I föreliggande rapport har inventering och dynamiska kontroller utförts på 76 järnvägs­broar längs Botniabanan. Samtliga broar är byggda under perioden 1999 – 2009 och dimensionerade statiskt för tåglast BV2000. Broarna kan indelas i tre grupper; balk- och plattbroar, plattrambroar och samverkansbroar. Baserat på förenklade dynamiska analyser erhålls ett överskridande av den vertikala accelerationen för 75 % av alla plattrambroar och 40 % av alla balk- och plattbroar. Överskridande erhålls även för 4 av 9 samverkansbroar. Av totalt 76 analyserade broar motsvarar detta 41 broar som inte uppfyller kravet på sth 250 km/h. En sänkning till sth 200 km/h ger att 26 broar inte klarar de dynamiska kraven. Fyra broar har en nominell kritisk hastighet under 120 km/h. För plattrambroarna är accelerationsnivån i hög grad beroende på grundläggnings­förhållandena. Enligt tidigare BV Bro medräknades endast frekvenser upp till 30 Hz, vilket i kombination med antagande om oeftergivliga stöd ofta resulterade i att dynamiska kontroller inte utfördes för plattrambroar. Eftergivlighet hos grund­läggningen resulterar i vertikala stelkroppsmoder som i kombination med med­svängande massa av angränsande fyllning ger låga egenfrekvenser och därmed låga resonanshastigheter. För balkbroar beräknas mycket höga accelerationsnivåer då dessa är utformade med ändskärmar. Orsaken är att tåglasten inducerar en stötbelastning då den passerar änden på ändskärmen. Detta ger höga accelerationsnivåer även i angränsande spann, även utanför ett resonanstillstånd. Plattbroar ger ofta högre accelerationsnivåer jämfört med motsvarande balkbroar, beroende på att en lägre böjstyvhet ger lägre resonanshastighet. Detta förvärras kraftigt för plattbroar utformade med ändskärmar, vilket identifierats för t.ex. bro över Sidensjövägen. För samverkansbroarna beror de höga accelerationsnivåerna på en kombination av låg böjstyvhet och låg massa, vilket ger en låg resonanshastighet och hög accelerations­nivå. Problemet är störst för två fritt upplagda broar, Banafjälsån och Bryngeån. Förslag på fortsatta utredningar i syfte att påvisa att fler broar klarar de dynamiska kraven inkluderar mer avancerade analysmetoder i kombination med fältmätningar och kontrollerad excitering. Det bedöms i nuläget finnas stor potential att påvisa lägre accelerationsnivåer baserat på mindre konservativa antaganden om t.ex. dämpning och samverkan mellan bro och omgivande fyllning. / <p>QCV 20130529</p>

Under de senaste decennierna parallellt med klimatdiskussionen har det vuxit fram ett stort intresse för höghastighetståg och en förbättrad infrastruktur i Sverige. I delar av Europa men speciellt i Kina och Japan har utvecklingen av höghastighetståg fått ett enormt lyft. Ett problem vid höjda tåghastigheter är att broarna vid en kombination av låg massa och låg egenfrekvens riskerar att orsaka resonans och höga accelerationsnivåer vid passage. Ballastspår är namnet för det traditionella järnvägsspåret i Sverige. Ballastfria spår är motsatsen till ballastspår. Andra namn för ballastfria spår är Fixerat spår eller slab track. Det är stora skillnader mellan de två olika järnvägssystemen. Det som skiljer traditionella järnvägsspår och ballastfria järnvägsspår är att vid traditionella järnvägsspår fästs rälerna på slipers som därefter packas i makadam. Vid ballastfria järnvägsspår byggs spåret av en längsgående betongplatta istället för makadam. Systemet befästs sedan i betongplattan eller via betongblock som gjuts in i den betongplattan. Ballastfria spår är vanligare