Aus dem Hochgeschwindigkeitsverkehr (HGV) auf Eisenbahnbrücken ergeben sich bei bestimmten Randbedingungen neben den statischen Einwirkungen auch dynamische Effekte, welche für die Tragfähigkeit, Gebrauchstauglichkeit und Verkehrssicherheit von Bedeutung sind. In der Diplomarbeit sollen aufbauend auf der bisherigen Erkenntnis, daß der mittlere Stützweitenbereich zwischen ca. 15 und 40 Metern kritisch für Resonanzerscheinungen ist, Einfeldträger mit unterschiedlicher Schlankheit untersucht werden. Die Überbauquerschnitte orientieren sich an der Rahmenplanung der Deutschen Bahn mit der Oberbauform Feste Fahrbahn. Die Aufgabe besteht darin, dynamische Berechnungen, vorrangig für den Betriebszug ICE 3 durchzuf ühren, wobei mit Geschwindigkeiten von bis zu 350 km/h auf der Grundlage der Ril 804 (Stand 01.05.2003) und der DIN-Fachberichte gerechnet werden soll. Die ermittelten dynamischen Verformungen werden mit den statischen Verformungen verglichen und die Ergebnisse im Hinblick auf Resonanzerscheinungen interpretiert. Auf der Grundlage dieser Berechnungen soll die Diplomarbeit Aussagen über das Resonanzverhalten von HGV-Eisenbahnbrücken im mittleren Stützweitenbereich liefern, welche als Hilfsmittel f¨ur den Entwurf dienen.
Inhaltsverzeichnis
1 Aufgabenstellung
2 Einleitung
3 Theoretische Grundlagen
3.1 Theorie des Biegeschwingers
3.1.1 Freie, ungedämpfte Schwingungen
3.1.2 Uberschlagsformeln für die Eigenfrequenzen
3.1.3 Erzwungene Schwingungen, modale Superposition
3.1.4 Erzwungene Schwingungen infolge einer bewegten Einzellast
4 Normen und Richtlinien
4.1 DB Rahmenplanung
4.2 Richtlinie 804
4.3 DIN-Fachbericht 101
5 FEM-Simulation der Zugüberfahrt
5.1 Voruntersuchungen und Modellaufbau
5.1.1 Modellbildung
5.1.2 Eigenformen für die modale Superposition
5.1.3 Netzdichte
5.1.4 Zeitliche Diskretisierung
5.1.5 Modellierung der Radlasten des ICE 3
5.1.6 Unstetig veränderlicher Querschnitt
5.1.7 Spannstahl
5.2 Brücken- und Lastvarianten
5.3 Auswertung und Vergleich
5.3.1 Dynamische Untersuchung mit originalgetreuen Radlasten des ICE 3
5.3.2 Dynamische Untersuchung mit gemittelten Radlasten
5.3.3 Vergleich der Ergebnisse aus den Untersuchungen mit gemittelten und originalgetreuen ICE-3-Radlasten
6 Zusammenfassung und Ausblick
Anhang
A.1 Brückenquerschnitte
A.2 Radlasten des ICE 3
A.3 Zeitverläufe der maximalen Durchbiegung unter dynamischer Last
A.3.1 42-m-Brücke
A.3.2 35-m-Brücke mit ICE-3-Last (originalgetreue Lastverteilung)
A.3.3 30-m-Brücke mit ICE-3-Last (originalgetreue Lastverteilung)
Zielsetzung und Themen
Die Arbeit untersucht das dynamische Resonanzverhalten von Eisenbahnbrücken im mittleren Stützweitenbereich bei Hochgeschwindigkeitsverkehr, um praxisnahe Hilfsmittel für den Entwurf bereitzustellen.
- Analyse von Resonanzerscheinungen bei Einfeldträgern.
- Durchführung numerischer FEM-Simulationen für verschiedene Brückenvarianten.
- Vergleich zwischen vereinfachten Modellen und originalgetreuen ICE-3-Lastszenarien.
- Validierung der theoretischen Grundlagen und geltender Richtlinien (Ril 804).
- Ableitung von Schlussfolgerungen für den Entwurfsprozess.
Auszug aus dem Buch
3.1.4 Erzwungene Schwingungen infolge einer bewegten Einzellast
Die Grundlage fur die Untersuchung der Zugüberfahrt ist die Berechnung der Belastung mit einer Einzellast, welche sich mit der konstanten Geschwindigkeit v bewegt. Der Lasteinleitungspunkt x ändert sich dabei nach der Gleichung x = vt.
