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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. The loss of contact between the sleeper and the track plate, between the track plate and the base plate, and between the base plate and the base layer have been analysed. The soil properties of each site have been measured and have been used to establish realistic track-soil models. Theoretical results of the wavenumber domain and the finite-element boundary element method have been compared with the experimental results. The observed experimental and theoretical results, changes in the time histories of displacements and velocities due to train passages and in the transfer functions (receptances) due to hammer impacts, are encouraging that these measurements can be used to detect track damage.
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 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 to 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 measures are calculated to quantify the effectiveness of the mitigation measures.
Tracks with under-sleeper pads have been investigated in a wide parameter study for the RIVAS project. 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 so strong, as the characteristic frequency is ruled by the mass of the sleeper and the mass of the wheelset as well.
En este artículo se presentan 2 metodologías basadas en las formulaciones del Método de los Elementos de Contorno y del Método de los Elementos Finitos para estudiar el efecto de la interacción suelo-estructura en el comportamiento dinámico de edificaciones. Se ha estudiado la respuesta de un edificio de 3 plantas producida por un campo de ondas incidente con los 2 métodos propuestos. Los resultados obtenidos presentan un buen grado de acuerdo entre ellos. A partir de estos resultados se ha validado un modelo aproximado para estudiar este tipo de problemas y se han examinado diferentes tipologías de edificaciones. Las conclusiones alcanzadas muestran que la respuesta global de las estructuras se debe a la deformación de los forjados y depende de su superficie, de las condiciones de apoyo y del acoplamiento con los forjados de la misma planta. Del mismo modo, se ha observado un acoplamiento del comportamiento de pilares y forjados cuando las rigideces de ambos son similares.----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- This paper presents 2 methodologies based on the Boundary Element Method and the Finite Element Method to study soil-structure interaction effect on building behaviour. A 3-story building response induced by an incident wave field is studied using both methods. The results obtained show a good agreement. Then, a simplified model is validated from these methods and several buildings are analysed. Conclusions show that structural responses are due to floor deformation, and depend on their area, support conditions and coupling. A coupling between floors and columns when both elements have similar stiffness is also observed.
Fahrzeug-Fahrweg-Untergrund-Umgebung: theoretische, rechnen- und meßtechnische Untersuchungen
(1987)
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.
Cet article présente plusieurs modèles numériques pour létude des phénomènes vibratoires lors du passage dun train. Les modèles permettent destimer la propagation des ondes et les réceptances pour le sol et la voie. Le sol multicouche et le couplage voie-sol sont traités par une (double) intégration sur les nombres donde. Les raideurs dynamiques de la voie et du véhicule sont combinées et les forces dexcitation roue-rail dues aux irrégularités de la voie et des roues sont calculées. Ces forces dexcitation permettent de simuler les vibrations du sol lors du passage dun train. Les modèles sont validés par comparaison avec des mesures sur deux sites, en France et en Allemagne. Les vibrations calculées correspondent bien aux vibrations mesurées. ----------------------------------------------------------------------------------------------------
This contribution presents models that are necessary to calculate the vibrations due to the passage of a train. The models allow to calculate the propagation of the waves and the receptances of the soil and the track. The layered soil and the coupling with the track are treated by a (double) integration in wavenumber domain. The dynamic stiffnesses of the track and vehicle are combined and the excitation forces due to the irregularities of the track and the wheel are calculated. Finally, these excitation forces are used to simulate the ground vibration of a passing train. All these models are validated by a number of different measurements at two sites in France and Germany.
Prognosen zur Erschütterungsausbreitung und zur Immissionssituation in der Umgebung von Bahntrassen sind wegen der Vielfalt der Einflussfaktoren oft mit erheblichen Unsicherheiten behaftet. Ziel der Arbeit war es, die Bedingungen für die Ausbreitung von Körperschall und Erschütterungen genauer zu erfassen und in ein für Prognosezwecke geeignetes Rechenmodell umzusetzen. Aufbauend auf theoretischen Untersuchungen zum Übertragungsverhalten des Bodens und von Gebäuden wurden Erschütterungsmessungen an Trassen verschiedener Bahnen des Stadtverkehrs Erregerspektren sowie mit besonderen Messverfahren Bodenkennwerte ermittelt. Diese dienen als Grundlage für die Modellrechnungen über die Ausbreitung von Erschütterungen. Durch Kontrollmessungen wurde die Anwendbarkeit des Modells überprüft. Es zeigten sich z.T. gute Übereinstimmungen, jedoch wurde auch die Notwendigkeit einer weiteren Verbesserung deutlich. Die Möglichkeiten der Minderung der Erschütterungen wurden umfassend behandelt.
Das Ziel der Untersuchungen ist ein Prognosemodell für Erschütterungen infolge Schiennahverkehr. Ergänzend zu Bericht 9 wird insbesondere der dreidimensionale, instationäre und zufällige Charakter der Erschütterungsquelle und dessen Auswirkungen auf die Ausbreitung durch den Boden und auf die Schwingungen benachbarter Gebäude untersucht. Es werden jeweils theoretisch/numerisch und experimentell/messtechnisch
- Amplituden-Abstands-Gesetze,
- Freifeld-Bauwerks-Übertragungsverhältnisse und
- Deckenresonanzüberhöhungen
ermittelt, die zusammen mit den Ergebnissen des Berichts 9 eine realistische Prognose von Erschütterungen ermöglichen. Die Ergebnisse sind in einem einfachen Prognoseprogramm zusammengefasst, mit dem im konkreten Anwendungsfall der Einfluss einer Reihe von Quell-, Boden- und Bauwerkseigenschaften erfasst wird.
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
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.
Dieser Bericht gliedert sich in drei Abschnitte, in denen der Einfluß inhomogener Böden auf die Dynamik von Verkehrssystemen untersucht wird. In erster Linie werden dabei geschichtete Böden behandelt, für die ein Rechenverfahren entwickelt wurde. Als elementares Ergebnis werden die Wellenfelder geschichteter Böden bei einer punktförmigen Belastung dargestellt. Mit diesen Punktlastlösungen können dann die Schwingungen von starren oder flexiblen Strukturen auf geschichteten Böden berechnet werden. Es wird die dynamische Steifigkeit und Dämpfung starrer Fundamentflächen dargestellt, an der das stark frequenzabhängige Verhalten geschichteter Böden besonders deutlich wird.
Es wird ein Rechenverfahren vorgestellt, das die Randelementmethode zur Beschreibung des Bodens mit der Finite-Element-Methode für das Bauwerk verbindet. Am Grundproblem der Bauwerk-Boden-Wechselwirkung, der dynamischen Steifigkeit starrer Fundamente auf dem Baugrund, werden diese Verfahren und einige Verfahrensvarianten erprobt und miteinander verglichen.
Modellrechnungen zur Ausbreitung der Erschütterungen im Boden, mit denen der Einfluss des Bodenaufbaus, der Materialeigenschaften des Bodens und der Geometrie der Erschütterungsquelle auf die Stärke der Erschütterungen untersucht wurde. Ergebnisse sind auch auf andere Erschütterungsquellen, wie Maschinen, Rammungen oder Sprengungen, übertragbar.
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)