Assessment of the long term dynamic behaviour of innovative railway track solutions

Abstract

A investigação apresentada nesta Tese visa aprofundar o conhecimento sobre o comportamento dinâmico a curto e longo prazo da via em laje, da via balastrada e das zonas de transição (com base em estudos numéricos e experimentais), utilizando uma abordagem inovadora e integrada para analisar o problema, contribuindo para uma gestão mais eficiente da via-férrea. Primeiramente, são apresentadas as principais diferenças e semelhanças da via em laje e balastrada. Posteriormente, com o objetivo de contextualizar o estudo das zonas de transição, apresentam-se as principais causas e problemas identificados nestas áreas, as medidas de mitigação usualmente implementadas e as ferramentas numéricas utilizadas. Tendo em vista a compreensão do comportamento a curto e longo prazo das vias férreas, são apresentados os principais modelos que permitem caracterizar o módulo resiliente e a deformação permanente induzidos pelo carregamento cíclico, com principal enfoque nas abordagens empíricas. A partir deste estudo, foi selecionado o modelo capaz de prever a deformação permanente e que será utilizado nos diversos estudos apresentados. Após a compreensão acerca destas metodologias, apresenta-se uma comparação da performance da via em laje e da via balastrada a curto e longo-prazo considerando os mecanismos quasi-estático e dinâmico utilizando a abordagem 2.5D FEM-PML. As tensões do leito são comparadas e avaliadas através do SAF e a deformação permanente através do PDAF. Após este estudo numérico, foram medidos experimentalmente em laboratório, os deslocamentos da via em laje e da via balastrada ao longo de mais de três milhões de ciclos a partir da simulação da passagem do comboio em apenas alguns dias de teste usando o equipamento GRAFT-2. Foram definidos dois modelos 3D correspondentes à via em laje e balastrada com o intuito de reproduzir numericamente o ensaio laboratorial. Com base nos resultados, foram calibradas numericamente as propriedades geomecânicas e o modelo empírico de deformação permanente através do ajuste das duas curvas: numérica e experimental. A partir da calibração realizada, é apresentada a análise relativa à avaliação da performance a curto e longo-prazo de uma zona de transição entre um aterro e um túnel considerando a via em laje como sistema de via. Assim, foi desenvolvido um modelo 3D desta zona de transição de forma a simular o comportamento dinâmico da mesma, incluindo o comportamento a longo prazo da via e os seus principais efeitos na zona de transição, sendo implementada uma metodologia que simula numericamente a evolução do perfil deformado da via resultante do tráfego ferroviário.

The investigation presented in this Thesis aims at providing insight into the understanding of the short and long term dynamic behaviour of the ballastless track, the ballasted track and the transition zones (based on numerical but also experimental studies) using an innovator and integrated approach to analyse the problem, contributing to a more efficient management of railway track. Firstly, the main differences and similarities of the ballasted and ballastless tracks are presented. Posteriorly, in order to contextualize the study of the transition zones, the main causes and the problems identified in these areas are presented, the main mitigation measures usually implemented, and the numerical tools used. In order to understand the short and long-term behaviour of the railway tracks, the main models that allow characterising the resilient modulus and the permanent deformation induced by cyclic loading are presented, with the main focus on empirical approaches. From this study, the model capable of predicting the permanent deformation was selected and will be used in the various studies presented. After understanding these methodologies, a comparison between the short and long-term performance of the ballasted and ballastless tracks considering the quasi-static and dynamic mechanisms using the 2.5D FEM-PML approach is presented. The subgrade stresses are compared and evaluated through the SAF and the permanent deformation through the PDAF. After this numerical study, the slab and ballasted tracks’ displacements were measured experimentally in the laboratory over more than three million cycles from the simulation of the train passage in just a few test days using the GRAFT-2 facility. Two 3D models corresponding to the ballastless track and ballasted track were defined in order to reproduce numerically the laboratory test. Based on the results, the geo-mechanical properties of the materials were numerically calibrated, as well as, the selected empirical model of permanent deformation by adjusting the two curves: numerical and experimental. From the performed calibration, the analysis of the short and long term performance of a transition zone between an embankment and a tunnel is presented, considering the ballastless track as the railway track system. Thus, a 3D model of this transition zone was developed in order to simulate its dynamic behaviour, including the long term behaviour of the track and its main effects in the transition zone, being implemented a methodology that numerically simulates the evolution of the deformed track profile resulting from the rail traffic.