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Dokumenttyp
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Referierte Publikation
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Schlagworte
- Ground vibration (29)
- Bahnerschütterungen (9)
- Erschütterungen (9)
- Layered soil (9)
- Building vibration (7)
- Finite-element boundary-element method (7)
- Mitigation (7)
- Schienenverkehr (7)
- Slab track (7)
- Layered soils (6)
Organisationseinheit der BAM
- 7 Bauwerkssicherheit (68)
- 7.2 Ingenieurbau (68)
Eingeladener Vortrag
- nein (134)
Vehicle, track and ground vibration as well as their interaction are considered in a combined finite-element boundary-element (FEBEM) approach. The layered soil is calculated in frequency wavenumber domain and the solution for fixed or moving point or track loads follow as wavenumber integrals. The soil results from the measurements and the detailed models are approximated by simple formula which are used for the prediction of train-induced ground vibration. The influence of the track and the soil on the train induced ground vibration is analysed by the detailed models. The ground vibrations strongly depend on the regular and random inhomogeneity of the soil. The regular layering of the soil yields a cut-on and resonance phenomenon while the random inhomogeneity yields a scattering of the axle impulses which proved to be important for high-speed trains. The attenuation with distance of the ground vibration due to the point-like excitations such as vibrator or hammer excitations and the train-track excitation are investigated and compared. All theoretical results are compared with measurements at conventional and high-speed railway lines.
Um die Erschütterungen infolge von Schienenverkehr zu reduzieren, werden elastische Elemente in den Eisenbahnfahrweg eingebaut: elastische Zwischenlagen zwischen Schiene und Schwelle, elastische Schwellensohlen zwischen Schwelle und Schotter und Unterschottermatten unterhalb des Schotters. Das elastische Element führt zu einer ausgeprägten Eigenfrequenz des Gesamtsystems bestehend aus Fahrzeug, Fahrweg und Untergrund. Die Wirkung der elastischen Elemente beruht darauf, dass die Frequenzen oberhalb dieser Eigenfrequenz abgemindert werden. Für die Ermittlung der Wirksamkeit der Minderungsmaßnahme werden das Gleis mit elastischem Element und das Gleis ohne elastisches Element berechnet. Beide Eisenbahnfahrwege werden mit der kombinierten Finite-Element- Randelement-Methode berechnet, wobei das Gleis einschließlich des Schotters mit der Finite-Element-Methode berechnet wird, der Gleisuntergrund hingegen mit der Randelementmethode. Für die erschütterungsmindernden Gleise erweist es sich als vorteilhaft, spezielle Gleisendelemente an den Seiten des FE-Modells anzufügen. Dadurch wird zusätzlich zur Unendlichkeit des Untergrundes auch die unendliche Länge des Gleises berücksichtigt. Für die Ermittlung der Minderungswirkung werden die frequenzabhängige Nachgiebigkeit des Gleise, die Kraftübertragung des Gleises, und die Fahrzeug-Fahrweg-Wechselwirkung berechnet. Schließlich werden die Kraftminderungen verschiedener Eisenbahnfahrwege dargestellt und der Einfluss der wesentlichen Parameter untersucht.
Erschütterungsminderung der besohlten Schwelle, Rechenergebnisse zur Auswahl einer Teststruktur
(2012)
The attenuation of wave amplitudes is ruled by the planar, cylindrical or spher-ical 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 homoge-neous 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 gen-eralised power laws and some reasons will be discussed. The theoretical filter effects can well be found in the measurements.
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.
Es wurde ein Prognosemodell für die Bauwerksschwingungen entwickelt.
Es besteht aus einer Gesamtbauwerkswand, die alle Wände und Stützen eines Bauwerks repräsentiert, und aus den Decken in den einzelnen Stockwerken. Das Modell wird stockwerkweise mit Übertragungsmatrizen berechnet.
Hinsichtlich der Decken besteht im Programm die Möglichkeit, die Deckeneigenfrequenz aus den Abmessungen und den Auflagerbedingungen berechnen zu lassen. Die Decken werden dann im Rechenprogramm als Modalmodelle realisiert und an den Deckenauflagern in die Übertragungsmatrizenkette eingebaut.
Aus diesem Komplexmodell des Gebäudes wurde entsprechend den Messerfahrungen ein praxisnäheres Standardmodell abgeleitet. Dazu werden die Wandamplituden aller Stockwerke gemittelt und bei den Decken wird eine gewisse Bandbreite der vorhandenen Deckeneigenfrequenzen unterstellt.
Entsprechend der hohen Bedeutung, den experimentelle Ergebnisse für die Prognose der Erschütterungsimmission haben, wurden sehr viele in der BAM vorhandene Messdaten erneut ausgewertet und darüber hinaus neue Gebäudemessungen durchgeführt. Die Messergebnisse wurden bei der Definition des Standardmodells herangezogen. Außerdem wurde die Auswahl der Fundamentparameter mit den Messerfahrungen abgeglichen. Schließlich geben die Messdaten von etwa 80 Decken wichtige Hinweise auf die richtige Wahl der Deckenparameter Eigenfrequenz und Dämpfung.
Eine Parameterstudie gibt Auskunft über die praktisch vorkommende Bandbreite der einzelnen Parameter und deren Auswirkung auf die Bauwerksamplituden. Die wichtigsten Parameter sind die Bodensteifigkeit und die Deckeneigenfrequenz, die die Abminderung der Gesamtbauwerksamplituden einerseits und die Amplitudenverstärkungen in der Deckenresonanzen andererseits bestimmen. Für diese beiden Parameter ergaben die Untersuchungen wesentliche Hinweise:
Für die Gebäudegründung sind die weicheren oberen Bodenschichten maßgeblich, und die Deckeneigenfrequenzen lassen sich in erster Näherung gut durch eine allseitig gelenkige Lagerung abbilden.
Mit den theoretischen und experimentellen Arbeiten konnte somit ein praxisgerechter Immissionsteil für die Erschütterungsprognose erstellt werden.
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.
Vibration measurements have many causes and many technical and natural sources. Problems can sometimes be solved by short-term measurements, but in many cases, a long-term measurement is necessary. In long-term measurements of days, weeks, months and even years, it is easy to collect a huge quantity of raw data, but at the end, the post-processing of these data can be exhausting (for example one-year vibration data of a wind energy tower). A software has been developed which con-sists of measuring and evaluation routines where the measuring routines can operate different meas-uring systems and different measuring cards. The main advantage of this software is the fact that the interesting evaluations can be integrated in the measuring process so that the characteristics of the vibration can be extracted without storing all the raw data. Only important time segments are stored, for example train passages. The overall concept of the software and the main evaluation routines will be described in some details. Examples of our measurement experience will illustrate the capabilities of the software. 1) Surveying construction work in nearby sensitive buildings (for example an old wind tunnel), including a stable alarm system and meaningful vibration limits. 2) Prediction of train-induced vibration for a planned building to prevent annoyance and to improve the building design. 3) Modal analysis and long term measurements of several single- or multi-span, concrete or steel bridges 4) Modal and wave analysis of coupled floors in a historical building (“Neues Palais” at Potsdam). 5) Soil properties of various measurement sites (different routines to evaluate the dispersion). Moreover, from many projects, amplitudes, frequencies, and attenuation laws have been collected and analysed for the different sources such as vibratory or impact pile driving and ground compaction, demolition work with different machines, blasting in quarries and in tunnel works, bomb and mine clearing.
