vágánygeometriát stabilizáló hatásának vizsgálata témavezető: Dr. Horvát Ferenc CSc Széchenyi István Egyetem MTK KTT Széchenyi István Egyetem Infrastrukturális Rendszerek Modellezése és Fejlesztése Multidiszciplináris Műszaki Tudományi Doktori Iskola Győr, 2012
TARTALOMJEGYZÉK 1. Bevezetés... 3 2. Motiváció és célkitűzések... 4 3. A kutatás során alkalmazott módszerek... 8 4. Tézisek... 10 5. Összegzés és kitekintés... 13 Köszönetnyilvánítás... 16 Irodalomjegyzék... 17 A szerző hivatkozott publikációinak listája... 17 A szerző egyéb publikációinak listája... 18 Az egyéb hivatkozott irodalmak listája... 19 Tézisfüzetben szereplő ábrák jegyzéke... 20 2
1. BEVEZETÉS Földünk védelme szempontjából a környezetvédelem és a környezettudatosság egyre jobban előtérbe kerül, és e miatt olyan technológiákat érdemes alkalmaznunk az élet minden területén, amelyek a lehető legnagyobb mértékben igazodnak az említett célkitűzéshez. Megjegyzendő, hogy mind az ipari, mind a közlekedési szektor óriási mennyiségben használ fel fosszilis energiahordozókat, amellyel a légkörbe kijutó CO 2 és egyéb káros anyagok mennyiségét jelentősen növelik [KTI: http://www.kti.hu/index.php/szolgaltatasok/trendek-grafikusadatbazis/trendek---grafikus-adatbazis]. A jövő emberének fennmaradása és egészséges életének biztosítása szempontjából el kell gondolkodnia azon, hogy a modal splitben a személygépkocsis egyéni közlekedés magas részarányát csökkentse, vagy áttérjen környezetbarát üzemanyagok, esetleg akár a megújuló energiaforrások jelentős mértékű felhasználására. A modal split jó irányban történő megváltoztatását a közösségi közlekedés széles körben történő elterjesztésével és preferálásával lehet egyszerűen megoldani, ellenben ehhez a manapság tapasztalható viszonylag alacsony szolgáltatási színvonalat és a magas menetjegy- és bérletárakat is elfogadhatóvá kell tenni. Ezeken belül a közúti közlekedéssel szemben a környezetbarát üzemű villamos vontatású vasúti közlekedést érdemes előnyben részesíteni, amelynek a jövőben a szárazföldi közlekedés egyre meghatározóbb részének kell lennie a személy- és teherszállítás területén is. Mindezen célok mihamarabbi eléréséhez jelentős pénzügyi források (külföldi támogatások és hazai tőke egyaránt) szükségesek, amelyekből a vasúti infrastruktúra magas szintű kiépítését, valamint korszerű járműpark beszerzését lehet megvalósítani. Amennyiben az általam felvázolt szcenárió beteljesül, a vasúti infrastruktúra területén kiemelten fontos lesz az új építések, rehabilitációs átépítések gazdaságos megvalósítása, a karbantartási beavatkozások számának jelentős mértékű csökkentése. Véleményem szerint ehhez a modern építőanyagok és technológiák felhasználása nélkülözhetetlen lesz. 3
2. MOTIVÁCIÓ ÉS CÉLKITŰZÉSEK Kiemelendő, hogy a disszertációmban kizárólag a hagyományos zúzottkő ágyazatos felépítményű vasúti vágányok és a geometriai stabilitásuk hosszabb távú megőrzése kérdéskörével foglalkozom. Ennek az az oka, hogy a világon az UIC adatai alapján 98,8 %-ban (kb. 1,1 millió km) ágyazatos felépítményű nagyvasutak üzemelnek, és kizárólag 1,2 %-os arányt tesznek ki merevlemezes szerkezetű nagysebességű vasutak, valamint mágnes vasutak [Weinreich, 2011]. Magyarországon általában csak hidakon és alagutakban alkalmaznak merevlemezes nagyvasúti felépítmény-szerkezeti megoldásokat. A zúzottkő ágyazatos és a merevlemezes vasúti pályák karbantartási munkálatainál merőben másra helyeződik a hangsúly. A romlási folyamat gyorsaságát tekintve a zúzottkő ágyazatos felépítmények elsősorban vágánygeometriai szempontból hátrányosabb megoldást képviselnek. A bevezetőben felvázolt vasúti infrastruktúra-fejlesztésekkel kapcsolatosan több gond megfogalmazása is időszerűnek tűnik. Sajnos az utóbbi két évtizedben a hazai vasútvonalak fenntartására a mindenkori magyar kormányok nem fordítottak akkora pénzösszeget, amely a megkövetelhető szint kialakításához-fenntartásához szükséges lett volna. Bár ISPA, KÖZOP, EU, EIB, PHARE, stb. forrásokból végeztek jelentős vasúti infrastruktúrafejlesztéseket, de ezek csupán a teljes vonalhálózat rövid hosszára terjedtek ki. A pályakarbantartásra fordítható pénzösszegek szűkösek, amelynek egyértelmű következménye, hogy képtelenség az összes pályahiba szakszerű kijavítása, megszüntetése. A hibák megszüntetésének elmaradása miatt a meglévők tovább romlanak, valamint újabbak jelenhetnek meg. A pályafenntartási előírásokban [MÁV, 1987] meghatározott mérethatárok túllépése esetén korlátozni kell a vonalszakaszra engedélyezett sebességet, azaz lassújelet kell bevezetni [Fischer, 2011c]. Ezen sebességkorlátozások