Vehicle collision into steel pedestrian bridge

This master's thesis focuses on loads on superstructures of steel pedestrian bridge caused by vehicle impact, using a truck with loading crane as the colliding object. Simple calculation formulas and FEM models have been made to evaluate the impact load. Impact loads given in Euro code are based on the assumption that the bridge is completely rigid and immovable. This assumption holds reasonably well for massive concrete bridges but not for lightweight bridges, hence the need to examine the impact load magnitudes for steel pedestrian bridges. Impact load magnitude is affected by the mass distributions and rigidities of both the vehicle and the bridge, as well as vehicle velocity, damping, changes in geometry, nature of the contact surface and energy losses resulting from a collision. The short duration of collisions, in the order of magnitude of 0,1 s, makes impact load difficult to determine. In addition, determining the impact load under transient loading conditions is not straightforward; therefore, the load needs to be established with both dynamic and static models. The thesis studies a number of different dynamic FEM models. The models were used to determine displacements of bridges after which the dynamic contribution was removed, and the equivalent static displacements were determined by using the static point loads. Dynamic FEM models take into account the plastic behaviour of the material and geometric non-linearity of the structure. The material model used (in the models) was elastic-perfectly plastic. Calculation sheets were made with mathematical program to compare the FEM results. Finally, obtained collision loads were compared with loads given in Euro code and with bridge model capacities. Furthermore, preliminary cost estimates were calculated for different structural solutions. The results show that in collisions into pedestrian bridges, the biggest stresses are concentrated on the supports.
Työssä on tutkittu törmäyksen aiheuttamia kuormia teräksisen kevyen liikenteen sillan päällysrakenteeseen. Törmäävänä objektina työssä on käytetty kuormausnosturilla varustettua kuorma-autoa. Työssä on esitelty yksinkertaisia laskukaavoja sekä FEM-malleja törmäyksessä syntyvän voiman määrittämiseen. Eurokoodin antamat törmäyskuormat perustuvat oletukseen, että silta on täysin jäykkä sekä liikkumaton. Tämä oletus pätee kohtalaisen hyvin massiivisiin betonisiltoihin, muttei kevytrakenteisiin siltoihin. Tästä syystä nähtiin tarpeelliseksi tutkia törmäyskuormien suuruuksia teräksisillä kevyen liikenteen silloilla. Törmäyskuorman suuruuteen vaikuttaa ajoneuvon sekä sillan massajakaumat, jäykkyydet, ajoneuvon nopeus, vaimennukset, geometrian muutokset, kontaktipinta sekä törmäyksessä syntyvät energiahäviöt. Törmäyksen lyhyt kesto, joka on suuruusluokkaa 0,1 s, tekee myös törmäyskuorman määrittämisen vaikeaksi. Lisäksi törmäyksen aiheuttaman voiman määrittäminen tilapäisessä kuormituksessa ei ole suoraviivaista, joten kuorma joudutaan määrittämään sekä dynaamisen, että staattisen mallin avulla. Työssä tutkittiin lukuisia erilaisia dynaamisia FEM-malleja. Mallien avulla määritettiin siltojen siirtymät. Tämän jälkeen malleista poistettiin dynaaminen osuus ja määritettiin staattisten pistekuormien avulla dynaamista siirtymää vastaava törmäyskuorma. Dynaamisissa FEM-malleissa on huomioitu materiaalin plastinen käyttäytyminen sekä rakenteen geometrinen epälineaarisuus. Materiaalimallina käytettiin ideaalista kimmoplastista mallia. Työssä johdettujen dynaamisten kaavojen avulla luotiin laskentapohja matematiikkaohjelmalla FEM-tuloksien rinnalle. Lopuksi saatuja törmäyskuormia verrattiin eurokoodin antamiin törmäyskuormiin sekä siltamallien kapasiteetteihin. Eri rakenneratkaisuista laadittiin myös alustava kustannusarvio. Tuloksista pystytään päättelemään, että suurimmat jännitykset törmäyksissä kevyen liikenteen siltaan ovat tukialueilla.