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In diesem Beitrag wird ein grundsätzliches Untersuchungskonzept für den Schienengebundenen Verkehr in Bezug auf das langzeitliche Verhalten am Brückenübergang vorgestellt. Das damit verbundene Ziel ist die Entwicklung eines numerischen Modells zu entwickeln, dass sowohl das Langzeitverhalten wie auch das kurzzeitdynamische Verhalten beschreibt, um konstruktive Lösungen zu entwickeln und zu optimieren. In einer ersten Phase wird der Brückenübergang mittels der FEM mit zwei unterschiedlichen Randmodellierungen für das FE-Gebiet modelliert. Die Ergebnisse der Modellierung mit einer Visko-Elastischen Randmodellierung und einer Randmodellierung mittels der Scaled-Boundary-Finite-Element Methode, werden miteinander verglichen. Unterschiede in der Wirkung auf kurzzeitdynamische Kenngrößen werden gezeigt, die heranzuziehen sind, um insbesondere Setzungen im Hinterfüllungsbereich des Brückenwiderlagers abzuschätzen.
The purpose of the work presented in this paper is to analyze locally (at the element level) the contact behavior of a soil-pile contact problem. Therefore, a 2D shear test is modeled using the Finite Element Method. The formulation of a 4 nodded zero-thickness interface element of Beer is chosen with a linear interpolation function. Four constitutive contact models adapted for contact problems have been implemented. The Mohr-Coulomb and Clough and Duncan models were chosen initially, due to the ease of implementation and few number of parameters needed. After, more complicated models in the framework of elasto-plasticity such as: Lashkari and Mortara were implemented for the first time into the finite element code of the shear test problem. They include other phenomena such as: relative density of soil, the stress level and sand dilatancy. From the results the relation between shear displacement and shear stress has been deduced. Finally, a discussion of the advantages and the drawbacks during computation of each model is given at the end.
Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit steht die numerische Modellierung der Fahrzeug-Fahrweg-Wechselwirkung von Eisenbahnfahrwegen, die auch für Fahrwege mit einer Diskontinuität einsetzbar ist. Der Fokus wurde hier auf Fahrwege mit einem Brückenbauwerk gelegt, weil es an den Übergängen zu einer erhöhten Beanspruchung kommt.
Daher wurde für den Fahrweg mittels der Finiten Elemente Methode (FEM) ein dreidimensionales Modell mit einer Lösung im Zeitbereich entwickelt, das die wesentlichen Elemente des Schienenverkehrs, das Fahrzeug, den Fahrwegoberbau und den Untergrund, enthält. Aufgrund der unendlichen Ausdehnung des Untergrundes wurde für den Rand des endlichen FE-Gebiets, die sogenannte Scaled Boundary Finite Element Methode (SBFEM) verwendet, welche ein semi-analytisches Verfahren ist und die Abstrahlungsbedingung erfüllt. Da dieses Verfahren sowohl zeitlich als auch räumlich global ist, kann es mitunter für lange Simulationszeiten sehr aufwendig sein. Deshalb wurde es mittels der Methode der reduzierten Basisfunktionen und einer Linearisierung der Beschleunigungs-Einflussmatrix modifiziert, wodurch das Berechnungsverfahren effizienter gestaltet werden konnte. Anhand von zwei analytischen Lösungen aus der Bodendynamik konnte das modifizierte Verfahren der SBFEM validiert werden.
Für ein Gleis auf homogenem Untergrund wurden mit Hilfe des gekoppelten FE-SBFE-Modells verschiedene Ergebnisse am Oberbau, im Boden und für die Ausbreitung von Erschütterungen berechnet, die sehr gut mit Ergebnissen aus der Literatur übereinstimmen. Zudem konnte das numerische Modell mit einer Schwingungsmessung an einer Schwelle eines realen Fahrwegs validiert werden.
Unter Anwendung des gekoppelten FE-SBFE-Modells wurde ein Fahrweg mit Brückenbauwerk untersucht, wobei eine Beurteilung und Optimierung des Übergangsbereichs unter Verkehrslast hinsichtlich des Langzeitverhaltens im Vordergrund stand. Anhand von einfachen Bewertungskriterien, die als Indikatoren für das Langzeitverhalten dienen können, wurden verschiedene konstruktive Optimierungsmaßnahmen für den Brückenübergangsbereich diskutiert, wie zum Beispiel die Gestaltung eines Hinterfüllungsbereiches oder der Einsatz elastischer Elemente (Zwischenlagen, Besohlungen, Unterschottermatten) im Fahrweg.
Das entwickelte numerische Modell für die Fahrzeug-Fahrweg-Wechselwirkung lässt sich ohne großen Aufwand auf weitere Problemstellungen von Übergangsbereichen erweitern, um spezifische konstruktive Optimierungsmaßnahmen zu untersuchen.
The bridge design for railway bridges is far more dependent on the interaction with the traffic and the carriageway than for road bridges. This is especially true for the specific demands of the track in highspeed railways. Both maintenance and safety of the track have to be considered. The most relevant sections for the design criteria can be located at the bridge transition zones. Based on experimental investigations it is shown that bridge joint displacements, changes in stiffness and uplifting of the sleeper are causes for an increased degradation and loss in strength of the ballasted track. With respect to high speed vibrations of the bridge deck can have an even more decisive impact. Bridge deck vibrations can lead to destabilization of the bailast. In a numerical study the behavior of the track at the bridge is illustrated.
The main degradation process at bridge transition zones due to traffic loads is the appearance of differential settlements. Abrupt stiffness changes, repeating traffic loads and relative displacements of the superstructure ends on bridges often aggravate this problem. In this contribution, a 3D finite element (FE) model extended with a boundary formulation in the frame of the scaled-boundary finite element method (SBFEM) for a transient analysis of train-track-bridge interaction is presented. This numerical model permits an assessment of bridge transition zone with respect to permanent deformations of the track. The main focus lies on the modeling strategies for the vehicle and their impact on suitable assessment criteria for bridge transition zones. For this purpose, two different modeling strategies for the vehicle, a moving load model and a multibody model, have been compared and discussed on the basis of the assessment criteria. The results indicate that the model of the vehicle has a minor effect for an assessment on the embankment, but that the assessment on the bridge may show significant differences depending on whether the inertial components of the vehicle (multibody model) are considered.
This paper presents a three dimensional numerical model which is can be used to
investigate the effects on the track and in its vicinity due to a train passage. The numerical
model for train track interaction is based on a time domain dynamic finite
element model. Due to the unbounded nature of the soil the truncated boundary of the
finite element domain is modelled with the scaled boundary finite element method,
which is a semi-analytical approach. The application for a heterogeneous track along
the track line is exemplified by a track with a bridge structure, where close attention
is paid to the wheel-rail contact force. The results indicate that the wheel-rail contact
force is not symmetrical around the bridge structure and an optimisation in terms of a
backfilling area and under-sleeper-pads can improve such a transition.