7.2 Ingenieurbau
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This article deals with two topics of vehicle-track-soil interaction, the mitigation of railway induced ground vibration by soft track elements, and the identification of track damage. Theoretical results have been achieved by a combined finite-element boundary-element method (FEBEM). The theoretical results are confronted with measurements at four sites. Improved mitigation effects have been found for soft rail pads under heavy sleepers. The insertion loss, however, can be too optimistic if a strong vehicle track resonance occurs for the un-isolated reference track. Two measurement sites show this strong vehicle-track resonance at about 80 Hz, which has been approximated by using the results of a wide parameter study including the rail pad, ballast, and soil stiffness, as well as the ballast model and the soil layering. – The detection of slab track damage is mainly based on the differences of the receptance or compliance functions. Theoretical results have been confirmed by measurements at one site where a loss of contact between track plate and base layer was visible. Measurements at a second site with a hidden damage have been compared with the theoretical results of a loose sleeper. The differences between intact (or repaired) and damaged tracks are strong enough to encourage the further development of this method for the identification of track damages.
The identification of the dynamic behavior of structures, like bridges and towers, is relevant to address multiple issues. In many cases the dynamic parameters should be acquired only once or at a frequency that doesn’t justify the installation of distinct vibration sensors for a long-term monitoring. To identify modal frequencies of a structure, a drone based mobile sensing platform has been implemented. This sensing platform measures the relative displacement be-tween the structure and the drone, which also shows a strong dynamic behavior under wind tur-bulences. By regarding the dynamic model of the drone and additional measurements at the dis-tance sensor the absolute movement of the structure can be estimated based on the measured relative distance. This time domain data is a suitable input for various operational modal analysis algorithms. The system has been used to identify the dynamic properties of test and real structure, like a 1.5 MW wind turbine tower.
The identification of the dynamic behavior of structures, like bridges and towers, is relevant to address multiple issues. In many cases the dynamic parameters should be acquired only once or at a frequency that doesn’t justify the installation of distinct vibration sensors for a long-term monitoring. To identify modal frequencies of a structure, a drone based mobile sensing platform has been implemented. This sensing platform measures the relative displacement be-tween the structure and the drone, which also shows a strong dynamic behavior under wind tur-bulences. By regarding the dynamic model of the drone and additional measurements at the dis-tance sensor the absolute movement of the structure can be estimated based on the measured relative distance. This time domain data is a suitable input for various operational modal analysis algorithms. The system has been used to identify the dynamic properties of test and real structure, like a 1.5 MW wind turbine tower.
There is a strong need for cost-effective mitigation measures for
turnouts. SBB has initiated a series of examinations using different methodologies to gain a deeper understanding of the excitation mechanisms at low frequencies, in addition to that obtained in the RIVAS project. To date it is not yet clear what constitutes a complete measurement data set that would enable understanding most of the vibration excitation mechanisms in turnouts. Increasing vibration at turnouts in comparison to normal track is observed for all measured frequencies.
The different methodologies are presented in the paper. Under-sleeper pads (USP) are a cost-effective method to reduce vibration at frequencies above 63 Hz (1/3 octave), but there is probably no improvement for frequencies below 63 Hz. A first test of new frog geometry did not show relevant improvements in Vibration emission in comparison to a reference frog geometry. Axle box acceleration measurements are an interesting method to identify defects in a turnout. A specialized measurement system of rail roughness could identify certain geometry Problem areas for some frogs. Noise increases also are observed at turnouts for frequencies ranging between 80 to 1000 Hz. The use of railway source models to calculate
contact forces for ballasted track and turnouts seems promising, in particular for understanding the influence of ground.
This contribution presents experimental methods to detect track damage. At BAM (Federal Institute of Material Research and Testing), a measuring car with a measuring system of 72 channels, geophones, mountings, cables, harmonic and impulsive exciters is used for dynamic measurements of the track, the soil and buildings. An instrumented hammer allows force measurements and to evaluate transfer functions of the track, and the soil. Wave measurements are used to identify the soil characteristics. Train passages are measured at the track and for the train induced ground vibrations. In addition to these in situ options, tests of tracks or track elements can be performed in a large laboratory.
