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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
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.
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.
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.
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.
Die Grundidee einer Schwingungsminderung ist es eine tiefe Eigenfrequenz der Struktur zu erreichen, so dass höhere Frequenzen abgemindert werden. Das gilt für die Minderung an der Quelle, zum Beispiel einem Eisenbahngleis, und für die Minderung am Empfänger, dem Gebäude. Die Eigenfrequenz ermittelt man aus dem Verhältnis der Auflagersteifigkeit und der Masse. Wie ist die Masse bei einem Gebäude zu wählen? Und wie ist die Untergrundsteifigkeit zu berücksichtigen? Als Referenzsituation ohne Minderungsmaßnahme? Der Beitrag bringt Rechenergebnisse zu abgefederten Gebäuden mit einfachen und komplexen (FE-) Modellen, Mess- und Rechenergebnisse zur Schwingungsübertragung von unabgefederten Gebäuden. Es wird der Einfluss der Abstimmfrequenz, der Bodensteifigkeit und der „starren“ Gebäudemasse untersucht. Die komplexen Gebäudemodelle erlauben, neben der Berechnung einer elastischen Gebäudelagerung, auch die Variation von Gebäudeparametern zur Reduktion der Deckenschwingungen. Den Ergebnissen bei der Erschütterungs-übertragung in Gebäude werden zwei ähnliche Beispiele zur elastischen Maschinenlagerung und zur elastischen Gleislagerung gegenübergestellt.
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.
Zur Erschütterungsausbreitung an oberirdischen Bahnlinien gibt es gute Übereinstimmungen zwischen Messungen und der Theorie geschichteter Böden. Bei der Interpretation der Ergebnisse spielt die Rayleigh-Welle eine große Rolle. Je nach Frequenz und Wellenlänge hat die Rayleigh-Welle eine bestimmte Eindringtiefe und erreicht damit mehr oder weniger steife Bodenschichten. Damit bekommt man eine frequenzabhängige Bodensteifigkeit für die Erschütterungsprognose. Für die Wellenausbreitung in der Tiefe statt an der Bodenoberfläche müssen eigene Gesetzmäßigkeiten gefunden werden. Es werden die Punktlastlösungen im Frequenz-Wellenzahlbereich und durch Integration über die Wellenzahlen berechnet. Man erhält die Wellenfelder, die Terzspektren für verschiedene Entfernungen und Frequenzen. Es wird die Tiefenlage und das Bodenmodell (homogen, geschichtet und kontinuierlich zunehmende Steifigkeit) variiert. Die Rayleigh-Welle verliert ihre Bedeutung und stattdessen kann die Vollraumlösung zur Interpretation und Prognose verwendet werden. Es werden die Halbraumlösung mit und ohne Rayleigh-Welle und die Vollraumlösung in der Tiefe diskutiert und verglichen. Neben der Wellenausbreitung (der Transmission) werden auch Effekte der Erschütterungsanregung (der Emission) und der Übertragung in Gebäude (der Immission) mit Hilfe der Finite-Element-Randelement-Methode berechnet. Die Verteilung der dynamischen Achslast durch die Tunnelsohle ergibt eine Minderung gegenüber der Punktlastanregung. Bei der Immission hat man keine Freifeldanregung wie an der Bodenoberfläche. Man muss entweder neben der Wellenamplitude (Verschiebung oder Schwinggeschwindigkeit) in der Tiefe auch die Spannung der ankommenden Welle berücksichtigen, oder man muss die Freifeldamplituden nach Bodenaushub berechnen. Die Rechenergebnisse deuten darauf hin, dass man als Freifeldanregung die zweifache Vollraumlösung ansetzen kann.
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.
Es wird eine gekoppelte Finite-Element-Randelementmethode zur Berechnung von Pfahlgrün-dungen in inhomogenen (geschichteten) Böden vorgestellt. Sie beruht auf den Greenschen Funktionen (Punktlastlösungen) für inhomogene Böden. Diese Lösungen können auch für die Wellenausbreitung in der Tiefe, zum Beispiel von einem Bahntunnel zu einem eingebetteten Gebäude, dem Kellergeschoss benutzt werden. Die Punktlastlösungen in der Tiefe werden mit der Halbraumlösung an der Bodenoberfläche und mit der Vollraumlösung verglichen und Gesetzmäßigkeiten für geschichtete Böden abgeleitet. Zu den Pfahlgründungen werden die Horizontalnachgiebigkeiten von Pfählen in geschichteten Böden dargestellt. Für den homogenen und den kontinuierlich steifer werdenden Boden werden Potenzgesetze für den Boden- und Pfahleinfluss aufgestellt. Der Vergleich mit dem Winkler-Modell der rein lokalen Bodenreaktion zeigt, dass die Winkler-Bettung in allen Fällen einen zu kleinen Bodeneinfluss ergibt.
