Moderne Stahlkonstruktionen zeichnen sich durch ein geringes Eigengewicht und ebensolche Dämpfung aus, womit ihre Schwingungsanfälligkeit stark zunimmt. In diesem Zusammenhang stellen sich Fragen zum Schwingungsverhalten und zur Gebrauchstauglichkeit von stählernen Eisenbahnbrücken.
Ein Ziel ist die Beurteilung der Einwirkungen mechanischer Schwingungen auf die sich auf einem Brückenbauwerk befindlichen Menschen, um Aussagen über die Wahrnehmbarkeit und Tolerierbarkeit der auftretenden Schwingungen zu treffen.
Neben der Beurteilung von verkehrsinduzierten Schwingungen bei bestehenden Bauwerken sind auch Vorhersagen von zu erwartenden Schwingungen bei neuen Brückenbauwerken von Interesse. Um mögliche konstruktive Maßnahmen frühzeitig treffen zu können, werden Überfahrtsimulationen durchgeführt, deren Ergebnisse eine gute Einschätzung der zu erwartenden Brückenschwingungen liefern.
Der zweite Teil der Diplomarbeit behandelt die Durchführung von Überfahrtsimulationen, sowohl über das Kreuzungsbauwerk Zangenberg, als auch über das Vergleichsbauwerk in Aachen, mit dem lehrstuhleigenen FE-Programm DYNACS. Um realistische Berechnungen der zu erwartenden Brückenschwingungen zu erhalten, und um die Vorhersagegenauigkeit des Programms DYNACS zu überprüfen, werden die Messergebnisse mit den Rechenergebnissen verglichen. Es werden die systemabhängigen und die systemunabhängigen Parameter der beiden Bauwerke mit Hilfe von Literaturangaben und Erfahrungswerten definiert und in einer Parameterstudie hinsichtlich ihrer Einflussgröße sortiert.
Die abschließenden Betrachtungen zeigen die Anwendungsgrenzen des Programms und eine allgemeine Vorgehensweise für zukünftige Überfahrtsimulationen auf, die den weiteren Umgang mit dem Programm DYNACS erleichtern.
In einem Ausblick werden weiterführende Maßnahmen zur Gestaltung der Richtlinie für die Beurteilung verkehrsinduzierter Brückenschwingungen und zur Weiterentwicklung des Programms DYNACS dargestellt.
Inhaltsverzeichnis
0. Vorwort
1. Einleitung
2. Grundlagen
2.1. Vorbemerkungen
2.2. Auswertung der Messdaten mit dem Programm DIAdem
2.2.1. Allgemeines
2.2.2. Methode der Signalanalyse
2.2.3. Methode der Differentiation
2.3. Simulation der Zugüberfahrten mit dem Programm DYNACS
2.3.1. Programmbeschreibung
2.3.2. Festlegung der Fahrspuren
2.3.3. Geneigte Fahrbahn
2.4. Vorstellung der VDI Richtlinie 2057
2.4.1. Allgemeines
2.4.2. Kurven gleicher Bewerteter Schwingstärke
2.4.3. Zusammenhang zwischen Bewerteter Schwingstärke und subjektiver Wahrnehmung
3. Verschiebungs- und Beschleunigungsmessungen am Kreuzungsbauwerk Zangenberg
3.1. Allgemeines
3.2. Beschreibung des Brückenbauwerks
3.3 Gerätschaft und Messungsvorbereitung
3.4. Anordnung der Messpunkte
3.5. Beschreibung der Diesellok Baureihe 232
3.6. Darstellung und Beurteilung der Verformungsmessungen
3.6.1. Allgemeines
3.6.2. Darstellung der Durchbiegungen in Feldmitte
3.6.3. Beurteilung der aus den Durchbiegungen in Feldmitte abgeleiteten Beschleunigungen nach VDI Richtlinie 2057
3.6.4. Darstellung der Querbewegungen in Feldmitte
3.6.5. Beurteilung der aus den Querbewegungen in Feldmitte abgeleiteten Beschleunigungen nach VDI Richtlinie 2057
3.6.6. Ergebnisse der Verformungsanalyse
3.7. Darstellung und Beurteilung der Beschleunigungsmessungen
