Využití vybraných výstupů z projektu INNOTRACK

Petr Jasanský 1, Václav Michajluk 2 Využití vybraných výstupů z projektu INNOTRACK Klíčová slova: snižování nákladů, náklady po dobu životnosti, železniční spodek, výztužné geosyntetikum, vady kolejnic Projekt INNOTRACK (Innovative Track Systems) byl řešen v letech 2006 2009 v rámci 6. rámcového programu EU. Jeho cílem bylo provést podrobnou analýzu současného stavu a zkušeností z provozování železniční infrastruktury a nalézt nové progresivní prostředky a postupy pro její efektivní rozvoj se současným snížením pořizovacích a údržbových nákladů. Bližší informace o tomto projektu lze nalézt v příspěvku Innotrack Innovative Track System" uvedeném ve VTS č. 24/2007. V závěrečné fázi řešení projektu bylo zpracováno více než 130 dokumentů (deliverables, guidelines) shrnujících získané poznatky z jednotlivých dílčích částí projektu a metodické návrhy a postupy řešící dílčí problematiku infrastruktury se záměrem možných praktických aplikací. Souhrn z těchto dokumentů byl pak shromážděn do publikace s názvem Concluding Technical Report [1]. Výstupy projektu jsou veřejně přístupné na webové stránce http://www.innotrack.net/reports. Tento článek dále přináší podrobnější seznámení s některými vybranými výsledky projektu a jejich praktickým využitím. Praktické využití výsledků projektu Projekt INNOTRACK měl již při svém zahájení ve svém harmonogramu zakotveno prezentovat dosažené výsledky jak formou seminářů, tak distribucí příruček k jednotlivým tematickým okruhům. Řada seminářů již proběhla. Zaměřeny byly na prezentaci zjištěných závěrů s tím, že tyto poznatky zúčastněným dávají dobrý předpoklad k jejich co nejefektivnější aplikaci do podmínek údržby a provozu infrastruktury jednotlivých států. Přestože jednotliví účastníci projektu INNOTRACK i účastníci seminářů mají různý rozsah a skladbu infrastruktury, odlišné podmínky pro její údržbu atp., výsledky jsou zpracovány tak, aby je jednotliví správci (dále jen IM ) mohli snadno využít pro své specifické podmínky (tabulky, grafy, výpočty LCC). 1 Petr Jasanský, Ing., 1972, Vysoká škola dopravy a spojů v Žilině, obor rekonstrukce a údržba dopravních staveb, SŽDC OTH, systémový specialista 2 Václav Michajluk, Ing., 1972, Vysoká škola dopravy a spojů v Žilině, obor rekonstrukce a údržba dopravních staveb, SŽDC OP, systémový specialista 1

Je zcela na IM, jak se k výsledkům projektu postaví, protože některé výsledky vyvolávají i po ukončení projektu značnou diskusi, jak s těmito výsledky naložit. Jedním z takových výsledků je například tabulka pro optimalizaci výběru vhodných kolejnic z hlediska odolnosti proti bočnímu ojetí a vzniku kontaktních únavových vad (RCF). Tuto problematiku dále stručně rozpracováváme jakožto příklad praktického výstupu z projektu INNOTRACK. Závěrečná technická zpráva Z hlediska technické náplně práce projektu, pochopitelně s ohledem na ekonomické hledisko, byl vypracován dokument Concluding Technical Report (dále jen CTR ), který ze všech dílčích částí projektu shrnuje dosažené výsledky v jednotlivých zájmových oblastech. Vlastní CTR je tematicky rozdělen do kapitol, které jsou věnovány železničnímu svršku a spodku, kolejnicím a svařování, výhybkám a dále technicko-ekonomickým záležitostem jako jsou technické faktory mající zásadní vliv na nákladovost provozování infrastruktury, logistika a analýza snižování nákladů během její životnosti. K jednotlivým tematickým kapitolám jsou vždy uvedeny odkazy na příslušné, podrobněji zpracované dokumenty, tzv. deliverables. CTR je v elektronické podobě umístěn na oficiálních webových stránkách projektu INNOTRACK (www.innotrack.net) a rovněž byl vydán v knižní formě pod patronací UIC [1]. Pracovníci Správy železniční dopravní cesty, státní organizace (dále jen SŽDC ), jako nástupnického člena konsorcia po ČD, a.s., se v technické části projektu aktivně podíleli v oblasti železničního spodku, kde spolu s ostatními účastníky řešili především otázky používání metod zlepšování pražcového podloží, diagnostiku stavu tělesa železničního spodku a ověřování matematického a laboratorního ověřování málo únosných míst. Z těchto okruhů se tedy zcela logicky odvozují aktivity, které pokračují v podmínkách SŽDC i po skončení trvání projektu a lze v této souvislosti tedy hovořit o praktickém využití jeho výstupů. Nemusí se vždy jednat o konkrétní aplikace in-situ, ale již např. použití dokumentů projektu Innotrack pro potřeby přípravy realizace stavby dává příležitost konfrontace s poznatky kolegů z členských zemí Evropské unie. Metody zlepšování únosnosti pražcového podloží V oblasti používání progresivních řešení a metod zvyšování únosnosti pražcového podloží patřily zkušenosti zástupců z České republiky ke špičce, proto byl pod jejich vedením zpracován souhrnný dokument popisující současný stav používání těchto metod a postupů. Během řešení projektu byly vybrány některé z těchto metod, 2

