Safety-related issues for high-speed railway bridges

Railway bridges have specific requirements related to safety, which often are critical aspects of design. In this paper the main phenomena are reviewed, namely vertical dynamic effects for impact effect of moving loads and resonance in high-speed, service limit states which affect the safety of running traffic, and lateral dynamic effects.

Advances in the analysis of short span railway bridges for high-speed lines

The physical model based on moving constant loads is widely used for the analysis of railway bridges. Nevertheless, the moving loads model is not well suited for the study of short bridges (L⩽20–25 m) since the results it produces (displacements and accelerations) are much greater than those obtained from more sophisticated ones. In this paper two factors are analysed which are believed to have an influence in the dynamic behaviour of short bridges. These two factors are not accounted for by the moving loads model and are the following: the distribution of the loads due to the presence of the sleepers and ballast layer, and the train–bridge interaction. In order to decide on their influence several numerical simulations have been performed. The results are presented and discussed herein.

The Dynamics of High-Speed Railway Bridges: A Review of Design Issues and New Research for Lateral Dynamics

The dynamic effects of high-speed trains on viaducts are important issues for the design of the structures, as well as for the consideration of safe running conditions for the trains. In this work we start by reviewing the relevance of some basic design aspects. The significance of impact factor envelopes for moving loads is considered first. Resonance which may be achieved for high-speed trains requires dynamic analysis, for which some key aspects are discussed. The relevance of performing a longitudinal distribution of axle loads, the number of modes taken in analysis, and the consideration of vehicle-structure interaction are discussed with representative examples. The lateral dynamic effects of running trains on bridges is of importance for laterally compliant viaducts, such as some very tall structures erected in new high-speed lines. The relevance of this study is mainly for the safety of the traffic, considering both internal actions such as the hunting motion as well as external actions such as wind or earthquakes [1]. These studies require three-dimensional dynamic coupled vehicle-bridge models, and consideration of wheel to rail contact, a phenomenon which is complex and costly to model in detail. We describe here a fully nonlinear coupled model, described in absolute coordinates and incorporated into a commercial finite element framework [2]. The wheel-rail contact has been considered using a FastSim algorithm which provides a compromise between accuracy and computational cost, and captures the main nonlinear response of the contact interface. Two applications are presented, firstly to a vehicle subject to a strong wind gust traversing a bridge, showing the relevance of the nonlinear wheel-rail contact model as well as the dynamic interaction between bridge and vehicle. The second application is to a real HS viaduct with a long continuous deck and tall piers and high lateral compliance [3]. The results show the safety of the traffic as well as the importance of considering features such as track alignment irregularities.

Dynamics of high-speed railway bridges: review of design issues and new research for lateral dynamics

Revisión y puesta al día de la publicaciones relacionadas con el diseño de puentes de ferrocarril de alta velocidad y nuevas investigaciones sobre dinámica lateral.

Vibrations of Short Span Railway Bridges for High Speed Lines

The physical model based on moving constant loads is widely used for the analysis of railway bridges. Nevertheless, this model is not well-suited for the study of short span bridges (L<=15-20 m), and the results it produces (displacements and accelerations) are much greater than those obtained experimentally. In this paper two factors are analysed which are believed to have an influence in the dynamic behaviour of short bridges. These two factors are not accounted for by the moving loads model and are the following: the distribution of the loads due to the presence of the sleepers and ballast layer, and the train-bridge interaction. Several numerical simulations have been performed in order to decide on their influence, and the results are presented and discussed herein.

Moving loads on railway bridges: The Spanish Code approach

This paper presents the results of part of the research carried out by a committee in charge of the elaboration of the new Spanish Code of Actions in Railway Bridges. Following the work developed by the European Rail Research Institute (ERRI), the dynamic effects caused by the Spanish high-speed train TALGO have been studied and compared with other European trains. A simplified envelope of the impact coefficient is also presented. Finally, the train-bridge interactions has been analysed and the results compared with those obtained from simple models based on moving loads.

Lateral Dynamic Models for High-Speed Railway Bridges and Vehicles

The analysis of the running safety of railway vehicles on viaducts subject to strong lateral actions such as cross winds requires coupled nonlinear vehicle-bridge interaction models, capable to study extreme events. In this paper original models developed by the authors are described, based on finite elements for the structure, multibody and finite element models for the vehicle, and specially developed interaction elements for the interface between wheel and rail. The models have been implemented within ABAQUS and have full nonlinear capabilities for the structure, the vehicle and the contact interface. An application is developed for the Ulla Viaduct, a 105 m tall arch in the Spanish high-speed railway network. The dynamic analyses allow obtaining critical wind curves, which define the running safety conditions for a given train in terms of speed of circulation and wind speed

General specifications for railway bridges,

Label of the Osborn Co mounted over author's name.

Influence of the Second Flexural Mode on the Response of High-Speed Bridges

This paper deals with the assessment of the contribution of the second flexural mode to the dynamic behaviour of simply supported railway bridges. Alluding to the works of other authors, it is suggested in some references that the dynamic behaviour of simply supported bridges could be adequately represented taking into account only the contribution of the fundamental flexural mode. On the other hand, the European Rail Research Institute (ERRI) proposes that the second mode should also be included whenever the associated natural frequency is lower than 30 Hz]. This investigation endeavours to clarify the question as much as possible by establishing whether the maximum response of the bridge, in terms of displacements, accelerations and bending moments, can be computed accurately not taking account of the contribution of the second mode. To this end, a dimensionless formulation of the equations of motion of a simply supported beam traversed by a series of equally spaced moving loads is presented. This formulation brings to light the fundamental parameters governing the behaviour of the beam: damping ratio, dimensionless speed $ \alpha$=VT/L, and L/d ratio (L stands for the span of the beam, V for the speed of the train, T represents the fundamental period of the bridge and d symbolises the distance between consecutive loads). Assuming a damping ratio equal to 1%, which is a usual value for prestressed high-speed bridges, a parametric analysis is conducted over realistic ranges of values of $ \alpha$ and L/d. The results can be extended to any simply supported bridge subjected to a train of equally spaced loads in virtue of the so-called Similarity Formulae. The validity of these formulae can be derived from the dimensionless formulation mentioned above. In the parametric analysis the maximum response of the bridge is obtained for one thousand values of speed that cover the range from the fourth resonance of the first mode to the first resonance of the second mode. The response at twenty-one different locations along the span of the beam is compared in order to decide if the maximum can be accurately computed with the sole contribution of the fundamental mode.

Influence of the Second Bending Mode on the Response of High-Speed Bridges at Resonance

This paper deals with the assessment of the contribution of the second bending mode to the dynamic behavior of simply supported railway bridges. Traditionally the contributions of modes higher than the fundamental have been considered of little importance for the computation of the magnitudes of interest to structural engineers (vertical deflections, bending moments, etc.). Starting from the dimensionless equations of motion of a simply supported beam subjected to moving loads, the key parameters governing the dynamic behavior are identified. Then, a parametric study over realistic ranges of values of those parameters is conducted, and the influence of the second mode examined in detail. The main purpose is to decide whether the second mode should be taken into account for the determination of the maximum displacement and acceleration in high-speed bridges. In addition, the reasons that cause the contribution of the second bending mode to be relevant in some situations are highlighted, particularly with regard to the computation of the maximum acceleration.

Tipologia, instalação, funcionamento e manutenção dos diversos tipos de aparelhos de apoio em obras de arte

Trabalho Final para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil

Análise de fadiga de uma ponte ferroviária com tabuleiro misto vigado sob ação de tráfego de mercadorias

A presente dissertação centra-se no estudo de fadiga de uma ponte ferroviária com tabuleiro misto vigado pertencente a uma via de transporte de mercadorias. O caso de estudo incide sobre a ponte ferroviária sobre o rio do Sonho, localizada na Estrada de Ferro de Carajás situada no nordeste do Brasil. Nesta linha circulam alguns dos maiores comboios de mercadoria do mundo com cerca de 3.7 km de extensão e com cargas por eixo superiores a 300 kN. Numa primeira fase apresentam-se diversas metodologias de análise da fadiga em pontes ferroviárias metálicas. É também descrita a ferramenta computacional FADBridge, desenvolvida em ambiente MATLAB, e que possibilita o cálculo sistematizado e eficiente do dano de fadiga em detalhes construtivos de acordo com as indicações dos eurocódigos. Em seguida são abordadas as metodologias numéricas utilizadas para a realização das análises dinâmicas do sistema ponte-comboio e os aspetos regulamentares a ter em consideração no dimensionamento de pontes ferroviárias. O modelo numérico de elementos finitos da ponte foi realizado com recurso ao programa ANSYS. Com base neste modelo foram obtidos os parâmetros modais, nomeadamente as frequências naturais e os modos de vibração, tendo sido também analisada a importância do efeito compósito via-tabuleiro e a influência do comportamento não linear do balastro. O estudo do comportamento dinâmico da ponte foi realizado por intermédio de uma metodologia de cargas móveis através da ferramenta computacional Train-Bridge Interaction (TBI). As análises dinâmicas foram efetuadas para a passagem dos comboios reais de mercadorias e de passageiros e para os comboios de fadiga regulamentares. Nestas análises foi estudada a influência dos modos de vibração globais e locais, das configurações de carga dos comboios e do aumento da velocidade de circulação, na resposta dinâmica da ponte. Por último, foi avaliado o comportamento à fadiga de diversos detalhes construtivos para os cenários de tráfego regulamentar e reais. Foi ainda analisada a influência do aumento da velocidade, da configuração de cargas dos comboios e da degradação da estrutura nos valores do dano por fadiga e da respetiva vida residual.

