Betoniratapölkky

Betoniratapölkky on ratapölkkytyyppi, joka on valmistettu teräsbetonista. 
Historia.
Vuonna 1877 ranskalainen puutarhuri Joseph Monier ehdotti, että teräsbetonia voitaisiin käyttää ratapölkkyjen valmistuksessa. Monier suunnitteli uuden ratapölkyn ja sai sille patentin, mutta tuote ei menestynyt.
Betoniratapölkkyä käytettiin ensi kertaa Alfordin ja Suttonin raitiotiellä vuonna 1884. Pääradalla betonipölkkyjä käytettiin ensi kertaa vuonna 1896 Reading Companyn radalla, Yhdysvalloissa, kuten AREA Proceedingsissä mainitaan. Pölkkyjä kehitettiin lisää, ja Itävallan ja Italian rautateillä betonipölkkyjä käytettiin ensi kertaa 1900-luvun vaihteessa. Pian jälkeen ne otettiin käyttöön myös monilla muilla Euroopan rautateillä.
Betoniratapökkyjen kehitys eteni hitaasti toiseen maailmansotaan asti. Tuolloin ratapölkkyihin käytetystä puutavarasta oli pulaa, koska sitä tarvittiin moniin muihin tarkoituksiin kuten kaivoksiin. Ranskalaisilla ja muillakin eurooppalaisilla rautateilla tehtiin tutkimusta, minkä seurauksena kehitettiin esijännitetty betoniratapölkky. Samoihin aikoihin alettiin myös rakentaa pitkistä, yhteen hitsatuista kiskoista ratoja raskaammille junille, ja tällaisille raiteille tarvittiin paremman laatuisia ratapölkkyjä. Nämä seikat kannustivat kehittämään betoniratapölkkyjä Ranskassa, Saksassa ja Yhdistyneessä kuningaskunnassa, jossa pölkyistä kehitettiin virheettömiä.
Pohjois-Devonissa, Yhdistyneessä kuningaskunnassa sijaitsevalla Lyntonin ja Barnstaplen rautatiellä, jonka raideleveys oli 597 mm, kokeiltiin betoniratapölkkyjä useassa kohdassa rataa. Koska ratapölkyt valmistettiin raideleveyden mukaan, niistä ei ollut juurikaan hyötyä asema-aluiden ulkopuolella, koska rata oli hyvin kaareva, jolloin raideleveyttä jouduittiin löysäämään. Pölkyt olivat myös meluisia eikä niillä ollut puuratapölkkyjä vastaavaa kimmoisuutta, joten rata oli todella jäykkä. Osa näistä betonipölkyistä on nykyisin näytillä Woody Bayn asemalla.
Kiinnostus betoniratapölkkyjä kohtaan kasvoi toisen maailmansodan jälkeen esijännitetyn betonin suunnittelun, laadun ja tuotannon kehittymisen ansiosta.
Tuolimaisia betoniratapölkkyjä on käytetty ainakin 1940-luvulta lähtien. Great Western -rautatiellä Yhdistyneessä kuningaskunnassa käytettiin kaksireikäisiä pölkkyjä, sillä tällä tavoin säätettiin sekä puuta että pulttien korjaamiseen käytettyä terästä, joista oli pulaa sota-aikana. Tätä mallia käytettiin valtion omistamilla rautateillä toisen maailmansodan aikana etenkin juuri ennen operaatio Neptunusta, sillä tällöin puutavarasta oli pulaa ja ratojen jatkoille ja uusimiselle oli pakottava tarve. Tämän ansiosta Gravesend West Streetin asema voitiin ottaa käyttöön vuonna 1944, ja tällä mahdollistettiin tavaraliikenteen valtava kasvu.
Indian Railways ehdotti ferrobetonisten ratapölkkyjen käyttämistä suurilla ratapihoilla. Ferrobetoniratapölkkyjen ainut koe tehtiin Intian rautateiden Langhola Ghatin rataosalla Sealdahin liikennepaikalla. Ferrobetonisten ratapölkkyjen käytössä on monia ongelmia. Pölkyt ovat raskaita eikä niiden käsittely-, kiinnitys- ja varastointivaikeuksia ole saatu ratkaistua. Pölkkyjä on kokeiltava laajassa mittakaavassa ennen, kuin niistä voi tehdä varmoja johtopäätöksiä.
Tyypit.
Betonipölkyt voivat olla kaikki samankokoisia tai niitä voi olla useampaa kokoa. Ne voivat koostua myös kahdesta terästangolla yhdistetystä pölkystä. Great Western -rautatiellä valmistettiin toisen maailmansodan aikaan tällaisia kaksiosaisia, terästangolla yhdistettyjä pölkkyjä sivuraiteilla ja joissakin silmukoissa, mutta nämä pölkyt eivät ylläpitäneet raideleveyttä kaikissa paikoissa, koska yleensä joko kolmen tai neljän pölkyn välein tai kiskojen liitoskohdissa käytetään raideleveyttä ylläpitäviä ratapölkkyjä. Esimerkkejä tällaisesta raiteesta olivat Tatyllyn Eastin risteysasemalla ja Rockin sivuraiteella, jotka sijaitsivat entisellä Brecon &amp; Merthyrin rautatiellä, Talybont-on Uskissa, ja ne dokumentoitiin syyskuussa 1963. Vastaavaa raidetta oli myös Doveyn risteysasemalla, Cambrianin radalla aivan viime aikoihin saakka, ja samanlaisia raiteita saattaa olla yhä olemassa muualla.