végénél többlet gyorsítási energiaigény jelentkezik, ahhoz az állapothoz képest, mintha konstans sebességgel haladhatott volna végig a szakaszon a vasúti szerelvény. A disszertációmban mérésekkel alátámasztva kidolgoztam egy olyan módszert, amellyel számszerűsíteni lehet ezeket a gyorsítási energia többleteket. A Budapest-Kelenföld Győr vasúti vonalszakaszra kikalkuláltam egy éves időintervallumra az elpazarolt gyorsítási energia mennyiségét, és kimutattam, hogy ez nemzetgazdasági tekintetben is nagyon jelentős anyagi terhet jelent. Továbbhaladva a gondolatmenetben, megjegyzendő, hogy a pályaromlás természetes fizikai folyamat, amely megállíthatatlan és megfordíthatatlan, s idejében elvégzett, szakszerű karbantartási munkálatokkal is kizárólag csak kézben tartható. A pályaromláshoz egy kezdeti hiba, valamint károsító hatások szükségesek. A pályahiba méreteltérésként adott, hiszen mint minden mérnöki szerkezetnél, a vasútépítésben is csak méreteltérésekkel lehet a 4
kivitelezési-karbantartási munkálatokat végrehajtani. A károsító hatást elsősorban a forgalom jelenti, de a környezeti hatásokról (pl. időjárás) sem szabad megfeledkezni. A pályaromlás két, általában jól elkülöníthető részre osztható: geometriai romlási szakasz és szerkezeti károsodási szakasz [Vaszary, 1999]. Elsődlegesen a geometriai szakasszal kell foglalkozni, amelyben a vasúti vágány geometriai torzulása következik be, először méreteltérések, majd mérethibák formájában. Amennyiben a romlás sebességét kívánjuk csökkenteni, nem elegendő kizárólag FKG szabályozások elvégzése, hanem különböző szerkezeti változtatásokra is szükség van. Ilyen pl. a nagyobb tömegű sínszálak, keresztaljak, modernebb rugalmas, egyben magas leszorító erőt biztosító sínleerősítések; a zúzottkő ágyazat erősítése ágyazatragasztással, vagy geoműanyagokkal; alépítmény-erősítés stb. alkalmazása. E módon kevésbé és lassabban alakulnak ki a pályahibák, illetve a vágányszabályozások közötti időintervallumot növelni lehet, amely természetesen meghatározó nemzetgazdasági jelentőséggel is bír. Ezen kívül amennyiben nincsenek pályahibák, vasúti sebességkorlátozásokra sincs szükség, azaz a lassújelek utáni gyorsítási többletenergia költsége sem terheli a járművek üzemeltetőit. A fenti szerkezeti változtatások közül a zúzottkő ágyazat alá beépített georácsokat választottam disszertációm fő témájaként, hiszen ezt a technológiát viszonylag rövid ideje, s csak kevés gyakorlati tapasztalattal, értékelő elemzéssel alkalmazzák a vasútépítés területén vágánygeometriai stabilizálás céljából. Az 1-2. ábrák a georácsokra jellemző ún. alakkal zárási ( interlocking ) tulajdonságot mutatják. A rétegszerkezet belső nyírószilárdságának, s így teherbírásának növelése lényegét a tört szemcsés kitöltő anyag és a síkrács együttdolgozása jelenti. A zúzott kőanyag behatol a rácsosztás alkotta hézagokba, és a rácsrudakba belekapaszkodik. Erre az együttdolgozó rétegre ülnek rá a további szemcsék, amelyek tört felületi kialakítása szintén kedvező a szemcsés halmaz belső nyírási ellenállása (nyírószilárdsága) szempontjából. Alul létrejön egy rács-zúzottkő kombinált réteg, amely megakadályozza a szemcsék magassági értelmű és oldalirányú szétrendeződését. Mintegy összefogott paplant hoz létre a georács, amelyben a szemcsék határozott, kényszerített módon megvalósuló együttdolgozása történik meg. 5
Járműteherből származó erők Húzóerő a georácsban Húzóerő a georácsban 1. ábra: A zúzottkő szemcsék georácsba illeszkedése [Tensar International Ltd., 2010] 2. ábra: Az alakkal zárás jelensége [módosítva Tensar International Ltd., 2010-ből] Így az ágyazatban úszó, dinamikus hatásoknak kitett keresztaljas vágány geometriailag stabilabb, a fekvéshibák kialakulásával szemben ellenállóbb lesz. A járműterhek hatására a rácsrudakban és a rács-csomópontokban igénybevételek lépnek fel, amelyeknek a georács kedvező fizikai tulajdonságai következtében ellenáll. Ezek közül a két legfontosabb a rács szakítószilárdsága és a szakadási nyúlás. A szakítószilárdságnak megfelelően nagynak, míg a szakadási nyúlásnak megfelelően kicsinynek kell lennie. Ez utóbbi azért fontos, hogy kellő mértékű erőfelvételre legyen képes a rács, azaz ne térjen ki nyúlással az igénybevételek elől. Hiszen akkor mint az például a nemszőtt geotextíliák esetében igaz képtelen lenne jelentős erősítő hatást kifejteni [Fischer, 2011a]. Az elvégzett hazai és nemzetközi irodalomkutatás alapján kivonatosan ismertettem a rétegszerkezetekben alkalmazott georácsokkal nyert legfontosabb megállapításokat, tapasztalatokat, vizsgálati eredményeket. Ezután feltártam azokat a