TY - CONF A1 - Agasty, Amit A1 - Costard, Rene A1 - Hering, Marcus A1 - Chruscicki, Sebastian A1 - Hicke, Konstantin A1 - Hüsken, Götz T1 - Assessment of the Application of Scaling Concepts for Blast Effects Analysis N2 - Blast testing finds its implementation in several applications, e.g. for the purpose of investigation into accidental or intentional explosions, or for an assessment of the level of protection provided by a certain structural configuration. Analytical and/or semi-empirical methods are generally limited to preliminary assessments prior to blast testing. Applications of numerical simulations with hydrocodes coupled with finite element methods (FEM) can only reduce the amount of blast testing required, as these necessitate fulfillment of the fundamental prerequisites of model verification and that of model validation. Field tests are implemented for contact detonations as well as near-field blast scenarios and shock tube tests for far-field blast scenarios. However, these can be extremely resource intensive. Reliable small-scale experiments are a promising alternative. The concepts of dimensional analysis and similarity based on Buckingham’s Π-theorem (1914) have been applied in different fields. For applications to the phenomenon of shock wave propagation, Hopkinson-Cranz or cube-root scaling is a well-established concept. When it comes to scaling the structural response, research has predominantly focused on structures made of metallic materials. Scaled investigations with concrete or reinforced concrete (RC) structures remain limited. The lack of even the most basic guidelines (far from any ‘standardized scaling methods’ for blast tests) show that scaling as a method is not yet established in blast effects analysis. In this preliminary study, we present a systematic approach and evaluation of scaling of blast effects analysis for RC slabs in order to develop guidelines for resource efficient testing methods. We study the blast scenario at two different scales. The focus of these investigations has been on evaluation of scaling of dynamics using pressure sensors, acceleration sensors and fiber optic sensing cables for distributed acoustic sensing (DAS). Further, the resulting plastic behavior upon blast is characterized by distributed strain sensing (DSS) along the same cables. T2 - 27th International Symposium on Military Aspects of Blast and Shock (MABS27) CY - Colmar, France DA - 06.10.2025 KW - Similarity and scaling KW - Blast KW - RC-slabs PY - 2025 SP - 1 EP - 11 AN - OPUS4-64617 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Appel, S. A1 - Schepers, Winfried T1 - Tieffrequente Schwingungsimmissionen durch den Betrieb einer Rohzementmühle N2 - Der Beitrag berichtet von einer aufwändigen Messkampagne vor Ort, mit der die Emissionen direkt an einer Rohzementmühle, die Transmissionen im Baugrund und die Immissionen in benachbarten Bebauungen genauer untersucht wurden. Im Ergebnis der ausgewerteten Messungen sowie strukturdynamischer Berechnungen zeigte sich, dass der Baugrund zwar aus statischer Sicht sehr gut tragfähig, aber dynamisch als eher ungünstig zu beurteilen ist. Weiterhin wurde festgestellt, dass in dynamischer Hinsicht ein vorgenommener Bodenaustausch tendenziell eine Verschlechterung der Aufstellbedingungen darstellte. Für das betroffene Bürogebäude konnte nachgewiesen werden, dass durch den Betrieb der Zementmühle die Anregung der Deckeneigenfrequenzen zu deutlich spürbaren Resonanzschwingungen führte. Aufgrund der tieffrequenten Anregung durch den Mühlenbetrieb sind Maßnahmen zur Minderung der Schwingungsemissionen generell und insbesondere nach erfolgter Aufstellung der Mühle schwer bzw. gar nicht zu realisieren. Im Beitrag wird daher darauf eingegangen, auf welche Aspekte bei der Planung zur Aufstellung derart großer Mühlen zwingend zu achten ist. T2 - 7. VDI-Fachtagung Baudynamik CY - Würzburg, Germany DA - 27.04.2022 KW - Erschütterungen KW - Maschinenbetrieb KW - Minderungsmaßnahmen PY - 2022 SN - 978-3-18-092379-6 SP - 385 EP - 397 PB - VDI-Verlag CY - Düsseldorf AN - OPUS4-58584 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - 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 - TY - CONF A1 - Auersch, Lutz T1 - Railway-induced ground and building vibrations – Analysis in frequency-wavenumber domain and fast prediction with approximate models N2 - A simple and fast prediction scheme is presented for train-induced ground and building vibrations. For the emission, finite-element boundary-element or multiple-beam-on-continuous-soil models of the track have been analysed and approximated by faster track-on-Winkler-soil models. The vehicle-track interaction due to irregularities yields the excitation forces. For the transmission of waves in the soil, the wavenumber integral of the compliance of layered soils has been evaluated. The calculation time is reduced for the prediction by using the solution of a homogeneous half-space with a frequency-dependent wave velocity (the dispersion) of the soil. For the immision, many 2 and 3-dimenisonal finite-element building models have been investigated, and a good approximation has been established by a 1-dimensional soil-wall-floor model. In addition, the axle sequence of the train, the quasi-static and the “scattered” response of the soil, and the wave propagation from a tunnel to a pile foundation of a building have been included. T2 - ISMA-Conference 2022 CY - Leuven, Belgium DA - 12.09.2022 KW - Ground vibration KW - Simple prediction KW - Vehicle-track interaction KW - Layered soil KW - Soil-building