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Deckenschwingungen stellen in der Regel das größte Problem bei Erschütterungsgutachten dar. In diesem Übersichtsbeitrag werden folgende Aspekte der Deckenschwingungen mit einfachen bis komplexen Rechenmodellen dargestellt.
Die Resonanzanregung der Decken hängt von der Phasenlage der Auflagerschwingungen ab. Der Wellenlauf der anregenden Freifeldbodenschwingungen kann die Resonanzstärke deutlich verringern. - Der Wellenlauf kann bei Pfahl- oder Plattengründungen zu Abminderungen der Freifeldamplituden führen (kinematische Bauwerk-Boden-Wechselwirkung). - Die Steifigkeit des Untergrundes hat einen starken Einfluss auf die Resonanzstärke. Dies hat einerseits mit der Abstrahlungsdämpfung zu tun, andererseits auch mit einer Schwingungstilgung. Die Tilgung kann in einem vereinfachten Wand-Decken-Modell mit einer einheitlichen Deckeneigenfrequenz oder realistischer mit einem Eigenfrequenzband berechnet werden. In einem schmalen Frequenzband vor der Deckeneigenfrequenz können weitere (Wand-) Eigenfrequenzen und nach der Deckeneigenfrequenz eine Frequenzlücke auftreten. Normalerweise nehmen die Deckenamplituden mit der Höhe im Gebäude zu. In der Frequenzlücke hingegen nehmen die Amplituden mit der Höhe ab. - Benachbarte Deckenfelder können gemeinsame Deckeneigenfrequenzen besitzen, vor allem wenn sie die gleichen Abmessungen haben. Man bekommt dann ein Band von Deckeneigenfrequenzen. - Bei einer Schwingungsanregung im Gebäude auf einer Decke schwingen auch die benachbarten Deckenfelder mit. Im Frequenzbereich lassen sich Übertragungsfunktionen darstellen, im Zeitbereich können Amplituden-Abstandsgesetze betrachtet werden. - Bei großen Stützenbauwerken treten häufig Kopplungen der Decken verschiedener Stockwerke auf. - Mit den verschiedenen Methoden lassen sich typische Gesetzmäßigkeiten für die Amplituden und Frequenzen der Deckenschwingungen ableiten.
An drei Straßenbrücken unterschiedlicher Länge und Bauart wurden vor Inbetriebnahme ambiente Schwingungsmessungen mit bis zu 350 Messpunkten durchgeführt, um auch höhere Eigenformen detaillierter zu ermitteln. An einer Eisenbahnbrücke der Strecke Hannover-Würzburg wurden bei Testzugfahrten mit definierten Geschwindigkeiten verschiedene Resonanzanregungen beobachtet. Dies wird mit dem Achsfolgespektrum des ganzen Zuges erklärt, wobei eher spezifische Frequenzauslöschungen als Resonanzanregungen maßgeblich sind.
The computation of the wave propagation in homogeneous and layered soils can be performed by a numerical integration in wavenumber domain. The numerical difficulties of an infinite integral and an integrand with poles can be solved. But if this computation must be repeated for many distances, many frequencies, many loads, or many soil models, it becomes a time consuming task which is not acceptable for a user-friendly prediction tool for railway induced ground vibration. Therefore, an approximate method for the computation of the wave field has been developed. The computation consists of several steps. At first, an approximate dispersion profile is calculated according to rules which have been derived from exact solutions. Secondly, the dispersion is used to achieve the amplitude for a certain frequency and a certain distance by calculating the approximate solution of a corresponding homogeneous half-space. Thirdly, three layer corrections are added which include lowfrequency near-field effects, high-frequency far-field effects, and a resonance amplification around the layer frequency. This procedure yields the wave field due to a point load. For a train load, many of these point-load responses have to be summed up, and a frequencydependant reduction factor has to be multiplied to incorporate the effect of the load distribution along and across the track. - The prediction method is applied to real sites, and the appropriate soil models are identified by approximating the measured transfer functions (frequency-dependant amplitudes) which is presented as an alternative to the approximation of the dispersion (frequency-dependant wave velocities). These examples demonstrate the general behavior of layered soils: the low amplitudes of the stiff half-space at low frequencies, the high amplitudes of the softer layer at high frequencies, the strong increase of amplitudes and a possible resonance amplification at mid frequencies. The material damping of the layer yields a strong attenuation of the amplitudes with the distance for high frequencies. The response depends strongly on the resonance or layer frequency which is shown for different layer depths and velocities always in good agreement with measurements. The layer frequency can be of immense influence if train-speed effects are analysed in a layered soil. The good agreement with many measurements in this contribution as well as in the references validates the prediction of ground vibration based on the theory of a layered half-space.
The maintenance of the transport infrastructures and their further development are going to remain focal points for investment and research in Germany in future. According to the latest development forecasts made by both the federal government and Deutsche Bahn, even if rail´s percentage share of the market were to remain unchanged, growth of around 50% would be expected in the next ten years, especially in freight traffic. This growth is necessitating considerable development both in the technical design of the tracks and in the abatement of the noise and vibration caused by railway traffic.
Der Erhalt und die Weiterentwicklung der Verkehrsinfrastrukturen werden auch zukünftig einen Investitions- und Forschungsschwerpunkt in Deutschland bilden. Gemäß den aktuellen Entwicklungsprognosen sowohl der Bundesregierung als auch der Deutschen Bahn wäre bei unveränderten Marktanteilen der Bahn eine Zunahme insbesondere des Güterverkehrs in den kommenden 10 Jahren um ca. 50% zu erwarten. Dieser Zuwachs erfordert erhebliche Entwicklungen sowohl in der technischen Konstruktion der Fahrwege als auch im Erschütterungs- und Lärmschutz infolge des Schienenverkehrs.
A survey of the phenomena and methods for floor vibrations is presented. Experimental results of floor vibrations are shown for many floors in six different buildings. The signals have been evaluated for waves and modes by simple procedures. General rules have been established between the material and the area of a specific floor, and its local eigenfrequency. The damping values of the floor vibrations have been found between D = 1 and 10 % where somewhat higher values have been measured for wooden floors, and a weak correlation with the eigenfrequency has been established. The velocities of bending waves propagating in a storey and the attenuation with distance in the building have been analysed. A considerable transfer of vibration from one room to far away parts of the building has been found in the studied buildings with concrete and wooden floors. An example building has been analysed for modes of coupled floor bays. The strong coupling of similar neighbouring floor bays would yield a wide band of global resonance frequencies. The measured wooden floor exhibits a weak coupling of the neighbouring floor bays and a narrower band of eigenfrequencies. A special method has been tested with the impulse measurements to estimate the coupled eigenmodes in presence of the high damping. From the ambient measurement, a low-frequency vibration mode has been detected which includes the vibration of the whole building and the soil. The coupling of floors to other floors and the whole building is an important phenomenon of structural dynamics which should be observed for the prediction of vibration due to internal and external sources.