které byly dále rozvíjeny a ověřovány. Jednalo se např. o aplikaci výztužných geosyntetických materiálů v tělese železničního spodku, včetně řešení problematických přechodových oblastí na umělé objekty, a o metodu zpevňování náspu pomocí ukloněných vápeno-cementových pilot. SŽDC se v praktických aplikacích zaměřila na použití výztužných geosyntetických materiálů, konkrétně geomřížek a geokompozitů, v pražcovém podloží. Ověřováno bylo umístění výztužných geosyntetik do spodní části kolejového lože. Provozní ověřování v rámci zkušebních úseků na tratích SŽDC Účelem testování aplikace geosyntetik umístěných ve spodní části kolejového lože je ověření efektu jejich vložení na zpomalení rozpadu geometrických parametrů koleje (dále jen GPK ) na tratích, které neprošly komplexní rekonstrukcí a kde je vložení geosyntetik realizováno v rámci opravných prací železničního svršku a obnovy kolejového lože. Pro potřeby provozního ověřování byly zřízeny dva zkušební úseky na železničních tratích v ČR, které splňovaly výše uvedené parametry, přičemž v každém z nich byl výztužný prvek do konstrukce pražcového podloží vložen odlišnou technologií. První zkušební úsek byl založen v květnu 2008 a nachází se u žst. Blovice na trati Plzeň České Budějovice. Jedná se o úsek vedený v přímé, v zářezu jednokolejné trati s délkou cca 185 metrů. Zároveň s tímto zkušebním úsekem je sledován tzv. referenční úsek bez vyztužení kolejového lože, který k němu bezprostředně přiléhá. Nachází se přibližně ve stejných terénních podmínkách a je pojížděn stejnou zátěží jako úsek zkušební. Rovněž prošel stejným rozsahem oprav ve stejném termínu realizace. Vzhledem ke stavu pláně tělesa železničního spodku s výrazným obsahem jemnozrnných zemin bylo rozhodnuto použít geokompozit, tedy kombinaci výztužné geomřížky se čtvercovými oky a geotextilie. Pokládka geokompozitu zde byla provedena pomocí strojní mechanizace, konkrétně během odtěžování vrstvy starého kolejového lože pomocí strojní čističky. Tento způsob se v konečném důsledku neukázal jako příliš šťastný, protože výška volného prostoru mezi zvednutým roštem kolejového lože a plání tělesa železničního spodku po odtěžení kolejového lože nebyla dostatečná pro umístění originální role výztužného geokompozitu, takže jednotlivé role musely být rozděleny na pasy o délce cca 12,5 m (viz obr. 1). Zkušební úsek se v roce 2011 nachází ve 3. roce sledování, kdy se průběžně vyhodnocuje vývoj GPK a porovnává se s referenčním úsekem. Rovněž se sleduje stav pražcového podloží, který bohužel vzhledem k nepříznivým geotechnickým podmínkám kvalitativně upadá a jemnozrnné zeminy se z podloží vlivem pumpovacího efektu 3