Die Prognose und Minderung von Bahnerschütterungen haben eine lange Tradition in der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung. Im Jahr 2006 wurde eine Prognose-Software fertiggestellt, die viele Forschungs- und Messergebnisse zusammenfasst. Sie umfasst die Teilbereiche Emission (die Anregung durch die Fahrzeug-Fahrweg-Untergrund-Wechselwirkung), die Transmission (die Ausbreitung durch den Boden) und die Immission (die Übertragung vom Freifeld in ein Gebäude). Die Prognose geschieht in allen Teilen mit einfachen Formeln, die veröffentlicht sind und zur Anwendung für Jedermann zur Verfügung stehen. Es werden Beispiele zur Emission und zur Transmission gezeigt. Im Bereich Transmissionsprognose werden zu den Anregungskräften (aus dem Emissionsteil) die Bodenerschütterungen als Schwinggeschwindigkeitsterzspektren berechnet. Das Ergebnis hängt stark von der Bodensteifigkeit, -dämpfung und -schichtung ab. Dies wurde später mit einer Messkampagne in der Schweiz an 10 Messorten bestätigt. Die Berechnung erfolgt näherungsweise für einen geschichteten Boden mit einer frequenzabhängigen Wellengeschwindigkeit (Dispersion) oder einem tiefenabhängigen Wellengeschwindigkeitsprofil. Die Anregungskräfte werden im Prognosebereich Emission mit einem 2-dimensionalen Gleismodell berechnet. 1-dimensionale Modelle liefern meist falsche Ergebnisse und 3-dimensionale Modelle (zum Beispiel mit der kombinierten Finite-Element-Randelement-Methode) sind für eine Erschütterungs¬prognose sicherlich zu aufwändig. Das 2-dimensionale Modell wurde an 3-dimensionale Ergebnisse so angepasst, dass die Ergebnisse für viele Gleise und Böden annähernd zutreffen. Auch Minderungs¬maßnahmen am Gleis können mit diesem Modell sehr gut berechnet werden. Die Prognoseverfahren wurden in den folgenden Jahren weiter verfeinert. Es wurde die quasi-statische Anregung durch die bewegten statischen Zuglasten mit einer Näherungsformel ergänzt, so dass auch das tieffrequente Nahfeld realistisch erfasst werden kann. Mit der Berücksichtigung der Achsfolge (insbesondere zwischen den Achsen im Drehgestell) ergeben sich zwei typische Minima in den Erschütterungsspektren, die oft auch in den Messungen beobachtet werden. Der Amplitudenanteil zwischen diesen beiden Minima ist oft stärker angehoben, so dass hier eine zusätzliche Erschütterungsanregung vermutet wird. Dieser Anteil kann rein empirisch prognostiziert werden, so wie das in den englischen Prognosen (zuletzt für das Highspeed2-Projekt) enthalten ist. Die Begründung dieses Anteils ist allerdings nicht die Achsfolge, sondern die Zerstreuung der statischen Achslastimpulse durch einen unregelmäßigen Gleisuntergrund und Boden. Die messtechnische Ermittlung eines Minderungseffektes ist komplizierter als allgemein angenommen. Es reicht nicht aus, jeweils an einem Messpunkt in der Nähe eines Gleises mit und ohne Minderungsmaßnahme die Erschütterungen zu messen und aus dem Verhältnis der Amplituden (beziehungsweise aus der Differenz der Pegel) „die Einfügedämmung“ zu ermitteln. Es wird an Beispielen gezeigt, wie man hier sinnvoller vorgehen kann. 1. Zunächst ist es wichtig, nicht nur die Einfügedämmung sondern auch die Originalspektren mit und ohne Minderung zu dokumentieren und zu veröffentlichen, damit man kontrollieren kann, ob wesentliche Amplituden und Frequenzbereiche reduziert sind oder ob es sich um eher zufällige Minderungen oder Verstärkungen handelt. (Beispiel Unterschottermatte/Raron, Müller/SBB) 2. Der Messpunkt sollte nicht im Nahbereich des Gleises liegen, da ansonsten eine zu günstige, falsche Einfügedämmung bestimmt wird. (Beispiel Tunnel/ Leipzig/Breitsamter) 3. Um Zufälligkeiten zu vermeiden, sollte man an mehr als einem Punkt messen. (Beispiel Unterschotterplatte/Altheim/Auersch) 4. Man sollte eigentlich immer auch die Bodenkennwerte (Steifigkeit, Dämpfung, Amplituden-abnahme, Übertagungsfunktion) messen. Selbst bei nahegelegene Messquerschnitten kann man Überraschungen erleben. (Beispiel erste ICE-Messungen/bei Würzburg/Auersch) 5. Bei verschiedenen Bodenkennwerten kann man eine Korrektur durchführen. (Beispiel Gleis-tröge/Mistler) Am besten bestimmt man ein äquivalentes Kraftspektrum zu jedem Messort und jedem Messzug (Beispiel Feste Fahrbahn/Gardelegen/Auersch) 6. Prinzipiell gibt es nicht die Einfügedämmung einer Maßnahme. Die Einfügedämmung ist immer boden- und referenzsystemabhängig. Die „beste“ Einfügungsdämmung erhält man mit einem steifen Untergrund (Beispiel Unterschottermatte/Tunnel/München Gasteig/Wettschureck) Das heißt aber nicht, dass die Maßnahme durch einen künstlich versteiften Untergrund besser wird (Beispiel Unterschottermatten/RRT2006/Auersch) Es werden Messbeispiele gezeigt, die alle neben einer hochfrequenten dynamischen Minderung auch eine mittelfrequente quasi-statische Minderung aufweisen. Dabei wird der mittelfrequente Zerstreuanteil der statischen Achslastimpulse durch die breitere Lastverteilung und damit die Impulsdehnung der Achslastimpulse reduziert. Diese Impulsdehnung lässt sich mit dem 2-dimensionalen Gleismodell berechnen. Die Minderungswirkung hängt aber wiederum vom Referenzsystem und dessen unregelmäßiger Steifigkeitsverteilung ab. Je unregelmäßiger der Boden und Gleisuntergrund des Referenzsystems, desto stärker ist die Minderungswirkung.