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Dokumenttyp
- Vortrag (134)
- Zeitschriftenartikel (66)
- Beitrag zu einem Tagungsband (66)
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- Forschungsbericht (14)
- Posterpräsentation (13)
- Buchkapitel (1)
Sprache
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Schlagworte
- Ground vibration (39)
- Layered soil (13)
- Slab track (11)
- Mitigation (10)
- Railway track (10)
- Bahnerschütterungen (9)
- Erschütterungen (9)
- Finite-element boundary-element method (9)
- Track-soil interaction (9)
- Train passage (9)
Organisationseinheit der BAM
- 7 Bauwerkssicherheit (82)
- 7.2 Ingenieurbau (82)
Eingeladener Vortrag
- nein (134)
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.
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.
Vibration of normal apartment, office and production buildings, which are excited by technically induced ground vibrations are considered. Many wavelengths of the Rayleigh waves of the soil fit into the foundation dimensions. The related high discretization effort can nowadays be realized with detailed soil-structure interaction method. The combined finite-element boundary-element method is used here as a detatiled method. Simplified method can be used with less computation time, but these methods must be calibrated by exact results. One simplification is to extent the structure to infinity and to solve the problem by wavenumber domain methods. Another simplification is the use of a Winkler soil instead of the continuous soil. Usually, the Winkler parameters are not only soil parameters but depend also on the rigid or flexible foundation structure. Substructure methods use commercial FEM software for the building part. The contribution will show some detailed and some simplified results on large structural elements such as foundation plates, walls, storey plates on columns as well as results on complete buildings. The reduction of the ground vibration by stiff elements and the amplification due to floor or building resonances are discussed which are the most important phenomena of the soil-building interaction.
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.
The attenuation of technically induced surface waves is studied theoretically and experimentally. In this paper, nineteen measurements of ground vibrations induced by eight different technical sources including road and rail traffic, vibratory and impulsive construction work or pile driving, explosions, hammer impulses and mass drops are described, and it is shown that the technically induced ground vibrations exhibit a power-law attenuation ν ~ r -q where the exponents q are in the range of 0.5 to 2.0 and depend on the source types. Comparisons performed demonstrate that the measured exponents are considerably higher than theoretically expected. Some potential effects on ground vibration attenuation are theoretically analyzed. The most important effect is due to the material or scattering damping. Each frequency component is attenuated exponentially as exp(-kr), but for a broad-band excitation, the sum of the exponential laws also yields a power law but with a high exponent. Additional effects are discussed, for example the dispersion of the Rayleigh wave due to soil layering, which yields an additional exponent of 0.5 in cases of impulsive loading.
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.
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.
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.
Es wurden Elemente zusammengetragen, die für die Prognose der Deckenschwingungen von Bedeutung sind. Das umfasst Formeln für die Deckeneigenfrequenzen, Rechenergebnisse zu einfachen und mehrfeldrigen Decken sowie vielfältige Messerfahrungen.
Die Berechnungen zeigen die verschiedenen Einflüsse auf die Deckeneigenfrequenzen. Die Eigenfrequenzen berechnen sich aus den Abmessungen, dem Material und den Auflagerbedingungen der Decken. Es wurde auch der Einfluss von Unterzügen und von auskragenden Rändern untersucht. Bei Mehrfelddecken stellt man eine Häufung von Eigenfrequenzen in Frequenzbändern fest. Solche Fälle sollten sinnvollerweise nur mit Mittelwertaussagen erfasst werden. Die Berechnung einiger Gesamtgebäudemodelle führt zu vielfältigen Schwingantworten der verschiedenen Gebäudeteile, die ebenfalls Mittelungsgesetze notwendig erscheinen lassen. Die Nachgiebigkeit der Wände und Stützen führt zu einer Verringerung der rotatorischen und vertikalen Auflagersteifigkeit und damit der Deckeneigenfrequenzen. Die Festlegung der Eigenfrequenzen allein aus den Eigenschaften eines Deckenfeldes erscheint deshalb als nicht vernünftig. Es werden Mittelungsgesetze genannt und entwickelt, neben Mittelungsgesetzen für das Gesamtgebäude insbesondere eine Mittelung für die Berücksichtigung verschiedener Decken in einem Gebäude.
Wesentliche Erkenntnisse werden aus den Messergebnissen gewonnen. Es wurden 18 Gebäude und insgesamt 55 Decken untersucht. Die Deckeneigenfrequenzen liegen zwischen 5 und 50 Hz. Es wurden empirische Formeln für die Eigenfrequenzen in Abhängigkeit von der Deckenfläche getrennt für Holz- und Stein/Betondecken aufgestellt.
