Lastverteilung im Schotteroberbau bei statischer und dynamischer Beanspruchung

Abstract

Eisenbahnbrücken mit Schotteroberbau werden für dynamische Berechnungen oft vereinfacht als einzelne Euler-Bernoulli-Balken modelliert, weil diese Wahl der Modellbildung aufgrund ihrer Einfachheit am wenigsten Eingangsparameter benötigt, welche bei komplexeren Modellbildungen nicht bekannt sein können oder für welche in der Fachliteratur stark streuende Angaben zu finden sind. Allerdings werden bei solchen vereinfachten Modellierungsverfahren große Abweichungen zwischen Berechnung und Messung in Bezug auf Brückenschwingungen beobachtet, welche neben den unsicheren Eingangsdaten auch durch die fehlende Berücksichtigung der Lastverteilung im Schotteroberbau erklärt werden können. Im Gegensatz zu einem einzelnen Euler-Bernoulli-Balken können die getrennt betrachteten Tragwerks- und Oberbaubalken miteinander durch Feder-Dämpfer-Elemente verbunden werden, um die mechanische Wirkung des Schotteroberbaues im Rahmen eines Koppelbalkenmodells explizit zu erfassen. Standardmäßig wird für die Kopplung eine lineare Federkennlinie angenommen, wobei die Kopplungssteifigkeit einen großen Einfluss auf die Lastverteilung und auf die rechnerische Brückenschwingung hat. Eine Versuchsreihe zeigt jedoch, dass das Schotterbett (neben einem nichtlinearen Dämpfungsverhalten) eine nichtlineare Federkennlinie hat, für welche noch keine Untersuchungen der Lastverteilung durchgeführt worden sind. Es bleibt zudem unbekannt, ob der Übergang von einer statischen auf eine dynamische Belastung sich ebenfalls auf die Lastverteilung auswirken würde. Aus diesen Gründen wird in der vorliegenden Diplomarbeit die Lastverteilung eines sowohl statisch als auch dynamisch belasteten elastisch gebetteten Gleisbalkens für verschiedene Oberbau-Steifigkeitsverhalten und für unterschiedliche Variationen der Eingangsparameter untersucht. Bei der Annahme sowohl einer linearen Federkennlinie als auch einer versuchstechnisch ermittelten nichtlinearen Federkennlinie für das Schotterbett wurde eine vom Lastniveau bzw. von der Lastamplitude unabhängige Lastverteilung festgestellt. Einen wesentlichen Einfluss auf die Lastverteilung zeigen hingegen die Schotterbettsteifigkeit, die Dämpfung des Oberbaues sowie die Anregungsfrequenz. Auf Basis der gewonnenen Ergebnisse werden einwirkungsseitige Lastverteilungsansätze für statische und dynamische Achslasten zum Einsatz im vereinfachten Euler-Bernoulli-Einzelbalkenmodell aufgestellt.

Railway bridges with ballasted tracks are often modelled as simplified single Euler-Bernoulli beams for dynamic calculations as this modelling approach, due to its simplicity, requires the fewest input parameters that, in case of more complex models, may be unknown or be subject to considerable variation in the technical literature. However, such simplified modelling methods often lead to significant discrepancies between calculated and measured bridge vibrations. These deviations can be attributed not only to the uncertain input data but also to the disregard of load distribution in a ballasted track superstructure. In contrast to a single Euler-Bernoulli beam model, the separately considered structural and track beams can be coupled via spring-damper elements to explicitly account for the mechanical behaviour of the ballast bed within a more sophisticated coupled beam model. A linear spring characteristic is typically assumed for this purpose, whereby the coupling stiffness has a significant influence on the load distribution and on the computed bridge vibration. However, a series of experiments demonstrates that the ballast (in addition to exhibiting a nonlinear damping behaviour) has a nonlinear spring characteristic, for which no investigations into load distribution have been conducted to date. Moreover, it remains unclear whether the transition from static to dynamic loading also affects the load distribution. For these reasons, this diploma thesis investigates the load distribution of an elastically supported track beam under both static and dynamic loading, considering various stiffness behaviours of the track superstructure and different variations of input parameters. Assuming a linear spring characteristic as well as an experimentally derived nonlinear spring characteristic for the ballast bed, the load distribution was found to be independent of the load level or load amplitude. In contrast, the ballast bed stiffness, the damping intensity of the track superstructure and the excitation frequency were observed to have a significant effect on the load distribution. Based on the obtained results, action-side load distribution models for static and dynamic axle loads are developed for application in the simplified single Euler-Bernoulli beam model.