Dynamische Beurteilung von Eisenbahnbrücken und Modellanpassung einer bestehenden Fachwerksbrücke

Abstract

Im Schienenverkehr zeigt sich aus den Entwicklungen der letzten zwei Jahrzehnte ein klarer Trend zu schneller fahrenden Zügen, im Personenverkehr als auch im Güterverkehr. Sowohl in Deutschland als auch in Österreich wurden die zulässigen Geschwindigkeiten für verschiedene Streckenabschnitte erhöht. Beispielsweise verkehrt die Personenzuggarnitur Railjet seit dem Jahr 2012 mit 230 km/h auf großen Teilen der Westbahnstrecke. Diese Geschwindigkeitserhöhungen bringen eine große Herausforderung für den Bestand der gesamten Eisenbahninfrastruktur mitsich. Durch den klaren Trend der schneller verkehrenden Schienenverkehrsmittel wird die gesamte Eisenbahninfrastruktur stärker beansprucht. Ob nun Tunnel, Lärmschutzwände, Brücken oder sonstiges - durch die steigende Beanspruchung und Belastung der Infrastruktur gilt es diese entsprechend zu reevaluieren. Ein großer Fokus dieser Arbeit liegt auf der Berechnung und Beurteilung von Eisenbahninfrastrukturen, im Speziellen in der Berechnung und Bewertung von Eisenbahnbrücken.In Österreich gibt es mit etwa 6600 Brücken viele mögliche Problempunkte, um die erhöhten Anforderungen des Schienenverkehrs zu erfüllen. [1] Hierbei besteht zudem eine große Problematik,da die durchschnittliche Lebensdauer von Eisenbahnbrücken bei über 100 Jahren liegt. [2] Abgeleitet von dieser Problemstellung der Neubewertung werden zunächst vorhandene analytische Methoden aufbereitet, um die dynamische Antwort für den Bernoulli-Euler Balkenzu berechnen. Diese analytischen Methoden eigenen sich durch die kurze Berechnungszeit füreine hohe Anzahl an Berechnungen und dadurch auch dazu Geschwindigkeitsgrenzwerte aus bestehenden Regelwerken zu überprüfen. Beim Einhalten dieser Geschwindigkeitsgrenzwerte fürdie zugehörigen Streckenklassen ist bisher eine vereinfachte, quasi-statische Nachweisführung möglich gewesen. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt eine Klassifizierung für eine Sammlung von Zugdaten aus Normen, Messungen und künstlich generierten Zugdaten. Mit dieser Klassifizierung können die analytischen Methoden genutzt werden, um verschiedene Eisenbahnbrücken zu bewerten. Hierbei liegt die Bewertung von allgemeinen Eisenbahnbrücken im Fokus, um die Geschwindigkeitsgrenzwerte für die klassifizierten Streckenklassen zu überprüfen.Auch wenn es die analytischen Methoden ermöglichen Parameterstudien durchzuführen, so sind die möglichen Randbedingungen in diesem Fall auf den Einfeldbalken beschränkt. Gerade bei älteren Baukonstruktionen können Systemänderungen beispielsweise durch Zwänge und Schädigungen auftreten. Die Berechnungen am Balken können hier allerdings keine Auskunft über diese Problematik geben. Auch praktisch ist es sehr schwierig zu bestimmen, wie stark diese Zwänge wirken und die Kräfte im System beeinflussen. Bei der Untersuchung einer über 100 Jahre alten Fachwerksbrücke wird eine Modellanpassung an einem FE-Modell durchgeführt,um diese unbekannten Zwangsgrößen zu bestimmen. Durch die tatsächliche Berechnung durch eine Fehlerminimierung kann gezeigt werden, welchen Einfluss die Zwänge auf verschiedene Kräfte haben. Diese Berechnung und Validierung basiert auf verfügbaren Messdaten von über 70 Sensoren.In einem letzten Kapitel wird das 3D FE-Modell in einen Ersatzbalken übergeführt, um aucheine Berechnung mit den analytischen Methoden durchführen zu können. Damit kann aufgezeigt werden, wo die Grenzen für die Modellanpassung an der analytischen Berechnung liegen. Für die Vereinfachung der Fachwerksbrücke können zudem sehr rasch die zulässigen Geschwindigkeiten für die zuvor definierten und klassifizierten Personen- als auch Güterzüge ermittelt werden. Dies kann wiederum mit den zuvor ermittelten Ergebnissen für die Balkenbrücken in Bezug gesetzt werden.Mit diesen Methoden gilt es möglichst allgemeine Brückentragwerke als auch Zuganregungen mit den Inhalten der DIN EN 15528 [3] zu vergleichen. Anderseits wird auch eine Bewertung einer bestehenden Fachwerksbrücke anhand einer Modellanpassung durchgeführt. Auch an diesem umfangreichen FE-Modell gilt es die Möglichkeiten und Grenzen der analytischen Methoden aufzuzeigen.

In European rail transport, developments over the past two decades have shown a clear trend toward faster trains, in both passenger and freight transport. In both Germany and Austria, the permissible speeds for various sections of route have been increased. For example, the Railjetpassenger train set has been running at 230 km/h on large sections of the Westbahn line since2012. These increased speeds bring with them a major challenge for the existing of the entire railinfrastructure. Due to the clear trend of faster rail traffic, the entire rail infrastructure is subjected to greater loads. Whether it is tunnels, noise barriers, bridges or anything else - the increasing forces on the infrastructure require an appropriate re-evaluation of the existing infrastructure. Amajor focus of this work is the calculation and evaluation of railroad infrastructures, in particular the calculation and evaluation of railroad bridges.In Austria, there are about 6600 bridges and therefore many possible problem points to meet the increased requirements of rail traffic. [1] There is also a big problem here, since the average lifetime of railroad bridges is over 100 years. [2]Derived from this problem of re-evaluation, existing analytical methods are first reviewed to calculate the dynamic response for the Bernoulli-Euler beam. Due to the short computation time, these analytical methods are suitable for a high number of computations and thus also for checking velocity limits from existing codes. Up to now, a simplified, quasi-static verification has been possible when complying with these velocity limit values for the corresponding track classes. Within the scope of this work, a classification is made for a collection of train data from standards, measurements and artificially generated train data. With this classification, analytical methods can be used to evaluate different railroad bridges. Here, the focus is on the evaluation of general railway bridges in order to verify the speed limits for the classified track classes.Even if the analytical methods allow parameter studies to be carried out, the possible boundary conditions in this case are limited to the simply supported beam. Especially in older structures,system changes can occur. For example, due to constraints and damage. However, the previously performed calculations on the beam cannot provide information on this problem. It is also quite difficult to determine in practical terms the extent to which these constraints act and influence the forces in the system. In the examination of a truss bridge that is over 100 years old, amodel-updating is performed using an FE model in order to determine these unknown constraints.By performing an error minimization computation, it is possible to show the influence of the constraints on various forces. This calculation and validation is based on available measurement data from over 70 sensors.In a final chapter, the 3D FE-model is transferred into an equivalent beam in order to also perform a calculation with the analytical methods. This can be used to show where the limits formodel-updating with analytical calculation occur. For the simplification of the truss bridge, the permitted speeds for the previously defined and classified passenger as well as freight trains can also be determined quite fast. This in itself can be related to the previously determined results for the truss bridges.With these methods, it is intended to compare and evaluate general bridge structures as well as train excitations with the contents of DIN EN 15528 [3]. On the other hand, an evaluation ofan existing truss bridge is carried out on the basis of a model-updating. The possibilities and limitations of analytical methods are also to be shown on this comprehensive FE model.