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In dem Forschungsvorhaben „Das Fahrzeug-Fahrweg-Verhalten“ im Hinblick auf die Prognose von Zugerschütterungen und die Optimierung von Minderungsmaßnahmen – Förderkennzeichen BMBF 9346 - wurden sehr komplexe, vielfältig ineinander verzahnte und simultane Fahrzeug-, Fahrweg-, Brücken- und Zugmessungen durchgeführt. Mit diesem umfangreichen Arbeitsprogramm wurde die Relevanz verschiedener Anregungs- und Beanspruchungsanteile untersucht und eine Reihe von Messmethoden für diese Anteile herausgearbeitet, sowie Minderungsmöglichkeiten für die dynamischen Radlasten und für die Erschütterungen in der Umgebung von Bahnlinien zusammengestellt und bewertet.
Prognosen zur Erschütterungsausbreitung und zur Immissionssituation in der Umgebung von Bahntrassen sind wegen der Vielfalt der Einflussfaktoren oft mit erheblichen Unsicherheiten behaftet. Ziel der Arbeit war es, die Bedingungen für die Ausbreitung von Körperschall und Erschütterungen genauer zu erfassen und in ein für Prognosezwecke geeignetes Rechenmodell umzusetzen. Aufbauend auf theoretischen Untersuchungen zum Übertragungsverhalten des Bodens und von Gebäuden wurden Erschütterungsmessungen an Trassen verschiedener Bahnen des Stadtverkehrs Erregerspektren sowie mit besonderen Messverfahren Bodenkennwerte ermittelt. Diese dienen als Grundlage für die Modellrechnungen über die Ausbreitung von Erschütterungen. Durch Kontrollmessungen wurde die Anwendbarkeit des Modells überprüft. Es zeigten sich z.T. gute Übereinstimmungen, jedoch wurde auch die Notwendigkeit einer weiteren Verbesserung deutlich. Die Möglichkeiten der Minderung der Erschütterungen wurden umfassend behandelt.
Das Ziel der Untersuchungen ist ein Prognosemodell für Erschütterungen infolge Schiennahverkehr. Ergänzend zu Bericht 9 wird insbesondere der dreidimensionale, instationäre und zufällige Charakter der Erschütterungsquelle und dessen Auswirkungen auf die Ausbreitung durch den Boden und auf die Schwingungen benachbarter Gebäude untersucht. Es werden jeweils theoretisch/numerisch und experimentell/messtechnisch
- Amplituden-Abstands-Gesetze,
- Freifeld-Bauwerks-Übertragungsverhältnisse und
- Deckenresonanzüberhöhungen
ermittelt, die zusammen mit den Ergebnissen des Berichts 9 eine realistische Prognose von Erschütterungen ermöglichen. Die Ergebnisse sind in einem einfachen Prognoseprogramm zusammengefasst, mit dem im konkreten Anwendungsfall der Einfluss einer Reihe von Quell-, Boden- und Bauwerkseigenschaften erfasst wird.
Dieser Bericht gliedert sich in drei Abschnitte, in denen der Einfluß inhomogener Böden auf die Dynamik von Verkehrssystemen untersucht wird. In erster Linie werden dabei geschichtete Böden behandelt, für die ein Rechenverfahren entwickelt wurde. Als elementares Ergebnis werden die Wellenfelder geschichteter Böden bei einer punktförmigen Belastung dargestellt. Mit diesen Punktlastlösungen können dann die Schwingungen von starren oder flexiblen Strukturen auf geschichteten Böden berechnet werden. Es wird die dynamische Steifigkeit und Dämpfung starrer Fundamentflächen dargestellt, an der das stark frequenzabhängige Verhalten geschichteter Böden besonders deutlich wird.
Es wird ein Rechenverfahren vorgestellt, das die Randelementmethode zur Beschreibung des Bodens mit der Finite-Element-Methode für das Bauwerk verbindet. Am Grundproblem der Bauwerk-Boden-Wechselwirkung, der dynamischen Steifigkeit starrer Fundamente auf dem Baugrund, werden diese Verfahren und einige Verfahrensvarianten erprobt und miteinander verglichen.
Modellrechnungen zur Ausbreitung der Erschütterungen im Boden, mit denen der Einfluss des Bodenaufbaus, der Materialeigenschaften des Bodens und der Geometrie der Erschütterungsquelle auf die Stärke der Erschütterungen untersucht wurde. Ergebnisse sind auch auf andere Erschütterungsquellen, wie Maschinen, Rammungen oder Sprengungen, übertragbar.
