A simplified model for the selection of critical scenarios for runability analysis in vessel-bridge collision event

This thesis aims deals the problem of train runability during ship impact event proposing a simplifed model to have an overview on the different possible impact scenarios, with a low computational effort. The main aim would be to select those impact scenarios that are worth to be investigated with a complex model involving train, contact forces and bridge dynamics. This topic is of growing importance since the maritime and railway traffic are continuously increasing, thus, making a ship-pier collision event more likely to happen, or, at least, non negligible in the bridge design phase. Therefore, when performing runability analysis for bridges with seabed piers or built on large rivers, ship impact events are critical scenarios to be carefully taken into account. There are many ways to approach and study this topic, resulting in different modelling options. Ship-bridge collision events can be studied by means of Finite Element (FE) methodologies or through scaled experiment: the former can be characterised by high computational burden, while the other are inherently associated to the impossibility to conduct experiments using natural dimensions and the difficulty to perform meaningful scaled experiments. With the purpose to reduce the computational time in the phase of selection of possible worst cases, a two-dimension (2D) train-bridge-interaction (TBI) simplified model is presented in this thesis, based on the adoption of a modal approach to simulate rail vehicle and bridge interaction during ship impact events. Concerning the bridge, analytical mode shapes were considered in a first step, referring to an Euler-Bernoulli beam, while, subsequently the model was modified to accept, in input, mode shapes extracted from a 3D FE software. Instead, regarding the vehicle, a 2 DOFs mass-spring-damper model was employed, focusing on lateral and roll motion of each carbody, being these components predominant in case of ship impact event. The presented vehicle model was also equipped with bumpstops elements, which introduced a strong non-linear behaviour in the simulation model, properly accounted in the methodology adopted for numerical integration. The ship impact event over bridge pier was modelled through time-dependant forces extracted after an extensive review of the related literature. Several scenarios were simulated, with different train travelling speeds, impact magnitudes and duration and different bridge structures, with an increasing number of spans. The simplified vehicle model required the definition of appropriate pseudo-safety coefficients, illustrated in detail in the thesis, with the purpose to assess train running safety in the explored simulations. The large amount of simulated scenarios were then resumed in safety maps, which allowed for the identification of most critical operational conditions. Therefore, the presented 2D model enables a fast and computationally efficient simulation of a large number of operating conditions, changing different variables, allowing the user to identify which are the most critical conditions, to be further investigated through 3D train-track-bridge dynamic simulations.

L'obiettivo di questo lavoro di tesi è quello di studiare la percorribilità di un treno che viaggia su un viadotto durante la collisione tra una nave e la struttura proponendo un modello semplificato per avere una visione d'insieme dei diversi scenari d'impatto possibili, con un onere computazionale basso. L'obiettivo principale è quello di selezionare gli scenari d'impatto che meritano di essere studiati con un modello semplificato che coinvolga il treno, le forze di contatto e la dinamica del ponte. Questo argomento è di crescente importanza poiché il traffico marittimo e ferroviario sta continuamente aumentando, rendendo sempre più probabili impatti tra navi e ponti o, quantomeno, non trascurabili in fase di progettazione della struttura. Quindi, analizzando la percorribilità su ponti con piloni in mare o costruiti su grandi fiumi, il possibile impatto on navi può rivelarsi uno scenario critico da tenere in considerazione. Per questo motivo ci sono diversi modelli per studiare questo argomento, ad esempio si possono utilizzare metodi ad elementi finiti o esperimenti in scala: i primi sono caratterizzati da tempi di calcolo molto elevati, mentre, per quanto riguarda i secondi, bisogna considerare l'impossibilità di condurre esperimenti di dimensioni naturali e la difficoltà nella preparazione di modelli in scala adeguati. Per ridurre il tempo computazionale durante la fase di selezione degli scenari più critici, viene presentato un modello bidimensionale, basato sull'utilizzo dell'approccio modale per simulare l'interazione tra veicolo ferroviario e ponte durante la collisione tra nave e struttura. Inizialmente, riguardo il ponte, sono state utilizzate funzioni di forma analitiche, riferendosi ad una trave di Eulero-Bernoulli, mentre, successivamente, il modello è stato modificato per accettare, in ingresso, funzioni di forma estratte da un software con modellazione 3D ad elementi finiti. Per quanto riguarda il veicolo, invece, un sistema massa-molla-smorzatore a due gradi di libertà viene utilizzato, focalizzandosi sul moto laterale e di rollio di ogni carrozza, essendo queste componenti predominanti in caso di urto di navi. Il modello di veicolo presentato è stato anche equipaggiato con fine corsa, i quali hanno introdotto una forte non linearità nel modello, tenuta in considerazione nella risoluzione mediante integrazione numerica. L'impatto della nave contro uno dei piloni del ponte è stato modellato attraverso forze, in funzione del tempo, ottenute in seguito ad un'approfondita revisione della relativa letteratura. Sono stati poi simulati molti scenari considerando diverse velocità di percorrenza del treno, ampiezza e durata della forza di impatto e diversi tipi di struttura del ponte, aumentando il numero di campate. Il modello semplificato ha reso necessaria la definizione di pseudo-coefficienti appropriati, illustrati nel dettaglio in questa tesi, con l'obiettivo di investigare la sicurezza di marcia del treno nelle situazioni considerate. Il grande numero di scenari simulati è stato riassunto in mappe di sicurezza che permettono di identificare le condizioni operative più critiche. Pertanto, il modello bidimensionale presentato rende possibile una veloce e computazionalmente efficiente simulazione di un gran numero di condizioni operative, modificando diverse variabili. Questo permette all'utente di identificare gli scenari più critici, i quali saranno successivamente analizzati nel dettaglio attraverso simulazioni dinamiche treno-ferrovia-ponte tridimensionali.