O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eFu nder ingencement 2003 3 91Voorhetproject`SpooruitbreidingAmsterdam-Utrecht' is onder-zoek gedaan naar het dynamischvoertuiggedrag ter plaatse van deovergangsconstructie aardebaan-kunstwerk. Aanleiding voor hetonderzoek is de eis dat twee vande vier sporen geschikt moetenzijn voor een snelheid van200km/h.DeOntwerprichtlijnenVoor Spoorwegen (OVS) [1] zijnslechts geldig tot snelheden van160 km/h, zodat de hierin opge-nomen standaardoplossing voorovergangsconstructiesinhetspoor,niet zonder meer kan worden toe-gepast.Met name in het westen van onsland worden sporen aangelegd opzeer slappe, weinig draagkrachti-ge grond. De aanleg van baanli-chamen op een dergelijke grond-slag vraagt extra aandacht, omdatzettingen na ingebruikname vanhet spoor het onderhoud in hogemate bepalen. Het zettingsvrijmaken van het baanlichaam, bij-voorbeelddoortoepassingvanon-derheide platen, is kostbaar enweegt vaak niet op tegen het extraonderhouddatnoodzakelijkisomrestzettingen te compenseren.Kunstwerken zoals bruggen enviaducten worden w?l onderheidin verband met de aanwezigheidvan relatief grote geconcentreer-de belastingen en de hoge gevoe-ligheid voor vervormingen. Door-dat de aardebaan aan zetting on-derhevig is en de kunstwerkenniet, ontstaan er zogenoemde`harde punten' in de baan. Als ge-volg van stijfheidsverschillen enverschilzettingen wordt het dyna-misch gedrag van het treinmate-rieel ongunstig be?nvloed.De dynamische belasting op eenrijtuig, die ontstaat door zakkin-gen van het spoor voor een kunst-werk, neemt toe bij een hogeresnelheid van de trein en leidt ineerste instantie tot comfortver-lies. Bij het uitblijven van onder-houd zou zelfs een veilige ex-ploitatie in het geding kunnenkomen. Voor sporen die wordenontworpen voor hogere snelhe-den is een gelijkmatige overgangtussen aardebaan en kunstwerkdaarom van groot belang.S p o o r u i t b r e i d i n gA m s t e r d a m - U t r e c h tDe tweesporige lijn tussen Am-sterdam en Utrecht [2] is ??n vandedrukstevanNederlandenheeftde grenzen van haar capaciteitbereikt. Dagelijks rijden er ruimdriehonderdtreinenoverhetcirca30 km lange traject. Daarom heeftde overheid in 1995 besloten hetspoor tussen Amsterdam (stationDuivendrecht) en Utrecht te ver-dubbelen en tevens een recht-streekse verbinding te realiserentussen Utrecht en Schiphol, zodatoverstappen op station Duiven-drecht niet meer nodig is.De aanleg van twee extra sporenmaakt het mogelijk een scheidingaantebrengentussensnelledoor-gaande treinen en stoptreinen.Momenteel is de maximumsnel-heid op het traject 140 km/h. Debinnensporen worden geschiktgemaakt voor snelheden vanmaximaal 160 km/h en de bui-tensporen voor snelheden tot 200km/h.Vanuit het oogpunt van veiligheidworden alle gelijkvloerse krui-singen vervangen door tunnels,aquaducten, viaducten, voetgan-gers- en fietsbruggen.Het ontwerp van de aardebaanverschilt over het traject al naargelang het gewenste alignementen de draagkracht van de onder-grond.Nabij Amsterdam is het spoorgelegen op een ophoging (hogebaan) tot circa 7 m, met daaron-der een slappe laag. De binnen-sporen liggen daar op een oud be-staand baanlichaam (met weinigrestzettingen). De buitensporenworden aangelegd op de uitbrei-ding van het baanlichaam.BijAbcoude,BreukelenenMaars-sen wordt veelal een minimalezandophoging van 2 m aange-bracht op de weinig draagkrachti-ge