7.2 Ingenieurbau
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Eingeladener Vortrag
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The present contribution evaluates four measuring series made by the Federal Institute of Material Research and Testing for the relations between train speed and ground vibration amplitudes. This experimental evaluation is supported by the simulation of the train passages at the different sites by using appropriate excitation mechanisms and forces as well as layered soil models which have been derived from impact measurements at each site.
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.
Mitigation measures of railway induced vibration have been demonstrated at the emission, transmission and immission part. It must be carefully observed that the correct masses and stiffnesses are used.
Typical mistakes have been shown,
- 1D models for vehicle-track interaction,
- impedance instead of stiffness for the infill material of a trench,
- rigid buildings or neglecting the soil-building interaction.
The dominant mid-frequency part of the ground vibration is due to the irregular soil.
A study on building vibrations has been performed by finite element calculations. Family houses, multi-storey residential buildings, office buildings and office towers have been modelled in detail. The frequency-dependent response due to a free-field excitation has been evaluated for walls, columns and floors. The ratio of building amplitudes to free-field amplitudes starts with uB/u0 = 1 at zero frequency and is usually lower than 1 at 50 Hz, the end of the frequency range considered here. In between, amplifications occur due to several reasons. There are „soil resonances“ where the whole building is vibrating on the compliant soil, “column resonances” where the upper storeys are vibrating on the compliant columns, and the “floor resonances” where the floors are vibrating excited by their supports. Results are presented for all building types, but a special focus is set on office buildings. A parameter study shows the influence of the stiffness of the soil, the number of storeys, and the width of the building. It has been found that the “soil resonance” is strongly modified by the low-frequency floor resonances for the normal office building. The main resonance of a twenty-storey office tower is determined equally by the “soil mode” and the “column mode”. It is an important observation for these office buildings that the resonances can differ for different parts of the building such as the centre, the edge, the corner, and the core of the building. This leads to non-uniform vibration modes across the building, which look like another type of “floor resonance” and which have been observed in several real building projects. Experimental results will be shown which can confirm the calculated phenomena.
Eindimensionale Modelle des Gleises aus einem Schienenstützpunkt, zweidimensionale Modelle enthalten die Kraftverteilung der Schiene. Eindimensionale Modelle machen einen Fehler, weil sie eine zu große Fahrzeugmasse berücksichtigen. Man kann jedoch bei der Berechnung der Minderungswirkung von Gleiselementen eindimensionale Gleismodelle verwenden, um die Kraftübertragung des Gleises bzw. die Minderungswirkung des Gleises zu berechnen. Die Wechselwirkung mit dem Fahrzeug kann einfach mit der dynamischen Stützpunktsteifigkeit berechnet werden. Dabei muss die Stützpunktsteifigkeit mit einer charakteristischen Gleislänge multipliziert werden, die frequenz- und systemabhängig ist.
Many measurements of train induced ground vibrations show high amplitudes for a certain mid-frequency range. This ground vibration component cannot be well explained by dynamic loads of the train. Many characteristics indicate that the axle impulses, which are scattered by an irregular soil, are the excitation. This new understanding of railway-induced ground vibration is verified by numerical analysis. The response of the regular homogeneous and irregular inhomogeneous soils has been calculated by the finite-element method in frequency domain. A specific superposition of the impulse responses has been invented including time shift, axle sequence, track filter and hanning filter. The superposition yields the quasi-static component of the ground vibration which is restricted to very low frequencies and to the close near-field of the track. In case of an irregular soil of which the stiffness varies randomly in space, the superposition yields a mid-frequency ground vibration component from the scattering of the axle impulses. The existence and the importance of this component can thus be demonstrated by the calculations. Some rules of the influence of distance, train speed, soil stiffness, strength and width of the stiffness variation have been derived from the calculations. Many measurements show the unique explanation of the mid-frequency ground vibration component by the scattered axle impulses.
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.
Measurements of ground and track vibrations have been performed at a high-speed line in northern Germany. Impacts on the track and the ground, and passages of different trains with different speeds on different tracks have been measured. Transfer functions of the soil are presented and approximated by theoretical soil models. By using these transfer functions, the measured ground vibration between 2 to 64 m distance from the track can be transformed into a load spectrum which can be used for predictions at other sites. The method is compared to the soil-dependent method of an emission spectrum at a certain distance (8 m for example). The influence of train type, speed and track type is discussed on the base of the different emission quantities and the original measurements. The strong influence of the track, ballast track and slab track, is analysed by a theoretical model in wavenumber domain. The response of the track to the passage of the static load is reduced by the stiffness of the slab, the deformation of the track as well as the impulse acting on the soil. Usually, the impulse on the soil should result in a slow quasi-static movement of the soil, slower at further distances. In a heterogeneous soil, however, the impulses from the static loads scatter and keep parts of the higher impulse frequency band. In this case the reduced impulse spectra of the slab track will yield reduced ground vibration in a certain frequency band. Additional (BAM and international) measurements will be used to discuss this and possible other explanations for the different ground vibration differences.
A combined finite-element boundary-element method for the dynamic interaction of the soil with flexible structures such as single piles or complete wind energy towers has been developed. Flexible piles in different soils are analysed in frequency domain. The different parameters such as the stiffness of the soil, the bending stiffness and the radius of the hollow pile are analysed for their influence on the complex compliances. The results have been determined as specific power laws which are different for the different load cases (horizontal, rocking, coupling) and for the different soil models (Winkler, continuum with constant, root-parabolic and proportional-linear stiffness variation). The strongest influence of the soil stiffness can be found for the homogeneous soil and the horizontal component. Winkler soils have a weaker influence than the corresponding continuous soils. An offshore wind energy tower has been modeled and calculated for wind and wave loads.