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Baudynamik

Dynamische Berechnung der Beanspruchungen von Lärmschutzwänden (LSW) bei Zugvorbeifahrt und von Tunneltüren bei Ein-/Durch- und Ausfahrt von Zügen. Ermüdungsuntersuchung von LSW-Konstruktion und Tunneltüren sowie weiteren Einbauten in Tunnels. Die Berechnung der LSW erfolgt gemäß RVE 04.01.01 nach dem vereinfachten Verfahren sowie in Sonderfällen durch numerische Simulationen mittels Infograph. Bei den dynamischen Messungen der LSW-Konstruktion und der Tunneltüren werden mittels ambienten und krafterregten Anregungsmethoden die Eigenfrequenzen und Strukturdämpfungen ermittelt und mit diesen Werten erfolgt eine Kalibration der Rechenmodelle. Bei Bestandsstrecken werden auch Messungen der bei Zugvorbeifahrt tatsächlich auftretenden Druck-/Sog-Belastungen sowie der in Tunnels auftretenden aerodynamischen Belastungen zufolge unterschiedlicher Zugtypen und unterschiedlicher Zuggeschwindigkeiten durchgeführt. 

Dynamische Berechnung der Zugüberfahrt von 321 Bestandsbrücken im hochrangigen Streckenetz der ÖBB und Beurteilung der Berechnungsergebnisse gemäß ONR 24008, EN 1991-2 sowie der Richtlinie für „Dynamische Berechnung von Eisenbahnbrücken“. Die dynamische Beurteilung erfolgte in Bezug auf mögliche Destabilisierungen des Schotterbettes und/oder unzulässigen dynamische Brückenendverdrehungen sowie tragsicherheitskritische unzulässig hohe Werte der Schnittgrößen der Brückentragwerke. Bei ausgewählten Bestandsbrücken wurden dynamische Messungen zur Ermittlung der tatsächlich vorhandenen dynamischen Parameter (Eigenfrequenz und Strukturdämpfung) mittels krafterregten Anregungsmethoden (Long Stroke Vibration Exciter) durchgeführt. Die ermittelten Messwerte wurden zur Kalibration der Rechenmodelle herangezogen.

Im Zuge einer Nachrechnung wurde mittels eines 3D Finite Elemente Modelles auf Basis von Volumselementen die Nennspannung der Befestigungsschrauben bei Überfahrt von Radlasten ermittelt. Der Focus in der Berechnung lag in der Abbildung der nichtlinearen Kontaktfläche aus Unterkonstruktion mit der Fingerplatte, der Schraubenvorspannkraft und der Einfluss von Inperfektionen resultierend aus Bauungenauigkeiten. Die resultierenden Schwingspiele im Schraubenschaft wurden zur Beurteilung der Betriebsfestigkeit herangezogen.

Zur Charakterisierung der dynamischen Eigenschaften wurde im Zuge der Planungsphase ein nichtlineare 3D Finite Elemente Modell erstellt um eventuelle kritische Eigenfrequenzen im Bereich der menschlichen Gehfrequenzen zu identifizieren. Nach der Identifizierung wurde entsprechend der HIVOSS Richtlinie das Übergehen von Fußgängergruppen simuliert und die Tragwerksbeschleunigungen berechnet. In Absprache mit dem Bauherrn wurden entsprechend den Komfortklassen die Dämpfer und Positionen zur Schwingungstilgung bestimmt.

Messtechnik

Der Fokus des Projektes liegt in der Entwicklung geeigneter Kombinationen von Anregungs-, Messungs- und Auswertemethode zur aussagekräftigen Identifikation dynamischer Kennwerte von Eisenbahnbrücken. An 20 Eisenbahnbrücken unterschiedlichen Typs werden mit konventionellen Methoden – Ambient, Impulshammer, Sandsack, Zugüberfahrt – und mit modernen krafterregten Methoden – Unwuchterreger, hydraulischer , Long Stroke Vibration Exciter – die dynamischen Kennwerte (Eigenfrequenzen und Strukturdämpfung) ermittelt. Die Ergebnisse des Projekts werden bei der künftigen Beurteilung von Neu-und Bestandsbrücken bzgl. Geschwindigkeitserhöhungen und neuen Zugstypen verwertet sowie zur Aktualisierung derzeit geltender Richtlinien herangezogen.

In diesem Projekt mit starkem Forschungscharakter liegt der Fokus in der messtechnischen Untersuchung der dynamischen Eigenschaften von kurzen Betontragwerken. Dazu wurden zwei Versuchsbetontragwerke hergestellt, davon eines durch gezielte Belastung in den Zustand II versetzt, und je nach Ausbauschritt und Jahreszeit wurden die Eigenfrequenzen und Dämpfungseigenschaften bestimmt. Gemessen wurden Weg-, Beschleunigungs- und Dehnungsgrößen unter der kraftgesteuerten Anregung mit Long-Stroke Shakern. Ziel war die Ermittlung von realitätsnahen Eingangsgrößen (Steifigkeit und Dämpfung) in die dynamische Berechnung von Zugsüberfahrten.

