Design of Reinforced Concrete Railway Bridges with Spans from 3 to 9 meters: Design According ...

151 Pages·2014·3.98 MB·English

MASTER'S THESIS
Design of Reinforced Concrete Railway
Bridges with Spans from 3 to 9 meters
Design According to the Eurocodes and the Swedish National Annex
Adolfo Martinez Diaz
2014
Master of Science in Engineering Technology
Civil Engineering
Luleå University of Technology
Department of Civil, Environmental and Natural Resources Engineering

Preface
This master thesis was carried out at the Department of Civil, Environmental and Natural Resources 
Engineering, at Luleå University of Technology, in Luleå, Sweden under the supervision of Tekn. Dr. 
Professor emeritus Lennart Elfgren. 
The work was carried out in collaboration with Trafikverket, Luleå, and I would like to thank Mr. 
Magnus Edfast. MSc.Eng, for his support and collaboration during the realization of the thesis. I also 
want to thank Dr Anders Carolin for his assistance especially at the beginning when deciding the main 
ideas and its relevance and interest to Trafikverket. 
I also want to thank Mr Henrik Bøgh Friis, MSc.Eng, from COWI (Denmark) for all his valuable 
comments on the design and calculation according to the new Eurocodes.  
The thesis will be part of the European MAINLINE Project on Railway Infrastructure. My stay in Sweden 
was made possible through the European Erasmus project and through a grant from my home 
university of Oviedo and my supervisor María Jesús Lamela Rey. 
Finally, I would like to thank my family for their support and effort in giving me the possibility to come 
to Sweden to study and do my master thesis, and my friends for all their support.  

Luleå in March 2014 

Adolfo Martinez Diaz 

i
ii
Abstract (English)
National codes have been used in bridge design as well as for the design of other type of strutures in 
Sweden and other European countries. However, in the last years, the old codes have begun to give 
way to new common European design standards: the Eurocodes. 
All existing bridges, designed according to the earlier codes are gradually getting older, and eventually 
they will have to be either repaired/strengthened or replaced.  
The aim of this thesis is to provide useful standard designs for short railway concrete bridges. Further, 
the aim is provide a manual for their design without getting lost in the huge amount of information 
that the Eurocodes offer. The focus is on the most important parts and an effort has been made to 
make the design process fluent. The designed bridges have lengths between 3 and 9 meters and the 
Swedish National Annex to the Eurocode has been considered. There will be some limitations in the 
calculations, for example, the bridges are supposed to have straight tracks. 
The work is related to the European Project MAINLINE, which has the aim to help to improve the 
management of the European railway infrastructure. 
The results show, as can be expected, that as the length of the bridge increases, the amount of 
reinforcement also increases and so does the thickness of the beams. In Appendix A, the calculations 
for a 6 meters long bridge is given in detail, as an example.  A table with reinforcement distribution 
and dimensions is given for each length, as well as final drawings. 
When the results obtained are compared to the ones obtained using the Spanish National Annex for 
the Eurocode, it can be seen that the two designs are quite similar. The differences are due to some 
safety factors and coefficients, but they do not make a big change when all the calculations are done. 
Sometimes the crack width is the most determinant characteristic in the Spanish design because the 
maximum crack width is lower. Moreover, the possible differences in the designs are almost evened 
out after a fatigue verification for 120 years. 

  iii
Sammanfattning (Swedish)
För inte så länge sedan användes nationella normer vid dimensionering och byggande av broar i 
Sverige. Under senare år har de dock ersatts av nya internationella regler: Europakoderna 
Alla befintliga broar, som dimensionerats enligt tidigare normer, blir gradvis allt äldre och de behöver 
med tiden repareras/förstärkas eller bytas ut 
Syftet med detta examensarbete  är att ta fram användbara standardritningar för korta järnvägsbroar 
av betong. Vidare är målet att ta fram en vägledning för hur en bro konstrueras utan att gå vilse i den 
enorma mängd information som finns i Eurokoderna. Fokus ligger på de viktigaste delarna och på att 
göra designprocessen lättflytande. Broarna har längder mellan 3 och 9 meter. Vissa begränsningar 
finns i beräkningarna, till exempel att endast broar med raka spår behandlas. 
Metoderna som används förklaras. De omfattar permanenta och variabla laster,  gränstillstånd, 
böjmoment, tvärkraft och vridmoment, förankring, armeringsutformning, sprickbredder, krympning 
och utmattning. 
Arbetet anknyter till det europeiska projektet MAINLINE, vars mål är att bidra till att förbättra 
underhåll och skötsel av europeisk järnvägsinfrastruktur. 
Resultaten visar, som man kan vänta sig, att när brolängden ökar, ökar också mängden erforderlig 
armering. Så gör också erforderlig väggtjocklek.  I bilaga A redovisas beräkningarna i detalj för en 6 
meter lång bro. Alla huvudresultat redovisas i en tabell med dimensioner och armeringsmängder, såväl 
som tillhörande ritningar. 
När resultat från beräkningar enligt den svenska nationella bilaga jämförs med de som erhållits med 
enligt den spanska nationella bilagan, ser man att båda ger ganska likartade resultat. Skillnaden består 
i vissa säkerhetsfaktorer och koefficienter, men de ger inga stora förändringar när alla beräkningar 
genomförts.  Dessa skillnader försvinner dessutom nästan helt när hänsyn tas till att broarna skall klara 
utmattning under 120 år. 

  iv
Resumen (Español)
Hasta no hace mucho, se venía utilizando una normativa nacional para el diseño de puentes así como 
para otros tipos de estructuras tanto en Suecia como en otros países europeos. Pero en los últimos 
años, estos códigos están dando paso a una nueva normativa europea común: Los Eurocódigos. 
Todos los puentes existentes diseñados según los estándares antiguos van gradualmente quedando 
viejos y deben ser reparados/reforzados o reemplazados. 
El objetivo de esta tesis es proporcionar a Trafikverket, la Administración de Transportes de Suecia, 
unos diseños estándar para los puentes más comunes en Suecia y en Europa muy útiles para facilitar la 
tarea de reemplazar los viejos. Además, se pretende proporcionar un manual de diseño de puentes 
centrándose en las partes más importantes sin perderse entre la gran cantidad de información que 
ofrecen los Eurocódigos para hacer el proceso de diseño más fluido y sencillo. Los puentes diseñados 
tienen una longitud de entre 3 y 9 metros y será tenido en cuenta los anejos nacionales suecos del 
Eurocódigo. 
El método seguido será explicado, abarcando todos los aspectos necesarios del diseño como cargas 
permanentes, cargas variables, Estados Límite, momentos flectores, cortadura, torsión, refuerzos, 
anchos de grieta, desgaste y fatiga para 120 años de vida. 
Este trabajo está relacionado con el proyecto europeo MAINLINE con el objetivo de ayudar a mejorar 
la administración de la infraestructura ferroviaria europea. 
Los resultados principales muestran que, como es de esperar, al incrementar la longitud del puente, lo 
mismo ocurre con la cantidad de refuerzos necesarios y el ancho de las vigas. En el apéndice A se 
muestran los cálculos en detalle para un puente de 6 metros como ejemplo. Se proporcionará también 
una tabla con la distribución de los refuerzos para cada longitud así como planos finales. 
Cuando comparamos los resultados obtenidos con los que proporcionan los anejos nacionales 
españoles, podemos concluir que no hay grandes diferencias. Algunos coeficientes y factores de 
seguridad cambian entre países pero el resultado final es muy similar. En ocasiones el ancho de grieta 
es determinante en el diseño según los anejos españoles por ser más restrictivo. Además, cualquier 
posible diferencia entre ambos diseños prácticamente desaparece tras la verificación a fatiga para 120 
años de vida. 

  v
vi
Nomenclature
Latin upper case letters 
A  Concrete cross‐sectional area
c
A   Effective area of concrete in tension
c,eff
A  Area enclosed by the centre‐lines of the closed transverse torsional reinforcements
k
A   Area of each bar
ø
A   Reference area 
ref,x
A  Total reinforcement area
s
A'   Area of pre or post‐tensioned tendons
ρ
ALS  Accidental Limit State
C   Drag coefficient
D
C   Allowance in design for deviation
dev
C   Directional factor
dir
C   Reduction of minimum cover for use of additional protection 
dur,add
C   Reduction of minimum cover for use of stainless steel
dur,st
C   Additive safety element
dur,γ
C   Minimum concrete cover
min
C   Minimum cover due to bond requirements
min,b
C   Minimum cover due to environmental conditions
min,dur
C   Season factor 
season
E  Design value of modulus of elasticity of concrete
c
E  Design value of modulus of elasticity of reinforcing steel
s
F  Forces (kN/m) 
FLS  Fatigue Limit State
G  Characteristic permanent action
k
I  Second moment of inertia
L  Length  
M  Bending moment
M   Bending moment limit for cracking
crack
M   Maximum design moment
d
M   Design value of the applied internal bending moment
Ed
M   Serviceability Limit State bending moment
SLS
P  Point load 
Q  Point load 
  vii
Q   Traction force 
lak
Q   Braking force 
lbk
S  Characteristic value of snow on the ground at the relevant site (kN/m2)  
k
S   Maximum crack spacing
r,max
SLS  Serviceability limit state
T   Maximum uniform bridge temperature
e,max
T   Minimum uniform bridge temperature
e,min
T   Design value of the applied torsional moment
Ed
T   Maximum shade temperature
max
T   Minimum shade temperature
min
ULS  Ultimate limit state
V   Basic wind velocity
b
V   Shear force 
Ed
V   Reference value of wind velocity
ref
W   Wind force (kN/m2)
e

Latin lower case letters 
b  Width 
d  Depth 
f  Natural frequency
f   Design value of concrete compressive strength
cd
f   Characteristic compressive cylinder strengthof concrete at 28 days 
ck
f   Design value of concrete tensile strength
ctd
f   Characteristic axial tensile strength of concrete
ctk, 0,05
f   Mean value of axial tensile strengthof concrete
ctm
f   Design yield strength of reinforcement
std
f   Design yield strength of reinforcement
yd
f   Characteristic yield strength of reinforcement
yk
h  Height 
h   Notional size 
0
l   Basic anchorage length
b,rqd
l   Design anchorage length
bd
n  Number of reinforcement bars
q  Distributed load
  viii