DOI: https://doi.org/10.15802/stp2015/55340

### STUDY OF CARRYING CAPACITY OF A CORRUGATED METAL CONSTRUCTION BY CRITERION OF YIELD HINGE DEVELOPMENT

Y. Y. Luchko, V. V. Kovalchuk, O. S. Nabochenko

#### Abstract

Purpose. This research is aimed to: 1) calculation of equivalent forces caused by rolling stock in winter and summer seasons at different parameters of the irregularities of railway track; 2) research of bearing capacity of corrugated metal constructions (CMC) in terms of development of plastic hinge in the top of the metal pipe due to irreversible residual deformation of the vertical and horizontal diameters of the pipe. Methodology. The calculation of equivalent forces is carried out according to the method of calculating the railway track on strength and stability. Further a mathematical algorithm was developed in the software environment of Mathcad 14, with which the calculations were made about the formation of a plastic hinge at the top of the pipe for different values of the irregularities of the railway track and the degree of compaction of soil backfill. In these studies, the calculations were carried out at the design value of the compaction degree of soil backfill and magnitude of dynamic loading on railway rolling stock. Findings. Analysis of multivariate calculations of testing the condition of occurrence of plastic hinge at the top of the pipe arch has revealed that the first plastic hinge, which occurs in the set of CMC is revealed only when there is a simultaneous unfavorable influence of two factors (causes). These are the factors: the assumption of the development of the track irregularities out of the allowable values without the implementation of measures to eliminate or limit the speed of trains (the first cause); reduction of compaction of soil backfill below the 90 % (the second cause). In case of absence of one of the causes the origin of the plastic hinge will not happen. Originality. It was the first time, when the bearing capacity of corrugated metal construction with large diameter (more than 6 m) with account of factors complex: the degree of compaction of soil backfill, the magnitude of the dynamic loads from rolling stock by the criterion of plastic hinge development in the metal pipe when the occurrence of residual deformations of the vertical and horizontal diameters of the CMC was investigated. Practical value. The obtained results of the bearing capacity of corrugated metal constructions (like horizontal ellipse of cross-section) can be used by engineers of Bridge building stations of Ukrzaliznytsia, Ukravtodor and design organizations, which are engaged in the design of corrugated metal constructions with a diameter of more than 6 m.

#### Keywords

corrugated metal construction; equivalent forces; plastic hinge; tension

PDF (Українська)

#### References

Bondarenko I.O. Stosovno pytan modeliuvannia deformatyvnoi roboty elementiv zaliznychnoi kolii [To the modeling issues of life cycle of deformation work of the railway track elements]. Nauka ta prohres transportu. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu – Science and Transport Progress. Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport, 2015, no. 1 (55), pp. 78-89. doi: 10.15802/STP2015/38247.

Hnatiuk I. Novyi «styl» staroho mostu [New «style» of the old bridge]. Mahistral − Main Line, 2011. Available at: www.magistral-uz.com.ua (Accessed 4 September 2015).

Danilenko E.I., Rybkin V.V. Pravyla rozrakhunkiv zaliznychnoi kolii na mitsnist i stiikist. TsP-0117 [Rules of calculations of the railway track strength and stability. TsP-0117]. Kyiv, Transport Ukrainy Publ., 2006. 168. p.

Stasiuk B.M., Stankevych V.Z., Kovalchuk V.V., Luchko Y.Y. Doslidzhennia napruzheno-deformovanoho stanu metalevykh hofrovanykh konstruktsii pry vzaiemodii z hruntom zasypky [Investigation of the stress-strain state of metallic corrugated structures in the interaction with the backfill soil]. Zbirnyk naukovykh prats Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu imeni akademika V. Lazariana: Mosty i tuneli: teoriia, doslidzhennia, praktyka [Proc. of the Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan: Bridges and Tunnels: theory, research, practice]. Dnipropetrovsk, 2014, issue 5, pp.105-112.