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. The dynamic axle loads are generated by the varying wheel displacements under the static axle load by the acceleration of the unsprung mass of the rail vehicle. 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.
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.
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.
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 homoge-nen und den kontinuierlich steifer werdenden Boden werden Potenzgesetze für den Boden- und Pfahleinfluss aufgestellt. Der Vergleich mit dem Winkler-Modell der rein lokalen Boden-reaktion zeigt, dass die Winkler-Bettung in allen Fällen einen zu kleinen Bodeneinfluss ergibt.
Die Definition und Beschreibung der Einfügedämmung im Normentwurf DIN 45673-4 ist noch nicht richtig. Es wird die Beschreibung aus DIN 45673-3 herangezogen, die für Messungen gilt. Für die drei Rechenverfahren gibt es jeweils eine passende Beschreibung. Mit diesen Vorlagen ist eine vernünftige Definition der Einfügungsdämmung zu finden. Es bedarf einer Abgrenzung gegenüber anderen (falschen) Möglichkeiten. Des Weiteren ist der Anhang 2 erweitert und der Parametersatz im Anhang 1 auf das Wesentliche reduziert worden.
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.
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.
The ground vibrations, which are generated by trains on different tracks, have been calculated by finite-element boundary-element models. The ballasted track is modelled in detail by the finite element method. The infinite soil is modelled by the boundary element method as a homogeneous or layered half-space. The track-soil system is coupled with a simple rigid mass model of the vehicle so that the vehicle-track interaction is completely included. Transfer functions are calculated in frequency domain without and with vehicle-track interaction, the compliance of the track and the mobilities of the soil at different distances from the track. Finally, the ratios between the ground vibration amplitudes with and without mitigation measure are calculated to quantify the effectiveness of the mitigation measure.
Tracks with under sleeper pads have been investigated in a wide parameter study. The main parameters that influence the reduction of ground vibration are the stiffness of the under sleeper pad, the mass and the width of the sleeper. The softest sleeper pad yields the best reduction of the ground vibration. The influence of the sleeper mass is not as strong as the characteristic frequency is ruled by the mass of the sleeper and the mass of the wheelset as well.
The influence of other parameters has been examined. The stiffness of the rail pads, the bending stiffness of the track, the stiffness of the ballast, the sub-soil, and the soil, and the layering of the soil. All these parameters show no or only a minor influence on the mitigation effect.
As the standard isolated track, a track with an under sleeper pad of a stiffness of kS = 5 107 N/m has been chosen, which can also be expressed as a stiffness per area of kS ’’ = 7.4 107 N/m3 = 0.074 N/mm3.
The resonance frequency for this pad stiffness is observed between 32 and 40 Hz. The reduction of the ground vibration is about vi,I /vi,U = 0.2 and 0.1 at 100 Hz. The reduction can be improved by softer sleeper pads. But the compliance of the track gets higher than tolerable. A possibility to use softer sleeper pads without increasing the static compliance of the track is their combination with wide sleepers. The softer sleeper pads under wider sleepers yield the same compliance of the track and a better reduction of the ground vibration.
The ground vibrations, which are generated by trains on different slab tracks, have been calculated by finite-element boundary-element models. The slab track is modelled in detail by the finite element method.
The infinite soil is modelled by the boundary element method as a homogeneous half-space. The track-soil system is coupled with a simple rigid mass model of the vehicle so that the vehicle-track interaction is completely included. Transfer functions are calculated in frequency domain without and with vehicle-track interaction, the compliance of the track and the mobilities of the soil at different distances from the track.
Finally, the ratios between the ground vibration amplitudes with and without mitigation measure are calculated to quantify the effectiveness of the mitigation measure.
Tracks with under sleeper pads have been investigated in a parameter study. The main parameter that influences the reduction of ground vibration is the stiffness of the under sleeper pad. The softest sleeper pad yields the best reduction of the ground vibration.
The influence of other parameters has been examined. The stiffness of the rail pads, the stiffness of the slab material, the stiffness of the sleeper material, and the distance of the sleepers. All these parameters show no or only a minor influence on the mitigation effect.
As the standard isolated track, a track with an under sleeper pad of a stiffness of kS = 5 107 N/m has been chosen, which can also be expressed as a stiffness per area of kS ’’ = 3.7 107 N/m3 = 0.037 N/mm3.
The resonance frequency for this pad stiffness is observed between 32 and 40 Hz. The reduction of the ground vibration is about vi,I /vi,U = 0.1 at 100 Hz.
Dieser Vortrag präsentiert einige Prinzipien und einige Beispiele zur Minderung von Eisenbahnerschütterungen. Die Prinzipien unterscheiden sich für die Minderungsmaßnahmen im Gleis, im Boden und bei Gebäuden. Kraftübertragungsfunktionen isolierter und nicht isolierter Gleissysteme, reflektierte und durchgelassene Wellenamplituden bei gefüllten Bodenschlitzen und die Übertragung der Freifeldschwingungen ins Gebäude werden analysiert. Bei den einfachen Gleismodellen muss der richtige Anteil der unabgefederte Fahrzeugmasse zum eindimensionalen Gleismodell hinzugefügt werden. Der Minderungseffekt eines gefüllten Bodenschlitzes ist von der Steifigkeit und nicht von der Impedanz des Schichtmaterials bestimmt. Bei einer elastischen Gebäudelagerung muss die Minderungswirkung mit der richtigen Boden- (Fundament-) Steifigkeit berechnet werden, und das abgeminderte Gebäudeverhalten hängt wesentlich von der effektiven Gebäudemasse ab, die mit zunehmender Frequenz deutlich kleiner als die starre Gebäudemasse ist.
Prediction of building noise and vibration – 3D finite element and 1D wave propagation models
(2021)
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.
Prediction of building noise and vibration – 3D finite element and 1D wave propagation models
(2021)
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.
Die Linienlastgesetzmäßigkeit gilt nicht für Zuganregung. Die Punktlastgesetzmäßigkeit wird bei kurzen Zügen in größeren Entfernungen erreicht. Bei langen Zügen reduziert sich die Abnahme um r-0,3 für die theoretische exponentielle Dämpfungsabnahme, um r-0,5 für die vereinfachte potentielle Dämpfungsabnahme. Die gemessenen Abnahmereduktionen liegen in diesem Bereich.
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.
The present contribution evaluates four measuring series made by the Federal Institute of Material Research and Testing for the relations between train speed and ground vibration amplitudes. This experimental evaluation is supported by the simulation of the train passages at the different sites by using appropriate excitation mechanisms and forces as well as layered soil models which have been derived from impact measurements at each site.
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.
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.
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.
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.
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.
A combined finite element boundary element method has been developed to calculate the dynamic interaction of the railway track and the underlying soil. The track-soil results are coupled with a simple vehicle model to establish the force transfer function of the vehicle-track-soil system. Mitigation measures at the track, namely three different tracks with under-sleeper pads, are analysed. The un-sprung vehicle and heavy track masses on soft track elements yield a lower vehicle-tracksoil resonant frequency and a better reduction of the excitation forces at higher frequencies. If the effectiveness of the mitigation is measured as a vibration ratio between the isolated and an un-isolated reference track, the vehicle-track-soil resonance of the reference track has an important influence on the mitigation effectiveness. Therefore, different un-isolated reference tracks are analysed. It is shown how the frequency and amplitude of the vehicle-track resonance are influenced by the stiffness of the rail pads (strongest), the ballast (medium) and the soil (weakest). The reference track models have been compared with shaker tests on two railway tracks with strong resonances. The damage detection and repair control have become important tasks for ballast and slab tracks. Measurements which compare the damaged and the repaired status of the same track section at different times, or which compare a damaged and an intact track section at the same time, have been successfully performed at some sites in Germany and compared with the theoretical behaviour of intact and damaged tracks.
A combined finite element boundary element method has been developed to calculate the dynamic interaction of the railway track and the underlying soil. The track-soil results are coupled with a simple vehicle model to establish the force transfer function of the vehicle-track-soil system. Mitigation measures at the track, namely three different tracks with under-sleeper pads, are analysed. The un-sprung vehicle and heavy track masses on soft track elements yield a lower vehicle-tracksoil resonant frequency and a better reduction of the excitation forces at higher frequencies. If the effectiveness of the mitigation is measured as a vibration ratio between the isolated and an un-isolated reference track, the vehicle-track-soil resonance of the reference track has an important influence on the mitigation effectiveness. Therefore, different un-isolated reference tracks are analysed. It is shown how the frequency and amplitude of the vehicle-track resonance are influenced by the stiffness of the rail pads (strongest), the ballast (medium) and the soil (weakest). The reference track models have been compared with shaker tests on two railway tracks with strong resonances. The damage detection and repair control have become important tasks for ballast and slab tracks. Measurements which compare the damaged and the repaired status of the same track section at different times, or which compare a damaged and an intact track section at the same time, have been successfully performed at some sites in Germany and compared with the theoretical behaviour of intact and damaged tracks.
Long wooden floor beams above a ball room in an old historical palace have been analysed experimentally. The eleven beams are weakly coupled by three layers of floor boards. It has been investigated if the state (the stiffness) of the wooden beams can be determined by vibration measurements of global or preferably local modes. Hammer, heel-drop and ambient excitations have been used. The vibration modes of the structure show dominating local deformations if an impact excitation is applied. This is understood as the positive superposition of several modes which yield the maximum at the excitation point but a cancellation at more distant points. Natural modes have been estimated from these vibration modes by standard and special methods which were necessary for the high damping of the wooden floor. It has been found that all floor beams contribute to each natural mode even for a weak coupling of the beams. In addition to the modal discussion, the impact tests have also been analysed for the wave propagation and amplitude attenuation with distance. The coupling of floor beams has been studied theoretically by an analytic multiple-beam model where the coupling by translational or rotational springs and by a common support motion has been assumed.
Durch Schienenverkehr angeregte Wellenausbreitung durch den Boden - Stand der Simulationsmethoden
(2014)
The layered soil is calculated in the frequency wavenumber domain and the solutions for fixed or moving point or track loads follow as wavenumber integrals. The resulting point load solutions can be approximated by simple formula. Measurements yield the specific soil parameters for the theoretical or approximate solutions, but they can also directly provide the point-load solution (the transfer function of that site). A prediction method for the train-induced ground vibration has been developed, based on one of these site-specific transfer functions. The ground vibrations strongly depend on the regular and irregular inhomogeneity of the soil. The regular layering of the soil yields a cut-on and a resonance phenomenon, while the irregular inhomogeneity seems to be important for high-speed trains. The attenuations with the distance of the ground vibration, due to point-like excitations such as vibrator, hammer, or train-track excitations, were investigated and compared. All theoretical results were compared with measurements at conventional and high-speed railway lines, validating the approximate prediction method.
Construction work, such as pile driving and soil compaction, or road and railway traffic excite nearby buildings, and the perceptible or audible vibration can be a nuisance for nearby inhabitants. A simplified building model has been created for these situations, which includes the effects of soil-structure interaction, the low-frequency amplification along the height of the building as well as the high-frequency reduction and the floor resonances. The model consists of one wall for all supporting structures (walls and columns) and one floor for each storey. The effect of different floor resonance frequencies is included in a stochastic procedure. The soil is modelled by a spring and a viscous damper, and the free-field amplitudes of the soil are applied under this soil element.
The model can be calculated by transfer matrices or in a continuous wave-type version where an analytical solution can be evaluated numerically. The building response in the high-frequency (acoustic) region is calculated as mean values over wider frequency bands. The approach to an infinite building model can be found for these high frequencies and the corresponding soil-structure transfer can be described by the ratio of impedances at foundation level.
The rules for choosing the parameters to obtain realistic results are derived from complex calculations for example, for the stiffness and damping of building foundations and many measurements as for the damping of floor resonances. The influences on the floor resonance from the soil (damping) and the supporting structure (detuning) are important. Some more effects will be discussed by the simplified and detailed models and by measurements to establish a good understanding of ground-induced building vibrations.
Messungen bei Fern- und Hochgeschwindigkeitsbahnen aus verschiedenen Ländern (Portugal, Spanien, Belgien, Großbritannien, Deutschland, Schweiz, China, Japan u.a.) sollen die besondere Wichtigkeit eines mittelfrequenten Erschütterungsanteils zeigen. Relativ einheitlich werden dabei drei zusammenhängende Terzen mit angehobenen Amplituden beobachtet. Dieser Erschütterungsanteil dominiert mit zunehmender Entfernung vom Gleis das Frequenzspektrum der Erschütterungen. Die hochfrequenteren Anteile nehmen aufgrund der Materialdämpfung des Bodens stärker ab, die tieffrequenteren Anteile aus der sogenannten Quasistatik, der Vorbeifahrt der statischen Achslasten, verschwinden innerhalb der ersten zehn Meter vom Gleis fast vollständig. Die Frequenzcharakteristik des mittelfrequenten Erschütterungsanteils wird durch die Achsfolge des Zuges bestimmt. Im Terzmaßstab ist die Achsfolge im Drehgestell maßgeblich für die Ausprägung von zwei Amplitudenminima, die den Frequenzbereich eingrenzen. Diese Achsfolgespektren sind auch bei Brückenschwingungen von Bedeutung. Sie können die schwächere oder stärkere Anregung einzelner Brückeneigenschwingungen regeln. Die Ursachen der Boden- oder Brückenschwingungen sind mit den Achsfolgespektren noch nicht geklärt. Bei der Brücke und beim Boden können kurzwelligere Gleislagefehler (auch Radunrundheiten 1. Ordnung) Fahrzeugbeschleunigungen und damit dynamische Kräfte auf das Gleis erzeugen. Bei der Brücke ist die diskontinuierliche Auf- und Abfahrt der Achsen ebenfalls eine relevante Anregung, während die Kraftimpulse auf das Gleis, die durch die Achsüberfahrten entstehen, für die Wellenausbreitung im Boden von Bedeutung sind. Heterogene Böden oder Gleise ergeben einen Zerstreuanteil der Achsüberfahrtimpulse. Fallbeispiele mit verschiedenen Böden und verschiedenen Fahrgeschwindigkeiten werden ausgewertet, um die Ursachen und Gesetzmäßigkeiten des mittelfrequenten Erschütterungsanteils zu erkennen.
Die Bedeutung von Eisenbahn-Achsüberfahrten für die Bodenerschütterungen und Brückenschwingungen
(2016)
Messungen bei Fern- und Hochgeschwindigkeitsbahnen aus verschiedenen Ländern (Portugal, Spanien, Belgien, Großbritannien, Deutschland, Schweiz, China, Japan u.a.) sollen die besondere Wichtigkeit eines mittelfrequenten Erschütterungsanteils zeigen. Relativ einheitlich werden dabei drei zusammenhängende Terzen mit angehobenen Amplituden beobachtet. Dieser Erschütterungsanteil dominiert mit zunehmender Entfernung vom Gleis das Frequenzspektrum der Erschütterungen. Die hochfrequenteren Anteile nehmen aufgrund der Materialdämpfung des Bodens stärker ab, die tieffrequenteren Anteile aus der sogenannten Quasistatik, der Vorbeifahrt der statischen Achslasten, verschwinden innerhalb der ersten zehn Meter vom Gleis fast vollständig. Die Frequenzcharakteristik des mittelfrequenten Erschütterungsanteils wird durch die Achsfolge des Zuges bestimmt. Im Terzmaßstab ist die Achsfolge im Drehgestell maßgeblich für die Ausprägung von zwei Amplitudenminima, die den Frequenzbereich eingrenzen. Diese Achsfolgespektren sind auch bei Brückenschwingungen von Bedeutung. Sie können die schwächere oder stärkere Anregung einzelner Brückeneigenschwingungen regeln. Die Ursachen der Boden- oder Brückenschwingungen sind mit den Achsfolgespektren noch nicht geklärt. Bei der Brücke und beim Boden können kurzwelligere Gleislagefehler (auch Radunrundheiten 1. Ordnung) Fahrzeugbeschleunigungen und damit dynamische Kräfte auf das Gleis erzeugen. Bei der Brücke ist die diskontinuierliche Auf- und Abfahrt der Achsen ebenfalls eine relevante Anregung, während die Kraftimpulse auf das Gleis, die durch die Achsüberfahrten entstehen, für die Wellenausbreitung im Boden von Bedeutung sind. Heterogene Böden oder Gleise ergeben einen Zerstreuanteil der Achsüberfahrtimpulse. Fallbeispiele mit verschiedenen Böden und verschiedenen Fahrgeschwindigkeiten werden ausgewertet, um die Ursachen und Gesetzmäßigkeiten des mittelfrequenten Erschütterungsanteils zu erkennen.
Les methods numerique et experimentelle sont les elements finis pour le sol infini et les mesures pour les parametres du sol, la vitesse des ondes et l'amortissement materielle. Les resultats sont les reductions dues aux elements elastiques, les effets de la trace elevee ou basse, et les reponses des batiments mesurees.
Erschütterungen durch Schienenverkehr – Messergebnisse, Quellstärken und Amplituden-Abstands-Gesetze
(1986)
Es werden Messergebnisse und theoretische Studien vorgetragen, die sich mit der Erschütterungsstärke in der Nähe von Bahnlinien und deren Abnahme mit der Entfernung beschäftigen. Durch die Ausdehnung der Anregung über die Zuglänge ergibt sich bei gleichphasiger Anregung ein Bereich konstanter Amplituden, bei zufälliger Phasenlage eine gleichmäßige Abnahme, die schwächer als bei einer Punktlast ist. Die Messungen belegen, dass es eine starke Abnahme für die Vorbeifahrt der statischen Achslasten gibt, so dass dieser Anteil spätestens in 10 m Abstand unbedeutend ist. Am Gleis selbst ist dieser (statische) Anteil dominant.
Some results of our measurements of the Intercity experimental are presented together with simulated results and their interpretation. Three frequeny ranges could be measured and calculated: low frequencies which decrease very rapidly with distance (the quasi-static part), high frequencies (mainly due to the sleeper passage), and a mid-frequency which has the weakest attenuation with distance and is therefore dominant at the far field. Mono-frequent excitations get a wide frequency band due to the Doppler effect of the moving high-speed train.
Train-induced ground vibrations are generated by static and dynamic axle loads which can be calculated by vehicle-track-soil models and the vehicle and track irregularities. A fast prediction method has been developed which uses approximate transfer functions of layered soils. In the present contribution, this prediction method is used for the inverse calculation of the axle-load spectra from the measured ground vibration. The layered soils of some measuring sites show very differing ground vibration spectra in the amplitude range of 0.0001–1.0 mm/s as a consequence of the soft layer and stiff half-space, differing layer frequencies, as well as the far- and near-field measuring points. The back-calculation, however, yields axle-load spectra within a single order of magnitude around 1 kN. Axle-box measurements confirm the amplitude level of the axle loads. This standard axle-load spectrum can be used for a basic prediction at a new site. The separation of train and site-specific components allows a better evaluation of railway vibrations, for example, of different trains and different tracks. By eliminating the effects of differing soil characteristics, an important mid-frequency component has been found which lies between 8 and 32 Hz depending on the train speed. The origin of this dominant mid-frequency component is discussed using advanced prediction methods like moving constant loads, scattered axle impulses and axle-sequence spectra.
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.