3.7.1. Allgemeines
3.7.2. Beurteilung der Beschleunigungsmessungen in vertikaler Richtung nach VDI Richtlinie 2057
3.7.3. Beurteilung der Beschleunigungsmessungen in horizontaler Richtung nach VDI Richtlinie 2057
3.7.4. Ergebnisse der Beschleunigungsmessungen
3.8. Persönliche Einschätzung der Schwingungsintensität und Vergleich mit den Messungen
4. Überfahrtsimulationen am Kreuzungsbauwerk Zangenberg
4.1. Allgemeines
4.2. Generierung des Brückenbauwerks
4.2.1. Das Modell der Brücke
4.3. Fahrzeugdiskretisierung
4.4. Eigenfrequenzen und Eigenformen
4.4.1. Eigenfrequenzen des mit DYNACS generierten Systems
4.4.2. Eigenfrequenzen von Eisenbahnbrücken nach Frýba
4.4.3. Vergleich der DYNACS-Berechnungen mit den Anhaltswerten von Frýba und den Originalmessungen
4.5. Dämpfungsmethode
4.5.1. Systemdämpfung
4.5.2. Dämpfungsansatz
4.6. Vergleich der gerechneten mit den gemessenen Durchbiegungen in Feldmitte
4.7. Darstellung und Beurteilung der Überfahrtsimulationen in vertikaler Richtung
4.7.1. Allgemeines
4.7.2. Schienenrauigkeit
4.7.3. Beurteilung der Überfahrtsimulationen in vertikaler Richtung nach VDI Richtlinie 2057
4.8. Vergleich der Beschleunigungsmessungen mit den Überfahrtsimulationen
4.8.1. Vorbemerkung
4.8.2. Darstellung der gerechneten und der gemessenen Beschleunigungsverläufe in vertikaler Richtung
4.8.3. Vergleich der Originalmessungen mit verschiedenen Schienenrauigkeiten
4.8.4. Zusammenfassung
4.9. Problematik der Simulation von Tragwerkschwingungen in Querrichtung
5. Beschleunigungsmessungen am Stahlüberbau Königsstraße in Aachen
5.1. Allgemeines
5.2. Beschreibung des Bauwerks
5.3. Gerätschaft und Messungsvorbereitung
5.4. Anordnung der Messpunkte
5.5. Darstellung und Beurteilung der Beschleunigungsmessungen
5.5.1. Allgemeines
5.5.2. Beurteilung der Beschleunigungsmessungen in vertikaler Richtung nach VDI Richtlinie 2057
5.5.3. Beurteilung der Beschleunigungsmessungen in horizontaler Richtung nach VDI Richtlinie 2057
5.6. Persönliche Einschätzung der Schwingungsintensität und Vergleich mit den Messungen
6. Überfahrtsimulationen am Stahlüberbau Königsstraße in Aachen
6.1. Allgemeines
6.2. Generierung des Brückenbauwerks
6.2.1. Federcharakteristika des Schotteroberbaus
6.3. Fahrzeugdiskretisierung
6.4. Eigenfrequenzen und Eigenformen
6.4.1. Eigenfrequenzen des mit DYNACS generierten Systems
6.4.2. Vergleich der DYNACS-Berechnungen mit den Anhaltswerten von Frýba
6.5. Dämpfungsansatz
6.6. Darstellung und Beurteilung der Überfahrtsimulationen in vertikaler Richtung
6.6.1. Allgemeines
6.6.2. Beurteilung der Überfahrtsimulationen in vertikaler Richtung nach VDI Richtlinie 2057
6.7. Vergleich der Beschleunigungsmessungen mit den Überfahrtsimulationen
6.7.1. Vorbemerkung
6.7.2. Darstellung der gerechneten und der gemessenen Beschleunigungsverläufe in vertikaler Richtung
6.7.3. Vergleich der Originalmessungen mit verschiedenen Schienenrauigkeiten
6.7.4. Zusammenfassung
6.8. Simulation von Tragwerkschwingungen in Querrichtung
7. Diskussion der Ergebnisse
7.1. Diskussion der erweiterten Anwendbarkeit der VDI Richtlinie 2057 auf verkehrsinduzierte Brückenschwingungen
7.2. Vorschlag für eine Beurteilung der Einwirkungen von Brückenschwingungen auf den Menschen
7.2.1. Beurteilungskriterien
