Abdurrahman ONAY

Untersuchungen zur Boden-Bauwerksinteraktion bei rahmenartigen Eisenbahnbrücken

Die Weiterentwicklung des bestehenden Eisenbahnnetzes für Hochgeschwindigkeitszüge führt zu großen Herausforderungen bei der dynamischen Bemessung von neuen, und vor allem bestehenden Brückentragwerken. Bei Zugüberfahrten mit hohen Geschwindigkeiten können Resonanzerscheinungen auftreten. Diese führen zu großen Verformungen, Beschleunigungen und Spannungen im Tragwerk, wodurch die Wartungsintervalle (Gleisstopfen etc.) verkürzt werden müssen. Im schlimmsten Fall kann es zu Entgleisungen und zum Tragwerksversagen kommen. Die Dämpfung des Tragwerks hat einen großen Einfluss auf die Schwingungsantwort im kritischen Resonanzfall. Im Vergleich zu gemessenen Dämpfungswerten sind die rechnerisch anzusetzenden Dämpfungswerte laut gängigen Regelwerken sehr konservativ gewählt. Besonders bei rahmenartigen Brückentragwerken mit kurzen Spannweiten ist eine wirtschaftliche Bemessung oft nicht möglich. Durch die Einbindung in den Untergrund zeigen diese eine starke Boden-Bauwerks-Wechselwirkung bei Zugsüberfahrt, was zu einer hohen Dämpfung durch Wellenausbreitung im Boden führt. Diese Masterarbeit untersucht die dynamische Boden-Bauwerks-Interaktion von rahmenartigen Brückentragwerken und die geometrische Dämpfungswirkung des Bodens.

Für die numerischen Berechnungen werden einfache ebene finite Elemente Modelle erstellt, welche aus dem Rahmentragwerk und dem Boden bestehen. Diese werden zur Durchführung der Parameterstudien verwendet, indem die Geometrie des Rahmenbauwerks und die Bodeneigenschaften variiert werden. Die Anregung des Brückenbauwerks erfolgt aus einer Impulsanregung in Feld- und Stielmitte.

Nach Ende der Anregung wird an der Lasteinleitungsstelle das Abklingverhalten der freien Schwingung betrachtet, woraus die geometrische Dämpfung des Bodens berechnet wird. Die Boden-Bauwerks-Interaktion von Eisenbahnbrücken wird nach den Eigenfrequenzen, Eigenschwingungsformen und globalen Dämpfungskoeffizienten beurteilt. Diese werden für den ersten horizontalen und ersten vertikalen Biegeeigenmode des Rahmens ausgewertet.

Es zeigt sich, dass die horizontale Biegeeigenfrequenz eine wesentliche Versteifungswirkung infolge einer seitlichen Bettung der Rahmenstiele erfährt. Im Gegensatz dazu wird die vertikale Biegeeigenfrequenz nicht merklich vom umgebenden Boden beeinflusst. Für den Dämpfungskoeffizienten des ersten vertikalen Biegeeigenmodes des Rahmentragwerks kann eine hohe Dämpfungswirkung zufolge Boden-Bauwerks-Interaktion bei sehr kurzen Stützweiten festgestellt werden, bei Spannweiten über 20 m ist diese vernachlässigbar klein. Dabei ist der Dämpfungswert abhängig von der Bodensteifigkeit und für einen weichen Boden größer. Mit zunehmender Rahmenhöhe und Einbindung in den Boden ist auch eine höhere Dämpfung vorhanden.

 

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