Efekt progowy jest postrzegany jako zespół niekorzystnych zjawisk w postaci nadmiernych deformacji, oddziaływań dynamicznych, zużycia oraz uszkodzeń elementów nawierzchni, podtorza i obiektu. Występują one w miejscach łączenia różnych typów nawierzchni szynowych – tzw. nawierzchni podsypkowych z bezpodsypkowymi, ewentualnie w miejscach łączenia nawierzchni tego samego typu, ale ułożonych na różnych podłożach, np. podłoże ziemne (podtorze), obiekt inżynieryjny. Często występuje równoczesna zmiana typu nawierzchni i podłoża. Na ogół efekt progowy jest analizowany przez pryzmat różnicy sztywności pomiędzy nawierzchniami bądź układami nawierzchnia–podłoże, która jest źródłem nadmiernych oddziaływań dynamicznych pojazd–nawierzchnia i prowadzi do przyspieszonej degradacji nawierzchni, podtorza i obiektu. Podczas projektowania rozwiązań w strefach przejściowych dąży się do utworzenia rampy, która powinna posiadać odpowiedni gradient sztywności lub/i nierówności geometrycznej. Równocześnie stosuje się zabiegi, których celem jest zmniejszenie sztywności nawierzchni na obiekcie, np. poprzez zastosowanie bardziej podatnych przekładek podszynowych.Do tej pory nie przyjęto jednolitego standardu konstrukcyjnego w zakresie wzmacniania podtorza. Natomiast w zakresie nawierzchni ciągle poszukiwane są nowe rozwiązania, a długości stref przejściowych są zwiększane (nawet do 60 m). W Polsce nie ma standardowych rozwiązań nawierzchniowych. Współczesne systemy nawierzchni bezpodsypkowych charakteryzują się regulowanymi sztywnościami, dzięki czemu są bardzo zbliżone do sztywności nawierzchni podsypkowych. Przy odpowiednim doborze nawierzchni efekt progowy nie powinien występować i wzmacnianie nawierzchni mogłoby wydawać się niepotrzebne. Nie potwierdzają tego jednak doświadczenia eksploatacyjne oraz badania modelowe. Problem efektu progowego nie da się sprowadzić tylko do różnicy sztywności pomiędzy nawierzchniami. Celem pracy jest zatem wyjaśnienie zjawiska efektu progowego w nawierzchniach szynowych z uwzględnieniem zmiany kilku parametrów nawierzchni: sztywności podłoża oraz zginania układu nośnego nawierzchni, jej masy i tłumienia oraz różnic w sposobie przenoszenia obciążeń szyna–podłoże. Różnice w sposobie przenoszenia obciążeń pomiędzy nawierzchniami podsypkowymi i bezpodsypkowymi polegają nie tylko na zmianie amplitudy dynamicznych linii ugięcia szyny (tj. sztywności nawierzchni), ale przede wszystkim na zmianie całej linii ugięcia, nawet przy takich samych amplitudach (tj. przy równych sztywnościach) na obu nawierzchniach. Zmiana ta związana jest z innym charakterem więzów pomiędzy szyną a podłożem, które są różne dla nawierzchni podsypkowych i bezpodsypkowych. Efekty te nie były do tej pory badane w literaturze. W związku ze zmianą całej linii ugięcia szyny (fali zginania) na granicy pomiędzy dwoma nawierzchniami mogą występować zjawiska odbicia oraz interferencji fal, które zwiększają oddziaływania na nawierzchnię i stanowią istotną składową efektu progowego. Podłoże nawierzchni jest w pracy traktowane jako pośrednie źródło efektu progowego, które ulega różnego typu deformacjom. Układ pracy jest następujący: w rozdziałach 2 i 3 zestawiono przyczyny efektu progowego oraz podano przykłady stosowanych rozwiązań technicznych w podtorzu i nawierzchni. W rozdziale 4 omówiono parametry mechaniczne nawierzchni podsypkowych i bezpodsypkowych zwracając uwagę na cztery globalne parametry, takie jak: sztywność podłoża, sztywność zginania układu nośnego nawierzchni, masę oraz tłumienie obciążeń dynamicznych. Wskazano, że różnice sztywności nawierzchni podsypkowych i bezpodsypkowych – poza nielicznymi wyjątkami – nie są tak duże jak się na ogół uważa. W rozdziale 5 przytoczono liczne badania modelowe dotyczące pracy nawierzchni szynowych o znaczeniu ogólnym oraz zaakcentowano te wyniki prac, które bezpośrednio rzucają światło na problem efektu progowego. W rozdziale 6 przedstawiono własne, analityczne podejście do analizy belki na podłożu sprężystym o niesymetrycznych więzach oraz o raptownie zmieniających się parametrach globalnych nawierzchni. Wykazano, że bardziej niekorzystna z punktu widzenia oddziaływań jest zmiana sztywności zginania nawierzchni szynowej