Dynamic Analysis of Network Arch Bridge Subjected to Train Traffic

Abstract

I et samfunn som beveger seg mot en mer miljøvennlig og bærekraftig holdning, vil det være hensiktsmessig å utforske og andvende nettverksbuebroer som et alternativ. Nettverksbuebroer er typisk lette strukturer som både påfører mindre skader til deres lokale miljø og avgir mindre utslipp under utbygging sammenlignet med andre buebroer. På en annen side er den dynamiske oppførselen til nettverksbuebroer når togtrafikk passerer nokså ukjent da det sjeldent har blitt gjort. Denne oppgaven ønsker å identifisere de dynamiske forsterkningene som oppstår når tog av forskjellige design passerer Åkersvika bro. Resultatene kan bidra til å vurdere om denne analysen er nødvendig for fremtidige prosjekter. Om denne analysen kan unngås er det mulig med store kostnadsbesparelser. Tilstandsrom-metodikken brukes for å estimere responsen og atferd til broen. Implementeringen verifiseres først ved å anvendes til en enkelt opplagt bjelke hvor nedbøyning og akselerasjon sammenlignes med en analytisk løsning. Resultatene stemmer overens og tilstandsrom anses derfor som nøyaktig. Videre lages en numerisk modell av Åkersvika bro hvor enkle antakelser om geometri gjøres for å forenkle modelleringsprosessen. Modellen implementeres i ABAQUS hvor programmet estimerer egenfrekvenser og modeformene til modellen. Ved hjelp av modale data og tilstandsrom-metodikk simuleres responsspektre for dekkets nedbøyning, akselerasjon i ballast og seksjonskrefter i nettverkskabler og buene når toghastighetene varierer. Responsspektrene viser til tydelige resonanshastigheter av togene, men ingen av simuleringene viser til at verdiene blir høyere enn tillatt. Ytterligere innsikt i frekvenser og modeformer som forårsaker toppene i nedbøyningsresponsspektrene ble gitt. Det ble funnet at den første bøyemodeformen er den som opplever størst aktivering ved store nedbøyninger. Lastfrekvensen forårsaket av togene viser seg ellers å være på den lave siden av frekvensspekteret. Til slutt utføres en ikke-lineær simulering for å vurdere Åkersvika bro sine ikke-lineære responser, som videre brukes for å etablere nøyaktigheten til den lineære naturen til tilstandsrom-metodikken. Det ble funnet stor overlapp mellom tilstandsrom og den ikke-lineære analysen. Å utføre en ikke-lineær analyse anses derfor til å være unødvendig. Den endelige konklusjonen er at Åkersvika bro ikke trenger en dynamisk analyse.

In a society shifting towards a more environmentally friendly mindset, establishing the network arch bridge as a more common bridge design could be advantageous. Network arch bridges are typically light structures, which both impose less damage to the local environment and produce less emissions during construction when compared to other arch bridges. However, the dynamic behaviour of such a bridge remains uncertain when used for train transport as it has rarely been done. This thesis sets out to explore the dynamic effects occurring at the Åkersvika bridge when various trains pass. The results could aid in evaluating the necessity of such analyses in future projects, where avoiding dynamic analysis significantly reduces costs. State space is the method primarily used to estimate the dynamic responses and behaviours. The implementation is verified through analyses of a simply supported beam by comparing the deflection and acceleration to an analytical solution. The results align with analytical solutions and are therefore considered accurate. Following this, a numerical model of the Åkersvika bridge is created using simple assumptions about geometry to simplify the modelling. It is then implemented into ABAQUS to estimate the mode shapes and eigenfrequencies of the bridge. Using the modal data and the state-space method, response spectra for a range of velocities are estimated for the deflection of the deck, acceleration experienced in the ballast, and section forces occurring in the network cables and arches. Neither of the simulations were found to go beyond acceptable values. Further insight into the frequencies and mode shapes responsible for the estimated deflections is provided. The mode shape with the largest activation was found to be the first bending mode. The load imposed by the trains were otherwise found to be on the lower side of the frequency spectrum. Finally, a nonlinear simulation is conducted to assess the bridge's nonlinear responses, and in turn assert the accuracy of the linear nature of state space. State space and nonlinear analysis are shown to align greatly throughout the simulation. Performing a nonlinear analysis is therefore deemed unnecessary. The final conclusion drawn is that the Åkersvika bridge does not need a dynamic analysis.