Análise numérica e experimental de um modelo dinâmico da ponte ferroviária de Antuã

Mestrado em Engenharia Civil – Ramo Estruturas

Avaliação do comportamento e reforço da Ponte de Maçaínhas sob a ação do tráfego ferroviário

A presente dissertação tem como principal objetivo a avaliação do estado de conservação de uma ponte ferroviária metálica centenária para posteriormente se efetuar o reforço desta. O objeto de estudo foi a Ponte de Maçaínhas, uma ponte metálica treliçada que se situa na linha da Beira Baixa permitindo a ligação entre a Guarda e a Covilhã. Este trabalho envolveu um estudo profundo de vários conteúdos normativos relativos a ações em pontes ferroviárias e ações ambientais. Este estudo estende-se ainda ao campo das verificações regulamentares e critérios de segurança estrutural adequadas ao presente contexto. A operação de reforço começou numa rigorosa análise dos componentes estruturais da ponte, através do estudo de plantas e de um extenso registo fotográfico, para posteriormente se conceber um modelo numérico que traduzisse a situação real. Ao modelo concebido foram aplicadas as cargas regulamentares adequadas por forma a entender o comportamento que a ponte apresenta perante estas e se as suas secções transversais apresentam capacidade resistente suficiente. Caso estas não apresentem capacidade resistente suficiente teriam de ser intervencionadas. Concluído o processo de avaliação estrutural e de reforço, procedeu-se à verificação do comportamento da estrutura reforçada perante as ações de projeto. Com isto pretende-se avaliar se os esforços se distribuem da mesma maneira ou se a operação de reforço teve algum efeito na distribuição destes. Por último, para avaliar o comportamento da estrutura perante a passagem de tráfego real, realizaram-se análises dinâmicas que tiveram por base um grupo de veículos que habitualmente circulam na linha da Beira Baixa e um comboio de alta velocidade. Estas análises foram realizadas tanto para a situação pré reforço como pós reforço. Desta forma conseguiu-se fazer um paralelo entre ambas as condições e perceber se a operação de reforço foi bem-sucedida.

Avaliação do comportamento de uma ponte metálica centenária sujeita à ação de tráfego ferroviário ligeiro

A presente dissertação tem como objetivo principal a análise numérica do comportamento dinâmico de uma ponte ferroviária, sob ação de tráfego ligeiro ferroviário. Neste contexto são apresentados alguns fundamentos teóricos a ter em conta nestes domínios, visando uma melhor compreensão dos fenómenos existentes no comportamento dinâmico de pontes ferroviárias quando sujeitas ao tráfego. O caso de estudo teve como foco a ponte Luiz I, uma ponte metálica situada sobre o rio Douro, que liga as cidades do Porto e Vila Nova de Gaia, sob ação de tráfego ligeiro ferroviário no seu tabuleiro superior para a condição anterior aos trabalhos de reabilitação e reforço realizados entre 2004 e 2005. Para o efeito foi desenvolvido um modelo numérico de elementos finitos da ponte realizado com recurso ao programa ANSYS, assim como um modelo numérico do veículo do Metro de Lisboa. Com base nestes modelos foram obtidos os parâmetros modais, nomeadamente as frequências naturais e os modos de vibração de toda a estrutura e do veículo. O estudo do comportamento dinâmico da ponte foi realizado por intermédio de uma metodologia de cargas móveis e de interação veículo-estrutura, através da ferramenta computacional Train-Bridge Interaction (TBI). As análises dinâmicas foram efetuadas para a passagem dos veículos de passageiros das redes de Metros do Porto e Lisboa. Nestas análises é estudada a resposta da estrutura em função da variabilidade ao nível da secção transversal, dependência do tramo, influência do veículo, da sua velocidade de circulação e impacto das frequências de vibração estimadas pelo modelo numérico.