ゲッツナーの技術

軌道の剛性を最適化し，軌道構造境界部の諸問題を解決
Martin Quirchmair＊・Harald Loy※，訳：日本ゲッツナー㈱軌道構造変化箇所の構造物境界部は，鉄道事業者にとって軌道保守上，困難な箇所である．路盤の剛性が急激に変化するため，軌道構造の磨耗速度が速く，メンテナンスサイクルは縮まり，コストが増加する．
軌道構造境界部に，適切な弾性材を選択して軌道に挿入すると，軌道の磨耗は激減する．Sylomer® ある
いは Sylodyn® 材のポリウレタン製品は現場で十分に信頼を得ている防振材である．最新のシミュレーション計算モデルを用い，ゲッツナー社の技術者は，弾性の異なる小領域を組合せた，包括的な設計を開発した．
軌道構造境界部を小領域に分け，剛性と軌道沈下いう観点から最適化した結果，軌道の質は長期に亘り保持され，ネットワークの稼働率は向上する．
軌道の寿命を延伸するため，軌道構造境界部を多数の小領域に分割し，剛性の急激な変化による負荷を長い距離に分散させ，最少までに減衰させる．個々のケースの問題の程度に応じ，タイプの異なる弾性材を用いて各小領域の剛性を調整する．研究所で行った試験ならびに現場測定が，理論研究の正当性を実証して統括する．前述したプロジェクト例が示すように，この有限要素法による計算モデルにより，各々のケースに最適な軌道パッドあるいはタイプレートパッド，マクラギパッドを確実に選択して提案することが可能となった．軌道構造全体を新たに構築することなく，必要な弾性材を敷設することで，軌道構造境界部に現存しする保守上の問題は解決される．
ゲッツナーには，国際的な実績と経験から得た知識が蓄積されており，軌道構造境界部の問題解決を望む鉄道事業者に，迅速で効果的な解決法を提案している．

■ 軌道の剛性を最適化し，軌道構造境界部の諸問題を解決する

は軌道構造境界部では，軌道保守にか区間といえる．

かる費用も時間もその他の区間に比べゲッツナー社ではこの軌道構造境界て多く，弱点箇所となっている．軌道部の問題を解決するシステムの開発に構造の急激な変化は動荷重に影響を及取り組んで来た．最新のコンピュータ

ぼし，バラスト沈下（軌道狂い）や振技術を用い，個々のケースに最適な高スラブ軌道とバラスト軌道の接続箇

動等上部構造の磨耗を誘因する．乗客

性能弾性材を選択し，これを適切に組所，踏切の前後，無道床橋梁の橋台付にとっては乗り心地が悪い区間であみ合わせることにより，軌道構造変化

近，分岐等の軌道構造変化箇所あるいり，軌道の管理者にとって問題の多いによって生じる境界部の路盤剛性の差＊）Martin Quirchmair ； System Development Getzner Werkstoffe GmbH※）Harald Loy ； Head of System Development Getzner Werkstoffe GmbH

No.232 鉄道車両と技術

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異を均し，滑らかな走行を達成する．

あるいは建造物を走行線が横切る区間変化が軌道構造境界部に及ぼす影響を本書では，軌道構造境界部に生じる（例えば，橋梁，トンネルあるいは暗極めて正確に分析し，弾性材を用いた問題解決の典型的な例をあげ，ゲッツ渠）が挙げられる．同じ軌道構造内最適化を予測して計算することが可能

ナー社の弾性材であるSylomer® あるで，変化点が生じる場合もある．住宅となった．コンピュータによる計算モ

いは Sylodyn®を用いて軌道の剛性を最地域のように，振動対策が強く要求されデルの精度は応用した軌道の測定によ適化するシステムを実例を挙げて紹介

るような区間には，防振効果のある柔って実証可能となる．より正確な計算する．加えて，有限要素法（FEM）シらかいバラストマットを敷設するが，モデル開発のためのたゆまぬ努力が，ミュレーションによる設計の長所と利反対に，家一軒ない屋外の走行線には軌道構造境界部の改善の主体といえる点を説明する．研究室で行った材料の振動対策は必要とされない．軌道構造であろう．

