मुंबई-अहमदाबाद हाई-स्पीड रेल परियोजना में TTHSB बोल्ट के उपयोग पर केस स्टडी
श्री राजेश अग्रवाल, मुख्य परियोजना प्रबंधक-III, NHSRCL श्री सत्य रंजन आचार्य, उप मुख्य परियोजना प्रबंधक, NHSRCL श्री रोमक यादव, कनिष्ठ प्रबंधक, NHSRCL

सारांश: मुंबई-अहमदाबाद हाई-स्पीड रेल (MAHSR) परियोजना, भारत सरकार (GOI) द्वारा शुरू की गई सबसे महत्वाकांक्षी रेल परियोजनाओं में से एक है। इसका उद्देश्य पश्चिमी भारत के दो प्रमुख शहरों के बीच बेहतर कनेक्टिविटी प्रदान करना है, जिसके बीच में 12 स्टॉप होंगे। इस हाई-स्पीड रेल की योजना, इस क्षेत्र में होने वाली आर्थिक और जनसंख्या वृद्धि की भविष्य की आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए बनाई गई है। इस परियोजना को जापान की तकनीकी सहायता से लागू किया जा रहा है; इसमें लगभग 92% हिस्सा एलिवेटेड (ऊंचाई पर बना) संरचना के रूप में है, जबकि शेष 8% हिस्सा सुरंगों या ज़मीन के स्तर पर (ऑन-ग्रेड) है। 320 किमी प्रति घंटे की ज़बरदस्त गति से चलने वाली ट्रेन के भारी-भरकम भार को सहन करने के लिए, क्रॉसिंग स्थलों पर बड़े स्टील गर्डर स्पैन का उपयोग किया गया है। इन स्टील गर्डरों का स्पैन (विस्तार) एक ही स्पैन के लिए 60 मीटर से 130 मीटर के बीच होता है, और इनका औसत वज़न प्रति मीटर लंबाई पर 11-15 मीट्रिक टन (MT) होता है। स्टील के पुलों का निर्माण 'ओपन वेब गर्डर' (OWG) के रूप में किया गया है, और इन्हें भारत के विभिन्न हिस्सों में स्थित RDSO-अनुमोदित कार्यशालाओं में तैयार किया गया है। इन गर्डरों को अलग-अलग हिस्सों में निर्माण स्थल तक पहुँचाया गया, और फिर जोड़ों (connections) को कसने के लिए TTHSB (टॉर शियर टाइप हाई-स्ट्रेंथ बोल्ट) का उपयोग करके इन्हें आपस में जोड़ा गया। इस केस स्टडी में, GAD 31 नामक 100 मीटर स्पैन वाले 'ओपन वेब थ्रू गर्डर' में TTHSB बोल्ट के उपयोग का अध्ययन किया जा रहा है। कीवर्ड: हाई-स्पीड रेल, MAHSR, TTHSB, टॉर शियर टाइप हाई-स्ट्रेंथ बोल्ट, प्री-लोडेड बोल्ट, टेंशन कंट्रोल बोल्ट।

परिचय

पूरी परियोजना को संरचना के प्रकार और खंड की लंबाई के आधार पर विभिन्न पैकेजों में विभाजित किया गया है। एमएएचएसआर (MAHSR) संरेखण कुछ स्थानों पर मौजूदा रेलवे लाइनों और राष्ट्रीय राजमार्गों को पार करता है। ऐसे क्रॉसिंग्स को विशेष पुलों के रूप में डिज़ाइन किया गया है।

अहमदाबाद से वडोदरा के बीच कुल 5 विशेष पुल स्थित थे, जिन्हें P1C नामक पृथक पैकेज के अंतर्गत प्रदान किया गया। पुलों का विवरण निम्नानुसार है:

तालिका 1: पैकेज P1C में पुलों की सूची

क्र.सं. GAD सं. क्रॉसिंग का प्रकार स्पैन विन्यास
गर्डर का प्रकार
1 1967 मुंबई-दिल्ली एक्सप्रेसवे
NE-4		 100+130
स्टील ट्रस
2 28 रेलवे 60
स्टील ट्रस
3 31 रेलवे 100
स्टील ट्रस
4 32 एनएच 48 100+100
स्टील ट्रस
5 33 एनएच 48 40+65+65+40
पीएससी

