Dynamic Soil-Structure Interaction Analysis of High-Speed Railway Bridges : Efficient modeling techniques and Experimental testing

The work reported in this thesis presents a general overview of the resonant response of high-speed railway bridges considering soil-structure interaction. The study aims to identify the effect of the surrounding and underlying soil on the global stiffness and damping of the structural system. This may lead to better assumptions and more efficient numerical models for design. A simple and accurate analytical model for computing the dynamic characteristics of the fundamental bending mode of single span beam bridges on viscoelastic supports was proposed. This model was used to study the effect of the dynamic stiffness of the foundation on the modal parameters of railway beam bridges. It was shown that the variation in the underlying soil profiles leads to a different dynamic response of the system. This effect depends on the ratio between the flexural stiffness of the bridge and the dynamic stiffness of the foundation-soil system but also on the ratio between the resonant frequency of the soil layer and the fundamental frequency of the bridge. In addition, an approximate formula to estimate maximum resonant acceleration of beams under passage of high-speed trains has been proposed.The effect of the surrounding soil conditions on the vertical dynamic response of portal frame bridges was also investigated both numerically and experimentally. To this end, different numerical models have been developed. A simplified and accurate model for the surrounding soil was also proposed in order to define a less complicated approach appropriate for practical design purposes. Controlled vibration tests have been performed on six full-scale portal frame bridges to determine the modal properties of the bridge-soil system and calibrate the numerical models. Both experimental and numerical results identified the substantial contribution of the surrounding soil on the global damping of short-span portal frame bridges while the effect decreases as the ratio between the deck stiffness and the abutment/soil stiffness decreases.Avhandlingen omfattar en översikt över den dynamiska responsen av järnvägsbroar med beaktande av jord-bro interaktion. Studien syftar till att identifiera jordens effekter på den globala styvheten och dämpningen hos systemet. Från en praktisk synvinkel kan detta resultera i förbättrade antaganden och mer tillförlitliga och effektiva numeriska modeller för praktiska ändamål. För balkbroar på viskoelastiska stöd har en enkel analytisk modell för beräkning av den vertikala böjmodens dynamiska egenskaper tagits fram. Modellen har använts för att studera effekten av fundamentets dynamiska styvhet från den första egenfrekvensen och dämpningen hos järnvägsbroar. Det visade sig att variationen i jordprofil kan leda till väsentliga skillnader i systemets dynamiska respons. Detta beror på förhållandet mellan brons böjstyvhet och fundamentets dynamiska styvhet samt förhållandet mellan jordens resonansfrekvens och brons grundfrekvens. En approximativ formel för att uppskatta maximal acceleration hos balkbroar vid passage av höghastighetståg har föreslagits.Effekten av omgivande markförhållandena på den dynamiska responsen hos plattrambroar studerades också, både numeriskt och experimentellt. För detta ändamål har olika numeriska modeller utvecklats. I avhandlingen föreslogs också en förenklad FE modell för den omgivande jorden för att uppnå en mindre komplex modell som är lämplig för praktisk dimensionering. Vidare har kontrollerade vibrationstester utförts på sex enkelspåriga plattrambroar för att bestämma systemets modala egenskaper och kalibrera de numeriska modellerna. Både experimentella och numeriska resultat har identifierat den omgivande jordens betydande bidrag på den globala dämpningen, i synnerhet för korta plattrambroar, medan effekten minskar när förhållandet mellan spårplattans styvhet och landfästet/jordens styvhet minskar.