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Eingeladener Vortrag
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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 Untergrund-steifigkeit zu berücksichtigen? Als Referenzsituation ohne Minderungsma߬nahme? Der Beitrag bringt Rechenergebnisse zu abgefederten Gebäuden mit einfachen und komplexen (FE-) Modellen, Mess- und Rechenergebnisse zur Schwingungsübertragung von unabge-federten 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 Gebäudepara¬metern zur Reduktion der Deckenschwingungen. Den Ergebnissen bei der Erschütterungs-übertragung in Gebäude werden zwei ähnliche Beispiele zur elastischen Maschinenlagerung und zur elastischen Gleislagerung gegenübergestellt.
Im ersten Teil werden Methoden der Wellenanalyse vorgestellt, Seismogramme, Multistation Analysis of Surface Waves (MASW), f,v-Analyse (Dispersion aus zweifacher Fourier-Analyse), Spatial AutoCorrelation (SPAC, hier auch für deterministische Quellen), und auf Messungen in Deutschland, Österreich und der Schweiz angewendet. Mit den Wellengeschwindigkeiten des Bodens werden die Berechnungsgrundlagen für die Erschütterungsausbreitung im Boden und die Bauwerk-Boden-Wechselwirkung geschaffen.
Der zweite Teil beschäftigt sich mit der Wellensynthese, das heißt mit der Berechnung von Wellenfeldern (aus Wellenzahlintegralen). Die Rechnungen können wesentlich vereinfacht werden, wenn man die Dimensionsanalyse und Symmetrieüberlegungen ausnutzt, so dass maximal fünf dimensionslose Verschiebungsfunktionen verbleiben (im Vollraum sind es sogar nur zwei Verschiebungsfunktionen, die sich einfach explizit angeben lassen). Es gibt Ähnlichkeiten zwischen den Halbraum-Amplituden an der Oberfläche, den Halbraum-Amplituden in der Tiefe und der Wellenausbreitung im Vollraum. Die berechneten Wellenfelder (als Terzspektren in verschie-denen Entfernungen von der Erschütterungsquelle) werden verwendet, um die gemessene Übertragungsfunktionen des Bodens zu approximieren und Erschütterungen von Zugvorbeifahrten zu prognostizieren. Auch dies wird an einigen Messorten vorgeführt. Dabei werden einige gemessene Besonderheiten der Eisenbahnerschütterungen mit dem geschichteten Aufbau des Bodens erklärt.
Der dritte Teil beschäftigt sich mit der Anwendung der Wellenfelder beziehungsweise der Punkt-lastlösungen beziehungsweise der Greenschen Funktionen in der Randelementmethode. Es wird ein einfaches Prinzip der Herleitung der Randelementmethode vorgeführt. Bei einer beliebigen Berandung benötigt man neben den Verschiebungswellenfeldern auch die Spannungswellen-felder. Eine einfache Berechnung der Spannungswellenfelder wird vorgeführt, die im Vollraum auf drei Spannungsfunktionen, ähnlich einfach wie die Verschiebungsfunktionen, führt. Durch die Kopplung der Randelementmethode mit der Finite-Element-Methode können dann Probleme der Bauwerk-Boden-Wechselwirkung gelöst werden.
Der vierte Teil beschäftigt sich schließlich mit der Freifeld-Wellenanregung unter einem Gebäude und der Wellenanregung im Gebäude. Dabei geht es um die Wechselwirkung der Freifeldwellen mit starren oder flexiblen Fundamenten (Pfählen, Fundamentplatten) und den Übertragungs-faktoren zwischen dem Freifeld und dem Gebäude. Bei der Wellenanregung in einem Büro-gebäude in Wien konnten die gleichen Methoden wie bei der Wellenanregung im Boden eingesetzt werden, Seismogramme, MASW, Übertragungsfunktionen und Amplituden-Abstandsgesetze.
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 Bedeutung von Eisenbahn-Achsüberfahrten für die Bodenerschütterungen und Brückenschwingungen
(2016)
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.
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.
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.