In response to the planned increase in operational speeds and axle loads of passengertrains that may lead to resonance-induced excessive vibrations in railway bridges,recent studies examined the reliability of bridges concerning train running safety andpassenger comfort limit states. In this respect, valuable information regarding theimportance of input variables can be obtained by conducting Sensitivity Analysis (SA).For instance, the determination of unimportant variables (where they can be treated asconstant) reduces the computational time, which is usually very high for probabilisticsimulations. In some of the previous studies, only deterministic SA has beenperformed. This thesis follows a stochastic approach using Global Sensitivity Analysis(GSA) methods. The considered performance functions are vertical acceleration anddeflection of single track ballasted simply supported reinforced concrete bridges.To reduce the computational time, available semi-analytical solution of a planarbeam under the passage of a series of moving loads is employed. To simulatethe bridge behaviour realistically, simplified methods to account for rail irregularityamplification, train-bridge interactions, and axle load redistribution were adopted.The considered random variables are train modal properties, number of train coaches,bogie spacing, axle spacing and loads, bridge mass, flexural stiffness and damping,and rail amplification factor. The analyses were carried out for a selected set of bridgelengths [10-30]m and a range of train speeds [100-400] km/hr. The study findingsshow that, in both acceleration and displacement, the dynamic response of the bridgeis sensitive to randomness in bridge mass, moment of inertia, coach length, and axleloads. Furthermore, the rail amplification factor and Young’s modulus are primarilyimportant for acceleration and displacement, respectively.

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>