Ein weiterer wichtiger experimenteller Befund ist die Dämpfung der Decken, die im Bereich 1 % < D < 5 % ermittelt wurde. Dieser Dämpfungsbereich sollte für die Erschütterungsprognosen verwendet werden, wobei für eine konservative Prognose ein geringer Dämpfungswert einzusetzen wäre. Schließlich wurden Resonanzüberhöhungen der Decken gegenüber den Freifeldamplituden des Bodens gemessen. Mit diesen Messergebnissen kann dann das fertige Prognosemodell abgeglichen werden.
Somit sind ausreichend Erkenntnisse über das Deckenverhalten zusammengetragen, die in das Prognosemodell für das gesamte Gebäude eingebaut werden können.
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.
A prediction software has been developed by BAM. The following topics have still be solved. A realistic irregularity spectrum can be derived from axle-box measurements. It agrees wel with the spectrum used for the high-speed 2 project in the United Kingdom. In addition, the scattering of axle pulses should be included. This mid-frequency component can also be found in the HS2 procedure. Finally, the reduction in case of a tunnel line compared to a surface line should be included. Some measurement results of BAM, HS2 and other institutes show a certain mid-frequency reduction. This is due to the load distribution of the tunnel which yields softer axle pulses and the scattered axle impulses are reduced.
The train passages over intact or damaged slab tracks on different soils have been calculated by the finite-element boundary-element or the wavenumber-domain method. The influence of track and soil parameters on the distribution of the track displacements and the soil forces has been analysed. The measured and calculated displacement time histories of train passages could be used to identify track damages such as lose sleepers or a lose track plate. The time histories and spectra of the soil forces can explain the measured ground vibration reduction of slab tracks. The calculated displacement and force distributions of slab tracks on continuous soils do not fulfil the Winkler hypothesis and Winkler models should not be used for track analysis.
Measurements of ground and track vibrations have been performed at a high-speed line in northern Germany. Impacts on the track and the ground, and passages of different trains with different speeds on different tracks have been measured. Transfer functions of the soil are presented and approximated by theoretical soil models. By using these transfer functions, the measured ground vibration between 2 to 64 m distance from the track can be transformed into a load spectrum which can be used for predictions at other sites. The method is compared to the soil-dependent method of an emission spectrum at a certain distance (8 m for example). The influence of train type, speed and track type is discussed on the base of the different emission quantities and the original measurements. The strong influence of the track, ballast track and slab track, is analysed by a theoretical model in wavenumber domain. The response of the track to the passage of the static load is reduced by the stiffness of the slab, the deformation of the track as well as the impulse acting on the soil. Usually, the impulse on the soil should result in a slow quasi-static movement of the soil, slower at further distances. In a heterogeneous soil, however, the impulses from the static loads scatter and keep parts of the higher impulse frequency band. In this case the reduced impulse spectra of the slab track will yield reduced ground vibration in a certain frequency band. Additional (BAM and international) measurements will be used to discuss this and possible other explanations for the different ground vibration differences.
Ground vibrations due to different technical sources are analysed in theory and experiment for the dispersion of Rayleigh waves and the admittance spectra. Both tasks are theoretically based on the same concept: The admittance function in frequencywavenumber domain yields the dispersion as its maxima, and the admittance function in space domain is obtained by integrating it over the wavenumbers. On the experimental side, many signal processing methods have been applied to many sites and have been developed by the authors in the last 35 years, i.e., time-domain methods, including the cross-correlation method, and frequency-domain methods such as the spectral analysis of surface waves with two or multiple sensors, the wavenumber-transform method, and the spatial autocorrelation method. All methods are presented by their basic formula and by at least one example site. Different sensor arrays and deterministic and stochastic sources have been tested for the spatial autocorrelation method and the wavenumber-transform method at several sites. In addition, all frequency-domain methods are presented for a specific layered site comparing their quality. The evaluated dispersion curves are very similar, but a somewhat higher frequency range has been found for the fastest method, i.e., the multi-sensor spectral-analysis-of-surface-waves method. The theoretical solutions have been used for the inversion of the measured dispersion to the soil profile of the specific layered soil. The theoretical soil model has subsequently been used to predict the ground vibration spectra of hammer and railway excitation that exhibit a good agreement with the corresponding measurements. Thus, the contribution shows the benefit of active and passive seismic methods for the prediction of railway vibration, including a new version of the spatial autocorrelation method for technical vibrations. On the other hand, technical and namely railway vibrations are considered a seismic source for the exploration of near surface soils.
