Commissioned for this report is Ramboll, Bridge and Tunnel Unit in Stockholm. The idea throughout the work has been to primarily help bridge designers compiling advice and instructions on how fatigue verification for railway bridges in reinforced concrete shall be performed under the new rules, the Eurocodes. After the introduction of the Eurocodes in 2011 has major problems emerged among designers around Sweden. In some areas, it differs in the calculation rules compared with rules from the Swedish Transport Administration and the National Board of Housing, Building and Planning calculation. Fatigue verification is one area where the new calculation rules are different from the past. A large part of the report has been to interpret and find the relevant information in the Eurocodes concerning fatigue. When questions or doubts have surfaced, this has been discussed with Elisabeth Helsing at the Swedish Transport Administration and bridge designers at Ramboll. The result is a report where the structure is organized in the way that the bridge designers can move from cover to cover and realize that fatigue verification in reality follows the same order as the report's sections. The issues have been resolved and reported regularly through the report with complementary findings as a result. Some of the greatest advances in the report are the load combinations to be used for the method for fatigue verification, how the dynamic factor and the magnification factor should be used and how the trainloads to be designed for each method for fatigue verification.

<p>Föreliggande avhandling omfattar en fallstudie av utmattningsrisken för järnvägsbroarna mellan Stockholm Central och Söder Mälarstrand. Ett stort antal utmattningssprickor i broarna över Söderström och Söder Mälarstrand har sedan länge varit kända. I samband med en bärighetsutredning av sträckan har ett stort antal anslutningspunkter i samtliga broar identifierats som kritiska avseende utmattningsrisk. Sträckan är den mest trafikerade i Sverige och de förenklade beräkningsmetoder som anges i Banverkets föreskrift för bärighetsberäkningar är i vissa fall inte tillämpliga.</p><p>De formella bärighetsberäkningarna har visat på flerfaldiga överskridanden i utnyttjandegrad gällande utmattning. I de punkter som beräkningarna visar störst risk för utmattning har inga sprickor påträffats, trots omfattande förbandsbesiktningar. Beräkningarna baseras på typiserade spänningskollektiv och givet antal spännings­växlingar, oberoende av den aktuella trafikmängden. Enligt bärighetsnormen ges möjlighet att beakta den verkliga trafikmängden baserat på historiskt bruttotonnage och typiserade trafiklaster. Dessa beräkningar har utförts och visar på ännu större risk för utmattning, jämfört med den förenklade metoden. I syfte att på ett ännu mer nyanserat sätt uppskatta utmattningsrisken har en metod använts, baserat på uppskattning av den faktiska trafikmängden och dess fördelningar. Beräkningarna baseras på trafikdata tillgänglig från Banverket. Metoden är tillämplig på andra järnvägsbroar på andra sträckor.</p><p>Utöver teoretiska beräkningar har töjningsmätningar utförts. Under 2006 utförde dåvarande Carl Bro AB töjningsmätningar på bro över Söder Mälarstrand och viadukt söder om Söder Mälarstrand, avseende några enskilda tågöverfarter. Under 2008 utförde KTH Brobyggnad omfattande töjningsmätningar på bro över Söderström, avseende all trafik under en månads tid.</p> / <p>The present thesis comprises a case study of the risk of fatigue of the railway bridges chaining between Stockholm Central Station and the district Söder Mälarstrand. A large number of fatigue-related cracks in the bridges at Söderström and Söder Mälarstrand have been known for a long time. During a capacity assessment of the current bridges, a large number of connections have been identified as critical concerning fatigue resistance. The route is the most frequent in all of Sweden and the simplified methods of fatigue assessment defined by Banverket may not always be applicable.</p><p>A conventional capacity assessment has shown numerous exceeds in fatigue resistance, using the stated safety margins. No fatigue cracks have been identified at the locations showing the largest theoretical risk of fatigue, in spite of extensive investigations. The conventional calculations are based on a uniform stress collective and a fixed number of stress cycles, independent of the actual traffic volume. According to the regulations stated by Banverket, the assessment may optionally be performed using historical data of the gross tonnage and standardised traffic loading. Such calculations have been undertaken and show even greater risk of fatigue, compared to the conventional assessment. To estimate the risk of fatigue in more detail, a method has been used, based on estimations of the real traffic volume and its distributions. The analysis is based on available data of the traffic volume and may be applied to other railway bridges on other locations.</p><p>Besides theoretical analyses, field measurements have been performed. In 2006, former Carl Bro AB carried out strain gauge measurements on the bridge passing Söder Mälarstrand and the viaduct south of Söder Mälarstrand. The measurements comprised a small amount of individual train passages. During 2008, the division of Structural Design and Bridges at KTH performed an extensive field measurement programme on the bridge passing Söderström. Continuous measurements collecting data of all traffic during a period of one month was performed.</p>

