Modellering van een transitiezone in Ansys

Abstract

Transitiezones zorgen in de railbouwkunde al geruime tijd voor problemen. De werkelijke oorzaken van deze overgangen van regulier spoor naar een civiel kunstwerk blijven onduidelijk, terwijl de onderhoudskosten significant hoger zijn ten opzichte van andere delen van het spoor. Daarom is het interessant om meer inzicht te krijgen in deze transitiezones en welke responsies zij leveren bij een overrijdende trein.
Het doel van dit rapport is om deze responsies in kaart te brengen en vervolgens het effect van enkele maatregelen op deze responsies te toetsen. Dit leidt tot de volgende onderzoeksvraag: Hoe kunnen de responsies in een transitiezone met gebruik van de eindige-elementenmethode in een model worden verduidelijkt?
Voor het modelleren wordt gebruikgemaakt van het eindige-elementenmethodeprogramma Ansys. Als uitgangspunt voor het model wordt de labopstelling van de TU Delft genomen. In deze opstelling bestaat de transitiezone uit een bak met ballast met daaroverheen een spoorweg. Aan de uiteinden vormen stalen liggers het regulier spoor en het civiel kunstwerk.
Het gecreëerde model wordt vergeleken met de analytische Zimmermanmethode om het model te kunnen valideren. Verder geeft het Ansysmodel extra inzicht in de directe overgang van regulier spoor op het civiel kunstwerk en kunnen ontstane spanningen beter worden bepaald.
Drie mogelijke maatregelen worden aangedragen om de spanningen en verplaatsingen te verminderen in de transitiezone, waardoor er een daling in de onderhoudskosten kan worden bereikt. Deze drie maatregelen, het verbreden van dwarsliggers, het aanbrengen van railframes en het verlijmen van ballast, zijn alle gericht op de bovenbouw, omdat deze op relatief korte termijn kunnen worden geïmplementeerd.
Wat betreft de zakkingen in y-richting worden deze bij alle drie maatregelen kleiner. Hierbij zorgen de verbrede dwarsliggers en de railframes voor enkele procenten mindering van de normale zakking. Het verlijmen van ballast heeft nog meer effect. Met deze maatregel kan de maximale zakking met meer dan dertig procent worden gereduceerd.
Als er gekeken wordt naar de verandering in spanning in het ballastbed en de ondergrond als gevolg van de voorgestelde maatregelen, kan een minder eenduidig beeld worden geschetst. Sommige spanningen nemen toe, terwijl andere spanningen kleiner worden. Wel kan worden gesteld dat door het verlijmen van ballast de spanning in de ondergrond toeneemt.
Om die reden is het niet mogelijk om één maatregel te kiezen die het beste werkt om de problemen in de transitiezone op te lossen. Op basis van de zakkingen heeft het verlijmen van ballast het meeste effect, terwijl de verbrede dwarsliggers en de railframes juist zorgen voor een afname ofwel het gelijk blijven van de spanningen in het ballastbed en de ondergrond.