Development and application of a testing facility for studying the dynamic behaviour of ballasted track at railwaybridges

Abstract

Die vorliegende Arbeit widmet sich der Untersuchung der dynamischen Eigenschaften des Schotteroberbaues auf Eisenbahnbrücken. Durch die Steigerung der Zuggeschwindigkeiten in den Bahnnetzen rücken dabei möglicherweise auftretende Resonanzerscheinungen, die zur Destabilisierung des Schotteroberbaues führen können, in den Fokus von wissenschaftlichen Untersuchungen hinsichtlich der Nachweisführung zur Gebrauchs- und Tragsicherheit. Die normativen Vorgaben verlangen für angegebene Überfahrtgeschwindigkeiten unter bestimmten Voraussetzungen eine dynamische Nachweisführung, geben diesbezüglich allerdings keine umfassenden Modelle und keine dafür passenden Kennwerte an, die beispielsweise den Steifigkeitsund Dämpfungseinfluss beschreiben. Ziel dieser Arbeit war es, durch die Entwicklung einer Versuchsanlage im Maßstab 1:1 die dynamischen Eigenschaften des Schotteroberbaues detailliert untersuchen zu können. Außerdem sollten damit Kennwerte für ein den Schotteroberbau beschreibendes mechanisches Modell abgeleitet werden. Dadurch kann speziell das bisher bei der Nachweisführung nicht verwendbare Potential der Oberbaudämpfung berücksichtigt werden. Im Aufbau der vorliegenden Arbeit sind drei Abschnitte hervorzuheben: Vorab wurde zuerst ein kleinmaßstäbliches Modell (M=1:5) der geplanten Versuchsanlage (M=1:1) gebaut, um daran deren Funktionstüchtigkeit zu überprüfen. Bei diesen Arbeiten wurden wichtige Erkenntnisse gewonnen, die dann an der Versuchsanlage (M=1:1) zu entscheidenden Verbesserungen führten. Zusätzlich wurden am Modell (M=1:5) unter Zuhilfenahme eines optischen Messsystems die Bewegungsvorgänge im dynamisch beanspruchten Schotteroberbau erstmals sichtbar gemacht. Die dadurch gewonnen Erkenntnisse bestätigten das entwickelte mechanische Modell zur dynamischen Beschreibung des Schotteroberbaues. Der zweite Abschnitt umfasst das Vorstellen von Planung und Bau der Versuchsanlage (M=1:1) sowie die danach damit durchgeführten Versuche zu den Eigenschaften des Schotteroberbaues. Dabei wurden zwei Schotterarten untersucht, nämlich Neu- und Altschotter. Durch Vergleich der Messergebnisse sollte festgestellt werden, ob eine Verschlechterung der dynamischen Eigenschaften über den Lebenszyklus des Schotters gegeben ist. Es wurde nur eine geringfügige Verschlechterung beobachtet. Außerdem zeigte sich eine hohe Frequenzabhängigkeit der Dämpfungseigenschaften des Schotteroberbaues, wobei diese nur eine geringe Amplitudenabhängigkeit aufwiesen. Im dritten Abschnitt wird die Ermittlung von Kennwerten für das mechanische Modell des Schotteroberbaues gezeigt. Dabei blieben Fragen offen, die zukünftig noch untersucht werden müssen. Darüber hinaus sollen in Hinkunft mit der entwickelten Versuchsanlage auch der belastete Schotteroberbau, die Auswirkung der Schotterbettvereisung, etc. untersucht werden. Mit den hier und den zukünftig gewonnen Erkenntnissen wird dann eine umfassende Modellierung des Schotteroberbaues und damit eine genauere dynamische Berechnung von Zugüberfahrten auf Eisenbahnbrücken möglich sein.

In this doctoral thesis the dynamic characteristics of ballasted tracks on railway bridges are studied. Due to increasing train speed in rail network, resonance effects at railway bridges are possible. As a result the ballast may become unstable. Current standards require a dynamic safety analysis for defined given criterions such as the train speed. However, appropriate global mechanical models with corresponding parameters are not available, such as parameters describing the stiffness and damping properties of the ballasted track. As a consequence, detailed studying of the dynamic behaviour of the ballasted track by developing and using a testing facility on full scale has become the aim of this thesis. Furthermore parameters for a mechanical model, describing dynamic properties of the ballasted track are to be determined. For instance, the to date unused damping potential of the ballasted track in dynamic safety analysis will be considerable then. Three main sections of the present work are to be emphasized: At first a small scale model (on a scale of 1:5) of the testing facility was built for checking its functionality. The findings led to an essential improvement of the full scale testing facility. Optical measurements on the ballast substructure were also conducted at the scaled model to study the dynamic process in the ballast, in particular the movement of ballast stones. The gained findings verify the developed mechanical model describing the dynamic behaviour of ballasted track. In the second section the development and construction of the testing facility (full scale) as well as the conducted experiments are summarized. Two types of ballast were tested, i.e. a ballast made of unused virgin gravel and a second one made of already used (old) gravel. Comparison of the test results for both types of ballast have been conducted to reveal whether its properties in a life cycle period are changed. However, only an insignificant deterioration of the ballast was observed. Furthermore, a significant frequency dependence of the damping properties of the ballasted track was observed, but their dependence on amplitudes is small. The third and last section addresses the determination of parameters for the developed mechanical model of the ballasted track. Some questions have still remained open, which are to be studied in future. Moreover, additional experiments with the developed testing facility need to be done; for example, the effect on changing characteristics induced by loading the ballasted track and by frozen ballasted track in winter. The results and findings of this and future investigations will allow a detailed mechanic description of the ballasted track, and subsequently an accurate dynamic safety analysis of railway bridges.