In this thesis the effect of axle load spreading through ballast and the effect of support stiffness has been investigated on short span railway bridges. Two types of bridges, simply supported bridges and bridges with integrated backwalls, have been modeled with 2D beam elements. When analyzing the load spreading effect, two types of load shapes have been considered. The first one is the load shape proposed in Eurocode where the axle load is modeled with three point loads where 50% of the axle load acts on the sleeper located underneath the wheel and 25% on the two adjacent sleepers, respectively. Therefrom the loads are further distributed through the sleepers and the ballast. The second load shape that has been studied is a triangular load shape. These two load shapes have been modeled both with different numbers of point loads and as distributed line loads to see how the dynamic response of the bridges is affected and thereby find what level of accuracy that is required to capture the full effect of the load spreading. For the bridges with integrated backwalls the supports were also modeled as springs with varying stiffness to see how the dynamic response was affected. The response was measured in terms of vertical acceleration and bending moment. From the simulations the conclusion can be drawn that the triangular load shape gives significantly lower bridge responses than the Eurocode load shape. It is further found that modeling the axle loads with point loads can give spurious acceleration peaks, which in the case of bridges with integrated backwalls often are critical. For these bridges it is necessary to enhance the accuracy of the load spread, either by increasing the number of point loads or using a distributed line load. From the spring support simulations, it can be seen that support stiffness has great influence on the dynamic response of bridges with integrated backwalls. For certain values the response is increased, whereas for other values a large reduction is obtained.

Föreliggande avhandling omfattar en fallstudie av utmattningsrisken för järnvägsbroarna mellan Stockholm Central och Söder Mälarstrand. Ett stort antal utmattningssprickor i broarna över Söderström och Söder Mälarstrand har sedan länge varit kända. I samband med en bärighetsutredning av sträckan har ett stort antal anslutningspunkter i samtliga broar identifierats som kritiska avseende utmattningsrisk. Sträckan är den mest trafikerade i Sverige och de förenklade beräkningsmetoder som anges i Banverkets föreskrift för bärighetsberäkningar är i vissa fall inte tillämpliga. De formella bärighetsberäkningarna har visat på flerfaldiga överskridanden i utnyttjandegrad gällande utmattning. I de punkter som beräkningarna visar störst risk för utmattning har inga sprickor påträffats, trots omfattande förbandsbesiktningar. Beräkningarna baseras på typiserade spänningskollektiv och givet antal spännings­växlingar, oberoende av den aktuella trafikmängden. Enligt bärighetsnormen ges möjlighet att beakta den verkliga trafikmängden baserat på historiskt bruttotonnage och typiserade trafiklaster. Dessa beräkningar har utförts och visar på ännu större risk för utmattning, jämfört med den förenklade metoden. I syfte att på ett ännu mer nyanserat sätt uppskatta utmattningsrisken har en metod använts, baserat på uppskattning av den faktiska trafikmängden och dess fördelningar. Beräkningarna baseras på trafikdata tillgänglig från Banverket. Metoden är tillämplig på andra järnvägsbroar på andra sträckor. Utöver teoretiska beräkningar har töjningsmätningar utförts. Under 2006 utförde dåvarande Carl Bro AB töjningsmätningar på bro över Söder Mälarstrand och viadukt söder om Söder Mälarstrand, avseende några enskilda tågöverfarter. Under 2008 utförde KTH Brobyggnad omfattande töjningsmätningar på bro över Söderström, avseende all trafik under en månads tid. / The present thesis comprises a case study of the risk of fatigue of the railway bridges chaining between Stockholm Central Station and the district Söder Mälarstrand. A large number of fatigue-related cracks in the bridges at Söderström and Söder Mälarstrand have been known for a long time. During a capacity assessment of the current bridges, a large number of connections have been identified as critical concerning fatigue resistance. The route is the most frequent in all of Sweden and the simplified methods of fatigue assessment defined by Banverket may not always be applicable. A conventional capacity assessment has shown numerous exceeds in fatigue resistance, using the stated safety margins. No fatigue cracks have been identified at the locations showing the largest theoretical risk of fatigue, in spite of extensive investigations. The conventional calculations are based on a uniform stress collective and a fixed number of stress cycles, independent of the actual traffic volume. According to the regulations stated by Banverket, the assessment may optionally be performed using historical data of the gross tonnage and standardised traffic loading. Such calculations have been undertaken and show even greater risk of fatigue, compared to the conventional assessment. To estimate the risk of fatigue in more detail, a method has been used, based on estimations of the real traffic volume and its distributions. The analysis is based on available data of the traffic volume and may be applied to other railway bridges on other locations. Besides theoretical analyses, field measurements have been performed. In 2006, former Carl Bro AB carried out strain gauge measurements on the bridge passing Söder Mälarstrand and the viaduct south of Söder Mälarstrand. The measurements comprised a small amount of individual train passages. During 2008, the division of Structural Design and Bridges at KTH performed an extensive field measurement programme on the bridge passing Söderström. Continuous measurements collecting data of all traffic during a period of one month was performed.

