TY - CONF A1 - Auersch, Lutz T1 - A mid-frequency component of train-induced ground vibration due to scattered axle impulses and the irregularities of the soil and ballast N2 - The passage of the train is dominated by the impulses of the static axle loads. The response of the regular homogeneous and irregular soils has been calculated by the finite-element method in frequency domain. The superposition of the impulse responses yields the quasi-static component of the ground vibration which is restricted to very low frequencies and to the close near-field of the track. In case of an irregular soil or ballast of which the stiffness varies randomly in space, a mid-frequency ground vibration component is generated by the scattering of the axle impulses. Measurements will be shown which prove the existence of the mid-frequency ground vibration component and the unique explanation by the scattered axle impulses: many international measurements with a raised mid-frequency component, axle-box measurements with a too low mid-frequency dynamic load, amplitude-speed dependencies which are incompatible with irregularity-induced dynamic loads, and ground vibration reductions due to stiff track elements. T2 - International Conference on Noise and Vibration Engineering (ISMA/USD) CY - Online meeting DA - 07.09.2020 KW - Ground vibration KW - Railway KW - Irregular soil KW - Irregular ballast KW - Axle impulses PY - 2020 SP - 2611 EP - 2625 PB - KULeuven CY - Leuven AN - OPUS4-51210 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Auersch, Lutz T1 - Zur Prognose von Erschütterungen aus Bahntunneln N2 - Zur Erschütterungsausbreitung an oberirdischen Bahnlinien gibt es gute Übereinstimmungen zwischen Messungen und der Theorie geschichteter Böden. Bei der Interpretation der Ergebnisse spielt die Rayleigh-Welle eine große Rolle. Je nach Frequenz und Wellenlänge hat die Rayleigh-Welle eine bestimmte Eindringtiefe und erreicht damit mehr oder weniger steife Bodenschichten. Damit bekommt man eine frequenzabhängige Bodensteifigkeit für die Erschütterungsprognose. Für die Wellenausbreitung in der Tiefe statt an der Bodenoberfläche müssen eigene Gesetzmäßigkeiten gefunden werden. Es werden die Punktlastlösungen im Frequenz-Wellenzahlbereich und durch Integration über die Wellenzahlen berechnet. Man erhält die Wellenfelder, die Terzspektren für verschiedene Entfernungen und Frequenzen. Es wird die Tiefenlage und das Bodenmodell (homogen, geschichtet und kontinuierlich zunehmende Steifigkeit) variiert. Die Rayleigh-Welle verliert ihre Bedeutung und stattdessen kann die Vollraumlösung zur Interpretation und Prognose verwendet werden. Es werden die Halbraumlösung mit und ohne Rayleigh-Welle und die Vollraumlösung in der Tiefe diskutiert und verglichen. Neben der Wellenausbreitung (der Transmission) werden auch Effekte der Erschütterungsanregung (der Emission) und der Übertragung in Gebäude (der Immission) mit Hilfe der Finite-Element-Randelement-Methode berechnet. Die Verteilung der dynamischen Achslast durch die Tunnelsohle ergibt eine Minderung gegenüber der Punktlastanregung. Bei der Immission hat man keine Freifeldanregung wie an der Bodenoberfläche. Man muss entweder neben der Wellenamplitude (Verschiebung oder Schwinggeschwindigkeit) in der Tiefe auch die Spannung der ankommenden Welle berücksichtigen, oder man muss die Freifeldamplituden nach Bodenaushub berechnen. Die Rechenergebnisse deuten darauf hin, dass man als Freifeldanregung die zweifache Vollraumlösung ansetzen kann. T2 - Wiener Dynamik Tage 2021 CY - Vienna, Austria DA - 22.7.2021 KW - Erschütterungsausbreitung KW - Tunnel KW - Halbraum KW - Vollraum PY - 2021 SP - 1 EP - 11 PB - Steinhauser Consulting Engineers (STCE) CY - Wien AN - OPUS4-53253 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Auersch, Lutz ED - Carletti, E. ED - Crocker, M. ED - Pawelczyk, M. ED - Tuma, J. T1 - Dynamic measurements during drop tests on stiff foundations N2 - Measurements at the foundation, the surrounding soil and nearby buildings have been done during several drop tests of different containers on different foundations. The first measurements have been done on a big foundation where it should be guaranteed that the foundation is rigid and the container is tested properly. It was controlled that the foundation does not absorb more than 2 percent of the energy of the container. Most of the drop energy is lost in shock absorbers. Later on, a smaller drop test facility has been built on the ground but inside an existing building. It had to be controlled by prediction and measurements that the drop test will not damage the building. Tests from different heights on soft, medium, and stiff targets have been done to find out rules which allow to identify acceptable and unacceptable drop tests. Later on, the biggest drop test facility has been built for masses up to 200 t. It was necessary for the design of the foundation to estimate the forces which occur during the drop tests. On the other hand, the acceptable tests should be