Full-scale laboratory tests and FEM analysis of corrugated steel culverts under standardized railway load

This paper describes a full-scale static test conducted on a corrugated steel culvert with 2.99 m span and 2.40 m in height. The test was carried out in the Bridge and Road Research Institute, Wrocław Branch, Poland, in 1998 for a Norwegian producer of culverts. The standardized railway load eon figuration UlC 71 for Europe was applied at various soil cover (from 0.3 m to 1.0 m). Several full-scale tests have been performed in the field to validate the long-term performance and great load bearing capacity of these structures, but few structures have been tested in controlled conditions in a test facility like the test in Poland. In order to verify the test results, a finite element model for the structures tested was constructed. The empirical results obtained were compared with results obtained by means of the Finite Elements Method (FEM). To perform the FEM analysis Cosmos/M system software was used. Only results obtained at 0.8 m soil cover were presented and compared.

---

W roku 1998 w Instytucie Badawczym Dróg i Mostów, Filia Wrocław, przeprowadzono pełnowymiarowe badania modelowe przepustu typu GL4 wykonanego w technologii multiplate. Przedmiotowe badania zrealizowano na zlecenie norweskiego producenta przepustów firmy ViaCon, który dostarczył materiał do badań. Zaprezentowano sposób zamontowania konstrukcji na specjalnie przygotowanym stanowisku badawczym. Podczas badań wykonano wiele obciążeń statycznych oraz dynamicznych, którym towarzyszył pomiar takich wielkości fizycznych jak: odkształcenia, przemieszczenia i napór gruntu na powierzchnie przepustu w charakterystycznych punktach konstrukcji. Przedstawiono sposób montażu czujników naporu gruntu (presjometrów) wokół powłoki przepustu. Normowe obciążenie kolejowe (według normy europejskiej UlC 71) zostało zamodelowane przez zastosowanie sztywnej płyty przenoszącej obciążenia z siłowników na grunt. Badania przeprowadzono dla różnych wysokości naziomu (1,0 m; 0,8 m; 0,6 m; 0,3 m). Ze względu na dużą ilość otrzymanych wyników zaprezentowano jedynie wyniki dla naziomu 0,8 m otrzymane przy obciążeniu statycznym. Używając programu Cosmos/M, stworzono model numeryczny stanowiska badawczego i konstrukcji przepustu. Na wykresach i w tabelach porównano wyniki empiryczne z wynikami otrzymanymi metodą elementów skończonych. Z analiz porównawczych wynika zadawalająca zbieżność ugięć powłoki przepustu. Oznacza to, że sztywności całego układu grunt-przepust oraz rodzaje użytych elementów zostały właściwie dobrane. Równie zbieżny jest rozkład naprężeń zginających w powłoce przepustu. Naprężenia ściskające mierzone na powierzchni przepustu zachowują jedynie charakter rozkładu wyznaczonego numerycznie. Należy zastanowić się nad innym sposobem zamodelowania powierzchni kontaktu między gruntem a powłoką przepustu.. Sugeruje się zastosowanie elementów kontaktowych (np. typu GAP) lub zastosowanie między przepustem a gruntem sprężyn o określonej sztywności. Zauważono bardzo duży wpływ sztywności ścian oporowych na jakościowy i ilościowy rozkład naprężeń zarówno w gruncie, jak i w powłoce przepustu.