Aufbau von messdatengestützten Digitalen Zwillingen von Eisenbahnbrücken im Hochgeschwindigkeitsnetz

Abstract

Eisenbahnbrücken im Hochgeschwindigkeitsnetz werden infolge steigender Zuggeschwindigkeiten, höherer Achslasten und wachsender Verkehrsbeanspruchung zunehmend dynamisch belastet. Gleichzeitig bilden konventionelle Verfahren der Zustandsbewertung das reale Trag- und Schwingungsverhalten häufig nur eingeschränkt ab. Vor diesem Hintergrund gewinnt das Konzept des Digitalen Zwillings im Brückenbau an Relevanz. Da der Begriff in Forschung und Praxis jedoch uneinheitlich verwendet und oft nicht klar von verwandten Konzepten wie Digital Model, Digital Shadow oder BIM abgegrenzt wird, verfolgt die vorliegende Arbeit zwei Ziele: Zum einen wird der Begriff des Digitalen Zwillings für den Kontext von Eisenbahnbrücken theoretisch präzisiert, zum anderen wird auf dieser Grundlage ein physikbasiertes Kernmodul für eine bestehende Eisenbahnbrücke entwickelt und anhand experimenteller Messdaten kalibriert.Im theoretischen Teil wird aus der Literatur eine Arbeitsdefinition des Digitalen Zwillings abgeleitet. Zentrale Merkmale sind der dynamische Charakter, die fortlaufende Synchronisation zwischen physischem und virtuellem System sowie bidirektionale Daten- und Informationsflüsse. Darauf aufbauend erfolgt eine Einordnung physikbasierter, datengetriebener und hybrider Ansätze im Brückenbau.Im praktischen Teil wird eine einfeldrige Eisenbahnbrücke des österreichischen Bestandsnetzes mit dem Finite-Elemente-Programm SOFiSTiK modelliert. Zur mechanisch realitätsnahen Abbildung wird die Brücke unter Berücksichtigung des Oberbaus als Koppelbalkenmodell beschrieben. Relevante Modellparameter, insbesondere Massenbelegungen, Dämpfungskennwerte und Oberbausteifigkeiten, werden aus Planunterlagen, Vorarbeiten und Messdaten einer an der TU Wien durchgeführten Messkampagne abgeleitet. Die Kalibrierung erfolgt zunächst über die gemessenen Eigenfrequenzen und anschließend über den Vergleich der kraftangeregten Antwort im Zeit- und Frequenzbereich mit dem experimentellen Amplitudenfrequenzgang. Die Ergebnisse zeigen, dass ein kalibriertes physikbasiertes FE-Modell ein wesentliches Ausgangsmodell für einen späteren Digitalen Zwilling darstellt, auch wenn für einen vollständigen Digitalen Zwilling weiterhin eine kontinuierliche Messdateneinspeisung, laufende Modellaktualisierung und die Ableitung handlungsrelevanter Informationen erforderlich sind.

Railway bridges in high-speed rail networks are subjected to increasing dynamic demands due to rising train speeds, higher axle loads, and growing traffic volumes. At the same time, conventional condition assessment methods often capture the actual structural and dynamic behaviour only to a limited extent. Against this background, the concept of the Digital Twin is gaining increasing relevance in bridge engineering. However, since the term is still used inconsistently in research and practice and is often not clearly distinguished from related concepts such as the Digital Model, the Digital Shadow, or BIM, this thesis pursues two objectives. First, it clarifies and refines the concept of the Digital Twin for the context of railway bridges. Second, on this basis, it develops a physics-based core module for an existing railway bridge and calibrates it using experimental measurement data.In the theoretical part, a working definition of the Digital Twin is derived from the literature. Its key features are the dynamic character, the continuous synchronization between the physical and virtual system, and bidirectional data and information flows. On this basis, physics-based, data-driven, and hybrid approaches in bridge engineering are systematically classified.In the practical part, a single-span railway bridge from the Austrian existing network is modelled using the finite element software SOFiSTiK. To achieve a mechanically realistic representation, the bridge is described as a coupled beam model that includes the track superstructure. The relevant model parameters, in particular mass distributions, damping values, and track stiffnesses, are derived from design documents, previous studies, and measurement data from a test campaign conducted at TU Wien. Calibration is performed first by matching the measured eigenfrequencies and subsequently by reproducing the force-excited response in the time and frequency domain and comparing it with the experimental amplitude-frequency response. The results show that a calibrated physics-based finite element model provides an essential basis for a future Digital Twin of a railway bridge, although a complete Digital Twin would still require continuous integration of monitoring data, ongoing model updating, and the derivation of decision-supporting information.