vid tunnel- och brobyggen i Europa än de är i Sverige, speciellt vid höghastighetsjärnvägar. Vid dimensionering av olika bärande element i byggnader och anläggningar finns det laster som är tidsberoende. Dessa laster kommer från maskiner, anordningar med rörliga massor, jordbävningar eller fordon på broar. Detta medför svängningar i konstruktionen. I vissa fall är det möjligt att förenkla beräkningen och behandla lasterna som statiska laster. Till exempel genom att tillföra ett så kallat dynamiskt tillskott (schablonvärden) på den statiska lasten. Vid brodimensionering är det krav att en dynamisk analys görs vid hastigheter överstigande 200 km/h. I detta examensjobb har de vertikala accelerationsnivåerna i en järnvägsbro vid högre tåg-hastigheter jämförts för ballasterad- och ballastfri överbyggnad. De tåghastigheter som undersökt är mellan 200 – 300 km/h med steg om 20 km/h. Beräkningarna för järnvägsbron har gjorts i datorprogrammet Brigade plus som är baserat på finita elementanalyser. Scanscot Technology AB är ansvariga utgivare för datorprogrammet. Examensarbetets upplägg har innehållit litteraturstudier angående dynamik samt normer och krav från Eurokod och Trafikverket. / During the last decade with the world’s climate changes a discussion has develop about high speed trains and the ambition to improve the infrastructure in Sweden. In parts of Europe and especially China and Japan it has been in the last decade a very fast growing development in the infrastructure for high speed trains. One of many problems with higher train speed is that the bridges are a combination of low mass and low frequency. This is a risk that can cause resonance and higher vertical acceleration. Ballast track is the name for the traditional railway system in Sweden. The ballastless track is the opposite of ballast track system. Other names for ballastless track is Fixed track or slab track. There are big differences between the two railway systems. The differences between the traditional railway track and the ballastless track are the traditional railroad rails attached to sleepers who then are packed into macadam. The ballastless track built track of a longitudinal concrete slab instead of macadam. The system then consolidated in the concrete slab or through concrete blocks cast in the concrete slab. Ballastless tracks are common in tunnel and bridge construction in Europe than in Sweden, especially in high-speed railways. When dimensioning different carrying elements in buildings and constructions there are time-dependent loads to take in account. These loads come from machines, constructions with dynamic masses, earthquakes or vehicles on bridges and causes oscillations in the construction. It is possible in some cases to simplify the calculations and treat the loads as static loads, for example, by adding a so called dynamic contribution to the static load. When calculating the dimensions for a bridge, a dynamic analysis for speeds above 200 km/h is required. In this thesis has the vertical acceleration that arises in the lane been compared for ballast and non-ballast systems for a railway bridge. The speeds that have been investigated are 200 – 300 km/h with 20 km/h interval. The calculations for the bridge have been done in the programme Brigade plus that is based on FEM analysis. Scanscot Technology AB is the company who is accountable for the software program Brigade plus. The thesis setup has been literature studies about dynamic analysis, standards and demands from Eurokod and Trafikverket.