Poikkeustapauksissa betoni voidaan jakaa kahdeksi pituissuuntaiseksi laataksi; tällaista rakennetta on käytetty Namibiassa. Tällainen raide koostuu yhtenäisestä betonialustasta, jossa ei ole erillisiä pölkkyjä, ja raidetta käytetään useimmiten tunneleissa. British Rail kokeili laattaraidetta 1960-luvun lopulla ja rakensi raidetta useiden mailien matkan pääradan viereen Derbystä pohjoiseen.
Ratapölkkyjen joustorakenteet.
Betoniratapölkyt eivät ole yhtä kimmoisia kuin puupölkyt, joten betonipölkkyradoilla raidesepeli murenee huomattavasti nopeammin kuormitettuna. Ongelmaa esiintyy varsinkin kaarteissa ja vaihteissa. Raidesepelin kulumisen vähentämiseksi ja joissakin tapauksissa myös tärinän vähentämiseksi ratapölkkyjen pohjiin asennetaan pehmusteita eli joustorakenteita. Joustorakenteet valmistetaan yleensä polyuretaanivaahdosta, jonka jäykkyys on räätälöity vastaamaan raiteen kimmoisuusvaateita.
Paras materiaali raidesepelin kulumisen vähentämiseksi on todella jäykkä melko plastinen polyuretaanivaahto, joka jäljittelee puuratapölkkyjen plastista käyttäytymistä. Raidesepelin kivet painetaan kiinni ratapölkkyjen pohjaan kosketusalueen kasvattamiseksi. Joustorakenteet ovat yleensä paksuudeltaan seitsemästä kymmeneen millimetriä.
Tärinäneristyksen parantamiseksi joustorakenteiden tulee olla pehmeämpiä ja monissa tapauksissa myös paksumpia. Tärinäneristyksellä voidaan vähentää melua 5–12 dB, mutta tämä riippuu monista tekijöistä kuten akselipainoista, nopeudesta, maaperän jäykkyydestä, raidesepelin jäykkyydestä ja monesta muusta asiasta. Tämän takia eristyksen tulosten tarkka ennustaminen on vaikeaa.
Hyödyt ja haitat.
Hyödyt.
Betoniratapölkyt eivät lahoa tai mätäne toisin kuin puupölkyt, ja ne ovat tulenkestäviä. Ne pysyvät puuratapölkkyä paremmin paikoillaan. Niiden lisäpaino tekee raiteesta vakaamman etenkin lämpötilan muuttuessa. Betonipölkyt kestävät palovahinkoja puupölkkyjä paremmin, parantavat raiteen kykyä vastustaa magnetoitumista, ja niiden käyttöikä on puuratapölkkyjä pidempi. Betoniratapölkyt tarvitsevat vähemmän huoltoa, joten niistä syntyy vähemmän kustannuksia, ja tarve raiteen sulkemiselle vähenee. Betoniratapölkkyjä ei kyllästetä kreosootilla toisin kuin puuratapölkyt (etenkin Euroopassa käytetyt), joten betonipölkyt ovat myös ympäristöystävällisempiä.
Haitat.
Kun junat suistuvat kiskoilta, ja niiden pyörät osuvat ratapölkkyihin, puuratapölkyt yleensä absorboivat iskun ja pysyvät ehjinä, kun taas betoniratapölkyt yleensä rikkoutuvat niin, että ne on vaihdettava uusiin. Betonipölkyt ovat kalliimpia eikä betoniratapölkkyraiteen raideleveyttä pystytä jälkikäteen muuttamaan ellei tähän olla varauduttu. Betoniratapölkyt voivat olla jopa 136 kg painavampia kuin vastaavat puuratapölkyt. Tämän vuoksi tarvitaan suurempirakeista raidesepeliä betonipölkkyjen tukemista ja paikallaan pitämistä varten. Betonipölkyt eivät myöskään vaimenna ohittavista junista syntyvää tärinää yhtä paljon kuin puupölkyt. Tämä voi aiheuttaa särönkasvua, jolloin ratapölkyt heikkenevät ja voivat lopulta murtua. Tätä ongelmaa esiintyy eniten kiskojen liitosten vieressä olevissa pölkyissä. Tämän vuoksi betoniratapölkkyjä käyttäneillä rautateillä vältettiin aiemmin betonipölkkyjen käyttämistä vaihteissa ja kiskoliitoksissa. Nykyaikaisia betoniratapölkkyjä voidaan käyttää myös vaihteissa, joten niitä asennetaan nykyisin vaihteisiin muun muassa peruskorjausten yhteydessä. Betonipölkkyjen ongelmana on myös sivuttaisjäykkyys, joka voi aiheuttaa metallin väsymistä etenkin kääntösilmukoissa, joissa sivuttaisvoimien äkillinen muutos korostaa jännitysten vaihteluita. Tämä voi aiheuttaa joko itse kiskon tai ratapölkyn teräsvahvikkeen murtumisen kaarteessa.
