JultikaUniversity of Oulu repository

Tiivistelmä

Tässä työssä tutkitaan rautateiltä saatavaa dataa ja kehitetään sille standardimuoto, joka helpottaa datan tilastointia ja käsittelyä erityisesti väsymislaskennassa. Standardisoimisprosessia varten pohditaan, mitä tietoja väsymislaskentaa ja tiedoston lukemista varten tarvitaan, ja näistä tiedoista kehitetään standarditiedoston muoto. Tähän liittyen luodaan myös Python-ohjelmointikielellä ohjelma, joka lukee tietoja Väyläviraston tietokannasta ladatusta tiedostosta ja kirjoittaa ne standardimuotoon uuteen csv-tiedostoon.

Standardimuotoisen datan käyttöä testataan luomalla väsymislaskentaohjelma, joka laskee yliajaneen liikenteen tiettyyn sillan detaljiin aiheuttaman vaurioasteen. Ohjelma lukee rautatiedataa standardimuotoisesta tiedostosta, minkä lisäksi siihen syötetään tiedot detaljin vaikutusviivasta sekä väsymisluokasta. Ohjelma lukee tiedostosta yhden junan tiedot kerrallaan ja laskee kyseisen junan yliajon detaljiin aiheuttaman vaurioasteen. Vaurioasteet summataan yhteen ja niiden kertymästä piirretään kuvaaja. Lopuksi ohjelma tulostaa liikenteen aiheuttaman kokonaisvaurioasteen sekä kuvaajan.

Väsymislaskentaohjelmaa testataan laskemalla Kiehimänjoen ratasillan pituussuuntaisen sekundäärikannattajan alalaipan heikoimman kohdan vaurioaste käyttäen kuukauden ajalta mitattua liikennedataa. Tämän lisäksi lasketaan liikenteen väsyttävyyttä kuvaamaan luotujen, todellisen liikenteen bruttotonneja vastaavien ominaisväsytysjunien detaljiin aiheuttama vaurioaste. Näitä vertailemalla saadaan selvitettyä, miten hyvin ominaisväsytysjunat mallintavat todellista liikennettä kyseisellä rataosalla. Liikennevertailun lisäksi väsymislaskentaohjelmaa käytetään tarkastellun detaljin kokonaisvaurioasteen selvittämiseen. Selvitys tehdään bruttotonnien pohjalta ominaisväsytysjunia käyttäen vuosille 1900–2018.

Todellisen liikenteen ja ominaisväsytysjunien vaikutusta verrattaessa tulokseksi saadaan, että ominaisjunilla laskettu vaurioaste sisältää hieman varmuutta, mikä on tarkoituksenmukaista. Detaljin väsymishistoriaa laskettaessa huomataan vaurioasteen olevan lähes 1, eli detaljin laskennallinen käyttöikä alkaa olla lopussa. Lähemmissä tarkasteluissa huomataan, että vuoden 1975 jälkeistä liikennettä kuvaavat ominaisväsytysjunat ovat huomattavasti väsyttävämpiä kuin sitä aikaisemmat.

Tässä työssä kehitetyt standardimuoto ja väsymislaskentaohjelma antavat eräänlaisen työkalun Suomen radoilla kulkevan liikenteen ja rautatiesiltojen kunnon tarkasteluun. Jatkotutkimuksilla voidaan selvittää tarvittavia tietoja olemassa olevista rautatiesilloista ja automatisoida täten siltojen väsymisen laskentaa ja seurantaa. Tämän seurauksena kunnossapidon resursseja voisi olla helpompi ohjata oikeille rataosille.

Standardized railway axle load data and its applications in bridge engineering

Abstract

In this thesis, the data obtained from railways in Finland is studied and a standard format is proposed for storing and processing the data, especially in fatigue calculation. For the standardization process, it is considered which information is needed for fatigue calculation and reading the information in the file. From this information, the standardized format of the file is developed. A Python program is also created to read data from a file loaded from the Finnish Transport Agency’s database and to write it in a new csv file using the proposed standardized format.

The use of standardized data is tested by creating a fatigue calculation program that calculates the damage accumulation caused to a specific bridge detail by passing traffic. The program reads the traffic data from a standardized file and the information about the influence line in another file. The fatigue class is also submitted to the program. The program reads the data of one train at a time and calculates the damage accumulation caused by the train. These damage values of every train are added together and a graph of the cumulative damage is drawn. Finally, the total damage accumulation caused by all the trains is presented along with the graph.

The fatigue calculation program is tested by calculating the damage accumulation of the weakest spot of the bottom flange of the longitudinal secondary girder of the Kiehimänjoki railway bridge using traffic data measured over a period of one month. In addition to this, the damage accumulation caused to the detail by characteristic fatigue train models, equivalent to the gross tonnage of the real traffic, is calculated. By comparing these damages, it is possible to find out how well the characteristic fatigue trains model the real traffic on the railway line in question. In addition to the comparison between real traffic and fatigue models, the fatigue calculation program is used to find out the total damage accumulation and fatigue history of the examined detail since the construction of the bridge. The analysis is performed on the basis of gross tonnage on the railway line, using characteristic fatigue trains for the years 1900–2018.

When comparing the effect of real traffic and characteristic fatigue trains, the result is that the damage accumulation calculated with characteristic trains contains some additional certainty, which is adequate. When calculating the fatigue history of the detail, it is noticed that the total damage accumulation is almost 1, i.e. the calculated fatigue life is coming to an end. On closer inspection, it is noticed that the characteristic fatigue trains equivalent to the traffic after the year 1975 are significantly more fatiguing than the ones before.

The standard form and the fatigue calculation program developed in this thesis provide a tool for examining the condition of and railway traffic and bridges in Finland. With further research, the necessary information on existing railway bridges can be examined and thus the calculation and monitoring of bridge fatigue can be more automated. As a result, it could be easier to direct maintenance resources to the right railway lines.