postupně dostávají k povrchu kolejového lože. Tomuto jevu nedokázala zabránit ani separační geotextilie geokompozitu. V konečném hodnocení bude potřeba analyzovat míru vlivu výše uvedených podmínek na funkčnost vloženého geosyntetika, vliv použité technologie vložení a další faktory mající vliv na objektivnost posouzení. Obr. 1 Pokládka výztužného geokompozitu ve zkušebním úseku Bílovice O rok později (v listopadu 2009) byl založen druhý zkušební úsek, kde již byly využity získané poznatky a zkušenosti z úseku prvního. Zásadní odlišností byla aplikovaná technologie pokládky, a to se snesením kolejového roštu. Další odlišností je umístění zkušebního i referenčního úseku do staniční koleje, konkrétně v žst. Holýšov na trati Plzeň Domažlice. Další okolností je skutečnost, že v tomto zkušebním úseku jsou použity dva typy výztužných geosyntetických prvků, jednak geokompozit obsahující geomřížku se čtvercovými oky, jednak geokompozit s geomřížkou s trojúhelníkovým rastrem (TriAx od firmy TENSAR). Zvolená technologie umožnila aplikaci celých rolí dodaných geosyntetických prvků, lepší možnost jejich vyrovnání a napnutí. Zásyp novým kamenivem kolejového lože probíhal z výsypných vozů ze sousední koleje. 4

Na obr. 2 jsou zobrazeny záznamy z jízd měřicího vozu pro kontrolu GPK při posledním měřením před založením zkušebního úseku a z měření při 3. měřící kampani v roce 2010. Při porovnání křivek podélných výšek levého a pravého kolejnicového pasu je patrné, že původně byl tento parametr ve všech sledovaných úsecích podobného charakteru a z dalšího měření je zřejmé, že amplitudy výchylek na obou vyztužených úsecích dosahují menších hodnot než na úseku bez vyztužení, snad kromě místa v blízkosti rozhraní obou vyztužených úseků. Tady však jde prakticky o místo pravidelného zastavovaní a rozjezdu hnacích vozidel, kde lze předpokládat zvýšené dynamické namáhání. Tato aktivita provozního ověřování zahájená v průběhu aktivního zapojení SŽDC do projektu INNOTRACK probíhá i v současnosti a bude prováděna dle stanoveného harmonogramu. Výstupem by mělo být objektivní zhodnocení vlivu vloženého výztužného prvku v kolejovém loži a zároveň by výstupy měly stanovovat pravidla a technické parametry výztužných prvků pro případné další obdobné aplikace. Součástí by měl být i návrh zapracování této problematiky do předpisové základny SŽDC. Diagnostika stavu tělesa železničního spodku Nedílnou součástí problematiky tělesa železničního spodku je jeho diagnostika a tato nemohla zůstat stranou zájmu obsahu projektu INNOTRACK. O aplikaci švédského měřicího vozu pro měření tuhosti trati (dále jen RSMV ) na vybraných místech naší železniční sítě již bylo na odborném fóru několikrát referováno, včetně uvedení příspěvků ve sbornících konferencí (např. [4]). Rozhodně šlo, díky aktivnímu zapojení v projektu, o jedinečnou příležitost vyzkoušet v našich podmínkách, jinak zřejmě nedostupnou, diagnostickou metodu a zařízení. Další široce řešenou oblastí byla nedestruktivní diagnostika pražcového podloží na bázi geofyzikálních metod. Konkrétně se jednalo o exploatace geoelektrické, seizmické a gravimetrické metody. Při měřeních in-situ byly většinou součástí komplexu měření, i v našem případě při měření vozem RSMV. SŽDC již má aplikace těchto diagnostických metod zahrnuty v předpisovém dokumentu, nicméně bylo velice přínosné srovnat dosažené výsledky měření na síti drah v jiných zemích a porovnat je s našimi zkušenostmi. Velice zajímavou záležitostí byla nedestruktivní diagnostika přechodových oblastí, které jsou často velmi problematickými místy na železničních tratích i u ostatních členů konsorcia. 5

Obr. 2 Grafický záznam jízd měřícího vozu pro kontrolu GPK 6

Vady kolejnic a metody řešení problému Na počátku řešení projektu bylo do databáze vloženo velké množství dat popisujících vznik a rozvoj bočního ojetí a kontaktních únavových vad (dále jen RCF ) v závislosti na projeté zátěži a druhu dopravy, poloměru oblouku a jakosti oceli použité k výrobě kolejnic. Tato data byla podrobena analýze, na základě které byly vysledovány základní obecné vlivy degradace kolejnic, jakožto funkce geometrie koleje a vlivu dopravy. Dalšími důležitými vstupními údaji byly také používané profily kol. Výsledky vyhodnocení vstupních dat byly v průběhu projektu použity pro porovnání s výsledky z fáze testovací a z fáze laboratorní, kdy bylo hodnoceno, jaký bude vliv zvyšování rychlosti nebo nápravového tlaku, což jsou dnes nejčastější požadavky jednotlivých IM na rozvoj jednotlivých vad. K databázi byla ještě přiřazena data firem Voestalpine a Corus členů konsorcia projektu INNOTRACK. V rámci praktických testů byl na kolejnicích s různými mechanickými vlastnostmi hodnocen vliv profilu kolejnice na rozvoj a vznik výše uvedených vad. Přestože data dodaná jednotlivými IM byla velmi různorodá, bylo vyhodnoceno, že boční ojíždění kolejnic se statisticky nejvíce vyskytuje v obloucích o poloměrech menších než 1000 m, zatímco RCF vady se objevují v poloměrech od 500 m do 5000 m. (obr. 3). Pokud jsou používány kolejnice s povrchovou úpravou tvrdosti, např. perlitizace nebo tepelné úpravy hlavy kolejnice, je doba vzniku stejného bočního ojetí cca 2x delší a u vad RCF je tato doba až 3x delší v porovnání s ocelí R260. Obr. 3 Typické rozdělení vad kolejnic v závislosti na poloměru a provezené zátěži - výsledky sběru dat jednotlivých IM 7

Výsledky vstupních porovnání a pozdějších měření byly průběžně porovnávány s doposud publikovanými výsledky k této tématice od autorů jako R.K. Steele, S. Marich, E. Magel, P. Sroba, P. Sawley, K. Kalousek, P. Clayton, aj. Výsledky srovnání nebyly v rámci projektu publikovány. Laboratorní testy byly realizovány na zkušebních úsecích u DB, Voestalpine a University of Newcastle. U DB a Voestapline bylo využito plnohodnotného profilu kola, zatímco na University of Newcastle byl použit model v poměru 1:20. V rámci projektu byla podrobně provedena analýza a přehled vlivů na vznik bočního ojetí a vad RCF, které je třeba vždy brát do úvahy při hledání návrhu optimálního řešení. Přehled těchto vlivů není seřazen důsledně podle důležitosti. Poloměr oblouku jeden z nejvýraznějších parametrů ovlivňujících zásadně každou degradaci kolejnice Převýšení především vliv nedostatku převýšení Podélný sklon Celková projetá zátěž důležitý prvek pro ekonomické posouzení výběru varianty řešení problému Jízdní vlastnosti vliv podélných sil přenášených do kolejnice při rozjezdu a brzdění Nápravový tlak přímá souvislost s poškozením kolejnic Rychlost výrazný vliv na ekonomické posouzení z hlediska LCC a spojitost s vlivem nedostatku převýšení Vozidlový park výrazný vliv profilu kola především na boční ojíždění kolejnice Mazání kolejnic jeho vhodnost není koncepční, má lokální uplatnění Tření tato oblast prezentuje specifické aplikace mazání kolejnic, popisuje některé jevy při vzniku a vývoji RCF. Není chápána jako alternativa procesu vkládání kolejnic s ocelí vyšších pevností, ale jako součást procesu hodnocení Broušení redukce rozvoje drobných vad, snížení dynamických účinků na kolejnice. Není chápána jako alternativa procesu vkládání kolejnic s ocelí vyšších pevností, ale jako součást procesu hodnocení 8