Inspection and maintenance contribute significantly to the lifetime cost of bridges. There is significant potential in using information obtained through structural health monitoring to update predictive models of the condition and performance of such structures, and thus ena-ble an improved decision-making regarding inspection and maintenance activities. Within the AISTEC project funded by the German Federal Ministry of Education and Research, we develop vibration-based structural health monitoring systems aimed at continuously provid-ing information on the structural condition of bridges. Environmental variations such as changing ambient temperatures can significantly influence the dynamic characteristics of bridges and thus mask the effect of structural changes and damages. It remains a challenge to account for such influences in structural health monitoring. To study the effect of ambient temperatures on the dynamic characteristics of beam structures, we monitor the vibration response of a reinforced concrete beam in the uncracked and cracked state at varying tem-peratures in a climate chamber. We postulate a set of competing parameterized probabilistic structural models, which explicitly account for the effect of varying ambient temperatures on the mechanical properties of the system. We then combine the information provided by the structural models with the information contained in the recorded vibration data to learn the parameters of the temperature-dependent structural models and infer the plausible state of the beam using Bayesian system identification and model class selection.
Inspection and maintenance contribute significantly to the lifetime cost of bridges. There is significant potential in using information obtained through structural health monitoring to update predictive models of the condition and performance of such structures, and thus ena-ble an improved decision-making regarding inspection and maintenance activities. Within the AISTEC project funded by the German Federal Ministry of Education and Research, we develop vibration-based structural health monitoring systems aimed at continuously provid-ing information on the structural condition of bridges. Environmental variations such as changing ambient temperatures can significantly influence the dynamic characteristics of bridges and thus mask the effect of structural changes and damages. It remains a challenge to account for such influences in structural health monitoring. To study the effect of ambient temperatures on the dynamic characteristics of beam structures, we monitor the vibration response of a reinforced concrete beam in the uncracked and cracked state at varying tem-peratures in a climate chamber. We postulate a set of competing parameterized probabilistic structural models, which explicitly account for the effect of varying ambient temperatures on the mechanical properties of the system. We then combine the information provided by the structural models with the information contained in the recorded vibration data to learn the parameters of the temperature-dependent structural models and infer the plausible state of the beam using Bayesian system identification and model class selection.
The Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) collaborates with TNO to develop a software framework for automated calibration of structural models based on monitoring data. The ultimate goal is to include such models in the asset management process of engineering structures. As a basis for developing the framework, a multi-span road bridge consisting of ten simply supported steel box girders was selected as a test case. Our group measured output-only vibration data from one box girder under ambient conditions. From the data, we determined eigenfrequencies and mode shapes. In parallel, we developed a preliminary structural model of the box girder for the purpose of predicting its modal properties. In this contribution, we provide an overview of the measurement campaign, the operational modal analysis, the structural modeling and qualitatively compare the identified with the predicted modes. As an outlook, we discuss the further steps in the calibration process and future applications of the calibrated model.
The Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) collaborates with TNO to develop a software framework for automated calibration of structural models based on monitoring data. The ultimate goal is to include such models in the asset management process of engineering structures. As a basis for developing the framework, a multi-span road bridge consisting of ten simply supported steel box girders was selected as a test case. Our group measured output-only vibration data from one box girder under ambient conditions. From the data, we determined eigenfrequencies and mode shapes. In parallel, we developed a preliminary structural model of the box girder for the purpose of predicting its modal properties. In this contribution, we provide an overview of the measurement campaign, the operational modal analysis, the structural modeling and qualitatively compare the identified with the predicted modes. As an outlook, we discuss the further steps in the calibration process and future applications of the calibrated model.
Brücken müssen laufend überwacht werden, damit die Unsicherheiten hinsichtlich ihres Zustands, ihrer Beanspruchung und ihrer Leistungsfähigkeit verringert werden können. Diese Aufgabe soll künftig mit digitalen Methoden erleichtert werden. Im folgenden Beitrag werden deshalb die digitale Bauwerksmodellierung und die Entscheidungsfindung beleuchtet. Dazu wird gezeigt, wie Zustandsdiagnosen und -prognosen digital ermöglicht werden und wie durch diagnostische und prognostische Modelle eine wissenschaftliche Basis für risikobasierte Entscheidungen über Erhaltungsmaßnahmen und für den Übergang vom reaktiven zum vorausschauenden Brückenmanagement gebildet werden kann. Dabei wird klar: Jede Brücken-Überwachung bedarf einer Gesamtmethodik, ihre wichtigsten Elemente sind: Datenerfassung, Datenmanagement, Datenanalyse, Bauwerksmodellierung, Bauwerksbewertung und die letztendlichen Entscheidungen über notwendige Erhaltungsmaßnahmen.
Vorstellung OWA VERBATIM
(2024)
Das Risiko von Pfahlfussbeulen ist ein wesentlicher Grund für hohe Pfahlwandstärken bei Monopiles. Das Projekt VERBATIM - Verifikation des Beulnachweises und –verhaltens großer Monopiles zielte darauf ab, Beulphänomene zu untersuchen, die sich sowohl auf die plastischen Verformungen der Pfahlspitze während der Installation als auch auf das Beulen des eingebetteten Pfahls in der Nähe des Seebodens beziehen.
