College CT3041 CONSTRUCTIEF ONTWERP VAN SPOORWEGEN Deel 1, INLEIDING RAILBOUWKUNDE. Prof.dr.ir. C. Esveld

CT3041 Geometrisch en constructief ontwerp van wegen en spoorwegen

College CT3041

CONSTRUCTIEF ONTWERP VAN SPOORWEGEN Deel 1, INLEIDING RAILBOUWKUNDE

Prof.dr.ir. C. Esveld

www.rail.tudelft.nl Constructief ontwerp van spoorwegen 1

1


INDELING COLLEGE 

Inleiding



Spoorconstructies



Onderhoud



Bovenleiding, energie, beveiliging en materieel



Ontwerpproblematiek



Case study

Verdere colleges Railbouwkunde: 

CT4870 Basiscollege



CT5870 Bijzondere onderwerpen Constructief ontwerp van spoorwegen 1

2


Dinsdag 4 okt

1 2

Inleiding Klassieke Constructies

Woensdag 5 okt

3 4

Klassieke Constructies Klassieke Constructies

Dinsdag 11 okt

1 2

Niet klassieke constructies Niet klassieke constructies

Woensdag 12 okt 3 4

Niet klassieke constructies Niet klassieke constructies

Vrijdag 14 okt

1 2 5 6

Project (ARCADIS) Project (ARCADIS) Sommen (V.L. Markine) Sommen (V.L. Markine)

Dinsdag 18 okt

1 2

Onderhoud en vernieuwing Onderhoud en vernieuwing Constructief ontwerp van spoorwegen 1

3


HISTORISCHE ONTWIKKELING 

Eerste toepassing Engelse mijnen 16de eeuw;



1760: Houten rails bekleed met ijzeren platen;



1800:  Eerste vrijdragende rails met gietijzeren stoelen;  Geleiding door wiel met flens;  Voortbeweging via mankracht/paardekracht;



1804: Eerste stoomloc door Trevithick;



1814: George Stephenson’s stoomloc met vlampijp;



1825: Eerste spoorlijn Stockton - Darlington;



1839: Amsterdam - Haarlem Constructief ontwerp van spoorwegen 1


SPOORWEGEN ONTLENING BESTAANSRECHT AAN: 

gering ruimtegebruik t.o.v. grote vervoerscapaciteit



betrouwbaarheid en veiligheid



beheersbaarheid



geringe milieubelasting

VOOR REIZIGERSVERVOER: 

hoogwaardig voorstads- en stadsvervoer



snelle intercity-dagverbindingen tot 800 km



comfortabele intercity-nachtverbindingen tot 1500 km



seizoen-chartervervoer (evt. met auto) Constructief ontwerp van spoorwegen 1

5


STEDELIJKE AGGLOMERATIES  Vervoer over korte afstand en in grote agglomeraties:  

S-Bahn, commuter service, RER grote metro systemen: alle miljoenensteden Londen, Parijs, Tokio, Seoul, San Francisco

 Belangrijk is een goede integratie met andere vormen van

vervoer:  voor- en natransport: metro, tram, bus, auto en fiets

Constructief ontwerp van spoorwegen 1

6


METRO EN TRAM 

TRAM: steden met meer dan 300 000 inwoners



METRO: miljoenen steden, langer, grotere capaciteit, eigen infra, dikwijls onder de grond of elevated



TUSSENVORMEN: sneltram, light rapid transit


7


METRO- EN TRAMBEDRIJVEN ANNO 1990 Europa Azië Afrika Noord-Amerika Midden- en Zuid-Amerika Australië TOTAAL

METRO 35 15 0 10

TRAM 225 65 5 25

5 0

5 2

65

325


8


Globale kenmerken van light-rail: 

vrije baan (in principe) en prioriteit



hogere snelheid



hoge capaciteit, alleen metro's hebben een hogere capaciteit



passagiers stappen in en uit bij stations en niet bij halten



veelzijdigheid, hoge snelheden op vrije banen en doordringend in nauwe historische centra


9


Belangrijkste railinfra projecten:  HSL Zuid verbinding (Amsterdam – Rotterdam - Belgische grens): dit eerste hogesnelheidsproject in Nederland is volop in uitvoering.  Betuweroute (Maasvlakte – Duitse grens): de werken voor deze goederenlijn zijn volop in uitvoering.  RandstadRail (light-rail verbindingen tussen de grote steden in de Randstad). Project dient ter verbetering van de mobiliteit op regionaal niveau en zal gedeeltelijk bestaande NS sporen gebruiken.


