Probabilsitic analysis of surface cracks propagating in welded rail joints

Railway rails are today often continuously welded. This type of joint generally requires less maintenance than is needed for bolted joints. It has also reduced wheel damage and made the ride more comfortable. However, these joints are subjected to damage. One of the most frequent and dangerous failure mode in continuous welded rails is fatigue crack propagation terminated by brittle fracture. Due to the brittleness of the weld material and heat affected zone and the scatter in their mechanical properties, a probabilistic analysis is necessary. The thesis deals with surface cracks at the foot base of aluminothermic welded rails. These are generally semi-elliptic and nucleate in the transition zone between rail and welded material. The aim of this work is the development of a probabilistic methodology for determining the day-by-day failure probability after a non destructive inspection. The investigations presented comprise weld material characterization, simulation of fatigue crack propagation and eventually the determination of the failure probability. Moreover, the effect of various parameters was investigated, such as axle weight of different trains, initial crack size and geometry, type and geometric parameters of the joint, wheel-rail irregularity and date of last inspection. The need to take into account the ligament yielding function in the defect assessment is also shown. The results show that, regardless of the date of the last inspection, almost any failure event happens in wintertime. This is in accordance with practical experience. What brings the material to fracture is not minimum temperature, but the maximum temperature range during the year, reason why this kind of failures happens also in warm countries. Moreover, the common practice to describe the overall loading of a rail track by tonnage weight per day is challenged, since a small number of heavy trains causes higher failure probabilities than a bigger number of light trains. Eventually, the best inspection interval is investigated for different lines of the track.

Le rotaie sono oggi spesso saldate in modo continuo. Questo tipo di giunti richede generalmente una minor manutenzione rispetto a quella necessaria per quelli meccanici. Ha inoltre ridotto i danni alle ruote e reso i viaggi più confortevoli. Tuttavia, questi giunti sono soggetti al danneggiamento. Una delle rotture più frequenti e pericolose nelle lunghe rotaie saldate è la frattura fragile, causata dalla propagazione a fatica dei difetti. A causa della fragilità del materiale saldato e della zona termicamente alterata e della variabilità nelle loro caratteristiche di resistenza meccanica, si rende necessaria un'analisi di tipo probabilistico. La tesi si occupa di studiare le cricche formatesi al piede di saldatura nei giunti di rotaia saldati con processo alluminotermico. Esse sono generalmente semicircolari e si trovano nella zona di transizione tra la rotaia e il materiale saldato. Lo scopo di questo lavoro è lo sviluppo di una metodologia probabilistica per la determinazione della probabilità di cedimento giorno per giorno, al seguito di un controllo non distruttivo sul giunto. Le analisi presenti comprendono la caratterizzazione del materiale saldato, la simulazione della propagazione a fatica della cricca e, infine, la determinazione della probabilità di cedimento. È stato inoltre studiato l'effetto dei principali parametri in gioco, quali il peso degli assi di diversi treni in transito, la dimensione e la geometria iniziale del difetto, il tipo di giunto e le sue caratteristiche geometriche, l'irregolarità ruota-rotaia e la data di ultima ispezione. Si dimostra poi la necessità di considerare la riduzione di resistenza dovuta alla plasticità intorno all'apice del difetto per la valutazione della pericolosità dello stesso. I risultati mostrano che, indipendentemente dalla data dell'ultima ispezione, la quasi totalità dei cedimenti avviene nel periodo invernale. Questa osservazione è in accordo con l'esperienza pratica. Inoltre, la variabile che porta il materiale al cedimento non è la temperatura minima, ma la massima escursione termica annuale, motivo per il quale questo tipo di cedimento avviene anche nelle regioni più calde. Inoltre, la pratica comune di descrivere il carico complessivo di un ramo ferroviario tramite il tonnellaggio medio giornaliero viene contestata, poichè un minor numero di treni pesanti genera una probabilità di cedimento dei giunti più alta rispetto ad un maggior numero di convogli leggeri. È infine indagato il miglior intervallo di manutenzione per linee diverse del tracciato ferroviario.