NONLINEAR MODELS FOR LATERAL DYNAMICS OF RAILWAY VEHICLES ON BRIDGES SUBJECT TO WIND ACTION José M. Goicolea, Pablo Antolín, Javier Oliva Computational Mechanics Group, Escuela de Ingenieros de Caminos, Universidad Politécnica de Madrid 19 June 2013 A CONFERENCE CELEBRATING THE 60th BIRTHDAY OF EUGENIO OÑATE http://congress.cimne.com/coupled2013 Spanish High Speed Rail Network (2013) 3200 km of lines v > 250 km/h; 220 large viaducts JM Goicolea (UPM) NL Dynamics for Railway VBI 19/06/2013 2 / 40 Contreras viaducts; Arch L=261 m. Madrid–Valencia. JM Goicolea (UPM) NL Dynamics for Railway VBI 19/06/2013 3 / 40 River Ulla. L=168 m, H=115 m. Orense–Santiago JM Goicolea (UPM) NL Dynamics for Railway VBI 19/06/2013 4 / 40 Las Piedras. L=19×63.5=1206.5 m; H=92 m. Córdoba–Málaga JM Goicolea (UPM) NL Dynamics for Railway VBI 19/06/2013 5 / 40 Trains on the HSR Spanish network Articulated bogie trains Conventional bogie trains Regular single axle trains JM Goicolea (UPM) NL Dynamics for Railway VBI 19/06/2013 6 / 40 Landwasser Viaduct. Albula Bernina Line (1903) JM Goicolea (UPM) NL Dynamics for Railway VBI 19/06/2013 7 / 40 Outline 1 Vehicle-bridge interaction in railway dynamics Railway infrastructure and trains Vertical dynamics Lateral dynamics 2 Models for vehicles and bridges Vehicles: Multibody dynamics Bridges: Finite Elements 3 Wheel-rail contact 4 Applications: strong winds on viaducts Wind action Critical Wind Curves Dynamic effect of train v P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 (Talgo HS train) JM Goicolea (UPM) NL Dynamics for Railway VBI 19/06/2013 9 / 40 Dynamic effect of train: v = 236.5 km/h resonance! TALGO AV v=236.5 km/h, ERRI Bridge L=15m, ζ=0,01; f0=5 Hz, λ=13.14 m = D 20 UIC71 static dynamic moving loads Deflection at center of span (mm) 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20 0 JM Goicolea (UPM) 1 2 3 time NL Dynamics for (s) Railway VBI 4 5 6 19/06/2013 10 / 40 Tajo Viaduct (Madrid–Sevilla) AVE S-100 v = 219 km/h Vertical dynamic effects Measured displacements [MFom 96] JM Goicolea (UPM) NL Dynamics for Railway VBI Computed displacements [Domínguez 99] 19/06/2013 11 / 40 Lateral dynamics – ERRI D181 (1996) European Railway Research Institute, question D181 Measurements and computations for lateral movement in several European bridges Mainly steel open decks SNCB Bridge, Lixhe, L = 119.25 m Conclusions: EN1990: A2.4.4.2.4(3).— Frequency of lateral vibration of a span: f ≥ 1.2 Hz JM Goicolea (UPM) NL Dynamics for Railway VBI 19/06/2013 12 / 40 Lateral dynamics – Brotherton Bridge Test (UK) Lateral and vertical displacement histories measured JM Goicolea (UPM) NL Dynamics for Railway VBI 19/06/2013 13 / 40 Lateral dynamics – Relevance Contrary to vertical dynamic effects, usually they do not affect safety of structure But they are critical for: Safety of vehicles and passengers Passenger comfort Few studies: not well understood Coupled Vehicle-Bridge dynamic models Lateral nosing