Contribution to a substantiated description of the dynamic behaviour of railway bridges with ballast bed

Abstract

Der europaweite Aufbau eines interoperablen Eisenbahnhochgeschwindigkeitsnetzes stellt erhöhte Ansprüche an die bestehende Infrastruktur des Bahnbetriebes. Durch die zunehmende Reisegeschwindigkeit ergeben sich auch größere dynamische Anregungen der Brückentragwerke. Wird ein Brückenbauwerk von einem Zug befahren, so wird dieses dynamisch zu Schwingungen angeregt. Findet eine solche Anregung in einem bestimmten Frequenzbereich statt, nämlich jenem der einer Eigenfrequenz der Brücke entspricht, können Resonanzerscheinungen auftreten. Dies führt zur dynamischen Überhöhung (auch als "Aufschaukeln" bekannt) von Verschiebungen und Beschleunigungen und im Hinblick auf die der Gebrauchstauglichkeit - im schlimmsten Fall betrifft dies auch die Tragfähigkeit - zu einem ungenügenden Tragverhalten. Insbesondere Brücken mit geringen Spannweiten sind für Zugsüberfahrten mit hohen Geschwindigkeiten resonanzanfällig.<br />Diesbezüglich sieht die Normung Kriterien vor, um ein anforderungsspezifisches dynamisches Verhalten zu gewährleisten.<br />Einen wesentlichen Parameter zur Erfüllung der Vorgaben stellt dabei das Dämpfungsmaß der Brückenkonstruktion dar. Es reduziert die dynamische Überhöhung und demzufolge die maximal auftretenden Beanspruchungen und beugt so negativen Effekten (Destabilisierung des Korngerüstes des Schotteroberbaues, Lagesicherheit des Gleises usw.) aufgrund zu hoher Verformungs- und Beschleunigungswerte vor. Zuverlässige Dämpfungsangaben für Brückenkonstruktionen können selbst in heutiger Zeit nur versuchstechnisch bestimmt werden, wobei auch an den Versuch gewisse Anforderungen gestellt werden müssen. Zur Anregung von Brückenkonstruktionen stehen derzeit hauptsächlich drei verschiedene Möglichkeiten (ambiente Anregung, Anregung durch Zugsüberfahrten und Impulsanregung) zur Verfügung, welche sich ihrerseits durch den benötigten zeitlichen Aufwand aber auch hinsichtlich der Plausibilität ihrer Ergebnisse (im Speziellen betrifft dies die Angabe von Dämpfungswerten) unterscheiden. Eine wesentliche Genauigkeitssteigerung bei der Ermittlung dynamischer Parameter (Eigenfrequenz und Dämpfung) erhält man durch den Einsatz von Phasenresonanzverfahren, welche mit Hilfe harmonischer Anregung eine gezielte Bestimmung einzelner Eigenschwingungsformen ermöglichen. Dies gelingt jedoch erst mit der Verfügbarkeit geeigneter Anregungsgeräte, welche im Zuge dieser Arbeit vorgestellt werden. Je nach Art des Bauwerks und der gegebenen Gleisführung ist es in Zukunft möglich, unabhängig von Straßenanbindung und anderer Infrastruktur, Biegeeigenfrequenzen, Torsionsschwingungsformen und deren zugehörige Dämpfungen empirisch zu ermitteln.<br />Bei der dynamischen Berechnung von Brückentragwerken zeigt sich gegenwärtig eine eindeutige Diskrepanz zwischen Berechnungen, welche normbasierte Angaben berücksichtigen und solchen, die im Gegensatz dazu auf versuchstechnisch ermittelte Kenngrößen zurückgreifen. Aus den Ergebnissen lässt sich ablesen, dass bei den getesteten Brücken eine höhere Steifigkeit und Dämpfung vorliegt, als dies rechnerisch über Normvorgaben zu berücksichtigen möglich wäre. So gesehen liegen derzeit ungenutzte dynamische Systemreserven vor, die es in Zukunft bewertbar und nutzbar zu machen gilt.<br />Die Ermittlung spezifischer Kennwerte des Schotteroberbaues von Eisenbahnbrücken und die Ableitung eines mechanischen Modells ist dafür unerlässlich. Nur so gelingt es, die zuvor erwähnten Parameter (Steifigkeit und Dämpfung) des Oberbaues in die Berechnung einzuführen.<br />Die Steifigkeit und Dämpfung des Schotterbettes wird nun gezielt über Feder- und Dämpferkennwerte modelliert. Um eine erste Abschätzung dieser Größen zu erzielen, wurde das mechanische Modell an experimentelle Versuchsergebnisse anhand von Labor- und Feldversuchen angepasst. Mit Hilfe der erarbeiteten Grundlagen gelingt die Einbeziehung von Systemkomponenten, die bisher lediglich als Belastung oder überhaupt nicht in der dynamischen Berechnung berücksichtigt werden konnten.<br />Gerade für den Stahlbau sind die getätigten Aussagen dieser Arbeit von großem Interesse, da der Werkstoff Stahl bei allen Vorteilen, welche er im Eisenbahnbrückenbau mit sich bringt, eine normbedingte Schlechterstellung gegenüber anderen Baumaterialien, hinsichtlich der geringen Dämpfungseigenschaften, hinnehmen muss. Durch den Einsatz des über experimentelle Untersuchungen plausibilisierten Rechenmodells können alle Komponenten einer Stahleisenbahnbrücke mit Schotteroberbau im Zuge dynamischer Berechnungen berücksichtigt werden. Dies führt zu einer wesentlichen Verbesserung der resultierenden Ergebnisse (im Sinne einer realitätsnahen Beschreibung des Tragverhaltens) und folglich zu einer höheren Konkurrenzfähigkeit des Stahlbrückenbaues.<br />