試験値ならびに現場調査結果が，本書境界部は，このような屋外走行線で，のデータベースとなっている．

バラストマットが敷設されている区間「鎖の強さは一番弱いところで決まから敷設されていない区間へ移行する

り，一個の輪が弱いとそこが切れる」

地点を指す．軌道構造境界部は保線上ということわざを軌道にあてはめるの諸問題が生じる個所であるため，特と，メンテナンス周期が早まるか，延に配慮して設計する必要がある．

■ 軌道構造境界部の難しさ
軌道構造を精査すると，軌道構造境界部では諸問題が生じやすいことがわ

伸できるかは，軌道の最も弱い区間で連続支承が途切れるケースがどのよ

かる．様々なレベルの剛性が存在し，ある軌道構造境界部の問題を如何に処うな構造であれ，現代では最新のコン各々レールたわみ量が異なり，軌道構理し，解決するかで決定されると言えピュータプログラムを用い，軌道構造造が急変すると，軌道を構成するパラるであろう．軌道構造境界部では軌道境界部を総合的に設計することが可能

メータも急変し，その結果，動的応力構造および路盤の連続支承が中断さである．1988年にツィンマーマンが提が増加する．車両が段差を通過する場れ，軌道構造の剛性が急変する，問題案した梁による連続支承のような，従合，段差の大きさによっては車輪とレの多い区間である（図-1）．

来どおりの計算法では限界があるケーールにかかる負荷が急激に増加する．

典型的な軌道構造境界部として，ススも，最新のコンピュータプログラム

動的応力がはっきりと感知されるまでラブ軌道からバラスト軌道の接続箇所を用いると，軌道のパラメータの突然に増加すると，軌道構造境界部の磨耗

図-1 軌道構造境界部のパラメータが変化すると，支承の連続性が途切れる

速度は加速し，長期的には道床の沈下や軌道構成部品の損傷を招く．
バラスト軌道からスラブ軌道へ変化する軌道構造境界部では，車両の通過による道床沈下と磨耗は不可避である．従って，定期的に道床をつき固め，マクラギ下に隙間や空洞ができるのを防止する．メンテナンス周期は列車の速度と作用する動的力の影響を受

図-2
バラスト軌道からスラブ軌道へ変化する
軌道構造境界部で生じた軌道の損傷けて変化する⑴．
スラブ軌道は構造自体が硬いことから，道床沈下（軌道狂い）はほとんどどないか極めて小さいため，バラスト軌道の表面はスラブ軌道よりも低くなり，段差が生じる．剛性が局部的に異なる軌道を接続した結果生じる高低差は，軌道構造にかかる動的応力を著しく増大させ，レール座面部に過大な荷重が発生する．
磨耗の兆候が頻繁に観察される箇所

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鉄道車両と技術

No232では，時間の経過とともに保線保安上るため，線路封鎖を常に最少に抑える

軌道の剛性に局部的な変化が生じの諸問題は益々深刻となる．バラストことが求められる．軌道構造境界部にる場合，動的な影響を受けにくくの削摩による白石化（粉砕化），ピンポ生じる問題はメンテナンス周期の短縮

する

イントに集中してかかる過度な荷重にを引き起こし，メンテナンスコストをその軌道に既存する剛性の違いをよるバラスト沈下（軌道狂い），レー増加させる⑶．

調整する

ル表面の短間隔の波状磨耗は，軌道構

米国の鉄道事業者は毎年，軌道構造無道床橋梁橋台等固定構造の接続造境界部に繰り返し発生し，鉄道管理境界部の軌道保守に約2億ドル，ヨーロ部では特に道床沈下（軌道狂い）者にとっては頭の痛い問題である（図-3ッパの鉄道会社は約8500万ユーロを支を抑止参照）．

