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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.
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.
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
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.
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.
Fahrzeug-Fahrweg-Untergrund-Umgebung: theoretische, rechnen- und meßtechnische Untersuchungen
(1987)
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.
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.
Schwingungsminderung zwischen Quelle und Empfänger - FEM-Berechnung der Wellenausbreitung im Boden
(2006)
Der Erhalt und die Weiterentwicklung der Verkehrsinfrastrukturen werden auch zukünftig einen Investitions- und Forschungsschwerpunkt in Deutschland bilden. Gemäß den aktuellen Entwicklungsprognosen sowohl der Bundesregierung als auch der Deutschen Bahn wäre bei unveränderten Marktanteilen der Bahn eine Zunahme insbesondere des Güterverkehrs in den kommenden 10 Jahren um ca. 50% zu erwarten. Dieser Zuwachs erfordert erhebliche Entwicklungen sowohl in der technischen Konstruktion der Fahrwege als auch im Erschütterungs- und Lärmschutz infolge des Schienenverkehrs.