1

1

Michaël Steenbergen

Assistant Professor Railway Engineering

Technische Universiteit Delft

Innorail workshop, 28 september 2017

Duurzaam spoor op het spoorAanpak verzakkingen & trillingen;

Onderzoek TU Delft

2

Trillingshinder bestaat niet

• Trillingen: tijdsafhankelijke responsie van discreet systeem (alle massa

geconcentreerd in één ruimtelijk punt; één vrijheidsgraad)

� https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/25/Animated-mass-spring.gif

• Golven: tijdsafhankelijke responsie van systeem met ruimtelijk

verdeelde massa-eigenschappen (in principe oneindig veel

vrijheidsgraden)

• Elementair verschil: golven kunnen energie transporteren - trillingen

niet

• Het concept is zo ingeburgerd dat we het toch maar gebruiken…

2

3

Degradatie & trillingshinder… kosten tijd!

• Degradatie is altijd gekoppeld aan (cyclische) dissipatie van mechanische energie

• Trillingshinder treedt altijd op wanneer de energie opgewekt in de baan door een aspassage de omgeving

heeft bereikt

• Spoordegradatie & trillingsemissie hebben gemeenschappelijk dat het processen zijn in het tijdsdomein.

• Gemeenschappelijke factor: geen toestand maar proces

• Voor de mechanica betekent dit: geen statica maar dynamica; kijk naar tijdschalen en interactie

• Dat kan via een energiemodel

4

Energiebalans

‘’Golven zijn energiedragers’

• Radiatie (uitstraling) van energie: trillingshinder

• Dissipatie (omzetting van energie): zetting, irreversibel gedrag railinfra

trillingsemissie

zettingen/liggingsdegradatie

immissie

3

5

Onderzoeksfilosofie

6

Immissie: energiebronnen in de railinfra

• Primaire bronnen trillingsimmissie:

• statische aslast (1)

• dynamische aslast

bijdragen vanuit:

• rollend materieel (2)

• infra • langsgeometrie (3)

• langsvariatie in systeemeigenschappen (4)

4

7

Immissie: energiebronnen in de railinfra (1)

• Bron categorie 1: statische aslast; quasistatisch eigenveld

• Eigenschappen: niet-propagerend (‘verspreidt zich niet vanuit het wiel-contact’/slechts lokale invloed)

• Relevant voor trillingshinder binnen invloedssfeer, relevant voor zettingen/degradatie

• Beleid: statische aslast is essentie van vervoer; behalve overbelading niet aan te pakken

treinsnelheid

statische aslastspoorbaan

hier GEEN invloedhier WEL invloed

8

Energiebronnen in de railinfra (2)

• Bron categorie 2: dynamische aslast; golfveld

• Eigenschappen: propagerend (‘verspreidt zich vanuit het wiel-contact’/straalt uit/plaatselijke influx

energie)

• Per definitie relevant voor trillingshinder zowel als zettingen/degradatie

• Beleid: dynamische aslast maximaal terugdringen; onderzoek + actie concentreren zich hier:

� Relatie met degradatie en met trillingsemissie

treinsnelheid

dynamische aslastspoorbaan

…en hier OOK (later) invloed!hier invloed

5

9

Bijdragen aan de dynamische aslast

• Vanuit rollend materieel (rol vervoerder)

1. Wielonrondheid materieel

• Vanuit infra (rol spoorbeheerder):

2. Liggingsfouten in de spoorgeometrie

3. Variabiliteit in langsdoorsnede-eigenschappen (dynamische stijfheid)

treinsnelheid

dynamische aslastspoorbaan

…en hier OOK (later) invloed!hier invloed

10

Dyn. aslast - type 1: wielonrondheid

• Onrondheid geeft icm snelheid frequentie-excitatie/dynamische aslast (f=V/L)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 1 2 3

fre

qu

en

tie

[H

z]

golflengte op wielomtrek [m]

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

fre

qu

en

tie

[H

z]

golflengte op wielomtrek [m]

goederentrein (80 km/h)

passagierstrein (140

km/h)

vlakke plaatsen

Gotcha: RMS-hoog

lagere-orde onrondheid

Gotcha: RMS-laag

6

11

Dynamische aslasten type 1 op het NL spoornet

• Studie 2015 met Ricardo

12

Conclusie dyn. aslast - type 1

• Aandacht voor laag-frequente dynamische aslast als immissie

• Registratie is mogelijk via Gotcha-systemen - operationeel

• Aanpak mogelijk via gebruikersvergoeding

• Echter, pas zinvol in een coherente aanpak met overige typen dynamische aslast

7

13

Dyn. aslast - type 2: spoorgeometrie

• Spoor is in de praktijk niet recht/vlak.

