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Die Emission von Erschütterungen wird durch ein physikalisches Modell der Fahrzeug-Fahrweg-Wechselwirkung unter Annahme eines stationären Zustands im Frequenzbereich berechnet. Dazu kommen analytische oder einfache numerische Formulierungen für Modelle des Fahrzeugs und des Gleises zum Einsatz mit deren Hilfe die Gesamtkraft auf den Boden unter dem Gleis infolge einer Achse prognostiziert wird.
Das Gleis wird durch Systeme von kontinuierlich gebetteten schubstarrer Balken beschrieben, wobei sich die Bettung ggf. aus der „Verschmierung“ der diskreten Lagerung der Schiene über den Schwellenabstand ergibt. Die Bettung der Schiene des Schottergleises wird aus einem detaillierten Modell des Schienenstützpunkts im Frequenzbereich hergeleitet und kann folgende Komponenten enthalten:
- Zwischenlage,
- Schwelle,
- Schwellenbesohlung,
- Schotter,
- Unterschottermatte.
Für die Systeme der Festen Fahrbahn oder des Schottergleises im Tunnel kann unterhalb des gebetteten Balkens der Schiene ein zusätzlicher gebetteter Balken der Fahrbahn- oder Tunnelplatte angeordnet werden kann. Für Masse-Feder-System kann außerdem noch ein dritter Balken angeordnet werden.
Das Fahrzeug wird mindestens durch die unabgefederte, starre Masse des Radsatzes beschrieben und kann durch Reihenschaltungen von weiteren Massen sowie Federn und Dämpfern erweitert werden, wobei folgende Komponenten enthalten sein können:
- Wagenkastenmasse und Primärstufe,
- Drehgestell und Sekundärstufe,
- Motor- und Getriebemasse und deren Federstufe.
Die Anregung des Schwingungssystems aus Fahrzeug und Gleis erfolgt durch eine im Kontakt von Rad und Schiene wirkenden Wegstörung, welche sich im Allgemeinen aus vertikalem Gleislagefehler, Schienen- und Radrauhigkeit, Radunrundheiten und der Parametererregung infolge der Schwellenüberrollung zusammensetzt.
Auch wenn Zwischenergebnisse der Berechnung als Schmalbandspektrum vorhanden sind, erfolgt die Ausgabe der Emissionsgröße „Kraft auf den Untergrund“ als Terzspektrum und dient als Eingangsgröße für die Prognose der Transmission von Erschütterungen über den Boden oder zur Berechnung von Einfügedämmungen.
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.
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.
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.
ür die Berücksichtigung mechanischer Belastungen unterhalb der Streckgrenze ist im Rahmen einer zuverlässigen Bauteilauslegung die Kenntnis der elastischen Konstanten von besonderer Bedeutung. Für die experimentelle Bestimmung des Elastizitätsmoduls wurde eine Vielzahl von Verfahren entwickelt, die zum Teil werkstoffspezifisch Eingang in die Normung gefunden haben.
Prinzipiell können diese Verfahren in zwei Gruppen unterteilt werden: die statischen und die dynamischen Prüfverfahren. Die statischen Verfahren beruhen auf der direkten Messung des Spannungs-Dehnungs-Zusammenhangs während einer mechanischen Belastung im elastischen Verformungsbereich (Zug, Biegung, Druck). Die dynamischen Verfahren basieren auf der Schwingungsanregung eines Prüfkörpers und der Analyse der resultierenden Schwingungen (Resonanzmethode oder Impulsanregungsmethode) oder auf der Messung der Ultraschallausbreitungsgeschwindigkeit.
Stellvertretend für die dynamischen Verfahren wird im ersten Teil dieses Beitrages die Resonanzmethode vorgestellt. Der zweite Teil dieses Beitrages fasst die werkstoffabhängigen Ergebnisse der E-Modulbestimmung mit statischen Verfahren im Zug- und Biegeversuch zusammen.