यह केस स्टडी TTHSB के निर्माण में उपयोग की गई सामग्रियों, यांत्रिक गुणों, स्थापना प्रक्रिया, लाभों आदि तथा MAHSR परियोजना में इसके उपयोग का विवरण प्रस्तुत करती है।

TTHSB S10T फास्टनर्स

TTHSB (Tor shear type high strength bolt), एक प्रकार का हाई-ग्रेड बोल्ट है जिसे कसने की एक प्रक्रिया द्वारा प्रीलोड किया जा सकता है; यह प्रक्रिया पूरी तरह से बोल्ट के थ्रेडेड सिरे (यानी, नट या स्प्लाइन वाले सिरे) पर की जाती है। नतीजतन, TTHSBs को आमतौर पर उनके गोल सिरों (षट्भुजाकार सिरों के बजाय) और स्प्लाइन्स से पहचाना जाता है। TTHSB Grade S10T फास्टनर्स, हाई-स्ट्रेंथ (10.9) और हाई-डक्टिलिटी (14%) वाले फ्रिक्शन ग्रिप बोल्ट होते हैं, जिनका उपयोग स्ट्रक्चरल स्टीलवर्क के जोड़ों में किया जाता है। इनका मुख्य लाभ (अन्य प्रकार के फ्रिक्शन ग्रिप बोल्ट की तुलना में) इन बोल्ट्स को आसानी से प्रीलोड करने की सुविधा है।

चित्र 1 TTHSB फास्टनर असेंबली

फासनर ​​असेंबली को चित्र (1) में दिखाया गया है। प्रीलोडिंग बोल्ट के थ्रेडेड सिरे पर—यानी नट या स्प्लाइन सिरे पर—एक इलेक्ट्रिकल शियर रिंच की मदद से की जाती है। दूसरे सिरे पर, TTHSB (ग्रेड S10T) का हेड सामान्य बोल्टों के हेक्सागोनल हेड की तुलना में गोल होता है, जो TTHSB को देखने में काफी अलग बनाता है।

TTHSB का उपयोग करके जोड़ों के लिए डिज़ाइन आधार

ज़्यादातर बोल्ट वाले जोड़ लोड को 'शीयर' (shear) के रूप में ट्रांसफर करते हैं, यानी बोल्ट की धुरियाँ ट्रांसफर किए जाने वाले लोड की दिशा के लंबवत होती हैं। डिज़ाइनर के सामने एक अहम चुनाव यह होता है कि क्या जोड़, जुड़े हुए हिस्सों के बीच फिसलने (slip) की अनुमति देगा या उसे रोकेगा।

बिना प्री-लोड वाले बोल्ट के सेटअप में, लगाया गया बल बोल्ट के शैंक (shank) के अंदर शीयर के ज़रिए और बोल्ट के शैंक तथा जुड़ी हुई परतों के बीच बेयरिंग (bearing) के ज़रिए ट्रांसफर होता है। इस प्रक्रिया के असरदार ढंग से काम करने के लिए, जुड़ी हुई परतों के बीच कुछ हद तक फिसलना ज़रूरी है, जैसा कि चित्र (2) में दिखाया गया है। बिना प्री-लोड वाले बोल्टिंग के फ़ायदों में यह शामिल है कि बोल्ट को बस थोड़ा-सा ही कसना पड़ता है और पेंटिंग के दौरान फेइंग सतहों (यानी, आपस में मिलने वाली सतहों) को ढकने की ज़रूरत नहीं पड़ती। हालाँकि, कुछ ऐसी स्थितियाँ भी होती हैं जहाँ इस तरह के फिसलने को स्वीकार्य नहीं माना जाता।

चित्र 2 नॉन-प्रीलोडेड बोल्ट व्यवस्था

प्रीलोडेड बोल्टेड जोड़, जिन्हें आमतौर पर 'फ्रिक्शन ग्रिप जोड़' कहा जाता है, बल को एक खास तरीके से स्थानांतरित करते हैं। लोड, जुड़े हुए परतों की संपर्क सतहों के बीच मौजूद घर्षण प्रतिरोध के ज़रिए आगे बढ़ता है; जैसा कि चित्र (3) में TTHSBs का इस्तेमाल करके बनाए गए एक जोड़ के लिए दिखाया गया है। इस संपर्क सतह को 'इंटरफ़ेस' या 'फेइंग सतह' कहा जाता है। घर्षण प्रतिरोध तब पैदा होता है, जब प्रीलोडिंग के दौरान बोल्ट पर काफ़ी ज़्यादा तनाव डाला जाता है, जिससे परतें एक-दूसरे के साथ मज़बूती से दबकर जुड़ जाती हैं।

