Evaluation of the Consistent Load Model for Norwegian Railway Bridges Subjected to Fatigue Considering Track Curvature and Non-Standard Influence Lines

Abstract

Omtrent en tredjedel av dagens norske jernbanenettverk består av stålbruer bygget før 1960. Etter disse ble bygget, har utmatting vist seg å være den ledende årsaken til brudd i stålkonstruksjoner. For en jernbanebru gir togtrafikken den største belastningen. Det er imidlertid lite data tilgjengelig om historisk trafikk på norske bruer, noe som gjør det vanskelig å estimere gjenværende levetid for utmatting. I 2019 foreslo Frøseth & Rønnquist en ny lastmodell for historisk togtrafikk, her referert til som den konsistente lastmodellen. De tre hovedkriteriene for denne lastmodellen var at den skulle være enkel, konservativ og konsistent.

Målet med denne oppgaven er å evaluere om den konsistente lastmodellen oppfyller disse kriteriene. Dette gjøres i første omgang ved å utføre utmattingsanalyser for to jernbanebruer. Disse bruene ble også evaluert av Bane NOR i 2018 med en annen lastmodell. Ved å sammenligne resultatene for de to lastmodellene viste det seg at den konsistente lastmodellen er opptil 50 ganger mer konservativ enn den brukt av Bane NOR. Skadeverdiene er generelt langt over det kritiske nivået, noe som tilsier at bruene skulle ha kollapset. Ettersom dette ikke har skjedd, kan lastmodellen anses som konservativ med urealistiske høye skadeverdier.

Resultatene viste også at den konsistente lastmodellen finner større variasjon i kritiske konstruksjonsdeler. Dette beviser likevel ikke at modellen oppfyller konsistenskriteriet. For et kalibreringssett med standard influenslinjer er den konsistente lastmodellen utviklet med konsistenser på 40-50%. En bru vil imidlertid ha influenslinjer med store variasjoner, både i form og lengde. Ved hjelp av analyser som finner mest skadelig tog ble de virkelige konsistensene av bruene bestemt. Svært dårlig konsistent ble funnet for begge bruene. Årsaken viste seg å være effekten av sentrifugalkrefter som oppstår på grunn av sporkurvatur. Dermed kan den nye lastmodellen ikke betraktes som konsistent for en bru med horisontal krumning. Det ble imidlertid funnet at denne utfordringen kan løses ved å bruke den mest skadelige hastigheten for hvert spenningspunkt. Konsistensene forbedret seg da betraktelig, samtidig som lastmodellen forblir enkel og konservativ.

Approximately one-third of all bridges operating in the current Norwegian railway network are steel bridges built before 1960. After these bridges were built, the mechanism of fatigue has been found to be the leading cause of failure in steel structures. For a railway bridge, the main load is the trains. However, minimal data is available regarding historical traffic operating on the Norwegian bridges, making it difficult to determine the remaining fatigue life. In 2019 Frøseth & Rønnquist proposed a new load model for historical trains, referred to as the Consistent Load Model. The main criteria of the load model were that it should be simple, conservative and consistent.

The objective of this thesis is to evaluate whether the Consistent Load Model fulfills these criteria. Preliminary, this is done by performing fatigue life analyses of two railway bridges. These bridges were also assessed by Bane NOR in 2018, using a different load model. By comparing the results from the two analyses, the Consistent Load Model was found up to 50 times more conservative. These damage values are far beyond the critical level, indicating that the bridges should have collapsed. As the bridges have not collapsed, the load model can be considered conservative with unrealistically high damage values.

The results gave a larger variety of critical components than found by Bane NOR. Still, it does not prove that the Consistent Load Model fulfills the consistency criterion. For a calibration set of influence lines, the Consistent Load Model is designed to have consistencies of 40-50%. However, the influence lines of a bridge will have unlimited different shapes and lengths. The consistencies of the two bridges were therefore determined using most damaging train analyses. These analyses showed extremely poor consistencies. The reason was found to be the effect of centrifugal forces occurring from bridge curvature. Therefore, the new load model can only be considered consistent for a bridge without horizontal curvature. However, it was found that one can overcome this problem by using the most damaging speed for each stress point. The consistencies were then remarkably improved, while the load model still is kept simple and conservative.