ondergrond. In de buurt vanUtrecht heeft opnieuw een groteophoging plaats, hier op eendraagkrachtige zandlaag.O n t w e r p o p l o s s i n g i nb u i t e n l a n dDe aanleg van hogesnelheidslij-nen in ons land is nieuw. Hethuidige spoorwegnet is ingerichtOvergangsconstructies van aardebaan naar kunstwerkOok bij 200 km/h eencomfortabele treinreis*) Het project spooruitbreiding Amsterdam-Utrecht wordt uitgevoerd in opdracht van ProRail ? divisie Railinfrabeheer.ir. A.M.W. Duijvestijn, ARCADISir. R.J.W. Brouwer, Holland Railconsultir. P.K. Wiersma, AEA Technology RailDe ontwerpsnelheid voor nieuw aan te leggen sporen neemt toe. Dit stelthogere eisen aan de overgangsconstructies baan-kunstwerk. Voor het projectSpooruitbreiding Amsterdam-Utrecht*) is een nieuwe overgangsconstructieontwikkeld voor hogesnelheidssporen. Het nieuwe ontwerp is in overeen-stemming met de huidige ontwerppraktijk.O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eFu nder ingencement 2003 392voor snelheden tot 140 km/h. In-ternationaal worden steeds meernieuwe sporen aangelegd voorhogere snelheden. Ook in Neder-land wordt `nieuw' spoor veelalontworpen voor een snelheid van200 km/h.Indeonsomringendelandenzijnal verschillende hogesnelheids-lijnen in gebruik. Een belangrijkverschil met de Nederlandse situ-atie is, dat deze lijnen veelal zijnaangelegd op een meer draag-krachtige ondergrond. Zowel aar-debaan als kunstwerken zijndaarbij op staal gefundeerd. Derestzettingen tijdens de exploita-tie blijven daardoor beperkt en erzijn geringe verschilzettingen.Figuur 1 geeft een overzicht vanontwerpoplossingen die in hetbuitenland zijn toegepast. De es-sentie hiervan is dat de over-gangsconstructie wordt vormge-geven door relatief lange, spie-vormige constructies. Richtingkunstwerkwordtdaarmeeeentoe-nemende stijfheid gerealiseerd.O n t w e r p r a n d v o o r w a a r d e nFunctionele eisen en gewensteonderhoudsfrequentieHet reizigerscomfort vormt eenbelangrijk criterium bij het ont-werp van een overgangsconstruc-tie, waarbij rekening moet wor-den gehouden met de technischerandvoorwaardenvanuithettrein-materieel. Bij een gegeven rij-snelheid bepaalt de spoorliggingtezamen met de vering van de rij-tuigen het comfort in de trein.Bij het ontwerp van de over-gangsconstructie dient rekeningte worden gehouden met:? het comfort: een streefwaardevoor een rustig rijgedrag terplaatse van de overgang;? de veiligheid: een technischeeis die bepaalt welke afwijkingvan de ideale spoorligging toe-laatbaar is om de veiligheidvan de reizigers te kunnenwaarborgen;? een gewenste onderhouds-frequentie: onderhoud van despoorligging in de aardebaanmoet zo mogelijk samenvallenmet het onderhoud aan deovergangsconstructies.Kwantitatieve waarden voor devoorgenoemde ontwerpeisen zijnbeperkt voorhanden. In de OVS[1], geldig tot 160 km/h, wordenenkele statische eisen genoemd.Specifieke(dynamische)eisenvoor200 km/h en toepasbaar voor eenovergang tussen baan en kunst-werk zijn hierin niet opgenomen.De samenhang tussen de func-tionele eisen en de onderhouds-frequentie is schematisch weer-gegeven in figuur 2.Bij de functionele eisen is onder-scheid gemaakt in statische en dy-namische eisen. De achtergrondhierbij is dat statische eisen aandespoorliggingoverhetalgemeendienen als uitgangspunt voor deontwerper van de spoorbaan. Ditzijn eisen ten aanzien van demaximale verschilzetting in hetspoor