चित्र 3 प्रीलोडेड बोल्ट कनेक्शन
बोल्ट, नट और वॉशर के लिए गुणवत्ता नियंत्रण

देश में TTHSB बोल्ट का उपयोग केवल दूसरी बार (पहली बार MTHL परियोजना में) किया जा रहा था, इसलिए इसकी गुणवत्ता नियंत्रण एक बड़ी चुनौती थी। टेंशन कंट्रोल बोल्ट का निर्माण देश में नियमित रूप से नहीं किया जाता है। निर्माता, कच्चे माल और तैयार उत्पादों के चयन के लिए निम्नलिखित मानदंडों का पालन किया गया।

क्र. सं. विवरण विशेषताएँ आवृत्ति स्वीकृति मानदंड संदर्भ दस्तावेज़
1 कच्चा माल रासायनिक संरचना प्रत्येक आकार / लॉट बोल्ट: C 0.25-0.55,
S 0.025 अधिकतम,
P 0.025 अधिकतम

नट: C 0.58 अधिकतम,
Mn 0.30 न्यूनतम,
P 0.048 अधिकतम,
S 0.058 अधिकतम

वॉशर: C 0.4-0.5,
Mn 0.60-0.90,
Si 0.05-0.35,
S 0.040 अधिकतम,
P 0.040 अधिकतम		 EN ISO:898-1 के अनुसार
2 यांत्रिक गुणधर्म बोल्ट के लिए:
1. स्पेक्ट्रो विश्लेषण
2. तन्य शक्ति
3. यील्ड शक्ति
4. बढ़ाव (Elongation)
5. क्षेत्रफल में कमी
6. कठोरता
7. डिकार्बराइजेशन जाँच
8. सतह अखंडता

नट के लिए:
1. स्पेक्ट्रो विश्लेषण
2. कठोरता
3. प्रूफ लोड

वॉशर के लिए:
1. स्पेक्ट्रो विश्लेषण
2. कठोरता		 प्रत्येक आकार / लॉट TC बोल्ट के लिए
BS EN 14399-10 एवं
EN ISO:898-1 के अनुसार

चैम्फर्ड वॉशर के लिए
EN 14399-6 के अनुसार

चित्र 4: TTHSB के लिए निरीक्षण परीक्षण योजना

 
बोल्ट ग्रेड न्यूनतम तन्य (टूटने) भार (kN) कठोरता
थ्रेड का नाममात्र आकार
M12 M16 M20 M22 M24 M27 M30
S10T 85 157 245 303 353 459 561 HRC 27-38

चित्र 5: S10T ग्रेड के पूर्ण आकार के TCB के लिए न्यूनतम टूटन भार

इंस्टॉलेशन और प्रीलोडिंग

अक्षीय तन्य बलों के लिए प्रारंभिक परीक्षण प्रत्येक उत्पादन लॉट से यादृच्छिक रूप से चुने गए पाँच बोल्ट सेटों पर किया गया, जिन्हें एक दिन में उपयोग किया जाना था। कसाव (Tightening) के लिए औसत अक्षीय तन्य बल निम्नलिखित तालिका के अनुरूप होना चाहिए।

नाममात्र व्यास बोल्ट तापमान (10°C से 30°C) अन्य तापमान (0°C–10°C, 30°C–50°C) अक्षीय बल का मानक विचलन
M20 172–202 167–211 9.5 या उससे कम
M22 212–249 207–261 11.5 या उससे कम
M24 247–290 241–304 13.5 या उससे कम
चित्र 6 TTHSB अक्षीय तनाव परीक्षण उपकरण

इस डिवाइस का इस्तेमाल साइट पर सैंपल्स में मौजूद एक्सियल टेंशन फ़ोर्स को जाँचने के लिए किया जाता है। इस डिवाइस को साइट पर किसी भी उपयुक्त बीम पर लगाया जा सकता है, और सैंपल्स उस लॉट से लिए जाते हैं जिनका इस्तेमाल उस दिन फ़ील्ड में किया जाना है; ये सैंपल्स अलग-अलग साइज़ के हो सकते हैं।

