<div class="csl-bib-body">
<div class="csl-entry">Kuttke, P. S. (2020). <i>Investigations concerning the elastic behavior of tramway rails: : numerical studies based on enhanced beam theory and nanoindentation tests</i> [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. https://doi.org/10.34726/hss.2020.80402</div>
</div>
-
dc.identifier.uri
https://doi.org/10.34726/hss.2020.80402
-
dc.identifier.uri
http://hdl.handle.net/20.500.12708/15391
-
dc.description
Zusammenfassung in deutscher Sprache
-
dc.description
Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers
-
dc.description.abstract
.eng: In many urban areas, tramway networks have become a fundamental part of public transport, thus imposing high requirements in terms of reliability and safety. Due to urbanization, public transport enterprises are required to provide shorter intervals and tramway cars of higher capacity to deal with the steadily rising passenger numbers. Over the past few decades, the Viennese tramway network has reported an increase in both the axle loads acting on the embedded tramway rails and the occurrence of rail fractures. Since the replacement of these damaged grooved rail sections involves costly repair works, the herein presented research was initiated to shed light on the mechanical behavior of tramway rails and on the formation of cracks. As the cross-sectional dimensions of rails in general are small compared to their lengths, particularly regarding continuously welded rails, beam theory appears to be the most obvious tool to investigate the deflections and stresses in response to mechanical loads. While beam theory has been widely applied to standard railway rails, the modeling of grooved tramway rails has been neglected in this regard. Within the scope of this research, more and more realistic conditions representing the embedded tramway rail were implemented into the underlying beam model in a stepwise process. First, the grooved rail was investigated on a cross-sectional level, applying a reduced elastostatics model considering beam kinematics corresponding to Bernoulli and Saint-Venant theory. Then, an enhanced beam model was introduced accounting for the longitudinal direction, and the Young's modulus, being one of the most important input quantities, was examined by means of nanoindentation and ultrasonic tests. Finally, the beam model validated by full 3D Finite Element (FE) simulations was extended to consider the subjacent structure in terms of an elastic foundation. The thus obtained beam model distinguishes itself by taking axial, shear, bending and torsional deformations into account, while laying a special focus on the effect of restrained warping. Given their geometric shape, grooved rails are quite compliant to torsional loads which go hand in hand with the wheel loads acting eccentrically to the center of twist. To derive the governing equilibrium equations and boundary conditions, the principle of virtual power stated by Germain in 1973 was herein for the first time applied to beams undergoing torsional deformations. Another key novelty of this contribution is the new ansatz for the elastic foundation representing an extension to the well-known approach proposed by Winkler in 1867. Eventually, the derived virtual power expressions and boundary value problems were solved numerically by means of sequential 1D and 2D FE analyses, respectively, giving access to deformation and force quantities as well as to cross-sectional stress distributions. The introduced enhanced beam model constitutes an accurate yet efficient alternative to simplified analytical equations usually applied in engineering science, and to computationally expensive 3D FE analyses. Another advantage of this beam model is its easy adaptability to possible future extensions which might include taking into account residual stresses induced during the manufacturing process and thermal stresses due to temperature changes which have been quantified within the scope of this research as well.
en
dc.description.abstract
