Experimentelle Untersuchungen zum dynamischen Verhalten von Eisenbahnbrücken mit Schotteroberbau

Im Zuge der Erhöhung der Reisegeschwindigkeit der Westbahnstrecke auf bis zu 250 km/h wurden in den letzten Jahren von Seiten der ÖBB zahlreiche dynamische Brückenmessungen in Auftrag gegeben. Dabei konnte festgestellt werden, dass Berechnung und Realität meist sehr stark differieren können. Dies liegt einerseits im Umstand, dass für Berechnungsmodelle im Zuge der Aufwandsminimierung immer gewisse Vereinfachungen in der Modellbildung vorgenommen werden müssen und somit die realen Verhältnisse nur bedingt abgebildet werden können, zum anderen ergeben sich durch konservative Annahmen der Normung stark auf der sicheren Seite liegende Eingangsgrößen. Gerade im Hinblick auf dynamische Berechnungen gibt die Norm für die anzusetzende Dämpfung des Systems sehr stark auf der sicheren Seite liegende Werte vor, welche gerade für Eisenbahnbrücken mit Schotteroberbau die realen Verhältnisse nicht abbilden. Um diesem Umstand Folge zu leisten, wurden in Zusammenarbeit mit der ÖBB Versuche an einer realen Brückenstruktur durchgeführt. Die folgenden Seiten beinhalten die Ergebnisse und Auswertungen der dynamischen Schwingungsmessungen einer Eisenbahnbrücke aus Stahl auf der Strecke der Donauuferbahn zwischen St. Valentin und Krems. Dynamic behaviour of a railway bridge with ballast superstructure — field trials and modal identification. The technical progress in the construction of railway bridges enables the realisation of more and more slender and lightweight structures. Also, the axle loads and travelling speeds of the operating trains were constantly increased over the past. Caused by these developments, the dynamic behaviour of railway bridges is getting more and more important for the design and construction of new structures or refurbishment purposes. To investigate the dynamic interaction between the ballast superstructure and the structure of the bridge, an experimental bridge has been built and tested with an innovative system of two eccentric weight vibration generators based on the methods of experimental modal analysis using the resonance method. The experiments show that the ballast superstructure affects the damping and the dynamic behaviour of the bridge in a nonlinear way. The following paper deals with the verification of the results achieved in the laboratory by carrying out field trails on existing railway bridges.     

Lastkollektive für Eisenbahnbrücken aus Messdaten

Load spectra for railway bridges from measurement data – Part 1: systematic investigations into damage equivalent factor λ₁ on single span girders. The rapid progress in the evolution of memory device leads to an increasing data‐gathering. This offers new opportunities to define fatigue loads for railway bridges by systematic evaluations. So far, the definition of load spectra based on predefined trains and traffic mix was the only approach, but now it can be done much more detailed but even more CPU‐intensive by using influence data over a long period of time. This article shows practical results of this new approach for building load spectra by using systematic calculations on single span girders together with short theoretical explanations. The used influence data provided by the Österreichischen Bundesbahnen result in significant differences comparing to standardized values. Part 1 of this article includes exclusively the damage equivalent factor λ₁ while the second part includes the damage equivalent factors λ₂ and λ₃ as well as the threshold value λ_max and a model with respect to traffic trends.     

Ermüdungsverhalten geschweißter Rohrknoten von Fachwerkverbundbrücken

Im Verbundbrückenbau werden in letzter Zeit anstatt vollwandiger Ausführungsvarianten vermehrt aufgelöste Fachwerkkonstruktionen aus Stahlhohlprofilen eingesetzt, da diese sowohl in Bezug auf gestalterische Grundsätze als auch hinsichtlich konstruktiver Gesichtspunkte Vorteile versprechen. Hierbei wird insbesondere bei Brückenentwürfen, deren Ausgestaltung eine Vielzahl unterschiedlicher Knotengeometrien erfordert, aus wirtschaftlichen Gründen die Verbindung zwischen Füllstab und Gurtrohr bevorzugt mit direkt geschweißten Knoten anstatt mit Stahlgussknoten ausgeführt. Aufgrund der durch die Knotengeometrie bedingten Spannungskonzentration im Bereich der Schweißnahtkerbe wird der Brückenentwurf bei dieser Ausführungsvariante maßgeblich von der dort vorherrschenden Ermüdungsfestigkeit beeinflusst. Nachdem die in den einschlägigen Normen bereitgestellten Nachweisverfahren gegen Ermüdung für die üblichen im Brückenbau verwendeten Abmessungen nicht anwendbar sind, ist die versuchstechnische Untersuchung zur Absicherung eines ausreichenden Ermüdungswiderstandes bisher unabdingbar. Dieser Beitrag bezieht sich auf insgesamt sieben Versuchskörper, die im Rahmen des Neubaus der Autobahnüberführung Suhl–Lichtenfels auf Ermüdung geprüft wurden. Fatigue behaviour of welded pipe intersections in steel‐concrete composite bridges. In the construction of modern steel‐concrete composite bridges, the steel part is increasingly built by circular hollow sections instead of steel plates. This type of bridge design shows advantageous characteristics concerning architectural aspects as well as benefits in the static load transfer. Especially if the design of the truss girder requires a large number of different node geometries, the connection between the braces and the lower and upper chord are for economic reasons preferably build by directly welded nodes instead of cast steel nodes. Due to the local joint discontinuity of the pipe intersections, the stress distribution is enhanced exactly in the area of the welding seams. As a consequence, the limited fatigue behaviour of the pipe intersections represents the critical aspect in the design of tubular truss‐girder bridges. The difficulties in the design of this construction type are due to the fact that the criterions for fatigue verification given in the current codes do not cover the typical dimensions used in bridge design. Therefore until now it is unavoidable to conduct large‐scale tests in order to verify a sufficient fatigue resistance. This article refers to a total of seven specimens tested on fatigue during the construction of the new Highway Overpass Suhl– Lichtenfels.     