The pan-European establishment of an interoperable high-speed railway network places high demands on the existing railway infrastructure. Greater travelling speed results in increased dynamic excitations of the bridge structures. When a train enters a bridge structure, the latter is subject to dynamic vibration excitations. If such an excitation takes place within a frequency spectrum, containing eigenfrequencies of the bridge, resonance effects occur. In particular bridges with small span lengths are susceptible to resonances caused by trains crossing at high speed. In this respect, standards provide criteria for the dynamic behaviour of bridge constructions.<br />An essential parameter to comply with these criteria is the damping ratio of the bridge construction. It reduces the dynamic magnification factor and therefore the maximum constraints and prevents negative effects (destabilisation of the grain structure of the ballast bed, position stability of the tracks etc.) due to high deformation and acceleration values.<br />Even today, reliable damping factors for bridge construction can only be determined by tests, although the tests are subject to certain requirements. At the moment, there are mainly three possibilities to excite bridge constructions (ambient excitation, excitation through trains crossing and excitations by means of impulse hammers), which differ in the required time for testing, but also in the plausibility of their results, in particular with regard to the damping ratio. A substantially higher accuracy when determining dynamic parameters (eigenfrequencies and damping ratios) is achieved by using phase resonance techniques, which allow a focused determination of individual mode shapes by means of harmonic excitations. This is only possible with appropriate excitation devices, which are to be presented in this thesis. Depending on the structure type and the existing track layout it will be possible in the future to empirically determine the bending and torsional eigenfrequencies and their respective damping, irrespective of the bridge accessibility and other infrastructures.<br />Currently, the dynamic calculation of bridge structures is characterised by unambiguous discrepancies between the standard-based factors to be considered and the factors obtained by testing. Comparing the two, it turns out that the tested bridges show a higher bending stiffness and damping than prescribed by the standards. From this perspective, there are unused (dynamic) system properties which are to be evaluated and used in the future.<br />This objective requires the determination of specific parameters of the ballast bed of railway bridges (stiffness and damping) and the derivation of a mechanical model to include the parameters mentioned above in the calculation. Stiffness and damping of the ballast bed are now modelled via spring and damping parameters. In order to estimate these factors, the mechanical model was adapted to experimental test results from laboratory and field tests. By means of the worked out basic concepts, system components (spring and damping parameters of the ballast bed) that have been hitherto regarded as dead loads or not at all can now be taken into account in calculation. The findings of this thesis are of great interest in particular for steel construction, since the material steel - despite all advantages it has in railway bridge construction - is considered to have less damping ratios as compared to other construction materials according to the standards. When using the calculation model described in this thesis, proved to be plausible by means of experimental tests, all components of a steel railway bridge with ballast bed can be taken into account in dynamic calculations. This leads to a substantial improvement of the obtained results (in its essence a reality-close description of the load bearing behaviour), and therefore in a higher competitiveness of steel bridge construction.