niż zmiana sztywności podłoża. Zaproponowano hipotezę odbicia fali zginania od granicy pomiędzy nawierzchniami. Wykazano, że przy łączeniu nawierzchni podsypkowej z bezpodsypkową występuje niekorzystna zmiana masy nawierzchni i tłumienia obciążeń dynamicznych. W rozdziale 7 przeprowadzono analizy numeryczne efektu progowego z wykorzystaniem modeli MES oraz MRS. Wyniki porównano z uzyskanymi w sposób analityczny. W rozdziale 8 przedstawiono badania doświadczalne przeprowadzone pod kontrolowanym obciążeniem na dwóch odcinkach badawczych i skonfrontowano je z wynikami obliczeń. W rozdziale 9 przedstawiono uzupełniające obliczenia wielkości efektu progowego w wyniku zmiany globalnych parametrów nawierzchni. W rozdziale 10 podano opis prototypowej konstrukcji nawierzchniowej i przedstawiono jej badania numeryczne oraz doświadczalne. W rozdziale 11, podsumowując wyniki pracy, podano definicje efektu progowego rozróżniając efekt progowy pierwotny, mający charakter mechaniczny, oraz wtórny o charakterze geometrycznym. Nakreślono także kierunki dalszej pracy.
The transition effect, also called jump & bump (JB) effect, in rail tracks is perceived as a set of unfavorable effects in form of excessive deformation, dynamic loads, wear and damage of the track components, the subgrade and the engineering object. They appear in the case of joining tracks of different types – i.e. ballasted tracks and ballastless tracks, or in the case of joining tracks having the same structure but laid on different subgrade or in the areas in front of engineering objects that exhibit a change in the track support characteristics. A simultaneous change in the track structure and in the track support conditions is a very common case. On the whole, the JB effect is analyzed from the point of view of the stiffness difference between the tracks or between the track-subgrade systems, which is seen as the cause of excessive dynamic loads, which in turn lead to accelerated deterioration of the track, the subgrade and the object. The design process of the so-called transition zones is aimed at creating a ramp which should have a sufficient stiffness gradient or/and geometrical gradient of the rails. At the same time, the track stiffness on the bridge is adjusted by applying softer rail pads or other solutions. As yet there is no uniform structural solution with regard to the subgrade construction. Moreover, with regard to the track, still new structures are constructed and the lengths of the transition zones are increased (up to 60 m). In Poland there are no standard track structures in order to diminish the JB effect. Present day ballastless (or slab) track systems feature adjustable stiffness facilities which make it possible to obtain stiffness very close to that of the ballasted track. Therefore, a proper adjustment of track stiffness should eliminate the BJ effect and – in consequence – track and subgrade reinforcement should not be necessary. However, both the research and the construction practice do not corroborate this statement. Thus, the problem of the JB effect cannot be reduced to only the stiffness difference between the track-subgrade systems that are joined together. The aim of the work is to explain the JB effect in rail tracks taking into account changes4 in several parameters of the track such as support stiffness and bending stiffness of the tracks, the mass and damping parameters of tracks as well as the differences in the way the tracks bear loads from the rail into the subgrade. The differences in the way the ballasted and ballastless tracks bear loads involve not only the change in the rail deflection amplitude (corresponding to the tracksubgrade stiffness) but – in the first place – they involve a change in the entire deflection line even if the amplitude (i.e. stiffness) is the same on both tracks. This change results from the rail-support constrains, which are significantly different for ballasted and ballastless tracks. These effects have not been examined in literature so far. Due to the change in the entire deflection line (deflection wave) at the border between the two joined tracks, reflection and interference of bending waves may occur, which