interaction KW - Soil-wall-floor model KW - Propagation from a tunnel KW - Tunnel-pile transfer PY - 2022 SP - 1 EP - 13 PB - KU Leuven CY - Leuven AN - OPUS4-56603 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 - 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 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 - TY - CONF A1 - Auersch, Lutz T1 - Soil-foundation-structure problems related to train induced vibrations - the kinematic interaction of tunnel excited pile foundations and the inertial interaction of high rise buildings N2 - The soil-foundation-structure interaction is always important when building vibrations due to train passages have to be considered. The frequency range for train vibrations is up to 100 Hz. Normally, soft surface soils are crucial so that the wavelength can be much smaller than the foundation dimensions. Three topics are of interest for the prediction and the under-standing of building vibrations. 1. The „kinematic interaction“ or the „added foundation ef-fect“, which is calculated either by the combined boundary-element finite-element method or by the wavenumber domain method, results in a reduction of the free-field vibration. The stiff-ness of the foundation resists the wave deformation, plates and walls for horizontally propa-gating waves or piles for vertically incident waves. 2. The „inertial interaction“ or the „added building effect“ yields an amplification around the vertical building resonance, which may be a rigid mode on the compliant soil or a flexible mode for high-rise buildings, and a reduction at higher frequencies. This has been analysed by detailed finite element models of apartment and office buildings. 3. Base isolation is a method to further reduce building vibrations. It is important to know the soil-foundation impedance for the possible reduction, as well as the correct building impedance. A high-rise building cannot be considered as a rigid mass model. It has a frequency-dependent behaviour with longitudinal waves travelling from the founda-tion to the top of the building which include the effect of floor vibrations. Experiences from building projects in Vienna, Frankfort and Berlin will give some additional results for the ex-citation from tunnel lines, the kinematic response of pile foundations, and the inertial re-sponse of the flexible multi-storey buildings. T2 - COMPDYN 2023 CY - Athen, Greece DA - 12.06.2023 KW - Kinematic Interaction KW - Inertial Interaction KW - Surface Foundation KW - Pile Foundation KW - High-Rise Building PY - 2023 SP - 1 EP - 14 PB - NTUA CY - Athens AN - OPUS4-57959 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Auersch, Lutz T1 - Some resonance effects of non-typical trains and railway bridges investigated by a frequency-domain method N2 - The resonances of railway bridges have often been analysed for short bridges under periodical high-speed trains, for simply supported one-span bridges, for the fundamental bridge mode, and by time-domain analyses. Many time-consuming calculations have been performed to establish simplified rules for standards. In this contribution, the passage of different (existing, new and hypothetic) trains over different bridges will be analysed in frequency domain by using three separated spectra with the purpose to get a better physical insight in the phenomena. At first, the excitation spectrum of the modal forces is built by the mode shape and the passage time of the train over the bridge. The second spectrum is the frequency response function of the bridge which include the modal frequency, damping and mass. The third part is the spectrum of the axle sequence of an arbitrary train which is not limited to periodical or specific (conventional, articulated, regular or standard) trains and which does not include any bridge parameters. The final solution in frequency domain is obtained as the product of these three complex, strongly varying spectra for the dominating bridge mode or in general as the sum of these products over all relevant bridge modes. The time domain solution is obtained via the inverse Fourier transform, and the resulting time histories have been successfully compared with some measurement results. The method is applied to the vertical and torsional modes of a mid-long 1-span bridge on elastomeric bearings under standard train speeds, and to a long multi-span integral bridge under long periodical freight trains. Different resonance and cancellation effects have been found for systematically varied train speeds according to the axle sequence of the whole train which is dominated by the two locomotives in that case. To be more specific, the first torsional mode of the mid-span bridge is excited for a train speed of 100 km/h whereas the second bending mode is excited for a train speed of 160 km/h. In both cases, the other mode is suppressed by the minima of the axle-distance spectra. In addition, the case of the German high-speed train ICE4 and the very high-speed hyperloop case will be discussed briefly. In general, it is shown that resonance effects are also worth to be studied for freight and passenger trains with lower speeds. T2 - XII International Conference on Structural Dynamics CY - Delft, The Netherlands DA - 03.07.2023 KW - Railway bridge KW - Transfer function KW - Modal force spectrum KW - Axle-sequence spectrum KW - Freight train KW - Passenger train KW - High-speed train KW - 2-span bridge KW - Long-span bridge PY - 2023 SP - 1 EP - 10 PB - TU Delft CY - Delft AN - OPUS4-57961 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -