Metodika posouzení kombinované odezvy konstrukce a koleje

CÍL METODIKY
Úvod do řešené problematiky kombinované odezvy
Problematika koleje na mostech je aktuální zejména v souvislosti s interoperabilitou evropské železniční infrastruktury. Aktuální vyhláška pro interoperabilitu subsystému infrastruktura Nařízení Komise (EU) č. 1299/2014 (TSI 1299/2014/EU) je platná od 1. 1. 2015. Tato vyhláška striktně požaduje dodržení předmětných článků norem s ohledem na zajištění interoperability železniční sítě, což je dáno směrnicí Evropského parlamentu a Rady 2008/57/ES. Nově se požadavky vztahují na celou síť státních drah a ne jenom na tratě v soustavě TEN‑T.

Oblast interakce koleje a mostní konstrukce zahrnuje poměrně širokou problematiku definování základních vstupních parametrů, které jsou v současné době předmětem zkoumání v rámci výzkumných úkolů zaměřených na tuto problematiku. Zejména se jedná o měření na stávajících mostních objektech, numerické modely apod.

Dosud používaný předpis SŽDC S3 – Železniční svršek pro posouzení kombinované odezvy neodpovídá metodice posouzení dle ČSN EN 1991‑2. I přes tuto skutečnost je třeba uvést, že zásady posouzení kombinované odezvy dle tohoto předpisu jsou prověřeny mnohaletými zkušenostmi na realizovaných mostech a experimentálním měřením, což je vhodné využít při tvorbě navazujících návrhových postupů.

Dle požadavků normy ČSN EN 1991‑2 je nutné při návrhu mostní konstrukce posoudit tzv. kombinovanou odezvu mostní konstrukce a koleje na proměnná zatížení, tzn. vyšetřit vzájemný přenos silových účinků z koleje do mostní konstrukce a naopak. V požadavcích ČSN EN 1991‑2 se jedná o stanovení mezních přírůstků napětí od proměnných zatížení a mezních přetvoření mostní konstrukce.

Pro návrh mostní konstrukce je použití článků ČSN EN 1991‑2 ke kombinované odezvě konstrukce a koleje podmíněno řadou vstupních předpokladů, což velmi omezuje jejich širší využití. V normě však chybí stanovení dalšího jednotného postupu pro případy, kdy nejsou předpoklady splněny. Při použití v inženýrské praxi, tak často dochází k použití náhradních způsobů řešení, které nejsou koncepčně jednotné a více či méně mimo rámec platnosti ČSN EN 1991‑2 viz schéma postupu návrhu mostu uvedené na obr. 1. Jedná se o náhradní řešení inženýrského problému, který je způsoben absencí normativních postupů.

Cíle projektu
Jak již bylo uvedeno v předchozí části, hlavním důvodem vzniku metodiky je absence normativních postupů k dané problematice, které by řešily širší spektrum možných případů. Současné požadavky normy ČSN EN 1991‑2 vyplývající z posouzení vzájemného působení mostu a koleje vedou ke konstrukčním problémům při návrhu spodní stavby včetně jejího založení. Navrhovaná technická řešení mostních konstrukcí (zejména mostní konstrukce s velkými dilatačními délkami) jsou často na hranici technických možností použitých materiálů, konstrukčního řešení a geotechnických poměrů. Pro možnost efektivně řešit tyto složitější případy mostních konstrukcí je potřebné zpracovat i odpovídající metodické postupy, které umožní optimalizaci jejich návrhu. Sjednocení návrhových postupů v dané problematice přispěje k zvýšení bezpečnosti železniční dopravní cesty, k zvýšení efektivity technického řešení mostní konstrukce, k snížení investičních nákladů na mostní konstrukce a v neposlední řadě i k snížení negativních dopadů železniční dopravy na životní prostředí.

Tvorba metodiky řešení kombinované odezvy konstrukce a koleje navazuje na připravovanou změnu Z4 k ČSN EN 1991‑2 (předpoklad platnosti od 1. 1. 2016). Návrh změny národní přílohy NA k této normě (Změna Z4 je řešena v rámci TNK 38), byl zpracován roce 2014 v rámci úkolu technického rozvoje [ÚTR] pro SŽDC s. o. (ISPROFOND 5006210082). V rámci ÚTR byla řešena oblast kapitol normy ČSN EN 1991‑2 týkajících se zatížení mostů dopravou. Zpracovatelem ÚTR byla společnost SUDOP PRAHA a. s., která je řešitel i tohoto projektu Technologické agentury ČR TA03031099 (TAČR). V rámci tohoto projektu TAČR tedy dochází k metodickému zpracování jednotlivých článků připravované změny Z4 k ČSN EN 1991‑2 v oblasti kombinované odezvy.

Cílem projektu je vytvoření jednotné obecné metodiky dle principů uvedených v ČSN EN 1991‑2 s uvážením podmínek provozu železnice na území ČR a tím zajištění jednotného a efektivního postupu při posuzování kombinované odezvy konstrukce a koleje v inženýrské praxi. Na základě této metodiky bude možné zahájit přípravu konkrétních postupů v rámci definovaných algoritmů posouzení kombinované odezvy konstrukce a koleje s následným využitím pro při přípravě technického dokumentu. Ve struktuře technických dokumentů vlastníka státních drah SŽDC s. o. se jedná o tzv. mostní vzorový list (MVL).