Auf der Basis aufwändiger Versuche wurden numerische Modelle entwickelt und validiert. Dies ermöglicht ein besseres Verständnis des Beulverhaltens, um die Wanddicke zu reduzieren, was Kosteneinsparungen bei der Stahlmenge sowie die Entwicklung sicherer und optimierter Strukturen erlaubt. Die bisherigen Designverfahren konnten die erfolgreiche Installation der Monopiles gewährleisten. Da die Größe von Monopiles jedoch stetig zunimmt, wird die Entwicklung verbesserter Designverfahren für sichere und kostengünstige Fundamente immer wichtiger.
Der Rückenwind-Vortrag gibt eine Übersicht zu den durchgeführten Untersuchungen und Ergebnissen
The attenuation of wave amplitudes is ruled by the planar, cylindrical or spher-ical geometry of the wave front (the geometric or power-law attenuation) but also by the damping of the soil (an exponential attenuation). Several low- and high-frequency filter effects are derived for the layering and the damping of the soil, for the moving static and the distributed train loads and for a homoge-neous or randomly heterogeneous soil. Measurements of hammer- and train-induced vibrations at five sites have been analysed for these attenuation and filter effects. The measured attenuation with distance can be discribed by gen-eralised power laws and some reasons will be discussed. The theoretical filter effects can well be found in the measurements.
The attenuation of wave amplitudes is ruled by the planar, cylindrical or spherical geometry of the wave front (the geometric or power-law attenuation) but also by the damping of the soil (an exponential attenuation). Several low- and high-frequency filter effects are derived for the layering and the damping of the soil, for the moving static and the distributed train loads and for a homogeneous or randomly heterogeneous soil. Measurements of hammer- and train-induced vibrations at five sites have been analysed for these attenuation and filter effects. The measured attenuation with distance can be discribed by generalised power laws and some reasons will be discussed. The theoretical filter effects can well be found in the measurements.
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.
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.
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 homoge-nen und den kontinuierlich steifer werdenden Boden werden Potenzgesetze für den Boden- und Pfahleinfluss aufgestellt. Der Vergleich mit dem Winkler-Modell der rein lokalen Boden-reaktion zeigt, dass die Winkler-Bettung in allen Fällen einen zu kleinen Bodeneinfluss ergibt.
Erschütterungen durch Industrie und Verkehr, Schwingungen von Gebäuden, Fundamenten und Gleisen hängen im hohen Maße vom jeweiligen unterliegenden Boden ab. Die Eigenschaften des Bodens ermitteln wir mit Wellenmessungen vor Ort. Die Wellen werden in der Regel mit einem Impulshammer erzeugt und mit Geophonen als Schwinggeschwindigkeits-signale gemessen. Geophone sind aktive Sensoren, die eine kleine Messspannung liefern. Ein 72-kanaliges Messsystem mit entsprechenden Messverstärkern ist im Messwagen der Arbeitsgruppe eingebaut. Es werden im Vortrag fünf verschiedene Auswertemethoden vorgestellt. Im einfachsten Fall versucht man die Laufzeit von einem Geophon zum andern auszumessen und damit die vorherrschende Wellengeschwindigkeit zu ermitteln. Wir haben Wellengeschwindigkeiten von 30 m/s für Moorboden bis 1000 m/s für Felsboden gemessen. Der Boden hat aber nicht nur eine Wellengeschwindigkeit, sondern mehrere frequenzabhängige Wellen-geschwindigkeiten. Dadurch wird aus einem kurzen Hammerschlag eine längere Schwingung (Zerstreuung, Dispersion). Für die Auswertung von dispersiven Wellen nutzt man die spektrale Analyse, zunächst mit zwei Aufnehmern (SASW Spectral Analysis of Surface Waves), später mit einer ganzen Messachse (Multi-Station SASW). Schließlich kann man eine ganze Messachse auch mit verschiedenen Transformationsmethoden auswerten wie die f,v-Methode und Spatial AutoCorrelation SPAC Methode. Alle diese Methoden wurden von uns auf Messreisen in Deutschland, Österreich und der Schweiz getestet. Durch die Approximation der frequenzabhängigen Wellengeschwindigkeiten erhält man ein passendes Bodenmodell. Zu diesem Bodenmodell kann man die Übertra¬gungsfunktionen für Hammer- und Zuganregung berechnen. Bei etlichen Mess¬orten wurden deutliche Merkmale einer Bodenschichtung beobachtet. Es ergibt sich eine Reduktion der tiefen Frequenzanteile durch den steifen unterliegenden Halbraum. Die weiche Deckschicht bestimmt das hochfrequente Verhalten.