Bijlage II Resultaten dynamische berekening
Analyse dynamische berekeningen
Uit de voorlopige resultaten van het veldonderzoek bij overgangsconstructies voor spoorwegen (uitvoering door Deltares in het kader van Delft Cluster-onderzoek) bleek dat de stootplaten aan beide zijden van het kunstwerk een factor 2,5 à 3 meer zijn gezakt dan uit de zettings meting van het baanlichaam naar voren was gekomen. Aangenomen is dat dit veroorzaakt wordt door de stootbelasting van de trein op het spoor omdat de spoorconstructie (spoor en dwarsligger) ter plaatse los ligt van het ballastbed.
Wellicht dat dit effect ook bij wegen optreedt. Om te kunnen zien wat het effect is van een voertuig op een stootplaat, heeft Deltares het programma ‘Drempel’ gebruikt dat oorspronkelijk is ontwikkeld om de dynamische krachten op een verkeersdrempel te berekenen. Hiermee werd een indicatie verkregen van de toename van de verticale kracht wanneer een voertuig met een bepaalde snelheid over een overgangsconstructie met stootplaat heenrijdt.
Er is gebruikgemaakt van drie verschillende voertuigen: een bus met twee assen, een Deltares ballastwagen met twee assen en een Deltares ballastwagen met een maximale aslast. De hobbel is gedimensioneerd met een recht stuk ervoor waarna de drempel begint. De hoogte van de drempel en de lengte van de stootplaat variëren in de sommen.
De invoergegevens waren: Bus, twee assen:
- massa 14440 kg = 144,4 kN (gemiddeld 72,2 kN per as);
- rotatietraagheid 121600 kgm2.
Deltares ballastwagen, twee assen:
- massa 15000 kg = 150 kN (gemiddeld 75 kN per as);
- rotatietraagheid 134000 kgm2.
Deltares ballastwagen, maximale aslast:
- massa 23000 kg = 230 kN (gemiddeld 115 kN per as);
- rotatietraagheid 205500 kgm2.
Wegprofiel met lineair begin en eind (zie figuur 26):
- lengte voor de drempel is 6,0 [m];
- hellende stuk (op- en afrit) is 3,0/5,0/6,0 [m];
- lengte horizontale stuk op het kunstwerk (Lflat) is 4,0 [m];
- hoogte drempel is 0,04/0,08 [m] (Hsin). De berekeningsresultaten zijn alleen voor een drempelhoogte van 0,04 m gegeven.[ link ]
Figuur 26. Variabele profelparameters
De laatste variabele parameter was de snelheid. Hiervoor zijn drie verschillende snelheden gebruikt: 80 km/h, 100 km/h en 120 km/h.
Er is geen ondergrond in het programma ingevoerd. De wagen is gesimuleerd als een massaveer-dempersysteem en de luchtband is gesimuleerd als een veer. De stijfheid van de band is veel lager dan die van de wegconstructie en de band bepaalde het gedrag. Daarom had het invoeren van een slappe of stijve ondergrond geen invloed.
Dit model was voor alle typen constructies toepasbaar.
Berekend zijn de extra belastingen ten opzichte van de statische aslast. Bij de Deltares ballastwagen bij een stootplaat van 6 m, was de maximale toename circa 11 kN bij circa 0,3 seconden en de afname van de belasting circa 17 kN bij 0,8 seconden. Dus de totale belasting van de as werd maximaal 75 kN + 11 kN = 86 kN en de minimale belasting werd 75 kN – 17 kN = 58 kN.
Bij de maximale belasting, de Deltares ballastwagen met maximale aslast over een stootplaat met een lengte van 3 m, was te zien dat de maximale toename circa 20 kN op het kunstwerk was. De afname was groter, namelijk circa 26 kN na het kunstwerk. Bij een maximale aslast gaf dit een maximale belasting van de as van 115 + 20 = 135 kN en een minimale belasting van 115 – 26 = 89 kN.
Na het kunstwerk veerde de vrachtwagen nog steeds op en neer en werd de maximale belasting op de ondergrond weer 86 kN op circa 1,2 seconden. Onderzocht zou kunnen worden of er dan een kuil in de ondergrond ontstaat op deze plaats achter de oneffenheid wegens de extra belasting.
Uit figuur 27 is te herleiden wat het verband is tussen de snelheid waarmee gereden wordt over een kunstwerk met een lengte van drie meter en de maximale toename in de belasting. Voor de ballastwagen is dit circa 11% per vier centimeter drempelhoogte. Bij een maximale aslast is dit 15% per vier centimeter drempel- hoogte. Gezien het geringe aantal punten is dit meer als indicatie te geven dan als harde rekenregel. Per centimeter zakking van de stootplaat zou dit dus maximaal 4% toename van de belasting geven. De maximale belasting treedt op bij het raken van het einde van het kunstwerk, in figuur 27 aangegeven met een rode balk.
[ link ]
Figuur 27. Maximale belastingtoename als functie van de snelheid
Het gunstigste is als de brugconstructie (drempel) doorloopt totdat de vrachtwagen uitgeveerd is.
Conclusie: De belasting wordt circa 15% groter door een zakking van de stootplaat. Het is niet duidelijk of deze verhoging ten opzichte van de statische belasting een effect heeft op eventuele schade. Geadviseerd wordt om voor de dimensionering van de overgangsconstructie een stootfactor van 1,15 op de statische aslast toe te passen.