Vergleich verschiedener Modellierungsstrategien für dynamische Berechnungen von Eisenbahnbrückenschwingungen

Abstract

Die Nachweise im dynamischen Lastfall stellen insbesondere im Hochgeschwindigkeitsverkehr einezentrale Herausforderung sowohl im Entwurf von neuen Eisenbahnbrücken als auch bei der Beurteilung bestehender Tragwerke im europäischen Schienennetz dar. Eine besondere Rolle spielt dabei die Einhaltung der normativen Grenzbeschleunigungen des Tragwerks in vertikale Richtung, da mit zunehmender Überfahrtsgeschwindigkeit Resonanzphänomene, die durch die periodische Anregung bei Zugüberfahrten entstehen, zu hohen Beschleunigungsamplituden führen können. Diese Phänomene führen nicht nur zu erheblichen mechanischen Beanspruchungen der Tragwerke, sondern können auch Destabilisierungsprozesse des Oberbaus und ein erhöhtes Entgleisungsrisiko zur Folge haben.Die zur Prognose der Beschleunigungen zur Verfügung stehenden Berechnungsmethoden bieten inder Regel eine konservative Näherung des tatsächlichen Tragverhaltens von Eisenbahnbrücken. DieTreffgenauigkeit dieser Methoden hängt jedoch stark von der Komplexität des zugrunde gelegten mechanischen Modells ab, welches das dynamische System aus Zug, Oberbau und Tragwerk beschreibt.Je präziser die Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Elementen des Systems simuliert werden,desto realitätsnäher fallen die Prognosen aus. Dies trägt zu einer wirtschaftlichen und gleichzeitig sicheren Planung von Tragwerksentwurf, Betrieb und Instandhaltung bei. Allerdings stehen die für eine detaillierte Modellbildung erforderlichen Rechenkapazitäten und Informationen bezüglich derTragwerks- und Zugeigenschaften selten zur Verfügung. Einfachere Modelle hingegen erfordern zwar weniger Aufwand und Eingangsparameter, neigen jedoch dazu, die Beschleunigungsamplituden deutlich zu überschätzen, was in der Praxis zu ressourcen intensiven Messkampagnen, Ertüchtigungs- oder sogar Neubaumaßnahmen führen kann.Im Rahmen der vorliegenden kumulativen Dissertation werden daher verschiedene einfache Modellbildungen von Zug und Brücke sowie Erweiterungen dieser Modelle zur Berücksichtigung der Interaktionsdynamiken zwischen Zug, Oberbau und Tragwerk verwendet. Ziel ist es, zu analysieren, unter welchen Bedingungen diese Erweiterungen einen signifikanten Einfluss auf die Berechnungsergebnisse haben. Durch umfassende Parameterstudien werden Gesetzmäßigkeiten zwischen diesem Einfluss und verschiedenen Tragwerkseigenschaften identifiziert und quantifiziert. Die Untersuchungen beschränken sich auf einfeldrige und eingleisige Brücken mit Schotteroberbau, welche einen Großteil der Bestandsbrücken im österreichischen Schienennetz bilden. Für diese Brücken stellen die Nachweise der Beschleunigungsamplituden mit steigenden Geschwindigkeiten der Betriebszüge das kritische und mit einfachen Modellen schwer zu erfüllende Bemessungskriterium dar.Im ersten Teil der Arbeit wird zunächst ein thematischer Überblick gegeben und die in den Studien verwendeten Berechnungsmodelle erläutert. Der Schwerpunkt der Untersuchungen liegt einerseits auf der Fahrzeug-Brücken Interaktion, die durch ein Mehrkörpermodell des Zuges abgebildet wird. Diese Methode erfordert jedoch zuverlässige Informationen über die Zugeigenschaften, die von den Herstellern häufig nicht veröffentlicht werden, was insbesondere bei der Einführung neuer Zugtypen eine wachsende Herausforderung darstellt.Daher fokussiert sich der Großteil der Arbeit auf die Gleis-Tragwerk Interaktion und die lastverteilende Wirkung des Schotteroberbaus, die durch ein einfach implementierbares zweilagiges Koppelbalkenmodell der Brücken simuliert wird. Die Berücksichtigung dieser Interaktionsdynamik stellt sich vor allem für Tragwerke im kurzen bis mittleren Spannweitenbereich als äußerst günstig heraus. Auch für die Koppelbalkenmodellierung der Brücken sind gegenüber einfacheren Modellen zusätzliche Eingangsparameter erforderlich, die einen erheblichen Einfluss auf die Ergebnisse haben können. Durch die Variation zahlreicher Parameter in den numerischen Untersuchungen können wesentliche Einflussfaktoren,wie beispielsweise die angesetzte Kopplungssteifigkeit, die die dynamische Nachgiebigkeit des Schotteroberbaus beschreibt, und daraus resultierender weiterer Forschungsbedarf, wiedie experimentelle Bestimmung dieser Steifigkeit, identifiziert werden.Die Ergebnisse der numerischen Studien und die daraus abgeleiteten Erkenntnisse werden im Einleitungsteil der Arbeit zusammengefasst und sind in den vier, den Hauptteil der Arbeit bildenden Publikationen dokumentiert. Diese Ergebnisse erlauben es zukünftig, Empfehlungen zur zielgerichteten Wahl der Modellkomplexität in Abhängigkeit der Tragwerksparameter zu formulieren. Damit leisten die Erkenntnisse einen Beitrag zur realistischeren Beurteilung des dynamischen Verhaltens von Eisenbahnbrücken unter Zugverkehr. Angesichts der derzeitigen und zukünftigen Intensivierung des Zugverkehrs kann dies dazu beitragen, die Kapazitäten der vorhandenen und leistungsfähigen Infrastruktur effizient zu nutzen und zukünftige prädiktive Instandsetzungskonzepte zu entwickeln.