Increasing the operational speed of trains has attracted a lot of interest in the last decades and has brought new challenges, especially in terms of infrastructure design methodology, as it may induce excessive vibrations. Such demands can damage bridges, which in turn increases maintenance costs, endangers the safety of passing trains and disrupts passenger comfort. Conventional design provisions should therefore be evaluated in the light of modern concerns; nevertheless, several previous studies have highlighted some of their shortcomings. It should be emphasized that most of these studies have neglected the uncertainties involved, which preventsthe reported results from representing a complete picture of the problem. In this respect, the present thesis is dedicated to evaluating the performance of conventional design methods, especially those related to running safety and passenger comfort, using probabilistic approaches. To achieve this objective, a preliminary study was carried out using the first-order reliability method for short/medium span bridges passed by trains at a wide range of operating speeds. Comparison of these results with the corresponding deterministic responses showed that applying a constant safety factor to the running safety threshold does not guarantee that the safety index will be identical for all bridges. It also shows that the conventional design approaches result in failure probabilities that are higher than the target values. This conclusion highlights the need to update the design methodology for running safety. However, it would be essential to determine whether running safety is the predominant design criterion before conducting further analysis. Therefore, a stochastic comparison between this criterion and passenger comfort was performed. Due to the significant computational cost of such investigations, subset simulation and crude Monte-Carlo (MC) simulation using meta-models based on polynomial chaos expansion were employed. Both methods were found to perform well, with running safety almost always dominating the passenger comfort limit state. Subsequently, classification-based meta-models, e.g. support vector machines, k-nearest neighbours and decision trees, were combined using ensemble techniques to investigate the influence of soil-structure interaction on the evaluated reliability of running safety. The obtained results showed a significant influence, highlighting the need for detailed investigations in further studies. Finally, a reliability-based design optimization was conducted to update the conventional design method of running safety by proposing minimum requirements for the mass per length and moment of inertia of bridges. It is worth mentioning that the inner loop of the method was solved by a crude MC simulation using adaptively trained Kriging meta-models. / Att öka tågens hastighet har väckt stort intresse under de senaste decennierna och har medfört nya utmaningar, särskilt när det gäller broanalyser, eftersom tågen inducerar stora vibrationer. Sådana vibrationer kan öka underhållskostnaderna, äventyra säkerheten för förbipasserande tåg och påverka passagerarkomforten. Konstruktionsbestämmelser bör därför utvärderas mot bakgrund av dessa problem; dock har flera tidigare studier belyst några av bristerna i dagens bestämmelser. Det bör understrykas att de flesta av dessa studier har försummat de osäkerheter som är involverade, vilket hindrar de rapporterade resultaten från att representera en fullständig bild av problemet. I detta avseende syftar denna avhandling till att utvärdera prestandan hos konventionella analysmetoder, särskilt de som rör körsäkerhet och passagerarkomfort, med hjälp av sannolikhetsmetoder. För att uppnå detta mål genomfördes en preliminär studie med första ordningens tillförlitlighetsnmetod för broar med kort/medellång spännvidd som passeras av tåg med ett brett hastighetsspektrum. Jämförelse av dessa resultat med motsvarande deterministiska respons visade att tillämpa en konstant säkerhetsfaktor för verifieringen av trafiksäkerhet inte garanterar att säkerhetsindexet kommer att vara identiskt för alla broar. Det visar också att de konventionella analysmetoderna resulterar i brottsannolikheter som är högre än målvärdena. Denna slutsats belyser behovet av att uppdatera analysmetoden för trafiksäkerhet. Det skulle emellertid vara viktigt att avgöra om trafiksäkerhet är det dominerande designkriteriet innan ytterligare analyser genomförs. Därför utfördes en stokastisk jämförelse mellan detta kriterium och kriteriet för passagerarkomfort. På grund av den betydande. analystiden för sådana beräkningar användes delmängdssimulering och Monte-Carlo (MC) simulering med metamodeller baserade på polynomisk kaosutvidgning. Båda metoderna visade sig fungera bra, med trafiksäkerhet som nästan alltid dominerade över gränsningstillståndet för passagerarkomfort. Därefter kombinerades klassificeringsbaserade metamodeller som stödvektormaskin och beslutsträd genom ensembletekniker, för att undersöka påverkan av jord-brointeraktion på den utvärderade tillförlitligheten gällande trafiksäkerhet. De erhållna resultaten visade en signifikant påverkan och betonade behovet av detaljerade undersökningar genom ytterligare studier. Slutligen genomfördes en tillförlitlighetsbaserad konstruktionsoptimering för att föreslå ett minimikrav på erforderlig bromassa per längdmeter och tröghetsmoment. Det är värt att nämna att metodens inre loop löstes med en MC-simulering med adaptivt tränade Kriging-metamodeller. / <p>QC 20210910</p>