The increasing application of supermartensitic steels for welded pipelines is an economical alternative to the hitherto used higher-alloyed materials in the North Sea oil and gas indus-try. Failure in such constructions must at any rate be excluded for economical and ecologi-cal reasons. The application of these steels for the transport of corrosive mixtures may, however, involve hydrogen pickup with subsequent hydrogen-assisted stress corrosion cracking. It is therefore necessary not only to assure the weldability, but particularly to have best possible knowledge of the service behaviour and of the failure risk. In order to ensure the transferability of test results to real joined components, innovative test methods are in-creasingly required to be incorporated into a closed test sequence. It will be demonstrated how it is possible to gain significant advantages from the direct comparison between ex-perimentally determined results from component weld tests on the one hand and material-specific data from small-scale tests on the other hand and numerical simulations. These data that have now been made available are of major importance for industrial applications and are considered to provide a sound basis for realistic lifetime assessments.
During focused ion beam microscopy (FIB) of crystalline materials imaging contrast and milling result are effected by orientation of the crystals with respect to the incident ion beam. This is due to the possibility of ion channeling along preferred crystal directions which effects the depth at which interaction between ions and specimen atoms takes place. As a result of channeling emission of ion induced secondary electrons (iiSE) and secondary ions (SI) as well as the sputter rate decreases.
Theoretical channeling orientations and critical angles can be calculated.
These effects have been studied quantitatively for polycrystalline recrystallized Cu as a typical model case.
The competitive growth of columnar grains in a single-grain selector, which is used for directional solidification of single-crystal blades from nickel-based superalloys, has been investigated by electron backscattered diffraction and local X-ray diffraction analysis. It has been found that the competitive grain growth in a starter block is determined by the crystallographic factor: rapidly growing grains with the axial orientation close to the [001] direction dominate in this part of the casting. For the competitive grain growth in a helicoidal separator, the geometric factor (the position of a grain at the input of the separator) is also important. The results obtained suggest that an appropriate geometry of the single-grain selector was chosen. In addition, the distribution of the orientations of columnar grains obtained by electron backscattered diffraction, can be used for approximate estimation of the yield of suitable (i.e., with the deviation of the axial orientation from the [001] direction within a specified tolerance) single-crystal blades.
Fatigue crack propagation investigations have been performed in austenitic-ferritic duplex stainless steel H22N5M3 in air and during hydrogen charging, using various frequencies of loading. Strong differences of crack propagation velocity depending on the test conditions were noticed. Lower frequency with applied hydrogen charging led to the huge increase of crack propagation velocity compared to the tests performed in air. To understand such a behaviour in each case and characterize crack mode, the samples were observed using electron back-scattered diffraction (EBSD). It was shown that in air, the fatigue crack propagation involved plastic deformation and the resulting cracks had ductile character. The presence of hydrogen led to more brittle mode of cracking. This effect was also connected with frequency of loading: lower frequency, which assured longer time for hydrogen-crack tip interaction, resulted in the highest crack propagation velocity and the brittle cracking mode with lower amount of plastic deformation. The performed observations indicated that the path of the crack went mostly transgranularly through both austenite and ferrite phases. Phase and grain boundaries were not the preferred paths for crack propagation.
Interphase boundary characterization in duplex steel and iron meteorites using EBSD technique
(2006)
The properties of materials are mainly described by the orientation distribution of the crystalline phases in a material. Beside the so considered anisotropy also the grain as well as phase boundaries are of extreme importance for a whole string of properties, e.g. the strength of a material. On the example of the interface between fcc and bcc iron the discovered and derived models are discussed. Although the common models are based on the crystal lattice description, the atomic configuration on the interface is analysed. Since experimentally a wide spread of orientations data appears the consideration of the frequency distribution is proposed to find at least the main orientation relationship between fcc and bcc. High-indexed pole figures as well as the Euler subspace are introduced in order to increase the accuracy and to compare different measurements. For the sake of simplicity EBSD measurements on iron meteorites are used since they commonly consist of large fcc single crystals which transformed to a low and very specific number of bcc grains. In special cases the described procedure could also be used for steels.