A combined finite-element boundary-element method for the dynamic interaction of the soil with flexible structures such as single piles or complete wind energy towers has been developed. Flexible piles in different soils are analysed in frequency domain. The different parameters such as the stiffness of the soil, the bending stiffness and the radius of the hollow pile are analysed for their influence on the complex compliances. The results have been determined as specific power laws which are different for the different load cases (horizontal, rocking, coupling) and for the different soil models (Winkler, continuum with constant, root-parabolic and proportional-linear stiffness variation). The strongest influence of the soil stiffness can be found for the homogeneous soil and the horizontal component. Winkler soils have a weaker influence than the corresponding continuous soils. An offshore wind energy tower has been modeled and calculated for wind and wave loads.
The contribution shows measurement examples of cars, floors, foundations, railway tracks, a footbridge, and a railbridge. Vibrations may include modes and waves. Namely in soil-structure interaction, modes are damped, shifted and prevented so that alternatives for the modal analysis are necessary: The approximation of the whole spectrum (flexibility function) and of the whole train passage (moving-load response).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die Fahrzeug-Fahrweg-Untergrund-Wechselwirkung bei der Festen Fahrbahn und beim Schottergleis
(2002)
Die Fahrzeug-Fahrweg-Untergrund-Wechselwirkung bei der Festen Fahrbahn und beim Schottergleis
(2002)
Die Prognose der Erschütterungsausbreitung - theoretisch und auf der Grundlage von Messergebnissen
(2003)
Irregularities of the track are a main cause of train-induced ground vibration, and track maintenance is of great importance. Although geometric irregularities at the wheel-rail contact are widely used, other types of irregularities, such as stiffness irregularities, irregularities from different track positions and irregularities in the wave propagation, were analysed in the present study. The track behaviour was investigated by a multi-beam-on-soil model. This track model is coupled with a vehicle model to calculate the vehicle–track interaction. The track model was also used for the track filtering, which transfers a track support error to the equivalent rail irregularity or, conversely, the sharp axle pulse on the rail to a smoother pulse on the soil. In the case in which this filtering varies randomly along the track, the pulses of the moving static load induce a certain ground Vibration component (“the scatter of axle pulses”). This effect was calculated by the superposition of axle pulses in the frequency domain and by a stochastic simulation. Simultaneous vehicle, track and soil measurements at a certain site were used to evaluate the different excitation and ground Vibration components. The agreement between calculations and axle-box and soil measurements is good. The ground vibrations calculated from rail irregularities and corresponding dynamic loads, however, clearly underestimate the measured ground vibration amplitudes. Only the static load that is moving over a varying track support stiffness can produce the important mid-frequency ground Vibration component by the scatter of axle pulses.
Durch Schienenverkehr angeregte Wellenausbreitung durch den Boden - Stand der Simulationsmethoden
(2014)
Ballast mats are an efficient measure to reduce the vibrations near railway lines. The vehicle-track system gets a low eigenfrequency due to the insertion of an elastic ballast mat under the ballast. For frequencies higher than this low vehicle-track eigenfrequency, the forces, which are generating the vibration of the soil, are considerably reduced. In this contribution, a combined finite-element boundary-matrix method is used to calculate a number of completely three-dimensional track models with and without ballast mats. The influence of the important parameters such as the stiffness of the ballast mat, the unsprung vehicle mass, the mass of the track, and the stiffness of the subsoil is investigated. The numerical results are presented as the transfer functions of the total force that is acting on the soil and generating the vibration of the environment. The effectiveness of ballast mats is achieved by division of two of these force functions. The general tendencies for this insertion loss are discussed and a comparison with measurements is given. To come to an improved practical tool for the design of ballast-mat tracks, the finite-element method results are approximated by a simple two-dimensional model of which the solution is given explicitly.
The dynamics of slab tracks and floating slab tracks are analyzed by multibeam models for the track and by integration in the wave-number domain for the soil, which is modeled as a layered half-space. Frequency-dependent compliances and force transfers are calculated for a great variety of track and soil parameters. The distribution of the load and the displacements along the track is investigated as well as the wave propagation perpendicular to the track and the ground vibration amplitudes. The floating slab track has a dominating plate-mat resonance and a strong high-frequency reduction. A track-soil resonance can also be recognized for an unisolated slab track in the case of layered soils. Generally, there is a strong damping of the track by the soil. The reduction effect of the slab mat is mainly owing to the elimination of this strong damping. The continuous soil yields slightly different rules for the displacements and force densities than those of a Winkler support. The total force transfer from the rail to the soil is the best criterion to judge the effectiveness of a floating slab track in reducing the ground vibration at some distance from the railway line. The total force transfer is easier to calculate than the double Fourier integrals of the ground vibration amplitudes, namely in the far field, and it has the best correlation with the reduction of the ground vibration.