gedurende een bepaaldetijdsperiode.Door dynamische eisen wordt derelatie gelegd tussen de spoorlig-ging (ontwerper van de baan) enhetvoertuiggedrag(ontwerpervanhet voertuig). Deze relatie tussenbaan en voertuig kan worden uit-gedrukt in een toelaatbare verti-caleversnellingvanhetwielofvande rijtuigen.Alsgewensteonderhoudsfrequen-tie wordt in de huidige ontwerp-praktijk vaak geprobeerd aan tesluiten bij het reguliere onder-houd van het betreffende baan-vak. Er is dan geen extra onder-houd nodig ter plaatse van deovergangen aardebaan/kunstwer-ken.Statische ontwerpeisen in relatie tothet onderhoudsregimeIn de Nederlandse ontwerpprak-tijk is tot dusver het toepassen vanstatische eisen gangbaar. Na in-gebruikname wordt een maxima-le restzetting toegelaten en een~4 Gew.%C ementOphoogmateriaal~6 ew.%Cement~6 gew. %cementbovenste laagdikte 0,3m - 0,6 m~6 gew. % cement~3 gew. %cementdrainage~4 gew. %cementsteenslagmassiefbehandeld metcement;95% proctordichtheidniet behandeldsteenslagmassief;95% proctordichtheidophoging verdichttot 90% proctordichtheiddrainage4H resp.> 20mHLmin = 20mHmin=1m1 | Overgangsconstructiesin het buitenland2 | Relatie functionele eisenen onderhoudstatischeeisendynamischeeisenovergangsconstructiefunctioneleuitgangspuntencomfortstreefwaarde(bruikbaarheidsgrenstoestand)R 0,4 ? 2[m]awiel/rijtuigbak ?? [m/s2]veiligheidtechnische eisen(uiterste grenstoestand)R 0,25 ? 2[m]awiel/rijtuigbak ?? [m/s2]gewensteonderhoudsfrequentieO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eFu nder ingencement 2003 3 93maximale verschilzetting overeen bepaalde afstand in de aarde-baan [3, 4]. Omdat discontinu?tei-ten in de spoorbaan het dynami-sche voertuiggedrag sterk be?n-vloeden, worden ook hieraaneisen gesteld. Een statische ont-werpregel die in de literatuurwordt genoemd ten aanzien vanhet voork?men van discontinu?-teiten is het veronderstellen vaneen ideale vervorming bij kunst-werken, gebaseerd op een top- endalboog in het verticale aligne-ment. De ontwerpregel bestaatdan uit een minimale maat voorde toelaatbare boogstraal (fig. 3).Omdat de eisen aan de over-gangsconstructie afhankelijk zijnvan de ontwerpsnelheid, wordt deminimale waarde van de boog-straal wel gekoppeld aan de rij-snelheid.Volgens [1] moet de straal R vande verticale overgangsboog mini-maal 2000 m zijn en worden be-paald uit:- comforteis: R = 0,4 v2- veiligheidseis: R = 0,25 v2waarin v de ontwerpsnelheid is(km/h).Daarnaastwordterinhetontwerpvan overgangsconstructies naargestreefd een vloeiend verloopvan de elasticiteit van het materi-aal onder de spoorbaan te be-werkstelligen.Dynamische ontwerpeisenGegeven een bepaalde veerkarak-teristiek van een rijtuig wordt hetdynamisch voertuiggedrag be-paald door de spoorligging en deelasticiteit van de ondergrond.Vanuit deze invalshoek kunnenmaximale versnellingen aan dewielen van de trein of in de rij-tuigbak worden opgelegd. Re?leeisen voor het ontwerp op basisvan het dynamisch gedrag wor-den door ProRail ontwikkeld enzijn in een afrondend stadium.OnderzoekVoor het project is gezocht naareen ontwerp dat bij hoge snelhe-den voldoet aan de huidige nor-men uit de OVS. Het onderzoekkende de volgende onderdelen:? modellering en verificatie vanhet baanlichaam en de onder-grond;? modellering van het dyna-misch voertuiggedrag;? rekenresultaten en oplossings-richting.Modellering en verificatie van hetbaanlichaam en de ondergrondOm