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.

As rails are vital parts of a track system, it is essential to ensure their safe and reliable operation. The present verification approaches and limit values regarding the permissible additional stresses of the rail under compression and tension considering track-bridge-interaction (TBI) were developed in the 1980s. However, with the rapid development of the railway industry and the increasing of train speeds, rail infrastructures are subjected to ever more frequent, greater loads and more complicated loading conditions, especially in the area of bridges. Moreover, the manufacturing technologies of railway components have been further developed. Taking all the aforementioned variations into account, the current verification approaches and limit values do not apply properly today and shall be updated. For this purpose, new investigations are carried out in this dissertation. As major parts of this cumulative dissertation, the published investigations are divided into three main blocks. The first block is the state of the art. In this block, a detailed background knowledge and a state of the art description of the permissible additional stresses in railway tracks due to TBI are given. Furthermore, the motivation for the studies within the scope of this dissertation is addressed. The second block deals with the rail resistance under compressive forces in ballastless track systems. Accordingly, numerical investigations on the behaviour of rails in ballastless track systems under compressive axial forces in the vicinity of bridge joints were performed. Experimental tests were also carried out on two 8.17 m long rails fixed with BSPFF-B-1 and SBS300-1 fasteners on the ÖBB-Porr slab track system. It was found that the rail resistance under longitudinal compressive loads can be largely increased. The third block focuses on the rail resistance under tension. First, extensive experiments were conducted on rail behaviour for up to five million cyclic loads in both vertical and transverse directions under different minimum stress levels. Subsequently, the sectioning method and the X-Ray diffraction method were applied to determine the residual stress distribution in the rail. Afterwards, the determined residual stress results and the fatigue test results are analysed together. As a result, a new comprehensive Smith-diagram, which took into account the actual rail residual stresses, up to five million load cycles in both vertical and transverse directions of the rail, was achieved. In addition, two studies are supplemented. One deals with the fatigue behaviour of rails for up to 50 million load cycles and the other concerns the fatigue behaviour of rails from a different batch for up to five million load cycles. Based on all these aforementioned investigations, it is concluded that the current limit values and approaches regarding the rail resistance in ballastless track systems under compression and tension considering TBI are too conservative. In the end, new verification approaches and limit values are proposed.

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.

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.