The train passages over intact or damaged slab tracks on different soils have been calculated by two methods. The finite element method (FEM) uses a Winkler soil under the track model by adding a thin “soil layer”. The combined finite element boundary element method has a continuous soil model which is included by the boundary element method. The basic results are the distributions of the track (rail, track plate, and base layer) displacements along the track for a single axle laod. These solutions are superposed to a complete train load and transformed to time histories. The influence of track and soil parameters has been analysed. The main interest is the influence of the track damage. A gap between track plate and base layer of different lengths has been studied for changes in amplitudes and widths of deflection. A best fit to measured track displacements has been found so that the track damage can be identified and quantified. The FEM model with Winkler soil cannot be fitted to the amplitude and width with the same soil parameters. Therefore, the FEBEM model is preferable for these railway track problems.
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.
An integral method to calculate the solution of a homogeneous or layered soil due to a harmonic point load is described. An infinite plate at the surface of the soil can be introduced in this integration in wavenumber domain, too. Finite structures on the soil are calculated by a combined finite element and boundary element method, which makes use of the point load solution of the soil. The compliance functions for a vertical point load and some vibration modes are calculated for realistic parameters of the plate and the soil and for a wide range of frequencies. The influence of the stiffness of the soil and the foundation is investigated, showing that the soil mainly affects the low-frequent response whereas the structural properties are more important at higher frequencies. A rigid approximation of flexible plates is only found at low frequencies, if the elastic length is used as the radius of a rigid disk. At higher frequencies, a characteristic behaviour of the flexible plate of approximately is observed, what is in clear contrast to the compliance of rigid foundations. A plate on a visco-elastic support (Winkler soil) shows similar displacements as a plate on a homogeneous half-space, but the maximal stresses between the plate and the soil are considerably smaller which is found to be more realistic for a plate on a layered soil. For practical applications, a normalized diagram and some explicit formulas of the exact and the approximate solutions of an infinite plate on a homogeneous half-space are given, which is a useful model to represent the soil-structure interaction of flexible foundations.
The aim of this contribution is a practice-oriented prediction of environmental building vibrations. A Green's functions method for layered soils is used to build the dynamic stiffness matrix of the soil area that is covered by the foundation. A simple building model is proposed by adding a building mass to the dynamic stiffness of the soil. The vertical soil-building transfer functions with building-soil resonances are calculated and compared with a number of measurements of technically induced vibrations of residential buildings. In a parametrical study, realistic foundation geometries are modeled and the influence of incompressible soil, deep stiff soil layering, soft top layers, and increasing soil stiffness with depth is analyzed. All these special soil models reduce the resonant frequency compared to a standard homogeneous soil. A physically motivated model of a naturally sedimented soil has a stiffness increasing with the square root of the depth and yields a foundation stiffness that decreases with foundation area considerably stronger than the relatively insensitive homogeneous soil. This soil model is suited for the Berlin measuring sites and reproduces satisfactorily the experimental results.
The Federal Institute of Material Research and Testing (BAM) has collected some experience with the testing of damaged, repaired and newly constructed railway tracks. The experimental methods are hammer testing of the track at different positions, hammer testing of the soil, measurement of train passages, and in all cases, measurements with geophones at different positions. The measured signals are evaluated for wave velocities (dispersion of the soil or the track-soil system), for transfer functions (transfer admittances of the soil, compliances of the track in amplitude and phase), and one-third octave band spectra of the track response to hammer and train excitation. These methods are applied at different stages of the track construction. Before track construction, wave velocities and transfer functions of the sub-soil can indicate problems with soft soils. After track construction, a check of the acceptable state of the track can be done by comparison of many excitation positions and track sites. After a track damage (a lose sleeper or a lose plate of a slab track) and after its repair, the sensitivity of the different measurement quantities to different track errors and the achieved improvement of the repair can be determined. The contribution shows examples of all these track situations
The Federal Institute of Material Research and Testing (BAM) has collected some experience with the testing of damaged, repaired and newly constructed railway tracks. The experimental methods are hammer testing of the track at different positions, hammer testing of the soil, measurement of train passages, and in all cases, measurements with geophones at different positions. The measured signals are evaluated for wave velocities (dispersion of the soil or the track-soil system), for transfer functions (transfer admittances of the soil, compliances of the track in amplitude and phase), and one-third octave band spectra of the track response to hammer and train excitation. These methods are applied at different stages of the track construction. Before track construction, wave velocities and transfer functions of the sub-soil can indicate problems with soft soils. After track construction, a check of the acceptable state of the track can be done by comparison of many excitation positions and track sites. After a track damage (a lose sleeper or a lose plate of a slab track) and after its repair, the sensitivity of the different measurement quantities to different track errors and the achieved improvement of the repair can be determined. The contribution shows examples of all these track situations.
