Investigation of dynamic responses of high-speed railway bridges under consideration of moving load models and multi-body models

The investigation of dynamic responses of high-speed railway bridges is increasingly important due to the expanding stock of high-speed trains. Developments of new trains lead to insufficient coverage of dynamic effects by standards on bridge design. In this dissertation, the dynamic responses of railway bridges are studied based on extensive sets of moving load models as well as 2D multi-body models of high-speed passenger trains.

Moving load models allow a relatively fast evaluation of dynamic effects during bridge crossings and only require information of static axle loads and axle distances, which is available for a high number of trains. The moving load models of the currently operating high-speed passenger trains in the European network are used for the investigation of resonance excitations of bridges. The consideration of vehicle-bridge interaction effects requires a more detailed modeling of the trains using multi-body models with additional information about springs, dampers, and masses of the train. Multi-body models allow to take into account dynamic axle loads due to the movement of the train itself and therefore lead to calculation results closer to reality.

More than 3,000 moving load models for passenger trains are assembled and railway bridge responses are investigated using simplified calculation methods. Based on the dynamic train signature envelope of this train catalog, a new dynamic load model for high-speed trains is developed aiming for only 20 model trains to represent the dynamic effects of all operating passenger trains. Additionally, a preselection procedure for dynamically relevant trains is developed based on the simplified calculation methods of train signature and train spectra. The resulting 500 dynamically relevant trains can be used for more complex computations of dynamic bridge responses.

Vehicle-bridge interaction effects are recognized by comparing bridge responses of multi-body models, which cover interaction effects inherently, and moving load models, for which interaction effects can only be considered by an additional damping value which has to be calibrated. In calculations with moving loads the bridge damping ratio is increased by the additional damping value to account for the vehicle-bridge interaction. For the investigation of the vehicle-bridge interaction, multi-body models for more than 30 passenger trains (including conventional trains, trains with articulated bogies, and trains with equidistant wheelsets) are created. The algorithm for interaction calculations is implemented in MATLAB and the investigations are based on a parametric bridge set of about 100 single-span bridges. As only a small number of multi-body model parameters is publicly available and the correct representation of the dynamic train characteristics is uncertain, the eigenfrequencies of the theoretical multi-body models are validated based on measurements on stationary and moving trains. Beyond this, the influence of uncertainties in the data for stiffness and damping parameters in the multi-body models on the vehicle-bridge interaction is studied using a sensitivity analysis. The results of the comprehensive computational series of more than 1,000,000 bridge crossings are used to assess the validity of the additional damping method included in Eurocode 1 as well as further approaches for the additional damping given in literature.

This dissertation provides a new dynamic load model of 20 model trains based on the dynamic signature envelope of more than 3,000 operating passenger trains. The investigations of vehicle-bridge interaction effects lead to the conclusion that special attention should be paid to the primary spring parameter in the definition of multi-body models and an additional damping value needs to be defined based on detailed train characteristics.