Die Lastseite des Differentialgleichungssystems (3.11) lautet für die Belastung mit einer Einzellast F, die sich mit der Geschwindigkeit v bewegt:
Unter Berücksichtigung der Randbedingungen lautet die allgemeine Lösung des Differentialgleichungssystems (3.11) für diese Belastung [11]:
wobei die Abkürzung ζ = lv / π * sqrt(m* / EI) verwendet wurde. Für die untersuchten Eisenbahnbrücken ist die Berücksichtigung einer Eigenform ausreichend, so daß die Summe nur ein Glied, k = 1, enthält.
Mit dieser Formel wurde die dynamische Durchbiegung für eine Einzellast auf der 42-m-Brücke berechnet. Die Lösung stimmt mit dem Ergebnis der entsprechenden FEM-Simulation (Anhang, Bild A.2) überein.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Aufgabenstellung: Definition der Zielsetzung, den kritischen Stützweitenbereich von HGV-Brücken mittels dynamischer Berechnungen für den Betriebszug ICE 3 zu untersuchen.
2 Einleitung: Historischer Überblick über die Entwicklung des Hochgeschwindigkeitsverkehrs und die Notwendigkeit dynamischer Untersuchungen bei zunehmenden Geschwindigkeiten.
3 Theoretische Grundlagen: Herleitung der mathematischen Beschreibungen für Balkenschwingungen, Eigenformen und erzwungene Schwingungen bei bewegten Lasten.
4 Normen und Richtlinien: Übersicht der relevanten Vorschriften wie der DB-Richtlinie 804 und des DIN-Fachberichts 101 für den dynamischen Nachweis von Eisenbahnbrücken.
5 FEM-Simulation der Zugüberfahrt: Detaillierte Darstellung des Modellaufbaus, der Simulation mit verschiedenen Lastvarianten und der umfassenden Auswertung der Ergebnisse.
6 Zusammenfassung und Ausblick: Fazit der Untersuchungsergebnisse und Empfehlungen für den Brückenentwurf sowie mögliche weiterführende Forschungsansätze.
Schlüsselwörter
Hochgeschwindigkeitsverkehr, Eisenbahnbrücken, Resonanzverhalten, FEM-Simulation, ICE 3, modale Superposition, Eigenfrequenz, Einfeldträger, dynamische Überhöhung, Stützweite, Lastmodellierung, Richtlinie 804, Schwingungsanalyse, Tragwerksdynamik, Zugüberfahrt
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Diplomarbeit befasst sich mit dem Resonanzverhalten von Eisenbahnbrücken bei Hochgeschwindigkeitsverkehr, insbesondere im mittleren Stützweitenbereich.
Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?
Im Fokus stehen die theoretischen Grundlagen der Balkenschwingungen, die Anwendung von Normen und Richtlinien sowie numerische Simulationen mittels der Methode der Finiten Elemente.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Ziel ist es, das Resonanzverhalten von HGV-Eisenbahnbrücken zu analysieren und Aussagen zu treffen, die als Hilfsmittel für den Entwurf dienen können.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit nutzt numerische Verfahren, primär die Methode der Finiten Elemente (FEM), um das dynamische Verhalten der Brücken unter Zugüberfahrt zu simulieren.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil umfasst theoretische Herleitungen, die Auswertung geltender Normen sowie die detaillierte Darstellung der FEM-Simulation und der daraus resultierenden Vergleiche.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die wichtigsten Begriffe sind Hochgeschwindigkeitsverkehr, Resonanzverhalten, ICE 3, FEM-Simulation, Eigenfrequenz und dynamische Überhöhung.
Wie beeinflussen unterschiedliche Radlasten des ICE 3 das Ergebnis?
Die Untersuchung zeigt, dass die ungleichförmig verteilten Radlasten die Resonanzgeschwindigkeiten und die dynamische Überhöhung im Vergleich zu gemittelten Lasten nur unwesentlich beeinflussen.
Eignen sich die Überschlagsformeln der Richtlinie 804 für die Berechnung?
Die Arbeit stellt fest, dass die Überschlagsformeln der Richtlinie 804 zur Berechnung kritischer Geschwindigkeiten bei originalgetreuen ICE-3-Lasten keine zuverlässigen Anhaltswerte liefern.
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- Kathrin Grewolls (Author), 2004, Untersuchungen zum Resonanzverhalten von Eisenbahnbrücken unter dem Einfluß von Hochgeschwindigkeitsverkehr, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/33197