de dynamische reactie van deondergrond bij een treinpassagete kunnen simuleren, moet deelasticiteit van de ondergrondbekend zijn, dan wel worden ge-modelleerd.Het baanlichaam in het baanvakAmsterdam-Utrecht kent op di-verse locaties een verschillendeopbouw. Bij een lage baan (mini-maal zandpakket conform OVSvan 2 m) is de spanningsrimpelten gevolge van een treinpassagein de slappe ondergrond groterdan bij een hoog gelegen baan(zandpakket tot 7 m). Tevens ishet verschil in stijfheid tussen deaardebaan en het kunstwerk bijeen lage baan groter dan bij eenhoge baan. De dikte van het zand-pakket bepaalt immers in hogemate de stijfheid van het totalepakket. In de modellering is daar-om veiligheidshalve uitgegaanvan een lage baan met een zand-pakket van 2 m, aangebracht opeen pakket van klei- en veenlagen.Het pakket is op twee manierengemodelleerd:? stijfheid en wrijvingshoek perlaag leveren via een handmati-ge berekening een veerstijf-heid voor het totale pakket [5];ophogingoorspronkelijk maaiveldR>2000 mR>2000 mbrugdekzakking aardebaanzakking maaiveld3 | Schematisering idealeovergangszone4 | Modellering van degrond met Ansys,vervormingenO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eFu nder ingencement 2003 394? stijfheid en wrijvingshoek in-gevoerd in het EEM-program-ma ANSYS leiden tot een veer-stijfheid bij een dynamischebelasting [6].Beide benaderingen leverden ver-schillende waarden voor de stijf-heid van de aardebaan op. Om tekunnen bepalen welke modelle-ring het meest betrouwbare resul-taatopleverde,zijnbeideveerstijf-hedeningevoerdinhetCambridge-model [7]. Dit model levert de in-teractie tussen ondergrond entrein gedurende een treinpassa-ge. De resultaten van het EEM-model bleken goed overeen tekomen met de gemeten stijfheidin praktijkproeven. De input dieaan de hand van het ANSYS-model was gevonden, is in hetverdere onderzoek aangehouden.In de figuren 4 en 5 zijn de ver-vormingen weergegeven van ??nberekening; in totaal zijn zeven-tien belastingssituaties doorgere-kend. In figuur 5 is zichtbaar datde kracht op ??n dwarsliggerverschillende dwarsliggers be?n-vloedt. Onder een dwarsligger isfeitelijk dus geen sprake van ??nveerstijfheid.De vervormingen van de grondachtereenkunstwerkdoorzettingvan de aardebaan, is gemodel-leerdmetPLAXIS[8].Inditmodelis het mogelijk de effecten vanspanningsspreiding en schaduw-werking achter het kunstwerk temodelleren (fig. 6).Modellering van het dynamischvoertuiggedragGegeven het bestaande hogesnel-heidsmaterieel, waarvan de veer-karakteristieken bekend zijn, kanmethetCambridgemodelwordenuitgerekend welke belasting bijeenbepaaldzettingsverloopwordtuitgeoefend op de spoorconstruc-tie en welke verticale versnellin-gen optreden aan het wiel van hetrijtuig.Rekenresultaten en oplossings-richtingIn eerste instantie is de dynami-sche responsie berekend van dewielas en de voertuigbak bij eenideale overgangszone en eenvlakke baan [9]. De resultaten zijnweergegeven in de figuren 7 en 8.Uit deze eerste ori?nterende be-rekeningen volgde een relatiefhoog comfortniveau. De UIC-fiche 518-richtlijn [10] geeft alsmaximale versnellingseis in derijtuigbak een waarde van 2,5m/s2. Verder blijkt uit de bereke-ningen dat de stijfheid boven eenkritische stijfheid van onderge-schikt belang is ten opzichte vande spoorligging.Vervolgens is de dynamische re-sponsie van wiel en bak onder-zocht bij een berekend verloopvan