• Spoorgeometrie heeft golflengtespectrum

• Interactie met trein levert dynamische aslast

• Van belang is de in het bewegend contact door de

wielen ‘ervaren’ geometrie: d.i., de belaste

geometrie met bijzondere aandacht voor de korte

golven (< orde 7 m)

14

Conclusie dyn. aslast - type 2

• Belaste spoorligging in korte-golf gebied levert belangrijke bijdrage vanuit infra aan dynamische aslast

• Registratie is mogelijk via aspotversnellingsmetingen (en wellicht andere technieken in de markt!)

• Aanpak mogelijk via geometrie-normering

• Opnieuw: zinvol in een coherente aanpak met overige typen dynamische aslast

8

15

Dyn. aslast - type 3: langsvariatie

systeemeigenschappen

• Nederland in vogelvlucht

16

Cobouw juni 2014

9

17

…en dit is wat wielen echt tegenkomen:

18

Dynamische stijfheid: sleutel & meetgrootheid

• Dynamische

(frequentieafhankelijke) stijfheid

sleutelconcept voor kwantificeren

trein-baan interactie bij

systeemvariaties/transities

• Praktische implementatie:

Zweedse RSMV

• Voorbeeld: 3 km spoor in Zweden

10

19

Dynamische stijfheid gemeten in wissel

• Wisselpaneel; meting dynamische stijfheid (10 Hz);

verdubbeling bij overgang hout> beton!

• Let op: statische stijfheid (ontwerpstijfheid 1-2 mm)

blijft gelijk!

20

Conclusie dyn. aslast - type 3

• Dynamische spoorstijfheid en langsvariatie hierin bepalen bijdrage vanuit infra (constructie) aan

dynamische aslast

• Inventarisatie (ernst & omvang) is mogelijk via meting RSMV; meetinzet ProRail in (2016&)2017

• Aanpak evt mogelijk via normering; in ieder geval aandacht vereist voor dynamische ipv statische

stijfheidseisen spooropbouw;

• Tenslotte: alleen zinvol in een coherente aanpak met overige typen dynamische aslast

11

21

Wat is de rol van het systeem zelf?

• Uitvoerig stilgestaan bij ‘laag 1’ in energiemodel: immissie

• Wat doet de opbouw van het systeem zelf?

22

Toetsen dynamische performance spoor

• Deel van 4-jarig programma gefinancierd door ProRail; uitgevoerd door postdoc Mehran Sadri

• Simulatie met wiskundig model: beschouw het spoor als bouwdoos

• Doel: benchmarken traditioneel (statisch!) spoorontwerp mbt dynamische performance

• Prognose relevant voor praktijk: aangepast spoorontwerp kan degeneratie vertragen en trillingshinder

aanpakken

12

23

Wrap-up & conclusions

• Focus, in relatie tot degradatie en trillingshinder, op dynamische aslast, met bijdragen vanuit rollend

materieel en infra (geometrie en stijfheidsvariatie);

• Nog effort nodig m.b.t. categorie #2;

• Voor de eerste keer is een theoretisch model gebouwd dat in staat is lange-termijn degradatie te

kwantificeren en voorspellen;

• Modelprognoses en empirische gegevens wijzen dezelfde kant op;

• Theoretisch model kan traditioneel spoorontwerp benchmarken en robuust spoorontwerp ondersteunen;

• De treinsnelheid is een cruciale parameter m.b.t. degradatie;

• De ballast/substructure stijfheid is de belangrijkste infra-parameter;

• Hogere degradatie te verwachten voor HSL en voor slappe bodems bij conventioneel spoor;

• Deze stijfheid ( als ‘niveau’, nog los van variaties) kan worden ingemeten met de RSMV (zoals in 2017 over

diverse baanvakken);

• Data kan worden gecombineerd - to be continued;

24

Wrap-up & conclusions

• Degradatie neemt toe met toenemende railpad stijfheid, toenemende dwarsliggerafstand en afnemende

railprofiel stijfheid;

• Onafgeveerde massa en dwarsliggermassa blijken geen significante invloed te hebben – met de aanname

van perfect (i.e. invariant en vlak) spoor;

• Ruimtelijke langsvariatie in dsn-eigenschappen en geometrie-afwijkingen (bijdragen dynamische aslast)

moeten nog verdisconteerd worden; kan modelbevindingen wijzigen;

• De model focus is op degradatie; modeluitbreiding is nodig om omgevingsemissie van trillingen mee te

nemen.