TY - CONF A1 - Maack, Jürgen A1 - Eidenmüller, Moritz A1 - Auersch, Lutz T1 - Prognose von Erschütterungs- und Sekundärschall- Immissionen an Bahnlinien unter Verwendung von FEM Gebäudemodellen N2 - Die Errichtung von Wohngebäuden an Bahnstrecken erfordert Betrachtungen zur Begrenzung der Erschütterungs- und Sekundärschallimmissionen. Hierzu werden spektrale Prognoseverfahren ausgehend von Freifeldmessungen eingesetzt. Im rechnerischen Modell werden die Teilaspekte der Körperschallübertragung mit Hilfe von spektralen Übertragungsfunktionen beschrieben. Kenntnis über die Zusammenhänge dieser spektralen Übertragungsfunktionen erhält man im Wechselspiel von: - Messergebnissen von Körperschall- und Luftschallmessungen für einzelne Übertragungssysteme - Modellberechnungen mit der Finite-Elemente-Methode, Parameterstudien, Abgleich mit Messergebnissen - Modellberechnung mit der Finite-Elemente-Methode zur Wechselwirkung des schwimmenden Estrichs mit dem Gebäude T2 - VDI-Tagung Baudynamik CY - Würzburg, Germany DA - 02.04.2025 KW - Bahnerschütterungen KW - Gebäudemodelle KW - Schwimmender Estrich KW - Sekundärschall PY - 2025 SN - 978-3-18-092447-2 SN - 0083-5560 VL - 2447 SP - 301 EP - 314 PB - VDI-Verlag CY - Düsseldorf AN - OPUS4-62887 LA - deu 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 - 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 - Vibrations of multi-span structures like floors, rail and road bridges N2 - Resonances of rail bridges due to the passage of trains have been mainly investigated for sin-gle-span bridges. When multi-span bridges are to be considered, it is of interest if stronger resonance amplifications must be taken into account. Measurements of several multi-span structures have been evaluated for natural frequencies and mode shapes. An integral rail bridge with three different spans shows a separated local resonance of the longest main span and clearly higher natural frequencies of the shorter side spans. A two-span continuous beam on the test area of the Federal Institute of Material Research and Testing showed a regular pattern of natural frequencies where always a pair of frequencies is found with a certain fre-quency ratio. The corresponding mode shapes are the out-of-phase and in-phase combinations of the first, second, third … bending mode. A seven-span road bridge has been monitored for one of the almost equally long spans. Similar mode shapes have been observed for different, clearly separated natural frequencies. Three modal analyses measurement campaigns have been performed on the whole bridge. The combined mode shapes of the seven spans have been clearly identified where different combinations of spans are dominating in the different mode shapes. Equal weakly coupled spans have been analysed for a large wooden floor in a castle. A cluster of natural frequencies has been observed and a special method to extract the mode shapes has been developed and tested. The consequences of multi-span bridges for rail traffic will be discussed. If n simply supported bridge spans have no coupling, n equal modes with amplitude A/n exist and their superposition would yield the same resonance as for a single bridge. Real simply supported bridges have always a weak coupling due to the track or the common piers. Therefore, the natural frequencies differ a little and they cannot be in reso-nance at the same time for the same train passage so that the resonance amplification cannot be as strong as for the single bridge. This rule holds also for the average amplitude of the time history of the bridge passage which is an adequate quantity to judge for the bridge behaviour. The maximum amplitude of the time histories of different bridge points are quite random and could exceed the values of a single bridge. The meaning of such criteria is questioned and fre-quency domain analyses are suggested for a clearer bridge analysis and understanding. T2 - DinEst 2024 Third Conference on Structural Dynamics CY - Seville, Spain DA - 12.09.2024 KW - Rail bridge PY - 2024 SP - 41 EP - 59 PB - Escuela Tecnica Superior de Ingenieria CY - Sevilla AN - OPUS4-61238 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Auersch, Lutz T1 - Die Minderung von Bahnerschütterungen – Messergebnisse aus Österreich, Deutschland und der Schweiz N2 - Die Minderung von Bahnerschütterungen neben Eisenbahnstrecken ist an vielen Stellen gemessen worden. Dabei ist neben der hochfrequenten Wirkung von elastischen Gleiselementen wie Schienenlager, Schwellensohlen und Unterschottermatten auch oft eine tieffrequente Minderung beobachtet worden. Diese tieffrequente Minderung wird interpretiert und mit der weiteren Lastverteilung der statischen Last erklärt. T2 - 3. Wiener Dynamik Tage CY - Vienna, Austria DA - 25.07.2024 KW - Bahnerschütterungen KW - Minderung KW - Messungen KW - Schwellensohlen KW - Unterschottermatten KW - Gleistrog PY - 2024 SP - 1 EP - 13 AN - OPUS4-61244 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Auersch, Lutz T1 - Prediction of ground vibrations from rail tunnels –finite-element, boundary-element and wavenumber calculations N2 - The prediction of ground and building vibrations has been established for surface lines and has now been extended to tunnel lines. The wave propagation in homogeneous or layered soils (the transmission) is calculated by an integration in wavenumber domain. The wave amplitudes at different distances and for different frequencies will be analysed for the following situations. 