In diesem Projekt werden Dauerschwingversuche an Stahlkonstruktionen mit bis zu 5 Millionen Lastspielen zur Beurteilung des Ermüdungsverhaltens und der Versagensart durchgeführt. Mit den Dauerschwingversuchen werden die innerhalb der Technischen Nutzungsdauer der Konstruktion auftretenden Lastspiele simuliert und der Ermüdungswiderstand nachgewiesen. Bei ausgewählten Versuchen wird ein Vielfaches des realen Lastniveaus dynamisch aufgeschaltet und das Versagen der Stahlkonstruktionen bewusst herbeigeführt. Die Ergebnisse der Dauerschwingversuche werden unter anderem auch zur versuchstechnischen Ermittlung von bauteilspezifischen Wöhlerlinien verwendet. Eine große Anzahl der Versuche wurde an LSW-Stehern die am Randbalken von Eisenbahnbrücken mittels Schraubverbindungen befestigt sind durchgeführt. Dabei wurden insbesondere auch Ausführungsmängel in den Versuchen berücksichtigt.

Zur Identifikation der Eigenfrequenzen, Schwingungsformen und Strukturdämpfungen werden mittels elektrodynamischen Shakern und sogenannten „Long Stroke Shakern“ krafterregte Schwingungsmessungen an Brücken und Tunneltüren durchgeführt. Die zu untersuchende Konstruktion wird mit Beschleunigungssensoren instrumentiert und die dynamischen Erregerkräfte werden mit einer definierten Größe der Kraftamplitude über den interessierenden Frequenzbereich eingeleitet. Die Krafteinleitung erfolgt entweder über einen „Modal Stinger“ in Kombination mit einem dazwischengeschalteten Kraftsensor oder der „Shaker“ wird direkt auf die zu untersuchende Struktur gestellt und die Bewegung der Reaktionsmassen wird gemessen. Die Shaker verfügen über einen geschlossenen Regelkreis mit dem zu jedem Zeitpunkt die Erregerkraft geregelt wird. Bei den untersuchten Strukturen wurden sowohl „automatisierte“ als auch „manuelle“ Frequenzsweeps durchgeführt. Die dynamischen Parameter werden durch Anwendung unterschiedlicher Methoden des Modal Testings ermittelt.

Monitoring

Die neue Drauquerung auf der zukünftigen Südbahnstrecke zwischen Klagenfurt und Graz ist ein vorgespanntes Stahlbetontragwerg bestehend aus 4 Einzeltragwerken mit einer Gesamtlänge von 650m. Als Oberbau soll ein durchgehendes Schotterbett ausgeführt werden und um Schienenauszüge zu vermeiden werden über 2 Jahreszyklen die Bewegungen der Dilatationsfugen zwischen den Einzeltragwerken vor dem Aufbringen des Oberbaues gemessen. Die autarke Messanlag zeichnet automatisch die Bewegung der Fugen, die Bauteiltemperaturen und die Lufttemperaturen auf. Aus den Jahresganglinien werden die Extremwerte (Winter – Sommer) für die maximale Fugenbewegung ermittelt, sowie aus der Korrelation

Das Monitoring zur Kugelsteinbrücke verlangte nach einem außerordentlichen Lösungsansatz um Änderungen der Rissbreiten an Knotendetails zu messen. Der Auftraggeber hatte durch monatliche visuelle Inspektion die Rissänderung dokumentiert und musste dazu eine Montageplattform unter dem Tragwerk vorhalten. Im Jahr 2016 wurde das Tragwerk durch eine neues ersetzt und für die Bauarbeiten musste die Montageplattform deinstalliert werden. Für den Zeitraum von einem Jahr wurde ein Monitoring installiert um auf Basis von Dehnungsänderungen im Bereich der Risse auf Änderung im Tragverhalten zu schließen. Zusätzlich wurde ein Achslastmesssystem vor der Brück auf den Schienen installiert um durch die Charakterisierung der Züge die Einwirkung mit der Tragwerksantwort zu korrelieren. Das Ergebnis war ein sehr sensitives Monitoring um bei gleicher Einwirkung die gleiche Reaktion des Tragwerkes im Umfeld der Risse zu klassifizieren. Das Monitoring war Grundvoraussetzung für den sicheren Bahnbetrieb und die Daten standen in Echtzeit zur Verfügung.

Mehr Details zum Monitoring finden sich hier (Publizeirt beim EWSHM 2016 Bilbao).

Im Zuge von Ertüchtigungs- und Instandhaltungsarbeiten an der Salzabrücke auf der B320 wurde festgestellt, dass durch jahrelange Erosionsprozesse die Randbedingungen für die ursprünglich geplante Ertüchtigung nicht mehr gegeben waren. Infolge wurde entschlossen das Tragwerk neu zu errichten und für die Zeit bis zum Baubeginn zur Verkehrssicherheit mit einem automatisierten Monitoring zur Grenzwertüberwachung auszustatten. Umgesetzt wurde eine elektronische Überwachung der Hilfsunterfangung für den Flusspfeiler, Rissweitenmessungen, sowie die vertikale Lage des Tragwerkoberbaues. Zusätzlich wurde ein Sicherheitsmanagementplan etabliert um im Falle einer Grenzwertüberschreitung eine geordnete Alarmkette auszuführen, beginnend bei der Alarmbestätigung bis zur Straßensperre.

