Vibration mitigation of high-speed railway bridges : Application of damping devices in theory and practice

Autor: Tell, Sarah
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2021
Předmět:
Popis: The dynamic response of railway bridges is an important aspect to consider, as the repetitive loading from passing trains may result in excessive vibrations of the bridge deck. Several design criteria are developed in order to assure the structural safety and passenger comfort during train crossings of a bridge. However, bridges are usually not designed to be adaptable to future requirements or changes in the design codes, due to e.g. cost issues. Prospectively, higher speeds of trains and an increased passenger capacity could potentially mean that bridges designed according to prevailing design requirements turn obsolete. This could be particularly problematic, as the planned interconnecting routes within the European Union increases the possibility that faster and longer trains will cross the Swedish railway lines. Hence, an increased demand for innovative design solutions for new bridges and efficient upgrading methods for existing lines has emerged. The aim of the present thesis is to propose a vibration mitigation strategy that is insensitive to changes in the structural geometry or train composition. The main focus is a retrofit method with damping devices installed between the bridge superstructure and the supports, which will reduce the dynamic response of bridges subjected to passing trains. Theoretical studies, numerical simulations and experimental tests are performed and analysed to examine if the proposed retrofit systemis suitable for the present case. A proof-of-concept and a reliability study are conducted, to ensure the applicability and robustness of the proposed method. Finally, real-time hybrid simulations, laboratory tests and full-scale field experiments are conducted in order to validate the proposed vibration mitigation strategy. In theory, it is found that the damping devices efficiently reduced the response of the bridge below permitted limits. From a practical point of view, the experimental test indicates that the equivalent damping ratio of the system is increased due to the damper retrofit. However, the actual measured effect of the damping devices on the bridge deck response turns out to be lower than expected from numerical simulations. The reason for this is likely due to malfunction of the dampers, which was verified in additional laboratory tests after the field measurements. Hence, adequate damper forces were not provided at low amplitudes of vibration. Conclusively, further studies are necessary in order to validate the proposed method, but the applicability of the system still shows great potential based on the results from this research work. Järnvägsbroars dynamiska respons är viktig att ta hänsyn till i konstruktionsstadiet, då den repetitiva belastningen vid tågöverfarter kan resultera i höga vibrationsnivåer i broöverbyggnaden. Ett flertal dimensioneringskrav har därför framarbetats för att säkerställa att broars dynamiska respons från passerande tåg inte resulterar i strukturell kollaps eller obehag för passagerare. Dessa krav uppdateras dock allteftersom att nya framsteg görs i den tekniska utvecklingen, vilket av ekonomiska skäl sällan tas i beaktan när en ny bro ska konstrueras. Som en effekt av högre tåghastigheter och ökad passagerarkapacitet kan detta potentiellt sett medföra att ett flertal befintliga broar blir obrukbara i framtiden. I och med att en sammanlänkning mellan de europeiska tåglinjerna planeras kan detta bli särskilt problematiskt, då sannolikheten för att snabbare och längre tåg körs på befintliga svenska järnvägsbanor ökar drastiskt. Därmed ökar även behovet av innovativa konstruktionslösningar för nya broar och effektiva uppgraderingsmetoder för befintliga sträckor. Syftet med föreliggande avhandling är att föreslå en vibrationsdämpningsmetod som är lämplig för både nybyggda och befintliga järnvägsbroar avsedda för trafik med höghastighetståg. Genom att installera dämpare mellan brons överbyggnad och dess landfästen antas brobanans dynamiska respons vid tågöverfarter minska. För att undersöka användbarheten och tillförlitligheten hos ett sådant system har teoretiska studier, numeriska simuleringar och experimentella tester utförts. Inledningsvis har detta studerats genom att härleda en analytisk lösning för att bevisa att metoden fungerar, följt av en statistisk analys av bro-dämparsystemet. Vidare har även realtidshybridsimuleringar, laboratorietester och fältförsök genomförts i syfte att validera den föreslagna vibrationsdämpningsmetoden. Utifrån de teoretiska beräkningarna kan det tydligt säkerställas att dämparna minskar den dynamiska responsen hos järnvägsbroar, till och med under gällande normkrav. Även resultaten från de experimentalla testerna indikerar på att den ekvivalenta dämpkvoten ökar när dämpare installeras på broar. Däremot har verkliga mätningar visat att inverkan av dämparna på broars dynamiska respons inte fullt motsvarar de resultat som erhållits från numeriska undersökningar. Detta beror troligtvis på att dämparna inte gav tillräcklig dämpkraft vid låga amplituder, vilket bekräftades efter fältmätningarna genom ytterligare laboratorieförsök. Därmed krävs ytterligare studier för att validera vibrationsdämpningsmetoden, även om det har stor potential sett till resultaten från detta forskningsarbete. QC 20210121
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: