Zum Einfluss baulicher Randbedingungen auf das dynamische Verhalten von WIB‐Eisenbahnbrücken

Die Weiterentwicklung des europäischen Eisenbahnnetzes ist unter anderem durch den vermehrten Einsatz von Hochgeschwindigkeitszügen und eine signifikante Anhebung der Betriebsgeschwindigkeiten gekennzeichnet. Um die Auswirkungen von Zugbeanspruchungen auf Eisenbahnbrücken im Rahmen einer dynamischen Bemessung hinreichend genau vorhersagen zu können, ist die Kenntnis der wesentlichen dynamischen Systemeigenschaften erforderlich. Nur so können bemessungsrelevante Resonanzeffekte, die bei hohen Geschwindigkeiten grundsätzlich nicht auszuschließen sind, rechnerisch auf zuverlässige Weise erfasst werden. Messungen insbesondere an WIB‐Überbauten zeigen jedoch, dass eine realistische rechnerische Abschätzung von Brückeneigenfrequenzen schwierig ist. Tatsächliche und rechnerische Werte weichen in vielen Fällen erheblich voneinander ab. Als ursächlich wird hierfür unter anderem eine unzureichende Berücksichtigung baulicher Randbedingungen angesehen, die teilweise erheblichen Einfluss auf die Steifigkeits‐ und Dämpfungseigenschaften der Brücke haben. Der erste Teil des Beitrags führte in die Problematik ein und präsentierte Ergebnisse aus Messuntersuchungen an WIB‐Brücken. Im vorliegenden zweiten Teil des Beitrags wird nun auf Grundlage numerischer Studien gezeigt, wie sich bauliche Randbedingungen auf das dynamische Verhalten von WIB‐Überbauten auswirken. Abschließend werden die Untersuchungsergebnisse dazu genutzt, Vorschläge für eine genauere dynamische Bemessung abzuleiten. On the influence of constructional elements on the dynamic behaviour of filler beam railway bridges. Enhancements of the European railway system are amongst other things mainly characterized by increased usage of high speed trains and significantly raised operating speeds. To predict effects of train loading on railway bridges for a dynamic design adequately, knowledge of the system’s significant dynamic characteristics is required. Only this ensures that resonance effects, which generally cannot be screened out for high speeds, can be covered analytically by reliable values. Measurements especially carried out on filler beam bridges have shown though that a realistic estimation of eigenfrequencies of bridges is difficult. Actual values and measured ones differ significantly in many cases. In particular non‐consideration of structural constraints is seen as reason for this, given that they have an immense effect on a bridge’s stiffness and damping characteristics. The first part of the contribution gave a brief survey on the dynamics of high‐speed railway bridges. Furthermore results from measurements on filler beam railway decks were presented. In this second part of the contribution the influence of particular constructional elements on the dynamic behaviour of filler beam bridges is investigated, supported by numerical studies. Finally the main outcomes are discussed and proposals for an improved dynamic bridge design are made.     

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.     

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.     

Vorschlag zur Verformungsberechnung von WIB‐Brücken

Walzträger in Beton (WIB) stellen für einfeldrige Eisenbahnbrücken mit bis zu 25 m Spannweite eine attraktive Lösung dar. Das Verformungsverhalten derartiger Bauwerke wird durch die Rissbildung des Betons wesentlich beeinflusst, was daher rechnerisch realitätsnah erfasst werden muss. Im vorliegenden Beitrag wird ein Näherungsverfahren vorgeschlagen, welches für die Verformungsberechnung einbetonierter Stahlquerschnitte unter Gebrauchslasten geeignet ist. A proposal for the calculation of deformations in concrete – encased steel beams. Concrete‐encased steel beams are attractive solutions for railroad bridges with spans up to 25 meters. By this type of constructions the cracking of concrete is of great importance. In this article a calculation procedure is suggested, which is appropriate for evaluating deformations of steel‐profiles integrated in concrete under service conditions.     

Dynamische Untersuchungen von Eisenbahnbrücken

Dynamic Investigations of Railway Bridges Over the last decades, the cruising speed of railway traffic has increased considerably within Europe. Apart from the technological developments achieved in the field of high‐speed trains, several measures were required on the railway track. A location with large curve radius and proper superelevation is required in addition to a sufficient long‐ and short term stability of the superstructure also in view of high dynamic loads. Whereas these requirements usually are met on the free track, on railway bridges resonance effects may cause serious problems in terms of dynamic response. Triggered by these aspects, a specific chapter in Eurocode 1 is dedicated to dynamic calculations of railway bridges. In the presented paper current knowledge derived from dynamic investigations of bridges is summarised.     

Einfluss des Mikroklimas auf das energetische und thermische Verhalten von Gebäuden am Beispiel des Standortes Kassel

Unter Verwendung von an drei verschiedenen Standorten in Kassel gemessenen Klimadatensätzen der Jahre 2001, 2002 und 2003 sowie des Testreferenzjahres 07 des Deutschen Wetterdienstes wird der Einfluss des Standortfaktors Klima auf den Heizwärmebedarf und den Kühlkältebedarf mit Hilfe dynamischer Gebäudesimulation ermittelt und dargestellt. Hierzu werden für typische Wohnnutzungen Randbedingungen gewählt, für die das thermische Gebäudeverhalten basierend auf unterschiedlichen wärmetechnischen Standards verschiedener Baualtersklassen untersucht wird. Zur Beurteilung des thermischen Raumklimas wird die Anzahl der Übertemperaturgradstunden ermittelt und eine Beurteilung mittels PMV‐Indexes vorgenommen. Um die Unterschiede in den gemessenen Klimawerten an den Messorten aufzuzeigen, werden einige wichtige Einflussgrößen anhand von ausgewählten Windrosen, Ereignistagen, mittleren Jahreslufttemperaturen und Globalstrahlungswerten dargestellt. Aus der Bandbreite der Ergebnisse lässt sich feststellen, dass eine genauere Betrachtung des vorherrschenden Standortklimas für die Innenraumbetrachtungen sinnvoll ist und weitere Untersuchungen zur Bereitstellung solcher Daten erfolgen müssen. The effect of microclimate on the energy‐related and thermal behaviour of buildings, taking the German town Kassel as an example. The effect of local climatic conditions on heating and cooling requirements is determined and illustrated with the help of dynamic building simulation, using climate data sets measured at three different locations in Kassel in the years 2001, 2001 and 2003, as well as those of test reference year (TRY) 2007 of the German Meteorological Service (DWD). For the properties, which represent typical residential uses, boundary conditions were select ed for which the thermal behaviour was studied for the different thermal insulation standards of buildings of different constructions dates. In order to determine the thermal room climate, the number of excess temperature degree hours is determined and the assessment carried out using the PMV index. Some important parameters are presented with selected wind roses, event days, average annual air temperatures and global radiation values in order to illustrate the difference in climate values measured at the respective locations. The range of results allows the conclusion that a more detailed study of the prevailing local climate is merit ed for the study of indoor climate and that it is therefore necessary to carry out further studies so that such data can be established.