Assessment of a simplified modelling tool for train-bridge dynamic interaction

A comprehensive evaluation of a simplified simulation tool for studying the vertical vehicle bridge interaction (VBI) is presented in this thesis. The study builds upon an existing MATLAB based simplified simulation tool by incorporating realistic mode shapes, bridge natural frequencies, mass distribution, and damping ratios obtained from a detailed FEM study of an actual railroad bridge belonging to Italian railway line. Specifically, two complementary vehicle modelling approaches are assessed using the simulation tool: a moving load model with mode shapes (MLM-MOD) and a dynamic interaction model with mode shapes (DIM-MOD) which accounts car-body and bogie dynamics. The objective of this study is to examine how these approaches simulate the dynamic responses of the bridge under train loading and to assess their suitability for practical engineering applications such as preliminary design validation, operation optimization, sensitivity analysis. The outcomes of the simplified simulations, which includes displacement, velocity and acceleration time histories, are compared with the results of the 3D FEM based train-track-bridge simulation software at key locations across the bridge. The observations show that both the vehicle models reproduce the global displacement behavior effectively, while DIM-MOD achieves better accuracy in representing acceleration due to dynamic coupling. The simulation tool demonstrated convergence with the 3D FEM output at higher modal resolutions (20-30 modes) with a very less computational time, where simulations completed in less than a minute. This study affirms that, when enhanced with real modal data, the simplified simulation tool can offer a robust and a scalable platform for analysing the train-bridge interaction effects. The simplified simulation tool shows a strong potential for integration into condition monitoring workflows and digital twin applications, making it a practical resource for infrastructure and maintenance managers, design engineers, and operations managers working in the railway infrastructure environments.

Una valutazione completa di uno strumento di simulazione semplificato per lo studio dell’interazione verticale veicolo-ponte (VBI) è presentata in questa tesi. Lo studio si basa su uno strumento di simulazione semplificato sviluppato in MATLAB, arricchito con forme modali realistiche, frequenze naturali del ponte, distribuzione delle masse e rapporti di smorzamento ottenuti da uno studio FEM dettagliato di un reale ponte ferroviario appartenente alla linea ferroviaria italiana. In particolare, due approcci complementari di modellazione del veicolo sono valutati utilizzando lo strumento di simulazione: un modello a carico mobile con forme modali (MLM-MOD) e un modello di interazione dinamica con forme modali (DIM-MOD) che tiene conto delle dinamiche della cassa e dei carrelli. L’obiettivo di questo studio è esaminare come questi approcci simulano le risposte dinamiche del ponte sotto carico ferroviario e valutare la loro idoneità per applicazioni ingegneristiche pratiche quali la validazione preliminare della progettazione, l’ottimizzazione operativa e l’analisi di sensibilità. I risultati delle simulazioni semplificate, che includono storie temporali di spostamento, velocità e accelerazione, sono confrontati con i risultati del software FEM 3D basato sul sistema treno-binario-ponte in punti chiave del ponte. Le osservazioni mostrano che entrambi i modelli del veicolo riproducono efficacemente il comportamento globale degli spostamenti, mentre il DIM-MOD raggiunge una maggiore accuratezza nella rappresentazione delle accelerazioni grazie all’accoppiamento dinamico. Lo strumento di simulazione ha dimostrato convergenza con l’output FEM 3D a risoluzioni modali più elevate (20-30 modi) con un tempo computazionale molto ridotto, con simulazioni completate in meno di un minuto. Questo studio conferma che, quando arricchito con dati modali reali, lo strumento di simulazione semplificato può offrire una piattaforma solida e scalabile per l’analisi degli effetti di interazione treno-ponte. Lo strumento di simulazione semplificato mostra un forte potenziale di integrazione nei flussi di lavoro di monitoraggio delle condizioni e nelle applicazioni di digital twin, rendendolo una risorsa pratica per i responsabili della manutenzione e delle infrastrutture, gli ingegneri di progettazione e i responsabili delle operazioni che lavorano negli ambienti infrastrutturali ferroviari.