Entwicklung eines Berechnungsmodells zur simulationstechnischen Abbildung eines durchgeführten Feldversuchs einer Zugsüberfahrt bei einem Tragwerk von kurzer Spannweite

Abstract

Bei zahlreichen Untersuchungen wurde festgestellt, dass es bei Brücken mit kurzen Spannweiten (bis zu 10 m) zu signifikanten Abweichungen der im Feld gemessenen und durch gängige Rechenmodelle bestimmten Ergebnisse kommt [24]. Um eine bessere Übereinstimmung mit den gemessenen Ergebnissen zu erzielen, soll in dieser Arbeit der Einfluss des Untergrunds an den Auflagerbereichen des Tragwerks sowie die Einspannwirkung auf den Brückenträger, die durch die durchlaufenden Schienen erzeugt wird, untersucht werden. Zur Abbildung dieser Effekte wird das Tragwerksmodell des beidseitig gelagerten Biegebalkens an den Auflagern um Wegfedern mit der Steifigkeit Kz, zusätzlichen Knotenmassen Mzus und Drehfedern mit der Steifigkeit Kphi erweitert. Zudem wird über das Lehrsche Dämpfungsmaß zeta_B die dämpfende Wirkung des Untergrunds berücksichtigt. Im Zuge der Diplomarbeit wird zunächst das erweiterte Tragwerk basierend auf der Finiten Elemente Methode programmiert. Im Anschluss werden Abschätzungen für die Kennwerte des Untergrunds Kz, Mzus und zeta_B sowie für die Einspannwirkung der Schiene Kphi getroffen. Mit Hilfe der modalen Analyse erfolgt schlussendlich die Berechnung der Systemantwort für ein gegebenes Brückentragwerk mit einer Spannweite von 4 m zufolge der Überfahrt zweier gekoppelter Taurus-Lokomotiven. Als Lastmodell dient das Modell der Einzelkräfte. Die lastverteilende Wirkung durch die Schienen wird dabei durch eine vereinfachte Methode nach Eurocode berücksichtigt. Beim Vergleich der Ergebnisse des erweiterten Rechenmodells und der an dem Tragwerk durchgeführten Messung lässt sich ein deutlicher Einfluss der neu implementierten Parameter feststellen. Es kann gezeigt werden, dass vor allem das Mitwirken des Untergrunds einen wesentlichen Einfluss auf das Schwingungsverhalten des untersuchten Tragwerks hat. Mit dem in dieser Arbeit entwickelten Modell des Biegeträgers mit Randmassen und -Federn und gleichzeitiger Berücksichtigung der lastverteilenden Wirkung nach Eurocode, ist es möglich den gemessenen Verlauf des Tragwerks mit ausreichender Genauigkeit abzubilden.

In numerous tests it was found that for bridges with short spans (up to 10 m) there are significant deviations of the measured field results and the results determined by commercially available computer models [24]. In order to achieve a better agreement with the measured results, it is the main goal of this thesis to investigate the influence of the subsoil at the supports on the structure and the clamping effect on the bridge girder, caused by the continuous rails. To represent these effects the structural model of the simply supported beam is going to be extended at the supports by springs with the stiffness Kz, additional nodal masses Mzus and rotational springs with the stiffness Kphi. In addition the damping effect of the subsoil is considered by the damping ratio zeta_B. At the beginning of this thesis the extended structure is going to be programmed based on the Finite Element Method. Afterwards assumptions will be given for the characteristic values of the subsoil Kz, Mzus and zeta_B and for the clamping effects of the rails Kphi. Finally the system response will be calculated with the modal analysis for a given bridge structure with the span of 4m and loaded by two coupled Taurus-locomotives. As load model, the model of the concentrated loads is used. The load distribution through the rails is taken into account by a simplified method according to Eurocode. When comparing the results of the extended calculation model and those carried out on the structural measure, a clear influence of the newly implemented parameters can be determined . It can be shown that especially the involvement of the subsoil has a significant influence on the vibration behavior of the examined structure. With the model of the beam with masses and springs at the supports developed in this work and simultaneous consideration of the load-distributing effect according to Eurocode, it is possible to depict the measured curve of the structure with sufficient accuracy.