Fatigue analysis of simple span riveted steel raiway bridges

Abstract

1900'lü yıllarda inşa edilmiş mevcut bir tek açıklıklı, perçinli, düzlem kirişli çelik demiryolu köprüsü üzerinde yorulma analizleri yapılmıştır. Yorulma analizi yöntemi olarak gerilme esaslı yaklaşım seçilmiştir. Seçilen köprü sonlu elemanlar yöntemiyle çalışan SAP2000 yapısal analiz programında çubuk eleman yöntemiyle modellenmiştir. Köprünün üzerinden geçen yükleri elde edebilmek için Türkiye Cumhuriyeti Devlet Demiryolları'nın demiryolu yük ve demiryolu araçları istatistikleri ile trafik geçmişi bilgileri elde edilerek buna uygun katar yükü profilleri oluşturulmuştur. Hareketli yükler modele girilmiştir. Analiz sonucunda eleman eksenel gerilme sonuçları elde edilmiştir. Her elemanda yorulma için en elverişsiz durumun oluştuğu kesit ve o kesitteki ilgili nokta belirlenmiştir. Daha sonra her kritik eleman tipinde seçilen bu noktalarda her bir yük profili altında eksenel gerilme değerleri birer gerilme grafiğine işlenmiştir. Daha sonra, gerilme aralıklarının tekrar sayıları `rainflow` çevrim sayma yöntemiyle elde edilmiştir. Gerilme aralıkları tekrar sayılarını gösteren histogramlar oluşturulmuştur. Bu histogramlar darbe katsayıları ile ve trafik geçmişi bilgisi ile çarpılarak, geçmişten incelenen tarihe kadarki tüm süre boyunca her bir yük profilinin ilgili defalarca köprünün üzerinden geçmesi sonucu oluşan toplam histogramlar elde edilmiştir. Son olarak bu histogramlardaki veriler kullanılarak, AASHTO'daki detay kategorilerine göre verilen yorulma sınırını gösteren gerilme-çevrim grafiği üzerinden, Miner Kuralı kullanılarak elemanlardaki toplam yorulma hasar birikimleri lineer hasar birikimi yöntemiyle hesaplanmıştır.

Fatigue analysis of an existing single span, riveted and plane girder steel railway bridge which was built in 1900's, is carried out. Stress-based approach is applied. The bridge is modeled with frame elements in a finite element program. Train load profiles and traffic history tables for the time period which the bridge was in service are constructed according to the railway vehicle and load statistics of the Turkish State Railways Administration (TCDD). The live loads are applied to the structural model. After running the analysis in the finite element program, the frame element axial stresses are maintained. The critical stress points and sections of the critical elements for fatigue analysis are chosen by making comparisons. Stress graphs for the chosen critical stress points showing stress-load case interaction in each train profile passage over the bridge are drawn. Afterwards, the full cycles of stress ranges in those stress graphs are counted using rainflow cycle method. The number of full cycles of stress ranges are plotted to the stress histograms. Every single histogram which is obtained for any element in one passage of any train profile over the bridge is multiplied by the impact factors and the traffic history data and result histograms are obtained for each critical bridge element. Finally, fatigue damage accumulations according to the detail categories in AASHTO, were calculated from these histograms using Miner's Rule. The total fatigue damage over the critical elements are obtained.