Propagation lifetime of insulated rail joints under service conditions

Insulated Rail Joints are widely used in railway because they allow electrical discontinuity of the rails which is required by signalling system. The structure of the joints introduces a stiffness discontinuity which makes them one of the weakest part of the railway infrastructure. Moreover holes in rail web, needed to fix fishplates and transmit the load to the next rail, act as notch, which introduce important stress amplification effects. For these reasons, these joints are often subjected to fatigue crack nucleation and propagation at the hole edges, which lead to the joint failure. This thesis aims at estimating the service life of such joints by finite element modelling and fatigue crack growth analysis. This is achieved by investigating the stress intensity factors of cracks having various size and positions in the critical regions. Considering the loads exerted by trains of different class circulating on FerrovieNord lines, data coming from these simulations are rearranged in order to represent the stress intensity factor generated by every wheel at the crack tip. The obtained values, along with the daily data about train circulated on FerrovieNord lines, are used to evaluate the influence of different parameters, such as the train direction or the joint degradation, and to estimate the crack propagation time depending on the line considered. Three different scenarios have been considered: in two of them only one crack is propagating, in the other one, two cracks are propagating together so that the mutual influence has been investigated. The results showed that the parameter that most influences the crack propagation is train direction, that the IRJ degradation has a great influence on crack propagation, that the most dangerous cracks are the one pointing through the endpost and lastly that two cracks propagating simultaneously have a mutual influence.

Le Giunzioni Isolanti Incollate sono largamente utilizzate in ferrovia poiché permettono la discontinuità elettrica delle rotaie utile per i sistemi di segnalamento. La struttura delle giunzioni introduce una discontinuità nella rigidezza, ciò le rende uno degli elementi più deboli nell’infrastruttura ferroviaria. Inoltre i fori nel gambo della rotaia, necessari per fissare le ganasce e trasmettere i carichi alla rotaia successiva, agiscono come un intaglio che introduce una importante amplificazione degli sforzi. Per queste ragioni questi giunti sono spesso soggetti a nucleazione e propagazione di cricche da fatica ai bordi dei fori che portano alla rottura del giunto. Questa tesi vuole stimare la vita di queste giunzioni attraverso modelli ad elementi finiti e analisi di propagazione di cricche. Ciò è ottenuto esaminando i fattori di intensificazione degli sforzi di cricche di diverse lunghezze in diverse posizioni nelle regioni critiche. Considerando i carichi esercitati dai diversi modelli di treni che circolano sulle line di FerrovieNord, i dati ottenuti da queste simulazioni sono stati rielaborati allo scopo di ottenere i fattori di intensificazione degli sforzi generati da ciascuna ruota alle estremità delle cricche. I valori ottenuti, insieme ai dati riguardanti i treni che circolano giornalmente sulle linee di FerrovieNord, sono utilizzati per valutare l’influenza di diversi parametri, come la direzione di transito dei treni o il degrado del giunto, e per stimare il tempo di propagazione della cricca a seconda della linea considerata. Tre diversi scenari sono stati considerati: in due di questi solamente una cricca propaga, nell’altro due cricche propagano contemporaneamente così da poter esaminare l’influenza reciproca tra due cricche. I risultati mostrano che il parametro che maggiormente influenza la propagazione della cricca è la direzione di transito del treno, che il livello di degrado del giunto ha una grande influenza sulla propagazione della cricca, che le cricche più pericolose sono quelle in direzione della sagoma isolante tra le due rotaie attigue ed infine che due cricche che propagano contemporaneamente si influenzano a vicenda.