Комплексне дослідження впливу динамічного навантаження від рухомого складу залізниці на напружено-деформований стан залізобетонних шпал із врахуванням вимог ДСТУ EN 13230
Автор: Макауз Рудольф Олександрович
Кваліфікаційний рівень: магістр
Спеціальність: Функціональна безпека залізничного транспорту
Інститут: Інститут механічної інженерії та транспорту
Форма навчання: денна
Навчальний рік: 2025-2026 н.р.
Мова захисту: українська
Анотація: Актуальність задачі комплексного дослідження напружено-деформованого стану залізобетонних шпал, викликана підвищеною дією навантажень на шпали від рухомого складу та підвищенням швидкостей руху. Ці чинники призводять до підвищеної динамічної дії рухомого складу на залізобетонні шпали, які у свою чергу та ряд інших факторів, викликають пошкодження та дефекти залізобетонних шпал в експлуатаційних умовах [1–5]. При цьому тріщини та виколювання бетону спричиняють корозійні пошкодження арматури залізобетонних шпал, що у кінцевому підсумку впливає на довговічність шпал, а також на забезпечення безпеки руху поїздів. У результаті значна кількість наукових досліджень присвячена підвищенню надійності та несучої здатності залізобетонних шпал. Ведуться дослідження із підвищення довговічності шпал методом застосуванням композитної арматури замість сталевої [4, 6–9]. Одним із достовірних методів оцінки ефективності удосконалених рішень із підвищення несучої здатності та довговічності залізобетонних шпал є застосування методу скінченних елементів [10]. При удосконалені конструктивних рішень шпал та математичному моделювання напружено-деформованого стану шпал слід виконувати вимоги нормативних документів [11–13]. Тому у магістерській кваліфікаційній роботі проводиться дослідження впливу навантажень від рухомого складу залізниці на напружено-деформований стан залізобетонних шпал із врахуванням вимог імплементованих норм ДСТУ EN 13230. Об’єкт дослідження – залізобетонні шпали. Предмет дослідження – напружено-деформований стан залізобетонних шпал при дії рухомого складу залізниці. Мета дослідження – провести оцінку впливу динамічного навантаження від рухомого складу залізниці на напружено-деформований стан залізобетонних шпал із врахуванням вимог ДСТУ EN 13230. За результатами магістерської кваліфікаційної роботи виконано такі задачі досліджень: -проведено аналіз факторів, які впливають на дефектність залізобетонних шпал в експлуатаційних умовах залізниці; -проведено аналіз наукових праць, щодо методів досліджень напружено-деформованого стану залізобетонних шпал; -проведено розрахунок вертикальних та горизонтальних бічних навантажень на залізобетонні шпали від рухомого складу залізниці у кривій ділянці колії; -проведено комплексне дослідження напружено-деформованого стану залізобетонної шпали із врахуванням дії динамічного навантаження від рухомого складу залізниці. Із проведеного аналізу наукових праць встановлено, що основними дефектами залізобетонних шпал в експлуатаційних умовах є повздовжні та поперечні тріщини, виколювання захисного шару бетону шпали, електрокорозія арматури шпал. При цьому факторами, які призводять до зменшення довговічності та несучої здатності залізобетонних шпал є вплив підвищених динамічних навантажень на шпали, вплив кліматичних температурних перепадів, вплив блукаючих струмів та вплив якості ущільнення щебеневого баласту під шпалою. Встановлено, що для оцінювання напружено-деформованого стану залізобетонних шпал при дії рухомого складу залізничного транспорту доцільно використовувати метод скінченних-елементів. При математичному моделювання напружено-деформованого стану шпал слід дотримуватися вимог EN 13230 у контексті задання навантажень та граничних умов при розрахунках. Проведено методику розрахунку вертикальних, горизонтальних бічних навантажень та крутного моменту на залізобетонну шпалу від дії одиночного вертикального навантаження від рухомого складу залізниці. Розрахунок виконано для кривої радіусом 300 м і при дії навантажень від локомотиву ЧС 7. За результатами досліджень встановлено, що підвищення швидкості руху локомотиву ЧС 7 призводить до підвищення значень сил, які діють на шпалу. При цьому у кривій ділянці колії значення сил діють нерівномірно від впливу внутрішньої та зовнішньої рейок колії. На основі проведених теоретичних досліджень встановлено, що при швидкості руху локомотиву ЧС 7 рівній 160 км/год величина максимальної вертикальної сили від впливу зовнішньої рейки на шпалу склала 84,21 кН, а від впливу внутрішньої рейки – 51,8 кН. У цей час максимальні значення горизонтальної бічної сили від впливу зовнішньої рейки склали 44,39 кН, а від впливу внутрішньої рейки – 10,9 кН. Величина максимальних значень згинальних моментів при швидкості локомотиву ЧС 7 рівній 160 км/год від впливу навантажень від зовнішньої рейки склали 5,1 кН, а від впливу внутрішньої рейки – 1,25 кН. За результатами комплексного моделювання напружено-деформованого стану залізобетонної шпали при впливі навантажень від рухомого складу встановлено, що максимальна величина напружень у залізобетонній шпалі при дії локомотиву ЧС 7 склала 1,65 МПа, величина максимальних переміщень – 6,96?10-3 мм, а максимальних деформацій – 3,55?10-5 мм. Встановлено, що запас міцності шпали при дії вертикальних сил та горизонтальних бічних сил від локомотиву ЧС7 при швидкості руху 160 км/год у кривій ділянці колії радіусом 300 м складає 58,8 %. Проведені досліджень дозволяють констатувати, що дана методика дозволяє провести комплексні дослідження оцінки запасу міцності залізобетонних шпал при їх проєктування. Це дозволить приймати технічні рішення та конструктивні матеріали для підвищення міцності залізобетонних шпал у залежності від умов експлуатації. Ключові слова: залізнична колія, залізобетонні шпали, рухомий склад залізниць, динамічні навантаження, напруження, переміщення, деформації.