Recheneffizientes Simulationsprogramm zur dynamischen Analyse von Eisenbahnbrücken unter Verwendung von Mehrkörpermodellen und trigonometrischen Ansatzfunktionen

Abstract

Im Zuge der vorliegenden Arbeit wurde ein numerisches Simulationsprogramm entwickelt, das die Schwingungsantworten von Eisenbahnbrücken bei Zugüberfahrten ermittelt. Im Vordergrund steht dabei der Einfluss der Dämpfung des Schotterbetts auf die vertikalen Beschleunigungen des Brückentragwerks, wobei der im Rahmen dieser Arbeit untersuchte Dämpfungsmechanismus des Schotterbetts den vertikalen Relativverschiebungen zwischen Gleisrost und Brückentragwerk zugeordnet werden kann. Das Simulationsprogramm kann zwei Modellierungen der Eisenbahnbrücke umsetzen, das Einfeldträgermodell und das Koppelträgermodell, deren dynamische Biegelinien mit trigonometrischen Ansatzfunktionen angenähert werden.Bei der Modellierung als Koppelträger wird die Brücke in zwei Balken unterteilt, den Gleisrost und das Brückentragwerk, die durch die Steifigkeits- und Dämpfungseigenschaften des Schotterbetts dynamisch gekoppelt sind. Das Schotterbett wird dabei durch diskrete Feder-Dämpfer-Elemente modelliert. Das Einfeldträgermodell betrachtet das Brückentragwerk und den Oberbau als einen Balken, wobei das dynamische Verhalten des Schotterbetts unberücksichtigt bleibt.Für die Modellierungen werden die theoretischen Grundlagen erläutert und Parameterstudien von simulationsrelevanten Parametern durchgeführt, um das Konvergenzverhalten der Ergebnissezu analysieren und dabei die simulationsrelevanten Parameter zu optimieren.Um die Ergebnisse des Simulationsprogramms zu validieren, werden die ermittelten Schwingungsantwortenden Ergebnissen bereits bestehender Berechnungen für real existierende Eisenbahnbrücken gegenübergestellt und verglichen, wobei das Simulationsprogramm die Ergebnisse bereits bestehender Berechnungen reproduzieren kann.Durch Vergleiche der Ergebnisse von Simulationen für ausgewählte Zug- und Brückeneigenschaften bei Verwendung beider Modellierungen wird auf die Frage eingegangen, welchen Einfluss die Schotterbettdämpfung in den Simulationsberechnungen auf die Schwingungsantworten hat.Dabei zeigt sich, dass die Berücksichtigung der Schotterbettdämpfung bei Zuggeschwindigkeiten,bei denen Resonanzschwingungen auftreten, nur geringen Einfluss auf die vertikalen Beschleunigungen des Brückentragwerks hat, während sie bei niedrigeren Zuggeschwindigkeiten eine deutliche Reduzierung der Beschleunigungen bewirkt.Da die Kennwerte der Schotterbettdämpfung oft nicht bekannt sind oder messtechnisch nur sehr aufwendig ermittelt werden können, wird außerdem für ausgewählte Zug- und Brückeneigenschaften die Fragestellung untersucht, wie sich die Variation des Kennwerts der Schotterbettdämpfung auf die Beschleunigungen des Brückentragwerks auswirkt.

In the course of the present work a numerical simulation program was developed that determines the vibration responses of railway bridges during train crossings. The focus is on the influence of the damping of the ballast bed on the vertical accelerations of the bridge structure, where by the damping mechanism of the ballast bed investigated in this work can be assigned to the vertical relative displacements between the track grid and the bridge structure. The simulationprogram can implement two models of the railway bridge, the single span girder model and the coupled girder model, whose dynamic deflection curves are approximated with trigonometric shape functions.When modeling as a coupled girder, the bridge is divided into two beams, the track panel andthe bridge structure, which are dynamically coupled by the stiffness and damping properties of the ballast bed. The ballast bed is modeled by discrete spring-damper elements. The single span girder model regards the bridge structure and the superstructure as a beam, where by the dynamic behavior of the ballast bed is not taken into account.For the modeling, the theoretical basics are explained and parameter studies of simulationrelevantparameters are carried out in order to analyze the convergence behavior of the results and there by optimize the simulation-relevant parameters.In order to validate the results of the simulation program, the determined vibration responses are compared with the results of already existing calculations for real existing railway bridges,where by the simulation program can reproduce the results of previously executed calculations.By comparing the results of simulations for selected train models and bridge properties when using both models, the question of what influence the ballast bed damping has on the vibration responses in the simulation calculations is addressed. It turns out that the consideration of the ballast bed damping at train speeds at which resonance vibrations appear has only a minorinfluence on the vertical accelerations of the bridge structure, while at lower train speeds it causesa significant reduction in the accelerations.Since the characteristic values of the ballast bed damping are often not known or can only be measured with great effort, the question of how the variation of the characteristic value of the ballast bed damping affects the accelerations of the bridge structure is also investigated for selected train models and bridge properties.