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 vibrations of soil and foundations are demonstrated for different types of loading. Train-induced ground vibrations are studied in a measurement campaign where a test train has run with regularly varied speeds. The measured train-induced soil vibration at 2 to 100 m distance from the track is compared with the wave propagation due to hammer excitation and with the theoretical wave field. The strong influence of the soil and the train speed on the amplitudes and frequencies of the vibration has been analysed for passages of the locomotive and the carriages. - The generation of ground vibration by strong explosions has been studied on a large testing area with sandy soil. The propagating waves were measured in a regular grid of measuring points in 10 to 1000 m. Therefore, the dominance of certain waves at certain distances and the changes of compressional waves and Rayleigh waves could clearly be observed. The results are compared with impulse hammer measurements in the range of 5 to 50 m. - A drop test facility has been built on the testing area of the Federal Institute of Materials Research and Testing (BAM). Heavy masses (containers) of up to 200 t can be dropped from 10 m height on a big reinforced concrete foundation. The foundation was instrumented by accelerometers, strain gauges and pressure cells to give information about the loading condition and by geophones to measure the vibration of the surrounding soil and building. Both excitation processes, the release of the mass and the impact, produce high vibration amplitudes. On a smaller drop foundation, the influence of the drop height and the target stiffness has been studied more systematically.
Die Grundidee einer Schwingungsminderung ist es eine tiefe Eigenfrequenz der Struktur zu erreichen, so dass höhere Frequenzen abgemindert werden. Das gilt für die Minderung an der Quelle, zum Beispiel einem Eisenbahngleis, und für die Minderung am Empfänger, dem Gebäude. Die Eigenfrequenz ermittelt man aus dem Verhältnis der Auflagersteifigkeit und der Masse. Wie ist die Masse bei einem Gebäude zu wählen? Und wie ist die Untergrund-steifigkeit zu berücksichtigen? Als Referenzsituation ohne Minderungsma߬nahme? Der Beitrag bringt Rechenergebnisse zu abgefederten Gebäuden mit einfachen und komplexen (FE-) Modellen, Mess- und Rechenergebnisse zur Schwingungsübertragung von unabge-federten Gebäuden. Es wird der Einfluss der Abstimmfrequenz, der Bodensteifigkeit und der „starren“ Gebäudemasse untersucht. Die komplexen Gebäudemodelle erlauben, neben der Berechnung einer elastischen Gebäudelagerung, auch die Variation von Gebäudepara¬metern zur Reduktion der Deckenschwingungen. Den Ergebnissen bei der Erschütterungs-übertragung in Gebäude werden zwei ähnliche Beispiele zur elastischen Maschinenlagerung und zur elastischen Gleislagerung gegenübergestellt.
A simple and fast prediction scheme is presented for train induced ground and building vibrations. Simple models such as (1-dimensional) transfer matrices are used for the vehicle-track-soil interaction and for the building-soil interaction. The wave propagation through layered soils is approximated by a frequency-dependent homogeneous half-space. The prediction is divided into the parts “emission” (excitation by railway traffic), “transmission” (wave propagation through the soil) and “immission” (transfer into a building). The link between the modules is made by the excitation force between emission and transmission, and by the free-field vibration between transmission and immission. All formula for the simple vehicle-track, soil and building models are given in this article. The behaviour of the models is demonstrated by typical examples, that is the mitigation of train vibrations by elastic track elements, the low- and high-frequency cut-offs characteristic for layered soils, and the interacting soil, wall and floor resonances of multi-storey buildings. It is shown that the results of the simple prediction models can well represent the behaviour of the more time-consuming detailed models, the finite-element boundary-element models of the track, the wavenumber integrals for the soil, and the three-dimensional finite-element models of the building. In addition, measurement examples are given for each part of the prediction confirming that the methods provide reasonable results. As the prediction models are fast in calculation, many predictions can be done, for example to assess the environmental effect along a new railway line. The simple models have the additional advantage that the user needs to know only a minimum of parameters. So, the prediction is fast and user-friendly, but also theoretically and experimentally well-founded.
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.
In the last three decades, the vibrations of many floors and bridges have been measured. The contribution shows some evaluation methods, experimental results and some modelling and theoretical results. Simple evaluation methods have been developed for single and coupled floors. Two coupled beams have been measured in good agreement with the theory. A more complex coupling model has been found for a large wooden floor in a castle consisting of six floor bays which correlates well with the measurements. Damaged and intact poles have been tested by their natural frequencies and damping values, and a fair correlation between the degree of damage and the shift of the frequency. Road bridges have been analysed in detail and some examples are presented. Railway bridges and trains are studied for resonant excitation. The risk of resonance can be estimated in frequency domain by using axle-sequence spectra of the train and the natural frequencies of the bridge. A measurement example shows the amplification, but even stronger the cancellation of the subsequent axle responses. Several high-speed trains and freight trains have been analysed for their potential resonance amplification.
This article deals with two topics of vehicle-track-soil interaction, the mitigation of railway induced ground vibration by soft track elements, and the identification of track damage. Theoretical results have been achieved by a combined finite-element boundary-element method (FEBEM). The theoretical results are confronted with measurements at four sites. Improved mitigation effects have been found for soft rail pads under heavy sleepers. The insertion loss, however, can be too optimistic if a strong vehicle track resonance occurs for the un-isolated reference track. Two measurement sites show this strong vehicle-track resonance at about 80 Hz, which has been approximated by using the results of a wide parameter study including the rail pad, ballast, and soil stiffness, as well as the ballast model and the soil layering. – The detection of slab track damage is mainly based on the differences of the receptance or compliance functions. Theoretical results have been confirmed by measurements at one site where a loss of contact between track plate and base layer was visible. Measurements at a second site with a hidden damage have been compared with the theoretical results of a loose sleeper. The differences between intact (or repaired) and damaged tracks are strong enough to encourage the further development of this method for the identification of track damages.
Train passages induce static and dynamic forces on the track, the train-induced vibrations propagate through the soil and excite neighbouring buildings. The problem of train vibrations is divided into the parts emission, which is the excitation by railway traffic (the present contribution), transmission, which is the wave propagation through the soil, and immission, which is the transfer into a building, - The calculation of the axle loads are based on the vehicle-track-soil interaction. This interaction uses the dynamic stiffness of the vehicle (the inertia of the wheelset) and the dynamic stiffness of the track-soil System. Based on various time consuming finite-element boundary-element calculations, an approximate track-soil model has been established. The vehicle-track-soil analysis yields several transfer functions between the various geometric or stiffness irregularities and the axle loads of the train. Geometric irregularities of the vehicle (the wheels) and the track (rail surface and track alignment) are the simplest components. Geometric irregularities of the subsoil (trackbed irregularities) have to be transferred to effective irregularities at rail level. The bending stiffness of the track is filtering out the short-wavelength contribution. Stiffness irregularities occur due to random variations in the bailast or the subsoil, which must also be transferred to effective track irregularities, and due to the discrete rail support on sleepers. The axle loads due to the effective track errors from stiffness variations have their specific vehicle-track transfer function. - All necessary formula for the prediction of axle-load spectra will be presented. The prediction method is compared with axle-box measurements at a Standard ballasted track. Moreover, ground Vibration measurements at numerous sites are exploited for the axle-load spectra and the Validation of the prediction method.
