Experimentelle Bestimmung der dynamischen Parameter von Eisenbahnbrücken aus Stahl mit Schotteroberbau mittels Output Only Analyse

Abstract

Für die Ertüchtigung von Eisenbahntrassen auf Hochgeschwindigkeitsstrecken ist die dynamische Zustandserhebung der bestehenden Brücken notwendig. Zur Ermittlung der dynamischen Eigenschaften werden bestehende Tragwerke experimentell untersucht.<br />Diese Arbeit befasst sich speziell mit Eisenbahnbrücken aus Stahl mit Schotteroberbau. Bei den dynamischen Untersuchungen wird die Schwingungsantwort einer Struktur auf eine gezielte oder zufällige Anregung gemessen und analysiert. Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten um ein Objekt in Schwingung zu versetzen. Brücken können durch eine Impulsanregung - wie zum Beispiel durch ein Fallgewicht - oder durch Zugsüberfahrten zum Schwingen angeregt werden. Bauwerke werden jedoch auch durch Umwelteinflüsse, wie Wind oder auch durch Vibrationen von Baustellen in der Nähe angeregt. Diese Einflüsse werden unter der Bezeichnung ambiente Anregung zusammengefasst. Eine weitere Möglichkeit besteht in der gezielten Frequenzanregung durch einen Unwucht-Erreger. Ziel dieser Arbeit ist es, die Auswirkungen der einzelnen Anregungsarten auf die Qualität der ermittelten Ergebnisse festzustellen. Zu diesem Zweck werden mehrere Brückentragwerke unter verschiedenen Anregungsarten auf die Qualität der daraus erhaltenen Ergebnisse hin untersucht.<br />Die Auswertung der Messungen erfolgt durch die Auswertesoftware ARTeMIS.<br />Es handelt sich hierbei um ein Output-Only-Analyse-Programm, welches zur Bestimmung der dynamischen Eigenschaften einer Struktur nur Schwingungsmessungen des Objekts verwendet. Als Systemanregung wird dabei weißes Rauschen angenommen.<br />Diese Arbeit ist in drei Bereiche gegliedert. Der erste Teil gibt einen grundsätzlichen Einblick in die Grundlagen der Dynamik und der experimentellen Analyse. Im zweiten Teil werden die theoretischen Grundlagen, die ARTeMIS zum Auswerten der Messungen verwendet, kurz beschrieben. Der letzte Teil befasst sich mit der dynamischen Untersuchung von Brückentragwerken. Untersucht wird eine im Labor aufgebaute Versuchsbrücke (10 Meter Spannweite) und eine Eisenbahnbrücke (21 Meter Spannweite) der Donauuferbahn nahe Persenbeug. Die Auswertung wird mittels ARTeMIS durchgeführt. Analysiert werden dabei Messungen von Impulsanregungen, Zugsüberfahrten, gezielten Frequenzanregungen und ambienten Anregungen, welche im Zuge von experimentellen Messungen im Feld im Jahre 2011 gewonnen wurden.

For the upgrading of railway lines to high-speed the determination of the dynamic conditions of existing bridges is necessary. To evaluate the dynamic properties, experimental examinations of existing structures have to be carried out. This master thesis deals with steel railway bridges with ballasted tracks. For the dynamic investigations, the vibration response of a structure on a targeted or random excitation is measured and analyzed. There are various ways to excite a structure. Bridges can be caused to vibrate by pulse excitations for example through a falling weight or by trains. Buildings could also be excited by environmental influences such as wind etc. as well as through vibrations from nearby construction sites. These effects are referred to as ambient excitation. Another possibility is the targeted frequency excitation by an unbalance exciter.<br />The aim of this study is to determine the effect of the different ways of excitation on the quality of the obtained results. For this purpose, several bridge structures are examined under various kinds of excitation. The results are compared on their quality.<br />The analysis of the measurements is done with the evaluation software ARTeMIS. It is an output only analysis program, which uses vibration measurements of the object to determine the dynamic properties of a structure. The excitation is assumed to be white noise.<br />This work is divided into three sections. The first part is an introduction into the fundamental principles of dynamics and experimental analysis. The second part is a brief description of the theoretical foundation ARTeMIS uses to evaluate the measurements. The last part deals with the dynamic testing of bridge structures. A bridge built in the laboratory (10 m bearing distance) and a railway bridge (21 m bearing distance) of the 'Donauuferbahn' near Persenbeug were examined. The analysis is performed using ARTeMIS. In this thesis measurements of pulse excitations, excitations caused by trains, targeted frequency excitations and ambient excitations, which were obtained in the course of experimental measurements in the field in 2011, are analyzed.<br />