चित्र 7: प्रारंभिक परीक्षण करने के लिए स्थल पर परीक्षण व्यवस्था

यह सुनिश्चित किया जाता है कि कनेक्शन ठीक से फिट और असेंबल किया गया हो, और इसके अलावा, प्रीलोडिंग शुरू करने से पहले जोड़ में लगे सभी बोल्ट कसकर टाइट हों।

1.    अंदर के सॉकेट को बोल्ट स्प्लाइन पर और बाहर के सॉकेट को नट पर स्लाइड करें, जैसा कि चित्र (8) में दिखाया गया है। रिंच की इलेक्ट्रिक पावर सप्लाई चालू करें। रिंच, बाहर के सॉकेट के ज़रिए नट पर टॉर्क लगाता है, और अंदर के सॉकेट के ज़रिए स्प्लाइन के विपरीत प्रतिक्रिया करता है। नट घूमता है, जबकि बोल्ट नहीं घूमता। जब टॉर्क का स्तर काफ़ी ऊँचा हो जाता है, तो स्प्लाइन ब्रेक नेक (या खांचे) से टूटकर अलग हो जाती है।

चित्र 8: टॉर्क मशीन की स्थिति और टॉर्क रिंच का घूर्णन

2. जब स्प्लाइन टूटकर अलग हो जाए, तो रिंच को तब तक पीछे खींचें जब तक कि बाहरी सॉकेट नट से अलग न हो जाए। बोल्ट की स्प्लाइन अंदरूनी सॉकेट में फंसी रहती है, जिसे रिंच के हैंडल पर लगे छोटे ट्रिगर को दबाकर निकाला जा सकता है। बोल्ट की जांच करने के लिए – कसने के बाद या भविष्य में – बस यह देख लें कि स्प्लाइन टूटकर अलग हो गई है या नहीं।

चित्र 9 स्प्लाइन का टूटना और स्प्लाइन को हटाना
चित्र 10 रिंच की आंतरिक कार्यप्रणाली
चित्र 11 साइट की वास्तविक तस्वीरें
स्थापना का लेआउट और बोल्टों पर मार्किंग

असेंबली पर पड़ने वाले सेकेंडरी स्ट्रेस को कम करने के लिए, गर्डर पर लगे बोल्ट्स को एक खास क्रम में कसना ज़रूरी होता है। आम तौर पर, जो क्रम अपनाया जाता है वह है—बीच से बाहर की ओर; यानी, सबसे पहले बीच के नोड्स पर मौजूद कनेक्शनों को कसा जाता है, और उसके बाद बीच के नोड के दोनों ओर लगे आस-पास के नोड्स के कनेक्शनों को कसा जाता है। इस तरीके का पालन तब तक किया जाता है, जब तक कि गर्डर के आखिरी नोड तक के सभी बोल्ट्स कस न जाएं। हर स्प्लिस प्लेट में बोल्ट्स कसते समय भी इसी क्रम का पालन किया जाता है, जिसमें सबसे पहले बीच के बोल्ट्स को कसा जाता है। चित्र (12) और (13) में बोल्ट्स कसने के इसी क्रम को दर्शाया गया है।

चित्र 12 गर्डर में कसने का क्रम
चित्र 13: प्रत्येक स्प्लिस प्लेट में कसने का क्रम

कसने के पहले चरण (Snug tight) के बाद, बोल्ट पर एक सीधी रेखा से निशान लगाया जाता है; यह रेखा वॉशर, नट और बोल्ट से होकर गुज़रती है और इसके लिए एक सफ़ेद मार्कर का इस्तेमाल किया जाता है। इस रेखा का उपयोग कसने के दूसरे चरण के बाद बोल्ट के सही ढंग से कसे जाने की जाँच करने के लिए किया जाता है।

चित्र 14: बोल्टों की उचित मार्किंग और घूर्णन को दर्शाने वाला आरेख

जैसा कि ऊपर दिए गए चित्र में दिखाया गया है, चिह्नित बोल्ट को पावर-रेंच का उपयोग करके कसा जाता है। कसने के बाद आदर्श परिणाम यह होता है कि केवल नट ही घूमें। बोल्ट या वॉशर का अपनी मूल स्थिति से घूमना ठीक नहीं माना जाता, क्योंकि यह TTHSB के गलत या अपर्याप्त रूप से कसे जाने को दर्शाता है। TTHSB को सही और उचित तरीके से कसना सुनिश्चित करने के लिए निम्नलिखित उपाय किए जाने चाहिए:

