Partnerzy serwisu:
Infrastruktura

Koleje dużych prędkości bez kompromisów: jak symulacje weryfikują bezpieczeństwo tam, gdzie normy milczą

Dalej Wstecz
Partnerzy działu

Strunbet
Multiconsult Polska
Aste
Transcomfort
CLIP Group
Euroterminal Sławków
Torhamer
Sultof
Plasser&Theurer
Kontron
Nokia

Data publikacji:
18-09-2025
Ostatnia modyfikacja:
18-09-2025
Tagi geolokalizacji:
Źródło:
informacja prasowa Centrum Pali/Symkom

Podziel się ze znajomymi:

INFRASTRUKTURA
Koleje dużych prędkości bez kompromisów: jak symulacje weryfikują bezpieczeństwo tam, gdzie normy milczą
fot. Centrum Pali/Symkom
Historia udarowo wbijanych fundamentów palowych przeznaczonych do posadowienia  konstrukcji wsporczych sieci trakcyjnej liczy już 30 lat. Pierwsza w Polsce, pokazowa  instalacja odbyła się w 1995 roku. W następnym roku Aarsleff instalował już pierwsze  fundamenty palowe na torze nr 2 linii kolejowej 447, Pruszków – Grodzisk Mazowiecki. 

Pierwsze fundamenty palowe zostały dostarczone z Włoch, palownice torowe obsługiwali  operatorzy z Danii. Technologa ta, ma liczne zalety:

● Szybkość i wydajność: montaż fundamentu i słupa trakcyjnego tego samego dnia.
● Czystość: brak urobku z wiercenia.
● Niezależność od pogody: prace można wykonywać w każdych warunkach atmosferycznych, również w warunkach zimowych.
● Kontrola jakości: prefabrykaty wykonywane w kontrolowanych warunkach.
● Nośność: pełna kontrola nośności pala.
● Wygoda serwisowania: łatwa wymiana słupa w razie potrzeby. 

Nic dziwnego, że ta technologia stała się podstawową na liniach kolejowych PKP PLK S.A. 

Po trzech dekadach, w obliczu pojawienia się kolei wysokich prędkości, nadszedł czas aby zweryfikować dalsze bezpieczeństwo i przydatność technologii. W tym celu  konieczne okazało się zastosowanie najnowocześniejszych metod analitycznych i symulacyjnych.

Jak zweryfikować czy dotychczasowe rozwiązania sprostają współczesnym wymaganiom?
Analiza problemu polega na określaniu obciążeń słupa sieci trakcyjnej od impulsu ciśnienia powietrza wytwarzanego przez przejeżdżający pociąg ze  szczególnym uwzględnieniem mijania słupa trakcyjnego przez czoło, środek i tył  pociągu.  Tak zebrane dane pozwolą wyliczyć wytrzymałość zmęczeniową kotew fundamentów palowych.

W analizach infrastruktury kolejowej często korzysta się z norm i wzorów empirycznych. Dają one szybkie oszacowania, ale ich dokładność jest ograniczona – zwłaszcza w przypadku zjawisk dynamicznych i nietypowych konstrukcji. Zagadnienie oddziaływania aerodynamicznego taboru na elementy sieci trakcyjnej nie jest opisane w literaturze naukowej oraz fachowej. Norma PN-EN 1991-2 wskazuje wartości obciążenia aerodynamicznego na elementy położone blisko toru, natomiast przedstawione w niej schematy dotyczą elementów o dużej powierzchni, takich jak wiaty czy ekrany akustyczne. Norma nie odnosi się także do oddziaływania dynamicznego – poprzestając na podaniu statycznych wartości oddziaływań – głównie na potrzeby obliczeń ekranów akustycznych czy wiat peronowych. Ponadto wartości te podane są jako quasi -statyczne co powoduje, że unika się prowadzenia analizy dynamicznego oddziaływania fali ciśnienia na elementy położone przy torze.  