7.2.2. Grundlage für die Ausarbeitung eines Vorschlags
7.2.3. Formulierung des Vorschlags
7.3. Einordnung von gemessenen Brückenschwingungen in die vorgeschlagene Richtlinie
7.3.1. Beurteilung der Messungen am Kreuzungsbauwerk Zangenberg
7.3.2. Beurteilung der Messungen am Stahlüberbau Königsstraße in Aachen
7.3.3. Beurteilung der Messungen an der Oberkasseler Brücke in Düsseldorf
7.3.4. Beurteilung der Messungen an einer Stahlbrücke und einer Verbundbrücke in Troisdorf
7.3.5. Beurteilung der Messungen am Bahnsteig im Kölner HBF
7.3.6. Beurteilung der Messungen an einer Straßenbrücke in Essen
7.3.7. Zusammenfassung
7.4. Einordnung der mit dem Programm DYNACS errechneten Schwingungen des Lehrter BF in die vorgeschlagene Richtlinie
7.5. Diskussion der Vorhersagegenauigkeit von Brückenschwingungen mit dem lehrstuhleigenen Programm DYNACS
7.6. Formulierung einer allgemeinen Vorgehensweise zur Berechnung von verkehrsinduzierten Brückenschwingungen mit dem Programm DYNACS
8. Ausblick
Zielsetzung & Themen
Ziel der Diplomarbeit ist die Beurteilung der Einwirkung von mechanischen Schwingungen auf den Menschen, der sich auf stählernen Eisenbahnbrücken befindet. Die Arbeit untersucht bestehende Schwingungsprobleme anhand von Messungen und Überfahrtsimulationen und prüft die Anwendbarkeit der VDI Richtlinie 2057 auf Brückenbauwerke, um gegebenenfalls eine Modifizierung dieser Richtlinie für den Brückenbau vorzuschlagen.
- Analyse des Schwingungsverhaltens von Eisenbahnbrücken aus Stahl
- Durchführung und Auswertung von Schwingungsmessungen an verschiedenen Brückenbauwerken
- Simulation von Zugüberfahrten mittels Finite-Elemente-Programmierung (DYNACS)
- Überprüfung der Vorhersagegenauigkeit von Simulationen durch Vergleich mit Messdaten
- Beurteilung der Schwingungsbelastung des Menschen gemäß VDI Richtlinie 2057
Auszug aus dem Buch
3.1. Allgemeines
Das Brückenbauwerk befindet sich auf der Bahnstrecke von Weißenfels nach Zeitz nahe der Ortschaft Zangenberg. Es dient als Untersuchungsobjekt der DB Netz AG im Rahmen der bilateralen Arbeitsgruppe SBB - DB AG: “Beurteilung bestehender Eisenbahnbrücken aus Stahl”.
Am 30.09.1999 fanden in diesem Zusammenhang seitens der Deutschen Bahn AG Verzerrungs- und Verschiebungsmessungen am stählernen Überbau des Brückenbauwerks statt. Zusätzlich wurden von Dipl.- Ing. B. Kühn Beschleunigungsmessungen durchgeführt. Die Zugüberfahrten erfolgten mit zwei gekoppelten Diesellokomotiven der Baureihe 232 und mit Geschwindigkeiten von 10 bis 40 km/h.
Grundlage für die Beurteilung der Schwingungsbeschleunigungen ist die VDI Richtlinie 2057. Für eine Beurteilung der gemessenen Beschleunigungsverläufe wird der Frequenzbereich von 1 bis 80 Hz betrachtet.
Zusammenfassung der Kapitel
2. Grundlagen: Erläutert die allgemeine Vorgehensweise bei der Messdatenauswertung mit DIAdem, die Simulation von Zugüberfahrten durch das Programm DYNACS sowie die methodischen Grundlagen der VDI Richtlinie 2057 zur Bewertung von Schwingungseinwirkungen auf den Menschen.
3. Verschiebungs- und Beschleunigungsmessungen am Kreuzungsbauwerk Zangenberg: Beschreibt die durchgeführten Messungen am Kreuzungsbauwerk Zangenberg, die Anordnung der Messpunkte und die Analyse der Verformungen sowie Beschleunigungen unter verschiedenen Zuggeschwindigkeiten.
