Establishing patterns in the stressed-strained state of concrete sleepers with prestressed composite reinforcement and their models

Abstract

EN: This study investigates the finite-element and physical models of railroad sleepers made of concrete with steel and composite prestressed reinforcement. Reinforced concrete sleepers withstand mechanical loads well but have low electrical resistance, which contributes to traction current losses, leakage currents and electrocorrosion of linear structures on electrified railroads, as well as disruption of auto-lock. Since low electrical resistance is due to the electrical conductivity of steel reinforcement, its replacement with composite makes it possible to solve a number of problems in railroad operation. However, its use for sleepers is complicated by the difference from steel reinforcement in elasticity and remains insufficiently studied. Sleeper models and a scheme for their testing have been devised, which corresponds to the standard sleeper test. Calculation and full-scale experiments with loading the models have been performed. It has been established that as the models are loaded and the deformation moment increases, it evolves in three stages: crack formation; their development to the formation of a plastic hinge; failure with reinforcement slipping. In the model with composite reinforcement, compared to steel reinforcement, the moments corresponding to these stages are smaller by values that correlate with lower tension forces and the modulus of elasticity of the reinforcement. The type of reinforcement affects all moments characterizing the strength and crack resistance of the models less than the pre-tensioning forces. The results from the calculated and full-scale experiments have been compared. Correction factors were proposed for calculating the moments of crack formation in sleepers. The results make it possible to design sleepers with composite reinforcement of the required crack resistance. Such sleepers could be implemented provided that a positive result is obtained from their experimental operation on an electrified section of the railroad.

UA: Об’єкт дослідження – скінченоелементні та фізичні моделі залізничних шпал із бетону зі сталевою та композитною попередньо напруженою арматурою. Залізобетонні шпали добре опираються механічним навантаженням, але мають невисокий електричний опір, що сприяє втратам тягового струму, струмам витоку та електрокорозії лінійних споруд на електрифікованих залізницях, порушенням автоблокування. Оскільки невисокий електричний опір обумовлений електропровідністю сталевої арматури, її заміна композитною дозволяє вирішити низку проблем експлуатації залізниць. Але її використання для шпал ускладнюється відміною від сталевої арматури за пружністю і залишається недостатньо дослідженим. Розроблено моделі шпал та схему їх випробування, яка відповідає стандартному випробуванню шпал. Виконано розрахунковий і натурний експерименти з навантаженням моделей. Встановлено, що по мірі навантаження моделей та збільшення моменту деформування розвивається трьома стадіями: утворення тріщин; їх розвиток до утворення пластичного шарніру; руйнування з проковзуванням арматури. У моделі з композитною арматурою порівняно зі сталевою моменти, відповідні цим стадіям, менші на величини, що корелюють з меншими зусиллям натягу і модулем пружності арматури. На всі моменти, що характеризують міцність та тріщиностійкість моделей, вид арматури впливає менше, ніж зусилля попереднього натягу. Порівняно результати розрахункового та натурного експериментів. Запропоновані поправочні коефіцієнти для розрахунку моментів утворення тріщин в шпалах. Отримані результати дозволяють конструювати шпали з композитною арматурою потрібної тріщиностійкості. Такі шпали можуть бути впроваджені за умови отримання позитивного результату їх дослідної експлуатації на електрифікованій ділянці залізниці.