Верифікація результатів скінченно-елементного аналізу металoін’єкційних сорочок оправ підземних залізничних споруд

Abstract

UA: Інженерні споруди на залізницях – мости, водопропускні труби, тунелі – є відповідальними об’єктами з тривалими строками експлуатації. У процесі експлуатації їхні несучі конструкції зазнають фізичного зносу, обумовленого утворенням тріщин, вивалів і локальних пошкоджень, що призводить до зниження тримаючої здатності. Усувати такі пошкодження потрібно за допомогою ремонтних технологій, які забезпечують збереження існуючих конструкцій і мінімальні перерви в русі поїздів. В Українському державному університеті залізничного транспорту розроблено і впроваджено конструктивнотехнологічні рішення відновлення тримаючої здатності кам’яних, бетонних і залізобетонних оправ водопропускних труб і тунелів через улаштування металоін’єкційних сорочок. Разом із тим під час проєктування тримаючу здатність сталевої оболонки таких сорочок зазвичай не враховували через складність верифікації результатів чисельних розрахунків. У статті наведено результати верифікації скінченно-елементних розрахунків напруженодеформованого стану склепінчастих металоін’єкційних конструкцій на основі порівняння з експериментальними та розрахунковими даними, отриманими для аналогічних сталебетонних аркових систем. Встановлено, що результати нелінійних розрахунків методом скінченних елементів мають задовільну збіжність з експериментальними даними, а отримані величини тримаючої здатності є консервативними, що дає змогу коректно застосовувати цей метод під час проєктування.

EN: Railway structures such as bridges, culverts and tunnels are critical infrastructure facilities designed for long-term operation. During service life, their load-bearing structures undergo physical deterioration caused by cracking, spalling and local failures, which leads to a reduction in load-bearing capacity. Repair and rehabilitation of such structures should preferably be performed using technologies that preserve existing structural elements and ensure minimal interruption of railway traffic. At the Ukrainian State University of Railway Transport, innovative structural and technological solutions for restoring the load-bearing capacity of masonry, concrete and reinforced concrete linings of culverts and tunnels have been developed and successfully implemented. These solutions are based on the use of metal-injection jackets consisting of steel shells anchored to the damaged lining and injection of repair mortar into the gap between the shell and the existing structure. However, during design, the contribution of the steel shell to the overall load-bearing capacity has traditionally been neglected due to difficulties in verifying numerical calculation results. This paper presents the results of verification of finite element calculations of the stress–strain state of vaulted metal-injection structures. The verification is performed by comparing numerical results with experimental and analytical data obtained for similar steel–concrete arch systems. Nonlinear finite element analyses were carried out using a specialized structural analysis software, and the obtained deformation diagrams and ultimate load values were compared with experimental results reported in the literature. The study shows that nonlinear finite element calculations provide a satisfactory agreement with experimentally observed stress–strain behaviour. The calculated ultimate load values are, on average, approximately 17.5% lower than the experimental ones, indicating a conservative nature of the method. This confirms the feasibility of using nonlinear finite element modelling for the design and assessment of metal-injection jackets in underground railway structures, provided that the identified deviation is properly accounted for at the design stage.