Im Forschungsvorhaben „Praxisgerechtes Prognoseverfahren für Schienenverkehrserschütterungen“ wurde ein Prognoseprogramm entwickelt, das die Erschütterungsemission, -transmission und –immission für verschiedene Bahnen, verschiedene Böden, verschiedene Gebäude und verschiedene Minderungsmaßnahmen prognostizieren und bewerten kann. Es ist gelungen, ein Prognoseverfahren zusammenzustellen, das sowohl wissenschaftlich fundiert als auch einfach handhabbar ist. Die besonderen Merkmale des Prognoseverfahrens sind folgende:
- Das Prognoseprogramm basiert auf physikalischen Modellen.
- Das Programm besitzt klar definierten Schnittstellen zwischen der Emission und der Transmission und zwischen der Transmission und der Immission. Im ersten Fall sind es die auf den Untergrund wirkenden Erregerkräfte von Fahrzeug und Fahrweg, im zweiten Fall sind es die Freifeldamplituden des Bodens.
- Das Prognoseprogramm erlaubt es, Messdaten einzulesen und in physikalisch sinnvoller Weise weiter zu verarbeiten.
Damit sind die gesetzten Ziele für das Prognoseverfahren erfüllt und mit der Implementierung in einem benutzerorientierten Programm übertroffen worden.
Es ist gelungen, ausgehend von komplexen Modellen einfache Modelle zu finden und anzupassen. Hier ist einerseits die vereinfachte Berechnung der Wellenausbreitung im Boden zu nennen, die sowohl für kontinuierlich steifer werdende Böden als auch für geschichtete Böden zutreffende Ergebnisse liefert. Andererseits war die vereinfachte Berechnung der Fahrweg-Boden-Wechselwirkung ein besonderer Erfolg, da sowohl Standardgleise als auch Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) Seite 24 Praxisgerechtes Prognoseverfahren für Schienenverkehrserschütterungen Gleise mit Minderungsmaßnahmen (zum Beispiel mit Unterschottermatten) durch allgemeine Gesetzmäßigkeiten erfasst werden konnten.
In diesem Bericht werden die Berechnungsmethoden für die Transmission der Erschütterungen dargelegt. Da es sich um die Wellenausbreitung im Boden handelt, sind drei große Abschnitte dem Einfluss und den Berechnungsmöglichkeiten verschiedener homogener und geschichteter Böden gewidmet. Dabei kommt ein exaktes aufwändiges Rechenverfahren und daraus abgeleitete einfachere Näherungsverfahren zum Einsatz.
Zum Bodeneinfluss wurden verschiedene homogene und geschichtete Böden exakt berechnet. Daraus wird ein Näherungsverfahren abgeleitet, dass auf der Dispersionsbeziehung v(f) beruht. Die Dispersion einiger Fälle wird exakt berechnet und ein Näherungsverfahren gefunden, mit dem man aus dem Tiefenprofil v(z) die Dispersion v(f) ermitteln kann. Mitden Näherungsverfahren werden die Wellenfelder der verschiedenen Böden nachgerechnet. Es ergeben sich sehr gute Übereinstimmungen mit den exakten Ergebnissen.
Die Zuganregung wird in erster Linie mit ortsfesten dynamischen Achslasten erfasst. Mit der Lastverteilung über die gesamte Zuglänge ergibt sich eine deutlich andere, nämlich schwächere Abnahmegesetzmäßigkeit als für die elementare Punktlast.
Für die Prognose von Schienenverkehrserschütterungen wurden verschiedene Verfahren vorgestellt, die die theoretischen Methoden zur Wellenausbreitung im Boden auf der experimentellen Seite ergänzen.
Dies beginnt bei der notwendigen Ermittlung der Bodenkennwerte für den Prognoseort, das führt weiter zur sehr hilfreichen Bestimmung der Übertragungsfunktion am Prognoseort, und schließlich zur kritischen Verwendung von gemessenen Spektren als Emissionsgröße. Die verschiedenen Verfahren werden anhand der Messungen der ICE 3-und Thalys-Versuchsfahrten bei Gardelegen vorgeführt.
Die wichtigsten Aussagen dieser Untersuchung sind:
– Die Ergebnisse der Schwinger- und Impulsmessungen, die Bodenkennwerte und die Übertragungsfunktionen, Theorie und Messungen stimmen alle sehr gut miteinander überein.
– Es sind gute Prognosen der Schienenverkehrserschütterungen sowohl mit den theoretischen als auch den experimentellen Übertragungsfunktionen möglich (s. Bild 39 im Vergleich zu Bild 40).
– Die Verwendung von gemessenen Schienenverkehrserschütterungen als Emissionsspektrum wird ermöglicht. Sie ist aber an die Kenntnis der Bodenkennwerte am Messort gekoppelt. Mit den Bodenkennwerten am Messort können dann bodenunabhängige Lastspektren als Emissionsgröße berechnet werden.
Damit steht eine Vielfalt von theoretischen und messtechnischen Varianten für die Prognose der Erschütterungsausbreitung im Boden zur Verfügung.