részterületeket, amelyek lehetőséget nyújtanak a georácsos rétegerősítés témakörében új, tudományos eredmények elérésére, amelyek az alábbiak: a vasúti sebességkorlátozások miatti többlet gyorsítási energiák kalkulációja tekintetében nem foglalkozott egyik irodalom sem különböző típusú villamos üzemű vontatójárművek által egy V sebességlépcsős gyorsításnál elfogyasztott energiamennyiség kiszámításával, sem laboratóriumi vizsgálatok, sem diszkrét elemes szimulációk eredményeivel alátámasztva nem határozták meg pontosan, hogy a geoműanyagos erősítések szemcsés anyaghalmazban (vasúti zúzottkő ágyazatban) milyen mértékű belső nyírási ellenállás-növelést eredményeznek, valamint, hogy ez az erősítés mekkora nagyságú függőleges tartományban aktív, a terepi vizsgálatok esetén egyik irodalomban sem foglalkoztak a georács erősítésű zúzottő ágyazatos felépítmények vágánygeometriára (keresztsüppedésekre, síktorzulásokra, fekszinthibákra) gyakorolt hatásával, csak a kialakuló süllyedéseket elemezték. Nem hajtottak végre több geoműanyag típust is górcső alá vevő méréseket sem a vágánygeometriai stabilizálás értékelése céljából, 6
diszkrét elemes szimulációkkal senki sem bizonyította be, hogy a zúzottkő ágyazat alá beépített georács rétegek milyen károsodási, tönkremeneteli módokat mutatnak a geoműanyagok síkjában történő nyírásvizsgálatok esetén. Az említett részterületeken kívül megemlítendő, hogy a MÁV Zrt. (mint vasúti pályaüzemeltető) és a geoműanyag gyártók részéről konkrétan megfogalmazott feltételezés volt, hogy a zúzottkő ágyazat alá beépített georácsok és geokompozitok alkalmazásával a vasúti vágányok geometriai stabilizálása megoldható, valamint az is, hogy ezzel a módszerrel a lokális hibás szakaszok (pl. vízzsákos részek) javítása egyszerűen és alacsony költséggel kivitelezhető. A Ph.D. disszertációmban elvégzett vizsgálatokkal ezt is be kívántam bizonyítani, vagy cáfolni. Összesítve az a célkitűzésem, hogy a fenti hiányosságokat a lehető legnagyobb mértékben pótoljam, ezzel is gazdagítva a témával kapcsolatos kutatási eredmények listáját. 7
3. A KUTATÁS SORÁN ALKALMAZOTT MÓDSZEREK A Ph.D. értekezésemben alkalmazott módszereket az alábbiakban foglalom össze: A lassújelek utáni gyorsítási többletenergia számítása vonatkozásában: villamos vasúti vontatójárműveken (Siemens Taurus mozdony vontatta Railjet-ek, személyszállító gyorsvonatok, valamint tehervonatok, illetve Stadler Flirt és Bombardier Talent motorvonatok) történő energiamérések meghatározott V sebességlépcsős gyorsítások esetén, majd ezek redukálása 0 -es emelkedésű pályára, a mért gyorsítási energiák kalkulációja a villamos vasúti vontatójárművek vonóerő-görbéje, valamint a klasszikus mozgási energia képletének alkalmazásával, 0 -es emelkedésű pályára, a mért és a számított gyorsítási energiaértékek összevetése, lineáris regressziós függvények segítségével korrekciós paraméterek meghatározása vontatójármű, valamint vonattípusonként, egy konkrét vasútvonalra a sebességkorlátozások miatti éves többlet gyorsítási energiák kalkulációja az érvényes lassújel-állomány, valamint a napi, vágányonkénti és vontatójárművenkénti bontású átgördült elegytonna kimutatás felhasználásával. A laboratóriumi többszintes nyíróládás vizsgálatok vonatkozásában: laboratóriumi többszintes nyíróládás vizsgálatok segítségével a zúzottkő ágyazatú szemcsés anyaghalmazban a vízszintes síkokban ébredő nyíróerő meghatározása a geoműanyag síkjától mért vertikális távolság függvényében négy különböző típusú geoműanyag esetén, valamint öt különböző növekedési szorzó definiálása. A terepi kísérleti szakaszon végzett vizsgálatok vonatkozásában: terepi kísérleti szakaszokon ötféle geoműanyag típus beépítése és a geoműanyagos erősítés elemezése a magassági szintezések eredményei alapján több különböző vágánygeometriai mérőszám változásának értékelésével (süllyedés, keresztsüppedés, síktorzulás, fekszinthiba átlagés szórásértéke, valamint ezek változási sebessége az átgördült elegytonna függyvényében, illetve az átlag- és szórásértékek fajlagos változása a szabályozás utáni mért értékekhez képest az átgördült elegytonna értékek figyelembevételével), az értékelések elkészítése az általános vágánygeometriai minősítés és a lokális hibák minősítése szempontjából, az FMK-004-es mérőkocsik által szolgáltatott mérési adatok felhasználásával újabb vágánygeometriai értékelések elvégzése, valamint a magassági szintezések alapján levont következtetések megerősítése, kiegészítése. 8