Installation und Betrieb eines permanenten Monitoringsystems bei der Huyck Brücke in Gloggnitz. Es handelt sich um eine integrales vorgespanntes Stahlbetontragwerk mit einer Spannweite von 43 m. Die Besonderheit der Brücke sind die im Übergangsbereich von Widerlager zum Fundament ausgeführten Betongelenke. Im Jahr 2014 wurden Wegaufnehmer bei den Betongelenken, Erddrucksensoren hinter dem Brückenwiderlager, Temperatursensoren in der Tragwerksplatte, Betondehnungssensoren im Bereich der Betongelenke und ein Laserdistanzsensor zur Messung der Brückenlängsbewegung installiert. Die Messdaten werden permanent aufgezeichnet und laufend ausgewertet. Neben der Ermittlung der tatsächlich auftretenden Bewegungen / Rotationen der Betongelenke und der Spannungen in der eingelegten Bewehrung werden die jahreszeitlichen temperaturbedingten Längenänderung der Brücke gemessen und mit Temperaturansätzen die im Eurocode enthalten sind verglichen.

Erschütterungsschutz

Im Zuge der Neuplanung der Aufstellung von 4 neuen Fräsmaschinen des Typs DMU 80 P4 wurden „dynamische Berechnungen“ der Deckenkonstruktion über KG und der zum Zweck der Körperschallisolierung auf der Geschossdecke elastisch gelagerten Betonplatte durchgeführt. Es wurde ein räumliches Finite Elemente Modell erstellt und die im Endzustand zu erwartenden Eigenfrequenzen und Schwingungsformen des gekoppelten Systems (Decke mit elastisch gelagerter Platte) wurden rechnerisch ermittelt. Die aus dem Betrieb der Fräsmaschinen resultierenden dynamischen Erregerkräfte wurden nach Angaben des AG am Modell angesetzt und die sich daraus ergebenden dynamischen Schwingungsantworten wurden ebenfalls rechnerisch ermittelt. Ein Optimierungsprozess wurde angewendet und damit wurden eine Minimierung der Schwingungen der Decke über KG zur Gewährleistung des stabilen Betriebs der Fräsmaschinen erreicht.

Der Bahnhof in Lustenau wurde baulich adaptiert, einerseits werden die Bahnsteige durch eine Unterführung kreuzungsfrei unter den Gleisen verbunden und andererseits werden Lärmschutzwände entlang der Bahntrasse errichtet. Im Zuge des Projektfortschrittes werden durch Grundbauarbeiten (Spundwandrammen, etc.) Erschütterungen in den Baugrund eingetragen, die durch die Nähe zum Wohngebiet zu Schäden an Gebäuden führen können. Zur Überwachung der Erschütterungsintensität wurde in den nahen Wohnhäusern ein Monitoring zur Überwachung der Schwinggeschwindigkeiten an den erdanliegenden Decken (Kellerboden, etc.) installiert. Das System überwacht nach definierten Grenzwerten automatisiert die Schwingungen in 3 Richtungen um bei Überschreitung die Baufirma, Bauleitung und Bauherrn zu informieren. Werden die die Grenzwerde überschritten und besteht ein direkter Zusammenhang zu den Bauarbeiten muss z.B. die Schlagenergie beim Spundwandrammen reduziert werden. Dadurch kann verhindert werden, dass es zu Schäden, z.B. Risse an den nahegelegenen Bauwerken kommt.

Baudynamische Beratung bezüglich der Ausführung von Maschinenfundamenten bei der Firma Kostwein. Durchführung von Emissions- und Immissionsmessungen an unterschiedlichen Messorten am Betriebsstandort (Messplatz, PAMA Maschinenfundament, YASTA Maschinenfundament, SPEEDRAM Maschinenfundament). Auswertung der Erschütterungsmessdaten zur Identifizierung der im „Normalbetrieb“ auftretenden Erschütterungsemissionen als Grundlage für die Planung eines schwingungsisolierten Fundaments für einen zukünftigen Messplatz mit maximaler Dämmwirkung. Beurteilung der Wirksamkeit von am Betriebsstandort bereits ausgeführten elastisch gelagerten Maschinenfundamenten.

Planung, Vorbereitung und Durchführung von Emissions- und Immissionsmessungen zufolge Straßenbahnbetrieb. Verwendung von 2Stk triaxialen Schwinggeschwindigkeitsaufnehmern (Geophonen).  Auswertung und Analyse Messdaten. Beurteilung der Messergebnisse gemäß ÖNORM S 9012. Ermittlung des sekundären Luftschallpegels aus den Schwinggeschwindigkeitswerten gemäß ONR 199005. Prognose der zu erwartenden Erschütterungsimmissionen bei Neutrassierung der Straßenbahnlinie. Untersuchung von Maßnahmen zur Reduktion der Erschütterungsemissionen (Masse-Feder-System). Berechnung der Dämmwirkung des Masse-Feder-Systems (elastisch gelagerte Betonplatte).