Tågs aerodynamiska belastning på bullerskyddsskärmar : En utvärdering av dagens handberäkningsmetoder

Sammanfattning: I detta examensarbete utvärderas olika standarder för dimensionering av bullerskyddsskärmar vid järnvägar. Utvärderingen bygger på de järnvägsförhållandena som råder i Sverige. Standarderna som utvärderas är SS-EN 1991–2, SS-EN 16727-2-2:2016 och den tyska standarden RIL 804.5501. I standarderna SS-EN 1991–2 och SS-EN 16727-2-2:2016 återfinns två olika handberäkningsmetoder som kan användas vid dimensionering medan det i RIL 804.5504 presenteras en mer avancerad lastmodell som är framtagen för dimensionering med hjälp av dynamiska FEM-analyser. Standarderna utgår från olika lastfördelningar som förbipasserande tåg genererar på bullerskyddsskärmar. Det dynamiska tillskottet som dessa laster genererar på bullerskyddsskärmar beräknas/uppskattas även på olika sätt enligt standarderna. Utvärderingen av de olika standarderna har i detta examensarbete genomförts genom att handberäkningsresultaten enligt standarderna SS-EN 1991–2 och SS-EN 16727-2-2:2016 har jämförts med resultat från dynamiska FEM-analyser för olika typer av bullerskyddsskärmar. Dynamiska FEM-analyser med belastning enligt RIL 804.5501 har även genomförts på ett urval av dessa bullerskyddsskärmar. Handberäkningsmetoderna i standarderna som jämförs bygger på att man räknar om en tänkt statisk last från tågen till en dynamisk last med hjälp av en dynamisk koefficient. Standarden SS-EN 1991–2 presenterar ingen handberäkningsmetod för framtagande av denna dynamiska koefficient. Därför har handberäkningar för denna standard genomförts med de dynamiska koefficienterna 2, 4 och den som presenteras i standarden SS-EN 16727-2-2:2016. Samtliga standarder utgår från att tåget belastar bullerskyddsskärmen med en puls vid tågets främre del (först ett tryck följt av ett sug) och en vid tågets bakre del (först ett sug följt av ett tryck). För standarden SS-EN 1991–2 är belastningen konstant i både vertikalled och horisontalled. För standarden SS-EN 16727-2-2:2016 är belastningen avtagande i vertikalled och konstant i horisontalled. Belastningen som presenteras i RIL 804.5501 är avtagande i både vertikalled och horisontalled. Analyserna som har genomförts visar på att bullerskyddsskärmar riskerar att bli överdimensionerade ifall den dynamiska koefficienten på 4 används schablonmässigt vid dimensionering enligt standarden SS-EN 1991–2. Detta gäller bullerskyddsskärmar med hög egenfrekvens (~10 Hz) och tätt placerade pelare (c-c mått på ~3 meter). Det har även visats att en dynamisk faktor på 2 inte är tillräcklig vid dimensionering enligt standarden SS-EN 1991–2 för bullerskyddsskärmar som har glest placerade pelare (c-c mått på ~4–5 meter) och/eller låg egenfrekvens (~4–5 Hz). Dessa resultat gäller för tåghastigheter på 200 km/h. Ett annat viktigt resultat är att skillnaden mellan standarderna SS-EN 1991–2 med en dynamisk faktor enligt SS-EN 16727-2-2:2016 och helt enligt SS-EN 16727-2-2:2016 är väldigt liten för bullerskyddsskärmar med höga egenfrekvenser och kort höjd (~3 meter). Detta visar på att det kan vara lämpligare att använda den simplare lastmodellen enligt SS-EN 1991–2 för sådana fall. Analyserna som har genomförts visar även att pulsen vid tågets bakre del kan samverka på ett ogynnsamt sätt med pulsen från tågets främre del under vissa tåghastigheter. I analyserna har detta fenomen konstaterats för ”bullerskyddskärm 5” (som analyserades med tåghastigheterna 200, 225, 250, 275 och 300 km/h) där ett deformationstillskott konstaterades för den bakre pulsen vid hastigheterna 250, 275 och 300 km/h. Dessa analyser har även belyst behovet av att bullerskyddsskärmens egenfrekvens bör anpassas så den inte samverkar med frekvensen som lastpulserna har. Detta eftersom deformationerna även var större vid den främre pulsen för vissa tåghastigheter (deformationerna vid hastigheten 250 km/h var störst). Pulserna har i genomförda analyser haft avståndet 165 meter. Den utmattning som bullerskyddsskärmar utsätts för har även varit av intresse att utreda. För att bedöma detta har bullerskyddsskärmarnas oscillation plottats över tid då de blir belastade av pulserna från tågen i de dynamiska FEM-analyserna. Utifrån de diagram som detta har resulterat i går det att konstatera att utböjningarna då bullerskyddsskärmarna blir belastade enligt SS-EN 1991–2 och SS-EN 16727-2-2:2016 skiljer sig en del från utböjningarna då bullerskyddsskärmarna blir belastade enligt RIL 804.5501. Bullerskyddskärmarna tenderar att oscillera mindre för en punkt på bullerskyddsskärmen då den befinner sig mellan de två pulserna då de blir belastade enligt RIL 804.5501 jämfört med de två andra standarderna. Eftersom belastningen enligt RIL 804.5501 tycks representera ett verkligt belastningsfall bättre (avtagande last både i horisontalled och vertikalled tillsammans med bredare lastpulser) finns en risk att man överskattar utmattningspåkänningarna ifall man utgår från lasterna enligt SS-EN 1991-2 och SS-EN 16727-2-2:2016. För att verifiera detta behöver dock mätningar i fält utföras för att kontrollera ifall lastutbredningen enligt RIL 804.5501 kan appliceras på tåg i Sverige.