fyra detaljer

Närbilder från Mätlaboratoriet

Trådlös accelerometer från LORD Microstrain.

Litet brolager (pottlager) nödvändig för att bron ska kunna röra sig.

Styrsystemet (controller Flextest ifrån MTS) till exciteraren.

Bromodell konstruerad av studenter. Används av studenter för att testa AI metoder för tillståndsbedömning av broar.

Den dynamiska "exciteraren" är utvecklad på plats i KTH:s Mätlaboratoriet. Med hjälp av tekniken tar forskarna tempen på svenska järnvägsbroar på ett sätt som ingen hittills gjort. Genom exciteraren kan man analysera dämpningsförmåga, styvhet och andra viktiga egenskaper.
 
– Man kan säga att vi tar broarnas EKG. Vi får mängder av information som vi inte får med andra metoder, säger Raid Karoumi, forskningsledare på KTH:s Brobyggnad och Mätlaboratoriet om exciteraren.
 

Forskarteamet på KTH:s Mätlaboratoriet: Raid Karoumi, Andreas Andersson och Stefan Trillkott.

Ett problem med höghastighetstågen är att vi inte vet hur underlaget kommer att reagera. Att åka tåg är skakigt, det vet den som tågluffade genom Östtyskland på 1980-talet.
Det svängde och drog. Fast tåget segade sig fram i 70 riskerade väskorna på hatthyllan att dunsa ner.

I framtiden krävs det järnvägar och broar som klarar av 320 kilometer i timmen.
Som inte stöter till när tåget lämnar banvallen för att ta sig upp på bron.
Som inte gör att tåget tappar kontakten med spåret i en kurva, vilket har hänt flera gånger på kontinenten med katastrofala följder.

fakta

Järnvägsbroar

-Dagens järnvägsbroar ska hålla i minst 120 år.
-Det finns cirka 4000 i landet.
-De flesta är korta och består av endast ett spann.
-Den längsta järnvägsbron i Sverige är Igelstabron över Södertälje kanal, 2140 meter.
-Klart längre är dock Öresundsbron med järnväg till Danmark, 7 845 meter.
-De riktigt gamla järnvägsbroarna byggdes i sten och är de som håller längst.
-Under tidigt 1900-tal byggdes mycket stålbroar, i början med nitade förband. Från 1940-talet och framåt byggdes järnvägsbroar med svetsade fogar och de behöver ofta underhållas.

Och även om andra länder länge har byggt höghastighetståg är de erfarenheterna inte direkt översättbara till svenska förhållanden.  
 
En kritisk punkt är järnvägsbroarna, som det finns tusentals av i Sverige. De har byggts under olika tider och i olika konstruktion. De flesta sträcker sig inte längre än ett spann.

(Ett spann eller brospann är den del av en bro som återfinns mellan två stödpunkter. Brospannet är plattan som fordon kör på. Reds anm.)

Som tågresenär märker man det mest som en lätt stöt genom vagnen när tåget passerar. Endast ett fåtal broar är tillräckligt testade.   

– Vi behöver veta bättre hur broarna beter sig innan höghastighetstågen kommer i trafik. Den dagen tågen kör i över 300 kilometer i timmen måste vi vara säkra på att det inte skakar så att folk mår illa och man därför måste reducera hastigheten.

LÄS MER om Broar med koll på läget

Den stora risken är alltså inte att broarna ska rasa, enligt Raid Karoumi.
Snarare att de inte klarar höga farter med bibehållen spårstabilitet och komfort.

Risken är också att kostnaden för underhåll och avbrott i trafiken skjuter i höjden för att spåren på broarna kanske måste justeras varje vecka.

Det var tio års diskussioner här på labbet som ledde fram till den dynamiska exciteraren.

Andreas andersson

Det är därför viktigt med noggranna beräkningsmodeller. För det behövs bättre data och då behövs nya mätinstrument.
 
– Det var tio års diskussioner här på labbet som ledde fram till den dynamiska exciteraren, berättar Andreas Andersson som kan anses vara den drivande kraften bakom exciteraren som teknisk lösning.

Kortfattat går den nya metoden ut på att försätta bron i resonans.
Exciteraren provocerar fram svängningar i olika frekvenser och forskarna kan se hur bron reagerar.

Det skulle kunna jämföras med när en trupp soldater går i perfekt marsch över en bro och där svängningarna från soldaternas fotsteg kan bli så kraftiga att bron rasar.
 
