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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)
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.
Seit 30 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 Fragen wie 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 [1] und zum Vergleich der Festen Fahrbahn mit dem Schottergleis [2] vorgestellt.
The propagation of waves through homogeneous or layered soil is calculated based on half-space theory. The moving dynamic loads of a train are approximated by fixed dynamic loads and the wave field can be calculated if the spectrum of the dynamic train loads is known. In addition to this dynamic wave field, there are three different components at three different frequency ranges which are caused by the passage of the static loads:
the regular static component at low frequencies,
the irregular static component at medium frequencies,
the sleeper-passing component at high frequencies.
For each of these components, an approximate solution is presented. The calculated wave field is compared with measurements of different trains at different sites. The measurement of impulse and harmonic point load excitation verifies the soil dynamic base of the method.
Schwingungsminderung zwischen Quelle und Empfänger - FEM-Berechnung der Wellenausbreitung im Boden
(2006)
In diesem Bericht werden die Berechnungsmethoden für die Transmission der Erschütterungen dargelegt. Da es sich um die Wellenausbreitung im Boden handelt, sind drei große Abschnitte dem Einfluss und den Berechnungsmöglichkeiten verschiedener homogener und geschichteter Böden gewidmet. Dabei kommt ein exaktes aufwändiges Rechenverfahren und daraus abgeleitete einfachere Näherungsverfahren zum Einsatz.
Zum Bodeneinfluss wurden verschiedene homogene und geschichtete Böden exakt berechnet. Daraus wird ein Näherungsverfahren abgeleitet, dass auf der Dispersionsbeziehung v(f) beruht. Die Dispersion einiger Fälle wird exakt berechnet und ein Näherungsverfahren gefunden, mit dem man aus dem Tiefenprofil v(z) die Dispersion v(f) ermitteln kann. Mitden Näherungsverfahren werden die Wellenfelder der verschiedenen Böden nachgerechnet. Es ergeben sich sehr gute Übereinstimmungen mit den exakten Ergebnissen.
Die Zuganregung wird in erster Linie mit ortsfesten dynamischen Achslasten erfasst. Mit der Lastverteilung über die gesamte Zuglänge ergibt sich eine deutlich andere, nämlich schwächere Abnahmegesetzmäßigkeit als für die elementare Punktlast.
Für die Prognose von Schienenverkehrserschütterungen wurden verschiedene Verfahren vorgestellt, die die theoretischen Methoden zur Wellenausbreitung im Boden auf der experimentellen Seite ergänzen.
Dies beginnt bei der notwendigen Ermittlung der Bodenkennwerte für den Prognoseort, das führt weiter zur sehr hilfreichen Bestimmung der Übertragungsfunktion am Prognoseort, und schließlich zur kritischen Verwendung von gemessenen Spektren als Emissionsgröße. Die verschiedenen Verfahren werden anhand der Messungen der ICE 3-und Thalys-Versuchsfahrten bei Gardelegen vorgeführt.
Die wichtigsten Aussagen dieser Untersuchung sind:
– Die Ergebnisse der Schwinger- und Impulsmessungen, die Bodenkennwerte und die Übertragungsfunktionen, Theorie und Messungen stimmen alle sehr gut miteinander überein.
– Es sind gute Prognosen der Schienenverkehrserschütterungen sowohl mit den theoretischen als auch den experimentellen Übertragungsfunktionen möglich (s. Bild 39 im Vergleich zu Bild 40).
– Die Verwendung von gemessenen Schienenverkehrserschütterungen als Emissionsspektrum wird ermöglicht. Sie ist aber an die Kenntnis der Bodenkennwerte am Messort gekoppelt. Mit den Bodenkennwerten am Messort können dann bodenunabhängige Lastspektren als Emissionsgröße berechnet werden.
Damit steht eine Vielfalt von theoretischen und messtechnischen Varianten für die Prognose der Erschütterungsausbreitung im Boden zur Verfügung.
Es wurde ein Prognosemodell für die Bauwerksschwingungen entwickelt.
Es besteht aus einer Gesamtbauwerkswand, die alle Wände und Stützen eines Bauwerks repräsentiert, und aus den Decken in den einzelnen Stockwerken. Das Modell wird stockwerkweise mit Übertragungsmatrizen berechnet.
Hinsichtlich der Decken besteht im Programm die Möglichkeit, die Deckeneigenfrequenz aus den Abmessungen und den Auflagerbedingungen berechnen zu lassen. Die Decken werden dann im Rechenprogramm als Modalmodelle realisiert und an den Deckenauflagern in die Übertragungsmatrizenkette eingebaut.
Aus diesem Komplexmodell des Gebäudes wurde entsprechend den Messerfahrungen ein praxisnäheres Standardmodell abgeleitet. Dazu werden die Wandamplituden aller Stockwerke gemittelt und bei den Decken wird eine gewisse Bandbreite der vorhandenen Deckeneigenfrequenzen unterstellt.
Entsprechend der hohen Bedeutung, den experimentelle Ergebnisse für die Prognose der Erschütterungsimmission haben, wurden sehr viele in der BAM vorhandene Messdaten erneut ausgewertet und darüber hinaus neue Gebäudemessungen durchgeführt. Die Messergebnisse wurden bei der Definition des Standardmodells herangezogen. Außerdem wurde die Auswahl der Fundamentparameter mit den Messerfahrungen abgeglichen. Schließlich geben die Messdaten von etwa 80 Decken wichtige Hinweise auf die richtige Wahl der Deckenparameter Eigenfrequenz und Dämpfung.
