Einfluss des nichtlinearen Schotteroberbauverhaltens auf die horizontale Gleis-Tragwerk Interaktion zur dynamischen Beurteilung von Eisenbahnbrücken

Abstract

Die realistische Prognose der Schwingungsantwort von Eisenbahnbrücken, die sich aus der dynamischen Anregung infolge Zugüberfahrten ergibt, ist eine grundlegende Aufgabe des konstruktiven Ingenieurbaus beim Ausbau und der Instandhaltung von Eisenbahnstrecken. Insbesondere unter Hochgeschwindigkeitsverkehr können einfeldrige Brücken mit geringen bis mittleren Spannweiten von Resonanzeffekten betroffen sein, die zu einer unerwünschten Amplifizierung der Schwingungsamplituden bzw. Beschleunigungen führen können. Dies führt oft zu notwendigen kostenintensiven Messungen, resultierend aus einer unwirtschaftlichen bzw. konservativen Beurteilung von Bestandsbrücken. Die rechnerisch ermittelten dynamischen Parameter, wie die Biegeeigenfrequenz und das Lehr'sche Dämpfungsmaß, welche die Brücke in dynamischer Hinsicht charakterisieren, weisen jedoch häufig eine Diskrepanz zu den an bestehenden Tragwerken durchgeführten Schwingungsmessungen auf. In dieser Hinsicht besteht Forschungsbedarf, um zuverlässige Eingangsparameter und mechanische Modelle für die Ingenieurpraxis zu generieren.Die horizontale Interaktion zwischen Gleis und Tragwerk beeinflusst die Ergebnisse von dynamischen Analysen maßgeblich. Am Institut für Tragkonstruktionen/Forschungsbereich Stahlbau der TU Wien wurde das reale Verhalten anhand einer Großversuchsanlage erforscht. Hierbei wurden nichtlineare Eigenschaften des Schotteroberbaus identifiziert, die in dynamischen Berechnungen Berücksichtigung finden sollten.Die Nichtlinearität des horizontalen Gleis-Tragwerk Interaktion zeigt sich durch eine überdominante Amplitudenabhängigkeit der Steifigkeit, wobei eine Steifigkeitsbnahme im Schotteroberbau bei höheren horizontalen Relativverschiebungen zwischen Gleisrost und Tragwerk festgestellt wird. Die Dämpfung des Schotteroberbaus hingegen ist von einer Frequenzabhängigkeit geprägt, wobei die ebenfalls messtechnisch identifizierten Dämpfungskennwerte insgesamt drei Energiedissipationsmechanismen zugeordnet sind.In dieser Arbeit werden die maßgebenden Steifigkeits- und Dämpfungsbeiträge des Schotteroberbaus zur Systemsteifigkeit und -dämpfung in Rechenmodelle implementiert. Dabei liegt der Schwerpunkt auf dem Koppelbalkenmodell, das aus zwei Euler-Bernoulli Balken besteht, jeweils einer für das Tragwerk und einer für die Schiene. Diese Balken sind durch eine horizontale kontinuierliche Feder-Dämpfer Kopplung miteinander verbunden, die die Steifigkeits- und Dämpfungseigenschaften des Schotteroberbaus repräsentiert. Es wird zudem angenommen, dass beide Balken vertikal starr gekoppelt sind und daher eine identische Biegelinie aufweisen.Des Weiteren werden Korrekturfaktoren formuliert, um die Nichtlinearität zu berücksichtigen, selbst wenn lineare Systemparameter verwendet werden, ohne auf computergestützte Methoden zurückgreifen zu müssen. Mithilfe dieser Korrekturfaktoren werden die Schotterfedersteifigkeit im Feldbereich und die Vorlandsteifigkeit im Vorlandbereich angepasst. Bei der Ermittlung der ersten Biegeeigenfrequenz hat die Erhöhung der Modellierungstiefe nur einen geringen Einfluss auf die Ergebnisse. Die Berücksichtigung der Nichtlinearitäten und des Vorlandbereichs des Schotteroberbaus führt jedoch zu zuverlässigeren Dämpfungsmaßen, wobei die Ergebnisse das gemessene Verhalten von Bestandsbrücken deutlich genauer reproduzieren.Ein weiterer essenzieller Aspekt bei der umfassenden Modellierung von Eisenbahnbrücken liegt in der Berücksichtigung des Einflusses der Vorlandbereiche vor und nach der Brücke bei der Bestimmung der dynamischen Parameter. Sofern keine Schienenauszugvorrichtung vorhanden ist, unterliegt auch der Schotteroberbau im Vorlandbereich einer dynamischen Anregung, was einen bedeutenden Beitrag zur Masse und Steifigkeit des gesamten Brückensystems darstellt. Die Vorlandbereiche werden bis zu einer bestimmten Länge über den Auflagerbereich hinaus als Einmassenschwingersysteme mit einer Ersatzmasse und -steifigkeit mitmodelliert, die mit dem Brückensystem gekoppelt sind. Die Erfassung der Vorlanddämpfung erfolgt in Verbindung mit den Dämpfungsmechanismen im Brückenbereich durch Energiebetrachtungen, um eine quantitative Abschätzung zu ermöglichen.Als wesentliches Ergebnis dieser Arbeit werden Bestimmungsgleichungen für die dynamischen Parameter Biegeeigenfrequenz und Lehr'sches Dämpfungsmaß des Brückensystems abgeleitet. Dabei werden das nichtlineare Stoffverhalten des Schotteroberbaus und des Vorlandbereichs berücksichtigt. Die Evaluierung und Verifizierung des rechnerischen Ansatzes zeigt eine deutliche Übereinstimmung mit den dynamischen Parametern realer Eisenbahnbrücken, welche aus Messdaten identifiziert wurden. Dies stellt einen Fortschritt im Forschungskontext dar, der darauf abzielt, die Abweichung zwischen den gemessenen Werten und den berechneten Ergebnissen zu reduzieren und alternative Ansätze zu den konservativen normativen Vorgaben bereitzustellen. Dadurch wird eine präzisere Bewertung von Bestandsbrücken ermöglicht und gleichzeitig eine nachhaltigere Dimensionierung zukünftiger Eisenbahnbrücken angestrebt.

