Planung einer Versuchsanlage zur Untersuchung der dynamischen Eigenschaften des Schotteroberbaues von Eisenbahnbrücken

Abstract

Die dynamischen Eigenschaften des Schotteroberbaues von Eisenbahnbrücken werden seit einigen Jahren vom Institut für Tragkonstruktionen - Forschungsbereich Stahlbau der TU Wien untersucht. Es wurde von Mähr [5] und Kirchhofer [4] ein praxistaugliches Modell entwickelt, mit dem das dynamische Verhalten des Schotteroberbaues beschrieben werden kann. Das Schotterersatz-Modell besteht aus einer Kombination von Federn k_b und Dämpfern c_b. Allerdings sind die Größen für die Schotterdämpfung c_b und die Schhottersteifigkeit kb noch nicht ausreichend genau bestimmt, um eine tatsächliche Anwendung in der Praxis zu ermöglichen. Um die Schotterersatzgrößen genauer bestimmen zu können, wurde eine Versuchsanlage entwickelt, die durch Schubverformungen im Oberbau eine Bestimmung der Ersatzgrößen ermöglichen soll. Die Versuchsanlage baut auf dem Prinzip eines Kurbelviereckes auf und wurde für einen Regelquerschnitt einer eingleisigen Brücke der ÖBB ausgelegt. Ausgehend von einem Vorentwurf wurde ein einfeldriges Trogbrückensegment entwickelt, das auf einer Seite gelenkig und auf der anderen Seite auf Federn gelagert ist. Die acht Meter lange Trogkonstruktion wurde dabei so dimensioniert, dass im Vergleich zu den untersuchten Schubverformungen des Schotterbettes nur verschwindend kleine Biegeverformungen entstehen. In die Trogbrücke wird entsprechend der ÖBB-Richtlinien ein Schotteroberbau eingebaut, der im vorderen und hinteren Bereich der Brücke durch Bordwände begrenzt wird. Die eingebauten Schienen werden über eine zusätzliche Konstruktion gegen horizontale Verschiebungen gehalten, damit die Schubverformungen eingeleitet werden können. Die Schubverformungen werden in die Versuchsanlage durch Unwuchterreger eingebracht.Die Versuchsanlage wurde in der Planungsphase in einem FE-Programm modelliert, um das dynamische Verhalten der Anlage beurteilen zu können und dadurch, die im ersten Entwurf noch nicht fixierten, Größen festlegen zu können. Dazu wurde eine Parameterstudie für die Einflussgrößen durchgeführt. Im Zuge der Parameterstudie zeigte sich, dass die Konstruktionselemente nicht nur für die Schubverformungen zu dimensionieren sind, sondern dass auch ihre Eigenfrequenz eine Rolle spielt. Die Elemente der Konstruktion wurden im Zuge der gegenständlichen Arbeit so dimensioniert, dass ihre erste Eigenfrequenz deutlich außerhalb des zu untersuchenden Frequenzbereiches liegt. Parallel zur Parameterstudie wurde mit der Konstruktion der kritischen Detailpunkte begonnen. Bei der Detailplanung waren vorallem die Punkte aufwendig zu konstruieren, die entsprechend dem Kurbelviereckmodell gelenkig sein müssen. Dazu gehörten die Anschlüsse der Bordwände, die Zusatzkonstruktion für die Halterung der Schienen in horizontaler Richtung und der Hauptdrehpunkt der Anlage am gelenkigen Auflager der Brückenkonstruktion. Die im Zuge dieser Arbeit entwickelten Detaillösungen wurden zum Abschluss noch in das detaillierte FE-Modell eingearbeitet, sodass die auftretenden Verformungen und Kräfte der Versuchsanlage in der Planungsphase abgeschätzt werden konnten und für die Ausführungsplanung verwendet werden können.

The dynamic properties of the ballast superstructure of railway bridges have been researched for several years by the Institute for Structural Engineering - Department for Steel Structures of the Vienna University of Technology. Mähr [5] and Kirchhofer [4] developed a practical model with which the dynamic behavior of the ballast superstructure can be described. The ballast replacement model consists of a combination of springs k_B and dampers c_b. The sizes of the gravel damping c_b and gravel stiffness k_b are not yet determined with sufficient accuracy to allow an actual application in practice. An experimental system has been developed that will promote shear deformations in the superstructure. This system should allow to determine the gravel substitute variables more accurately. The experimental system is based on the principle of a crank rectangle and has been designed for a single ÖBB-roadbed. A single-span trough bridge has been developed based on a preliminary draft.The eight-meter long trough structure was dimensioned so that the bending deformations are vanishingly small compared to the shear strains. A ballasted track is built in the trough bridge according to the ÖBB guidelines. The ballast is bounded with board walls in front and rear of the bridge. The built-in rails are kept against horizontal displacements with an additional structure. This is necessary to initiate the shear deformations. The shear deformations are introduced into the test system by unbalance exciters, which are mounted at the rear of the trough structure with an auxiliary structure. The pilot plant was modeled in a finite element program to assess the dynamic behavior of the system. A few parameters stayed unfixed in the first draft. The FE-model should help to set the sizes for these parameters. Therefore, a parametric study of the parameters was made. The parametric study showed that the eigenfrequencies of the structural details are also significant. The elements of the design are dimensioned that their first natural frequency is substantially outside the frequency examined range. The construction of the critical details started concurrently to the parametric study. Especially the implementation of the crank square model was elaborate. The detail developed solutions were incorporated in the detailed FE-model so that the deformations and forces could be estimated during the planning phase. The FE-model can be used for detailed design.