A diszkrét elemes szimulációk vonatkozásában: diszkrét elemes szimulációk segítségével a laboratóriumi többszintes nyíróládás vizsgálatok modellezése, valamint két típusú geoműanyag (Tensar SSLA 30 és a Naue Secugrid 30/30 Q1 LA) eltérő szerkezeti, geometriai kialakításából, valamint alapanyagából kifolyólag a laboratóriumban tapasztalt károsodási és tönkremeneteli módok modellezése, ajánlás megfogalmazása a speciálisan vasúti zúzottkő ágyazat alá vágánygeometriai stabilizálás szempontjából beépített georács, valamint a Naue Fasertechnik GmbH által gyártott geoműanyagok alkalmazhatóságával és hatásosságával kapcsolatosan. 9
4. TÉZISEK 1. tézis: Villamos üzemű vontatójárművek és motorvonatok vezetőfülkéjében végrehajtott mérések eredményeivel alátámasztva kidolgoztam egy olyan számítási eljárást, amellyel a járművek megfelelő paramétereit ismerve egy tetszőleges V sebességlépcsős gyorsításnál ténylegesen elfogyasztott energiát nagy pontossággal meg lehet határozni mind a vontatójárművek és motorvonatok vonóerő görbéjének, mind a mozgási energia képletének segítségével. Az ezekez szükséges α paramétert a disszertációm 4.1. táblázatában közöltem. A könnyű használhatósága és a vizsgálataim által bizonyítottan megfelelő pontossága miatt, a mozgási energia képletét alkalmazó módszer használatát javaslom. A módszerrel vasúthálózati szinten is számíthatók a sebességkorlátozások utáni többlet gyorsítási energiák. Vonatkozó saját publikációk: Universitas-Győr Nonprofit Kft. (2009), Universitas-Győr Nonporfit Kft. (2010b), Fischer (2011c), Fischer (2012a), Fischer és Horvát (2012) 2. tézis: Kifejlesztettem egy új vizsgálati módszert nevezetesen a többszintes nyíróládás vizsgálati eljárást a georács nélküli és a georáccsal erősített, 40 cm vastag vasúti zúzottkő ágyazati réteg belső nyírási ellenállásának 10 cm vastagságú rétegenkénti meghatározására, amelynél a vizsgálható maximális szemcseátmérő 80 mm. Vonatkozó saját publikációk: Fischer (2010a), Fischer (2011a), Fischer (2011b), Fischer (2012b), Fischer és Horvát (2010a), Fischer és Horvát (2010b), Fischer és Horvát (2010c), Fischer és Horvát (2011a), Fischer és Horvát (2011b), Universitas-Győr Nonprofit Kft. (2010a), Universitas-Győr Nonporfit Kft. (2011a) 3. tézis: A kifejlesztett többszintes nyíróládás vizsgálati eljárással számos laboratóriumi vizsgálatot végeztem georács nélküli és georáccsal erősített, tömörítetlen és tömörített vasúti zúzottkő ágyazatban. A mérési eredményeim alapján megállapítom, hogy a vizsgált polipropilén anyagú, extrudált, merev csomópontú georácsos erősítés esetét kivéve a tömörített, georács nélküli és a különböző típusú georácsokkal erősített rétegszerkezetek esetében a belső nyírási ellenállás maximuma nem a georács síkjában van, hanem a felette lévő 0 10 cm-es zónában, georácsra ragasztott geotextília réteg alkalmazása esetén a vasúti zúzottkő ágyazat belső nyírási ellenállását a geotextília réteg csökkenti az azonos típusú, de geotextília nélküli georács erősítés eseteihez képest, mivel a geotextília jelentősen korlátozza a zúzottkő szemcsék beülésének mértékét a georács bordák közé, mégpedig polipropilén anyagú, extrudált, merev csomópontú georácsok esetében a 10
0 18 cm-es zónában, míg polipropilén anyagú, hegesztett georácsok esetén a teljes 0 40 cm-es tartományban, a georácsnak a tömörített zúzottkő ágyazat belső nyírási ellenállását növelő hatása a rács síkjában a legnagyobb, az attól felfelé mért 15 22 cm-es zónában pedig a legkisebb, illetve a rács feletti 10 cm-es magasságtól felfelé közelítőleg konstansnak tekinthető, a tömörítés növeli a belső nyírási ellenállás értékét mind georács nélküli, mind georáccsal erősített zúzottkő ágyazat esetén, maximális hatása erősítés nélkül a rács síkja felett 23 cm-rel, míg georácsos erősítésnél pedig 19 cm-rel lép fel, tömörítetlen zúzottkő ágyazatban a beépített georács a 0 30 cm-es intervallumban növeli a belső nyírási ellenállást, legnagyobb mértékben a georács síkja feletti 30 cm-es, legkisebb mértékben a georács feletti 12 cm-es zónában. Az eredményeim alapján továbbá megállapítottam, hogy tömörített, georács nélküli ágyazatban a zúzottkő réteg vastagságának optimuma a belső nyírási ellenállás szempontjából a keresztalj alsó síkja alatt 23 cm-re, míg georácsos erősítés esetén a georács feletti 0 15 cm közötti vastagságban van, a zúzottkő ágyazat alatt vágánygeometriai stabilizálás céljából történő alkalmazásra mindenképpen polipropilén anyagú, extrudált, merev csomópontú georácsos geokompozitot javaslok, míg a polipropilén anyagú, hegesztett, merev csomópontú georácsot és georácsos geokompozitot a tönkremeneteli veszélyéből kifolyólag erre a feladatra alkalmatlannak ítélem. A kijelentésemet alátámasztottam végeselemes és diszkrét elemes szoftverrel történő szimulációk eredményeivel is. Vonatkozó saját publikációk: Fischer (2010a), Fischer (2011a), Fischer (2011b), Fischer (2012b), Fischer és Horvát (2010a), Fischer és Horvát (2010b), Fischer és Horvát (2010c), Fischer és Horvát (2011a), Fischer és Horvát (2011b), Universitas-Győr Nonprofit Kft. (2010a), Universitas-Győr Nonporfit Kft. (2011a) 4. tézis: Több típusú és szerkezetű georáccsal és anélkül kialakított kísérleti próbaszakaszokon végzett precíziós magassági szintezések, valamint az FMK-004 mérőkocsi vágánygeometriai mérési eredményei alapján megállapítom, hogy a vágánygeometriai jellemzők stabilizálására a georácsok beépítése nem jelent általánosan alkalmazható megoldást, a speciálisan vasúti zúzottkő ágyazat alá vágánygeometriai stabilizálás céljára tervezett és gyártott georácstól pozitív hatás csak akkor várható el, ha a kiegészítő (védő-erősítő) rétegben vagy annak hiá- 11
nyában az alépítmény-koronán nem alakulhatnak ki a megengedett értékeknél (új MÁV D.11 Utasítás) nagyobb alakváltozások, nem várható az alépítmény állandó vagy időszakos átázása, hatékony az ágyazatra hulló csapadékvíz oldalirányú kivezetése, a vízzsákos szakaszok megszüntetésére, azok fölé, közvetlenül a vasúti zúzottkő ágyazat alá csak akkor javaslom geotextíliával kombinált georács beépítését, ha a szükséges vastagságban megtörténik a rétegszerkezet megerősítése és a hatékony víztelenítés kialakítása. Vonatkozó saját publikációk: Fischer (2010a), Fischer (2011a), Fischer (2011b), Fischer (2012b), Fischer és Horvát (2010a), Fischer és Horvát (2010b), Fischer és Horvát (2010c), Fischer és Horvát (2011a), Fischer és Horvát (2011b), Universitas-Győr Nonprofit Kft. (2010a), Universitas-Győr Nonporfit Kft. (2011a) 5. tézis: PFC 3D diszkrét elemes szimulációs programmal történő modellezéseket elvégezve azokat a laboratóriumi többszintes nyíróládás vizsgálati eredményeimmel összevetve megállapítom, hogy megfelelő pontossággal lehet modellezni a többszintes nyíróládás vizsgálat esetén a zúzottkő ágyazati anyag alá beépített georácsok deformációját, károsodásait, valamint tönkremeneteli formáit amennyiben a nyírási-vizsgálatot a geoműanyag síkjában végezzük el. Vonatkozó saját publikációk: Fischer (2012b), Fischer és Horvát (2010c), Universitas-Győr Nonporfit Kft. (2011a) 12
5. ÖSSZEGZÉS ÉS KITEKINTÉS A Ph.D. értekezésemben a vasúti zúzottkő ágyazat alá beépített georácsok vágánygeometriát stabilizáló hatásának vizsgálatával foglalkoztam, amely disszertáció három év intenzív kutató munkájának eredménye. A téma mindenképpen időszerű, hiszen az utazási és szállítási igények növekedésével az infrastrukturális hálózatok fejlesztésének jelentősége a jelenben és a jövőben egyre jobban emelkedik. Szükség van olyan technikai-technológiai megoldásokra, amelyek alkalmazásával egyrészt elvárt magas színvonalú létesítményeket lehet kivitelezni, másrészt a rendelkezésre álló pénzügyi forrásokat optimálisan lehet felhasználni. Harmadrészt de nem utolsó sorban a mérnöki gondolkodásmód fejlődésével és elveinek a gyakorlati életben történő megvalósításával előtérbe kerül az ún. lifetime engineering, amely a szerkezeteket a teljes élettartamuk alatt felmerülő költségek figyelembevételével terveznek meg. Így a drágább, egyben magasabb műszaki színvonalat és hosszabb élettartamot biztosító műszaki megoldásokra helyeződik a hangsúly. A doktori disszertációmban olyan tudományterületeket is érintek, mint pl. a közgazdaságtan, amivel a pályahibák miatt bevezetett sebességkorlátozások nemzetgazdasági jelentőségét értékelem. Bebizonyítottam, hogy a sebességkorlátozások miatti többlet gyorsítási energiák költsége akár egy éven belül meghaladhatja a hibák felszámolására összesítetten fordítandó kijavítási költségeket. Ez alapján nemzetgazdaságilag előnytelen a pályahibák kijavításának elhalasztása, azok mielőbbi megszüntetéséről kell gondoskodni. A pályahibák kijavításának egyik megoldásaként bemutattam a vasúti zúzottkő ágyazat alá beépített georácsokkal történő vágánygeometriai stabilizálási technológiát, amely az utóbbi egy-két évtizedben került alkalmazásra a fejlettebb országok vasúttáraságainál (pl. British Rail). Kifejlesztettem egy új vizsgálati eljárást, az ún.többszintes nyíróládás vizsgálatot, amely segítségével kimutattam geoműanyag erősítés nélküli és a vizsgált geoműanyagos erősítések esetén a vasúti zúzottkő ágyazatú szemcsés anyaghalmazoknál a vízszintes síkokban ébredő nyíróerő nagyságát a zúzottkő ágyazat alsó síkjától mért vertikális távolság függvényében, valamint megadtam öt növekedési szorzót, amely segítségével össze lehet hasonlítani a különböző szerkezeti kialakítású eseteket. A terepi kísérleti beépítéseknél végzett precíziós magassági szintezési mérések adataiból számított mérőszámok képzésével történt elemzés alapján bebizonyítottam, hogy a vágánygeometriai jellemzők javítására, stabilizálására a georácsok beépítése nem jelent általánosan alkalmazható megoldást. A zúzottkő ágyazat alá terített georács hatása nem érvényesül, ha finom szemcsés anyagból épült, alakváltozásra hajlamos alépítmény-koronára kerül, 13