1. The horizontal propagation from a surface point to a surface point constitutes the basic rules. 2. The horizontal propagation from a source point at depth to a receiver point at depth which is related to a building with a deep basement or on a pile foundation. 3. The propagation from depth to the surface, which is the normal case for free-field measurements, has some different characteristics, for example a weaker attenuation with the horizontal distance from the source, which can be approximated by the full-space solution and the reflection rules for incident waves. The emission from a tunnel structure has been calculated by a finite-element model of the tunnel combined with a boundary-element model of the soil giving the reduction compared to a point-load excitation. The immission has been analysed by finite-element models of tunnel-soil-building systems for examples of research and consultancy work. Measurement results from a high-speed and a metro line confirm some of the established rules. Figure T2 - Int. Conf. RASD, Recent Advance in Structural Dynamics CY - Southampton, GB DA - 01.07.2024 KW - Ground vibration KW - Tunnel line KW - Wave propagation KW - Wavenumber method KW - Building vibration KW - Thin layer method PY - 2024 SP - 1 EP - 12 CY - Southampton AN - OPUS4-61266 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Auersch, Lutz A1 - Conreaux, Laurence A1 - Said, Samir A1 - Müller, Roger T1 - The excitation, propagation, and mitigation of train-induced ground vibrations from the axle impulses on the track N2 - Train-induced vibrations in soft ground usually have a strong low-frequency component. This component has a characteristic spectrum which is related to the axle sequence and the speed of the train. Its attenuation with distance is weaker than the attenuation for higher frequencies, and it always dominates the far-field ground vibration. Narrow-band frequency analyses clearly show that this ground vibration component is due to the static axle loads. Axle box vibrations have a different characteristic where the first out-of-roundness of the wheels is the only remarkable low-frequency component. Therefore, the dynamic axle loads from wheel and track irregularities are not the reason for the strong ground vibration component. The moving static axle loads generate the quasi-static response of the soil at very low frequencies and at very near distances. A part of the original impulse spectrum is scattered when it propagates through an inhomogeneous ballast and soil with a randomly varying stiffness. The axle impulses are smoother for a higher bending stiffness or a lower support stiffness (under sleeper pads, under ballast mats) of the track. This mitigation of the ground vibration will be demonstrated by measurements at three sites in Switzerland as well as the characteristic of the soil and axle-box vibrations. T2 - Sixth International Conference on Railway Technology: Research, Development and Maintenance CY - Prague, Czech Republic DA - 01.09.2024 KW - Soil and vehicle measurements KW - Train passages KW - Ground vibration KW - Excitation mechanisms KW - Mitigation KW - Under sleeper pads KW - Under ballast mat PY - 2024 DO - https://doi.org/10.4203/ccc.7.13.2 SN - 2753-3239 VL - 7 SP - 1 EP - 13 PB - Civil-Comp Press CY - Edinburgh, United Kingdom AN - OPUS4-61240 LA - eng 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 - Frequenz- und bodenabhängige Prognose und Minderung von Bahnerschütterungen N2 - Die Prognose und Minderung von Bahnerschütterungen haben eine lange Tradition in der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung. Im Jahr 2006 wurde eine Prognose-Software fertiggestellt, die viele Forschungs- und Messergebnisse zusammenfasst. Sie umfasst die Teilbereiche Emission (die Anregung durch die Fahrzeug-Fahrweg-Untergrund-Wechselwirkung), die Transmission (die Ausbreitung durch den Boden) und die Immission (die Übertragung vom Freifeld in ein Gebäude). Die Prognose geschieht in allen Teilen mit einfachen Formeln, die veröffentlicht sind und zur Anwendung für Jedermann zur Verfügung stehen. Es werden Beispiele zur Emission und zur Transmission gezeigt. Im Bereich Transmissionsprognose werden zu den Anregungskräften (aus dem Emissionsteil) die Bodenerschütterungen als Schwinggeschwindigkeitsterzspektren berechnet. Das Ergebnis hängt stark von der Bodensteifigkeit, -dämpfung und -schichtung ab. Dies wurde später mit einer Messkampagne in der Schweiz an 10 Messorten bestätigt. Die Berechnung erfolgt näherungsweise für einen geschichteten Boden mit einer frequenzabhängigen Wellengeschwindigkeit (Dispersion) oder einem tiefenabhängigen Wellengeschwindigkeitsprofil. Die Anregungskräfte werden im Prognosebereich Emission mit einem 2-dimensionalen Gleismodell berechnet. 