Dynamiska effekter av tåg på broar



Relevanta dokument
Designdiagram för förenklad dynamisk kontroll av järnvägsbroar

Dynamisk kontroll av järnvägsbroar, inverkan av 3D effekter

Långtidsmätningar av töjningar. på Nya Årstabron till 2011

Höghastighetsprojekt Bro

Gamla Årstabron. Förslag till varselgränser under vattenbilning fas 3, undersida båge 2

PM: Bro över Söderström (km 1+83) Utmattningsanalyser baserat på töjningsmätningar, april-maj 2011

Gamla Årstabron. Sammanställning av töjningsmätningar utförda

Bro över Söderström, km 1+83

Gamla Lidingöbron Accelerationsmätningar på fundament och mätning av sprickdeformationer på påle

Gamla Årstabron. Sammanställning av töjningsmätningar utförda

Höghastighetsprojekt Bro

Instrumentering av nya Svinesundsbron

Tentamen i Hållfasthetslära AK2 för M Torsdag , kl

Gamla Årstabron. Sammanställning av töjningsmätningar utförda

Mål en del av vision NS-1 (NRA) Bygga och leva med trä

Bestämning av hängarkrafter i några av hängarna på Höga Kusten-bron

LCC för Järnvägsbron över Huvudnäskanalen

Svängningar och frekvenser

Gamla Årstabron. Några beräkningar inför fältmätningar 2007

Moderna höghastighetståg

Martinsons gång- och cykelbro av fackverkstyp Produktfamilj: MGC-FV Teknisk Specifikation Överbyggnad

Förklarande punkter kring Viktorvågs fordonsvågar.

Avdelningen för BYGG. -konstruktion och produktion Vid Institutionen för Samhällsbyggnad och Naturresurser

Kvarvarande utmattningskapacitet hos nitade metallbroar sammanfattning SBUF-projekt 12049

KOMIHÅG 12: Ekvation för fri dämpad svängning: x + 2"# n

KOMIHÅG 18: Ekvation för fri dämpad svängning: x + 2"# n. x j,

Utvärdering, hantering och modellering av tvångslaster i betongbroar OSKAR LARSSON

Kontinuerlig mätning av lagerkrafter på Höga Kusten-bron

VIBRATIONSUTREDNING JOHANNEDAL

Dimensionering i bruksgränstillstånd

Bromall: Lastkombinationer järnvägsbro. Lastkombinering av de olika verkande lasterna vid dimensionering av järnvägsbro.

1a) Vad betyder den engelska [ ] Krypning [ ] Tillsatsämne termen recess? [ ] Krympning [ ] Schaktning

Tentamen. TSFS 02 Fordonsdynamik med reglering 14 januari, 2017, kl. 8 12

Framtidens brobyggare. Håkan Sundquist Brobyggnad, Byggvetenskap KTH

Detta bör du veta om markvibrationer

Påtvingad svängning SDOF

Vibrationsutredning avseende vibrationer från tåg på fastigheterna Selen 4-6, Lidköpings Kommun.

Växlar - Underhålls strategi slipning av växlar - Med eller utan rörlig korsnings spets?

1. Mekanisk svängningsrörelse

FEM- analys av standardräls BJV50

Uppgifter 2 Grundläggande akustik (II) & SDOF

Heavy Transport on Existing Lines: the Assessment of Bearing Capacity of Track-bed based on Track Stiffness Measurements and Theoretical Studies

1a) Vad betyder den engelska [ ] Krypning [x] Konsol termen cantilever? [ ] Kabel [ ] Schaktning [ ] Utmattning [ ] Tät spont

The Top of Rail Research Project

RÄVESKÄLLA 1:25 BORÅS STAD. PLANAVDELNINGEN SAMHÄLLSBYGGNADSFÖRVALTNINGEN.

