Kolej dużych prędkości – jak nowoczesne technologie wspierają badania związane z zapewnieniem bezpieczeństwa.

Budowa linii kolejowych dużych prędkości wymusza stosowanie rozwiązań konstrukcyjnych o najwyższej niezawodności. Konieczne jest również sprawdzenie, przed ich zastosowaniem, przydatności i bezpieczeństwa rozwiązań istniejących. Jednym z takich rozwiązań jest połączenie słupa sieci trakcyjnej z fundamentem palowym. Szczególnym obszarem naszej analizy była współpraca tych elementów podczas oddziaływania fali uderzeniowej generowanej przez pociąg dużych prędkości.

Historia zastosowania fundamenty palowe w polskiej kolei

Technologia udarowo wbijanych fundamentów palowych funkcjonuje w Polsce od około 30 lat. Pierwsze instalacje wykonano w 1995 roku jako projekty pilotażowe, a już rok później zaczęto stosować je powszechnie na liniach kolejowych. Od tego czasu, ze względu na liczne zalety tej metody – stała się ona podstawowym i preferowanym rozwiązaniem, zarówno przez Zarządcę linii kolejowych, jak i Wykonawców robót sieciowych. Palowanie udarowe to doskonała technicznie metoda, która przez lata stosowania pozwoliła wykonawcom sieci trakcyjnej zbudować potencjał techniczny, osiągnąć doświadczenie, wysoką jakość wykonania, której towarzyszy wysoka wydajność i efektywność ekonomiczna – może być realizowana przez 12 miesięcy w roku. Również wieloletnie doświadczenie projektowe i wykonawcze wskazuje na zalety stosowania fundamentów palowych instalowanych udarowo nie tylko w gruntach rodzimych, ale również w gruntach dodatkowo zagęszczanych.

Szacujemy, że w ciągu 30 lat zbudowano i zmodernizowano około 14 000 km sieci trakcyjnej z zastosowaniem techniki palowania.

Powyższe dane to najlepsza rekomendacja dla technologii wykonywania fundamentów pod słupy sieci trakcyjnej tą metodą.

Wyzwania kolei dużych prędkości w Polsce

Wprowadzenie kolei osiągających prędkości 250–350 km/h oznacza zupełnie nowe wymagania dla infrastruktury kolejowej. Nie ulega wątpliwości, że nie ma w krajowej praktyce doświadczenia w budowie i eksploatacji sieci trakcyjnej dla prędkości 250 km/h i 350km/h.

Dotyczy to wielu elementów infrastruktury kolejowej w tym również połączenia śrubowego fundamentów palowych z konstrukcją wsporczą sieci.

Słupy trakcyjne nie są obciążane jedynie statycznie – działają na nie zmienne, dynamiczne siły o różnym kierunku i intensywności.

Kluczowym problemem jest oddziaływanie aerodynamiczne pociągów na elementy znajdujące się w pobliżu toru. Fala ciśnienia generowana przez przejeżdżający skład oddziałuje bezpośrednio na konstrukcję słupów sieci trakcyjnej i dalej na połączenie słupa sieci z fundamentem. Zagadnieniem kluczowym było określenie wytrzymałości zmęczeniowej kotwy śrubowej, łączącej słup sieci trakcyjnej z fundamentem.

Aby uzyskać dane, niezbędne do wykonania analizy obliczeniowej, zastosowaliśmy zaawansowane narzędzia, w tym symulację CFD. Pozwalają one dokładnie określić siły działające na konstrukcję w różnych fazach przejazdu pociągu – od zbliżania się czoła składu po ślad aerodynamiczny. Metoda modelowania cyfrowego okazała się by idealnym rozwiązaniem, gdyż normy, dla opisywanego przypadku, zupełnie milczą.

Podsumowanie

Wykonana analiza obliczeniowa danych uzyskanych z modelowania CFD (numerycznej mechaniki płynów) aerodynamicznego obciążenia słupów sieci trakcyjnej od impulsu wytwarzanego przez przejeżdżający pociąg dużych prędkości wykazała, że dla przebadanych słupów trakcyjnych problem zmęczenia kotew śrubowych fundamentów palowych nie występuje - spełnione są kryteria wytrzymałości zmęczeniowej trwałej dla prędkości pociągu 250 km/h oraz 350 km/h.
Potwierdza to przydatność fundamentów palowych pod konstrukcje wsporcze sieci trakcyjnej oraz odciągów prętowych jako odpowiedniego rozwiązania dla kolei dużych prędkości.

Na podstawie stosownego wniosku i dołączonych raportów z badań i obliczeń – PKP Polskie Linie Kolejowe S.A. wydały dopuszczenie do stosowania dla fundamentów palowych pod konstrukcje wsporcze sieci trakcyjnej i odciągi prętowe dla zasilania 25 kV AC i prędkości V≤ 250 km/h.