amplify the dynamic loads and constitute an essential part of the JB effect. The tracks support is treated in the work as a passive source of the JB effect, and which undergoes various deformations. The monograph is composed in the following way: in Chapters 2 and 3 the causes of the JB effect were juxtaposed and examples of the track and subgrade structural solutions were shown. In Chapter 4 mechanical parameters of ballasted and ballastless tracks were discussed with an emphasis on the four global parameters such as: foundation stiffness, bending stiffness, mass and damping of dynamic loads. It was indicated that the differences in overall track stiffness between ballasted and ballastless tracks – with few exceptions – are generally not so large as it is commonly believed. In Chapter 5 some model research of a general significance for rail tracks was quoted and enhanced were those results that directly throw some light on the JB effect. In Chapter 6 author’s own analytical approach to the analysis of the beam on an elastic foundation was presented taking into account asymmetry of beam-foundation constrains and an abrupt change in global parameters of the tracks. It was proved that the worst case is when the bending stiffness changes abruptly, not the foundation stiffness. A hypothesis of bending wave reflection from the inter-track border was proposed. It was also shown that there are an unfavorable mass change and damping change when ballasted and ballastless track are connected. In Chapter 7 numerical analyses of the JB effect were carried out using the FEM and FDM. The results were confronted with the analytical formulas. In Chapter 8 field research under controlled load on tracks in two locations was discussed and confronted with the results of calculations. In Chapter 9 supplementary calculations of the JB effect were presented taking into account changes in global track parameters. In Chapter 10 a prototype transitional structure was described and the results of its numerical modeling and field tests were presented. In Chapter 11 the summary of the work was given and the definitions of the JB effects were proposed with the distinction between the primary JB effect, being mechanical in nature, and the secondary JB effect being geometrical in nature. The directions for future work were also formulated.
Der Übergangseffekt wird als eine Reihe von Nebenwirkungen in Form von übermäßigen Verformungen, dynamischen Auswirkungen, Verbrauch und Beschädigungen von Bauteilen des Oberbaus und des Unterbaus betrachtet. Diese Nebenwirkungen kommen an den Stellen vor, wo verschiedene Arten von Oberbauten zusammen verbunden werden – der sogenannte Schottergleis mit der Festen Fahrbahn, und eventuell noch an den Verbindungsstellen, wo verschiedene Oberbauarten des gleichen Typs, aber auf einem unterschiedlichen Untergrund verbunden werden: z.B. der Erdunterbau oder ein anderes Objekt. Im Allgemeinen wird der Übergangseffekt durch das Unterschiedsprisma der Gleissteifigkeit zwischen den Oberbauten, oder aber zwischen den Systemen – Oberbau und Untergrund analysiert. Der Unterschied in der Gleissteifigkeit ist eine Quelle der übermäßigen dynamischen Wechselwirkungen zwischen dem Fahrzeug und dem Oberbau und führt zu einer beschleunigten Degradation des Oberbaus, des Unterbaus und des Objekts. Bei dem Entwurf von Lösungen in Übergangszonen strebt man nach Gestaltung einer Rampe, die einen entsprechenden Gradient der Gleissteifigkeit, oder aber einen Gradient der geometrischen Ungleichheit haben soll. Zugleich bemüht man sich die Biegesteifigkeit des Oberbaus zu verringern, indem man empfindlichere Zwischenplatten verwendet.Immer noch hat man keinen einheitlichen Konstruktionsstandard bei dem Schienenunterbau angenommen. Bei dem Oberbau dagegen wird nach neuen Lösungen gesucht, und die Längen der Übergangszonen werden bis zu 60 Metern erweitert. In Polen gibt es bei dem Oberbau keine Standardlösungen.Die Systeme der Festen Fahrbahn von heute kennzeichnen sich durch verstellbare Gleissteifigkeiten, so dass sie ähnliche Gleissteifigkeiten wie das Schottergleis aufweisen. Bei einer richtigen Auswahl des Oberbaus sollte der Übergangseffekt nicht