Untersuchung zur Auswirkung der longitudinalen Verteilung von Zugachslasten auf Eisenbahnbrückenschwingungen im Resonanzfall

Abstract

Die vorliegende Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Dynamik von Eisenbahnbrücken,dabei werden Resonanzfälle betrachtet, bei welchen es zu beträchtlichen Schwingungsamplitudendes Tragwerks kommen kann.Im Fokus steht der Einfluss der longitudinalen Verteilung von Zugachslasten auf die dynamischeTragwerksantwort von Eisenbahnbrücken bei Zugüberfahrten. Dabei ist die Verteilungvon Zugachslasten auf mehrere anteilige Kräfte im Abstand der Schwellen eine Möglichkeit zur vereinfachten Berücksichtigung der lastverteilenden Wirkung des Schotterbetts.Diese Möglichkeit der Modellierung der lastverteilenden Wirkung des Schotterbetts hatden großen Vorteil gegenüber Simulationsprogrammen, welche die Eigenschaften des Schotterbetts durch Feder- und Dämpfermodelle abbilden, dass einfachere und recheneffizientereTragwerksmodelle zur Anwendung kommen.Im Zuge der Untersuchungen in der vorliegenden Arbeit werden anhand von mehreren numerischen Analysen unterschiedliche Lastverteilungsvarianten auf drei oder fünf Achslasten betrachtet.Die für die Simulation herangezogenen Hochgeschwindigkeitszüge werden als bewegte Einzellasten und als detailliertes Mehrkörpersystem, welches die Interaktion zwischen Fahrzeug und Brückentragwerk berücksichtigt, modelliert.Eingangs wird anhand einer Vorstudie an einem ausgewählten Brückentragwerk untersucht,ob die Lastverteilung bei den Berechnungen mit dem Einzellastmodell und mit dem Mehrkörpersystemdes Zugs unterschiedlichen Einfluss auf die dynamische Tragwerksantwort der Brücke hat.Anschließend werden bei einer breit aufgestellten Parameterstudie relevante Brückeneigenschaften ermittelt, durch welche sich eine rechnerische Berücksichtigung der Lastverteilung,im besonderen Maße auf die Beschleunigungs- und Durchbiegungsspitzen, welche im Resonanzfallauftreten, auswirkt. Des Weiteren wird ein Überblick über die erzielbaren Reduktionen der Brückenbeschleunigungen im Resonanzfall bei Berücksichtigung einer Verteilung der Achslasten auf drei bzw. fünf Einzelkräfte im Vergleich zu Berechnungen ohne Lastverteilung beim Zugmodell der bewegten Einzellasten gegeben. Als Fazit dieser Parameterstudie kann man festhalten, dass die Beschleunigungsreduktionen am stärksten von der Überfahrtsgeschwindigkeit der Züge beeinflusst werden, sowie, dass die maßgebenden Schwingungsamplituden aufgrund der überfahrenden regelmäßigen Kräfte im Abstand einer Wagenlänge über Puffer entstehen.

This thesis focuses on bridge dynamics. In particular it examines resonance cases, in whichconsiderable vibration amplitudes of the supporting structure can occur.The focus of this thesis is the influence of the longitudinal distribution of train axle loads on the dynamic structural response of railway bridges during train crossings. The division of train axle loads into proportional forces with the distance of the sleepers is one option of considering the load-distributing effect of the ballast bed in a simplified manner.This way of modelling the load-distributing effect of the ballast bed presents a major advantage:In contrast to existing simulation programs, which represent the properties of the ballast bed using spring and damper models, it employs easier and more computationally efficient structural models.In this investigation, various load distribution variants over three or five axle loads are considered on the basis of several numerical analyses.The high-speed trains used for the simulation are modelled as a series of moving axle loads and as a detailed multi-body system taking the interaction between the vehicle and the bridge structure into account.First, the preliminary study of a selected bridge structure is used to investigate whether the effect of load distribution in calculations with the single-load model differs from calculations with the multi-body system the dynamic structural response of the bridge.Subsequently, relevant bridge properties are determined in a comprehensive parameter study, in order to assess their effect on the acceleration peaks if load distribution is taken into account in the calculation. Finally, the achievable reductions in bridge vibrations in the resonance case in calculations with and without load distribution are compared. Inconclusion, it can be stated that acceleration reduction is influenced the most by the trains’crossing speed. Furthermore, the findings of this thesis show that the decisive oscillation amplitudes occur in consequence of moving constant forces in intervals of a vehicle lengthover buffers.