Dynamische Charakteristik von Eisenbahnrahmenbrücken: Ein Beitrag zur Klärung von Modelldiskrepanzen

Eisenbahnbrücken sind hohen dynamischen Beanspruchungen durch Zugüberfahrten ausgesetzt. Aufgrund der normativ geforderten Überprüfung des Resonanzrisikos und einer möglichen Forderung zur Simulation von Zugüberfahrten wird bei der Bemessung die dynamische Charakteristik von Brücken durch Berechnungen abgeschätzt. Die Grundlage für die dynamische Simulation ist ein numerisches Modell unter Berücksichtigung aller relevanten Einflussfaktoren. Dieses Modell muss die dynamische Charakteristik mit größtmöglicher Genauigkeit erfassen, da es keine inhärent konservative Perspektive für die dynamische Steifigkeit in der Baudynamik gibt. ... mehr

Aufgrund der massiven Bauteilabmessungen und der teilweise großen Steifigkeitsunterschiede zwischen Überbau und Widerlager sowie der komplexen Interaktionen mit dem Baugrund gestaltet sich die eindeutige Identifikation des dynamischen Systems bei Stahlbetonrahmenbrücken oft als herausfordernd. Parallel dazu zeigen verschiedene Untersuchungen der jüngeren Vergangenheit, dass die numerische Bestimmung der dynamischen Charakteristik von Stahlbetonrahmenbrücken erhebliche Diskrepanzen zur in-situ beobachteten Charakteristik aufweist. Demzufolge erfassen bestehende Berechnungs- bzw. Prognosemodelle die maßgebenden Faktoren sowie die dynamische Wechselwirkung zwischen Boden und Bauwerk, nur unvollständig oder peripher. Dies führt im Wesentlichen zu einer unzureichenden Vorhersagegenauigkeit von Eigenfrequenzen und Dämpfungsgraden.

In dieser Arbeit werden die werkstoffbezogenen Einflussfaktoren sowie die Rolle der Boden-Bauwerk-Interaktion auf die dynamische Charakteristik von Eisenbahnrahmenbrücken in Stahlbetonbauweise untersucht. Darauf aufbauend wird ein Prognosemodell entwickelt.

Die Untersuchungen zum Einfluss der Boden-Bauwerk-Interaktion auf das dynamische Verhalten des gebetteten Rahmens zeigen einen unmittelbaren Zusammenhang zwischen der geometrischen Dämpfung und der Aktivierung und Anregung der Starrkörpermoden. Weiterhin zeigt sich, dass die Struktursteifigkeit des Rahmens der ausschlaggebende Einflussfaktor auf die Eigenfrequenzen ist. Darüber hinaus wird deutlich, dass insbesondere die Widerlager von Rahmenbrücken ebenfalls untereinander interagieren, was zu einer Erweiterung des Fokus von der reinen Boden-Bauwerk-Interaktion hin zur Struktur-Boden-Struktur-Interaktion führt.

Die Untersuchungen zum Einfluss der Betonsteifigkeit unter dynamischer Beanspruchung im Betriebszustand beruhen auf einer hier vorgestellten Steifigkeitshypothese. Diese Hypothese basiert auf der Abhängigkeit der Spannungs-Dehnungs-Beziehung von der Grundspannung und der Belastungsgeschwindigkeit. Aus einer Grenzwertbetrachtung wird abgeleitet, dass der Einfluss dynamischer Beanspruchung auf die Betonsteifigkeit gering ist. Eine ähnliche Schlussfolgerung ergibt sich aus den Untersuchungen zur Schottersteifigkeit unter dynamischer Belastung. In diesem Zusammenhang wird ein Materialmodell für die Schottersteifigkeit vorgestellt, das auf bodendynamischen Prinzipien beruht. Das Modell wird anhand eines Kleinkörperversuchs überprüft. Auch hier zeigt eine Grenzwertbetrachtung, dass der Einfluss der Schottersteifigkeit auf die Gesamtsteifigkeit des Systems nahezu vernachlässigbar ist.

Das vorgestellte Prognosemodell schließt durch die Einhaltung von Anwendungsgrenzen einen großen Teil der einflussreichen Struktur-Boden-Struktur-Interaktion aus. Das Ergebnis ist ein praxistaugliches Modell, das auf den aus der Literatur bekannten Feder-Dämpfer-Ansätzen für dynamisch belastete Fundamente basiert. Zur Anwendung des vorgestellten Prognosemodells werden vier Halbrahmenbrücken entlang der Schnellfahrstrecke Nürnberg-München mittels experimenteller Modalanalyse untersucht und den Ergebnissen des Prognosemodells gegenübergestellt. Der Vergleich der prognostizierten mit den in der Praxis gemessenen dynamischen Charakteristika der untersuchten Eisenbahnrahmenbrücken zeigt unter Berücksichtigung der Anwendungsgrenzen nur geringe Diskrepanzen. Das vorgestellte Prognosemodell zeigt somit eine gute Leistungsfähigkeit.

Railway bridges are subject to high dynamic loads due to train crossings. In order to satisfy standard limits, the resulting structural response is estimated by dynamic calculations during the design process. The basis for dynamic simulation is a numerical model of the bridge structure. This model must capture the dynamic properties with the highest possible accuracy, as there is no inherently conservative view of structural stiffness in structural dynamics. However, due to the massive dimensions of the components and the large stiffness differences between the superstructure and the abutment, as well as the complex interactions with the soil, the clear identification of the dynamic system in concrete portal frame bridges often seems to be a challenge. ... mehrSimilarly, several recent studies show that the numerical determination of the dynamic characteristics of portal frame bridges differs considerably from those observed in situ. As a logical consequence, existing prediction models do not adequately or only marginally capture the governing factors as well as the dynamic interaction between soil and structure. This essentially leads to inaccurate prediction of natural frequencies and damping ratios.

This contribution investigates the material-related factors and the role of soil-structure interaction on the dynamic behaviour of concrete portal frame bridges. On this basis, a prediction model is developed taking into account defined limitations. The predicted model is validated using in-situ measurements.

The investigations on the influence of the soil-structure interaction on the dynamic characteristics of the embedded frame show a direct correlation between the radiation damping and the activation and excitation of the rigid body modes. The structural stiffness of the frame is shown to be the key factor influencing the natural frequencies. In addition, it is found that the abutments of frame bridges in particular interact with each other, leading to an extension of the focus from soil-structure interaction to structure-soil-structure interaction.

The influence of dynamic loading on concrete stiffness is investigated in this contribution. A hypothesis is developed which describes the dependence of the stress-strain relationship on the initial stress and the loading rate. Using a threshold approach, it is concluded that the influence of dynamic loading on concrete stiffness is small. A similar observation is made in studies of the stiffness of ballast under dynamic loading. In this context, a material model for ballast stiffness based on the dynamic principles of soil is presented. The model is verified by a small scale experiment. Again, a threshold analysis shows that the influence of ballast stiffness on the overall system stiffness is almost negligible.

The presented prediction model excludes a large part of the influential structure-soil-structure interaction by application limits. The result is a simple model based on the spring-damper approaches for dynamically loaded foundations known from the literature. In order to apply the presented prediction model, four portal frame bridges along the Nuremberg-Munich high-speed railway line are investigated by operational modal analysis and compared with the prediction model. The results show a convincing performance of the presented prediction model.