 2 mm-es elmozduláshoz tartozó erőket a 1. táblázat tartalmazza.
5. ábra Terhelési tesztmérések eredménye különböző betonaljakkal
Megállapítható, hogy a sima LI aljhoz képest a merőleges bordázat 79%-os többleterőt képes megtartani. Fontos megjegyezni, hogy a recés betonaljak a mérések során egyre nagyobb és nagyobb terhelésnek voltak képesek ellenállni. Ebből arra következtetünk, hogy a kézi tömörítéssel az ágyazati kövek nem mindig jutottak be a recék belsejébe. Azonban várhatóan rendes gépi tömörítés és vágánystabilizálás mellett, némi forgalmi konszolidáció után még nagyobb terhelést is meg tud tartani a betonalj.
Hagyományos LM betonaljak használatával jelenleg Magyarországon 600 m sugárig lehet kiegészítő beavatkozás nélkül hézagnélküli vágányt építeni. A recés aljú betonalj használatával ez a sugár 300-350 m-re csökkenthető. További fontos előnye a többi technológiával szemben, hogy semmilyen technológiaváltoztatást nem igényel sem a vágányépítés, sem a karbantartás során, mivel a hagyományos berendezésekkel mozgatható és állítható.
Összegzés
A jelen cikkben két fontos eredményt mutattunk be: Egyrészt egy egyszerű diszkrét elem szimulációs módszert, ahol minden követ egyenként, de egyszerűsített formával követve gyorsan és egyszerűen meg tudjuk becsülni az ágyazat viselkedését. A módszer lehetővé teszi új ötletek gyors és effektív tesztelését még azelőtt, hogy komoly beruházással megvalósítanánk azt.
Legfőbb eredményünk egy olyan új betonaljtípus, amelynek segítségével jelentősen megnövelhető a hézagnélküli vágányok kivetődésbiztonsága. A javasolt megoldás, a recés aljú betonalj, jelentősen, akár 80%-kal képes megnövelni egy hagyományos betonaljhoz képest az ágyazat keresztirányú ellenállását, úgy, hogy semmilyen új telepítő vagy karbantartó berendezésre nincs szükség. A szimulációs számítások alapján a betonaljon megjelenő terhelést sokkal egyenletesebben vezeti be az ágyazatba, mint az eddigi technológiák, ezért várhatóan élettartama nagyobb a többi megoldásénál, a különböző egyenetlenségekre nem érzékeny (mint például a ragasztás), és mind kifelé, mind befelé ugyanúgy hat. Szerelvény áthaladásakor a pluszterhelés tovább növeli a recés aljú betonalj hatékonyságát, ezért a tervezésnél a dinamikus hatásoktól nagyrészt el lehet tekinteni, mindössze a szerelvény előtt fellépő kiemelőhatás hat rá negatívan. Mindezek mellett a módszer párhuzamosan alkalmazható bármely eddigi technológiával, tovább növelve ezáltal a hézagnélküli vágányok stabilitását.
Felhasznált irodalom
[1] MÁV Zrt., D. 12/H utasítás
[2] Z. Shojaaee, L. Brendel, J. Török, D. E. Wolf, Physical Review E, 86, 011302 (2012)
[3] S. Plimpton, J. Comp. Phys. 117, 1 (1995) [4] L. Brendel, J. Török, R. Kirsch, U. Bröckel, Granular Matter, 13, 777-786 (2011)