10


LENGTE SPOORLIJNEN ANNO 1990 Lengte 1000 km Europa Azië Afrika Noord-Amerika Midden- en Zuid-Amerika Australië Totaal

Bestaand

Aanleg

530 250 80 420 150 50

10 110 10 3 15 3

1500

150


11


ENKELE VERVOERS-KARAKTERISTIEKEN modal split Nederland West-Europa USA Japan

7% 8% 1% 38%

reizkm/ inwoner 650 800 100 2,700

mio reizkm/ km spoor 3 1 0.07 10

mio tonkm/ km spoor 1 1.5 4.4 0.7


12


AANTAL ASSEN EN GEWICHT PER AS aantal assen

leeg

beladen

trams

4

50 kN

70 kN

light-rail

4

80 kN

100 kN

reizigers rijtuig

4

100 kN

120 kN

rijtuig + motor

4

150 kN

170 kN

locomotieven

4 of 6

215 kN

--

goederen

2

120 kN

225 kN

heavy haul (USA, Australië)

2

120 kN


250-350 kN 13


MAXIMALE SNELHEDEN passagierstreinen

goederen treinen

--

30-40 km/h

secundaire lijnen

80-120 km/h

60-80 km/h

hoofdlijnen

140-200 km/h

100-120 km/h

hogesnelheidslijnen*

250-300 km/h

spooraansluitingen

*wereldrecord = 515.3 km/h (TGV-SNCF, mei 1990) Constructief ontwerp van spoorwegen 1

14


FINANCIERING Aanlegkosten infrastructuur hoog 

Seoul - Pusan GEUR 16 (900 km infra, spoor en materieel)



10 MEUR/km

Trend: 

Overheid eigenaar infra



Exploitant betaalt


15


VOEGLOOSSPOOR

belangrijkste doorbraak!!

NADELEN:

VOORDELEN: 

geen gebonk



grote axiale krachten



lage dynamische belastingen



remmen



minder onderhoud



temperatuur



knikgevaar (spatten)

 rails (verslagen koppen)  ballast t.p.v. voeg  wielen SPECIALE AANDACHT VOOR: 

bruggen, wissels, krappe bogen Constructief ontwerp van spoorwegen 1

16


ACTUELE ONDERWERPEN 

hoge snelheden: 200 - 350 km/h



levensduurverlenging 100 - 1000 MGT, lasgeometrie en korte golven



onderhoudsarm construeren, oa via slab track



Contactmechanica: Rolling Contact Fatigue (RCF), lasgeometrie



Optimalisatie wiel en railprofielen



Asset Management: kostenbeheersing/life cycle kosten



trillingsisolatie



ontsporingveiligheid



veiligheidsaspecten voegloosspoor


17


WIEL RAIL PROBLEMATIEK 

overdracht krachten wiel-rail via enkele cm2



conformiteit wielen railprofiel belangrijk



spoorstaafproblemen: head check, shelling, squats



remedie: slijpen, goede conformiteit wiel en railprofiel

Problemen treden niet alleen op bij heavy haul; ook metrobedrijven met krappe bogen: 

smeren



reprofileren Constructief ontwerp van spoorwegen 1

18


HOGE SNELHEDEN DYNAMICA  bodem trillingen (milieu)  golfvoortplanting in rijrichting trein  grond dynamica/verweking  interactie voertuig bovenbouw/onderbouw


19


VOERTUIG-BOVENBOUW INTERACTIE bak



x

secundaire vering draaistel 1

2

wielstel veer (Hertz)

z primaire vering onderlegplaatje dwarsligger 3 ballast

4

onderbouw


20


CRITICAL TRAIN SPEED

CR  CT 

G



On soft soils wave propagation is a major issue


21


SOFT SOILS

PILED FOUNDATION HSL-SOUTH 35 m Rheda 2000 slab

35 m Concrete supporting structure

SOIL STABILIZATION VIA LIME TREATMENT surface layer lime treated clay layer with improved bearing behaviour

untreated clay layer


22


DYNAMICA 

Onafgeveerde massa



Afgeveerde massa’s bak en draaistel



Elasticiteit spoor  ballastbed voor lage frequenties  railbeddingplaatje voor hoge frequenties