motion of wheels on rails Nonlinear effects for safety studies JM Goicolea (UPM) NL Dynamics for Railway VBI 19/06/2013 14 / 40 Outline 1 Vehicle-bridge interaction in railway dynamics Railway infrastructure and trains Vertical dynamics Lateral dynamics 2 Models for vehicles and bridges Vehicles: Multibody dynamics Bridges: Finite Elements 3 Wheel-rail contact 4 Applications: strong winds on viaducts Wind action Critical Wind Curves Coupled, Nonlinear VBI models Multibody Interacción r1 Directriz de la vı́a s1 s2 Elementos finitos r2 M⌃ s Mc1 ... F c1 si sm si+1 Nodo móvil Elementos finitos Nodo i F c2 ⇥ w1 ... ⇥ r1 Ezb Eyb ⇥ w2 Mc2 ⇥ r2 Nodo i + 1 JM Goicolea (UPM) NL Dynamics for Railway VBI 19/06/2013 16 / 40 Vehicles Multibody system (ABAQUS) Multibody dynamics model: 7 rigid bodies × 6 dof Masses and inertias associated to each body Two suspension levels I I I Primary suspension (axles–bogie) Secondary suspension (bogies–vehicle box) User-programmed special rigid bodies (wheelsets) JM Goicolea (UPM) NL Dynamics for Railway VBI 19/06/2013 17 / 40 Wheelset Rigid Element Wheelset reference frame Intermediate (no spin) reference frame JM Goicolea (UPM) NL Dynamics for Railway VBI 19/06/2013 18 / 40 ✓ c◆ ✓ ◆ dt ⇤ = =✓⇤ . . (A c ✓⇤ ˙ t, dv⇥t +d✓1⇤ ⇥ ⇤V ⌦t+ t = ⌦t +b t 1 ⌦ = = v . (A t 2 d✓ d✓a ✓seespuede ✓ ◆ Teniendo cuenta (A.23) y (A.25), escribir la ecuación de e DeDe esta forma, laen derivada de v respecto esta forma, la derivada 1 de v respecto 1 a ✓ es 1 ˙ ˙ t+ ent = (A.1) teniendo como⌦ ⌦ ⌦t +del1tensor ⌦ t .inercia de la con t+ t Además, cuenta la transformación de • Element in reference w/o d✓ ⇥t ⇤V t dv ⇥spin ⇤V=la expresión b .b . = d✓ v ración inicial a la final (A.3), se dv puede obtener para la derivada(A d i!˙ A + !A ⇥ i!A d✓ +d✓ i!˙ =+ ! ⇥ i! =+ !v ⇥ i!A m = 0 , d✓Ad✓ | {z } | {z } vector iv, siendo v función de ✓, como Uel Inercia rotación Abaqus Haciendo usocuenta de (A.4) y (A.9), se obtienen las de expresiones act Además, teniendo en la la transformación deldel tensor inercia dede la la conc Además, teniendo en cuenta transformación tensor de inercia de d se (iv) dv (A.11) ración inicial a la final (A.3), puede obtener la expresión para la derivada d c donde, comoaselaindica, los primeros términos quedan incluid • inicial HHT-α time integration: = iv + iv̂ +de ila la .ecuaciónpara (A ración final (A.3), se puede obtener expresión la derivad ✓ ◆ ✓ son añadidos ◆ d✓ d✓siguientes vector iv, siendo v función de ✓, como h i elemento de rotación de Abaqus/Standard, y los vector iv, siendo v función de ✓, como !t+ t =de usuario ✓t (Uel). + exp c✓ t 1 !t + t 1 !˙ t , el elemento t 2 d (iv) dvdv La derivada de (A.5) respecto a= ✓ es d (iv) c ✓ ◆ iv + iv̂ + i . (A c + iv̂ h = iiv +d✓ i . se reescriben 1 a definir d✓ 1 ◆ Los términos en de para e c✓ t el elemento ✓1 usuario d✓ d✓ ˙ ˙ ! = ! + exp ! + 1 ! , t t t+ t t+ t d!˙ como d! HHT-↵ c d! + ! c + i! ˆ˙ + (1 + ↵) i! ˆ t i! ˆ +i i ic !