Die gesamte Prognose wurde rechnerisch erfasst. Die Rechenverfahren sind einfach und schnell. Die Emission und die Immission verwendet Übertragungsmatrizen. Die Transmissionsrechnung beruht auf der Dispersion der Rayleighwelle. Die Verknüpfung erfolgt über die Anregungskraft auf den Boden und über die Freifeldamplitude am Gebäude.
Es sind viele Eingabemöglichkeiten für Messdaten vorgesehen. Messungen können von einem Ort auf einen anderen Ort übertragen werden.
Methods have been presented for detailed studies of railway vibration and for the fast prediction of train-induced ground vibration. The ground vibration is generated by static or dynamic loads. The main purpose of this contribution was to show the influence of inhomogeneous soils on the different vibration components.
Layered soils, namely a soft layer on a stiffer half-space, yield a quite specific transmission behavior. The low-frequency and sometimes also high-frequency cut-off of the transfer function of the soil is demonstrated in theory and by experiments at many sites of which the soil model is approximated from dispersion and transfer function measurements. The layer frequency divides the frequency range in a low-frequency range, where the stiff half-space rules the low amplitudes, and a high amplitude high-frequency range which is mainly determined by the softer top layer. A thick soft layer yields a very low layer frequency, so that the higher soft soil amplitudes have a wider range down to low frequencies. A thin layer yields a high layer frequency, so that the high frequencies above this layer frequency are dominant. The higher the contrast between the stiff half-space and the soft layer is, the stronger the increase between the half-space and layer amplitudes, the more characteristic are the spectra of the soil transfer function. The range of measured soils has been from vS1 down to 125 m/s, vS2 up to 1000 m/s and the layer frequencies are within 10 Hz < f0 < 75 Hz. Moreover, during this measuring campaign in Switzerland, all 11 sites showed clearly the layer-on-half-space behaviour. The transfer functions of inhomogeneous soils have been used to predict the ground vibration due to dynamic axle loads which is usually thought to be the most important component.
The passage of static loads, in the contrary, results in very small vibration amplitudes for low train speeds, which can only be found at near distances and at low frequencies. They attenuate very rapidly with distance and lose very rapidly the higher frequency content. The passage of static axle loads can be included in the prediction of railway vibration just for completeness.
Special attention should be given to the case if the train runs with the Rayleigh-wave speed of the soil (Rayleigh train). The Rayleigh-train effect is strongest for a homogeneous half-space: At the near-field of the track the amplitudes are raised strongly compared to normal trains, and in addition, little attenuation with distance is observed. In case of a layered soil, the low-frequency cut-off reduces the frequency range and the amplitudes of the homogeneous quasi-static ground vibrations. Therefore, the Rayleigh-train effects are clearly reduced by a layered soil and they disappear if the layer frequency (for example for a thin layer) is higher than the frequency band of the axle impulse. The Rayleigh-train effect could completely disappear in a randomly inhomogeneous soil, but this has not been analysed so far.
The axle impulses from static loads can have an additional, quite different effect. They can be scattered by a randomly inhomogeneous soil so that a part (the scattered part) of the axle impulse can reach further distances from the track. This can establish a certain mid-frequency component of the ground vibration which becomes dominant in the far-field, and this important component exists for all train speeds. Experimental results from BAM and international measurements show the importance of the corresponding frequency range.
The mitigation of train induced ground vibration by elastic and stiff track elements has been analysed threefold. The vehicle-track interaction yields the reduction at high frequencies above the vehicle-track resonance. This is the standard effect. The filtering of trackbed errors by the bending stiffness of the track yields a certain mid-frequency effect. An even stronger mid-frequency effect is predicted for the mitigation of the scattered axle impulses by the bending stiffness and elastic elements of the track.
Erschütterungen durch Industrie und Verkehr, Schwingungen von Gebäuden, Fundamenten und Gleisen hängen im hohen Maße vom jeweiligen unterliegenden Boden ab. Die Eigenschaften des Bodens ermitteln wir mit Wellenmessungen vor Ort. Die Wellen werden in der Regel mit einem Impulshammer erzeugt und mit Geophonen als Schwinggeschwindigkeits-signale gemessen. Geophone sind aktive Sensoren, die eine kleine Messspannung liefern. Ein 72-kanaliges Messsystem mit entsprechenden Messverstärkern ist im Messwagen der Arbeitsgruppe eingebaut. Es werden im Vortrag fünf verschiedene Auswertemethoden vorgestellt. Im einfachsten Fall versucht man die Laufzeit von einem Geophon zum andern auszumessen und damit die vorherrschende Wellengeschwindigkeit zu ermitteln. Wir haben Wellengeschwindigkeiten von 30 m/s für Moorboden bis 1000 m/s für Felsboden gemessen. Der Boden hat aber nicht nur eine Wellengeschwindigkeit, sondern mehrere frequenzabhängige Wellen-geschwindigkeiten. Dadurch wird aus einem kurzen Hammerschlag eine längere Schwingung (Zerstreuung, Dispersion). Für die Auswertung von dispersiven Wellen nutzt man die spektrale Analyse, zunächst mit zwei Aufnehmern (SASW Spectral Analysis of Surface Waves), später mit einer ganzen Messachse (Multi-Station SASW). Schließlich kann man eine ganze Messachse auch mit verschiedenen Transformationsmethoden auswerten wie die f,v-Methode und Spatial AutoCorrelation SPAC Methode. Alle diese Methoden wurden von uns auf Messreisen in Deutschland, Österreich und der Schweiz getestet. Durch die Approximation der frequenzabhängigen Wellengeschwindigkeiten erhält man ein passendes Bodenmodell. Zu diesem Bodenmodell kann man die Übertra¬gungsfunktionen für Hammer- und Zuganregung berechnen. Bei etlichen Mess¬orten wurden deutliche Merkmale einer Bodenschichtung beobachtet. Es ergibt sich eine Reduktion der tiefen Frequenzanteile durch den steifen unterliegenden Halbraum. Die weiche Deckschicht bestimmt das hochfrequente Verhalten.
Three measurement campaigns of train-induced ground vibrations are evaluated for the vehicle-track-soil interaction. Ground vibrations, track vibrations and vehicle vibrations have been measured for train passages and impulse excitation and compared with theoretical results.
The soil and the track-soil system are calculated by wavenumber integrals. The influence of the vehicle is introduced by a substructure method. By comparing theory and measurement the different components of excitation force and ground vibration can be analysed, the quasi-static excitation, track-alignment errors, the out-of-roundness of wheels, the wheel and rail roughness, and moreover, scattered axle impulses and ineffective high-frequency parts of the wheelset accelerations and forces.