Gestalten von Eisenbahnbrücken

Design of railway bridges. Railway bridges are high performance structures concerning their load bearing capacity, durability and serviceability. But high demands of usage and loading combined with the special conditions of building technology under continuing traffic led to a lack of aesthetic bridge design during the last decades. The structures of infrastructure, and in particular bridges, are large and tend to dominate their natural or urban environments. Bridges must, therefore, meet high levels of aesthetic and design value in addition to meeting the basic requirements of providing safety, functionality and economic solutions. Two years ago an advisory board for bridge design was established to support the Deutsche Bahn in making considerable improvements to the aesthetic and design quality of bridges promoting innovation in bridge design and construction.     

Neuartige Sandwichfahrbahnplatte für Eisenbahnbrücken

Innovative composite deck slab for railway bridges – Analysis of the fatigue behaviour of the shear connectors using the strain‐life method. At the Technischen Universität Wien (Vienna University of Technology), Institut für Tragkonstruktionen (Institute of Structural Engineering), Research Centre of Steel Structures, a new, extremely slender steel‐concrete‐steel composite (SCSC) plate is under investigation to meet the requirements of today's standards related to the geometric conditions and noise emission in the substitution of old railway bridges. The multi‐layer structure of the plate consists of two steel cover plates with an unreinforced concrete core, hence the name of sandwich plate. Perforated shear connectors, welded alternately to only one of the outer steel plates, work together to ensure the transmission of the shear flow between the outer plates, by the activation of diagonal, horizontal concrete compression struts between neighboring dowel bars. In addition to the distribution of the vertical loads in cross direction to the main girders, the SCSC deck slab also acts as main girder bottom flanges. Investigations on the static load‐bearing capacity as well as an explanation of the load‐carrying mechanism of the SCSC plate were made in ([1] [2] and [3]). Evaluation of the fatigue behaviour is presented in this work, focusing on the fatigue behavior of shear connectors of the SCSC plate. In the course of research a nonlinear, three‐dimensional finite element model served as the basis for a lifetime calculation using the local strain‐life method [4]. The aim was to investigate the relation between the range of traffic load (Load Model 71) and the bearable number of load cycles of the SCSC plate till crack initiation in the shear connectors. This paper provides an overview of the approaches used to calculate fatigue life of the shear connectors and gives a brief summary of the results.     

Zu Verbundbrücken mit integralen Widerlagern

Bei Entwurf und Planung von Brückenbauwerken stehen neben der Tragsicherheit und Gebrauchstauglichkeit auch die Fragen der Nachhaltigkeit, Wirtschaftlichkeit und Instandhaltung im Fokus. Verbundbrücken mit integrierten Widerlagern sind deswegen eine wirtschaftliche Alternative. Sie erweisen sich als günstiger im Bau und Unterhalt, da Lager und Fugen, welche einen großen Anteil an den Gesamtwartungskosten des Bauwerks ausmachen, fehlen. Jedoch konnten bisher in den meisten europäischen Ländern nur wenige Erfahrungen mit integralen Widerlagerbrücken, insbesondere in Verbundbauweise, gesammelt werden, so dass die Verbreitung dieses Brückentyps nur zögerlich erfolgt. Durch Forschungsarbeiten, über die auszugsweise in dem Aufsatz berichtet wird, können offene Punkte bei der Bemessung weiter geklärt werden, so dass die Vorteile langfristig sinkender Instandhaltungskosten besser ausgenutzt werden können. Integral abutment bridges. Within the design and construction of bridges, questions of sustainability, maintenance and durability become more and more important for European road administrations in addition to safety and serviceability issues. Therefore integral abutment bridges turn out to become highly attractive to designers, constructors and road administrations. The main reason for this is that they tend to be less expensive to build, easier to maintain and more economical to own over their life time. This is principally due to the non‐existence of bearings and joints, that are main sources of maintenance costs during life time. However, in most European countries only few experience with integral bridges has been gained so far. Thus road administrations often are reluctant in using types of bridges like this. Nowadays this lack is more and more filled. Therefore with further assessment the share of integral abutment bridges in the European bridge stock has the potential to increase significantly with the advantage of reduced maintenance costs.