In this study, a new three-dimensional finite element analysis model of high-speed railway bridges considering train-bridge interaction, in which various improved finite elements are used for modeling structural members, is proposed. The box-type bridge deck of a railway bridge is modeled by the NFS(Nonconforming Flat Shell) elements with 6 degrees of freedom. Track structures are idealized using the beam finite elements with the offset of beam nodes and those on Winkler foundation with two parameters. And, the vehicle model devised for a high-speed train is employed, which has an articulated bogie system. By Lagrange's equations of motion, the equations of motion of a bridge-train system can be formulated. Finally, by deriving the equations of the forces acting on a bridge considering bridge-train interaction the complete system matrices of total bridge-train system can be constructed. As numerical examples of this study, 2-span PC box-girder bridge is analyzed and results are compared with experimental results.
Long continuous bridge deck can become contracted considerably as temperature drops, which can lead to a large expansion of sleeper span at the end of it. Since this huge sleeper span then can cause problems both with safety of train operation and structural stability of tracks, it is necessary to take the issue into consideration systematically in the designing process of the bridge. In this paper, an evaluation process through the analysis of train-track interaction was presented which can basically review the effects of the expansion of sleeper span at the end of long continuous bridge deck on the safety of the train and the structural stability of the track. The analyses of the interaction between the light rail train and tracks were carried out targeting the sleeper span as a main parameter. The safety of train operation and structural stability of tracks in a light rail system due to the expansion of the sleeper span were evaluated by comparing the numerical results with the related criteria.
This paper is intended to investigate interaction response of a train running over a suspension bridge undergoing support settlements. The suspension bridge is modeled as a single-span suspended beam with hinged ends and the train as successive moving oscillators with identical properties. To conduct this dynamic problem with non-homogeneous boundary conditions, this study first divides the total response of the suspended beam into two parts: the static and dynamic responses. Then, the coupled equations of motion for the suspended beam carrying multiple moving oscillators are transformed into a set of nonlinearly coupled generalized equations by Galerkin's method, and solved using the Newmark method with an incremental-iterative procedure including the three phases: predictor, corrector, and equilibrium-checking. Numerical investigations demonstrate that the present iterative technique is available in dealing with the dynamic interaction problem of vehicle/bridge coupling system and that the differential movements of bridge supports will significantly affect the dynamic response of the running vehicles but insignificant influence on the bridge response.
The dynamic behavior of a bridge under moving loads has been investigated over many years. Especially, with the introduction of High Speed Railway, numerous theoretical studies on the interaction problem between bridges and trains are carried out. In the present study, advanced bridge/train interaction analyses are performed and compared with field tests of a simply-supported 40m long PSC box girder bridge of Kyung-Bu High Speed Railway. Vertical displacements and vertical accelerations of a bridge with increasing speeds are analyzed. In addition, wheel load reduction rates and accelerations of a car-body of the train are investigated for a study of appropriateness of traffic safety criteria of bridge design specification.
교량을 주행하는 열차의 주행안전성과 승차감의 확보를 위해 Eurocode, 신간선 기준, 호남고속철도 설계지침 등에서는 교량의 연직변위, 연직가속도, 면틀림 등의 항목으로 제한하고 있다. 그러나 이와 같은 제한 기준은 교량 설계자의 편의를 위한 간접적인 방법이다. 또한 이와 같은 기준은 일반적인 경간(Eurocode의 경우 120m 이하)에 대한 제한 기준으로서, 이 이상의 장경간 교량의 경우에는 교량/열차 상호작용 해석 등에 의한 면밀한 검토를 제안하고 있다. 본 연구에서는 교량/열차 상호작용 해석을 수행하여 열차에서의 응답을 통해 교량 상을 주행하는 열차의 주행안전성 및 승차감을 직접적으로 평가하고자 하였다. 즉, 중앙경간 300m의 현수교를 주행하는 KTX 열차에 대하여 열차 내부의 가속도와 윤중감소율을 구해 평가하는 방법을 취하였다. 또한, 이동 열차하중과 지진하중이 동시에 작용할 경우를 고려한 교량/열차/지진 상호작용해석을 수행하여 지진 시의 응답을 평가하였다.
LRT(Light Railway Train), which is a intermediate system of train and bus, is arose for the solution of subway construction cost and the transportation capacity of bus. LRT was introduced in 1980's. About 30 local governments are plan to introduce LRT or constructing LRT, at present. AGT(Automated Guide-way Transit) system, which is a kind of LRT, is operated without driver. Rubber wheeled AGT system can reduce the noise and vibration compare to steel wheeled AGT, so it is estimated as ideal transportation system for urban area. And live loads at bridge are classified as the static load of vehicle and the dynamic wheel contact load which is occurred from the interaction of bridge and vehicle vibration, and the surface roughness. In the case of AGT system, the dynamic increment factor of bridge is greater than the normal train bridge and roadway bridge, because, the weight of AGT vehicle is more light that the train of truck. The exact method for dynamic increment factor is experiment. But this method is needed much money and time, moreover, this method cannot be adopted in design. Therefore, a simulation program for the interaction of AGT bridge, vehicle and surface roughness was developed, in this study. And the program was verified by experiment. As a result, the accuracy of the simulation program can be verified.
Real-time hybrid simulation (RTHS) was applied to investigate the train-bridge interaction of a high-speed railway system, where the railway bridge was selected as the numerical substructure, and the train was physically tested. The interaction between the two substructures was reproduced by a servo-hydraulic shaking table. To accurately reproduce the high-frequency interaction responses ranging from 10-25Hz using the hydraulic shaking table with an inherent delay of 6-50ms, an adaptive time series (ATS) compensation algorithm combined with the linear quadratic Gaussian (LQG) was proposed and implemented in the RTHS. Testing cases considering different train speeds, track irregularities, bridge girder cross-sections, and track settlements featuring a wide range of frequency contents were conducted. The performance of the proposed ATS+LQG delay compensation method was compared to the ATS method and RTHS without any compensation in terms of residual time delays and root mean square errors between commands and responses. The effectiveness of the ATS+LQG method to compensate time delay in RTHS with high-frequency responses was demonstrated and the proposed ATS+LQG method outperformed the ATS method in yielding more accurate responses with less residual time delays.
본 논문에는 KTX (Korean eXpres Train)을 위한 3차원 관절대차의 차량-교량 동적 상호작용의 해석모델의 공식이 제안되었다. 궤도틀림의 반주기적 파형이 FRA의 레일틀림 최대허용기준을 사용하여 제안되었고, 레일 이음매와 침목의 간격 또한 포함되었다. 궤도틀림은 수준, 구배, 수평 및 궤간틀림을 포함하고 있다. 결과적으로 나타나는 차량-교량 시스템 행렬은 매우 적은 요소를 포함하기 때문에 1차원의 배열에 저장할 수 있으며, 시간절약적인 해법을 창출한다. 반복기법을 포함하는 차량-교량 작용 계산의 수치적 알고리즘 또한 공식화하였으며, 차량-교량 상호작용을 모사하고 새로운 알고리즘에 의해서 이 문제를 풀기 위한 프로그램이 'XFINAS'라고 불리는 프로그램에 모듈로서 내포되었다. 새로운 프로그램에 의해서 계산된 결과가 검증된 2차원의 차량-교량 상호작용 모델의 결과에 의해서 검증되었다. 본 연구에서 제시한 3차원 해석은 차량의 보다 상세한 응답을 제공한다. 예를 들면, 회전운동-롤링, 요잉 및 피칭- 및 수평 및 수직운동에 대한 가속도를 제공할 수 있으며, 이러한 응답은 승객의 승차감 평가에 유용한 자료로 활용될 수 있다. 차량의 안정성과 차륜의 탈선 또한 본 프로그램에서 계산되는 차륜의 상대변위를 이용하여 직접적으로 계산이 가능하다.
This paper presents passive vibration control method to suppress train-induced vibration on a long-span steel arch bridge. According to the train load frequency analysis, undesirable resonance of a bridge will occur when the impact frequency of the train axles are close to the modal frequencies of the bridge. Because the first mode shape of the long-span steel arch bridge may take anti-symmetric shape along the bridge direction, however, the optimal control configuration for resonance suppression should be considered carefully In this study, bridge-vehicle element is used to estimate the bridge-train interaction precisely. From the numerical simulation of a loom steel arch bridge under TGV-K train loading, dynamic magnification influences are evaluated according to vehicle moving speed and efficient control system with passive dampers are presented in order to diminish the vertical displacement and vertical acceleration.
Long-span steel suspension bridges develop significant vibrations under the effect of external time-variable loadings because their slenderness. This causes significant stresses variations that could induce fatigue problems in critical components of the bridge. The research outcome presented in this paper includes a fatigue analysis of a long suspension bridge with 3300 meters central suspended span under wind action and train transit. Special focus is made on the counterintuitive interaction effects between train and wind loads in terms of fatigue damage accumulation in the hanger ropes. In fact the coupling of the two actions is shown to have positive effects for some hangers in terms of damage accumulation. Fatigue damage is evaluated using a linear accumulation model (Palmgren-Miner rule), analyses are carried out in time domain by a three-dimensional non-linear finite element model of the bridge. Rational explanation regarding the above-mentioned counterintuitive behavior is given on the basis of the stress time histories obtained for pertinent hangers under the effects of wind and train as acting separately or simultaneously. The interaction between wind and train traffic loads can be critical for a some hanger ropes therefore interaction phenomena within loads should be considered in the design.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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