•    अंतिम रूप से कसने का काम शुरू करने से पहले सभी सतहों को अच्छी तरह से साफ किया जाना चाहिए।

•    वॉशर को सही तरीके से लगाया जाना चाहिए और वॉशर तथा प्लेट की सतह के बीच संपर्क का उचित क्षेत्र सुनिश्चित किया जाना चाहिए।

•    प्रत्येक स्प्लिस प्लेट में कसने के क्रम का सख्ती से पालन किया जाना चाहिए।

•    बारिश के मौसम में कसने का काम करने से बचना चाहिए, और यदि ऐसा करना बिल्कुल ही आवश्यक हो, तो बारिश के दौरान काम करने के पूरे क्षेत्र को ढकने के लिए उचित शेड लगाया जाना चाहिए।

किसी भी स्थिति में TTHSB को फिसलने से रोका जाना चाहिए, क्योंकि यदि TTHSB फिसल जाता है, तो वह अपने सेवा काल के दौरान पूरा डिज़ाइन लोड (भार) वहन नहीं कर पाएगा।

चित्र 15 TTHSB को सही ढंग से कसना
निष्कर्ष

संक्षेप में, TTHSB (टॉर शियर टाइप हाई-स्ट्रेंथ बोल्ट) विभिन्न अनुप्रयोगों में एक बेहतरीन फास्टनिंग समाधान के रूप में उभरता है। भारी प्रीलोड के कारण, संरचना में तनाव समान रूप से वितरित होता है, और बोल्ट में कोई ढीलापन नहीं आता क्योंकि कसते समय कोई टॉरशनल शियर (घूर्णी कतरन) उत्पन्न नहीं होता। इसका डिज़ाइन उपयोग में बेजोड़ आसानी प्रदान करता है, स्थापना प्रक्रिया को सरल बनाता है और त्रुटियों की संभावना को कम करता है। TTHSB गुणवत्ता नियंत्रण के लिए सरल दृश्य निरीक्षण की सुविधा देता है; एक बार जब स्प्लाइन (पिन टेल) टूटकर अलग हो जाता है, तो इसका अर्थ है कि सही तनाव प्राप्त हो गया है, जिसकी जाँच एक त्वरित दृश्य निरीक्षण के माध्यम से की जा सकती है। यह अन्य प्रीलोडेड बोल्टों की तुलना में जोड़ों में लगातार और विश्वसनीय घर्षण पकड़ (friction grip) शक्ति प्रदान करता है, जिससे सेवा अवधि के दौरान लंबे समय तक चलने वाली मजबूती और विश्वसनीयता सुनिश्चित होती है। साथ ही, यह एक किफायती विकल्प भी है, क्योंकि TTHSB की स्थापना के लिए केवल एक व्यक्ति की आवश्यकता होती है और इसमें संरचना को एक साथ जोड़े रखने के लिए आवश्यक तनाव को निर्धारित करने हेतु पहले से निर्मित कार्यक्षमताएँ मौजूद होती हैं, जिससे स्थापना लागत कम हो जाती है। इसके अलावा, ये बोल्ट प्रीलोडेड होते हैं और इनकी स्थापना में हल्के उपकरणों का उपयोग होता है, जिससे श्रमिकों की थकान कम होती है और HAVS (हाथ-बांह कंपन सिंड्रोम) का कोई जोखिम नहीं रहता।

संदर्भ:

1.    JSS II 09-2015, संरचनात्मक जोड़ों के लिए टॉर-शियर प्रकार के उच्च-शक्ति वाले बोल्ट, हेक्सागोन नट और सादे वॉशर के सेट।

2.    DIN EN 14399-10, प्रीलोडिंग में उच्च-शक्ति वाली संरचनात्मक बोल्टिंग असेंबलियाँ।

3.    INTERNATIONAL STANDARD ISO 898-01, कार्बन स्टील और मिश्र धातु स्टील से बने फास्टनरों के यांत्रिक गुण।

4.    EN 14399-06, प्रीलोडिंग के लिए उच्च-शक्ति वाली संरचनात्मक बोल्टिंग असेंबलियाँ - भाग 6: सादे चैंफर्ड वॉशर।

अस्वीकरण:

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श्रीमती सुषमा गौड
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