Patrick SALCHER

Reliability assessment of railway bridges designed for high-speed traffic: Modeling strategies and stochastic simulation (in Englisch)

Die Erweiterung des öffentlichen Verkehrsangebots durch Eisenbahnstrecken für Hochgeschwindigkeitszüge stellt hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit von Bemessung und Ausführung von Eisenbahnbrücken dar. Brückenschwingungen führen zu einer Vergrößerung von Verformungen, Spannungen und Beschleunigungen am Tragwerk, und müssen begrenzt bleiben, um Zugentgleisungen und ein Versagen des Bauwerks zu verhindern. Die Berücksichtigung der Unsicherheiten in Bauteilwiderständen und Belastung, wie zum Beispiel streuende Materialparameter, Gleisunebenheiten und Gleissetzungen, unbestimmte Dämpfungsmechanismen und äußere Umweltbedingungen, beeinflussen das dynamische Verhalten der Brücke und tragen zur Komplexität der Zuverlässigkeitsabschätzung bei.

Im Gegensatz zur herkömmlichen ingenieursmäßigen Bemessung, welche auf Teilsicherheitsfaktoren für Belastung und Widerstände basiert, wird in dieser Dissertation ein probabilistisches Konzept zur Zuverlässigkeitsberechnung von Eisenbahnbrücken unter der Lastwirkung von Hochgeschwindigkeitszügen verfolgt. Zufallsvariablen beschreiben dabei die Unsicherheiten des Problems, und die Einhaltung von erlaubten Verhaltenszuständen der Brücken wird in probabilistischen numerischen Simulationen überprüft, um schlussendlich die Zuverlässigkeit des Interaktionssystems Zug-Brücke über die Angabe von Versagenswahrscheinlichkeiten quantifizieren zu können.

Für die dynamische Berechnung von Eisenbahnbrücken wird ein detailgetreues numerisches Modell erstellt, mit dem unter anderem Zug-Bauwerksinteraktionen und Gleisunebenheiten berücksichtigten werden können. Die Aufteilung der Problemstellung in die gekoppelten Teilsysteme Brücke und Zug ermöglicht es verschiedene Detailstufen in der mechanischen Modellbildung auf einfache Art getrennt für beide Teilsystem zu betrachten. Dabei wird die Brücke als einfacher Balken, oder auch als ebenes oder dreidimensionales Finite Elemente Modell beschrieben. Die Zugüberfahrt wird entweder als eine Abfolge von statischen Achslasten berechnet oder als überfahrendes Mehrkörperproblem behandelt. Der Einfluss auf die Abschätzung der dynamischen Antwort und die Gültigkeit der unterschiedlichen Modellbildungen werden an Fallbeispielen von deterministischen Strukturen untersucht. Umwelteinflüsse aus jahreszeitlichen Temperaturschwankungen und gefrorenem Schotterbett und Untergrund werden in einem stochastischen Model abgebildet. Basierend auf diesen mechanischen Modellen werden Unsicherheiten identifiziert und berücksichtigt. Die Versagenswahrscheinlichkeit zufolge von exzessiven Beschleunigungen wird mit Hilfe von probabilistischen Berechnungsmethoden abgeschätzt. Neben der direkten Monte Carlo Simulation und dem Latin Hypercube Stichproben Verfahren kommen auch ausgereiftere Methoden wie „Line Sampling“ und „Subset Simulation“ zum Einsatz.

Anhand einer Fallstudie wird die Zuverlässigkeitsabschätzung basierend auf dem probabilistischen Konzept mit dem Ergebnis eines konventionellen ingenieurmäßigen Vorgehens einer normbasierten Berechnung verglichen. Die Monte Carlo Simulation liefert neben Versagenswahrscheinlichkeiten auch Aussagen über die Streuung und Verteilung der dynamischen Systemantwort. Es zeigt sich, dass die Berücksichtigung von Gleisunebenheiten einen maßgeblichen Anteil an der maximalen Beschleunigungsantwort der Brücke hat. Obwohl die normbasierten Berechnungen auf der konservativen Seite liegen, stimmen die Ergebnisse beider Bemessungsmethoden recht gut miteinander überein, was zeigt, dass die normativen Regelungen sinnvoll gewählt sind.

 

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