PPU408 HT15. Beräkningar stål. Lars Bark MdH/IDT

Väg 35 Åtvidaberg-Linköping Delen Vårdsbergs kors - Hackefors

FEM modellering av instabilitetsproblem

Sylodyn. Dynamiska prestanda för exceptionella krav. Fördelar. Leveransprogram

UTREDNING AV MARKVIBRATIONER KRUTBRUKET, ÅKERS STYCKEBRUK

RAPPORT 2(10) Göteborg, Upprättat av, telefon Reviderat den Arbetsnamn Simon Håkansson

Vågrörelselära och optik

Mätningar för tillståndsbedömning av befintliga broar. John Leander, Docent i brobyggnad Kungliga Tekniska högskolan (KTH)

Ljudisolering 2. SDOF-system. Kraft förskjutning Akustisk Planering VTA070 Infrastruktursystem VVB090. Ökandefrekvens.

Stabilitetsprovning hos asfaltbeläggningar

Så vi börjar enkelt. Vad är då en vibration? Enkelt uttryck är det en svängningsrörelse kring en mittpunkt. Denna svängning kan beskrivas med olika

Hållsta 6:1 Vibrationsutredning

F12 Ljudisolering 2. SDOF-system Ökandefrekvens. Massan bestämmer. Fjädern bestämmer. Resonans

OBS I Finland användes namnet Gilsonite för Uintaite

PM - Vibrationsutredning Götaverksgatan

Seismik. Nils Ryden, Peab / LTH. Nils Rydén, Peab / Lunds Tekniska Högskola

Jämförelse av vertikala accelerationer av järnvägsbroar för höghastighetståg

Frekvensstyrning av vibrationsvältar och vibroplattor för packning av friktionsjord

Uppskattning av upplagsstyvheter och effekter av jord-bro interaktion genom dynamisk mätning Steg 1

BILAGA 1. BERÄKNINGSFÖRUTSÄTTNINGAR

Modellfamilj: Martinsons småvägsbro, tvärspänd platta Teknisk Specifikation Överbyggnad. Version: 1.0 Ändrat:

Grundläggning på grova stålrörspålar (LDP) Erfarenheter från Finland. StålpåleDagen 2011

TÅGLASTER GENOM TIDERNA Trafiklastbestämmelser och tillhörande tåglaster för Järnvägsbroar. 1 Trafiklastbestämmelser. 1.1 Dimensioneringsbestämmelser

Broworkshop om förstärkning av samverkansbroar

Cargolog Impact Recorder System

F12 Ljudisolering 2. SDOF-system. Kraft förskjutning. Frekvens och massa. Reduktionstal enkelvägg. Kritisk frekvens koincidens

Sensorer, effektorer och fysik. Mätning av töjning, kraft, tryck, förflyttning, hastighet, vinkelhastighet, acceleration

Tentamen Mekanik F del 2 (FFM521 och 520)

NORCONSULT AB MÄTRAPPORT M Göteborg Sannegården 7:5

GLESVINGEN 17 BORÅS KOMFORTUTREDNING AVSEEENDE VIBRATIONER FRÅN JÄRNVÄGSTRAFIK

Vejdimensionering som bygger på observationsmetodik

Tentamen i Mekanik II

KONTROLL AV GARAGEVÄGG FÖR PÅKÖRNING

BANSTANDARD I GÖTEBORG, KONSTRUKTION Kapitel Utgåva Sida K 1.2 SPÅR, Material 1 ( 5 ) Avsnitt Datum Senaste ändring K Betongsliper

Modern mät- och övervakningsmetodik för bedömning av befintliga broar

Din vägledning i valet av träbro. Val av brotyp/spännvidd.

Problemtentamen. = (3,4,5)P, r 1. = (0,2,1)a F 2. = (0,0,0)a F 3. = (2,"3,4)P, r 2

K-uppgifter Strukturmekanik/Materialmekanik

Packning - Styrmedel. Peter Gustafsson

Yttrande gällande riskbedömning urspårning och olyckor med tåg på Saltsjöbanan

Bruksanvisning. Så ska framtiden byggas. Nu också NBI-godkänt för fiberarmerad betong. Kan laddas ned från Godkännandebevis 0204/05

Vibrationsutredning Norskavägen, Gällivare

Beteende hos samverkansbjälklag med stål och betong utsatta för brand. Enkel dimensioneringsmetod

Vibrationsutredning Sandared 1:81

1 Figuren nedan visar en transversell våg som rör sig åt höger. I figuren är en del i vågens medium markerat med en blå ring prick.