出している．例えば，オランダのデー

コストと利益を考慮し，軌道構造マクラギ下の空洞や隙間は生じると

タをみると，軌道構造境界部は通常の境界部の長さを最適化する

そこに荷重が集中するため，レール締軌道に比べると，2から4倍の軌道保守結装置の部品やマクラギの破断，更に量を必要としている ．

は破損という深刻な事態に招く危険性

一般的に，構造内に弾性材を用いな⑶

い従来型バラスト軌道は，剛性の差異

軌道構造境界部の長さはネットワーによって生じる衝撃を十分吸収できな

ク全体からみると極めて短いことをかい．従って，軌道構造境界部の問題を軌道構造境界部に生じる短間隔のレんがみると，費用対効果が判りやすい解決するためには，レール座面に高弾ール波状磨耗は，固有振動数が大きく区間ともいえる．すなわち，可能な限性材を加えたスラブ軌道のような，柔異なる軌道構造がつながる箇所に生じり最上の効果がある弾性材を軌道構造らかい構造と接続する必要がある．

る現象である．高い動的力が様々な励に用い，最適な技術で問題を解決すれ次の課題は，軌道構造境界部で問題振メカニズムをもたらした結果と考えば，投資は早期に回収され，ネットワとならないたわみ量または剛性の差異られている ．

ークの良好な稼動率が維持される．

の許容値と，変化を滑らかに吸収できがある．

⑵

上述した，軌道構造部品の損傷は，軌道構造境界部を設計する際には特る距離のガイドラインとなる数値の設すなわち，軌道構造境界部のメンテナ別な配慮が必要とされる．考慮に入れ定である．これまで世界中で様々な数ンス周期を早め，メンテナンスコストなければならない最も重要なパラメー

値ガイドラインがつくられてきた．例を増加させる．

タは軸重と速度であり，技術的にも営えば剛性の変化の許容値は，コンピュ利的にもベストな方法を探ることを目ーターモデルで区間のたわみ量を計算的とする．

し解析した結果，0.2mm〜0.5mm を超■ 軌道保守量の増加
ネットワークの稼働率を最大にするえないことが推奨される⑷．

■ 軌道構造境界部の要件

軌道構造境界部の必要な長さを検討する場合は，大まかな工学規則を適用することができる．すなわち，包括的ことは，鉄道事業者にとって最大の関心事の一つであろう．「時は金なり」

効果的な問題解決方法を開発するにな目標は，保安上必要な長さの軌道構といわれるように，軌道保守作業を行は，何か必要とされているかを的確に造境界部を確保しつつも（利益），同時うために線路を閉鎖する回数が増加す知る必要がある．軌道構造境界部の要に長さを最小限に抑える（経費）ことにることはそのまま利益の減少につなが件は以下のとおり：

ある．軌道構造変化点によって，0.5秒

図-3 軌道構造境界部に観察される磨耗の兆候：白石化（左），バラスト沈下（中央），短い間隔のレール波状磨耗（右）No.232 鉄道車両と技術19

図-4 軌道構造境界部に敷設されたガードレール（左）．表面を接着してバラストを固定ルール，0.7秒ルール，あるいは1秒ルー

は，軌道構造のパラメータの局所的なレールやバラストを表面接着して固定ルなどがよく用いられる．例えば，時不連続を広い面積に分散することにあ化させる工法（図-4），または粒度調整

速100kmで走行する車両が軌道構造変化る．軌道構造への動的応力を最小に制砕石によるアプローチブロック等があ点を通過する場合，0.5秒ルールでは約御するためには，軌道の剛性変化が連る．これらは長年の経験と実績から設

14 m，0.7秒ルールでは約19.4 m，1秒続的あるいは細かい段階に分けて行わ計技術も改良を重ね，保線現場の要求ルールでは約27.8 mの軌道構造境界部れるよう調整しなければならない．そに応えてきた．しかしながら，これらとして剛性の最適化を図ることが推奨