In vielen urbanen Gebieten sind Straßenbahnnetze zu einem wesentlichen Bestandteil des öffentlichen Verkehrs geworden und dadurch hohen Anforderungen hinsichtlich Zuverlässigkeit und Sicherheit unterworfen. Die im Zuge der Urbanisierung ansteigenden Fahrgastzahlen erfordern sowohl entsprechend kürzere Intervalle als auch Straßenbahnen mit höheren Kapazitäten, was mit zunehmenden Achslasten einhergeht. Im Wiener Straßenbahnnetz haben nicht nur die auf die eingebetteten Straßenbahnschienen wirkenden Achslasten, sondern auch Schienenbrüche in den letzten Jahrzehnten einen Anstieg verzeichnet. Die vorliegende Forschungsarbeit untersucht das mechanische Verhalten von Straßenbahnschienen mit dem langfristigen Ziel, das Auftreten von Schienenbrüchen vorhersagbar zu machen. Nachdem die Querschnittsabmessungen von Schienen im Vergleich zu ihren Längen klein sind, insbesondere bei Betrachtung durchgehend verschweißter Schienen, hat sich die Stabtheorie als das Werkzeug zur Berechnung der Durchbiegungen und Spannungen von Schienen unter mechanischer Beanspruchung etabliert. Während die Stabtheorie vielfach auf Standard-Eisenbahnschienen angewendet worden ist, wurde die Modellierung von in Straßenbahnnetzen oftmals eingesetzten Rillenschienen bisher vernachlässigt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden schrittweise immer realistischere Bedingungen für die eingebettete Straßenbahnschiene in das zugrundeliegende Stabmodell implementiert. Zunächst wurde die Rillenschiene auf Querschnittsebene unter Heranziehung eines reduzierten elastostatischen Modells basierend auf den von Bernoulli und Saint-Venant eingeführten Stabkinematiken analysiert. Im Zuge der Erweiterung des Stabmodells wurde auch die Längsrichtung berücksichtigt und der Elastizitätsmodul als eine der wichtigsten Eingangsgrößen mittels Nanoindentations- und Ultraschalltests untersucht. Zuletzt wurde das durch vollständige 3D-Finite Elemente (FE)-Simulationen validierte Stabmodell um den Einfluss des darunter liegenden Oberbaus in Form einer elastischen Bettung ergänzt. Das so erhaltene Stabmodell zeichnet sich dadurch aus, dass es Axial-, Schub-, Biege- und Torsionsverformungen abbilden kann, wobei letztere insbesondere Effekte zufolge einer behinderten Verwölbung berücksichtigen, da sich Rillenschienen gegenüber Torsionsbeanspruchungen überaus nachgiebig verhalten. Um die im Stab herrschenden Gleichgewichts- und Randbedingungen herzuleiten, wurde das von Germain 1973 eingeführte Prinzip der virtuellen Leistung (PVL) erstmals auf Torsionsstäbe angewendet. Eine weitere Neuheit der vorliegenden Arbeit stellt der gewählte Ansatz für die elastische Bettung, eine Erweiterung der Winkler'schen Bettung, dar. Die aus dem PVL für den elastisch gelagerten Stab resultierenden Ausdrücke und Randwertprobleme wurden schließlich mittels sequentieller 1D- und 2D-FE-Analysen numerisch gelöst und die Verschiebungs- und Kraftgrößen sowie die Spannungsverteilungen ermittelt. Das erweiterte Stabmodell repräsentiert eine präzise und effiziente Alternative zu den vereinfachten analytischen Gleichungen, die üblicherweise in der Ingenieurwissenschaft angewendet werden, und zu rechenintensiven 3D-FE-Analysen. Ein weiterer Vorteil besteht in der einfachen Adaptierbarkeit an mögliche zukünftige Erweiterungen, welche zum Beispiel die Berücksichtigung von Eigenspannungen, die während des Herstellungsprozesses induziert werden, oder von thermischen Spannungen aufgrund von Temperaturänderungen, welche im Rahmen dieser Arbeit ebenfalls quantifiziert wurden, betreffen könnten
de
dc.language
English
-
dc.language.iso
en
-
dc.rights.uri
http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
-
dc.subject
elastischen Verhaltens von Straßenbahnschienen
de
dc.subject
elastic behavior of tramway rails
en
dc.title
Investigations concerning the elastic behavior of tramway rails: : numerical studies based on enhanced beam theory and nanoindentation tests
en
dc.title.alternative
Untersuchungen hinsichtlich des elastischen Verhaltens von Straßenbahnschienen: Numerische Studien basierend auf einer erweiterten Stabtheorie und Nanoindentationstests
de
dc.type
Thesis
en
dc.type
Hochschulschrift
de
dc.rights.license
In Copyright
en
dc.rights.license
Urheberrechtsschutz
de
dc.identifier.doi
10.34726/hss.2020.80402
-
dc.contributor.affiliation
TU Wien, Österreich
-
dc.rights.holder
Patricia Sofie Kuttke
-
dc.publisher.place
Wien
-
tuw.version
vor
-
tuw.thesisinformation
Technische Universität Wien
-
dc.contributor.assistant
Hellmich, Christian
-
tuw.publication.orgunit
E202 - Institut für Mechanik der Werkstoffe und Strukturen
-
dc.type.qualificationlevel
Doctoral
-
dc.identifier.libraryid
AC15734614
-
dc.description.numberOfPages
158
-
dc.thesistype
Dissertation
de
dc.thesistype
Dissertation
en
dc.rights.identifier
In Copyright
en
dc.rights.identifier
Urheberrechtsschutz
de
tuw.advisor.staffStatus
staff
-
tuw.assistant.staffStatus
staff
-
item.openaccessfulltext
Open Access
-
item.openairecristype
http://purl.org/coar/resource_type/c_db06
-
item.grantfulltext
open
-
item.mimetype
application/pdf
-
item.languageiso639-1
en
-
item.openairetype
doctoral thesis
-
item.fulltext
with Fulltext
-
item.cerifentitytype
Publications
-
crisitem.author.dept
E202-01 - Forschungsbereich Festigkeitslehre und Biomechanik
-
crisitem.author.parentorg
E202 - Institut für Mechanik der Werkstoffe und Strukturen