Columns are critical elements of any structure and their failure can lead to the catastrophic consequences of progressive failure. In structural design, procedures to design structures to resist conventional loads are well established. But design for accidental loading conditions is increasingly requested by clients and occupants in modern engineering designs. Among many accidental causes that induce column failure, impact (e.g. vehicular impact, ship impact, crane impact, impact by flying debris after an explosion) has rarely been considered in the modern engineering designs of civil engineering structures such as buildings and bridges. Therefore, most of the design requirements for structural members under vehicle impact as suggested by the current standards and codes such as Eurocode 1 are based on simple equations or procedures that make gross assumptions and they may be highly inaccurate. This research aims to develop more accurate methods of assessing steel column behaviour under vehicle impact.The first main objective of this study is to numerically simulate the dynamic impact response of axially loaded steel columns under vehicle impact, including the prediction of failure modes, using the finite element method. To achieve this goal, a numerical model has been proposed and validated to simulate the behaviour and failure modes of axially loaded steel columns under rigid body impact using the commercial finite element code ABAQUS/Explicit. Afterwards, an extensive parametric study was conducted to provide a comprehensive database of results covering different impact masses, impact velocities and impact locations in addition to different column boundary conditions, axial load ratios and section sizes. The parametric study results show that global buckling is the predominant failure mode of axially unrestrained compressed steel columns under transverse impact. The parametric study results have also revealed that column failure was mainly dependent on the value of the kinetic energy of impact. The parametric study has also shown that strain rate has a minor effect on the behaviour and failure of steel columns under low to medium velocity impact. The parametric study results have been used to develop an understanding of the detailed behaviour of steel columns under transverse impact in order to inform the assumptions of the proposed analytical method.To account for the effect of vehicle impact on the behaviour of steel columns, a simplified numerical vehicle model was developed and validated in this study using a spring mass system. In this spring mass system, the spring represents the stiffness characteristics of the vehicle. The vehicle stiffness characteristics can be assumed to be bilinear, with the first part representing the vehicle deformation behaviour up to the engine box and the second part representing the stiffness of the engine box, which is almost rigid. The second main objective of this research is to develop a simplified analytical approach that can be used to predict the critical velocity of impact on steel columns. The proposed method utilizes the energy balance principle with a quasi-static approximation of the steel column response and assumes global plastic buckling as the main failure mode of the impacted column. The validation results show very good agreement between the analytical method results and the ABAQUS simulation results with the analytical results tending to be on the safe side. A detailed assessment of the design requirements suggested by Eurocode 1, regarding the design of steel columns to resist vehicle impact, has shown that the equivalent static design force approach can be used in the design of moderately sized columns that are typically used in low multi-storey buildings (less than 10 storeys). For bigger columns, it is unsafe to use the Eurocode 1 equivalent static forces. It is acceptable to use a dynamic impulse in a dynamic analysis to represent the dynamic action of vehicle impact on columns, but it is important that both the column and vehicle stiffness values should be included when calculating the equivalent impulse force – time relationship. It is also necessary to consider the two stage behaviour of the impacting vehicle, before and after the column is in contact with the vehicle engine. A method has been developed to implement these changes.