れにより軌道構造境界部への動的応力は非常に高価な工法であり，経済的観される．軌道構造境界部の問題を解決が隣接する区間に分散され，個々の区点から言えば，標準的な軌道に存在すするのに必要な長さは，軌道構造変化間への衝撃は最小化される．

る軌道構造臨界部の大半に使用するこ点を通過する時間，換言すると，列車高速線では，軌道構造境界部を6区間とはとても不可能である．従って，こ速度によって決定される．短い軌道構以上に亘った設計も可能である．このれよりも容易でコストのかからない対造境界部を高速で通過する箇所を改良

様な工法は上級レベルの代表格であ策法が使用されているのが実情であするためには，必要な軌道構造境界部

り，あらゆる合理的な技術・営利的オる．上述の部分解決もその一つであるは長く，高額なシステムが必要となプションが採用される．この解決法をが，長所も短所もある．

り，妥協点を見つけなければならなく構成する代表的要素としては，ガードなる．また，軌道構造境界部の長さは，必要最小限の長さ，すなわち，ボギー台車間の距離より小さくてはなら

高価な工法または部分的部分解決法

図-5
軌道構造最適化のための弾性システムないことも考慮する必要がある⑷．

■ 軌道構造境界部の問題に対する一般的な研究
軌道構造境界部が，取扱いに特別な配慮が必要とする軌道区間の一つであるという認識は決して新しいものではない．この問題解決のための研究がこれまでも数多く行われてきた．これらの研究には長所もいくつかあるのだが，例えば，軌道保守の容易さまたはコストの観点から，短所もあった．
通常このような研究の普遍的な目的

20鉄道車両と技術No232

への追加対策として提案するのが，各軌はなく，本来の使用目的である機能を減らす．道床内の砕石が摩損する速度

道構造臨界部に最適なポリウレタン材保持する．

を速める危険な振動数可能となる．
領域は約 30Hzの励振から始まるが，弾性材を設計し軌道構造に組み込むこ

ポリウレタン材の応用範囲は広く，とである．ゲッツナー防振材の特殊な用途によって多様である．Sylomer や

これは高速鉄道線では特に顕著であ特性は，軌道構造の剛性（弾性）を精確

Sylodyn®は要求された条件に合わせてる．バラスト軌道はこの振動数領域をに定義できることであり，同時に，バラ設計製造された製品であり，動的特性は超えるとより敏感に反応し，この振動ストとの補完関係に優れており，長期に極めて優れている．さらに必要に応じ数が連続すると砕石の流動が始まる．

亘りバラストを保護する（塑性特性）．

た弾性を与えることができる．例えこの振動振幅を減らすことが可能であば，軌道パッドやタイプレートパッド

れば，バラスト軌道の耐用年数を延伸に応用する場合，最も重要とされるのさせることが以下，成功したプロジェは動剛性と静剛性との関係である．軌

クトを分析し，軌道に弾性材を敷設し道パッドやタイプレートパッド等へ応たことによって生じた積極的な効果を用する場合，成形性は全く問題とされ述べる．

■ 必要な弾性を精確に選定
し，軌道を最適化®

構造が異なる軌道を接続しなければない．一方で，バラスト保護の目的でならない場合，各々の軌道のパラメー

マクラギパッドを用いる場合は，バラタを知ることが重要である．高品質弾

ストとマクラギとの接触面積を著しく性材を用いることで，いかなる剛性も増やして接触応力を減らす働きがある

定義可能となり，求められた剛性を挿ため，可塑的変形は望ましい特性とい大抵の軌道構造境界部は標準的な軌入して適正な防振効果が得られる．軌える．マクラギパッドに包まれた砕石の道にある．移行区間を置かずに，様々道構造臨界部の各構造のたわみ量は，流動は抑止されるため，軌道沈下ならな軌道構造が直接連結されることもめ要求された設定値に修正される．

