A mechanical model for ballast degradation

The objective of this thesis is to develop a Macro-mechanical model to reproduce the ballast degradation for a long term on a railway track. Specifically, this thesis focuses on developing a mechanical model with an algorithm, to be inserted in a dynamic process on the train-track interaction. Many states of art are present for the degradation models in soil-structure interactions which are mostly theoretical or deal with inelastic behavior of the materials not very much related to mechanical modeling. Starting with a general setup of a static model, an algorithm for the numerical simulation and parameters to be considered are defined. The model will be working under the cyclic loading condition which represents the passage of the trains. The main importance is given to obtaining the “ratcheting phenomenon” in the macro-mechanical model by making necessary changes in the general setup of the model and changes in the parameters of the model. These changes are also made by considering the different stages of the degradation process. After setting the model and its parameters as needed, then the model is converted into a dynamic model to be ably implemented in the dynamic process of train track interaction. A software called ADTReS developed by the Mechanical engineering department of Politecnico di Milano is used for the dynamical simulations. The macro-mechanical model for a single sleeper is extended for several sleepers to study the ballast settlement of a larger section of the track. The simulations for test cases are conducted with various irregularity profiles of the track. The behavior of the model is studied and presented in detail for every test case.

L'obiettivo di questa tesi è sviluppare un modello macro-meccanico per riprodurre il degrado della massicciata per un lungo periodo su un binario ferroviario. In particolare, questa tesi si concentra sullo sviluppo di un modello meccanico con un algoritmo, da inserire in un processo dinamico sull'interazione treno-binario. Molti stati dell'arte sono presenti per i modelli di degradazione nelle interazioni suolo-struttura che sono per lo più teorici o trattano il comportamento anelastico dei materiali non molto legati alla modellazione meccanica. Partendo da un'impostazione generale di un modello statico, si definisce un algoritmo per la simulazione numerica e i parametri da considerare. Il modello lavorerà nella condizione di carico ciclico che rappresenta il passaggio dei treni. L'importanza principale è data all'ottenimento del "fenomeno del cricchetto" nel modello macro-meccanico, apportando le modifiche necessarie nell'impostazione generale del modello e i cambiamenti nei parametri del modello. Queste modifiche sono fatte anche considerando le diverse fasi del processo di degradazione. Dopo aver impostato il modello e i suoi parametri come necessario, il modello viene convertito in un modello dinamico per essere abilmente implementato nel processo dinamico di interazione del binario del treno. Per le simulazioni dinamiche viene utilizzato un software chiamato ADTReS sviluppato dal dipartimento di ingegneria meccanica del Politecnico di Milano. Il modello macro-meccanico per una singola traversa viene esteso a più traverse per studiare l'assestamento della massicciata di una sezione più ampia del binario. Le simulazioni per i casi di prova sono condotte con vari profili di irregolarità del binario. Il comportamento del modello è studiato e presentato in dettaglio per ogni caso di prova.