selected and controlled by measurements where the impact duration is important. Different sensors, accelerometers, accelerometers with mechanical filters, geophones (velocity transducers), strain gauges, and pressure cells have been applied for these tasks. The signals have been transformed to displacements which proved to be best suited for the interpretation of the impact mechanism. Modell calculations have been used to check and understand the dynamic measurements. The simplest law is the conservation of the momentum which is a good approximation if the impact is short. If the soil under the foundation has an influence on the deceleration of the container, the maximum foundation velocity is lower than the simple estimation. The amplitudes of the foundation could also be estimated from the ground vibrations and their amplitude-distance law. T2 - 27th International Congress on Sound and Vibration (ICSV27) CY - Online meeting DA - 11.07.2021 KW - Drop test KW - Vibration measurement KW - Container loading KW - Foundation load PY - 2021 SN - 978-83-7880-799-5 SN - 2329-3675 SP - 1 EP - 8 PB - Silesian University Press CY - Gliwice, Poland AN - OPUS4-53255 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Auersch, Lutz T1 - Aspekte der Erschütterungsprognose bei Bahnlinien: Quasi-Statik und Achsfolge, unregelmäßiger Schotter und Boden, Wellenausbreitung bei Tunneln und Besonderheiten bei Bürogebäuden N2 - Erschütterungen, die durch Eisenbahnverkehr erzeugt werden, breiten sich durch den Erdboden aus und regen benachbarte Gebäude zu Schwingungen an. Es wurde ein Prognoseverfahren für Bahnerschütterungen ent-wickelt, das mit einfachen Modellen schnell Ergebnisse liefert. Dies sind physikalische Modelle, zum Beispiel 1-dimensionale Modelle mit Übertragungsmatrizen für die Fahrzeug-Fahrweg-Boden-Wechselwirkung und für die Gebäude-Boden Wechselwirkung. Damit werden die komplexen Verhältnisse bei der Emission (dem Zusammen¬wirken von Fahrzeug und Fahrweg), bei der Transmission durch den homogenen oder geschichteten Boden und bei der Immission in Gebäuden näherungsweise erfasst. In (Auersch, 2020) wird gezeigt, dass diese einfachen Prognosemodelle die Ergebnisse von detaillierten Modellen wie der Finite-Element-Randelement-Methode für das Gleis, die Wellenzahlintegrale für den Boden und 3-dimensionale Finite-Element-Modelle für das Gebäude gut wiedergeben können. Dies entspricht auch der Absicht, die Prognosemodelle aus den Ergebnissen der Detailmodelle abzuleiten. Die drei Prognoseteile werden getrennt berechnet, aber es werden physikalisch sinn¬volle Schnittstellen verwendet. Für die Emission und Transmission sind es die auf den Untergrund wirkenden Erregerkräfte von Fahrzeug und Fahrweg, für die Transmission und Immission sind es die Freifeldamplituden des Bodens. T2 - 17. D-A-CH Tagung Erdbebeningenieurwesen und Baudynamik CY - Online meeting DA - 16.09.2021 KW - Erschütterungen KW - Emission KW - Transmission KW - Immission PY - 2021 SP - 17 EP - 18 PB - ETH Zürich CY - Zürich AN - OPUS4-53313 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Auersch, Lutz T1 - Prediction of building noise and vibration – 3D finite element and 1D wave propagation models N2 - Construction work or traffic excite nearby buildings, and the perceptible or audible vibration can be a nuisance for the inhabitants. The transfer of the vibration from the free field to the building has been calculated by the finite element method for many models in consultancy and research work. The analysis for all storeys of certain building points such as walls, columns and floors unveiled some rules, some typical modes, and some wavetype responses. A simplified building-soil model has been created, which includes well these effects of building-soil resonance, wall/column resonance, floor resonances, and the high-frequency reduction. The model consists of one wall for a wall-type apartment building or a column for each specific part (mid, side or corner) of a column-type office building. The building response in the high-frequency (acoustic) region is calculated as mean values over all storeys and over wider frequency bands, by wave-type asymptotes of an infinitely tall building, and by the soil to wall ratio of impedances. The secondary noise is predicted by Transfer values between the building vibration (center of floors, walls at a room corner) and the sound pressure. T2 - Euronoise 2021 CY - Online meeting DA - 25.10.2021 KW - Building vibration KW - Finite element models KW - Soil-wall-floor model KW - Apartment building KW - Office tower PY - 2021 SN - 978-989-53387-0-2 SP - 1792 EP - 1801 AN - OPUS4-53702 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Auersch, Lutz T1 - Wellenausbreitung und Pfähle im inhomogenen Boden – Gesetzmäßigkeiten für die Gründung von Windenergieanlagen und für die Prognose von Bahnerschütterungen aus Tunneln N2 - Es wird eine gekoppelte Finite-Element-Randelementmethode zur Berechnung von Pfahlgrün-dungen in inhomogenen (geschichteten) Böden