Dlatego najlepszą metodą pozwalającą na zmierzenie obciążenia jest przeprowadzenie symulacji komputerowych CFD (Computational Fluid Dynamics). Symulacje tego typu wymagają zarówno dużej mocy obliczeniowej, jak i zaawansowanego know-how. W zamian, możliwe jest wierne odwzorowanie zarówno geometrii pociągu, elementów infrastruktury jak i dowolnego scenariusza wydarzeń.

Założenia symulacji
W naszym przypadku wymagana była analiza dla pociągu o prędkości 350 km/h. wykorzystaliśmy model pociągu TGV Duplex a szczegółowa metodologia jest opisana w normie PN-EN 1993.

Obliczenia wykonaliśmy w środowisku Ansys Fluent. Zastosowaliśmy dynamiczną siatkę obliczeniową, dzięki czemu mogliśmy odwzorować ruch pociągu względem nieruchomej infrastruktury. Takie podejście umożliwia rejestrację chwilowych zmian ciśnienia i prędkości powietrza w otoczeniu konstrukcji oraz precyzyjne określenie sił i momentów działających na słupy trakcyjne.

Wyniki symulacji i wnioski
Już same wizualizacje rozkładu ciśnienia na powierzchni pociągu (Rys. 1) pokazują, jak gwałtownie zmienia się charakter przepływu: od spiętrzenia powietrza przed czołem, przez obszary podciśnienia, aż po zawirowania w śladzie aerodynamicznym za końcem składu.



Rys. 1. Wizualizacje rozkładów ciśnienia na pociągu. Widać strefę spiętrzenia (podwyższonego ciśnienia) oraz następujący po niej obszar podciśnienia na czole pociągu oraz mniejszy i w odwrotnej kolejności na końcu pociągu.

Analizując uzyskane wyniki możemy wyróżnić pięć kluczowych faz oddziaływania jadącego pociągu na elementy infrastruktury:

1. Zbliżanie się czoła pociągu
Powolny wzrost ciśnienia – efekt fali kompresyjnej.

2. Przejazd czoła pociągu
Nagły wzrost ciśnienia (siła skierowana od toru), a następnie gwałtowny spadek (siła skierowana ku torowi). Czas trwania tej fazy oddziaływania fali ciśnieniowej na słup to zaledwie 0,1–0,2 s.

3. Przejazd korpusu pociągu
W tej fazie następuje stabilizacja obciążeń, pojawia się dominacja siły równoległej do toru. Można zauważyć wystąpienie lokalnych oscylacji sił wywołanych zmianą wysokości wagonów.

4. Przejazd tyłu pociągu

W tej fazie interakcji przejazdu pociągu obok słupa występuje sekwencja zmian sił podobna do obserwowanej przy przejeździe czoła pociągu, lecz słabsza i przebiega w odwrotnej kolejności.

5. Wejście w ślad aerodynamiczny
Po przejeździe pociągu, słup przez jakiś czas pozostaje w obszarze śladu aerodynamicznego pociągu. W tej fazie przejazdu pociągu pojawia się siła działająca na słup, równoległa do toru w kierunku odjeżdżającego pociągu a generowana przez dwa duże przeciwbieżne podłużne wiry.

Kluczowe porównanie - panel oraz słup

W analizach kluczowe były obciążenia dla dwóch elementów infrastruktury: pionowego panelu oraz słupa trakcyjnego.
Animację prezentującą rozkład sił pochodzących od przejeżdżającego pociągu można obejrzeć pod tym linkiem: https://symkom.pl/symulacje-kolejowe/.

W przypadku pionowego panelu - ekranu akustycznego znajdującego się obok torów, przebieg ciśnień okazał się mało złożony: krótkotrwały wzrost ciśnienia przy przejeździe czoła pociągu, po nim pik ujemny, a przy przejeździe tyłu pociągu sekwencja powtarza się ze słabszą amplitudą (por. rys. z przebiegiem ciśnień). Panel – ekran akustyczny działa de facto jak ściana, która przejmuje główną falę ciśnieniową.