Effektiv användning av bergförstärkning vid tunnelbyggande genom förbättrade analysmetoder för samverkan mellan berg och sprutbetong

SS-Pålen Dimensioneringstabeller Slagna Stålrörspålar

1 Följande vägar som inte är enskilda i Värmlands län ska tillhöra bärighetsklass 2 (BK2) på följande sträckor.

Kv Vinghästen m fl, Ulleråker

Bro över Pankens utlopp

Att använda accelerationssensorn i en smarttelefon/surfplatta för att göra mätningar

Elektrifiering av tunga fordon

Föreläsning 17: Jämviktsläge för flexibla system

Seminarium om Modern mät- och övervakningsmetodik för bedömning av befintliga broar

UTREDNING AV RISKEN FÖR VIBRATIONSSTÖRNING FRÅN KRINGLIGGANDE INFRASTRUKTUR VID PLANERAT EXPLOATERINGSOMRÅDE KARLAVAGNSPLATSEN, LINDHOLMEN, GÖTEBORG

Transkript:

Disposition Dynamiska effekter av tåg på broar Raid Karoumi Avdelning för Bro- och stålbyggnad, KTH Introduktion Vilka krav ställer normen Simulering av dynamisk respons Hur stämmer teorin med mätningar Pågående forskning på KTH Slutsatser & rekommendationer (erfarenheter från KTH) 2 Dynamisk & statisk respons Dynamiska effekter Faktorer som påverkar förstoringsfaktorn: Brons dynamiska egenskaper (spännvidd, styvhet, massa och dämpning). Fordonens fart på bron. Fordonens massa, fjädring och dämpning. Det dynamiska tillskottet kan beaktas genom att ta statisk respons den dimension lösa dynamikfaktorn D D = max (y dyn ) / max (y stat ) Statisk nedböjning Dynamisk nedböjning Fordonens utformning (antal axlar, axelavstånd,...). Spårets dynamiska egenskaper. Ojämnheter (räl och hjul). Förekomst av dämpande och energiupptagande system (som ballast mm.) mellan fordon och bro. 3 4-02-01 1

Varför så viktigt nu Dynamiska effekter av tåg på broar har ökat som ett resultat av: Ökade tåghastigheter. Ökade axellaster för att förbättra transport effektiviteten. Större M tåg / M bro som ett resultat av lättare och slankare broar. Moderna broar har lägre energiupptagningsförmåga (dämpningskapacitet). Den extra dynamiska delen av trafiklasterna måste bestämmas noggrant för att garantera den planerade livslängden och en ekonomisk dimensionering. 5 6 Normkrav v 200 km/h, den vertikala tåglasten skall multipliceras med en dynamikkoefficient 1, 44 de D = + 0,82 L Φ 0,2 v > 200 km/h dynamisk beräkning för hastigheter upptill 1,2 x sth kontrollera vertikala accelerationer, vertikala och horisontella nedböjningar, vinkeländring vid upplag/stöd samt vridning kontroll av vertikala accelerationer för brobanan blir oftast avgörande (risk för ballastinstabilitet som kan resultera i förändrat spårläge med ökat underhåll och risk för urspårning som följd!) 7 8-02-01 2