In the design of a railway bridge that is meant for train speeds larger than 200 km/h, the Swedish Traffic Administration requires a dynamic analysis in addition to the conventional static design. The models used for static design may not always be suitable for dynamic analysis, which could lead to inaccurate estimations of the dynamic response. The reason for this is a limited knowledge of the actual structural dynamic behaviour of bridges, which is why a hydraulic bridge exciter has been developed. With this device, smaller bridges can be excited in a load- or displacement-controlled manner under variable frequency and load. By having known inputs, the bridges’ dynamic properties can be evaluated using experimental modal analysis. A finite element model of the double tracked railway bridge Pershagen was created in order to plan a pilot test of the bridge exciter. The influence of the load amplitude and sweep rate was evaluated. A theoretically optimal excitation position was also investigated in order to excite as many eigenmodes as possible from one position during the pilot test. Based on these results, a pilot test was performed on the Pershagen Bridge. The dynamic properties of the bridge were evaluated based on the results from the test. From the pilot test it could be concluded that the load amplitude had a direct influence on the dynamic properties of the bridge, hence the dynamic behaviour is non-linear. The 1st vertical bending mode and its dynamic properties could also be identified. / Då en järnvägsbro som är avsedd för tåghastigheter över 200 km/h ska dimensioneras ställs det krav av Trafikverket att en dynamisk analys av bron skall utföras, utöver konventionell statisk dimensionering. De bromodeller som används för statisk analys är dock inte alltid lämpliga för dynamisk analys, vilket kan leda till felaktiga skattningar gällande den dynamiska inverkan. Anledningen till detta är att kunskapen om broars dynamiska egenskaper är begränsade, och av denna anledning har en lastexciterare utvecklats. Med hjälp av denna anordning kan mindre broar exciteras med kontrollerad last eller förskjutning under variabel frekvens och last. Då dessa input-parametrar är kända kan broars dynamiska egenskaper utvärderas genom experimentell modal analys. En finit element-modell av den tvåspåriga järnvägsbron vid Pershagen har skapats för att kunna planera ett pilottest av lastexciteraren. Svephastigheten och lastamplituden har analyserats. En teoretiskt optimal exciteringsposition har utvärderats för att excitera största möjliga antal moder från en och samma position under pilottestet. Utifrån dessa resultat utfördes ett pilottest på bron vid Pershagen, där brons dynamiska egenskaper utvärderades utifrån resultaten. Från pilottestet kunde en slutsats dras om att lastamplituden hade en direkt inverkan på de dynamiska egenskaperna, vilket betyder att det dynamiska beteendet är olinjärt. Den första vertikala böjmoden och dess dynamiska egenskaper kunde också fastställas.