Verifications during dynamic loading represent a crucial challenge both in designing new railwaybridges and assessing existing structures in the European rail network, particularly in high-speed traffic.Compliance with the normative acceleration limits of the structure in the vertical direction plays a particular role here, as resonance phenomena caused by the periodic excitation during train crossings can lead to high acceleration amplitudes as the crossing speed increases. These phenomena not only lead to considerable mechanical stresses on the supporting structures but can also result in destabilization processes of the superstructure and an increased risk of derailment.The calculation methods available for predicting accelerations generally provide a conservative approximation of the actual dynamic behavior of railway bridges. However, the accuracy of these methods depends heavily on the complexity of the underlying mechanical model, which describes the dynamic system consisting of the train, superstructure, and supporting structure. The more precisely the interactions between the various elements of the system are simulated, the more realistic the predictions will be. This contributes to the economic and, at the same time, safe planning of structural design,operation, and maintenance. However, the computing capacities and information regarding structural and train properties required for detailed modeling are rarely available. Simpler models, on the other hand, require less effort and input parameters but tend to significantly overestimate the acceleration amplitudes, which, in practice, can lead to resource-intensive measurement campaigns, upgrading,or even new construction measures.This cumulative dissertation uses various simple models of trains and bridges, as well as extensions of these models, to take into account the interaction dynamics between trains, superstructures, and supporting structures. The aim is to analyze under which conditions these extensions significantly influence the calculation results. Comprehensive parameter studies are used to identify and quantify relations between this influence and various structural properties. The investigations are limited to single-span and single-track bridges with ballasted superstructures, which make up a large part of existing bridges in the Austrian rail network. For these bridges, proofing compliance with the acceleration limits represents, with increasing speeds of the operating trains, the critical design criterion that is difficult to fulfill with simple models.A thematic overview is given in the first part of the thesis, and the calculation models used in the studies are explained. On the one hand, the studies focus on the vehicle-bridge interaction, which is modeled using a multi-body model of the train. However, this method requires reliable information about the train characteristics that are often not published by the manufacturers, which is becoming a growing challenge, especially when new train types are introduced. Therefore, most of the work focuses on the track-bridge interaction and the load-distributing effect ofthe ballasted superstructure, which is simulated by an easily implementable two-layer coupling beam model of the bridges. The consideration of these interaction dynamics proves to be very beneficial,especially for structures in the short to medium-span range. Compared to simpler models, additional input parameters are also required for the coupled beam modeling of bridges, which considerably influence the results. By varying numerous parameters in the numerical investigations, significant influencing factors, such as the applied coupling stiffness, which describes the dynamic flexibility of the ballasted superstructure, and the resulting need for further research, such as the experimental determination of this stiffness, can be identified.The results of the numerical studies and the findings derived from them are summarized in the introductory part of the thesis and documented in the four publications that form the main part of the thesis.These conclusions will enable to formulate recommendations for the targeted choice of model complexitydepending on the structural parameters. The findings thus contribute to a more realistic assessment of the dynamic behavior of railway bridges under train traffic. In view of the current and future intensification of train traffic, this can help to make efficient use of the capacities of the existingand efficient infrastructure and to develop future predictive maintenance concepts.