V současné době upravuje doporučení použití jednotlivých druhů kolejnic UIC Leaflet 721. Doporučení obsažená v tomto dokumentu vycházejí pouze z předpokladů hodnocení vlivu na parametr boční ojíždění kolejnic. Po zveřejnění závěrečných výsledků z projektu INNOTRACK probíhá na půdě UIC, v pracovní skupině Track Expert Group, diskuse nad změnou tohoto dokumentu. Výsledkem je doporučení podle obr. 4. Obr. 4 Nový návrh pro volbu kolejnic podle druhu materiálu v závislosti na poloměru a převezené zátěži Z výsledků projektu se nabízejí řešení, která by mohla výrazně přispět k pomalejšímu rozvoji uvedených vad. Z nich stručně uvádíme tři nejzásadnější: 1. Problematika kontaktu kolo kolejnice 2. Nové materiály a technologické postupy při výrobě kolejnic 3. Broušení kolejnic a další technická řešení Ad 1) Problematika kontaktu kolo kolejnice důraz je kladen na snížení kontaktního napětí na dotykové ploše. Zde je evidentní příznivý vývoj v oblasti vývoje nových typů vozidel nové profily okolků, kvalitnější a přesnější opracování, lepší spolupráce IM s dopravci. Projekt INNOTRACK tuto problematiku detailněji nerozpracovával. 9

Ad 2) Broušení kolejnic *) a další technická řešení posouzení výběru technologie v závislosti na RAMS a LCC. Jednoznačně výhodnější se jeví preventivní cyklické broušení, zabraňující rozvoji především vad RCF ihned v době jejich vzniku. Zásadní je vhodně zvolená technologie broušení např. volba vysokorychlostního broušení na tratích s provozem vysokorychlostních vlaků (nebo kombinovaným provozem s velkým podílem vlaků s vyšší rychlostí). Brousící vlak pracuje rychlostí cca 40km/h s malým úbytkem materiálu. Mezi jednotlivými broušeními jsou kratší časové intervaly, broušení je bez opakovaných pojezdů, čímž se výrazně sníží přidružené náklady na broušení. Podmínkou využití je však taková úprava infrastruktury, aby odpadly přípravné práce. Kombinací vhodně zvolené technologie práce, druhu kolejnic a principu údržby dochází k výraznému nárůstu životnosti kolejnic a prodloužení doby pro výměnu kolejnicových pasů a zároveň se zvyšuje komfort dopravy. Samozřejmostí v problematice je asymetrické broušení nebo broušení hlav kolejnic do tzv. profilu Anti Head check viz obr. 5. *) Pojem Broušení kolejnic v tomto případě zahrnuje všechna technická řešení upravující profil hlavy kolejnice, tedy broušení, frézování, vysokorychlostní broušení atp. Obr. 5 Porovnání jednotlivých Anti Head checks profilů Ad 3) Nové materiály a technologické postupy při výrobě kolejnice kolejnice z oceli s vyšší pevností. V této oblasti řešení lze spatřovat největší potenciál ekonomické výhodnosti při řešení problému týkajícího se uvedených vad kolejnic. Jednou z variant je použití kolejnic vyrobených z ocelí s vyšší pevností. V tomto případě je nutno počítat s některými nedostatky 10

spojenými s tímto řešením, a to především s vysokou nákupní cenou materiálu a také problémy se svařováním. Další variantou je použití kolejnic, kde ke zvýšení užitných vlastností dochází změnou technologie výroby (tepelně opracované kolejnice HTR). Na základě výsledků projektu byly dále podrobeny ekonomické analýze metodou LCC (s využitím metodiky DB) kolejnice R350HT. Referenčním vzorkem byla kolejnice R260. Stručná prezentace výsledků je zřejmá z obrázků 6 a 7. Obrázek 6 představuje procentuální vyjádření výsledných úspor pro R=3000 m, na obr. 7 vidíme rozdíl v ceně za údržbu pro jednotlivé druhy kolejnic v závislosti na provezené zátěži pro R=700-1500 m. V obou případech se jedná o výstupy z programu pro kalkulaci LCC. V metodice výpočtu je zahrnut komplexní přístup k problematice údržbových prací, které popisuje obr. 8 vliv RAMS a LCC. Obr. 6 Procentuální vyjádření výsledných úspor pro R=3000 m výstup kalkulace LCC 11