Yakovleva T.G., Karpushchenko N.I., Klinov S.I. Zheleznodorozhnyy put [Railway track]. Moscow, Transport Publ., 1999. 405 p.

Danilenko E.I., Yakovliev V.O., Orlovskyi A.M. Instruktsiia z ulashtuvannia ta utrymannia kolii zaliznyts Ukrainy. TsP 0138 [Manual for installation and maintenance of the tracks of the Railways of Ukraine. TsP 0138]. Kyiv, Transport Ukrainy Publ., 2006. 336 p.

Koval P.M., Babiak I.P., Sitdykova T.M. Normuvannia pry proektuvanni i budivnytstvi sporud z metalevykh hofrovanykh konstruktsii [Normalization of the design and construction of buildings of corrugated metal structures]. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu imeni akademika V. Lazariana [Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan]. Dnipropetrovsk, 2010, issue 33, pp. 114-117.

Kovalchuk V.V. Doslidzhennia temperaturnoho polia ta napruzhenoho stanu metalevykh hofrovanykh trub [Research of the temperature fields and stressed state of metal corrugated pipe] Resursoekonomni materialy, konstruktsii, budivli ta sporudy: zbibrnyk naukovykh prats [Resource-saving materials, constructions, buildings and structures: Proc.]. Rivne, 2014, no. 29, pp. 186-192.

Luchko Y.Y. Gruntoznavstvo, mekhanika gruntiv, osnovy ta fundamenty [Soil science, soil mechanics, bases and foundations]. Lviv, Kameniar Publ., 2013. 320 p.

Kovalchuk V.V. Prystrii dlia vymiriuvannia ta otsinky napruzheno-deformovanoho transportnykh sporud pry zminnykh temperaturakh i statychnykh ta dynamichnykh navantazhenniakh [The device for measurement and evaluation of stress-strain transport facilities at variable temperatures and static and dynamic loads]. Patent UA, no. u2014 04271.

Petrenko V.D., Yampolskyi D.O., Sviatko I.O. Porivnialnyi analiz rozrakhunkovykh modelei zaliznychnoho zemlianoho polotna [Comparative analysis of calculation models of the railway subgrades]. Nauka ta prohres transportu. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu – Science and Transport Progress. Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport, 2013, no. 4 (46), pp. 56-62. doi: 10.15802/stp2013/16619.

Pravyla tekhnichnoi ekspluatatsii zaliznyts Ukrainy [Rules of technical operation of Ukrainian Railways]. Kyiv, Polihrafservis Publ., 2002. 133 p.

Tekhnichni vkazivky shchodo otsinky stanu reikovoi kolii za pokaznykamy koliievymiriuvalnykh vahoniv ta zabezpechennia bezpeky rukhu poizdiv pry vidstupakh vid norm utrymannia reikovoi kolii. TsP 0020. [Technical guidelines for assessment of rail track on track measuring cars and to ensure of traffic safety during the retreat from the norms of railway track maintenance. TsP 0020]. Kyiv, Ukrzaliznytsia Publ., 2005. 48 p.

Barbato M., Bowman M., Herbin A. Performance evaluation of buried pipe installation. Louisiana, Louisiana State University Publ., 2010. 123 p.

Elshimi T.M. Three-dimensional nonlinear analysis of deep-corrugated steel culverts. Kingston, Ontario, Canada, Queen’s University Publ., 2011. 738 p.

Machelski Cz. Kinematic method for determining influence function of internal forces in the steel shell of soil-steel bridge. Studia Geotechnica et Mechanica, 2010, vol. XXXII, no. 3, pp. 28-40.

Machelski Cz. Modelowanie mostowych konstrukcji gruntowo-powlokowych. Wrocław, Dolnoslaskie Wydawnictwo Edukacyjne Publ., 2008. 208 p.

Pettersson L., Sundquist H. Design of soil steel composite bridges. Sweden, Structural Desing and Bridges Publ., 2007. 122 p.

Saat M.R., Barkan C.P.L. Generalized railway tank car safety design optimization for hazardous materials transport: Addressing the trade-off between transportation efficiency and safety. Journal of Hazardous Materials, 2011, no. 189 (1-2), pp. 62-68. doi: 10.1016/j.jhazmat.2011.01.136.

Borchevskiy S.V., Petrenko V.D., Tiutkin O.L. Kulazhenko Ye.Yu., Kulazhenko O.M. Scintific evidence for walls fastening technologies of working trench by the special method «Slurry wall» for shallow subways’ stations. Nauka ta prohres transportu. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu – Science and Transport Progress. Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport, 2014, no. 6 (54), pp. 154-163. doi: 10.15802/stp2014/33740.

Weltschev M., Schwarzer S., Otremba F. Comparison of the operating life of tank containers, tank vehicles and rail tank cars for the carriage of dangerous goods in practice, analysis of causes of damage. Chemical Engineering Transactions, 2013, no. 31, pp. 559-564. doi: 10.1016/j.jhazmat.2011.01.13610.3303/CET1331094.

#### GOST Style Citations

1. Бондаренко, І. О. Стосовно питань моделювання деформативної роботи елементів заліз-ничної колії / І. О. Бондаренко // Наука та прогрес трансп. Вісн. Дніпропетр. нац. ун-ту залізн. трансп. – 2015. – № 1 (55). – С. 78–89. doi: 10.15802/STP2015/38247.
2. Гнатюк, І. Новий «стиль» старого мосту [Електронний ресурс] / І. Гнатюк // Магістраль. – 2011. – Режим доступу : www.magistral-uz.co-m.ua. – Назва з екрана. – Перевірено : 4.09.2015.
3. Даніленко, Е. І. Правила розрахунків залізничної колії на міцність і стійкість : ЦП-0117 / Е. І. Даніленко, В. В. Рибкін. – Київ : Транспорт України, 2006. – 168 с.
4. Дослідження напружено-деформованого стану металевих гофрованих конструкцій при взаємодії з грунтом засипки / Б. М. Стасюк, В. З. Станкевич, В. В. Ковальчук, Й. Й. Лучко // Мости та тунелі: теорія, дослідження, практика : зб. наук. пр. Дніпропетр. нац. ун-ту. залізн. трансп. ім. акад. В. Лазаряна. – Дні-пропетровськ, 2014. – Вип. 5. – С. 105–112.
5. Железнодорожный путь / Т. Г. Яковлева, Н. И. Карпущенко, С. И. Клинов [и др.]. – Москва : Транспорт, 1999. – 405 с.
6. Інструкція з улаштування та утримання колії залізниць України : ЦП 0138 / Е. І. Даніленко, В. О. Яковлєв, А. М. Орловський [та ін.] : затв. наказом Укрзалізниці від 22 грудня 2005 р. № 427-Ц. – Київ : Транспорт України, 2006. – 336 с.
7. Коваль, П. М. Нормування при проектуванні і будівництві споруд з металевих гофрованих конструкцій / П. М. Коваль, І. П. Бабяк, Т. М. Сітдикова // Вісн. Дніпропетр. нац. ун-ту залізн. трансп. ім. акад. В. Лазаряна. – Дніпропетровськ, 2010. – Вип. 33. – С. 114–117.
8. Ковальчук, В. В. Дослідження температурного поля та напруженого стану металевих гофрованих труб / В. В. Ковальчук // Ресурсо-економні матеріали, конструкції, будівлі та споруди : зб. наук. пр. – Рівне, 2014. – № 29. – С. 186–192.
9. Лучко, Й. Й. Ґрунтознавство, механіка ґрунтів, основи та фундаменти / Й. Й. Лучко. – Львів : Каменяр, 2013. – 320 с.
10. Пат. № 93604 Україна, МПК G 01 В 5/30, E 04 B 1/00. Пристрій для вимірювання та оцінки напружено-деформованих транспортних споруд при змінних температурах і статичних та динамічних навантаженнях / Ковальчук В. В. – № u2014 04271 ; заяв. 22. 04.2014 р. ; опубл. 10.10.2014, Бюл. № 19. – 4 с.