The dynamic behaviour of slab and ballast tracks has been investigated by measurements and calculations. Hammer impacts and train passages have been analysed. Measurements have been performed by geophones (velocity transducers) which have been time-integrated to displacements. The calculations are done in frequency-wavenumber domain for multi-beam-on-continuous soil models. The characteristics of the different tracks and track elements have been established in theory and experiment. The frequency-dependent compliances (displacement transfer functions) show clear rail-on-rail-pad resonances or highly damped track-soil resonances. Compared to the rail and sleeper, the track plate has much lower amplitudes. The slab track has usually the highest rail amplitudes due to soft rail pads. The train passage yields track displacements which are a superposition of the axle loads from the two neighbouring axles of a bogie and from the two bogies of two neighbouring carriages. This global behaviour is characteristic for the track plate of the slab track whereas the rails of the slab and the ballast track behave more local with only one bogie of influence. The measurements agree very well with the theory of the continuous soil in case of the six measured slab tracks and acceptably well for the six measured ballast tracks. The measurements allow to find appropriate model parameters and to check the models, for example the Winkler model of the soil has been found less appropriate as it reacts more locally.
Seit 25 Jahren betreibt die Bundesanstalt für Materialprüfung intensive Forschung auf dem Gebiet der Eisenbahndynamik unter realistischer Einbeziehung des Gleisuntergrundes. Das umfaßt theoretisch/numerische Arbeiten, Feldmessungen und Labor-, Modell- und Elementversuche zu den folgenden Fragen:
-die Erschütterungs- und Körperschallweiterleitung durch den natürlichen Boden,
- das Schwingungsverhalten der verschiedenen Fahrwege auf speziellen Boden- und Schotterschichten,
- die dynamischen Kräfte während der Überfahrt des Fahrzeugs sowie
- das Setzungs- und Differenzsetzungsverhalten verschiedener Gleisstrukturen.
Es werden Rechen- und Meßergebnisse zum Vergleich der Festen Fahrbahn und des Schottergleises vorgestellt und daraus Möglichkeiten für die weitere Verbesserung von Bahnfahrwegen gefolgert. Eine wesentliche Rolle kommt dabei der Wechselwirkung von Platten und steifen Declcschichten mit dem umgebenden Boden zu, deren Theorie in der BAM in den 90er Jahren weiterentwickelt wurde.
An drei Straßenbrücken unterschiedlicher Länge und Bauart wurden vor Inbetriebnahme ambiente Schwingungsmessungen mit bis zu 350 Messpunkten durchgeführt, um auch höhere Eigenformen detaillierter zu ermitteln. An einer Eisenbahnbrücke der Strecke Hannover-Würzburg wurden bei Testzugfahrten mit definierten Geschwindigkeiten verschiedene Resonanzanregungen beobachtet. Dies wird mit dem Achsfolgespektrum des ganzen Zuges erklärt, wobei eher spezifische Frequenzauslöschungen als Resonanzanregungen maßgeblich sind.
Seit 25 Jahren betreibt die Bundesanstalt für Materialprüfung intensive Forschung auf dem Gebiet der Eisenbahndynamik unter Einbeziehung aller Systemkomponenten. Das umfasst theoretisch/numerische Arbeiten, Feldmessungen und Laborversuche zu den folgenden Fragen:
- die Erschütterungs- und Körperschallweiterleitung durch den natürlichen Boden,
- das Schwingungsverhalten der verschiedenen Fahrwege auf dem Untergrund,
- die dynamischen Kräfte aus der Wechselwirkung zwischen dem Fahrzeug und dem Fahrweg sowie
- die Gleislageentwicklung unter dieser Belastung bei verschiedenen Fahrwegen.
Es werden Ergebnisse zu den dynamischen Kräften bei Geschwindigkeiten
von 40 bis 300 km/h und zum Vergleich der Festen Fahrbahn mit dem Schottergleis vorgestellt, woraus Möglichkeiten für die
Dynamische Baugrunderkundung
(2005)
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.
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.
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.