ahol jellemző a víztelenítés nem megfelelő volta miatt az alépítmény állandó vagy időszakos átázása, amely a sűrű fekszintszabályozási igényekkel is egyértelműen alátámasztható. A vízzsákok megszüntetésére egyes georács gyártók és forgalmazók általános megoldást ígérő ajánlásával szemben csak úgy ajánlom a vasúti zúzottkő ágyazat alá beépített georácsok alkalmazását, ha rétegszerkezeti megerősítés is történik és a víztelenítés megoldása hatékony lesz. Diszkrét elemes szimulációs számítógépes szoftverrel (PFC 3D ) modelleztem a laboratóriumi többszintes nyíróládás méréseimet, és meghatároztam két, a laboratóriumban vizsgált georács típus károsodási, tönkremeneteli módját, amely nagyon jó összhangban van a laboratóriumi vizsgálatok után elbontott rétegszerkezetekben tapasztaltakkal. Bízom benne, hogy Ph.D. értekezésem eredményeivel a vasúttervezési, építési, fenntartási szakma ismeretanyagát hasznosan tudtam kiegészíteni, bővíteni. A további kutatási lehetőségeket az alábbiakban fogalmazom meg a teljesség igénye nélkül. A vasúti sebességkorlátozások miatti gyorsítási energiák hálózatszintű precízebb meghatározásához szükségesnek tartom az összes villamos és dízel üzemű vontatójárműre és motorvonatra vonatkozó korrekciós tényezők méréssel történő meghatározását. A lassújelek, valamint a miattuk szükségessé váló gyorsítási többletenergia költségek, és megnövekedett menetidők csökkentéséhez ütemezett sebességkorlátozás felszámolási programot kellene megtervezni minden vasútvonalra, amit természetesen gazdaságossági számítások is alátámasztanak. A kalkulációknak mindenképpen LCC (Life Cycling Costs) megközelítésűnek kell lenniük, így meghatározhatók lennének az alábbi paraméterek: a vonalakon meghatározott időintervallum alatt jelentkező többlet vontatási energiaköltség (részletesebb elemzésekben szerepelhetnek a menetidő növekedés miatti, a megnövekedett fékezésekkopások miatti többletköltségek, valamint egyéb externális költségek is), a pályahiba kijavítási költségei, a kijavítás utáni karbantartási költségek, valamint az FKG szabályozások ciklusideje, az esetlegesen jobb paraméterekkel átépített vonal, vagy vonalszakasz additív ráfordításainak megtérülési ideje. 14
A laboratóriumi többszintes nyíróládás vizsgálatok során a vasúti zúzottkő ágyazat alá vágánygeometriai stabilizálás céljából beépített georácsok hatásának teljesebb körű elemzését segítheti: élesélű, azaz új állapotú, illetve legömbölyödött szemcsékből álló, használt vasúti zúzottkő ágyazati anyag alkalmazása, száraz, vizes és olajos vasúti zúzottkő ágyazati anyag használata, különböző alépítményi teherbírási modulusú alapra épített rétegszerkezetek vizsgálata, különböző zúzottkő ágyazatvastagságok alkalmazása, egyéb, más típusú geoműanyagok felhasználása, függőleges terhelés alatti vizsgálatok végrehajtása, dinamikus vizsgálatok végrehajtása. A kialakított lébényi és budaörsi kísérleti vasúti pályaszakaszokat továbbra is figyelemmel kell kísérni, azok diagnosztizálását meg folytatni kell. Fontosnak tartom további olyan közepes vágánygeometriai állapotú pályaszakaszok vasúti zúzottkő ágyazat alá beépített georácsokkal történő vágánygeometriai stabilizálásának vizsgálatát, amelyeknél megfelelő teherbírású anyagból épült az alépítmény, valamint a víztelenítés is rendezett, mivel a kis teherbírású, elégtelen víztelenítésű vágányoknál a georácsok vágánygeometriai stabilizáló hatása nem volt egyértelműen kimutatható. A diszkrét elemes szimuláció segítségével végrehajtott modellezéseknél valós méretarányú minták megalkotása kellene a jövőben, amelyeket a vasúti zúzottkő ágyazat pontos szemeloszlása alapján, a szemalakok precízebb figyelembevételével lenne szükséges generálni. A szemcsék, valamint a szemcse-fal közötti érintkezéses kapcsolatok mikromechanikai paramétereinek meghatározásához széleskörű laboratóriumi vizsgálatok szükségesek, illetve pontosan kalibrálni kellene a georácsok mikromechanikai tulajdonságait is. A többszintes nyíróládás vizsgálat teljes verifikálását meg kell oldani mind tömörített ( T minta ), mind tömörítetlen ( NT minta) esetére, annak érdekében, hogy olyan modelleket is vizsgálni lehessen megfelelő pontosságú eredményekkel, amelyeket a laboratóriumban nem mértek ki. Ezzel az idő- és költségigényes laboratóriumi vizsgálatokat a jövőben felválthatja a diszkrét elemes szimuláció. Ezzel a különböző értékű felszíni terhelés figyelembevétele is megvalósulhatna, illetve a dinamikus hatások beiktatására is lehetőség lenne. A vasúti terhelés dinamikus modellezésével valósághű szimulációkat lehetne lefuttatni, természetesen olyan módon, hogy a zúzottkő ágyazat alá különböző típusú geoműanyagokat építünk be. 15
KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Ezúton szeretném megköszönni a Ph.D. disszertációm megírásához számos ember által nyújtott segítséget. A teljesség igénye nélkül kiemelném többüket. Először is köszönöm a tudományági vezetőm Dr. habil Gáspár László DSc. egyetemi tanár segítségét, és mindenkori támogatását. Hasonlóan köszönettel tartozom közvetlen főnökömnek és tanszékvezetőmnek Dr. habil Koren Csaba CSc. egyetemi tanárnak a folyamatos biztatásáért, illetve szakmai támogatásáért. Meghálálhatatlan segítséget kaptam a vasútépítési szakterületen az ország egyik legnagyobb elméleti és gyakorlati tudású, valamint elismert szakemberétől, témavezetőmtől, Dr. Horvát Ferenc CSc. főiskolai tanártól, aki még a legnagyobb elkeseredésemben is tudott bátorító szavakkal munkára és a kutatás folytatására bírni. Köszönöm egykori tanárom, majd oktató kollégám Dr. univ. Kiss Ferenc főiskolai docens a gyorsítási energiákkal kapcsolatos fejezethez nyújtott mérhetetlen segítségét, és a két további kolléga Simányi Miklós nyug. főiskolai tanár, valamint Vitéz Attila főenergetikus támogatását is. Kiemelten köszönettel tartozom a MÁV Zrt. PLF PLK fejlesztő mérnökének Szekeres Dénesnek, aki a műszaki szervezés legmagasabb fokát művelve, minden szakmai akadályt elhárítva segítette munkámat a mozdonyos mérésekkel, a geoműanyagok beépítésével és egyéb adatbeszerzésekkel kapcsolatosan. Hálával tartozom a MÁV Zrt. PLF mérnökének Csonka Zsoltnak is, aki szakmailag támogatta a K+F munkáinkat és lelkiismeretesen konzultált velünk. Köszönöm a MÁV Zrt. Győri Pályafenntartási Alosztály alosztályvezetőjének Kiss Sándornak a terepi mérések lebonyolításában és a lassújel-kimutatások rendelkezésemre bocsátásával összefüggő segítségét is, illetve köszönöm a MÁV Zrt. többi munkatársának is a Ph.D. disszertációmhoz szükséges mérések biztosítását és szakmai munkájukat. Hálával tartozom Dr. Bagi Katalin egyetemi docensnek a diszkrét elemes módszer alkalmazásához nyújtott speciális ismeretek átadásáért, és Major Zoltán tanszéki mérnöknek a tényleges szimulációs futtatásokban nyújtott segítségéért. PFC 3D szimulációs segítségéért, illetve a doktori iskola tanulmányi ügyintézőjének Tomolákné Krokker Szilviának, aki mindig segítette az ügyes-bajos hallgatói elintéznivalóim megoldását. Köszönöm a Tensar International Ltd., a Naue Fasertechnik GmbH, valamint a Viacon Hungary Kft. cégeknek a kísérleti beépítésekhez és a laboratóriumi mérésekhez szükséges georácsok biztosítását. Végül, de nem utolsó sorban, sőt legnagyobb mértékben, köszönöm szüleim Fischer Tibor és Fischerné Sándor Mária, valamint kedvesem Gerencsér Georgina mindenkori támogatását és végtelen türelmét. 16
IRODALOMJEGYZÉK A szerző hivatkozott publikációinak listája FISCHER, SZ. (2010a). Georácsok alkalmazása a vasúti zúzottkőágyazat stabilizálására, nyomtatásban nem megjelent konferencia előadás, Tech4Auto Regionális kutatásfejlesztési konferencia és laborbemutató, Győr, Magyarország, 2010. november 10-11. FISCHER, SZ. (2011a). Georácsos vasúti felépítménystabilizáció hatékonysága, XV. Nemzetközi Építéstudományi Konferencia (EMT), Csíksomlyó, Románia, 2011. június 2-5., pp. 137-144 FISCHER, SZ. (2011b). Railway superstructure stabilizaton with geosynthetic layers, Transcom 2011, 9-th Eurpoean Conference of young research and scientific workers, University of Zilina, Zilina, Slovak Republic (ISBN 978-80-554-0376-2), June 27-29, 2011, pp. 35-38 FISCHER, SZ. (2011c). Lassújel miatti többletköltségek, és a megszüntetés költségeinek összehasonlítása, Sínek Világa, LIII. évfolyam, 5. szám, pp. 21-29 FISCHER, SZ. (2012a). Vasúti sebességkorlátozások nemzetgazdasági jelentősége, nyomtatásban nem megjelent konferencia-előadás, GYSEV Vasúti pályaépítés és fenntartás szakmai nap, Sopron, Magyarország, 2012. február 22. FISCHER, SZ. (2012b). Georácsok alkalmazása vasúti zúzottkő ágyazat stabilizálására, nyomtatásban nem megjelent konferencia-előadás, KTE ankét, Pályavasúti kutatások, fejlesztések és az elért eredmények hasznosítása, Szombathely, Magyarország, 2012. május 24. FISCHER, SZ., HORVÁT, F. (2010a). Vasúti vágánygeometria stabilizálása közvetlenül az ágyazat alá beépített georácsokkal, XIV. Nemzetközi Építéstudományi Konferencia (EMT), Csíksomlyó, Románia, 2010. június 3-6., pp. 85-92 FISCHER, SZ., HORVÁT, F. (2010b). Vasúti zúzottkő ágyazatos felépítmény georácsos stabilizációja, Közlekedésépítési Szemle, 60. évfolyam (2010), 7. szám, pp. 14-20 17