Simulering av dynamisk respons Tåglastmodell HSLM-A För simulering av dynamisk respons behöver vi information om: Bro area, böjstyvhet, vridstyvhet dämpning Massa Tåg vilka tåg axellaster, axelavstånd största hastighet Tågmodell: rörliga konstanta punktlaster Spår Ballasterat?, ballast tjocklek, ojämnheter, spår styvhet, High Speed Load Model (HSLM A1-A10) 9 10 Att beakta vid modellering/analys Resonans pga. regelbundna axelavstånd Dämpning Dynamisk E-modul Spårsystemets styvhet & dämpning Inverkan av anslutande mark Lastspridning ballast/sliprar upplagsstyvhet Ojämnheter (hjul, räl) Övergångszon bank till bro Medverkande bredd Sprucket/ospr tvärsnitt Medverkande massa av tåg Starta med en enkel första kontroll för resonans pga. regelbundna axel- och boggiavstånd. Det finns risk för resonans då dessa exciteringsfrekvens ligger nära brons egenfrekvens. Hastigheten vid vilken resonans inträffar kan uppskattas som: v kritisk = f 1 λ i f 1 λ i (m/s) är den obelastade brons egenfrekvens, (Hz) är exciteringsfrekvensens våglängden (m) (t.ex. det regelbundna axelgruppernas avstånd) Tågets dämpning Bro-tåg interaktion Tågmodell fjädrad/ofjädrad 11 12-02-01 3

Inverkan av styvhet & massa Dämpning som funktion av spannlängd Inverkan av styvheten Överskattning av E och I leder till högre frekvens och högre hastighet för vilken resonans inträffar Studera lägre gräns för styvheten för att få lägsta hastighet för vilken resonans inträffar. 2 E I ω k = α k 4 m L Inverkan av massan Underskattning av M leder till högre frekvens och högre resonanshastighet. Vid resonans är accelerationen A proportionellt till 1/M. Två fall ska beaktas: 1) lägre gräns för M för att få max A 2) Högre gräns för M för att få lägsta hastighet för vilken resonans inträffar Komplicerad inverkan av styvhet & massa t.ex. att öka plåttjockleken för att öka styvheten och v kritisk behöver inte fungera i dynamik! Dämpning kan komma ifrån: intern materialdämpning friktion vid lager & fogar energiförlust i ballast öppning och stängning av sprickor (speciellt i btg) tågets dämpning Nivån på dämpning påverkas av: svängningens amplitud sprucken/osprucken btg ballasterat/oballasterat spår ballastens kondition ballast tjocklek temperatur/is 13 14 Typiska resultat som ska redovisas (Brustjärnsbäcken: förspänd betongbalkbro i ett spann L= 2.5+30+2.5 m) HSLM-A9 med hastigheten 295 km/h Hur stämmer teorin med mätningar 15 16-02-01 4

Syftet med KTHs mätprojekt Vad vill vi mäta? Syftet är att få svar på följande frågor: Hur uppför sig våra broar i verklighet (förstå verkningssätt)? Är normkraven relevanta? Hur bra fungerar våra beräkningsmodeller? Behöver vi kalibrering m.a.p. dynamiska egenskaper, upplagsstyvheter, randvillkor, verklig lastfördelning osv. Vad har vi för verkliga statiska/dynamiska trafiklaster? Hur förändras brons respons med tiden och med temperaturen (även för övervakning & skadedetektering)? Mätning av förskjutning (oftast med induktiv givare LVDT) Mätning av accelerationer (ger dynamiska egenskaper) Mätning av töjningar Mätning av tåghastigheter och axellaster A torsion = (A r - A l ) / B A l A bending = (A r + A l ) / 2 A r 17 18 Sprickövervakning med kamera Results 200 200 250 250 300 300 200 250 CIR-dagen 300 2011 200 250 300 19 20-02-01 5

Skidträskån Exempel 1 Bro över Skidträskån Bron över Skidträskån Fritt upplagd, 36 m spännvidd Samverkansbro Ballasterad Trafikeras av bl.a. stålpendeln Syfte Instrumentera för långtidsövervakning av temperatur, töjningar, accelerationer & tåglaster Utveckla & testa Twim & BRAVE Mätperiod nov 2005 dec 2006 21 22 T-1 Skidträskån T-3 T-4 T-2 23 24-02-01 6

