Höghastighetståg kräver nya beräkningsmodeller

Höghastighetstågen ställer helt nya krav på dimensionering av järnvägsbroar. Hittills har konstruktörerna vid beräkning av brofundamenten antagit att den mark fundamenten står på har samma styvhet oavsett tågets hastighet och typ av mark.

Så länge tågen susar fram i lagom hastighet är detta antagandet korrekt och krafterna kan beräknas med hjälp av relativt enkla beräkningsmodeller. Men när tågen färdas i hastigheter omkring 200 kilometer per timme eller högre måste man tänka i nya banor.

Mer avancerade samverkansanalyser behövs eftersom undergrundens, och därmed fundamentens dynamiska motstånd, påverkas. Höghastighetstågen avger dessutom vibrationer som påverkar brofundament, undergrund (mark, red. anm.) och intilliggande bebyggelse.

Tågen är även tyngre lastade än förr och tågsätten längre vilket också påverkar. EU kräver därför att vid nybyggnader av järnvägbroar för höghastighetståg måste man ta hänsyn till de dynamiska krafterna samt tågens påverkan på omgivningen i form av vibrationer och skakningar.

I ett examensarbete utfört vid KTH har Rui Afonso Tavares tittat på hur tåg, brofundament och undergrund samverkar. Han har studerat tre typiska järnvägsbroar och jämfört resultaten med gjorda fältmätningar och kommit fram till att undergrunden kan ha mycket stor betydelse.

– För femtio år sedan gick tågen betydligt långsammare och de säkerhetskrav man då hade räckte mer än väl. Men det gör de inte längre. Studier av grundläggningskonstruktioners dynamik har pågått ända sedan 1930-talet och med en stagnation för tjugo år sedan. Men nu har forskningen åter tagit fart, säger Mahir Ülker-Kaustell, doktorand vid KTH och Rui Afonso Tavares handledare, och som själv gör fortsatta studier på samma tema.

Nya beräkningsmodeller får en positiv effekt på utvecklingen av järnvägsbroar för höghastighetståg genom att brofundamenten kan dimensioneras mer ekonomiskt och betongkonstruktionerna optimeras. Detta är av stor betydelse, när man i Sverige börjar diskutera egna järnvägslinjer för höghastighetståg, något som är betydligt vanligare i övriga Europa.

– De geologiska förutsättningarna i Sverige är mycket speciella och det är svårt att ta lärdom av andra länders erfarenheter och anpassa dem till svenska förhållanden. Sverige måste ta fram egna beräkningsmodeller för höghastighetståg. Därför krävs en svensk forskning, säger Rainer Massarsch, Geo Risk & Vibration.

– En utmaning är att det krävs ett övergripande samarbete mellan konstruktör och geotekniker, som oftast arbetar oberoende av varandra. Forskningen vid KTH är ett bra exempel på hur komplexa problem kan lösas genom samverkan mellan olika institutioner, säger han.

Rui Afonso Tavares arbete heter Influence of the Vertical Support Stifness on the Dynamic Behavior of High-Speed Railway Bridges. Det vann Byggindustrins tävling om bästa examensarbete, ByggOpus, i klassen 20 p. Rui Afonso Tavares är portugis och genast efter sin civilingenjörsexamen från KTH flyttade han hem till Portugal där han nu arbetar.