Die Bedeutung von Untersuchungen dynamischer Anregungen von Hochgeschwindigkeits-Eisenbahnbrücken steigt aufgrund der zunehmenden Anzahl an Hochgeschwindigkeitszügen, da neue Entwicklungen dazu führen, dass dynamische Effekte in den Normen für den Brückenentwurf nicht ausreichend abgedeckt werden. In dieser Dissertation wird das dynamische Verhalten von Eisenbahnbrücken mithilfe umfangreicher Sammlungen von Modellen mit bewegten Lasten sowie 2D-Mehrkörpermodellen von Hochgeschwindigkeits-Personenzügen untersucht. Modelle bewegter Lasten ermöglichen eine relativ schnelle Bewertung der dynamischen Effekte bei Brückenüberfahrten und erfordern lediglich Informationen über statische Achslasten und Achsabstände, die für eine große Anzahl von Zügen verfügbar sind. Für die Untersuchung der Resonanzanregungen von Brücken werden Modelle bewegter Lasten der derzeit verkehrenden Hochgeschwindigkeits-Personenzüge im europäischen Schienennetz verwendet. Die Berücksichtigung von Fahrzeug-Brücken-Interaktionseffekten erfordert eine detailliertere Modellierung der Züge unter Verwendung von Mehrkörpermodellen mit zusätzlichen Informationen über Federn, Dämpfer und Massen des Zuges. Mehrkörpermodelle ermöglichen die Berücksichtigung dynamischer Achslasten aufgrund der Bewegung des Zuges selbst und führen daher zu realitätsnäheren Berechnungsergebnissen. Mehr als 3.000 Personenzugmodelle mit bewegten Lasten werden zusammengestellt und die Brückenantworten werden mithilfe vereinfachter Berechnungsmethoden untersucht. Auf Grundlage der dynamischen Zugsignatur dieser Zugsammlung wird ein neues dynamisches Lastmodell für Hochgeschwindigkeitszüge entwickelt, mit dem Ziel anhand von nur 20 Modellzügen die dynamischen Auswirkungen aller in Betrieb befindlichen Personenzüge widerzuspiegeln. Darüber hinaus wird ein Vorauswahlverfahren für dynamisch relevante Züge entwickelt, das auf den vereinfachten Berechnungsmethoden der Zugsignatur und der Zugspektren basiert. Die daraus resultierenden 500 dynamisch relevanten Züge können für komplexere dynamische Berechnungen von Brückenantworten verwendet werden. Fahrzeug-Brücken-Interaktionseffekte lassen sich durch den Vergleich der Brückenantworten von Mehrkörpermodellen, welche die Interaktionseffekte vollständig abdecken, und Modellen mit bewegten Lasten, bei denen Interaktionseffekte nur durch eine zu kalibrierendene Zusatzdämpfung berücksichtigt werden können, ermitteln. In Berechnungen mit bewegten Lasten wird das Dämpfungsmaß der Brücke um den Zusatzdämpfungswert erhöht, um die Fahrzeug-Brücken-Interaktion zu berücksichtigen. Für die Untersuchung der Fahrzeug-Brücken-Interaktion werden Mehrkörpermodelle für mehr als 30 Personenzüge (einschließlich konventioneller Züge, Züge mit Jakobsdrehgestellen und Züge mit äquidistanten Radsätzen) erstellt. Der Algorithmus für die Interaktionsberechnungen wird in MATLAB implementiert und die Untersuchungen basieren auf einem parametrischen Brückensatz von etwa 100 Einfeldbrücken. Da nur eine geringe Anzahl von Parametern der Mehrkörpermodelle öffentlich verfügbar ist und die korrekte Modellierung der dynamischen Eigenschaften des Zuges fraglich ist, werden die Eigenfrequenzen der theoretischen Mehrkörpermodelle anhand von Messungen an stehenden und fahrenden Zügen validiert. Darüber hinaus wird eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt, um den Einfluss von Unsicherheiten in den Angaben der Steifigkeits- und Dämpfungsparameter der Mehrkörpermodelle auf die Fahrzeug-Brücken-Interaktion zu untersuchen. Die Ergebnisse der umfassenden Berechnungsreihe von mehr als 1.000.000 Brückenüberfahrten werden verwendet, um die Gültigkeit der in Eurocode 1 enthaltenen Zusatzdämpfungsmethode sowie weitere in der Literatur angegebene Ansätze für die Zusatzdämpfung zu bewerten. In dieser Dissertation wird ein neues dynamisches Lastmodell für 20 Modellzüge erstellt, das auf der dynamischen Signatur von mehr als 3.000 in Betrieb befindlichen Personenzügen basiert. Die Untersuchungen der Fahrzeug-Brücken-Interaktionseffekte führen zu der Schlussfolgerung, dass bei der Definition von Mehrkörpermodellen dem primären Federparameter besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden sollte und eine Definition der Zusatzdämpfung auf der Grundlage detaillierter Zugeigenschaften erfolgen muss.