˙ + it! , (A d✓ d✓ d✓ h i LaLa derivada de (A.5) respecto a ✓ es derivada de (A.5) respecto a ✓ es 1 c✓ t linearisation: donde se[iha cuenta exp ✓t . ◆ (1•+Newton ↵) (!tenido ! en )+ !A⇥ que i! +✓! i!]t+ t =⇥ A⇥ ✓ t ✓ ˙!˙ donde dd!/d✓ y d!/d✓ se obtienen derivando M d!d! (A.12) d!d! ◆ ˙ d ! c c c ˆ ↵ [i (! ⇥ ! ) + ! ⇥ + ! ,⇥ i!]t(A . ˆ! ˆi+ i i i!˙ ic + + ↵) i!i! +Ai+! A ! c + c ˆ˙ (1 ˙ i+!˙ i+ ˆ lineal, ˆi!i+d✓ ! ! + (1 +(A.5), ↵) i!i! + ! i el método , Para la resolución de que es no se utiliza d ⇥ d✓ d✓ b d✓ d✓ d✓ d!que Raphson, + La derivadapor de lo la expresión anterior respecto ✓ es ✓t en, el instante t(A = es necesario T( ✓t ) linealizar !t+ tlaa ecuación ˙d!/d✓ donde d!/d✓ y dicha d!/d✓ se se obtienen derivando (A.12) d✓tangente tobtienen t que las magnitudes r cálculo de hay que tener en cuenta ˙ donde y d!/d✓ derivando (A.12) • Tangent operators: btiempo [i (!At ⇥ !d )]!b˙ + i [!1A ⇥ ! derivadas ]b+ [(i! ⇥ 1! ]b + del [(i! ) ⇥ ! serán ]b A ) respecto instante son constantes (sus nula d! b b d!d! ˙ = ! ! , (A ⇣ ⌘ t+ t t+ t fueron calculadas en el instante anterior y cumplen la ecuación de equilib d! = T( ✓ ) ! ✓ , (A A d d T( t ✓t ) +t+ !! ,ˆ t )! ˆ d✓ ˆ tt d✓ ˆt+t t(it ! ˆ At) (it! ˆ✓A ˆ A i! + ! i i= ! i! ! d✓ d✓las magnitudes t t que sólo se derivan [•] . d✓ t+ t b siendo T( ✓t ) la derivada ✓t respecto de ✓,1 desarrollada b en detalle en d!˙ !˙ de 1 1d! 1!t+ tde, un habiendo sido !˙ Ad/d✓ y(A.5) d!Ad! /d✓ definidas en (A.19). == !˙ t+ (A Antes de dlinealizar se estudia vector cualqu t la variación ˙ ! ! y Vu-Quoc (1988), que se expresa como t+ t d✓d✓ t td✓d✓ t t t+ t , que || ✓t ||/2de ✓, desarrollada1en siendo T(T(✓t )✓T( la derivada detalle ene c✓ ) = e ⌦deede +✓t ✓respecto (1✓,. desarrollada e ⌦ e) siendo en t detalle (A t ) la✓tderivada t respecto = de ⇤V tan(|| ✓v ||/2) 2 y Vu-Quoc (1988), que se se expresa como y Vu-Quoc (1988), que expresa comot Multibody models: wheelset element r1 r2 M⌃ Mc1 F c1 F c2 ⇥ w1 ⇥ w2 ⇥ r1 c2 r2 F c 1 Mc1 F c 2 1 Mc2 2 JM Goicolea (UPM) NL Dynamics for Railway VBI 19/06/2013 19 / 40 Multibody dynamics in 3D: Gyroscopic effects z ew z ew y y ew x mD z f c1 f c2 x M = I · Ω̇ + Ω × (I · Ω) y ⇒ ∆fc = ± Iy ωy ωz 2d In extreme scenarios, due to yaw under high speeds: ∆fc ≈ ±5 − 10%fc JM Goicolea (UPM) ⇣ ✓ VBI NL Dynamics for Railway 19/06/2013 20 / 40 w Hunting motion and flange contact Full Simplified v = 200 km/h 2 yw [mm] 0 Full Simplified (a) −2 t 10 (b) Wheel flange contact 5 v = 200 km/h 2 0 −5 0 (a) −2 −10 v = 320 km/h 0 0.5 1 1.5 2 t [s] 10 (b) JM Goicolea (UPM) NL Dynamics for Railway VBI 19/06/2013 21 / 40 Models for the structure Finite elements (ABAQUS) Beam, shell or solid finite elements (3D) Linear elastic material Time domain, direct integration (HHT-α) Z User programmed constraints and interaction elements May be trivially generalized to more detailed models: I I I Y X Z Y X Shell and solid elements; nonlinear material; Large displacements or rotations JM Goicolea (UPM) NL Dynamics for Railway VBI y z x 