Modelling and analysis of differential settlement in ballasted high-speed track

Differential settlement of railway track is a degrading phenomenon involving spatially unbalanced sinking of supporting components (sleepers, ballast) caused by several factors and leading to increasing worsening. In this thesis a numerical predictive procedure of track geometry evolution due to Vehicle-Track interaction in High-Speed line is presented. Given the crucial importance of rail transport infrastructure, an insight regarding the main factors and the available models in literature used to predict railway track degradation is presented in order to thoroughly understand the track embankment differential settlement. The analysis is performed by means of the coupling of a Finite Element model (FEM) of the track and a Multibody model of the vehicle. A procedure for predictive differential settlement is established and the influence of different characteristics of the track and the vehicle is presented in three different case studies. A comparison between the prediction by means of numerical simulations and the real evolution of track geometry on two railway line sections is performed. Hammer tests on High-Speed track section are used to calibrate the FE model of the structure. The differences between the numerical algorithm results and the real track geometry evolution are finally analyzed in order to understand strength and weakness of the model and the procedure.

Il fenomeno di degrado della struttura ferroviaria, noto come cedimento differenziale, è causato dall’assestamento plastico spazialmente non uniforme degli elementi di supporto (traversine, massicciata) determinando un crescente peggioramento della linea. In questo lavoro si presenta una procedura numerica che predica l’evoluzione della geometria del tracciato provocata dall’interazione Veicolo-Struttura della linea dell’Alta Velocità. Data l’importanza fondamentale dell’infrastruttura ferroviaria, una panoramica dei principali fattori e dei modelli disponibili in letteratura per predire il degrado della linea viene presentata al fine di comprendere a fondo il comportamento del cedimento differenziale in campo ferroviario. L’analisi è condotta grazie all’utilizzo di un modello agli Elementi Finiti (FEM) del tracciato e un modello Multibody del veicolo ferroviario. Si descrive la procedura stabilita per prevedere l’evoluzione del cedimento differenziale e si discute l’influenza di diverse caratteristiche del tracciato e del veicolo in tre differenti casi analizzati. Nella parte finale si effettua il confronto tra le simulazioni numeriche e la reale evoluzione della geometria della linea ferroviaria. Una serie di misurazioni sulla linea del trasporto ad Alta Velocità ha permesso di caratterizzare il modello FE allo scopo di descrivere la struttura reale. Nella fase di analisi sono valutate le differenze sull’ evoluzione della geometria di linea tra i risultati delle simulazioni numeriche e i dati diagnostici per comprendere debolezze e potenzialità della procedura numerica e del modello di struttura utilizzati.