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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.
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)
Vergleichsrechnungen zur Dynamik des Eisenbahngleises: Amplitudenverteilung und Untergrundeinfluss
(2001)
Dynamische Baugrunderkundung
(2005)
Schwingungsminderung an der Quelle und beim Empfänger - FEBEM-Berechnung von Gleisen und Gebäuden.
(2006)
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.
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)
The soilstructure interaction of elastic plates on homogeneous or layered soils excited by horizontally propagating waves is analysed. Large plates are modelled by a combined finite-element boundary-element method (FEBEM), whereas the response of infinitely long plates is calculated by a numerical integration in the frequencywavenumber domain. The finite-element boundary-element method yields the complete soilplate transfer function of frequency and distance whereas the frequencywavenumber solution of the infinitely long plate can serve as an approximation for long distances on a finitely long plate. The soilplate transfer function starts to decrease strongly at the coincidence frequency, where the bending stiffness equals the plate inertia. A strong decrease follows at mid frequencies and a strong reduction of less than 0.1 of the ground vibration is reached at high frequencies. Rules for the characteristic frequencies are derived from the numerical results clearly indicating the strongest influence of the soil stiffness and the weaker influence of the bending stiffness of the plate. The influence of the mass, length and width of the plate are shown to be limited in case of realistic parameters, but it should be noted that the reduction effects are less effective for layered soils and for nearer observation points.
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.
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.
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.