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 A1 - Song, Jiaojiao T1 - Analysis of intact and damaged (floating) slab tracks by finite-element boundary-element models and by measurements N2 - The damage detection and repair control have become important tasks for slab tracks. Different intact and damaged slab tracks have been investigated theoretically and experimentally for train passages and hammer impacts. The following damages have been considered: The loss of contact between the sleeper and the track slab, between the track slab and the base slab, and between the base slab and the base layer. At first, a slab track with a gap between the track slab and the base layer has been calculated by the combined finite-element boundary-element method which correctly incorporates the behaviour of the infinite soil. The basic results are the track displacements of the rail, the track slab, and the base layer along the track which are caused by a single axle load. These solutions are properly superposed for to get the complete train load. The influence of track and soil parameters and of the track damage has been analysed. For the intact track, the compliance of the soil is dominant whereas the track bending stiffness becomes more important for the damaged track. By comparing the calculated results with the measurements, the length of the gap could be quantified. A slab track with a loose sleeper (without contact to the supporting track slab) was analysed by the transfer function between the displacements and the hammer force (receptance functions) where a resonance appeared in case of the damage. Differences between the different track elements confirmed the detection of the damage. A floating slab track with a thin rubber layer has been investigated for a possible gap between the base slab and the base layer. The behaviour of the intact track has been calculated by a wavenumber-domain method, and the same behaviour has been found in the measurements at several track sections, indicating that there is no damage. Finally, a floating slab track with steel springs and viscous fluid dampers has been measured in the Tongji laboratory. The modes of the floating track slab and the transfer function with corresponding resonances have been calculated and successfully compared with results from wheelset drop tests. T2 - Third International Conference on Rail Transportation (ICRT2024) CY - Shanghai, China DA - 07.08.2024 KW - Railway track KW - Damage KW - Vibration measurement KW - Finite element method KW - Boundary element method KW - Frequency response function KW - Moving load response KW - Floating slab track PY - 2025 SN - 978-0-7844-8594-1 SP - 591 EP - 600 AN - OPUS4-61267 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 - Characteristic Frequencies of Train-Induced Bridge, Track, Ground and Building Vibrations – Excitation and Mitigation N2 - The characteristic frequencies of train-induced vibrations are discussed in theory and experiment following the propagation of vibrations from the source to the receiver: 1. Out-of-roundness frequencies of the wheels, 2. sleeper-passage frequency, 3. the vehicle-track eigenfrequency, 4. band frequency of the impulses of the passing static axle loads, 5. car-length frequency and multiples, 6. axle-distance frequencies with two characteristic zeros, 7. bridge eigenfrequencies, 8. the cut-on frequency due to the layering, and 9. the cut-off frequency due to the material damping of the soil, 10. the building-soil eigenfrequency, 11. as a rigid building or flexible wall/column mode, 12. floor eigenfrequencies, 13. acoustic room resonances, 14. the „resonance“ frequency or cut-off frequency of a base isolation. Coincidences of some of these characteristic frequencies or frequency ranges can be typically problematic and mitigation measures at the track or at the building can be necessary. The bridge response to the passing static loads is deter¬mined by the axle-sequence spectrum, the eigenfrequency (transfer function) of the bridge, and the modal force or mode shape spectrum. The ground vibration has typically high frequencies for a stiff soil and low frequencies for a soft soil. The high amplitudes between the zeros of the axle-sequence spectrum are often measured in the ground vibrations, and they can be mitigated by soft support elements or a higher bending stiffness of the track. T2 - EVACES 2025 CY - Porto, Portugal DA - 02.07.2025 KW - Train-induced vibration KW - Vehicle excitation KW - Track response KW - Bridge resonance KW - Ground vibration KW - Soil-building transfer KW - Floor resonance KW - Axle-sequence spectrum KW - Vehicle-track eigenfrequency KW - Axle impulses PY - 2025 SN - 978-3-031-96113-7 DO - https://doi.org/10.1007/978-3-031-96106-9_77 VL - 2025 SP - 1 EP - 8 PB - Springer CY - Cham, Schweiz AN - OPUS4-63655 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 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 - Effects of a varying track and soil stiffness on ground vibrations near railway lines N2 - Usually, geometric irregularities are considered as the main cause of ground vibrations from trains. A varying stiffness of the track, the track support and the soil can also generate ground vibrations. The regular stiffness variation of the track on and between the sleepers results in a deterministic dynamic axle load. The random stiffness variation of the track support yields also dynamic axle loads which are generated by the acceleration of the unsprung mass (from the varying wheel displacements under the static axle load). The random stiffness variation has a second effect. The pulses from the passage of the static axle loads are superposed regularly to the quasi-static response, but also irregularly to yield a “scattered” part of the axle pulses. The same holds for a random variation of the soil stiffness. All these effects of stiffness variations have been calculated by wavenumber-domain multi-beam track models, a random finite-element soil model and the superposition of axle impulses in a stochastic simulation. The results are confronted with many measurements at different sites. It is concluded that the stiffness variation of the track and the soil generate an important ground vibration component near railway lines. T2 - International Conference Railways 2022 CY - Montpellier, France DA - 22.08.2022 KW - Ground vibration KW - Axle loads KW - Irregularities KW - Varying stiffness PY - 2022 SP - 1 EP - 11 AN - OPUS4-56605 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 - 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 -