Finite Element Analysis of the Dynamic Effect of Soil-Structure Interaction of Portal Frame Bridges - A Parametric Study

In Sweden, the railway sector currently faces the challenge of developing its first high-speed railway line, in response to the need to provide faster domestic and international transport alternatives. High-speed train passages on railway bridges can cause resonance in the bridge superstructure, which induce high accelerations that should not exceed the limits stipulated in the current design code. The most common bridge type adopted in Sweden is the portal frame bridge, an integral abutment bridge confined by surrounding soil. The soil possesses inherent material damping and radiation damping that allows energy dissipation of train-induced vibrations. Both the damping and the natural frequency of the soil-structure system influence the acceleration response of the bridge superstructure. Therefore, it is necessary to investigate the effect of soil-structure interaction on portal frame bridges. Within this thesis, a numerical parametric study was performed to gain knowledge of the dynamic effect of the relative deck-abutment stiffness on the soil-structure interaction of portal frame bridges. For four span lengths, three different boundary conditions were analyzed in the form of i) no soil, ii) backfill, and iii) half-space. The analysis was performed on two- and three-dimensional finite element models. The backfill and subsoil were modeled with both direct finite element approach, and with a simplified approach using Kelvin-Voigt models and frequency-dependent impedance functions. Furthermore, time was devoted to investigating the nonlinear compression-only behavior of the interaction between the backfill and the abutments to allow separation. The results presented in the thesis illuminate the essence of including soil-structure interaction in the dynamic analysis as both the modal damping ratio and the natural frequency increased drastically. The effect of backfill on short span bridges has shown to be more prominent on the reduction of the train-induced vibrations. For longer spans, the subsoil proved to be more significant. For the simplified models the modal damping ratios of the different span lengths have been quantified as a logarithmic trend of the first vertical bending mode. Two-dimensional models have been problematic when using plane stress elements due to the sensitivity of the element thickness on the response. Thus, such models are only recommended if validation with corresponding three-dimensional models and/or field measurements are possible. By allowing separation of the soil-structure interface, the effect of contact nonlinearity on the acceleration response has been more suitable with direct finite element approach - in which static effects of the soil are accounted for - contrary to the simplified nonlinear models with compression springs.Järnvägssektorn i Sverige står inför utmaningen att utveckla den första höghastighetsbanan med syftet att erbjuda snabbare inhemska och internationella transportalternativ. Passager av höghastighetståg på järnvägsbroar kan orsaka resonans i brons överbyggnad vilket resulterar i höga accelerationer som inte får överskrida begränsningarna i dimensioneringsnormen. I plattrambroar, vilka är främst förekommande i Sverige, utförs broplattan inspänt i rambenen omslutna av jord. Jorden bidrar utöver styvhet, även med material- och strålningsdämpning där vibrationer i jorden inducerade av tågpassager tillåts dissipera. Accelerationerna i brons överbyggnad påverkas av dämpningen och egenfrekvensen av jord-struktur systemet. Med anledning av detta är det väsentligt att undersöka effeken av jord-struktur interaktionen på plattrambroar. I detta examensarbete har en numerisk parametrisk studie utförts för att erhålla kunskap om effekten av den relativa styvheten av broplattan och rambenen på jord-struktur interaktionen av plattrambroar. Fyra spännvidder har undersökts för tre olika randvillkor där i) ingen jord, ii) motfyllning samt iii) halvrymd har beaktats. Analysen utfördes på två- och tredimensionella finita element modeller. Motfyllningen respektive underliggande jord modellerades med finita element på ett direkt- samt förenklat tillvägagångssätt där Kelvin-Voigt modeller och frekvensberoende impedansfunktioner användes. Mellan motfyllningen och rambenen har separation tillåtits där det icke-linjära förhållandet av interaktionen undersöktes med tryckbeteenden för fjädrarna. Resultaten belyser vikten av att inkludera jord-struktur interaktionen i dynamiska analyser p.g.a. ökningen den medför för den modala dämpningen och egenfrekvensen. För korta spännvidder, påvisades det att effekten av motfyllningen var mer framstående för reduktionen av vibrationerna orsakade av tåg. För längre spännvidder framgick det däremot att underjorden hade en större påverkan. Effekten av jord-struktur interaktionen på spännvidderna kvantifierades som ett logaritmiskt samband för den modala dämpningen av första vertikala böjmoden. Tvådimensionella modeller har varit problematiska när plana spänningselement användes p.g.a. känsligheten i responsen orsakad av variationer i elementtjockleken. Därav rekommenderas tvådimensionella modeller endast om validering mot tredimensionella eller fältmätningar är möjliga. När separation tilläts i gränsytan av jord-struktur interaktionen, visade det sig att direkt tillvägagångssätt med finita element var mer lämplig med hänsyn till det icke-linjära kontaktbeteendet. Detta eftersom de statiska effekterna av jorden påverkade accelerationsresponsen markant. De statiska effekterna har inte varit möjliga att simulera i dem förenklade icke-linjära modeller med tryckfjädrar