قبل بداية مرحلة إنشاء أي سكة حديدية يتم البحث في تصميم هذه السكة من قبل مهندسي تصميم مختصين وذوي خبرة في تصميم السكك الحديدية من قبل، يوعز إليهم البحث والمشورة في كيفية إخراج تصميم يتسم بمعايير الأمان الهندسية واقتصادي بنفس الوقت، حيث يقوم مهندسي السكك الحديدية بحساب قدرة تحمل السكك الحديدية للضغوط والإجهادات المتمثلة بقوى خارجية واقعة عليها، وحساب كلف المواد والأليات اللازمة والعمالة الضرورية والوقت من بداية مشروع بناء السكة الى نهايته.
تصميم السكة الحديدية
السكة (THE TRACK) هي المسار المحدد لشبكة السكك الحديدية وتتكون من البناء التحتي (Infrastructure)، ويطلق عليه أساس السكة الحديدية (Subgrade)، والجزء الاخر هو البناء الفوقي (Superstructure)؛ ويتكون من قطاع الزلط (Ballast section) والفلنكات أو العوارض الخشبية (Sleepers) والقضبان (Rails).
المشكلة الرئيسية في تصميم السكة الحديدية هي طريقة نقل الأحمال الناتجة من عجلات القطار، فيجب تصميم السِكة لتكون قادرة على نقل الحمل من أعلى رأس السكة خلال السكة والبراغي والتوصيلات ثم الى الفلنكات والزلط مروراً بباقي تكوينات السكة، هنالك اختلاف تصميمي بين السكك الحديدية والقطاعات الهندسية الإنشائية التي تعتمد على نقل حمل الى عمود واساس ثابت، إذ تعتبر بنية السكك غير ثابتة بالكامل على الأرض بل تتعرض دائمًا الى ضغوطات عالية سببها قوة الطفو المؤثرة على أساسها، غالباً بسبب تأثير المياه على التربة وأنواعها.
ولهذا السبب يجب أن تكون هنالك طريقة دائمة كبنية محكومة في بنظام خاص بها، أي أن تصمم بمعايير خاصة بها منفصلة عن المعايير الإنشائية العادية؛ وهذا ليس مفاجئاً لذلك أغلب مهندسي السكك يشعرون بأن تحليل الإجهادات التي تتعرض لها السكة هو أقرب للحصول على نتائج، والتطبيق دون كتابة نظرية تحدد الأبعاد الهندسية لعناصر السكة؛ فلا يوجد حسابات للضغوط أو التشوهات التي تتعرض لها السكة يمكن القول عنه حساباً دقيقاً بالكامل.
المتغيرات التي تدخل حسابات الضغوط كثيرة وهنالك عدد كبير من الافتراضات المسبقة قبل الحصول على نتائج ثابتة، ولكن تحليل البيانات المستخدمة في مشاريع من قبل وحالات شاذة مختلفة يعطي قيمة في مقارنة البيانات التجريبية وإيجاد الإجهادات المحتملة على السكة لتصميم قاطرة جديدة عليها.
معايير تقييم الإجهادات الواقعة على السكة الحديدية
يتم النظر في المعايير التالية لتقييم قوة مسار السكة لرؤية واضحة سريعة لتصميم القطارات الجديدة وعرباتها، وهذه الطريقة أيضاً تستخدم عند أي زيادة في الأحمال المحورية أو في زيادة السرعة في أي من التصاميم الحالية لخطوط القاطرات وعربات السكك الحديدية:
- ضغط الانحناء على رأس وقدم السكة الحديدية.
- الإجهادات عند حد التلامس ما بين العجلة والسكك الحديدية.
- الإجهادات المركبة المؤثرة على رأس السكة الحديدية.
- الإجهاد الناتج عن طبيعة التكوين الإنشائي للسكة كمقطع كامل.
- الإجهادات الواقعة على صفيحة التثبيت والضعوطات على فتحات البراغي.
- الحمل الزائد الديناميكي في المفاصل بسبب الكُتل غير المعلقة.
- عامل تتبع التدهور والصيانة لمسار السكة الحديدية.
- الإجهادات الناتجة عن الحرارة.