BRAVE Typiska mätresultat Töjning (mv/v) Vertikal acceleration (V) Töjning (mv/v) Vertikal acceleration (V) 25 26 Skidträskån Skidträskån 14 Regular trains Steel Arrow 1.5 Regular trains Steel Arrow Steel Arrow (predicted) 12 max acceleration / m/s/s 10 8 6 4 rms acceleration / m/s/s 1 0.5 2 0 20 40 60 80 100 120 140 160 speed / km/h 0 20 40 60 80 100 120 140 160 speed / km/h Hastigheter är beräknade med TWIM Första teoretiska böjmoden har en frekvens på 2,7 Hz 27 28-02-01 7

Skidträskån Skidträskån Höga broaccelerationer uppmättes dock ej pga. resonans Bron är mycket styvare än antagits (extra styvhet från spåret + mer gynnsamma randvillkor) Dämpkvoten borde väljas högre än den som anges i normen (för resonansberäkning) Frekvens och dämpning är starkt amplitudberoende (orsak: ballast, grundläggning, sprickor i btg, friktion i lager) 29 30 Bro över Norra Kungsvägen Exempel 2 Bron över Norra Kungsvägen Hörnefors, Botniabanan Plattrambro, Spännvidd ~15 m, grundlagd på pålar Projekt genomförs i samarbete med Costin Pacoste på ELU. Doktoranden Mahir som är till hälften finansierad av Tyréns arbetar med projektet. Inverkan av upplagens styvhet Första svängningsmod är longitudinell 32-02-01 8

Bro över Norra Kungsvägen Bro över Norra Kungsvägen k( ω = 0) statiska styvheter k( ω) & c( ω) dynamiskastyvheter Beakta flexibiliteten i upplag (fjädrade upplag) f = 2.1 Hz; f = 8.7 Hz max. acceleration (HSLM-A2) = 3.5 m/s 2 Inte beakta flexibiliteten i upplag (oeftergivliga upplag) f = 3.0 Hz; f = 10.7 Hz max. acceleration (HSLM-A2) = 1.8 m/s 2 33 34 Bro över Norra Kungsvägen Bro över Norra Kungsvägen The maximum vertical bridge deck acceleration as function of the (HSLM-A2) train speed assuming three different models for the boundary conditions and three different values for the soil elastic modulus. 35 36-02-01 9

(07045) 07044 08054 08052 Exempel 3 Rörbroar i korrugerat stål (projekt finansierade av Viacon och Trafikverket) 08053 37 38 Rörbroar i korrugerat stål Fallstudie, rörbro i Märsta Målsättning Undersöka verkningssätt hos rörbroar (dynamik, lastfördelning ) Bättre beräkningsmodeller för rörbroar (avseende påkänning) Undersöka om rörbroar är lämpliga för tåg i höga farter Metodik Fältmätningar (nedböjning, töjning, acceleration) FE-analyser (2D/3D, statiskt och dynamiskt) Geometri Dubbelspårig järnvägsbro Elliptiskt tvärsnitt, b = 3.75 m, h = 4.15 m Fyllnadshöjd 1.7 m, längd 28 m Instrumentering 12 töjningsgivare 6 accelerometrar 2 förskjutningsgivare (LVDT) Brons placering 39 40-02-01 10

Instrumentering Prel. resultat, nedböjning & acc nedböjning (mm) 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 X2000 tåg, 165 km/h Nedböjning 0.5 mm, acc ~1 m/s 2 God överensstämmelse med 2D FEM mätning 2D FEM -0.1 0 1 2 3 4 5 tid (s) acc (m/s 2 ) acc (m/s 2 ) 1 0-1 1 0-1 hjässa, stålrör mätning 2D FEM 0 1 2 3 4 5 hjässa ballast 0 1 2 3 4 5 tid (s) 41 42 Resultat, simuleringar (2D FEM) Slutsatser Dynamiska analyser för höghastighetståg acc (m/s 2 ) 5 4 3 2 envelopp HSLM A1-A10 hjässa, stål hjässa, ballast 8.5 m innan bro, ballast 8.5 m efter bro, ballast dim. krav: a max = 3.5 m/s 2 (30 Hz LP-filter) Resultat Relativt god överensstämmelse mellan mätningar och 2D FE-modeller Låga påkänningar och nedböjningar Små dynamiska effekter (för vanlig trafik) Kalibrering av påkänningar kan kräva 3D modell Prel. dynamiska simuleringar ger inga indikationer på problem (underlag för verifiering saknas) 1 0 0 100 200 300 400 fart (km/h) Osäkerheter Fyllningens egenskaper, E-modul, jord-bro interaktion mm. 43 44-02-01 11

Pågående forskning (doktorander/forskare som arbetar med järnvägsbroar) Andreas Andersson (KTH/Trafikverket) Capacity assessment of existing bridges case study on the old Årsta railway bridge Pågående forskning på avd. för Brobyggnad KTH John Leander Enhanced assessment of the remaining service life of steel railway bridges Merit Enckell (KTH/COWI) New monitoring techniques for bridge assessment Ignacio González Monitoring systems for increased safety and improved operation and maintenance of railway bridges Christoffer Johansson (KTH/ELU) Dynamic behavior of bridges subjected to high speed train 45 46 Pågående forskning (doktorander/forskare som arbetar med järnvägsbroar) Resultat från Christoffers parameterstudier Jean-Marc Battini & Yonming Tu Ballast behavior and track-bridge interaction (postdoc project) Guangli Du & Mohammed Safi LCC and LCA of railway bridges Mahir Ülker (KTH/Tyréns) Soil-bridge interaction and its influence on the response to passing trains Joakim Wallin (KTH/ELU) System identification and FE-model updating for increased accuracy in dynamic simulations (Strengthening of railway bridge and its impact on the dynamic response to passing trains) Therese Arvidsson & Johan Wiberg Train-bridge interaction 47 48-02-01 12

5 50 1 Raid Karoumi, KTH-Brobyggnad Resultat från Christoffers parameterstudier DynSolve DynSolve 30 25 10 1 5 20 15 M min (Enligt Kapitel 4.1.1) 5 15 20 10 n 0 [Hz] 10 8 6 40 30 60 15 25 50 20 10 15 5 5 5 4 40 30 25 20 10 15 n 0,max 3 60 30 25 20 2 Stål- och samverkansbroar (1 fack) M max (Enligt Kapitel 4.1.1) 40 n 0,min 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 35 40 45 50 60 L [m] 49 50 DynSolve DynSolve Erfarenheter & rekommendationer erfarenheter från analyser Börja alltid med en enkel modell och gör en parameter- & konvergensstudie. Kontrollera konvergens för förskjutningar, moment och accelerationer. Alla punkter längs en bro bör undersökas. Max respons kan vara vid olika punkter för olika hastigheter och olika tåg. Kravet på max acceleration är oftast avgörande. Upplagens styvhet har en stor inverkan på brons respons. Att anta oeftergivliga stöd är inte alltid på säkra sidan. Broar med ett spann är generellt mer känsliga än broar med flera kontinuerliga spann. Betongbroar tros vara lämpligare än samverkansbroar för tåg i höga hastigheter. (pga. låg massa och dämpning) 51 52-02-01 13

Erfarenheter & rekommendationer erfarenheter från mätningar The Bridge Tack för er uppmärksamhet! e-post: raidk@kth.se Mycket styvare broar i verkligheten (högre frekvenser). Orsak: starkare betong, extra styvhet från spåret, mer gynnsamma randvillkor mm. Mätningar har visat på höga broaccelerationer (>>normens gränsvärde) dock inträffar dessa ej pga. resonans utan beror ofta på dåliga hjul mm. Mätningar har visat att frekvens och dämpning är starkt amplitudberoende. Orsak: inverkan av ballast & grundläggning, sprickor i betongen och friktion i lager. Mätningar ger användbara resultat som kan utnyttjas vid kontrollberäkning av befintliga broar (mätningar ger uppgifter om verkliga upplagsstyvheter, randvillkor, frekvenser, dämpkvoter mm.) Vid kalibrering av beräkningsmodell baserat på mätningar ska man iaktta stor försiktighet då det inte räcker med en enkel justering av E-modul utan det oftast krävs även modifiering av upplagsvillkor/randvillkor mm. 53 54-02-01 14