19/06/2013 22 / 40 Geometry of Structure Inertial reference frame (absolute coordinates) Bridge reference frame Track reference frame JM Goicolea (UPM) NL Dynamics for Railway VBI 19/06/2013 23 / 40 Outline 1 Vehicle-bridge interaction in railway dynamics Railway infrastructure and trains Vertical dynamics Lateral dynamics 2 Models for vehicles and bridges Vehicles: Multibody dynamics Bridges: Finite Elements 3 Wheel-rail contact 4 Applications: strong winds on viaducts Wind action Critical Wind Curves Wheel–rail contact Contact model Critical point in vehicle lateral dynamics Realistic profiles of wheels and rails considered Three stages of contact problem 1 2 3 Geometric: contact point Normal force: Hertz model, contact ellipse Tangential force: Kalker’s models (linearised, FASTSIM, Pollack, Contact, Stripes. . . ) Semi-Hertzian models x JM Goicolea (UPM) NL Dynamics for Railway VBI 19/06/2013 25 / 40 ngential forces in rolling contact Creep and tangential forces in wheel-rail contact ⇠x = (VW ẇ(x) = slip: ṡ(x) + u̇(x) body 1) Rigid a) Creepages: VR ) · i/v0 slip(V atWeach V point: ⇠y = R ) · j/v0 being: x a point of the contact 3) Total ellipse,ξxẇ=the ṡ 0the (v wtrue − v r )slip, · i(1/v ) ri⇠R s(x) = (!=Ww(x)!+R )u̇(x) · k/v0 gid body slip and u̇ the rate of ξy = (v w − v r ) · j(1/v0 ) elastic ξdisplacements between r = (ω w − ω r ) · k(1/v0 ) the wheel and rail. b) RB Slip at each⇢point x = (x, y)T x in the contact surface: {x} = yξ − ξ y {w(x)} = v0 x r ⇢ ξy + ξr x ⇠x ⇠R y {ṡ(x)} = v 0 2) Elastic tangential⇠yrelative + ⇠R x displacements u(x): @u(x) @u(x) u̇(x) = ∂u v0 ∂u u̇(x)@t = − v0 @x ∂t JM Goicolea (UPM) ∂x Antolı́n Pablo 4) Tangential stresses: Coulomb law Coulomb law: ( τ (x) ≤ µp(x) ⇢ ⌧ (x) µ p(x) τ (x) = µp(x) ⌧ (x) = µ p(x) if s(x) = 0 ẇ(x) ifif s(x) 6 = = 0 0 if ẇ(x) 6= 0 Lateral Dynamic Train-Bridge Interaction NL Dynamics for Railway VBI 19/06/2013 26 / 40 12 Chapter 3. Problem definition Hertzian+Fastsim contact model summary JM Goicolea (UPM) NL Dynamics for Railway VBI 19/06/2013 27 / 40 F y/ 0,4 Tangential Contact Models 0,2 CONTACT VORtech Polach FASTSIM VORtech Tabla FASTSIM Linear Kalker 0,80 Error FFyy/µN [ %] 101 0,6 0,40 10 0,2 10 1 0 101 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 ⇠x0 = ⇠y0 0,7 0,8 0,9 1 y [ %] Lateral load for ξr0 = 0, a/b = 10 100(UPM) JM Goicolea Figura 2: ⇠r = 0 y a/b = 1 NL Dynamics for Railway VBI 19/06/2013 28 / 40 Determination of multi-hertzian contact geometry z [mm] 460 480 700 750 s [mm] t!t+ Máximo Mı́nimo Punto de inflexión Unión de máximo y mı́nimo h 800 t h s s h(s) JM Goicolea (UPM) NL Dynamics for Railway VBI 19/06/2013 29 / 40 Fastsim and Stripes x y Fastsim x Stripes is a semi-Hertzian model, which applies Hertz’s hypothesis only in x direction (longitudinal). In transverse direction contact may be multi-point y Stripes JM Goicolea (UPM) NL Dynamics for Railway VBI 19/06/2013 30 / 40 Stripes semi-Hertzian contact x x Fastsim: y JM Goicolea (UPM) Stripes: [movie] NL Dynamics for Railway VBI y 19/06/2013 31 / 40 Outline 1 Vehicle-bridge interaction in railway dynamics Railway infrastructure and trains Vertical dynamics Lateral dynamics 2 Models for vehicles and bridges Vehicles: Multibody dynamics Bridges: Finite Elements 3 Wheel-rail contact 4 Applications: strong winds on viaducts Wind action Critical Wind Curves rían respectivamente v y w. Modelling of wind action z y x w u v U 5.3. Simulación del viento turbulento en el t como nfejes viento y de las componentes turbulentas. 1. Definición de los X p v(t) = 2 Gv (fm ) f cos(2 ⇡ fm t + m (5 v ), m=1 nf w(t) = Xp 2 Gw (fm ) f cos(2 ⇡ fm t + ntensidad de turbulencia m=1 JM Goicolea (UPM) NL Dynamics for Railway VBI m w), 19/06/2013 (5 33 / 40 del espacio es necesario tener en cuenta que dichas historias son diferentes 5.3. Simulación del viento turbulento en el tiempo entre sí, pero no independientes. Cuando más cercanos estén los puntos entre Modelling of wind action sí, más parecidas serán sus historias de velocidades, y viceversa. Es decir, la 10 menor sea la distancia entre los puntos. De la coherencia será mayor cuanto 0,1 misma forma, la coherencia 1será menor cuando más alta sea la frecuencia. Esto es debido al hecho de 0,1 que las frecuencias altas están asociadas con torGu 0,01 bellinos pequeños, que tienen una influencia espacial reducida. Sin embargo, Ru Gv 0,001 Rv , R w las frecuencias bajas correspondenGaw vórtices de gran escala, cuya influencia 0,01 0,01 0,1 es mayor. 1 10 espacial 0,001 0,01 0,1 1 10 Gi Ri 96 fˆ f [Hz] (a) Espectros reducidos Ru , Rv , Rw . u v (b) PSD simétricas Gu , Gv , Gw . w gura 5.4. Espectros reducidos y PSD simétricas de Kaimal. u, v, w [m/s] 0,5 3.2. Simulación del viento en varios puntos del espacio 0 En la simulación de la historia de velocidad de viento en varios puntos el espacio es necesario tener en cuenta que dichas historias son diferentes ntre sí, pero no independientes. Cuando más cercanos estén los puntos entre , más parecidas serán sus historias de velocidades, y viceversa. Es decir, la 0,5 oherencia será mayor cuanto menor sea la distancia entre los puntos. De la isma forma, la coherencia será menor 0 10 cuando20más alta sea 30 la frecuencia. 40 50 60 sto es debido al hecho de que las frecuencias altas están asociadas con tort [s] Sin embargo, ellinos pequeños, que tienen una influencia espacial reducida. s frecuencias bajas corresponden alas vórtices de gran escala, cuya influencia Figura 5.5. Historias de componentes turbulentas de viento en 34 / 40 JM Goicolea (UPM) NL Dynamics for Railway VBI de la velocidad 19/06/2013 Modelling of wind action 204 5.4. Aplicación de las fuerzas aerodinámicas sobre vehículos ferroviarios U + u [m/s] 25 P1 P2 P1 P3 20 15 10 P4 (1000, 50) P3 (10, 25) z P2 (1, 20) P1 (0, 20) y U + u [m/s] 203 5. Acción del viento turbulento 25 20 15 10 Suelo U + u [m/s] Figura 5.8. Esquema de puntos en los que se generan historias de viento turbulento. U4 = 19,6 m/s. Igualmente, mediante las expresiones recogidas en EN 1991-14 (2005) se obtienen las longitudes integrales de turbulencia Lxu , cuyos valores son: Lxu,1 = 90,6 m, Lxu,2 = 90,6 m, Lxu,3 = 101,7 m y Lxu,4 = 145,9 m. Y a partir de las ecuaciones (5.9) se calculan las componentes Lxv y Lxw , que son: Lxv,1 = 22,6 m, Lxv,2 = 22,6 m, Lxv,3 = 25,4 m y Lxv,4 = 36,5 m; Lxw,1 = 9,1 m, Lxw,2 = 9,1 m, Lxw,3 = 10,2 m y Lxw,4 = 14,6 m. De igual forma, utilizando las expresiones recogidas en EN 1991-1-4 (2005), y particularizadas para el terreno de tipo II, se calculan las intensidades de turbulencia en cada punto: Iu,1 = 16,7 %, Iu,2 = 16,7 %, Iu,3 = 16,1 % y Iu,4 = 14,5 %. Y considerando las relaciones (5.2), se obtienen las otras dos componentes de la intensidad de turbulencia: Iv,1 = 12,5 %, Iv,2 = 12,5 %, Iv,3 = 12,1 % y Iv,4 = 10,9 %; Iw,1 = 8,3 %, Iw,2 = 8,3 %, Iw,3 = 8,0 % y Iw,4 = 7,2 %. 25 20 15 10 P1 0 5 10 15 t [s] P4 20 25 30 Figura 5.9. Velocidad de viento longitudinal de los puntos P1 , P2 , P3 y P4 , cuyas posiciones se muestran en la figura 5.8, para un viento medio U = 15 m/s medido a 10 m del suelo. Con estos valores, y considerando el espectro de Kaimal, las funciones de coherencia propuestas y la metodología detallada anteriormente, se calculan las historias temporales de viento mostradas en la figura 5.9. Como se ve en la figura, cuanto más cercanos son los puntos, mayor es la similitud entre las historias de velocidad, y cuanto mayor es la altura del punto considerado, NL JM Goicolea (UPM) Dynamics for Railway VBI 19/06/2013 35 / 40 Wind gust on bridge: model Umax z y x Wind axes Umedia 0 x̃ v w u β(t) Umax V v(t) vw (t) Umedia U + u(t) 0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t 50 m 50 m 50 m z 50 m 50 m 50 m µ = 0,3 15 / JM Goicolea (UPM) x NL Dynamics for Railway VBI y 19/06/2013 36 / 40 Wind gust on bridge: results With structure Without structure 0 100 200 x [m] 10 50 0 −50 Wheel flange contact −5 With structure Without structure 100 yc [mm] 0 300 400 0 100 200 x [m] 300 400 5 Ty [kN] ∆yw [mm] 5 0 −5 −10 JM Goicolea (UPM) With structure Without structure 0 20 40 80 60 x [m] NL Dynamics for Railway VBI 100 120 19/06/2013 37 / 40 Criteria and critical curves Matsumoto & Sogabe (2004), Japan RTRI (a) Matsumoto et al. (2004) 140 120 Fz [kN] 100 80 60 40 0 JM Goicolea (UPM) 0 2 4 Right wheel Left wheel 20 6 8 [s] (b) Guo et al. t (2004) 10 12 14 NL Dynamics for Railway VBI 19/06/2013 38 / 40 Critical Wind Curves on Ulla Viaduct 120 z[ ] 90 60 30 0 y 50 100 150 200 350 300 x[ ] 400 450 500 550 600 35 U[ / ] 0 250 120 z[ ] 90 30 25 60 30 0 20 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 x[ ] 160 180 200 220 240 V[ 260 / ] 280 300 320 340 35 JM Goicolea (UPM) NL Dynamics for Railway VBI 19/06/2013 39 / 40 Motivation Dynamic effects Computational models Applications Concluding remarks Elastic wheelset Barbantiño Bridge Elastic Wheelset Pablo Antolı́n Lateral Dynamic Train-Bridge Interaction