vorgestellt. Sie beruht auf den Greenschen Funktionen (Punktlastlösungen) für inhomogene Böden. Diese Lösungen können auch für die Wellenausbreitung in der Tiefe, zum Beispiel von einem Bahntunnel zu einem eingebetteten Gebäude, dem Kellergeschoss benutzt werden. Die Punktlastlösungen in der Tiefe werden mit der Halbraumlösung an der Bodenoberfläche und mit der Vollraumlösung verglichen und Gesetzmäßigkeiten für geschichtete Böden abgeleitet. Zu den Pfahlgründungen werden die Horizontalnachgiebigkeiten von Pfählen in geschichteten Böden dargestellt. Für den homogenen und den kontinuierlich steifer werdenden Boden werden Potenzgesetze für den Boden- und Pfahleinfluss aufgestellt. Der Vergleich mit dem Winkler-Modell der rein lokalen Bodenreaktion zeigt, dass die Winkler-Bettung in allen Fällen einen zu kleinen Bodeneinfluss ergibt. T2 - 7. VDI-Fachtagung Baudynamik CY - Würzburg, Germany DA - 27.04.2022 KW - Wellenausbreitung in der Tiefe KW - Nachgiebigkeiten KW - Windenergieanlagen PY - 2022 SN - 978-1-18-092379-6 SN - 0083-5560 VL - 2379 SP - 697 EP - 706 PB - VDI-Verlag CY - Düsseldorf AN - OPUS4-54768 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Auersch, Lutz T1 - Wave propagation from hammer, vibrator and railway excitation – theoretical and measured attenuation in space and frequency domain N2 - The attenuation of wave amplitudes is ruled by the planar, cylindrical or spherical geometry of the wave front (the geometric or power-law attenuation) but also by the damping of the soil (an exponential attenuation). Several low- and high-frequency filter effects are derived for the layering and the damping of the soil, for the moving static and the distributed train loads and for a homogeneous or randomly heterogeneous soil. Measurements of hammer- and train-induced vibrations at five sites have been analysed for these attenuation and filter effects. The measured attenuation with distance can be discribed by generalised power laws and some reasons will be discussed. The theoretical filter effects can well be found in the measurements. T2 - Wave Mechanics and Vibrations Conference CY - Lisbon, Potugal DA - 04.07.2022 KW - Hammer impact KW - Train passage KW - Layered soil KW - Attenuation KW - Filter effects KW - Randomly heterogeneous soil KW - Scattering PY - 2023 SN - 978-3-031-15757-8 DO - https://doi.org/10.1007/978-3-031-15758-5_35 SP - 352 EP - 359 PB - Springer Nature CY - Cham, Schweiz AN - OPUS4-56034 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Auersch, Lutz T1 - Railway vibration – fast physics-based models for the prediction of ground vibration and the identification of track damage N2 - The following applications of machine learning will be discussed: 1. The prediction of the wave propagation from a railway line (completely physics based for surface lines, physics-based machine learning for tunnel lines) 2. The track behaviour for the emission of train-induced ground vibration (physics based for homogeneous soil, machine learning for layered soil) 3. Track damage detection and quantification from frequency response functions and moving load responses 4. Bridge damage detection and localisation from modal analysis and moving load 5. The use of axle-box acceleration for the identification of track/sub-soil condition and bridge resonances. The prediction of railway vibration usually needs time-consuming finite element, boundary element and wavenumber domain calculations. For a user-friendly prediction software however, fast calculations are needed. Several time-consuming detailed calculations have been used to develop simpler and fast models for the surface railway lines. The more challenging prediction from tunnel lines will be attacked by purely mathematical and by physics-informed machine learning. The dynamic stiffnesses of isolated or un-isolated railway tracks from detailed calculations with a continuous soil have been approximated with the simpler Winkler soil. The vehicle-track resonance (P2 resonance) rules the effect of the mitigation measures, and it can also be used for the on-board monitoring of the track and sub-soil condition. For the identification of track damage such as gaps between sleepers, track slabs and layers, detailed models with a continuous soil have been updated to get the best fit to the measured frequency response functions from hammer tests and the deformation pattern from the moving load response. Whereas the track damage can be locally identified, this is more difficult for bridges where the modal analysis gives mainly global information. The influence lines of the inclination for statically passing vehicles (locomotive, truck, compaction roller) have been used to localise bridge damage (stiffness variations). The on-board monitoring of rail bridges needs special conditions (regular trains with special speeds) to excite and measure the bridge resonance. T2 - 11th European Workshop on Structural Health Monitoring (EWSHM 2024) CY - Potsdam, Germany DA - 10.06.2024 KW - Vibration prediction KW - Track