Structural optimisation of single span steel-concrete high-speed railway bridges
Tid: Fr 2025-06-13 kl 13.00
Plats: M108, Brinellvägen 23, Stockholm
Videolänk: https://kth-se.zoom.us/j/63902445951
Språk: Engelska
Ämnesområde: Byggvetenskap, Bro- och stålbyggnad
Licentiand: Marcel Hofstetter , Bro- och stålbyggnad
Granskare: Associate Professor Gunnstein Thomas Frøseth, NTNU – Norwegian University of Science and Technology, Trondheim, Norway
Huvudhandledare: Professor John Leander, Bro- och stålbyggnad, Byggteknik och design
QC 20250522
Abstract
Denna licentiatuppsats är inriktad mot optimering av fritt upplagda samverkansbroar i betong och stål för höghastighetsjärnväg. Syftet med forskningen är att undersöka hur olika parametrar, såsom spännvidd, stålkvalitet, tvärsnittstyp och användning av dämpare påverkar utformningen av optimerade tvärsnitt. En fallstudiebro med ett installerat långtidsövervakningssystem används för en modelluppdatering med hjälp av EDMF (error domain model falsification) och optimeras därefter med hjälp av en genetisk algoritm. Därefter görs en parameterstudie av ovan nämnda parametrar med bron som referensbro.
Uppsatsen baseras på tre artiklar. I den första, Artikel I, genomfördes en kalibrering av en förenklad 2D-finitelementmodell av en enspannsbro med EDMF. En känslighetsanalys genomfördes för att undersöka vilka parametrar som styr det dynamiska beteendet hos bron. De mest kritiska parametrarna uppdaterades därefter genom falsifiering för att erhålla relevanta värden. Resultaten visar att bäst överensstämmelse i den dynamiska responsen fås med kalibrerade materialparametrar jämfört med Eurokoderna, samt att falsifiering är en effektiv metod för att genomföra modellkalibrering.
I Artikel II genomgick den kalibrerade modellen en optimeringsprocess där målet var att minimera massan hos brokonstruktionens bärande stålbalkar. Begränsningar i optimeringen utgjordes av dimensioneringskrav enligt Eurokoderna i brottgränstillstånd, bruksgränstillstånd samt utmattningsgränstillstånd. Den dynamiska analysen av bron genomfördes genom att förenkla bron till ett enfrihetsgradssystem för att därefter använda Duhamels integral. Två optimeringar genomfördes – en där bromodellen innefattar eftermonterade dämpare, och en utan. Med hjälp av materialparametrar från Artikel I visar resultaten från optimeringen att brottgränstillstånd i samverkan med accelerationskraven var avgörande vid dimensionering.
I Artikel III genomfördes en parameterstudie, där den tidigare kalibrerade bron användes som referensbro. Istället för kalibrerade värden på materialparametrar användes parametervärden givna i Eurokoderna för att uppnå generell tillämplighet av resultaten. I den parametriska studien optimerades fritt upplagda samverkansbroar för att undersöka hur olika parametrar påverkar det optimerade tvärsnittet. Fem olika stålkvaliteter (S235, S275, S355, S420 och S460), 51 olika spännvidder (från 20-70 m i steg om 1 m) samt fyra olika tvärsnitt (dubbel I-balk, halv lådbalk med sammanfogade underflänsar, dubbla lådbalkar, samt lådbalk med lutande liv) analyserades. Resultaten indikerar att accelerationer och spänningar i bruksgränstillståndet begränsar utformningen. Resultaten visar även att de dubbla I-balkarna resulterar i lägst massa och att massan hos stålbalkarna (uttryckt i kg/m) i stort sett är oförändrad för spännvidder mellan 20 och 50 meter.