FISCHER, SZ., HORVÁT, F. (2010c). A georács erősítésű vasúti zúzottkő ágyazat diszkrét elemes modellezési lehetőségei, Közlekedésépítési Szemle, 60. évfolyam (2010), 8. szám, pp. 20-29 FISCHER, SZ., HORVÁT, F. (2011a). Investigations of the reinforcement and stabilisation effect of geogrid layers under railway ballast, Slovak Journal of Civil Engineering, Vol. XIX, 2011, No. 3, pp. 8-16 FISCHER, SZ., HORVÁT, F. (2011b). Superstructure stabilization of ballast bedded railway tracks with geogrids, Hungarian Journal of Indsutrial Chemistry, Vol. 39, 2011, pp. 101-106 FISCHER, SZ., HORVÁT, F. (2012). A jó vasúti pályaállapot műszaki és gazdasági jelentősége, nyomtatásban nem megjelent konferencia-előadás, XIII. Közlekedésfejlesztési és beruházási konferencia, Bük-fürdő, Magyarország, 2012. április 25-27. UNIVERSITAS-GYŐR NONPROFIT KFT. (2009). A vasúti pályán a lassújelek után szükséges gyorsítások energiaigényének vizsgálata, kutatási zárójelentés (készítette: Dr. Kiss Ferenc, Fischer Szabolcs, Vitéz Attila, Simányi Miklós), Győr, 2009. július 20., 152 p. UNIVERSITAS-GYŐR NONPROFIT KFT: (2010a). Georácsok alkalmazása a vasúti zúzottkőágyazat stabilizálására, kutatási zárójelentés (készítette: Dr. Horvát Ferenc, Fischer Szabolcs), Győr, 2010. november 30., 139 p. UNIVERSITAS-GYŐR NONPROFIT KFT. (2010b). Lassújelek okozta vontatási energiatöbblet költségeinek és a lassújelet okozó pályahiba kijavítási költségeinek összevetése, kutatási zárójelentés (készítette: Dr. Kiss Ferenc, Fischer Szabolcs, Simányi Miklós), Győr, 2010. december 10., 199 p. UNIVERSITAS-GYŐR NONPROFIT KFT. (2011a). Georácsok alkalmazása a vasúti zúzottkőágyazat stabilizálására, kutatási zárójelentés (készítette: Dr. Horvát Ferenc, Fischer Szabolcs), Győr, 2011. november 23., 76 p. A szerző egyéb publikációinak listája FISCHER, SZ. (2006). Cölöpök integritásvizsgálata, VIII. Műszaki Tudományos Diákkonferencia, Erdélyi Tudományos Diákköri Konferencia, Temesvár, Románia (ISBN (10) 973-938-254-0, ISBN (13) 978-973-638-254-3), 2006. április, pp. 10 18
FISCHER, SZ. (2007). A Wiener Bogen átmeneti ív számítása Maple segítségével, Maple workshop, Széchenyi István Egyetem, Győr, Magyarország, 2007. október FISCHER, SZ. (2008a). A hazai vasúttervezési előírások európai megfelelősége, Közúti és Mélyépítési Szemle, 58. évfolyam (2008.), 3-4. szám, pp. 30-35 FISCHER, SZ. (2008b). Comparison of railway track transition curves, Fourth International PhD, DLA Symposium in Engineering, PTE-PMMK, Pécs, Magyarország (ISBN 978-963-7298-27-1), 2008. október, pp. 15-16 FISCHER, SZ. (2009a). Comparison of railway track transition curves, Pollack Periodica, Vol. 4 (2009), No. 3, pp. 99-110 FISCHER, SZ. (2009b). A kerék-sín érintkezés mechanikai problémai, Műszaki és informatikai rendszerek és modellek III., 2009, pp. 51-68 HORVÁT, F., FISCHER, SZ. (2009). Magistrale Európának, Közlekedésépítési Szemle, 59. évfolyam (2009.), 5. szám, pp. 33-37 FISCHER, SZ., HORVÁT, F. (2009). Mérethatárok sebességfüggősége, XIII. Nemzetközi Építéstudományi Konferencia (ÉPKO), Erdélyi Magyar Tudományos Társaság (EMT), Csíksomlyó, Románia, 2009. június 11-14., pp. 137-143 Az egyéb hivatkozott irodalmak listája KTI Grafikus adatbázisok, Trendek, Dugófigyelő Közlekedéstudományi Intézet Nonprofit Kft. - http://www.kti.hu/index.php/szolgaltatasok/trendek-grafikus-adatbazis/trendek---grafikus-adatbazis [olvasva: 2011. szeptember 12.] MÁV (1987). D.54 sz. Építési és pályafenntartási műszaki adatok, előírások, I. kötet, KÖZDOK, Budapest, 325 p. TENSAR INTERNATIONAL LTD. (2010). Railways. Mechanical Stabilisation Track Ballast and Sub-ballast, marketing kiadvány, Blackburn, 11 p. 19
VASZARY, P. (1999). A pályaromlás elmélete, I. MEZEI és Id. F. HORVÁTH (szerk.) Vasútépítés és pályafenntartás II. kötetben, Magyar Államvasutak Rt., Budapest, pp. 157-160 WEINREICH, Z. (2011). Nagysebességű vasutak pályafenntartási kitűzése, Sínek Világa, LIII. évfolyam, 6. szám, pp. 27-31 TÉZISFÜZETBEN SZEREPLŐ ÁBRÁK JEGYZÉKE 1. ábra: A zúzottkő szemcsék georácsba illeszkedése [Tensar International Ltd., 2010] 2. ábra: Az alakkal zárás jelensége [Tensar International Ltd., 2010] 20