Dynamic interaction between a submerged floating tunnel and a high speed train : an uncoupled approach

This thesis presents the dynamic response, in terms of displacements and forces, of the submerged tunnel prototype on the Messina’s strait due to travelling trains. In the dynamic analyses, both systems are modelled as mechanical systems with a finite number of DOFs. The tunnel is described with a finite element (FE) model in ANSYS, the train is modelled as a multibody system in a research code named INTER. Based on a coupled approach for the derivation of the equation of motion, the problem is tackled making use of an uncoupled solution strategy. Train and bridge interact, through a data exchange between the two codes: the tunnel motion at contact point train excites the train, the contact forces transmitted by the train wheels load the tunnel. An iterative process is set and conver¬gence is achieved when contact forces at two subsequent iterations are within a prefixed tolerance. In this work, an existing FE model of the tunnel is updated, to account for the mass of surrounding water and vehicles participating to tunnel vibration. Geometry, mechanical and dynamic properties, loads, static and modal solution of the prototype tunnel are thoroughly analysed. A complete coupled analysis of the system tunnel-train requires a correct description of the rails roughness and of the hunting phenomenon. Both aspects are addressed in this work. Two Italian trains are modelled, a medium speed (TMV) and a high speed (TAV) train, respectively. Their models have been implemented in the research code INTER. For each train, a complex modal analysis is performed. This study addresses both the horizontal and vertical dynamic of the convoy. The cyclic hunting motion of a train proved not to be critical for the tunnel at study. For this effect, the train is represented through a system of moving forces. The vertical response is analysed with the complete dynamic interaction described above. Numerical results, in terms of displacements and tension in the stays show that the effects of the dynamic excitation due to travelling wagons are within the design conditions of the tunnel.

Questa tesi presenta la risposta dinamica, in termini di spostamenti e forze, del prototipo di tunnel sommerso flottante sullo stretto di Messina soggetto al transito dei treni. Nelle analisi dinamiche, entrambi i sistemi sono modellati come sistemi meccanici con un numero finito di GDL. Il tunnel è descritto con un modello ad elementi finiti (FE) in ANSYS, il treno è modellato come un sistema di corpi rigidi all’interno di un codice di ricerca denominato INTER. Basandosi su un approccio accoppiato per la derivazione dell'equazione del moto, il problema viene affrontato utilizzando una strategia di soluzione disaccoppiata. Treno e ponte interagiscono, attraverso uno scambio di dati tra i due codici: il movimento del tunnel nel punto di contatto del treno costituisce il moto alla base imposto alle ruote del treno, le forze di contatto trasmesse dalle ruote del treno caricano il tunnel. Il problema viene risolto attraverso un processo iterativo, in cui la convergenza viene raggiunta quando le forze di contatto in due iterazioni successive differiscono di una quantità minore di una tolleranza prefissata. In questo lavoro, un modello ad elementi finiti esistente del tunnel è stato aggiornato per tenere conto della massa sia dell'acqua circostante il tunnel e partecipante alle sue vibrazioni sia dei veicoli che transitano nel tunnel. Geometria, proprietà meccaniche e dinamiche, carichi, soluzione statica e modale del prototipo di tunnel vengono accuratamente analizzati e descritti. L'analisi accoppiata completa del sistema tunnel-treno richiede una corretta descrizione delle irregolarità delle rotaie e del fenomeno di serpeggiamento: entrambi gli aspetti sono affrontati in questo lavoro. Infine, vengono modellati due treni italiani, rispettivamente un treno a media velocità (TMV) e un treno ad alta velocità (TAV). I loro modelli sono stati implementati nel codice di ricerca INTER. Per ogni treno viene eseguita un'analisi modale in campo complesso. Questo studio analizza sia la dinamica orizzontale che quella verticale del convoglio. Il movimento ciclico di serpeggiamento di un treno si è rivelato non critico per il tunnel in esame. Per tale studio, pertanto, il treno è rappresentato attraverso un sistema di forze in movimento. La risposta verticale viene analizzata con l’interazione dinamica completa sopra descritta. I risultati numerici, in termini di spostamenti e tensione negli stralli, mostrano che gli effetti dell'eccitazione dinamica dovuta ai vagoni in movimento rientrano nelle condizioni di progetto del tunnel.