Eine Parameterstudie gibt Auskunft über die praktisch vorkommende Bandbreite der einzelnen Parameter und deren Auswirkung auf die Bauwerksamplituden. Die wichtigsten Parameter sind die Bodensteifigkeit und die Deckeneigenfrequenz, die die Abminderung der Gesamtbauwerksamplituden einerseits und die Amplitudenverstärkungen in der Deckenresonanzen andererseits bestimmen. Für diese beiden Parameter ergaben die Untersuchungen wesentliche Hinweise:
Für die Gebäudegründung sind die weicheren oberen Bodenschichten maßgeblich, und die Deckeneigenfrequenzen lassen sich in erster Näherung gut durch eine allseitig gelenkige Lagerung abbilden.
Mit den theoretischen und experimentellen Arbeiten konnte somit ein praxisgerechter Immissionsteil für die Erschütterungsprognose erstellt werden.
Im Forschungsvorhaben „Praxisgerechtes Prognoseverfahren für Schienenverkehrserschütterungen“ wurde ein Prognoseprogramm entwickelt, das die Erschütterungsemission, -transmission und –immission für verschiedene Bahnen, verschiedene Böden, verschiedene Gebäude und verschiedene Minderungsmaßnahmen prognostizieren und bewerten kann. Es ist gelungen, ein Prognoseverfahren zusammenzustellen, das sowohl wissenschaftlich fundiert als auch einfach handhabbar ist. Die besonderen Merkmale des Prognoseverfahrens sind folgende:
- Das Prognoseprogramm basiert auf physikalischen Modellen.
- Das Programm besitzt klar definierten Schnittstellen zwischen der Emission und der Transmission und zwischen der Transmission und der Immission. Im ersten Fall sind es die auf den Untergrund wirkenden Erregerkräfte von Fahrzeug und Fahrweg, im zweiten Fall sind es die Freifeldamplituden des Bodens.
- Das Prognoseprogramm erlaubt es, Messdaten einzulesen und in physikalisch sinnvoller Weise weiter zu verarbeiten.
Damit sind die gesetzten Ziele für das Prognoseverfahren erfüllt und mit der Implementierung in einem benutzerorientierten Programm übertroffen worden.
Es ist gelungen, ausgehend von komplexen Modellen einfache Modelle zu finden und anzupassen. Hier ist einerseits die vereinfachte Berechnung der Wellenausbreitung im Boden zu nennen, die sowohl für kontinuierlich steifer werdende Böden als auch für geschichtete Böden zutreffende Ergebnisse liefert. Andererseits war die vereinfachte Berechnung der Fahrweg-Boden-Wechselwirkung ein besonderer Erfolg, da sowohl Standardgleise als auch Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) Seite 24 Praxisgerechtes Prognoseverfahren für Schienenverkehrserschütterungen Gleise mit Minderungsmaßnahmen (zum Beispiel mit Unterschottermatten) durch allgemeine Gesetzmäßigkeiten erfasst werden konnten.
Dynamische Baugrunderkundung
(2005)
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.
Es wurden Elemente zusammengetragen, die für die Prognose der Deckenschwingungen von Bedeutung sind. Das umfasst Formeln für die Deckeneigenfrequenzen, Rechenergebnisse zu einfachen und mehrfeldrigen Decken sowie vielfältige Messerfahrungen.
Die Berechnungen zeigen die verschiedenen Einflüsse auf die Deckeneigenfrequenzen. Die Eigenfrequenzen berechnen sich aus den Abmessungen, dem Material und den Auflagerbedingungen der Decken. Es wurde auch der Einfluss von Unterzügen und von auskragenden Rändern untersucht. Bei Mehrfelddecken stellt man eine Häufung von Eigenfrequenzen in Frequenzbändern fest. Solche Fälle sollten sinnvollerweise nur mit Mittelwertaussagen erfasst werden. Die Berechnung einiger Gesamtgebäudemodelle führt zu vielfältigen Schwingantworten der verschiedenen Gebäudeteile, die ebenfalls Mittelungsgesetze notwendig erscheinen lassen. Die Nachgiebigkeit der Wände und Stützen führt zu einer Verringerung der rotatorischen und vertikalen Auflagersteifigkeit und damit der Deckeneigenfrequenzen. Die Festlegung der Eigenfrequenzen allein aus den Eigenschaften eines Deckenfeldes erscheint deshalb als nicht vernünftig. Es werden Mittelungsgesetze genannt und entwickelt, neben Mittelungsgesetzen für das Gesamtgebäude insbesondere eine Mittelung für die Berücksichtigung verschiedener Decken in einem Gebäude.
Wesentliche Erkenntnisse werden aus den Messergebnissen gewonnen. Es wurden 18 Gebäude und insgesamt 55 Decken untersucht. Die Deckeneigenfrequenzen liegen zwischen 5 und 50 Hz. Es wurden empirische Formeln für die Eigenfrequenzen in Abhängigkeit von der Deckenfläche getrennt für Holz- und Stein/Betondecken aufgestellt.
Ein weiterer wichtiger experimenteller Befund ist die Dämpfung der Decken, die im Bereich 1 % < D < 5 % ermittelt wurde. Dieser Dämpfungsbereich sollte für die Erschütterungsprognosen verwendet werden, wobei für eine konservative Prognose ein geringer Dämpfungswert einzusetzen wäre. Schließlich wurden Resonanzüberhöhungen der Decken gegenüber den Freifeldamplituden des Bodens gemessen. Mit diesen Messergebnissen kann dann das fertige Prognosemodell abgeglichen werden.
Somit sind ausreichend Erkenntnisse über das Deckenverhalten zusammengetragen, die in das Prognosemodell für das gesamte Gebäude eingebaut werden können.