びに道床の変動は減少し，結果としてずらしくはない．軌道構造境界部を幾軌道構造全体の安定化に貢献する．

つかの区間に区切り，荷重を分散する

軌道パッド，タイプレートパッド，■ 実施例

マクラギパッド，バラストマット，マポリウレタンは優れた適応性はそのことにより，軌道構造境界部に発生すススプリングシステム，あるいはマクまま製品範囲の広さとなり，剛性の程る問題は著しく緩和される．問題発生

ラギケース底部敷弾性パッド等を用い

度および材料の特性は細かく分類され後の措置でも効果はある．マクラギパて，各軌道構造の特性に応じた剛性にており，要求された条件にあった適切ッドや軌道パッド，タイプレートパッド調整できる（図-5）．

な製品を提供できる．換言すれば，軌のような弾性部品を軌道構造に加える

これこそ，高品質ポリウレタン製品

道構造境界部の各々の区間にあるパラことにより，軌道構造全体を構築し直Sylomer® やSylodyn® の特性が実際にメータの多様性は，それぞれに適応しすことなく軌道構造境界部を改良でき遺憾なく発揮されるところである．軟たポリウレタン弾性材の挿入により，る．実施例としては，メキシコの鉄道化剤が時を経て次第に析出する経年劣適切に調整・修正される．こうして調橋梁改良工事がある．化の問題があるゴムを原料とする製品

整された軌道の弾性は，更には軌道沈

このケースはバラスト軌道が旧来のと異なり，高品質ポリウレタン製品で下の防止にも働く．バラスト上層部は方法でスラブ軌道に直接連結されていあるSylomer®やSylodyn® の剛性はそパッドに食い込み安定し，加えて，振た．問題の多い軌道構造境界部には長の耐用期間を通して剛性は変わること動が減少するため，道床全体の動きをい間特別な注意が払われることはなか

図-6 スラブ軌道の損傷 – レール締結装置のボルトの緩み（左）対策として，可塑性補正プレートと弾性軌道パッドを敷設（中，右）No.232 鉄道車両と技術

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ったので，砕石が削摩によりバラストになった．総体的に，軌道構造境界部が白く見える典型的な白石化が速く進の摩損が激減した．

行した．更には，大きい動的力がかか軌道を最初に敷設する場合は，計画段■ 計算モデルを用い，個々のケースに最適な問題解決法を提案るとレール締結装置のボルトが緩み，階で防護策を組み込むことが望ましスラブ軌道の表面が損傷した（図-6）．

い，ドイツの重荷重鉄道営業線のケース破損に至るまでの過程を詳細に分析

では，軌道構造境界部に移行スラブを設

多くのコンピュータプログラムは，し，適正な解決法を見出した．最も適置して改善を図った．バラストと移行

曲げ線と結果生じるレールたわみ量をした製品を選択するために計算モデル

スラブとの接触面積を増やすために，新古典的なツィンマーマン法で計算すで計算し，相互関係の調整を入念に行たに開発した可塑性弾性バラストマッ

る．そこでは，軌道は無限に連続してった．

トを初めて敷設した．ゲッツナーの社敷設された長い桁と想定される．ツィ損傷したスラブ軌道のむらを補正す

内研究所で行った調査では接触面積はンマーマン法による解析モデルは何度るために，特殊可塑性Sylomer® 材の約34%，この良好な数値により，バラスも検証され，軌道パラメータが一定で調整プレートをレール座面とコンクリトと移行スラブとの間の応力を6〜8ポあるような，均質なシステムにおいてートスラブとの間に挿入した．レールイント減らした．この措置により，軌は，計算値の精度は極めて優秀であ