The use of continuously welded rails (CWR) governs the longitudinal stress caused by seasonal temperature changes, bending of supporting structure and braking/accelerating due to passing trains. Those three loads have been regulated in Eurocode1 and accomplished by the national codes like DIN Fb-101 in Germany. An additional loading case identified and treated in this thesis is the load due to a change of the coupling stiffness in longitudinal direction between the track and bridge. This additional load occurs as a consequence of the employment of a nonlinear stiffness law which increases the restoring force by a factor of 3 when the situation of the track changes from ‘unloaded’ to ‘loaded’ due to a passing train. This particular phenomenon has not been mentioned in the codes so far though it is a natural consequence of fundamental conditions in those codes. For CWR the longitudinal coupling between the rail and bridge plays an important role. This coupling interface is created either by a ballast, for a ballasted track, or by a fastening system in the case of slab track. The deformation state of the coupling interface characterizes the behaviour of the system, whether elastic or plastic. Therefore, the nonlinear behaviour is valid for the system. To accommodate the nonlinear nature, a sequential loading analysis is used, taking into account the loading history. As the change situation due to a passing train happens in a short time, the influence of the mass acceleration should be taken into account in the system’s equilibrium. This aspect is investigated by treating the dynamic load as an impulse-like load. However, a realistic load needs some time to affect the whole bridge, thus the continuous change of stiffness is used to simulate the dynamic analysis. There is a lack of information on determining the value of coupling stiffness in longitudinal direction caused by a passing train. Therefore, it is important to evaluate the coupling stiffness from field measurements in order to find reliable values. The implementation of the load onto several typical bridges shows that the change of the coupling stiffness increases the stresses and it should not be neglected. The evaluation of the load due to a change of the coupling stiffness accompanied by bending of the supporting structure gives satisfactory results by using the static analysis only. Thus, a dynamic analysis can be avoided. Multiple cycles of passing trains occurring after seasonal temperature change indicate a significant increase of elastic parts along the track-bridge coupling interface and a decrease in stresses in the rails. Thus the danger of deterioration is reduced significantly. / Die Verwendung von durchgehend geschweißten Schienen auf Brücken führt zu zusätzlichen Längsspannungen infolge der Lastfälle jahreszeitliche Temperaturänderung, Brückendurchbiegung und Bremsen/Anfahren. Diese drei Lasten sind durch den Eurocode 1 vorgegeben und in die nationale deutsche Norm DIN Fb-101 integriert. In dieser Arbeit wird erstmals ein weiterer Lastfall identifiziert und behandelt, der durch den Wechsel der Koppelsteifigkeit in Längsrichtung zwischen Gleis und Tragwerk bei der Zugüberfahrt begründet wird. Dieser Lastfall wird hier mit „Ruck“ bezeichnet und ist eine zwangsläufige Konsequenz des nichtlinearen Längsverschiebewiderstandes, wie er im EC 1 und im DIN Fb-101 vorgegeben ist. Dennoch wurden die Auswirkungen auf das Systemverhalten bisher nicht untersucht. Bei einem Wechsel vom unbelasteten Gleis zum belasteten Gleis während einer Zugüberfahrt erhöht sich zum Beispiel der Längsverschiebewiderstand für ein Schottergleis um den Faktor 3! Die dadurch bedingte Veränderung des Zusammenwirkens zwischen Gleis und Tragwerk führt zu einer Veränderung des Systemzustandes und damit zu veränderten Schienenspannungen. Für durchgehend geschweißte Schienen spielt die Längskopplung zwischen Schiene und Brücke eine wesentliche Rolle. Beim Schottergleis wird sie dargestellt durch die Einbettung des Gleisrostes im Schotterbett im Zusammenwirken mit der Schienenbefestigung. Bei der festen Fahrbahn durch das Befestigungssystem. Für kleine Deformationen ist die Koppelsteifigkeit proportional zur Relativverschiebung zwischen Gleis und Brücke. Darüberhinaus geht das linear elastische Verhalten in ein quasi plastisches Verhalten mit konstanter Koppelkraft über. Folgerichtig ist die Behandlung einer Lastenfolge nur in inkrementeller Weise unter Einbeziehung der Verformungsgeschichte mechanisch korrekt. Die Lastfälle Bremsen/Anfahren, Brückendurchbiegung und Ruck ereignen sich nur während der Zugüberfahrt; also in relativ kurzer Zeit, dann allerdings mit einem erheblichen Lastgradienten. Somit stellt sich die Frage nach dem Einfluss der Massenbeschleunigungen, die in dieser Arbeit geklärt wird. Die im Fachbericht genanntenWerte für den Längsverschiebewiderstand des belasteten Gleises basieren auf einer relativ geringen Datenmenge. Aus diesem Grund werden die Messdaten einer umfangreichen Feldmessung mit Zugüberfahrten zu Aussagen über den Längsverschiebewiederstand herangezogen und die Problematik derartiger Messungen beleuchtet. Die unterschiedlichen Modellierungen des Lastfalls „Ruck“, einmal rein statisch und zum anderen dynamisch, ergeben übereinstimmende Schienenlängsspannungen für die statische und die kontinuierliche dynamische Variante. Somit kann auf die aufwändige dynamische Analyse verzichtet werden. Mehrere Zyklen von Zugüberfahrten im Anschluss an eine jahreszeitliche Temperaturänderung bewirken einen signifikanten Abbau der Durchrutschbereiche, also eine Erhöhung der elastischen Abschnitte in der Koppelfuge zwischen Bauwerk und Gleis verbunden mit einer Abnahme der Schienendruckspannungen. Somit hilft dieser Effekt dem System, der jahreszeitlichen Temperaturänderung zu widerstehen.

