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 Dämpfungskoeffizient 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.The development of the existing railway network for high-speed trains provides new challenges in the dynamic design of new and especially existing bridge structures. High-speed train crossings can cause resonance phenomena in bridges, leading to large deformations, accelerations and stresses in the bridge structure. As a consequence, the maintenance intervals must be reduced, and in the worst case, the train may derail or the structure may fail. Damping of the structure has a great influence on the response at critical resonance state. In comparison to measured damping values, the damping values used in structural analysis are chosen very conservatively based on design guidelines and codes. Especially in the case of portal frame bridges with short span widths, economic dimensioning is often not possible. Due to their integration into the subsoil, they show a strong soil-structure interaction during train passage, which leads to a high geometric damping due to wave propagation in soil. This master thesis investigates the dynamic soil-structure interaction of portal frame bridges and the geometric damping effect of the soil. For the present numerical studies, simple plane finite element models are created, consisting of the frame structure and the soil. These models are used to perform parametric studies by varying the geometry of the frame structure and the soil properties. The portal frame bridge model is excited by an impulse in the center of the span and the frame-wall. The subsequent the decay behaviour of the free vibration is used to identify the geometric damping. The soil-structure interaction of railway bridges is evaluated based on natural frequencies, mode shapes and global damping coefficients. In particular, the first horizontal and the first vertical bending mode of the frame, are considered. It is shown that the natural frequency of the horizontal bending mode experiences a significant stiffening due to a lateral bedding of the frame-walls. In contrast, the natural frequency of the vertical bending mode is not noticeably influenced by the surrounding soil. It is shown that the damping coefficient of the first vertical bending mode is significantly affected by soil-structure interaction if the spans are very short. For spans larger than 20 m this effect is negligibly small. The damping value depends on the soil stiffness and is higher for soft soil. With increasing frame height and integration into the soil damping becomes larger.Abdurrahman Onay, BScAbweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersUniversität Innsbruck, Masterarbeit, 2019(VLID)434957