SEISMIC DESIGN OF RAILWAY BRIDGES

Serge MONTENSSYSTRA

SPECIFICITIES OF RAILWAY BRIDGES

• HIGH LONGITUDINAL PIER STIFFNESS REQUIRED:Rail‐structure interaction requirements are severe: check differential longitudinal displacement underbraking‐acceleration loads < 5 mm

HIGH PIER STIFFNESS → SHORT VIBRATION PERIOD → HIGH SEISMIC ACCELERATION

• RAIL‐STRUCTURE INTERACTION ANALYSIS ALLOWS CONSIDERING DISPATCHING OF BRAKING‐ACCELERATION LOADS THROUGH THE RAILS 

→ LESS CONSERVATIVE DESIGN OF PIER STIFFNESS → REDUCTION OF LONGITUDINAL SEISMIC FORCES

• IN HIGH SEISMIC AREAS, RAIL‐STRUCTURE INTERACTION ANALYSIS IS REQUIRED IN ORDER TO DESIGN LESS STIFF PIERS, AND OPTIMIZE THE SEISMIC BEHAVIOUR 

USE OF LOCK‐UP DEVICES (OR SHOCK TRANSMISSION UNITS)

• Lock‐up devices could be used to dispatch the loads under earthquake to several piers, but check RSI displacement at SLS (problem of gap when loading lock‐up device)

‐ Transverse bearings necessary on abutments→ R = 1 (response modification factor) for smallbridges

‐ Long viaducts in valleys: piers of variousheights→ no simultaneous plastic hinging at all piers→ R small, often R = 1

TRANSVERSE EARTHQUAKE

« SERVICE » EARTHQUAKE

• FOR MODERATE EARTHQUAKES, THE TRAIN OPERATION SHOULD RESTART AFTER THE EARTHQUAKE:

→ REDUCED EARTHQUAKE HAS TO BE DEFINED (WITH REDUCED RETURN PERIOD), not defined in Eurocodes

→ THE STRUCTURE HAS TO BE CHECKED FOR THIS REDUCED EARTHQUAKE: NO REINFORCEMENT YIELDING, LIMITED HORIZONTAL DISPLACEMENTS 

EXAMPLE OF SHEAR KEYS FOR HSR VIADUCTS

DAMPERS

• DAMPERS CAN BE USED IN ORDER TO DECREASE THE DECK ACCELERATION AND SUBSTRUCTURES SEISMIC FORCES

• THE BRIDGE MUST BE USABLE AFTER « SERVICE » EARTHQUAKE → FUSE ELEMENTS CANNOT BE USED

• THE LONGITUDINAL DISPLACEMENT UNDER « SERVICE » EARTHQUAKE MUST BE LIMITED TO 20mm IN ORDER TO LIMIT RAIL STRESSES

EXAMPLES OF DAMPERS

• A9 VIADUCT ON PERPIGNAN – FIGUERAS HSR LINE: 10 DAMPERS OF 1500 kN

EXAMPLES OF DAMPERS

• VENTABREN VIADUCT ON MEDITERRANEAN HSR LINE

CONCLUSION

• IN HIGH SEISMIC AREAS, RAIL‐STRUCTURE INTERACTION ANALYSIS IS REQUIRED IN ORDER TO DESIGN LESS STIFF PIERS, AND THEN OPTIMIZE THE SEISMIC BEHAVIOUR 

• FREQUENTLY WE HAVE R=1 TRANSVERSELY• « SERVICE » EARTHQUAKE HAS TO BE DEFINED, AND SPECIFIC CHECKING PERFORMED

• DAMPERS CAN BE USED, BUT CAREFULLY