Słup trakcyjny doświadcza mniejszych sił niż panel, ale ich charakter jest dużo bardziej złożony. Obciążenie nie jest jedynie prostopadłe; kierunek zmienia się w czasie, tworząc skomplikowaną pętlę sił. Została ona dodatkowo zaprezentowana na hodografie na Rysunku 2.


Rys. 2. Ilustracja sił działających na słup podczas przejazdu pociągu w postaci hodografu. Na osiach są pokazane składowe siły. Strzałki oznaczają, jak siła zmienia się w czasieprzejazdu pociągu.

Wnioski praktyczne
Powyższe wyniki mają bezpośrednie znaczenie praktyczne. Pokazują, że choć słup trakcyjny doświadcza mniejszych obciążeń niż ekran akustyczny, to nie można go traktować jak prostej przeszkody aerodynamicznej. Obciążenie ma bowiem złożony charakter a konstrukcja i fundament muszą być przygotowane zarówno na impulsy trwające ułamki sekundy jak i na dłuższy podmuch w śladzie pociągu.

Dowiedliśmy jednocześnie, że dzięki analizom CFD zarządcy infrastruktury mogą bardziej świadomie dobierać typy słupów i projektować ich fundamenty. W konsekwencji, mogą zapewniać bezpieczeństwo eksploatacji, jednocześnie nie przewymiarowywując konstrukcji. Ma to zastosowanie nie tylko dla dzisiejszych kolei wysokich prędkości, ale i konstrukcji planowanych 10 czy 20 lat na przód.



 
Partnerzy działu

Strunbet
Multiconsult Polska
Aste
Transcomfort
CLIP Group
Euroterminal Sławków
Torhamer
Sultof
Plasser&Theurer
Kontron
Nokia

Tagi geolokalizacji:

Podziel się z innymi:

Pozostałe z wątku:

Medcom zaprezentuje na TRAKO tylko urządzenia SiC

Tabor i technika

Medcom zaprezentuje na TRAKO tylko urządzenia SiC

inf. pras. Medcom 17 września 2025

Pozostałe z wątku:

Medcom zaprezentuje na TRAKO tylko urządzenia SiC

Tabor i technika

Medcom zaprezentuje na TRAKO tylko urządzenia SiC

inf. pras. Medcom 17 września 2025

Kongresy
SZKOLENIE ON-LINE
Śledź nasze wiadomości:
Zapisz się do newslettera:
Podanie adresu e-mail oraz wciśnięcie ‘OK’ jest równoznaczne z wyrażeniem zgody na:
  • przesyłanie przez Zespół Doradców Gospodarczych TOR sp. z o. o. z siedzibą w Warszawie, adres: Sielecka 35, 00-738 Warszawa na podany adres e-mail newsletterów zawierających informacje branżowe, marketingowe oraz handlowe.
  • przesyłanie przez Zespół Doradców Gospodarczych TOR sp. z o. o. z siedzibą w Warszawie, adres: Sielecka 35, 00-738 Warszawa (dalej: TOR), na podany adres e-mail informacji handlowych pochodzących od innych niż TOR podmiotów.
Podanie adresu email oraz wyrażenie zgody jest całkowicie dobrowolne. Podającemu przysługuje prawo do wglądu w swoje dane osobowe przetwarzane przez Zespół Doradców Gospodarczych TOR sp. z o. o. z siedzibą w Warszawie, adres: Sielecka 35, 00-738 Warszawa oraz ich poprawiania.
Współpraca:
Transport Publiczny
Rynek Lotniczy
Rynek Infrastruktury
TOR Konferencje
ZDG TOR
ZDG TOR
© ZDG TOR Sp. z o.o. | Powered by BM5
Zamknij