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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.
Seit 30 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 Fragen wie 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 [1] und zum Vergleich der Festen Fahrbahn mit dem Schottergleis [2] vorgestellt.
The propagation of waves through homogeneous or layered soil is calculated based on half-space theory. The moving dynamic loads of a train are approximated by fixed dynamic loads and the wave field can be calculated if the spectrum of the dynamic train loads is known. In addition to this dynamic wave field, there are three different components at three different frequency ranges which are caused by the passage of the static loads:
the regular static component at low frequencies,
the irregular static component at medium frequencies,
the sleeper-passing component at high frequencies.
For each of these components, an approximate solution is presented. The calculated wave field is compared with measurements of different trains at different sites. The measurement of impulse and harmonic point load excitation verifies the soil dynamic base of the method.
Schwingungsminderung zwischen Quelle und Empfänger - FEM-Berechnung der Wellenausbreitung im Boden
(2006)
Schwingungsminderung an der Quelle und beim Empfänger - FEBEM-Berechnung von Gleisen und Gebäuden.
(2006)
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.
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.