Metodický postup při návrhu dispozice mostní konstrukce
Popis postupu návrhu železniční mostní konstrukce (viz obr. 2):

1. Celý proces návrhu železniční mostní konstrukce začíná návrhem dispozice na základě daných okrajových podmínek (přemosťovaná překážka, požadavky na vedení koleje, možnosti návrhu spodní stavby).
2. Výsledkem návrhu dispozice je statické schéma mostní konstrukce, konstrukční uspořádání mostu a odhad ekvivalentní tuhosti spodní stavby v podélném směru Kx.
3. Po návrhu dispozice je dalším krokem posouzeni „Kombinované odezvy mostní konstrukce a koleje“ (viz kap. 2.2 nebo kap. 2.3 metodiky).
4. V případě nevyhovujícího posouzení kombinované odezvy je nutné upravit návrh dispozice mostního objektu tzn. krok zpět na bod 1. Úpravy obvykle spočívají ve změně statického schématu, zvýšení tuhosti spodní stavby Kx nebo případně i ve změně vstupních okrajových podmínek např. požadavků na železniční svršek (např. možnost vložení KDZ), použití moderních prvků konstrukce železničního svršku apod. Rozsah úprav je nutné vyhodnotit na základě výsledků posouzení kombinované odezvy.
   
   Pozn.: Tento postup se opakuje, než je dosaženo vyhovujícího posouzení kombinované odezvy.
   
   
5. V případě vyhovujícího posouzení kombinované odezvy následuje ověření vstupních parametrů, které sloužily pro její provedení. Pro návrh spodní stavby mostu je nutné vyhodnotit součinitele přenosu vodorovné reakce x pro jednotlivé účinky proměnných zatížení (brzdné/rozjezdové síly, teplotní změny mostu a deformace mostní konstrukce od provozních zatížení).
6. Ze zjištěných vodorovných reakcí lze navrhnout spodní stavbu a stanovit její ekvivalentní tuhost Kx (podélná tuhost spodní stavby v úrovni podepření nosné konstrukce (ložisek), která zahrnuje jak vliv deformace vlastního dříku, tak deformaci základu a založení).
7. Stanovené parametry tuhosti je nutné porovnat s předpoklady, protože na jejich hodnotách je závislá velikost vodorovných reakcí použitých pro návrh spodní stavby. V případě menší tuhosti dochází k většímu přenosu vodorovných účinků kolejí a tedy ke snížení vodorovné reakce na spodní stavbu a v opačném případě, kdy je tuhost vyšší dochází ke zmenšení přenosu vodorovných účinků kolejí a tedy ke zvýšení vodorovné reakce na spodní stavbu.
8. V případě nevyhovující shody parametrů tuhosti spodní stavby je nutné provést opětovné posouzení kombinované odezvy, tzn. krok zpět na bod 3. 
   
   Pozn.: tento postup se opakuje, než je dosaženo shody tuhostí spodní stavby s předpoklady posouzení kombinované odezvy.
   
   
9. V případě vyhovující shody parametrů tuhosti spodní stavby je možné dokončit návrh mostní konstrukce.

Celý postup návrhu dispozice mostního objetu je tedy iterační a v jeho průběhu může docházet i k výrazným změnám v uspořádání mostního objektu. S tímto faktem musí projektant počítat při odhadu náročnosti výpočtu i jeho možných dopadů. Posouzení kombinované odezvy není možné provádět až na závěr projekčních prací, ale vzhledem k jeho koncepčnímu dopadu hned na jeho začátku.

ZÁVĚR
Předložená metodika zpracovává jeden z možných postupů při posuzování kombinované odezvy konstrukce a koleje v případech, kdy nejsou splněna kritéria použití ČSN EN 1991‑2 nebo je požadováno přesnější řešení dané problematiky viz schéma postupu na obr. 3.

Metodika rozpracovává předmětné články změny Z4 Národní přílohy k ČSN EN 1991‑2. Dále jsou v rámci metodiky přijaty určité zjednodušující předpoklady a definovány základní okrajové podmínky pro její aplikaci. Metodika tak nově poskytuje možnost v projekční praxi jednotně řešit oblast fyzikálně známých jevů, pro které norma neposkytuje způsoby řešení.

The Methodology for Assessing the Combined Response of Structure and Track
Within the research task of Technologická agentura ČR (Technology Agency of the Czech Republic) number TA03031099 – “Optimisation of the Construction Designs of Transport Infrastructure in Terms of Increasing Their Durability and Safety of Operation” a certified “Methodology for Assessing the Combined Response of Structure and Track” was created. This methodology will be the base for creating MVL 150. The article brings the basic introduction to this document, which is freely available for downloading on the web page of the Czech Technical University in Prague, Faculty of Civil Engineering.

Autoři

• Ing. Vlasák Martin
• Doc. Ing. Foglar Marek PhD.