Improving the Dynamic Design Philosophy of High-Speed Railway Bridges Using Reliability-Based Methods

QC 240325

Abstract

Moderna järnvägsbroar utsätts för betydande säkerhetsrelaterade vibrationer. Tidigare studier har visat att vissa konventionella dimensioneringsmetoder är inkonsekventa och otillräckliga, vilket kräver förbättringar. Säkerhetsbedömning handlar i grunden om osäkerheter. Därför ägnas den föreliggande studien åt detta mål med hjälp av tillförlitlighetsbaserade metoder. Undersökningarna här begränsas till trafiksäkerhet och passagerarkomfort som möjliga dimensioneringsvillkor. Undersökningen av dessa gränstillstånd kräver komplexa beräkningsmodeller som beaktar tåg-spår-bro-interaktion. Att använda beräkningsintensiva modeller för strukturell tillförlitlighet verkar inte genomförbart. Genom förenklingar av systemet kan vertikal acceleration och nedböjning ansättas som mått för implicita gränsvillkor. Inledningsvis visade användningen av första ordningens tillförlitlighetsmetod (FORM) begränsningar i tillämpningen av nuvarande säkerhetsfaktor, vilken resulterade i inkonsekventa säkerheter. För att adressera detta föreslås probabilistiska dimensioneringskurvor, som definierar minsta erforderliga bromassa och styvhet baserat på tvärsnittstyper, spannkonfigurationer och tåghastigheter. Dessa resultat erhålls genom att formulera en FORM-baserad optimering. Därefter används resultaten för att undersöka känsligheten hos de uppskattade brottsannolikheterna med avseende på de ingående grundläggande stokastiska variablerna. Med tanke på begränsningarna med FORM användes simulering-baserade tillförlitlighetsbedömningar med hjälp av surrogatmodeller för fortsatta undersökningar. I en jämförelse av kända regressionsbaserade surrogatmodeller, under identiska inlärningsförutsättningar, visade Kriging-metoden överlägsen effektivitet. Inom ramen för en tillförlitlighetsbaserad optimering underlättar denna Kriging-modell framtagningen av nya probabilistiska designkurvor. Detta uppnås genom en ny formulering av metoden där korrelationen mellan de stokastiska variablerna beaktas med hjälp av Copula-funktioner. Dessutom användes surrogatmodellen till att kalibrera säkerhetsfaktorn som är associerad med gränsvärdet för vertikal acceleration, vilket ledde till ett förslag på 1,38 som ett nytt värde för säkerhetsfaktorn. Därefter utvärderas påverkan av jord-strukturinteraktion på uppskattad säkerhet med hjälp av en samling av klassificeringsbaserade surrogatmodeller. Resultaten visar interaktionens bidrag i form av ökad dämpning för kortare spann, motverkad av negativa effekter på grund av frekvensförkortning hos längre broar. Slutligen utforskas de epistemiska osäkerheterna behäftade med den begränsade kunskapen om gränsvärdet för vertikal acceleration. Det konstateras att försummelse av dessa osäkerheter kan leda till en överskattning av tillåtna tåghastigheter med cirka 13%.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-344610