– Men här är målet inte att rasera bron, utan att genom svängningarna, i olika frekvenser och med olika kraft, få information om brons inre egenskaper. Information om hur bron samverkar med spåret och jorden omkring, säger Raid Karoumi.
 
I de äldre metoderna mäts svängningarna under verklig trafik. Det är det mest realistiska, och de mätningarna görs nu också. Men de har sina begränsningar.
 
Då kommer flera frekvenser samtidigt, säger Andreas Andersson. Här kan vi istället isolera enskilda frekvenser. Vi flyttar sedan fram långsamt frekvens för frekvens och mäter brons acceleration med sensorer placerade på bron.
 
Forskarna kan mäta hypotetiska förhållanden som inte förekommer med dagens järnvägstrafik.
Dessutom kan de justera belastningen.

Om de till exempel sätter bron i svängning samtidigt som de fördubblar kraften – beter sig bron linjärt eller sjunker den på ett oväntat sätt?

Allt detta ger information om broarnas samverkan med spåret, med omgivande mark och med eventuella sprickbildningar i konstruktionen.
 

Har utrustning för statisk och dynamisk provning av material och konstruktioner, både i fält och laboratorium.

Förfogar över sju elektrohydrauliska belastningscylindrar i spannet 5 - 4500 kN, varav den på 4500 kN är extremt styv.

Har mätsystem för statiska prov (max 100 mätpunkter) samt mätsystem för dynamisk provning (sammanlagt 60 mätpunkter).

Exciteraren är till stora delar ett hemmabygge, med vissa inköpta delar.
Den är ungefär lika stor som en mindre värmepanna till en villa med en lastcylinder, fackverksdelar och tillhörande pump.

Enbart pumpen väger ett ton. Ur lastcylindern skjuter en mast som kan bli uppemot sex meter lång och som fästs på brons undersida. Det är därifrån bron sätts i svängning.
 
Vi går ner till själva labbet, som används av hela institutionen för Byggvetenskap på ABE-skolan. (länk)

Exciteraren förvaras på hemligt ställe. Här får vi bara se vissa delar av den. Laboratorieingenjören Stefan Trillkott lyfter ett par rejäla trälådor, även de hemmabyggda.

Det är han som monterar upp exciteraren och utför mätningarna. Det tar någon timme att plocka ihop den och lika länge att mäta, förklarar han.

– Man hinner med en bro om dagen säger Stefan Trillkott.
 
Exciteraren är inte en ny metod i sig, men den används här på ett nytt sätt.
En av de två faktorer som gör att Raid Karoumi kallar exciteraren ”unik” är att den fästs på brons undersida. På så sätt stör den inte den normala tågtrafiken.

Den andra faktorn är att exciteraren gräver djupare i relationen mellan bro och mark, något som dagens konsulter inte brukar ta med i sina beräkningar.

Eftersom marken eller jorden dämpar har broarna ofta bättre egenskaper än vad som framkommer i de modeller som normalt används.
 
– När vi får hela bron i svängning, får vi även marken i svängning. För att kunna beskriva brons egentliga egenskaper bör vi ta med det i beräkningarna.

Att enbart studera bron är alltså inte tillräckligt, menar Karoumi. För att förstå vad som händer måste forskarna veta hur bron samverkar med tåget, spåret och marken.
 
– Här ligger vi i framkant. Japaner, fransmän, spanjorer – de har inte tittat så noga på de komplexa samband mellan bro och jord som vi gör. Allt detta kan vi återföra till våra modeller, säger Raid Karoumi.

Syftet med exciteraren är att samla in bättre data för att därifrån göra bättre bro-modeller.

Hittills har de mätt sex järnvägsbroar i Sverige, bland annat på Botniabanan och i Pershagen i Södertälje.

De skulle behöva mäta ett 20-tal broar till för att få ett tillräckligt bra referensmaterial. Broarna är så pass olika, och byggda under så olika perioder.

Forskargruppen har också utsetts av EU att arbeta fram nya standarder för järnvägsbroar.
– Det är ett långsiktigt arbete som kommer att ta kanske tio år, säger Raid Karoumi.
 
Hur pass bra är då svenska järnvägsbroar?
För att ge ett heltäckande svar behöver forskarna göra fler mätningar. Men Andreas Andersson menar att de generellt sett är säkra.

– Det är bra kvalitet i svenska järnvägsbroar. Det är inte så att några broar kommer att ge vika, säger han.