Bodemtrillingen (milieu)



Golfvoortplanting in rijrichting trein



Ontsporingsveiligheid Y/Q

 Systeembenadering Constructief ontwerp van spoorwegen 1

23


TRACK LOADS

• Wavelength  • Frequency f

v  f

[m] Forces

Passenger comfort



TRACK DETERIORATION Short-wave forces

Deterioration

Long-wave track irregularities

[m] Forces

Passenger comfort 0.7 – 1 Hz

QI’s from Track recording cars



VOERTUIGSTABILITEIT Kritische snelheid wordt bepaald door:  draaistelmassa en traagheidsmomenten bepalend voor de sinusloop  equivalente coniciteit  langs- en dwarsstijfheid wielstel in draaistelframe  lengte wielbasis Alleen equivalente coniciteit kan via spoor worden beïnvloed:  dwarsprofiel spoorstaaf  spoorwijdte  inbouwhelling spoorstaaf Constructief ontwerp van spoorwegen 1

26


SCHAALVERGROTING 

Lage snelheden, geringe aslasten  Empirische aanpak



Spoorwegongeluk Weesp 13.09.1918  aanleiding tot oprichting Grondmechanica Delft in 1934 op initiatief van Keverling Buisman


27



28


WORLD SPEED RECORDS 1825 1846 1903 1954 1955 1981 1988 1990

England England Germany France France France Germany France

steam steam electr electr electr electr electr electr

47 km/h 120 km/h 210 km/h 243 km/h 331 km/h 380 km/h 400 km/h 515.3 km/h


29


RAILBOUWKUNDE:       

 

Spoorwegen Trams Metro’s Sneltrams Kraanbanen Industriesporen Nieuwe concepten

    

HSL Betuwe Route Heavy Haul Maglev Light Rail

Instandhouding: onderhoud en vernieuwing Rationeel railbeheer Constructief ontwerp van spoorwegen 1

30


LANGSDOORSNEDE SPOORCONSTRUCTIE aslast maximum 22.5 t rail UIC 54

 = 900 N/mm²

25 - 30 cm ballast (steenslag 30/60) onderbouw


dwarsligger, afstand 0.6 m, beton of hout 10 cm grind

31


SPOORSPATTING



TGV TRACK WITH TWINBLOCK SLEEPERS



KTX SPOOR MET MONOBLOCK DWARSLIGGERS

Seoul – Pusan 412 km double track



EUROPEES HOGESNELHEIDS NETWERK Helsinki

Oslo

St. Petersburg

Stockholm Moskva

Tallinn Göteborg Gl as

Riga go w

Vilnius

København Gdansk Hamburg

Dublin Amsterdam London

Berlin

Köln Bruxelles Frankfurt Luxembourg Paris

Praha

Warszawa

Lyon

Kijev

Katowice L'vov

Nürnberg

Wien

München

Bratislava Kisin'ov

Budapest

Bern

New lines or upgraded lines to be negoctiaded European key links

Minsk

Odessa

Ljubljana Zagreb

Milano Bologna

Beograd

Marseille

Bucuresti

Sarajevo Sofija Skopje

Roma

Barcelona

Istanbul

Tiranë Madrid Lisboa

Ankara

New lines > 250 km/h Upgraded lines ± 200 km/h Modernised lines 160 km/h < 140 km/h in eastern part of Europe Link lines

Napoli

Athinai



KTX ELEVATED TRACK

Seoul – Pusan 412 km double track Constructief ontwerp van spoorwegen 1

36



37


RECHTS WISSEL VOOR HOGE SNELHEDEN


38



39



40



41



42


BRUG HOLLANDSDIEP HSL-ZUID


43


HSL-ZUID WISSELS LAGE-ZWALUWE


44


HSL-ZUID WISSELS LAGE-ZWALUWE


45



46


Principe Pio Station

MADRID METRO: Edilon Block System


47



48



49

College CT3041 CONSTRUCTIEF ONTWERP VAN SPOORWEGEN Deel 1, INLEIDING RAILBOUWKUNDE. Prof.dr.ir. C. Esveld

Recommend Documents