FUNDAMENTY PALOWE DLA KOLEI DUŻYCH PRĘDKOŚCI. Trzy dekady doświadczeń i nowe wyzwania dla technologii

Kolej dużych prędkości oznacza nowe wymagania

Doświadczenia zdobyte na liniach o prędkościach do 200 km/h nie mogły zostać bezpośrednio przeniesione na projektowane linie KDP. Wraz ze wzrostem prędkości do 250–350 km/h istotnie zmienia się charakter oddziaływań aerodynamicznych.

Przejeżdżający pociąg dużych prędkości generuje zmienne w czasie fale ciśnienia oraz intensywne przepływy powietrza. Powodują one krótkotrwałe, impulsowe obciążenia słupów trakcyjnych, których nie opisują obowiązujące normy projektowe. O ile normy dobrze określają oddziaływania na elementy wielkopowierzchniowe, takie jak ekrany akustyczne, o tyle smukłe konstrukcje wsporcze wymagają znacznie bardziej zaawansowanego podejścia.

Szczegółowej analizie poddaliśmy najbardziej odpowiedzialny element – kotwy śrubowe, stanowiące połączenie słupa z fundamentem. Podczas wieloletniej eksploatacji przenoszą one obciążenia o zmiennym kierunku i intensywności, dlatego konieczna była szczegółowa analiza ich trwałości zmęczeniowej.

Badania CFD – gdy normy nie wystarczają

Odpowiadając na wyzwania związane z budową kolei dużych prędkości, zainicjowaliśmy kompleksowy program analiz, powierzając firmie Symkom wykonanie zaawansowanych symulacji z wykorzystaniem numerycznej mechaniki płynów (CFD).

Analizę przeprowadzono w środowisku Ansys Fluent z wykorzystaniem modelu pociągu TGV Duplex poruszającego się z prędkościami 250 oraz 350 km/h. Dynamiczna siatka obliczeniowa pozwoliła wiernie odwzorować ruch pociągu względem infrastruktury oraz zarejestrować chwilowe zmiany ciśnienia, kierunek i wartość sił działających na konstrukcje wsporcze.

Analizy wykazały, że oddziaływanie aerodynamiczne nie jest pojedynczym impulsem fali uderzeniowej, lecz złożonym procesem obejmującym pięć faz przejazdu pociągu – od zbliżania się czoła składu aż po oddziaływanie śladu aerodynamicznego. Największe impulsy trwają zaledwie od 0,1 do 0,2 sekundy, jednak ich wielokrotne powtarzanie w całym okresie eksploatacji ma kluczowe znaczenie dla trwałości połączenia konstrukcji wsporczej z fundamentem palowym.

Synergia badań i nowoczesnej produkcji

Przeprowadzona analiza CFD parametrów przepływu jak i analiza MES odpowiedzi dynamicznej słupa sieci trakcyjnej oraz analiza nośności zmęczeniowej połączenia wykazały, że zarówno dla prędkości 250 km/h, jak i 350 km/h naprężenia w kotwach mają wartości znacznie mniejsze niż wytrzymałość zmęczeniowa trwała dla kotwy fundamentu palowego. Oznacza to, że nawet długotrwała eksploatacja nie prowadzi do kumulacji uszkodzeń mogących zagrozić trwałości połączenia.

Technologia odpowiadająca wyzwaniom inwestycji KDP

Budowa nowych linii kolei dużych prędkości, w tym projektów realizowanych w ramach programu Centralny Port Komunikacyjny – Port Polska, wymaga nie tylko niezawodnych rozwiązań konstrukcyjnych, ale również technologii umożliwiających sprawną realizację robót.

Prefabrykowane fundamenty palowe pozwalają wyeliminować roboty mokre, wykonywanie głębokich wykopów oraz transport dużych ilości urobku. Fundament i słup mogą zostać zamontowane podczas jednego cyklu roboczego. Wszystkie te elementy znacząco skracają czas realizacji inwestycji i ograniczają wpływ warunków atmosferycznych na harmonogram prac, co zdecydowanie trzeba podkreślić, szczególnie w kontekście krajowych warunków zimowych.