Treintrillingen

Resonantie van de ondergrond blijkt de oorzaak van gevaarlijk grote trillingen in hogesnelheidstreinen. Onderheien van het spoor kan de trilling dempen.

Op sommige trajecten gebeurden rare dingen met de Franse trains à grande vitesse. Volgens de machinisten begon hun trein angstwekkend te trillen, intuïtief minderden ze vaart en dan ging het weer goed. Ingenieurs die de eerste hogesnelheidslijnen van Europa van a tot z hadden doorgerekend begrepen er niets van. Ze deden hun sommetjes nog eens over: onmogelijk, zeiden ze opnieuw, dat trillen kan pas vanaf een snelheid van 1000 kilometer per uur optreden. Maar voor de zekerheid plaatste de SNCF (de Franse spoorwegen) op de spooktrajecten bordjes met maximumsnelheden: geen 300 kilometer per uur, maar 200, soms 150.

In Nederland haalde men de wenkbrauwen op toen het vreemde nieuws midden jaren negentig doorsijpelde. De Franse probleemtrajecten leken verdacht veel op het Nederlandse polderlandschap. ``In 1995 richtten de NS en enkele wetenschappers een discussiegroep op. Men had toch wel het idee dat er een probleem kon ontstaan met de hogesnelheidstrein in Nederland'', vertelt dr.ir. Akke Suiker. De jonge ingenieur wierp zich vanaf dat moment op de bestaande wiskundige spoormodellen, om te kijken of ze wel deugden. Deze week promoveerde hij cum laude aan de TU Delft.

De gealarmeerde Europese spoorwegmaatschappijen sloegen intussen aan het experimenteren. De Engelsen en Zweden lieten op een proeftrajectje een hogesnelheidstrein eens flink optrekken. En ja hoor, de beoogde 300 kilometer per uur werd nooit gehaald. Al voor de 200 durfde de machinist niet harder, bang dat zijn trein zou ontsporen. Pas sinds een paar jaar is duidelijk waar het probleem vandaan komt. ``Resonantie'', vertelt Suiker. Iedere trein zendt naar alle richtingen spanninggolven uit. Dat gaat goed zolang de golfsnelheid veel hoger is dan de treinsnelheid. Maar zodra de trein ze dreigt in te halen, gaan de golven elkaar flink versterken. ``Net als een vliegtuig dat door de geluidsbarrière gaat. Die haalt ook zijn eigen geluidsgolven in, wat gepaard gaat met een knal.''

De `kritische snelheid' blijkt sterk afhankelijk van de ondergrond, ontdekte de onderzoeksgroep van Suiker. ``Ligt het spoor op zand, dan is de kritische snelheid 600 tot 700 kilometer per uur.'' Maar bij rails op kleigrond gaat het bij 200 à 250 kilometer per uur al mis. En op slappe veenbodem is 150 soms al te veel.

Waarom was dat niet eerder bekend? Het vroegere wiskundige model was te simplistisch, legt de Delftse wetenschapper uit. ``In de vakliteratuur tot ver in de jaren negentig werd de ondergrond waar de trein overheen rijdt gemodelleerd door een systeem van veren die worden ingedrukt.'' Volgens dit rekenmodel kon van resonantie geen sprake zijn.

Suiker en collega's ontwikkelden de afgelopen jaren een realistischer wiskundige benadering. Ze modelleerden de ondergrond zoals hij eigenlijk is: een continu medium waarin golven ver weg de bodem in kunnen lopen. Mathematisch is dat een stuk complexer. Wat bleek: in het nieuwe model treedt de geconstateerde resonantie wel op. ``De resultaten komen heel goed overeen met de metingen. Kortgeleden kwamen we er overigens achter dat de Rus Fillipov al in 1961 ongeveer hetzelfde had bedacht. Maar hij had het gepubliceerd in het Russische tijdschrift Izvestija Akademii (nauk SSR Mehanika i mashinostroenie).''

Spoorwegmaatschappijen kunnen bij aanleg van een nieuwe lijn nu dus van tevoren berekenen waar resonantieproblemen optreden en maatregelen nemen. In Nederland bleek dat een groot deel van het hsl-traject een te slappe bodem heeft voor 300 kilometer per uur. Daarom hebben de spoorwegen tweede helft jaren negentig op advies van de Delftse goep Railbouwkunde besloten driekwart van het traject te onderheien.

Op de gewone treintrajecten in Nederland blijven de snelheden onder de kritische grens. Daar was heien dus nooit nodig. Maar op de lange termijn heeft de spoorbaan wel degelijk te lijden. Suiker: ``Bij iedere treinpassage wordt de ondergrond een paar centimeter ingedrukt; na de passage komt het weer omhoog, maar net een klein beetje minder dan daarvoor.''

Als er maar genoeg treinen passeren, verzakt de rails dus langzaam, vooral bij veengrond. Daarom zet de NS 's nachts onderhoudsmachines in, die de verzakte rails een klein beetje optillen, en het ballastbed eronder met stalen pennen flink opschudden totdat het overal weer egaal is. `Stoppen' noemen ze dat bij de NS. De zompigste trajecten krijgen ieder jaar een beurt.

Ook de verzakkingen nam Suiker in het laboratorium en met wiskundige modellen minutieus onder de loep. ``Bij oude spoortrajecten treedt steeds minder verzakking op doordat de grond is ingeklonken.'' Om die reden is het periodieke `stoppen' onverstandig, oordeelt Suiker. ``De ondergrond en ballast zijn net stijf geworden, en dan maak je het weer los.'' Als de spoorwegen slim zijn, nemen ze de methode over die de Engelsen sinds kort op grote schaal toepassen: `Stone blowing.' Niet omschoffelen, maar een extra laag steengruis opbrengen. Zo blijft de ondergrond compact. ``Als je dat doet, is de verwachting dat het egaliseren van het spoor drie tot zes keer minder vaak hoeft te gebeuren.'' Een woordvoerder van Railinfrabeheer zegt desgevraagd dat de onderneming niets gaat doen met de aanbevelingen in het proefschrift. De onderneming houdt het voorlopig bij de oude vertrouwde methode: ``Vanwege de slappe ondergrond is het stoppen juist beter.''