damage detection KW - Human and machine learning KW - Wave propagation KW - Surface line KW - Tunnel KW - Bridge resonance PY - 2024 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-612462 DO - https://doi.org/10.58286/29865 SN - 1435-4934 SP - 1 EP - 9 PB - NDT.net CY - Kirchwald AN - OPUS4-61246 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Auersch, Lutz T1 - Erschütterungsprognose mit KI? Schnelle Ersatzmodelle und physikbasiertes maschinelles Lernen in der Bauwerk-Boden-Dynamik N2 - Erschütterungsprognosen können mit sehr detaillierten Modellen durchgeführt werden. Dies ist sowohl bei der Erstellung des Modells (zum Beispiel für ein Finite-Element-Modell für Boden und Bauwerk), als auch bei der Berechnung zeitaufwändig, von einigen Minuten für die Wellenausbreitung in geschichteten Böden mit Wellenzahlintegralen bis zu mehreren Stunden für Randelementlösungen für die korrekte Bauwerk-Boden-Wechselwirkung. Hier sind einfache und schnelle Ersatzmodelle von Vorteil, die die Ergebnisse der detaillierten Berechnungen gut wiedergeben. Diese Ersatzmodelle können vollständig auf physikalischen Überlegungen beruhen (white-box Modelle) oder mit Hilfe von maschinellem Lernen aus einer Vielzahl von detaillierten Rechenergebnissen erzeugt werden (black-box Modelle). Erfahrungen mit black-box Modellen zeigen, dass es sinnvoll ist das maschinelle Lernen mit physikalischen Informationen anzureichern (grey-box Modelle). Es werden Anwendungsmöglichkeiten für physikbasiertes maschinelles Lernen im Bereich von Bahnerschütterungen aufgezeigt, die Erschütterungsemission durch die Fahrzeug-Fahrweg-Wechselwirkung, die Wellenausbreitung im Boden, die Erschütterungsimmission in Gebäude, Gleisschäden und das Monitoring von Eisenbahnbrücken. T2 - VDI-Tagung Baudynamik CY - Würzburg, Germany DA - 02.04.2025 KW - Bahnerschütterungen KW - Emissionsmodell KW - Immissionsmodell KW - Transmissionsmodell KW - Tunnelausbreitung KW - Gleisüberwachung PY - 2025 SN - 978-3-18-092447-2 SN - 0083-5560 VL - 2447 SP - 53 EP - 64 PB - VDI-Verlag CY - Düsseldorf AN - OPUS4-62886 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Auersch, Lutz ED - Papadrakakis, Manolis T1 - Frequency-wavenumber method for the wave propagation through the soil and the soil-structure interaction of railway tracks and building foundations near railway lines N2 - In soil-structure interaction, the soil and the (flexible) structures are modelled as elastic continua. The partial differential equations of elasticity can be transformed to algebraic equations in frequency-wavenumber domain where they can be solved by matrix methods. The results for the soil and a structure can be coupled in frequency-wavenumber domain, and the solution in space domain is obtained by an infinite wavenumber integral (the back-transformation). This method has several applications for the prediction of the emission, transmission and immission of railway-induced vibrations. The wave propagation in homogeneous or layered soils is calculated for surface and tunnel lines by a single wavenumber integration (transmission). The response of ballast or slab tracks (for the emission problem) and the foundation stiffness (for the immission problem) need an additional integration across the track or foundation width. In wavenumber domain, tracks and foundations of infinite length are analysed. Finite structures can be calculated by finite element models where the soil is calculated by the boundary element method. The Green’s functions for the boundary element method are calculated by a wavenumber integration as for the transmission problem. Some example results for all these tasks will be shown. The immission into buildings will be analysed in detail, and the effect of stiff slab foundations and (basement) walls on the incoming wavefield is quantified in a parameter study. The transfer function (the amplitude ratio) structure to free field usually starts with 1 at 0 Hz and decreases continuously with frequency. The reduction is due to the structural stiffness against wave deformation which turns to be higher than the stiffness of the soil, for example above the structure-soil coincidence frequency of the slab foundation. The reduction is better for a high structural stiffness and for a low soil stiffness. Walls are stiffer than plates for the relevant frequency range, but even walls and especially low basement walls are not infinitely rigid and can follow the wave deformation to a certain extent. These basic rules from frequency-wavenumber analysis can well be used for real building projects near railway lines where stiff foundations can be an alternative reduction method to the commonly used base isolation by elastic elements. T2 - COMPDYN 2025 CY - Rhodos, Greece DA - 15.06.2025 KW - Frequency-wavenumber method KW - Wave propagation KW - Soil-structure interaction KW - Building foundations KW - Mitigation measures PY - 2025 SP - 1 EP - 15 PB - NTUA CY - Athen AN - OPUS4-63470 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -