Zum Einfluss baulicher Randbedingungen auf das dynamische Verhalten von WIB-Eisenbahnbrücken

Rauert, Tim; Feldmann, Markus

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-37172

Zum Einfluss baulicher Randbedingungen auf das dynamische Verhalten von WIB-Eisenbahnbrücken = On the influence of constructional elements on the dynamic behaviour of filler beam railway bridges

Rauert, Tim (Author)

2011

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Tim Rauert

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2011

UmfangIII, 135 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Feldmann, Markus (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2011-07-01

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-37172
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/64544/files/3717.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Stahl- und Leichtmetallbau und Institut für Stahlbau (311710)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Eisenbahnbrücke (Genormte SW) ; Dynamisches Verhalten (Genormte SW) ; Schwingungsverhalten (Genormte SW) ; Finite-Elemente-Methode (Genormte SW) ; Verbundbauweise (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Bauwerksmessung (frei) ; Überfahrtsimulation (frei) ; Dynamische Bemessung (frei) ; Eisenbahnschotter (frei) ; bridge measurement (frei) ; train simulation (frei) ; dynamic design (frei) ; railway ballast (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Weiterentwicklung des europäischen Eisenbahnnetzes steht unter dem Vorzeichen des vermehrten Einsatzes von Hochgeschwindigkeitszügen und einer signifikanten Anhebung der Betriebsgeschwindigkeiten. Um die Auswirkungen von dynamischen Effekten aus Verkehrslasten auf Eisenbahnbrücken im Rahmen einer Bemessung hinreichend genau vorhersagen zu können, ist die Kenntnis der wesentlichen dynamischen Systemeigenschaften notwendig. Nur so können bemessungsrelevante Resonanzeffekte, die bei hohen Geschwindigkeiten grundsätzlich nicht auszuschließen sind, rechnerisch auf zuverlässige Weise erfasst werden. Messungen insbesondere an WIB-Überbauten zeigen jedoch, dass eine realistische Abschätzung von Brückeneigenfrequenzen schwierig ist. Tatsächliche und rechnerische Werte weichen in vielen Fällen erheblich voneinander ab. Ursache hierfür ist unter anderem die Nichtberücksichtigung baulicher Randbedingungen, da diese teilweise erheblichen Einfluss auf die Steifigkeits- und Dämpfungseigenschaften des Systems haben. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden zunächst Messungen an WIB-Überbauten durchgeführt und ausgewertet, um das Spektrum konstruktiver Ausführungsformen von tragendem Überbau, Lagerung sowie der herkömmlich als nicht tragend angesehenen Aufbauten zu erfassen und deren Einfluss auf Eigenfrequenz und Dämpfung weiter abzuklären. Die bisherigen o. g. Erfahrungen konnten dabei bestätigt werden. Darauf aufbauend wurden Finite-Elemente-Berechnungen zur Simulation von Zugüberfahrten im Hochgeschwindigkeitsbereich durchgeführt - mit dem Ziel, die Wirkung der als wesentlich erkannten konstruktiven Besonderheiten qualitativ und quantitativ zu beurteilen. Um dabei den Effekt der Schotterkopplung mechanisch abbilden zu können, der sich bei kontinuierlichen Schotterschichten auf baulich voneinander getrennten Einzelüberbauten einstellt, wurden Experimente an Eisenbahnschotter zur Herleitung eines vereinfachten Koppelmodells vorgenommen. Im Rahmen der numerischen Untersuchungen wurde festgestellt, dass sich insbesondere Steifigkeitsbeiträge von Randkappen und Schutzschicht erheblich auf die Brückendynamik auswirken, wobei dieser Effekt verstärkt bei Brücken mit kleinen Stützweiten auftritt. Weiterhin wurde festgestellt, dass sich die steifigkeitsbeeinflussende Wirkung der unterschiedlichen baulichen Randbedingungen prinzipiell ähnlich abbilden lässt, indem die globale Biegesteifigkeit des Brückenquerschnitts ersatzweise vergrößert wird. Die Auswertung der Bauwerksmessungen sowie die Ergebnisse der experimentellen und numerischen Untersuchungen münden in Vorschlägen, um die dynamische Bemessung von WIB-Brücken zu verbessern. Unter anderem wurde eine Bemessungshilfe erarbeitet, mit deren Hilfe sich die effektive Steifigkeit von WIB-Querschnitten näherungsweise bestimmen lässt. Das Verfahren basiert auf Korrekturbeiwerten zur Modifikation rechnerischer Querschnittssteifigkeiten. Unter Verwendung der Bemessungshilfe lässt sich eine zuverlässigere Prognose des dynamischen Systemverhaltens von WIB-Überbauten ableiten. Wie im Rahmen eines Berechnungsbeispiels gezeigt wird, kann das vorgeschlagene Konzept in einfacher Weise in die aktuelle Bemessungspraxis integriert werden.

Enhancements of the European railway system are amongst other things mainly characterized by increased usage of high speed trains and significantly raised operating speeds. To predict effects of train loading on railway bridges for a dynamic design adequately, knowledge of the system’s significant dynamic characteristics is required. Only this ensures that resonance effects, which generally cannot be screened out for high speeds, can be covered analytically by reliable values. Measurements especially carried out on filler beam bridges have shown though that a realistic estimation of eigenfrequencies of bridges is difficult. Actual values and measured ones differ significantly in many cases. In particular non-consideration of structural constraints is seen as reason for this, given that they have an immense effect on a bridge’s stiffness and damping characteristics. Within the scope of this thesis, firstly measurement campaigns on various filler beam bridges were conducted and analysed, in order to study the range of constructional detailing with regard to span lengths, cross-section design, bearings and additional non supporting structural elements on the bridge deck, furthermore in order to investigate the influence of these structural constraints on the bridge’s dynamic behaviour. The above mentioned experiences were confirmed by the obtained measurement results. Based on this, finite element calculations were carried out to simulate train passages with high velocities on filler beam bridges. These numerical studies aimed at both qualitative and quantitative assessment of dynamic effects resulting from the most influential constraints. For being able to consider interaction effects numerically, caused by continuous ballast layers on separated bridge decks, experimental tests on railway ballast were conducted. The outcome of these tests is a simplified mechanical model that can be applied in numerical calculations for taking into account the load transfer between ballast-connected structures. The numerical investigations revealed that stiffness contributions of non supporting concrete elements, attached to the cross section, have significant influence on the bridge dynamics, particularly in case of small span lengths. Furthermore it was ascertained that all effects on the system rigidity, resulting from the various structural constraints, can be considered in a similar way within numerical analysis - by increasing the cross section’s global bending stiffness. The evaluation of the measurement campaigns as well as the results from the experimental and numerical investigations lead to proposals for an improved dynamic bridge design. A design tool was prepared in order to determine the effective bending stiffness of filler beam decks approximately. It is based on correction factors to modify calculated stiffness values. By using this design tool, the prediction of the dynamic behaviour of filler beam bridges becomes more reliable. The procedure can easily be included within the current design practise which is finally shown by means of an example of dynamic bridge design.

Fulltext:
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