In this thesis a train-track-bridge interaction (TTBI) model is developed in order to study the dynamic amplification from track irregularities on railway bridges traversed by freight trains. These simulations are of great importance since rail freight transport is expected to increase in order to meet the climate goals. The shift of the freight industry is however not accomplished without complications, because of the heavier and more frequent transportation higher demand is put on the infrastructure supporting the railways. In order to adequately assess the bearing capacity of the railway bridges, more detailed models assessing the dynamic behavior of the bridges are needed. The research underlying the current model in Eurocode were made during the 1970s (ORE, 1976) and the 1990s (ERRI, 1999) which were based on very simplified relations of the interaction and irregularities. Two research questions are therefore established in this thesis. The first one is if the current dynamic amplification factor in Eurocode which accounts for track irregularities is over conservative and secondly if the same factor is suitable to utilize for both section forces and deflections. The model developed in order to answer the stated research questions is a 2D model (considering only vertical excitation) with a linearized Hertz contact spring coupling the vehicle subsystem to the track-bridge system. The bridges examined in the thesis are limited to simply supported bridges with a span length between 4-20 m carrying a ballasted track. The studied train speeds vary between 60 - 120 km/h in order to replicate the speed range utilized by freight trains. The quality of the track (irregularities) is varied between a standard variation of 0.5-5 mm and is generated based on the German power spectral density (PSD) function. Research have previously been carried out in the field of TTBI system but have mostly been focusing on high-speed railway engineering and few studies have been performed on heavy transportation. One of the pioneers in the field of TTBI modelling is Wanming Zhai and the model developed in this thesis is validated against one of his 2D models. Based on the simulations performed in this thesis it is evident that the current model in Eurocode EN 1991-2 is over conservative and in great need of a revision. The model presented in this thesis is for the case with the largest dynamic amplification (120 km/h and a 4 m span length) significantly lower than the model presented in Eurocode. From the sensitivity analysis it is possible to conclude that many of the parameters in the system have low influence on the dynamic amplification while others have considerable influence. The parameters that have a considerable influence might be more suitable with a probabilistic approach instead of a deterministic which was utilized in this thesis. / I denna avhandling upprättas en tåg-spår-bro interaktionsmodell i syfte att studera den dynamiska förstorningsfaktorn som uppkommer av ojämnheter från spåret för järnvägsbroar trafikerade av godståg. Dessa typer av simuleringar är viktiga då järnvägstransporter förväntas öka för att klara av att möta de klimatmål som fastställts. Denna ökning av järnvägstransporter genomförs dock inte utan problem. Ökningen medför fler och tyngre transporter vilket skapar problem för järnvägsinfrastrukturen (främst broarna). För att med säkerhet kunna fastställa bärförmågan hos broarna, behövs mer avancerade modeller än de som idag finns i Eurokod. Modellerna som finns angivna i Eurokod bygger på forskning genomförd under 70- (ORE, 1976) och 90-talet (ERRI, 1999), där det användes väldigt förenklade interaktions- och ojämnhets-modeller. På grund av detta har två frågeställningar upprättats. Den första är om den dynamiska förstoringsfaktorn som används i Eurokod för att ta hänsyn till ojämnheterna i spåret är överdrivet konservativ och den andra är om samma faktor är lämplig att använda för både snittkrafter och nedböjning. Modellen som upprättats för att besvara dessa forskningsfrågor är en 2D modell (vertikalt led) med en linjäriserad Hertz kontaktfjäder för att koppla samman fordonet med spår-bro systemet. Broarna som har studerats i denna avhandling är endast fritt upplagda broar med en spannlängd mellan 4-20 m med ballasterat spår. Tåg-hastigheten har varierats mellan 60-120 km/h i syfte att simulera relevanta hastigheter för godståg. Spårkvalitén (ojämnheterna) har beskrivits m.h.a. standardavvikelsen från det perfekta spårläget och har varierats mellan 0.5-5 mm. Dessa ojämnheter har genererats baserat på den tyska power spectral density (PSD) funktionen. Tidigare forskning har utförts inom ämnet tåg-spår-bro interaktion men med huvudsaklig fokus på höghastighetståg/resonans-beteenden och få studier har genomförts på godståg. En av föregångsmännen inom ämnet är Wanming Zhai, och modellen som upprättas i denna avhandling har därav validerats mot hans 2D modell. Baserat på simuleringarna i denna avhandling är det tydligt att den nuvarande modellen som används i Eurokod EN 1991-2 är överdrivet konservativ och i stort behov av en uppdatering. Det fall med stört dynamisk förstoringsfaktor (120 km/h och en spannlängd på 4 m) som behandlas i denna rapport är avsevärt lägre än det som återfinns i Eurokod. Från känslighetsanalysen som genomfördes kunde det fastställas att många av parametrarna i systemet har en låg inverkan på förstoringsfaktorn. För parametrarna som dock hade inflytande skulle ett probabilistiskt angreppssätt kunna vara mer passande än det deterministiska som använts i denna avhandling.