Es wird die Vorgehensweise erläutert wie die Notwendigkeit einer elastischen Gebäudelagerung geprüft wird. Es werden die Möglichkeiten und Schwächen vereinfachter Rechenverfahren dargestellt. Es folgen weitere Beispiele detaillierter Gebäudemodelle und ihres Schwingungsverhaltens. Schließlich greift eine aktuelle Bachelorarbeit die Fragestellung komplexen Gebäudeschwingungsverhaltens auf. Die letzte Folie zeigt dazu Gebäudemodelle, die an die konkreten Erschütterungsprognosen anknüpfen.
Abstract. Three measurement campaigns of train-induced ground vibrations are evaluated for the vehicle-track-soil interaction. Ground vibrations, track vibrations and vehicle vibrations have been measured for train passages and impulse excitation and compared with theoretical results.
The soil and the track-soil system are calculated by wavenumber integrals. The influence of the vehicle is introduced by a substructure method. By comparing theory and measurement the different components of excitation force and ground vibration can be analysed, the quasi-static excitation, track-alignment errors, the out-of-roundness of wheels, the wheel and rail roughness, and moreover, scattered axle impulses and ineffective high-frequency parts of the wheelset accelerations and forces.
The present contribution evaluates four measuring series made by the Federal Institute of Material Research and Testing for the relations between train speed and ground vibration amplitudes. This experimental evaluation is supported by the simulation of the train passages at the different sites by using appropriate excitation mechanisms and forces as well as layered soil models which have been derived from impact measurements at each site.
Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung hat in den letzten 30 Jahren an vielen Orten Bahnerschütterungen gemessen. Dabei wurden immer auch Versuche zur Bestimmung der Bodeneigen-schaften durchgeführt, meist mit Hammeranregung, gelegentlich auch mit Schwingeranregung. Es werden verschiedene Auswertemethoden wie Seismogramm-Montage, Spektrale Analyse (SASW), Multistation Analysis of Surface Waves (MASW), f,v-Analyse (Dispersion aus zweifacher Fourier-Analyse), Spatial AutoCorrelation (SPAC, hier auch für deterministische Quellen) vorgestellt. Durch Approximation der frequenzabhängigen Wellengeschwindigkeiten (Dispersion) oder der gemessenen Übertragungsfunktionen erhält man ein passendes Bodenmodell. Zu diesem Bodenmodell kann man dann die Übertragungsfunktionen für Hammer- und Zuganregung berechnen. Mit allgemeinen oder spezifischen Achslastspektren werden dann die Bahnerschütterungen prognostiziert und mit den Messergebnissen verglichen. Bei etlichen Messorten, insbesondere in der Schweiz, wurden deutliche Merkmale einer Bodenschichtung beobachtet. Es ergibt sich eine deutliche Reduktion der tiefen Frequenzanteile durch den steifen unterliegenden Halbraum. Die weiche Deckschicht bestimmt das hochfrequente Verhalten. Hier bewirkt die Materialdämpfung des Bodens oft einen starken Amplitudenabfall, sowohl mit der Entfernung als auch mit der Frequenz. Für den verbleibenden mittelfrequenten Anteil wurde an mehreren Messorten die Amplituden-Fahrgeschwindigkeits-Gesetzmäßigkeiten untersucht. Es gibt konstante bis stark ansteigende Amplituden, und es zeigt sich auch hier, dass der geschichtete Boden von entscheidender Bedeutung ist.
The present contribution evaluates four measuring series made by the Federal Institute of Material Research and Testing for the relations between train speed and ground vibration amplitudes. This experimental evaluation is supported by the simulation of the train passages at the different sites by using appropriate excitation mechanisms and forces as well as layered soil models which have been derived from impact measurements at each site.
Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung hat in den letzten 30 Jahren an vielen Orten Bahnerschütterungen gemessen. Dabei wurden immer auch Versuche zur Bestimmung der Bodeneigen-schaften durchgeführt, meist mit Hammeranregung, gelegentlich auch mit Schwingeranregung. Es werden verschiedene Auswertemethoden wie Seismogramm-Montage, Spektrale Analyse (SASW), Multistation Analysis of Surface Waves (MASW), f,v-Analyse (Dispersion aus zweifacher Fourier-Analyse), Spatial AutoCorrelation (SPAC, hier auch für deterministische Quellen) vorgestellt. Durch Approximation der frequenzabhängigen Wellengeschwindigkeiten (Dispersion) oder der gemessenen Übertragungsfunktionen erhält man ein passendes Bodenmodell. Zu diesem Bodenmodell kann man dann die Übertragungsfunktionen für Hammer- und Zuganregung berechnen. Mit allgemeinen oder spezifischen Achslastspektren werden dann die Bahnerschütterungen prognostiziert und mit den Messergebnissen verglichen. Bei etlichen Messorten, insbesondere in der Schweiz, wurden deutliche Merkmale einer Bodenschichtung beobachtet. Es ergibt sich eine deutliche Reduktion der tiefen Frequenzanteile durch den steifen unterliegenden Halbraum. Die weiche Deckschicht bestimmt das hochfrequente Verhalten. Hier bewirkt die Materialdämpfung des Bodens oft einen starken Amplitudenabfall, sowohl mit der Entfernung als auch mit der Frequenz. Für den verbleibenden mittelfrequenten Anteil wurde an mehreren Messorten die Amplituden-Fahrgeschwindigkeits-Gesetzmäßigkeiten untersucht. Es gibt konstante bis stark ansteigende Amplituden, und es zeigt sich auch hier, dass der geschichtete Boden von entscheidender Bedeutung ist.
Mitigation measures of railway induced vibration have been demonstrated at the emission, transmission and immission part. It must be carefully observed that the correct masses and stiffnesses are used.
Typical mistakes have been shown,
- 1D models for vehicle-track interaction,
- impedance instead of stiffness for the infill material of a trench,
- rigid buildings or neglecting the soil-building interaction.
The dominant mid-frequency part of the ground vibration is due to the irregular soil.
A study on building vibrations has been performed by finite element calculations. Family houses, multi-storey residential buildings, office buildings and office towers have been modelled in detail. The frequency-dependent response due to a free-field excitation has been evaluated for walls, columns and floors. The ratio of building amplitudes to free-field amplitudes starts with uB/u0 = 1 at zero frequency and is usually lower than 1 at 50 Hz, the end of the frequency range considered here. In between, amplifications occur due to several reasons. There are „soil resonances“ where the whole building is vibrating on the compliant soil, “column resonances” where the upper storeys are vibrating on the compliant columns, and the “floor resonances” where the floors are vibrating excited by their supports. Results are presented for all building types, but a special focus is set on office buildings. A parameter study shows the influence of the stiffness of the soil, the number of storeys, and the width of the building. It has been found that the “soil resonance” is strongly modified by the low-frequency floor resonances for the normal office building. The main resonance of a twenty-storey office tower is determined equally by the “soil mode” and the “column mode”. It is an important observation for these office buildings that the resonances can differ for different parts of the building such as the centre, the edge, the corner, and the core of the building. This leads to non-uniform vibration modes across the building, which look like another type of “floor resonance” and which have been observed in several real building projects. Experimental results will be shown which can confirm the calculated phenomena.