Saksan suurnopeusratojen pölkyistä on löydetty murtumia, joten tuhansia pölkkyjä on vaihdettu uusiin jo lyhyen käytön jälkeen. Tämän todettiin johtuvan sopimattoman kiviaineksen käytöstä betonissa. Vaurioituneita betoniratapölkkyjä ei voi korjata. Vanhoja betonipölkkyjä voidaan käyttää esimerkiksi tukiseinissä, tai ne voidaan murskata kiviaineksen ja raudoituksen kierrätystä varten.
Erikoisvalmisteisille pölkyille voi olla tarvetta todella tiukoissa kaarteissa kuten Newmarketin uudella kolmioraiteella Uudessa-Seelannissa. Siellä raideleveys on 1067 mm ja kaarresäde 95 m, joten pölkyt ovat hyvin painavia (noin 250 kg), ja niissä on otettu huomioon mahdollinen raideleveyden kasvattaminen.
Vaihteissa käytettävät betoniratapölkyt joudutaan raatälöimään käyttökohteeseensa sopiviksi. Pölkyt ovat huomattavasti tavallista pidempiä, niissä on rakoja vaihteiden moottoreita varten, ja niitä valmistaa lähinnä vain muutama tällaisiin pölkkyihin erikoistunut yritys. Jos vaihde pitää saada nopeasti käyttöön, on käytettävä puupölkkyjä, jotka voidaan yksinkertaisesti porata vaihteeseen sopiviksi.
Standardit.
Kansainvälinen rautatieliitto on julkaissut betoniratapölkkyjä koskevan standardin 710.
Muissa valtioissa kuten Malesiassa ja Singaporessa, käytetään monia erilaisia standardeja, kuten esijännitettyjä betoniratapölkkyjä koskevaa australialaista standardia (AS 1085.14:2012) tai N 13230-4:2016 -standardia, joka koskee vaihteissa ja tasoristeyksissä käytettäviä esijännitetystä betonista valmistettuja pölkkyjä. Kansainvälisen rautatieliiton liitteen 713R osaa 6 käytetään lisäviitteenä, mutta se on yhä luonnosvaiheessa (toisin sanoen pr EN 13230-6:2016).
Valmistus, kuljetus ja asennus.
Betoniratapölkyt valmistetaan ylösalaisin oleviin muotteihin, jotka ovat useita pölkkyjä pitkiä. Pandrol-kiinnitykset tai muut kiinnikkeet asennetaan muotteihin. Tämän jälkeen esijännitetyt teräksiset raudoitustangot asennetaan muotteihin ja päälle kaadetaan betonia. Betonin kovettuminen kestää useita päiviä, joiden jälkeen palkit poistetaan muoteista ja leikataan erillisiksi ratapölkyiksi. Muotin pohjaan on merkitty valmistajan logo ja päivämäärä.
Toisinaan ratapölkyt varustetaan johtimilla raidevirtapiirin johdotusta varten tai ylimääräisillä suojakaiteiden kiinnikkeillä. Ratapölkyt voidaan valmistaa joko ”lyhytlinjaisella” tai ”pitkälinjaisella” menetelmällä, joilla kummallakin on hyötynsä ja haittansa.
Ratapölkkyjä valmistavat monet yritykset ympäri maailmaa. Pölkyt kuljetetaan ratatyömaalle pieninä nippuina, joissa puukappaleet erottavat pölkkyjen kerrokset toisistaan. Ratapölkyt asennetaan joko käsin tai erilaisilla ratatyökoneilla.
Sääntely.
Yhdysvalloissa.
Yhdysvalloissa Liittovaltion rautatiehallinto (Federal Railroad Administration, FRA) otti 8. marraskuuta 2011 käyttöön uudet betoniratapölkkyjä koskevat määräykset, ja julkaisi asiasta tiedotteet Yhdysvaltain liittovaltion rekisterissä 1. huhtikuuta - 9. syyskuuta. Tiedotteissa sanottiin, että uusille määräyksille oli tarvetta Amtrakin junan suistuttua raiteilta Home Valleyn lähellä, Washingtonissa 3. huhtikuuta 2005. Yhdysvaltain kansallisen liikenneturvallisuuslautakunnan (NTSB:n) mukaan onnettomuus johtui osin betoniratapölkkyjen liiallisesta kulumisesta. Liittovaltion rautatiehallinnon säännön 213.109(d)(4) mukaan betonipölkkyjä ei saa heikentää ja kisko ei saa upota pölkkyyn puolta tuumaa tai enempää. Myös muuntyyppiselle betoniratapölkkyjen heikkenemiselle määriteltiin rajat.