11. Петренко, В. Д. Порівняльний аналіз розрахункових моделей залізничного земляного полотна / В. Д. Петренко, Д. О. Ямпольський, І. О. Святко // Наука та прогрес трансп. Вісн. Дніпропетр. нац. ун-ту залізн. трансп. – 2013. – № 4 (46). – С. 56–62. doi: 10.15802/stp2013-/16619.
12. Правила технічної експлуатації залізниць України. – Київ : Поліграфсервіс, 2002. – 133 с.
13. Технічні вказівки щодо оцінки стану рейкової колії за показниками колієвимірювальних вагонів та забезпечення безпеки руху поїздів при відступах від норм утримання рейкової колії : ЦП 0020. – Київ : Укрзалізниця, 2005. – 48 с.
14. Barbato, M. Performance evaluation of buried pipe installation / M. Barbato, M. Bowman, A. Herbin. – Louisiana : Louisiana State Univer-sity Publ., 2010. – 123 p.
15. Elshimi, T. M. Three-dimensional nonlinear ana-lysis of deep-corrugated steel culverts / T. M. El-shimi. – Kingston, Ontario, Canada : Queen’s University Publ., 2011. – 738 p.
16. Machelski, Cz. Kinematic method for determining influence function of internal forces in the steel shell of soil-steel bridge / Cz. Machelski // Studia Geotechnica et Mechanica. – 2010. – Vol. XXXII, № 3. – P. 28–40.
17. Machelski, Cz. Modelowanie mostowych konstrukcji gruntowo-powlokowych / Cz. Machelski. – Wrocław : Dolnoslaskie Wydawnictwo Edukacyjne, 2008. – 208 p.
18. Pettersson, L. Design of soil steel composite brid-ges / L. Pettersson, H. Sundquist. – Sweden : Structural Desing and Bridges, 2007. – 122 p.
19. Saat, M. R. Generalized railway tank car safety design optimization for hazardous materials transport: Addressing the trade-off between transportation efficiency and safety / M. R. Saat, C. P. L. Barkan // J. of Hazardous Materials. – 2011. – № 189 (1–2). – Р. 62–68. doi: 10.1016/j.jhazmat.2011.01.136.
20. Scintific evidence for walls fastening technologies of working trench by the special method «Slurry wall» for shallow subways’ stations / S. V. Bor-chevskiy, V. D. Petrenko, O. L. Tiutkin [et al.] // Наука та прогрес трансп. Вісн. Дніпропетр. нац. ун-ту. залізн. трансп. – 2014. – № 6 (54). – С. 154–163. doi: 10.15802/stp2014/33740.
21. Weltschev, M. Comparison of the operating life of tank containers, tank vehicles and rail tank cars for the carriage of dangerous goods in practice, analysis of causes of damage / М. Weltschev, S. Schwarzer, F. Otremba // Chemical Engineering Transactions. – 2013. – № 31. – Р. 559–564. doi: 10.1016/j.jhaz-mat.2011.01.13610.3303/CET1331094.

### Cited-by:

1. Experimental research of deflected mode of corrugated metal structures of railway track
J. Luchko, V. Kovalchuk, Y. Kovalchuk
Scientific journal of the Ternopil national technical university  Vol: 88  Issue: 4  First page: 67  Year: 2018
doi: 10.33108/visnyk_tntu2017.04.067

2. Investigation of influence of the metal corrugated pipe diameter on its stress-strain state
Josef Luchko, Vitalii Kovalchuk, Ivan Kravets
Scientific journal of the Ternopil national technical university  Vol: 91  Issue: 3  First page: 26  Year: 2018
doi: 10.33108/visnyk_tntu2018.03.026