Entwicklung von Rechenmodellen zur Beschreibung der dynamischen Eigenschaften des Schotteroberbaues bei Eisenbahnbrücken

Abstract

In dieser Arbeit wurden Kennwerte der dynamischen Eigenschaften des Schotteroberbaues bei Stahleisenbahnbrücken ermittelt, die durch den Vergleich von Messwerten aus Versuchen mit Berechnungsergebnissen von Finite-Elemente-Modellen gewonnen wurden. Bei diesen Kennwerten handelt es sich um die, dem Schotterbett innewohnende Dämpfung und um steifigkeitswirksame Tragmechanismen, speziell um die Schubübertragung von der Schiene zum Tragwerk durch das Schotterbett. Diese und andere Untersuchungen werden durchgeführt, da der derzeitige Stand der normativen Vorgaben, die Dämpfung betreffend, äußerst konservative Werte vorsieht, die sich nicht in der Realität widerspiegeln und somit wirtschaftlichem Bauen entgegenstehen.<br />Als Basis für diese Arbeit dienten die Messwerte aus Versuchen von Mähr [13] einerseits und von Fink & Kirchhofer [6] andererseits. Mähr führte Versuche an einer eigens am Institut für Tragkonstruktionen - Forschungsbereich Stahlbau gebauten Versuchsbrücke durch. Mit diesen konnten genannte Eigenschaften des Schotterbettes nachgewiesen werden.<br />Die erhaltenen Messergebnisse dienten der vorliegenden Arbeit zur Erstellung und Anpassung eines Finite-Elemente-Modells, das Kennwerte des Schotterbettes, im Sinne einer Parameterstudie, lieferte. Kirchhofer führte die Untersuchungen an Brückentragwerken im Feld fort, um Einflüsse, die sich bei der Versuchsbrücke nicht zeigen, berücksichtigen zu können, wie etwa die durchlaufenden Gleise auf der Brücke. Eine dieser Untersuchungen fand am Fahrenbachviadukt statt.<br />Deren Ergebnisse wurden zum Vergleich mit jenen eines FEModells derselben Brücke herangezogen, wobei aber für die Kennwerte des Schotterbettes jene der Versuchsbrücke verwendet wurden, um genannte Einflüsse abzugrenzen. Es stellte sich heraus, dass eine Modifikation des FE-Modells nötig war, um die Versuchsergebnisse nachzubilden. Der Einsatz von Dämpferelementen am Fahrbahnübergang, welche die Reibungsdämpfung des Schleppbleches simulieren, brachte befriedigende Ergebnisse hinsichtlich der Auslenkung des Amplitudenfrequenzganges. Mit der Modellierung des gedämpften Fahrbahnüberganges allein war eine Anpassung des FE-Modells nicht möglich gewesen. Wie vermutet stellte sich heraus, dass die auf der Brücke durchlaufenden Gleise Einfluss auf Steifigkeit und Dämpfung der Brücke, jedenfalls nach der Finite-Elemente-Berechnung, haben.<br />Die erhaltenen Erkenntnisse aus auf Versuchsergebnissen basierenden Finite-Elemente-Modellen, die weiters mit theoretischen Elementen ausgebaut wurden um die Realität abzubilden, werfen weitere Fragen in diesem Forschungsgebiet auf. Mit zusätzlichen Versuchen müssen diese Theorien in Zukunft geprüft werden, um den derzeitigen, noch nicht befriedigenden, Kenntnisstand zu verbessern und das entwickelte FE-Modell allgemein anwendbar zu machen.<br />[6] Fink, J. und J. Kirchhofer: Experimentelle Untersuchungen zum dynamischen Verhalten von Eisenbahnbrücken mit Schotteroberbau. Stahlbau, 80, 2011.<br />Berlin.<br />[13] Tobias Christoph Mähr: Theoretische und experimentelle Untersuchungen zum dynamischen Verhalten von Eisenbahnbrücken mit Schotteroberbau unter Verkehrslast. Doktorarbeit, TU Wien, 2009.<br />

In this thesis the behaviour of the ballast substructure of railway bridges was analysed. Measured data and results of calculations by finite element models had to be compared. Specific values are the damping and the stiffness of the ballast which transfers the shear forces from the rails to the truss. At present European standards for specific values of damping are declared conservatively. This has been shown by tests. For the investigation results of measurements by Mähr [13] who had tested a one to one model of a railway bridge were used.<br />This bridge had been built in the laboratory rooms of the Institute of Structural Engineering - Research Center of Steel Structures. A finite element model of this bridge was created and fitted to the results of measurements by Mähr. So the specific values of the ballast were found.<br />Fink & Kirchhofer [6] continued the studies of Mähr by testing a real bridge. This bridge is called Fahrenbachviadukt. For this bridge a finite element model was created as well.<br />For the model the specific values which had been found out for the bridge in laboratory were used. After the first calculation of this model a different output in comparison to results by [6] was shown. So the model had to be modified. In step one damping elements were added to the finite element model. Such elements simulate the dynamic friction of the apron plate. But the results of calculation were not exact enough.<br />In step two the rail track along the line continuing the rail track on top of Fahrenbachviadukt was integrated in the model. In this procedure calculation and measurement were brought together.<br />The technical expertise of this thesis has shown that many facts are still unknown. Dynamic behaviour of railway bridges can definitely be described by the finite element model but a lot of untested specific values are included. Therefore these facts have to be analysed in future to make the designed finite element model suitable for building railway bridges in an economic way.<br />[6] Fink, J. und J. Kirchhofer: Experimentelle Untersuchungen zum dynamischen Verhalten von Eisenbahnbrücken mit Schotteroberbau. Stahlbau, 80, 2011.<br />Berlin.<br />[13] Tobias Christoph Mähr: Theoretische und experimentelle Untersuchungen zum dynamischen Verhalten von Eisenbahnbrücken mit Schotteroberbau unter Verkehrslast. Doktorarbeit, TU Wien, 2009.