Accurate prediction of vibration response of railway bridges resulting from the dynamic excitation due to train crossings is a fundamental task of structural engineering in the development and maintenance of railway lines. Single-span bridges with small to medium spans can be affected by these resonance effects, especially during high-speed traffic. These effects lead to an undesired amplification of vibration amplitudes or accelerations requiring necessary cost-intensive measurements and assessment of existing railway bridges. However, calculations of simulated dynamic parameters characterizing the bridge, such as natural bending frequency and damping ratio, show a discrepancy with the measurements on existing structures. In this respect, research is needed to generate reliable input parameters and mechanical models for engineering practice and dynamic assessment.The horizontal interaction between the track and the supporting structure influences the results of the dynamic analyses significantly. Therefore, the nonlinear behavior of the ballast superstructure observed at the Institut of Structural Engineering / Research Unit of Steel Structures of the TU Wien based on a special large-scale test facility should be considered as a bouncing point of the research and calculations of this phenomena.The nonlinearity is manifested by an overdominant displacement amplitude dependence of the stiffness, with a stiffness decrease in the ballast superstructure being observed at higher relative horizontal displacements between the track and the supporting structure. The damping of the ballast superstructure, on the other hand, is characterized by a frequency dependence, with the damping characteristics, also identified by measurement, being assigned to a total of three energy dissipation mechanisms.In this work, the governing stiffness and damping contributions of the ballast superstructure to the system stiffness and damping are implemented in computational models. The focus is on the coupling beam model, which consists of two Euler-Bernoulli beams, one for the structure and one for the rail, connected by a horizontal continuous spring-damper coupling representing the stiffness and damping characteristics of the ballast superstructure. It is also assumed that both beams are rigidly coupled vertically and therefore have an identical bending line.Furthermore, correction factors are formulated to consider nonlinearities even when linear system parameters are used without resorting to computer-aided methods. With these correction factors, the ballast spring stiffness in the bridge span and the embankment stiffness can be adjusted. When determining the first natural bending frequency, increasing the modeling depth only has a minor influence on the results. However, taking into account the nonlinearities and the embankment before and after the bridge leads to more reliable damping measurements, with the modeled results reproducing the measured behavior of existing bridges much more accurately. Another essential aspect in the comprehensive modeling of railway bridges is the consideration of the influence of the embankment areas before and after the bridge when determining the dynamic parameters. If a breather switch device is present, the ballast superstructure in the embankment is also subject to dynamic excitation, which represents a significant contribution to the mass and stiffness of the entire bridge system. The embankment areas are co-modeled up to a certain length beyond the support area as single-mass vibration systems with an equivalent mass and stiffness coupled to the bridge system. Embankment damping is captured in conjunction with the damping mechanisms in the bridge area using energy considerations to provide a quantitative estimate.The main result of this thesis is the derivation of equations for the dynamic parameters fundamental frequency and damping ratio of the bridge system. The nonlinear material behavior of the ballast superstructure and the foreland area are considered in the calculations. The evaluation and verification of the computational approach shows a clear correlation with the parameters of real railway bridges, which were identified from measured data. This represents a step in the research context aimed at reducing the discrepancy between measured values and calculated results and provides alternative approaches to the conservative normative specifications. This will enable a more accurate assessment of existing bridges and at the same time aim at a more sustainable dimensioning of future railway bridges.