auftreten und die Verstärkung des Oberbaus scheint überflüssig zu sein. Der Fall wird weder von Betriebserfahrungen als auch von Modellforschungen bestätigt. Das Problem des Übergangseffekts ist nicht nur auf den Unterschied der Biegesteifigkeit zwischen den Oberbauten zurückzuführen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Erscheinung vom Übergangseffekt im Schienenoberbau bei der Änderung mehrerer Parameter des Oberbaus: der Gleissteifigkeit des Untergrunds und der Biegung des Oberbautragsystems, seiner Masse und Dämpfung, sowie Unterschiede bei der Belastungsübertragung zwischen der Schiene und dem Untergrund aufzuklären. Die Unterschiede bei Belastungsübertragungen zwischen dem Schottergleis und der Festen Fahrbahn bestehen nicht nur in der Amplitudenveränderung der Biegelinie (d.h. der Gleissteifigkeit des Oberbaus), aber vor allem in der Veränderung der ganzen Biegelinie, sogar bei gleichen Amplituden (d. h. bei verschiedener Gleissteifigkeit) auf beiden Oberbauten. Diese Veränderung ist auf die Bindungen der Schiene mit dem Oberbau zurückzuführen, die für das Schottergleis und für die Feste Fahrbahn verschieden sind. Diese Effekte wurden bisher in der Literatur noch nicht erforscht.In Bezug auf die Veränderung der ganzen Biegelinie (die Biegungswelle) kann es an der Grenze zwischen den beiden Oberbauten zur Wellenreflexion oder zur Welleninterferenz kommen, was die Einwirkung auf den Oberbau erhöht und ein wichtiger Bestandteil des Übergangseffekts ist. Der Untergrund des Oberbaus wird in der Arbeit als indirekte Quelle des Übergangseffekts behandelt, der auf verschiedene Art und Weise deformiert wird.Diese Arbeit wurde so wie folgt konzipiert: in den Kapiteln 2 und 3 wurden die Ursachen des Übergangseffekts zusammengestellt und Beispiele für verwendete technische Lösungen im Unterbau und im Oberbau angegeben. Im Kapitel 4 wurden mechanische Parameter des Schottergleises und der Festen Fahrbahn mit dem Schwerpunkt Gleissteifigkeit des Untergrunds, BiegungsGleissteifigkeit des Oberbautragsystems, Masse und die Dämpfung dynamischer Belastungen besprochen. Man wies darauf hin, dass die Unterschiede in der Gleissteifigkeit zwischen dem Schottergleis und der Festen Fahrbahn – mit wenigen Ausnahmen – gar nicht so groß sind, wie man es häufig annimmt. Im Kapitel 5 gab man eine Reihe von Modellforschungen an, die sich auf die Arbeit des Schienenoberbaus beziehen und man betonte diese Ergebnisse, die auf das Problem des Übergangseffekts Licht werfen. Im Kapitel 6 wurde die eigene, analytische Betrachtungsweise von der Analyse des Balkens auf elastischem Untergrund mit asymmetrischen Bindungen und sich rasch verändernden Gesamtparametern des Oberbaus dargestellt. Man zeigte, dass die Änderung der Biegungsgleissteifigkeit des Schienenoberbaus hinsichtlich der Einwirkungen ungünstiger als die Gleissteifigkeitsänderung des Untergrunds ist. Man schlug eine Hypothese der Reflexion der Biegungswelle von der Grenze zwischen den Oberbauarten vor. Es wurde bewiesen, dass es an der Stelle, wo das Schottergleis mit der Festen Fahrbahn zusammen verbunden werden, zu einer ungünstigen Massenveränderung des Oberbaus und zur Dämpfung der dynamischen Belastungen kommt. Im Kapitel 7 wurden numerische Analysen des Übergangseffekts unter Verwendung der MdfE (MFE) und MdfD (MFD) Modellen durchgeführt. Im Kapitel 8 wurden Versuchsforschungen dargestellt, die unter kontrollierter Belastung auf zwei Forschungsstrecken durchgeführt wurden. Diese Versuchsforschungen wurden mit den Ergebnissen der Berechnungen konfrontiert. Im Kapitel 9 wurden ergänzende Berechnungen des Ausmaßes des Übergangseffekts durch die Änderung von Gesamtparametern des Oberbaus dargestellt. Im Kapitel 10 wurde ein Prototyp von einer Oberbaukonstruktion beschrieben und sowohl seine numerische Forschungen als auch Versuchsforschungen dargestellt. Im Kapitel 11 wurde in der Zusammenfassung der Ergebnisse die Definition des Übergangseffekts angegeben, wo man zwischen zwei Effekten unterscheidet; man unterscheidet einen primären Übergangseffekt mit mechanischem Charakter und einen sekundären Effekt mit geometrischem Charakter. Es wurden auch Richtlinien für die weitere Arbeit angegeben.