The use of continuously welded rails (CWR) governs the longitudinal stress caused by seasonal temperature changes, bending of supporting structure and braking/accelerating due to passing trains. Those three loads have been regulated in Eurocode1 and accomplished by the national codes like DIN Fb-101 in Germany. An additional loading case identified and treated in this thesis is the load due to a change of the coupling stiffness in longitudinal direction between the track and bridge. This additional load occurs as a consequence of the employment of a nonlinear stiffness law which increases the restoring force by a factor of 3 when the situation of the track changes from ‘unloaded’ to ‘loaded’ due to a passing train. This particular phenomenon has not been mentioned in the codes so far though it is a natural consequence of fundamental conditions in those codes. For CWR the longitudinal coupling between the rail and bridge plays an important role. This coupling interface is created either by a ballast, for a ballasted track, or by a fastening system in the case of slab track. The deformation state of the coupling interface characterizes the behaviour of the system, whether elastic or plastic. Therefore, the nonlinear behaviour is valid for the system. To accommodate the nonlinear nature, a sequential loading analysis is used, taking into account the loading history. As the change situation due to a passing train happens in a short time, the influence of the mass acceleration should be taken into account in the system’s equilibrium. This aspect is investigated by treating the dynamic load as an impulse-like load. However, a realistic load needs some time to affect the whole bridge, thus the continuous change of stiffness is used to simulate the dynamic analysis. There is a lack of information on determining the value of coupling stiffness in longitudinal direction caused by a passing train. Therefore, it is important to evaluate the coupling stiffness from field measurements in order to find reliable values. The implementation of the load onto several typical bridges shows that the change of the coupling stiffness increases the stresses and it should not be neglected. The evaluation of the load due to a change of the coupling stiffness accompanied by bending of the supporting structure gives satisfactory results by using the static analysis only. Thus, a dynamic analysis can be avoided. Multiple cycles of passing trains occurring after seasonal temperature change indicate a significant increase of elastic parts along the track-bridge coupling interface and a decrease in stresses in the rails. Thus the danger of deterioration is reduced significantly. / Die Verwendung von durchgehend geschweißten Schienen auf Brücken führt zu zusätzlichen Längsspannungen infolge der Lastfälle jahreszeitliche Temperaturänderung, Brückendurchbiegung und Bremsen/Anfahren. Diese drei Lasten sind durch den Eurocode 1 vorgegeben und in die nationale deutsche Norm DIN Fb-101 integriert. In dieser Arbeit wird erstmals ein weiterer Lastfall identifiziert und behandelt, der durch den Wechsel der Koppelsteifigkeit in Längsrichtung zwischen Gleis und Tragwerk bei der Zugüberfahrt begründet wird. Dieser Lastfall wird hier mit „Ruck“ bezeichnet und ist eine zwangsläufige Konsequenz des nichtlinearen Längsverschiebewiderstandes, wie er im EC 1 und im DIN Fb-101 vorgegeben ist. Dennoch wurden die Auswirkungen auf das Systemverhalten bisher nicht untersucht. Bei einem Wechsel vom unbelasteten Gleis zum belasteten Gleis während einer Zugüberfahrt erhöht sich zum Beispiel der Längsverschiebewiderstand für ein Schottergleis um den Faktor 3! Die dadurch bedingte Veränderung des Zusammenwirkens zwischen Gleis und Tragwerk führt zu einer Veränderung des Systemzustandes und damit zu veränderten Schienenspannungen. Für durchgehend geschweißte Schienen spielt die Längskopplung zwischen Schiene und Brücke eine wesentliche Rolle. Beim Schottergleis wird sie dargestellt durch die Einbettung des Gleisrostes im Schotterbett im Zusammenwirken mit der Schienenbefestigung. Bei der festen Fahrbahn durch das Befestigungssystem. Für kleine Deformationen ist die Koppelsteifigkeit proportional zur Relativverschiebung zwischen Gleis und Brücke. Darüberhinaus geht das linear elastische Verhalten in ein quasi plastisches Verhalten mit konstanter Koppelkraft über. Folgerichtig ist die Behandlung einer Lastenfolge nur in inkrementeller Weise unter Einbeziehung der Verformungsgeschichte mechanisch korrekt. Die Lastfälle Bremsen/Anfahren, Brückendurchbiegung und Ruck ereignen sich nur während der Zugüberfahrt; also in relativ kurzer Zeit, dann allerdings mit einem erheblichen Lastgradienten. Somit stellt sich die Frage nach dem Einfluss der Massenbeschleunigungen, die in dieser Arbeit geklärt wird. Die im Fachbericht genanntenWerte für den Längsverschiebewiderstand des belasteten Gleises basieren auf einer relativ geringen Datenmenge. Aus diesem Grund werden die Messdaten einer umfangreichen Feldmessung mit Zugüberfahrten zu Aussagen über den Längsverschiebewiederstand herangezogen und die Problematik derartiger Messungen beleuchtet. Die unterschiedlichen Modellierungen des Lastfalls „Ruck“, einmal rein statisch und zum anderen dynamisch, ergeben übereinstimmende Schienenlängsspannungen für die statische und die kontinuierliche dynamische Variante. Somit kann auf die aufwändige dynamische Analyse verzichtet werden. Mehrere Zyklen von Zugüberfahrten im Anschluss an eine jahreszeitliche Temperaturänderung bewirken einen signifikanten Abbau der Durchrutschbereiche, also eine Erhöhung der elastischen Abschnitte in der Koppelfuge zwischen Bauwerk und Gleis verbunden mit einer Abnahme der Schienendruckspannungen. Somit hilft dieser Effekt dem System, der jahreszeitlichen Temperaturänderung zu widerstehen.