Obr. 7 Porovnání nákladů na údržby pro uvedené druhy kolejnic v závislosti na provezené zátěži pro R=700-1500 m výstup kalkulace LCC Metodika RAMS se zaměřila především na: Redukci údržbových prací snížení nutnosti broušení, snížení počtu výměn kolejnic Redukce vlivů na provozuschopnost minimalizace doby, po kterou není trať provozuschopná nebo je provozuschopnost omezená Bezpečnost snížení rozvoje vad kolejnice zvyšuje výrazně bezpečnost dopravy snížení možnosti vzniku lomů atp. Všechny tyto předpoklady a přístupy se následně projeví v dlouhodobém snížení finančních prostředků potřebných na údržbu. 12

Obr. 8 Vztah mezi RAMS a LCC Závěr Při celkovém zhodnocení přínosu projektu INNOTRACK je potřeba přihlédnout ke skutečnosti, že i přes čtyřměsíční prodloužení trval pouhých 40 měsíců, což vzhledem k šíři jeho záběru je doba značně krátká. Krátká rozhodně na to, aby zásadním způsobem vyřešila všechny palčivé otázky železniční infrastruktury a jasně nastínila způsoby a pravidla jejich řešení. Je potřebné vždy zohlednit specifické podmínky provozovatelů a navržené metodiky vhodným způsobem modifikovat. Problematika obsažená v projektu zároveň ukázala, jak velké je společné množství aktuálně řešených technických otázek a jak přínosná může být v této záležitosti výměna informací při jejich řešení. V současné době probíhají v samostatných odborných skupinách diskuse o další využití uvedených výsledků projektu. Tyto skupiny buď přímo navazují na jednotlivé části projektu INNOTRACK a jsou mezinárodní (např. zkušební úseky podpražcových podložek u ÖBB a jejich vliv na utlumení vzniku vad RCF projekt pokračuje pod vedením UIC v rámci Track Expert Group) nebo vznikají nové pracovní skupiny v rámci jednotlivých účastnických států, které rozpracovávají výsledky projektu pro potřeby národních IM. 13

Seznam zkratek: INNOTRACK UIC EU GPK SŽDC RSMV IM LCC RCF RAMS LCA PM CM RCM FTA HA SA MA/MP RP/RA Innovative Track Systems Mezinárodní železniční unie (Union Internationale des Chemins de Fer) Evropská unie Geometrické parametry koleje Správa železniční dopravní cesty, s.o. Rolling Stiffness Measurement Vehicle (vůz pro měření kontinuální tuhosti) Infrastructure Manager (správce infrastruktury) Life Cycle Costs (náklady po dobu životnosti) Rolling Contact Fatigue (kontaktní vady kolejnic) Reliability, Availability, Maintainability, Safety (spolehlivost, dostupnost, provozuschopnost, bezpečnost) Lifecycle Assessment (hodnocení po dobu životnosti) Preventive Maintenance (preventivní údržba) Corrective Maintenance (nápravná údržba) Reliability Centered Maintenance (spolehlivost centrované údržby) FME(C)A Failure Mode, Effects (and Criticality) Analysis (analýzy druhů poruch, výsledků a kritického stavu) Fault Tree Analysis (analýza stromu poruch) Hazard Analysis (analýza nebezpečí) Safety Analysis (analýza bezpečnosti) Maintenance Analysis/Maintenance Philosophy (analýza údržby/filosofie údržby) Reliability Philosophy/Reliability Analysis (filosofie spolehlivosti/analýza spolehlivosti) 14

Literatura: [1] INNOTRACK Concluding technical report, International Union of Railways (UIC), Paris 2010 [2] INNOTRACK, Deliverable D4.1.5 GL, Definitive guidelines on the use of different rail grades according to duty conditions and based on RAMS and LCC principles [3] INNOTRACK, Deliverable D4.5.5, Concluding grinding recommendations [4] A. Smekal, P. Jasanský: Měření dynamické tuhosti pražcového podloží pro diagnostiku železničních tratí, sborník konference Železniční dopravní cesta 2008 [5] UIC Leaflet 721, Recommendations for the use of rail steel grades, International Union of Railways (UIC), Paris, March 2005 Praha, duben 2011 Lektoroval: Ing. Leoš Horníček, Ph.D. ČVUT, Fakulta stavební 15