1-dimensionale Modelle liefern meist falsche Ergebnisse und 3-dimensionale Modelle (zum Beispiel mit der kombinierten Finite-Element-Randelement-Methode) sind für eine Erschütterungs¬prognose sicherlich zu aufwändig. Das 2-dimensionale Modell wurde an 3-dimensionale Ergebnisse so angepasst, dass die Ergebnisse für viele Gleise und Böden annähernd zutreffen. Auch Minderungs¬maßnahmen am Gleis können mit diesem Modell sehr gut berechnet werden. Die Prognoseverfahren wurden in den folgenden Jahren weiter verfeinert. Es wurde die quasi-statische Anregung durch die bewegten statischen Zuglasten mit einer Näherungsformel ergänzt, so dass auch das tieffrequente Nahfeld realistisch erfasst werden kann. Mit der Berücksichtigung der Achsfolge (insbesondere zwischen den Achsen im Drehgestell) ergeben sich zwei typische Minima in den Erschütterungsspektren, die oft auch in den Messungen beobachtet werden. Der Amplitudenanteil zwischen diesen beiden Minima ist oft stärker angehoben, so dass hier eine zusätzliche Erschütterungsanregung vermutet wird. Dieser Anteil kann rein empirisch prognostiziert werden, so wie das in den englischen Prognosen (zuletzt für das Highspeed2-Projekt) enthalten ist. Die Begründung dieses Anteils ist allerdings nicht die Achsfolge, sondern die Zerstreuung der statischen Achslastimpulse durch einen unregelmäßigen Gleisuntergrund und Boden. Die messtechnische Ermittlung eines Minderungseffektes ist komplizierter als allgemein angenommen. Es reicht nicht aus, jeweils an einem Messpunkt in der Nähe eines Gleises mit und ohne Minderungsmaßnahme die Erschütterungen zu messen und aus dem Verhältnis der Amplituden (beziehungsweise aus der Differenz der Pegel) „die Einfügedämmung“ zu ermitteln. Es wird an Beispielen gezeigt, wie man hier sinnvoller vorgehen kann. 1. Zunächst ist es wichtig, nicht nur die Einfügedämmung sondern auch die Originalspektren mit und ohne Minderung zu dokumentieren und zu veröffentlichen, damit man kontrollieren kann, ob wesentliche Amplituden und Frequenzbereiche reduziert sind oder ob es sich um eher zufällige Minderungen oder Verstärkungen handelt. (Beispiel Unterschottermatte/Raron, Müller/SBB) 2. Der Messpunkt sollte nicht im Nahbereich des Gleises liegen, da ansonsten eine zu günstige, falsche Einfügedämmung bestimmt wird. (Beispiel Tunnel/ Leipzig/Breitsamter) 3. Um Zufälligkeiten zu vermeiden, sollte man an mehr als einem Punkt messen. (Beispiel Unterschotterplatte/Altheim/Auersch) 4. Man sollte eigentlich immer auch die Bodenkennwerte (Steifigkeit, Dämpfung, Amplituden-abnahme, Übertagungsfunktion) messen. Selbst bei nahegelegene Messquerschnitten kann man Überraschungen erleben. (Beispiel erste ICE-Messungen/bei Würzburg/Auersch) 5. Bei verschiedenen Bodenkennwerten kann man eine Korrektur durchführen. (Beispiel Gleis-tröge/Mistler) Am besten bestimmt man ein äquivalentes Kraftspektrum zu jedem Messort und jedem Messzug (Beispiel Feste Fahrbahn/Gardelegen/Auersch) 6. Prinzipiell gibt es nicht die Einfügedämmung einer Maßnahme. Die Einfügedämmung ist immer boden- und referenzsystemabhängig. Die „beste“ Einfügungsdämmung erhält man mit einem steifen Untergrund (Beispiel Unterschottermatte/Tunnel/München Gasteig/Wettschureck) Das heißt aber nicht, dass die Maßnahme durch einen künstlich versteiften Untergrund besser wird (Beispiel Unterschottermatten/RRT2006/Auersch) Es werden Messbeispiele gezeigt, die alle neben einer hochfrequenten dynamischen Minderung auch eine mittelfrequente quasi-statische Minderung aufweisen. Dabei wird der mittelfrequente Zerstreuanteil der statischen Achslastimpulse durch die breitere Lastverteilung und damit die Impulsdehnung der Achslastimpulse reduziert. Diese Impulsdehnung lässt sich mit dem 2-dimensionalen Gleismodell berechnen. Die Minderungswirkung hängt aber wiederum vom Referenzsystem und dessen unregelmäßiger Steifigkeitsverteilung ab. Je unregelmäßiger der Boden und Gleisuntergrund des Referenzsystems, desto stärker ist die Minderungswirkung. T2 - 24. Symposium für Baudynamik und Erschütterungsmessungen CY - Dübendorf, Sitzerland DA - 09.06.2023 KW - Bahnerschütterungen KW - Erschütterungsprognose KW - Erschütterungsminderung KW - Elastische Gleiselemente KW - Gleiströge KW - Zerstreute Achsimpulse PY - 2023 SP - 1 EP - 32 PB - Ziegler Consultants CY - Zürich AN - OPUS4-57953 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -