In this paper, the sub-structuring technique-applied train-bridge interaction analysis model, which is formulated based on the simplified three-dimensional train-bridge interaction analysis model for high-speed bridge-train interaction analysis, is presented. In the sub-structuring technique, the super-structure and the supporting structure of railway bridges can be modeled as sub-structures, and train-bridge interaction analysis can be efficiently performed. As a train analysis model, two-dimensional train model is used, and the Lagrange equation of motion is applied to derive the equation of motion of two-dimensional train. In the sub-structuring technique, the number of degrees of freedom can be reduced by using the condensation method, thus reducing the time and cost for calculating the eigenvalues and eigenvectors, and the time and cost for the subsequent calculation. In this paper, Guyan reduction method is used as sub-structuring technique. By combining simplified three-dimensional bridge-train interaction analysis and Guyan reduction method, the efficient and accurate bridge-train interaction analysis can be performed.
This paper presents the effects of dynamic response of the railway bridge through the suspension system when the train is moving with uniform speed and non-uniform speed Railway bridges are subjected to dynamic loads generated by the interaction between moving vehicles and the bridge structures. these dynamic loads result in response fluctuation in bridge members. To investigate the real dynamic behavior of the bridge, a number of analytical and experimental investigation should be carried out. This paper, a train/bridge interaction analysis program considerate braking action. New scheme consideration of braking action on the bridge using speed-dependent braking function is presented. This program also used torsional degree of freedom and constraint equation based on geometrical relationship in order to take into consideration three-dimensional eccentricity effect due to the operation on double track through quasi three-dimensional analysis.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2003.10a
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pp.444-451
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2003
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.
In this study, the new three-dimensional finite element analysis model of guideway structures considering ultra high-speed magnetic levitation train-bridge interaction, in which the various improved finite elements are used to model structural members, is proposed. The box-type bridge deck of guideway structures is modeled by Nonconforming Flat Shell finite elements with six DOF (degrees of freedom). The sidewalls on a bridge deck are idealized by using beam finite elements and spring connecting elements. The vehicle model devised for an ultra high-speed Maglev train is employed, which is composed of rigid bodies with concentrated mass. The characteristics of levitation and guidance force, which exist between the super-conducting magnet and guideway, are modeled with the equivalent spring model. By Lagrange's equations of motion, the equations of motion of Maglev train are formulated. Finally, by deriving the equations of the force acting on the guideway considering Maglev train-bridge interaction, the complete system matrices of Maglev train-guideway structure system are composed.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.16
no.2
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pp.141-151
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2003
Railway bridges are subject to dynamic loads generated by the interaction between moving vehicles and the bridge structures. These dynamic loads result in response fluctuations in bridge members. To investigate the real dynamic behavior of the bridge, therefore, a number of analytical and experimental Investigations should be carried out. In this paper, a train/track/bridge interaction analysis program for evaluating the dynamic characteristics of bridges due to KTX operation in terms of structural safety, operational safety and passenger comfort is developed. To build a practical model of train/track/bridge, Hertzian spring for wheel/rail contact modeling and Winkler element for ballast are applied. This program also used torsional degree of freedom and constraint equation based on geometrical relationship in order to take into consideration three-dimensional eccentricity effect due to the operation on double track through quasi-three dimensional analysis. To verify the developed Program, comparison has been made between the measured results and those of simulation of the typical PSC box bridge(2@40m=80m) of the KHSR bridges.
Dinh, Van Nguyen;Kim, Ki Du;Shim, Jae Soo;Choi, Eun Soo;Songsak, Suthasupradit
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.20
no.1
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pp.151-163
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2008
A formulation of three-dimensional model of articulated train-b ridge dynamic interaction has been made for the Korean eXpress Train (KTX). Semi-periodic profiles of rail irregularities consisting of elevation, alignment, cross and gauge irregularities have also been proposed using FRA maximum tolerable rail deviations. The effects of rail joints and sleeper step were also included. The resulting system matrices of train and bridge are very spare, and thus, are stored in one-dimensional arrays, yielding a time-efficient solution. A numerical algorithm for computing bridge-train response including an iterative scheme is also formulated. A program simulating train-bridge interaction and solving this problem using the new algorithm is implemented as new modules for the f inite element analysis software named XFINAS. Computed results using the new program are then checked by that of the validated 2-D bridge-train interaction model. This new 3D analysis provides more detailed train responses such as swaying, bouncing, rolling, pitching and yawing accelerations, which are useful inevaluating passenger riding comfort. Train operation safety and derailment could also be directly investigated by relative wheel displacements computed from this program.
Kim, Chul-Woo;Kawatani, Mitsuo;Lee, Chang-Hun;Nishimura, Nobuo
Structural Engineering and Mechanics
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v.26
no.2
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pp.111-126
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2007
Dynamic responses of the bridge for a straddle-type monorail subjected to the ground motion of high probability to occur are investigated by means of a three-dimensional traffic-induced vibration analysis to clarify the effect of a train's dynamic system on seismic responses of a monorail bridge. A 15DOFs model is assumed for a car in the monorail train. The validity of developed equations of motion for a monorail train-bridge interaction system is verified by comparison with the field-test data. The inertia effect due to a ground motion is combined with the monorail train-bridge interaction system to investigate the seismic response of the monorail bridge under a moving train. An interesting result is that the dynamic system of the train on monorail bridges can act as a damper during earthquakes. The observation of numerical results also points out that the damper effect due to the dynamic system of the monorail train tends to decrease with increasing speed of the train.
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.
This paper investigates the ground vibration induced by high-speed trains moving on multi-span continuous bridges. The dynamic impact factor of multi-span continuous bridges under trainloads was first determined in the parametric study, which shows that the dynamic impact factor will be large when the first bridge vertical natural frequency is equal to the trainload dominant frequencies, nV/D, where n is a positive integer, V is the train speed, and D is the train carriage interval. In addition, more continuous spans will produce smaller dynamic impact factors at this resonance condition. Based on the results of three-dimensional finite element analyses using the soil-structure interaction for realistic high-speed railway bridges, we suggest that the bridge span be set at 1.4 to 1.5 times the carriage interval for simply supported bridges. If not, the use of four or more-than-four-span continuous bridges is suggested to reduce the train-induced vibration. This study also indicates that the vibration in the train is major generated from the rail irregularities and that from the bridge deformation is not dominant.
An analysis framework for vehicle-bridge dynamic interaction system under turbulent wind is proposed based on the relevant theory of wind engineering and dynamics. Considering the fluctuating properties of wind field, the stochastic wind velocity time history is simulated by the Auto-Regressive method in terms of power spectral density function of wind field. The bridge is represented by three-dimensional finite element model and the vehicle by a multi-rigid-body system connected by springs and dashpots. The detailed calculation formulas of unsteady aerodynamic forces on bridge and vehicle are derived. In addition, the form selection of wind barriers, which are applied as the windbreak measures of newly-built railways in northwest China, is studied based on the suggested evaluation index, and the suitable values about height and porosity rate of wind barriers are studied. By taking a multi-span simply-supported box-girder bridge as a case study, the dynamic response of the bridge and the running safety indices of the train traveling on the bridge with and without wind barriers are calculated. The limit values of train speed with respect to different wind velocities are proposed according to the allowance values in the design code.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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