de vervorming in de over-gangszone voor een conventione-le constructie en een aangepasteconventionele constructie, waar-bij onder de stootplaat een geo-textiel is aangebracht [11,12]. Demet PLAXIS berekende liggingvan de aardebaan achter hetkunstwerk, bij een zetting van deaardebaan van 25 mm en 50 mm,is weergegeven in figuur 9.Uit de berekeningen blijkt dat deversnellingen van het wiel en de140 150 160 170 180 190 2200123ontwerpsnelheid (km/h)wielversnelling(m/s2)stootplaat 4m; vlakke baanstootplaat 6m; vlakke baanstootplaat 9m; vlakke baanstootplaat 4m; zakking aardebaan 50 mm200 2105 | Modellering van degrond met Ansys, detailvan figuur 46 | Modellering zettingenmet PLAXIS7 | Rijsnelheid versus wiel-versnelling bij een idealeovergangszoneO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eFu nder ingencement 2003 3 95rijtuigbak, ongeveer een factor 2hoger zijn als niet wordt gerekendmet een ideaal (top- en dalboog)-verloop van de overgangscon-structie. Uit een gevoeligheids-analyse blijkt dat vooral eenvloeiend verloop van de over-gangsconstructie van grote in-vloed is op het beperken van dedynamische responsie van hetwiel en de rijtuigbak.Uit figuur 10 blijkt dat toepassingvan een geogrid in de overgangs-zone een positief effect heeft opeen gelijkmatig verloop van debaanvervormingen in de over-gangszone. De rekenresultatenvoor de versnelling in de voertuig-bak zijn voor verschillende snel-heden weergegeven in figuur 10.Uitdezefiguurblijkteveneensdatde bakversnelling bij een conven-tionele constructie en een rijsnel-heid van 140 km/h gelijk is aande verbeterde conventionele con-structie met een geogrid en eenrijsnelheid van 200 km/h.Op basis van deze resultaten is be-sloten de overgangsconstructiesin het project te voorzien van con-ventionele stootplaten met eenlengte van 4 m, waaronder eengeogrid is aangebracht over eenlengte van 15 m (fig. 11).A a n l e g o v e r g a n g s -c o n s t r u c t i e sInmiddelsisdeuitvoeringvanhetproject in een vergevorderd sta-dium. Op verschillende plaatsenzijn de vernieuwde overgangs-constructies aangelegd. De toe-passing van het geogrid onder deconventionele constructie betreftslechts een beperkte modificatievan het bestaande ontwerp, dieeenvoudig is uit te voeren.Op de verdichte aardebaan wordteerst het geogrid aangebracht(foto 12). Bij het toegepaste geo-grid is de stijfheid van het mate-riaal zodanig dat over een be-perkte afstand het opnemen vankrachten door interlocking plaats-heeft.Vervolgens wordt aangevuld metsteenslag 22/40 onder de stoot-plaat (foto 13), dat ook onder derest van het ballastbed wordt toe-gepast. Dit granulaire materiaalzorgt voor een goede waterafvoerachter het kunstwerk.Momenteelwordenmetingenuit-gevoerd om het gedrag van deovergangsconstructie daadwerke-lijk te kunnen monitoren. Voor-alsnog wordt het spoor nog bere-den met snelheden tot 160 km/h.De ontwikkelde overgangszone isdoor ProRail vooralsnog alleenvrijgegeven voor toepassing ophet traject Amsterdam-Utrecht,vanwege de specifieke opbouwvan de hooggelegen aardebaan ende goede natuurlijke afwatering.Mede op basis van onderzoek datvoor dit project is uitgevoerdwordt door ProRail B&I een pro-gramma van eisen opgesteld140 150 160 170 180 190 20001234stootplaat 4m; vlakke baanstootplaat 4m; zakking aardebaan 50 mmontwerpsnelheid (km/h)bakversnelling(m/s2)20 15 10 5 00.060.040.020aangepaste constructie met