底部の下に直接敷設した軌道パッドは道構造境界部のバラストは安定し保護る．しかしながら，軌道構造が変化す

柔らかい弾性材，Sylodyn を用いた．

された．

る臨界点，すなわち，剛性が急激に増®

加する場合を計算しようとすると，プ

この措置により，荷重は理想的に分散

2014年秋，軌道構造境界部に関するされ，良好な動的特性に改善された．

計算の検証を目的とする現場測定を行

軌道構造境界部でマクラギ25丁に弾性い，2015年夏，再度測定した．測定かFEM（有限要素法）とは，軌道構造可塑物（エラストプラスチック）であら得た経験は計算モデル開発にフィー境界部を統括して計算する方法の一つ

るSylomer 材のマクラギパッドを敷設

ドバックされ，計算モデルの予測精度である．領域を有限な小領域（要素）したことにより，軌道沈下が著しく減はこれまでよりも更に向上した．

に分解し，各小領域における偏微分方®

少し，軌道構造境界部の走行が滑らかログラムは限界に達する．

程式の近似解を数値的に得る数値解析

図-7 重軸重条件下での軌道構造境界部のレールたわみ量の測定（上）と研究所で行った接触面積の調査（下）22

鉄道車両と技術

No232

図-8
有限要素法（FEM）による計算モデル（上），最大レールたわみ量の算定（下･左），レール支承点における最大力の算定［下･右）法の一つであり，剛性の連続性が途切素のために保存され，非線形材料特性を路盤を相互に比較検討し，最良の問題れる軌道構造境界部の問題解決方法に説明する最良な方法であることが証明

解決を選び提案することが可能とな応用する．

された．ガードレールや移行スラブのより，軌道構造境界部に存在する応力のFEM計算モデルは多数の弾性要素かうな特殊軌道構造もこれに含まれる．

最小化に成功した．

ら構成され，何に応用するかによって計算モデルによって得る静・動的な異なるが，各要素（小領域）における算定数値は，レールたわみ量に加え，マクラギより下の層の弾性を様々に変例えば，レール底部の張力，マクラギ＜参考資料＞えることができる．こうして，道床との曲げあるいは支承力等を計算するた⑴ Freudenstein S, Geisler K, Mölter T,軌道双方の路盤および，バラストマッめの，貴重なデータとなる．

■

Mißler M and Stolz Ch, Feste Fahrbahnen

トやマクラギパッドのような弾性要素

図-8に示す算定結果は，軌道の各小領

in Betonbauweise [Concrete slab tracks],も同時に考慮して検討することが可能

域（要素）の各々異なるレールたわみ

Betonkalender, Sonderdruck, Ernst&Sohn,となった．現実では，レールは座面下量が均一に調整され，軌道の剛性が最2015.

でマクラギに固定されている．従っ

適化されるかを示す．支承力内で，荷⑵ Grassie S L, Rail corrugation: characteris-て，現実の条件に近似させるため，マ重が減衰されたことが明白である．力tics, causes, and treatments, Review Paper,

クラギ中心部は故意に弾性要素から外のピークが各小領域の末端に追加されGermany 2009.

した（図-8）．

て発生しているが，最適化後は予測どさらに，タイプレートパッドあるいはおり，遥かに減衰されている．

⑶ Zuada Coelho B E, Dynamics of railway
transition zones in soft soils, Dissertation,

軌道パッドのような弾性要素も単独で軌道構造境界部において，軌道にか計算モデルに加えることができるめ，かる荷重と設計の質との間には直接の各々のレール座面を構成する弾性要素関関係が存在する．特定の弾性材製品

Schwellenbesohlungen in Übergangsbere-のシミュレーションが可能となった．

に関する非線形原料の情報を計算モデ

ichen, Präsentation 2 [Use of under-sleeper

研究所での実験から得た材料の経験ルのデータベースとすることを目的と

pads in transition zones, Presentation 2].

的データは，計算モデルで用いる弾性要していたが，これにより，様々な弾性

Schwarzenberger Bahn-Gespräche, 2011.

No.232 鉄道車両と技術

Delft University of Technology, 2011.
⑷Schneider P, Einsatz von23