The Impact of the Connection Stiffness on the Behaviour of a Historical Steel Railway Bridge

Abstract

Mnoho ocelových železničních mostů v Evropě a dalších částech světa bylo postaveno v 19. století a je dodnes stále v provozu. jedná se zejména o příhradové konstrukce, které se navrhovaly jako zatížené pouze osovými silami. Ve skutečnosti se však styčníky řešily nýtováním a příložkami či styčníkovými deskami, které zabraňují otáčení mezi prvky, což umožňuje přenos ohybových momentů. V některých případech vyvolávají tyto momenty významná namáhání. V této práci se analyzuje tuhost různých typů styčníků pomocí softwaru IDEA StatiCa. Výsledky pro každý spoj jsou pak použity v obecném modelu mostu, který je proveden v CSI Bridge. Následně se provádí parametrická analýza změnou tuhosti a sleduje se napětí a další veličiny na trámu i na mostovce. Zkoumání je založeno na příkladu železničního mostu přes řeku Vltavu ve Vyšehradě. Dále byl odvozen lineární vztah mezi tuhostí a počtem nýtů a jsou uvedeny i výsledné tuhosti styčníků

Many of the steel railway bridges in Europe and other parts of the world were built in the 19th century and are still under service today. Truss structures were very popular for bridges. The considerations for its design were that the connections were pinned, so the elements are loaded only by axial forces. In reality, the connections were solved with rivets and large plates that prevent the rotation between elements, allowing the transmission of bending moments. In some cases, these second order forces induce important stresses in the structure. In this work, the analysis of the stiffness of different types of joints is done by using the IDEA StatiCa software. Then, the results for each joint are applied in the general model of the bridge, built in CSI Bridge. Finally, a parametric analysis is done by changing the joints in different groups of elements, to determine the impact on the general behavior. The comparison is done on both, the truss and the deck; and the parameters used to compare are the maximum stresses and displacements. The bridge chosen as a typical example of this type of structures is the steel railway bridge over the Vltava River in Vyšehrad. A linear relation between the stiffness and the number of rivets was observed from the analysis of the joints stiffness. Also, this linear behavior was observed for the moment of inertia of the section. The values of stiffness obtained, and the geometrical characteristics of the joint are also presented. The connection condition with most impact in the general behaviour of the bridge is the crossbeam, affecting not only the deck but also the stresses in the truss.