Eindimensionale Modelle des Gleises aus einem Schienenstützpunkt, zweidimensionale Modelle enthalten die Kraftverteilung der Schiene. Eindimensionale Modelle machen einen Fehler, weil sie eine zu große Fahrzeugmasse berücksichtigen. Man kann jedoch bei der Berechnung der Minderungswirkung von Gleiselementen eindimensionale Gleismodelle verwenden, um die Kraftübertragung des Gleises bzw. die Minderungswirkung des Gleises zu berechnen. Die Wechselwirkung mit dem Fahrzeug kann einfach mit der dynamischen Stützpunktsteifigkeit berechnet werden. Dabei muss die Stützpunktsteifigkeit mit einer charakteristischen Gleislänge multipliziert werden, die frequenz- und systemabhängig ist.
The dynamic compliance of different railway tracks on different layered soils have been calculated using a combined finite-element and boundary-element method:
conventional track on homogeneous soil with different stiffness,
extreme normal and inverse layering of the soil,
plates in and on top of the soil (slab track on various soils),
conventional track with elastic rail pads.
Offshore wind energy towers are dynamically loaded by waves and wind. Pile foundations provide stiffness and damping and should be properly calculated. A combined finite-element boundary-element method for the dynamic interaction of flexible structures and the soil has been developed. The flexible structures such as single piles or complete wind energy towers are modeled by the finite element method whereas the homogeneous or layered soil is modeled by the boundary element method which uses the Green’s functions for interior loads in the layered half-space to establish the dynamic stiffness matrix of the soil. Soils with a stiffness that is continuously increasing with depth can be modeled as multi-layer soils with step-wise increasing stiffness. The effects of different parameters such as the stiffness of the soil, the axial and bending stiffness of the pile, and the radius of the cylindrical contact area will be analysed for the different components of excitation (vertical, horizontal, rotation and coupling). The results can be determined as specific power laws which are different for the different load cases and for the different soil models (Winkler support, homogeneous continuum, continuum with increasing stiffness). The dynamic effect of radiation damping will be analysed by the frequency-dependent compliance functions. A clear layering of the soil can cause noticeable changes in the dynamic compliances as reductions of the stiffness and the damping in certain frequency ranges (below and around layer resonance frequencies). The distribution of the displacements along the pile help to explain the observed laws. An example of an offshore wind energy tower has been modeled and calculated for wind, wave and weight loads. The resonances of the tower are usually limited by the radiation damping which is strongest for a soft soil.
Measurements on the vehicle-track interaction and the excitation of railway-induced ground vibration
(2017)
Two railway measurement campaigns have been performed in Germany and Switzerland which yield insight in the vehicle-track-soil interaction. The campaign in Germany has included simultaneous measurement of vehicle, track, and soil vibrations during train runs with 16, 25, 40, 63, 80, 100, 125, 140, 160 km/h, and impulse measurements of the passenger car, three track sections and the soil. Two ballast tracks, one on the soil surface and one on a concrete bridge, have been investigated as well as a slab track in a tunnel. Ten different sites in Switzerland have been measured for soil properties and train-induced ground vibrations, which allow to determine the excitation forces of the railway traffic. New axle-box measurements at some of the Swiss sites have been analysed to get further experimental evidence. All these measurements have been evaluated to characterize the excitation processes. Relations between vehicle vibration and ground vibration can be observed. The vehicle vibrations, namely the accelerations of the wheelsets, yield the dynamic forces due to the passage over the irregularities of the vehicle and the track. The ground vibrations are correlated to these dynamic forces to a certain extent. Some mid-frequency ground vibration amplitudes, however, are higher than expected from the dynamic excitation forces. The experimental observations can be explained by an irregular response to the passage of the static loads, that means the passage of the static loads over an irregular ballast or soil. This correct understanding of the excitation processes is important for the prediction as well as for the mitigation of railway induced ground vibrations.
This contribution presents some principles and some examples of the mitigation of railway-induced ground vibrations. The principles are different for the mitigation measures at the track, in the soil or at the building. Force transfer functions of isolated and un-isolated track-soil systems, reflected and transmitted wave amplitudes at walls and trenches in the soil, and the transfer of the (free-field) vibration amplitudes to the foundation amplitudes of the building are analysed. The mitigation effect can be calculated by exact or simplified formulas. Some examples with 3D (finite-element boundary-element), 2D (beam-on-support), and 1D track models, 2D and 1D soil models, detailed 3D building models and finite or infinite 1D wall-floor models are investigated to find out if simple models can be used for a satisfactory prediction of the mitigation effect. The 1D track examples show that the force transfer of the track without vehicle can be exactly calculated, whereas the total force transfer can be calculated approximately if appropriate wheelset masses per track length are used for the isolated and the un-isolated track. The mitigation effect of a filled trench is calculated by a 2D finite element model and the results compare with simple transmission formula if the stiffness per area rather than the wave impedances are used for the infill material. The base isolation of a building is analysed by a detailed 3D model and the results are similar to the analytic results of a single wall with floors on the soil. Other reduction measures as different floor and column dimensions are usually less effective so that the clearly best mitigation solution at a building is a partly or a complete base isolation.
Experiments have been performed at a test site with six different tracks with under-ballast plates. Hammer excitations of the soil and the tracks as well as train passages have been measured. The experimental observations are as follows. 1. The natural soil is stiff gravel whereas the railway dam consists of softer material. 2. The track compliance indicates a soft ballast if no train is present to provide a confining pressure. 3. The track response to the train passages can be split into a low-frequency region which is ruled by the static loads and a high-frequency region which is ruled by dynamic loads. 4. The track responses to hammer and track excitation indicate the presence of many voids between the sleepers and the ballast. 5. The ground vibrations are highly influenced by the soil. Due to the stiff soil at the site, the hammer and train induced spectra have a considerable high-frequency content. 6. A reduction of the ground vibration has been observed in a low-frequency range. The mitigation effects of an under-ballast plate are also investigated by calculations of a wavenumber domain model. The under-ballast plate has an effect at low frequencies where it distributes the static load over a longer track section. The impulse of the axle passage is longer and the frequencies are lower due to the plate stiffness. The axle impulses could yield a low-frequency ground vibration in an irregular soil with a randomly varying stiffness. This low-frequency part of the ground vibration (the scattered axle impulses) seem to be reduced by the under-ballast plate.