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- zerstreute Achslastimpulse (1)
Organisationseinheit der BAM
- 7 Bauwerkssicherheit (82)
- 7.2 Ingenieurbau (82)
Eingeladener Vortrag
- nein (134)
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.
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.
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)
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.
Seismic reponse of three-dimensional structures using a Green's function approach to the soil
(1986)
Fahrzeug-Fahrweg-Untergrund-Umgebung: Theoretische, rechen- und messtechnische Untersuchungen
(1987)
Simple and advanced boundary-element method for the soil and its application to railway dynamics
(2007)
Simple and advanced boundary-element method for the soil and its application to railway dynamics
(2007)
Die diskrete Stützung der Schiene auf Schwellen in regelmäßigem Abstand ergibt für den fahrenden Zug eine Parametererregung. Die Berechnung der parametererregten Schwingungen und der zugehörigen dynamischen Radlasten erfordert die Analyse des Gesamtsystems Fahrzeug-Fahrweg-Untergrund. Es wird eine Substrukturmethode vorgestellt, bei der Fahrzeug, Fahrweg und Untergrund jeweils mit geeigneten Methoden (Mehrkörperdynamik, Finite Elemente, Randelemente) berechnet werden. Das Verfahren wird auf eine Situation angewandt, die auch mehrfach experimentell untersucht wurde, die Hochgeschwindigkeitsversuchsfahrten des Intercity Experimental (ICE) auf der Neubaustrecke bei Würzburg. Es werden die Ergebnisse der Teilsysteme und des Gesamtsystems und schließlich die dynamische Radlast für verschiedene Fahrgeschwindigkeiten dargestellt. Die dynamische Radlast nimmt bei Steigerung der Fahrgeschwindigkeit bis 200 km/h zu, bleibt bei höheren Fahrgeschwindigkeiten jedoch ungefähr konstant. Eine ähnliche Tendenz wird bei den Erschütterungen in der Umgebung bemerkt. Mit den berechneten Radlasten werden die ICE-Vorbeifahrten sehr detailliert simuliert und die berechneten Erschütterungen mit den gemessenen verglichen. Es zeigt sich eine gute Übereinstimmung, so daß der wichtige Fahrgeschwindigkeitseffekt als theoretisch und experimentell abgesichert angesehen werden kann.
This article presents an integrated model for the computation of vehicletrack interaction and the ground vibrations of passing trains. A combined finite element and boundary element method is used to calculate the dynamic compliance of the track on realistic soil whereas multi-body models are used for the vehicle. The dynamic stiffness of the vehicle and that of the track are combined to calculate the dynamic axle loads due to the irregularities of the vehicle and the track as well as those due to sleeper passing excitation. These loads serve as input for the calculation of ground vibration near railway lines in the time and frequency domains.
The theoretical methods and results have been proven by experiments in several respects and at several instances. First, on the occasion of the test and record runs of the Intercity Experimental, there was a very good quality of the vehicle and of the newly built track so that the deterministic parts of the excitationthe static load and the sleeper-passing componentcould clearly be identified, the first being of minor importance apart from the track. Second, simultaneous measurements of the vehicle, the track and the soil at three different track situations were performed where we could verify the different parts of the stochastic excitation and their importance for the ground vibrations. The irregularities of the vehicle are dominant at high frequencies whereas the irregularities of the track are more important at lower frequencies. The comparison of the theory and the measurements also points to the phenomena of the vehicletrack resonance and the scattering of the quasi-static axle impulses by randomly varying soil.
Fahrzeug-Fahrweg-Untergrund-Umgebung: theoretische, rechnen- und meßtechnische Untersuchungen
(1987)
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.
Seismic response of three-dimensional structures using a green's function approach to the soil
(1986)
Dynamische Baugrunderkundung
(2005)
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.
A finite-element boundary-element software for the dynamic interaction of flexible structures and the soil has been extended for pile foundation. The boundary element method for the soil uses the Green´s functions of the layered half-space which have been generalised for interior loads. Pile groups of 10 to 20 piles of different arrays are analysed and compared with single piles. Simplified models have been developed for a user-friendly, practice oriented prediction software for railway induced ground and building vibration.
A method is presented which allows to calculate the wave-field in a homogeneous or layered soil in case of a dynamic interior load. The wave propagation along the surface, the distribution of the response over the depth, the horizontal propagation at different depths and the vertical downward propagation are shown and compared with the simpler surface solution of the half-space and the interior solution of the full-space. The complete wave-field (Green's function) is applied to the dynamic behaviour of piles and pile groups by use of a boundary element formulation. The stiffness, damping and – typically for piles – mass of different groups of piles are presented. Different group effects occur for lines, circles, grids, parallels and crosses of piles, which can be regarded as oscillations around average values. Moreover, the piles and pile groups behave almost like a damper for most of the frequencies. A building on a pile group that is excited by ground vibration due to surface or interior loads shows a reduction of the wave-field due to kinematic and inertial soil–building interaction effects. The results presented lead to simplified descriptions of the wave-field due to interior loads and of the soil–pile–building interaction which can be used for the prediction of technically induced vibration.
Excitation force spectra are necessary for a realistic prediction of railway-induced ground vibration. The excitation forces cause the ground vibration and they are themselves a result of irregularities passed by the train. The methods of the related analyses - the wavenumber integration for the wave propagation in homogeneous or layered soils, the combined finite-element boundary-element method for the vehicle-track-soil interaction - have already been presented and are the base for the advanced topic of this contribution. This contribution determines excitation force spectra of railway traffic by two completely different methods. The forward analysis starts with vehicle, track and soil irregularities, which are taken from literature and axle-box measurements, calculates the vehicle-track interaction and gets theoretical force spectra as the result. The second method is a backward analysis from the measured ground vibration of railway traffic. A calculated or measured transfer function of the soil is used to determine the excitation force spectrum of the train. A number of measurements of different soils and different trains with different speeds are analysed in that way. Forward and backward analysis yield the same approximate force spectra with values around 1 kN for each axle and third of octave.
The attenuation of the amplitudes with distance of technically induced surface wave fields is analyzed in theory and experiments. Experimental results of technically induced ground vibration are presented and collected from literature, which show a power-low attenuation A ~ r–q of amplitudes A with distance r and exponents q > 0.5 higher than for elastic surface waves. Additional attenuation effects are analyzed theoretically. The most important effect is due to the material or scattering damping. Each frequency component is attenuated exponentially as A ~ exp(–kr), but for a broadband excitation, the sum of the exponential laws yields a power law with a higher exponent. Some more effects are discussed, for example the dispersion of the Rayleigh wave due to the layering of the soil, which yields a stronger attenuation A ~ r–q–dq, including an additional exponent of dq = 0.5 in case of an impulsive loading.
Transfer admittance spectra of technically induced surface wave fields are analyzed in theory and experiments. Theoretical admittance spectra of layered soils are obtained by integration in wavenumber domain and compared with experimental admittances due to hammer or vibrator excitation. The admittance spectra are strongly influenced by the layering and damping of the soil. Deep stiff-soil layers yield a low-frequency cutoff, whereas a strong damping yields a high-frequency cutoff. A sharp cutoff in a narrow frequency band, which is measured at some sites, can be explained by a damping that increases with frequency, such as viscous material or scattering damping.