Static and dynamic analysis and design of frame bridges subjected to railways loads: application to single-track structures under high-speed traffic

Abstract

[EN] High-speed trains are getting more and more common around the whole world and high-speed lines offer a sustainable and comfortable way of travel. The high-speed trains are very efficient, with a low environmental impact and they promote economic growth by connecting different regions or different countries. The interest in dynamic behavior of railway bridges has increased in recent years, due to highspeed trains. Under high-speed dynamic loads, the bridges are subjected to large dynamic effects. The dynamic aspects have often shown to be the most important factors in structural design. Generally, for all railway bridges induced by train speed over 200 km/h or for bridges with a fundamental frequency outside specified limits, dynamic analysis is required according to Eurocode 1 ¿ Part 2, EN 1991-2. A Finite Element Analysis (FEA) is required to simulate in an accurate way the response and account for the dynamic effects of the bridge. Correct understanding of railway bridge dynamic is essential, since a correct prediction of the structural response contributes to an economic design of new bridges. When designing a railway bridge for high-speed traffic, it is important to understand how different parameters influence the dynamic response. Even if a bridge is satisfactory for static load effects, it may be inadequate for dynamic behavior. Also, the design of reinforced concrete bridges is normally performed on the basis of a structural analysis. In the past, structural analysis were often performed with simplified models, for example two-dimensional (2D) equivalent beam or frame models. These types of models are not able to describe the distribution of forces in transversal directions, neither to take into account interaction with the soil. Therefore, the 3D-Finite Element Model (FEM) is necessary in order to simulate a realistic behavior of the structure. In this thesis such a model is developed for a single-track frame bridge of 7 m span. The ANSYS Finite Element software is employed in order to compute the static and dynamic effects, which are required for a subsequent assessment of the Ultimate and Serviceability Limit States according to the Eurocodes. A further analysis of the behavior of 10 m and 13 m frame bridges is accomplished. Due to time restrictions, the dynamic analysis is carried in a simplified manner resorting to mode superposition, while in future developments such procedure should be improved in order to account for the time-domain interaction of soil and structure, and the wave transmission and energy dissipation through the boundaries of the numerical model.

[CA] Els trens d'alta velocitat són cada vegada més habituals en tot el món, ja que les línies d'alta velocitat oferixen una forma de viatge còmoda i sostenible. Els trens d'alta velocitat són molt eficients, amb un baix impacte ambiental, i promouen el creixement econòmic connectant diferents regions o països. L'interés en el comportament dinàmic dels ponts ferroviaris s'ha incrementat en els últims anys a causa dels trens d'alta velocitat. Baix càrregues dinàmiques d'alta velocitat, els ponts patixen importants efectes dinàmics. Els aspectes dinàmics sovint han demostrat ser els factors més significatius en el disseny estructural. En general, per a tots els ponts ferroviaris amb velocitats de projecte superior a 200 km/h, o per a ponts amb una freqüència fonamental fora de certs límits especificats, es requerix una anàlisi dinàmica segons l'Eurocodi 1 - Part 2, EN 1991-2. Per a simular de forma precisa la resposta i tindre e i tindre en compte els efectes dinàmics del pont es necessita una anàlisi tridimensional per Elements Finits. La comprensió correcta de la dinàmica del pont ferroviari és essencial, ja que una predicció adequada de la resposta estructural contribuïx al disseny econòmic dels nous ponts. Al dissenyar un pont ferroviari per al tràfic d'alta velocitat, és important entendre com els diferents paràmetres influïxen en la resposta dinàmica. Encara que un pont siga satisfactori per als efectes de les càrregues estàtiques, pot ser inadequat per al comportament dinàmic. En el passat, l'anàlisi dinàmica dels ponts de formigó armat sovint es realitzava amb models simplificats, per exemple, models bidimensionals (2D) de bigues o marcs equivalents. Estos tipus de models no són capaços de descriure la distribució de forces en direccions transversals, ni tampoc de tindre en compte la interacció amb el sòl. Per tant, es fa necesa l'ús d'un model de tridimensional d'elements finits per a simular un comportament realista de l'estructura. En este treball, el dit model es desenrotlla per a un pont marc de via única de 7 m de llum. El programari ANSYS d'elements finits s'utilitza per a determinar els efectes estàtics i dinàmics, que són necessaris per a una avaluació posterior dels Estats Límit Últim i de Servici, d'acord amb els Eurocodis. Es du a terme una anàlisi addicional del comportament de ponts de marc de 10 m'i 13 m. A causa de restriccions de terminis, l'anàlisi dinàmica es du a terme de manera simplificada recorrent a la superposició modal mentres que, en desenrotllaments futurs, tal procediment hauria de millorar-se per a tindre en compte la interacció sueloestructura en el domini del temps, així com la transmissió d'ones i dissipació d'energia a través del contorn del model numèric

[ES] Los trenes de alta velocidad son cada vez más habituales en todo el mundo, ya que las líneas de alta velocidad ofrecen una forma de viaje cómoda y sostenible. Los trenes de alta velocidad son muy eficientes, con un bajo impacto ambiental, y promueven el crecimiento económico conectando diferentes regiones o países. El interés en el comportamiento dinámico de los puentes ferroviarios se ha incrementado en los últimos años a causa de los trenes de alta velocidad. Bajo cargas dinámicas de alta velocidad, los puentes sufren importantes efectos dinámicos. Los aspectos dinámicos a menudo han demostrado ser los factores más significativos en el diseño estructural. En general, para todos los puentes ferroviarios con velocidades de proyecto superior a 200 km/h, o para puentes con una frecuencia fundamental fuera de ciertos límites especificados, se requiere un análisis dinámico según el Eurocódigo 1 - Parte 2, EN 1991-2. Para simular de forma precisa la respuesta y tener en cuenta los efectos dinámicos del puente se necesita un análisis tridimensional por Elementos Finitos. La comprensión correcta de la dinámica del puente ferroviario es esencial, ya que una predicción adecuada de la respuesta estructural contribuye al diseño económico de los nuevos puentes. Al diseñar un puente ferroviario para el tráfico de alta velocidad, es importante entender cómo los diferentes parámetros influyen en la respuesta dinámica. Aunque un puente sea satisfactorio para los efectos de las cargas estáticas, puede ser inadecuado para el comportamiento dinámico. En el pasado, el análisis dinámico de los puentes de hormigón armado a menudo se realizaba con modelos simplificados, por ejemplo, modelos bidimensionales (2D) de vigas o marcos equivalentes. Estos tipos de modelos no son capaces de describir la distribución de fuerzas en direcciones transversales, ni tampoco de tener en cuenta la interacción con el suelo. Por lo tanto, se hace necesario el uso de un modelo de tridimensional de elementos finitos para simular un comportamiento realista de la estructura. En este trabajo, dicho modelo se desarrolla para un puente marco de vía única de 7 m de luz. El software ANSYS de elementos finitos se utiliza para determinar los efectos estáticos y dinámicos, que son necesarios para una evaluación posterior de los Estados Límite Último y de Servicio, de acuerdo con los Eurocódigos. Se lleva a cabo un análisis adicional del comportamiento de puentes de marco de 10 m y 13 m. Debido a restricciones de plazos, el análisis dinámico se lleva a cabo de manera simplificada recurriendo a la superposición modal mientras que, en desarrollos futuros, tal procedimiento debería mejorarse para tener en cuenta la interacción sueloestructura en el dominio del tiempo, así como la transmisión de ondas y disipación de energía a través del contorno del modelo numérico.