geotextielaangepaste constructie met geotextielconventionele constructieconventionele constructieafstand achter kunstwerk (m)zakknigaardebaan(m)140 150 160 170 180 190 20001234stootplaat 4m; zakking aardebaan 50 mmstootplaat 4m + geogrid ; zakking aardebaan 50 mmontwerpsnelheid (km/h)bakversnelling(m/s2)8 | Rijsnelheid versusrijtuigbakversnelling bijeen ideale overgangs-zone9 | Zettingsverloop achterhet landhoofd bij eenzetting van de aardebaanvan 25 en 50 mm10 | Rijsnelheid versusrijtuigbakversnelling bijeen berekend zakkings-verloopO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eFu nder ingencement 2003 396waarin de ontwerpeisen staanwaaraaneenovergangszonedientte voldoen. Dit PvE wordt bin-nenkort door ProRail B&I Pro-ductbeheer vrijgegeven voor alge-mene toepassing.T e n s l o t t eOmdat specifieke ontwerpeisenten aanzien van overgangscon-structies voor hogesnelheidsspo-ren ontbreken, is onderzoek uit-gevoerd voor het project Spoor-uitbreiding Amsterdam-Utrecht.Uit het onderzoek volgt dat de ef-fecten van stijfheidsverschillentussen aardebaan/overgangscon-structie en kunstwerk onderge-schikt zijn aan die van de spoor-ligging. Een vloeiende overgangover een relatief korte afstandblijkt een beter dynamisch gedragopteleverendaneenlangereover-gang met discontinu?teiten in deligging van de baan.Bijhettoepassenvansteedslange-re stootplaten blijkt het begin vande stootplaat maatgevend te wor-den voor het dynamisch voertuig-gedrag. sL i t e r a t u u r1. Ontwerpvoorschrift Kunst-werken, Deel 1 Kunstwerkenvoor spoorverkeer, art. 5.3.6.RIB 5010, Railinfrabeheer,versie oktober 2001.2. Spoorverdubbeling Amster-dam-Utrecht. Cement 2003nr. 1.3. Spoorverdubbeling Amster-dam?Utrecht; Oplossings-richtingen overgangs-constructies Utrechtboog.MvG/47004, i.o. Railinfra-beheer, Projectencentrum,ARCADIS Infra, 24 augustus2001.4. Brouwer, R.J.W., Overgangbaan-kunstwerk 200 km/h,project Amsterdam-Utrecht.Kenmerk GP-CH-000041668,versie 1.1; november 2000.5. Voorzet beddingconstantenovergangsplaten Loenen-Utrecht. Memo Holland Rail-consult, september 2001.6. Bepalen van beddingconstan-ten van baanlichaam metlavalith versteviging. RapportHolland Railconsult, septem-ber 2001.7. Newland, D.E., Hunt,H.E.M., Theoretical Investiga-tion of Track Dynamic Settle-ment. Engeland, juli 1995.8. Duijvestijn, A.M.W., Spoor-verdubbelingAmsterdam?Utrecht; over-gangsconstructies aarde-baan?kunstwerken. Bereke-ning van de zettingen metPLAXIS. ARCADIS Infra,7 mei 2002.9. Dirks, B. en P.K. Wiersma,Dimensionering van stijf-heidsovergang tussen aarde-baan en kunstwerken op hetbaanvak Amsterdam?Utrecht. AEA Technology,ref 010053872, 30 oktober2001.10. UIC-Kodex 518, Fahrtechni-sche Pr?fung und Zulas-sungen von Eisenbahnfahr-zeugen; Fahrsicherheit,Fahrwegbeanspruchung undFahrverhalten. 1999.11. Dirks, B. en P.K. Wiersma,Aanvullende berekeningendimensionering stijfheids-overgang tussen aardebaanen kunstwerken op trajectAmsterdam-Utrecht. AEATechnology, ref 010086917,18 december 2001.12. Theoretisch onderzoek naarde rotatiedemping van eenhogesnelheidsdraaistel.Rapport NSTO/98/8240006/003, mei 1998.brugdekaardenbaangeogridballast 30/63 mmballast 22/40 mm overgangsplaat 4000x1200x300 mm1:1.58002005000 5000 500011 | Aangepaste conventionele constructie met een geogrid12 | Geogrid onder de overgangsconstructie13 | Aanbrengen van de stootplaten op steenslag 22/40 op een geogrid