4. Überfahrtsimulationen am Kreuzungsbauwerk Zangenberg: Behandelt die Modellbildung des Brückenbauwerks in DYNACS, die Fahrzeugdiskretisierung, die Berechnung von Eigenfrequenzen und die Durchführung von Überfahrtsimulationen zur Validierung der Messergebnisse.
5. Beschleunigungsmessungen am Stahlüberbau Königsstraße in Aachen: Beschreibt die Messungen an einem zweiten Vergleichsobjekt in Aachen, einschließlich der Gerätschaft, der Messdurchführung und der Analyse der Beschleunigungswerte unter laufendem Fahrbetrieb.
6. Überfahrtsimulationen am Stahlüberbau Königsstraße in Aachen: Detailliert die Modellierung des Aachener Vergleichsobjekts, insbesondere die Federcharakteristik des Schotteroberbaus und die Durchführung von Simulationsrechnungen zur Ermittlung der Strukturantwort.
7. Diskussion der Ergebnisse: Fasst die Erkenntnisse über die Anwendbarkeit der VDI Richtlinie 2057 auf Brücken zusammen, formuliert Vorschläge für eine neue Beurteilungskategorie und erörtert die Vorhersagegenauigkeit des Programms DYNACS.
Schlüsselwörter
Eisenbahnbrücken, Stahlbau, Schwingungen, VDI Richtlinie 2057, Beschleunigungsmessung, Überfahrtsimulation, DYNACS, DIAdem, Schwingungsintensität, Frequenzanalyse, Schotteroberbau, Eigenfrequenz, menschliche Wahrnehmung, Baudynamik, Brückenverhalten
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Diplomarbeit befasst sich mit der Beurteilung von verkehrsinduzierten Schwingungen auf Eisenbahnbrücken aus Stahl und deren Auswirkungen auf den Menschen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themenfelder sind die messtechnische Erfassung von Schwingungen, die numerische Simulation von Zugüberfahrten mittels Finite-Elemente-Methoden und die Bewertung der Ergebnisse anhand der VDI Richtlinie 2057.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das primäre Ziel ist es, zu untersuchen, ob die VDI Richtlinie 2057, die ursprünglich für Schwingungen am Arbeitsplatz konzipiert wurde, auf Brückenschwingungen anwendbar ist und wie sie gegebenenfalls modifiziert werden kann.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden verwendet?
Es kommen experimentelle Schwingungsmessungen, rechnergestützte Finite-Elemente-Simulationen (Programm DYNACS) sowie Frequenzanalysen (FFT) und Terzanalysen der Messdaten zur Anwendung.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil umfasst die detaillierte Darstellung der Messungen und Simulationen an zwei spezifischen Bauwerken (Kreuzungsbauwerk Zangenberg und Stahlüberbau Königsstraße) sowie die Diskussion der Ergebnisse hinsichtlich der Eignung der VDI Richtlinie.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit lässt sich durch Begriffe wie Eisenbahnbrücken, Schwingungsanalyse, VDI Richtlinie 2057, Simulation von Zugüberfahrten und Baudynamik charakterisieren.
Warum wurde das Kreuzungsbauwerk Zangenberg als Untersuchungsobjekt gewählt?
Das Kreuzungsbauwerk Zangenberg diente als Untersuchungsobjekt im Rahmen der bilateralen Arbeitsgruppe SBB - DB AG zur Beurteilung bestehender Eisenbahnbrücken aus Stahl, da dort bereits umfangreiche Messungen durchgeführt wurden.
Wie wurde das Problem der Schotterbettmodellierung in DYNACS gelöst?
Da DYNACS ein Stabwerksprogramm ist, wurde der Schotteroberbau durch vertikale Stäbe idealisiert, deren progressive Federcharakteristik anhand empirischer Daten aus der Literatur (ETR-Bericht) mathematisch durch Polynome dritten Grades angenähert wurde.
- Citation du texte
- Dipl.-Ing. Marc Weiner (Auteur), 2001, Beurteilung von verkehrsinduzierten Schwingungen auf Eisenbahnbrücken aus Stahl, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/61303
