Heidrich, Werner

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Article, Published VersionHeidrich, WernerSchwingungen von Eisenbahnbrücken und Übertragungdieser Schwingungen in den Baugrund über leichteStützenfundamenteMitteilungen der Forschungsanstalt für Schiffahrt, Wasser- und Grundbau; SchriftenreiheWasser- und GrundbauVerfügbar unter/Available at: https://hdl.handle.net/20.500.11970/106171Vorgeschlagene Zitierweise/Suggested citation:Heidrich, Werner (1979): Schwingungen von Eisenbahnbrücken und Übertragung dieserSchwingungen in den Baugrund über leichte Stützenfundamente. In: Mitteilungen derForschungsanstalt für Schiffahrt, Wasser- und Grundbau; Schriftenreihe Wasser- undGrundbau 41. Berlin: Forschungsanstalt für Schiffahrt, Wasser- und Grundbau. S. 30-37.Standardnutzungsbedingungen/Terms of Use:Die Dokumente in HENRY stehen unter der Creative Commons Lizenz CC BY 4.0, sofern keine abweichendenNutzungsbedingungen getroffen wurden. Damit ist sowohl die kommerzielle Nutzung als auch das Teilen, dieWeiterbearbeitung und Speicherung erlaubt. 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Besonders gefährdet sind .offensicbtlicb die nur ge-ring dimens ~ onie~ten Fundamente dieser Stützen. Ebenso ist be-kannt, daß sich in e~ yt ~~en Fällen die Widerlager ,zur Brücke bin kippen und in einigen Fäl len sogar gegen den ~rückent r äger drük-ken. Während diese Kippung aus diner falschen Einschätzung des Erddruckes folgen kann, ist im ersten Fall bestimmt ~ aber auch bei einigen Fällen von Widerlagerbewegungen , eine durch Erschüt-, terung,en hervorgerufene Satzung des Untergrundes die Ursache. ~ür den Ingenieur ist es üblich , die dynamisoben Wirkungen dur~h einen Sicherheitsfaktor in -irgende! ner Weise, in die· Be-rechnungen einzubeziehen und damit die Sicherheit des Bauwerkes zu gewährleisten. Uns wurde die Frage gestellt: "Ist es möglich, durch einen solchen Sic~erheitsf~or das Problem zufrieden-stellend _zu lösen? Wenn ja, wie groß ~ß dann dieser Faktor sein; wenn nein; welche anderen Mittel müssen angewandt werden, um die Sicherheit der Brücken zu garantieren?" Bisher bes?-gen die Vo~schriften · der Reichsbabri. , daß in der Sohlfuge von StUtzenfundamenten kein zusätzlicher dynamiscb~r Sicherheitsbeiwert für die zulässige Sohlpressung berückSich-tigt werden muß. Bei .den schweren Beton- oder Maue~erkstützen früherer Zeit, die nach heutiger Auffassung überdimensioniert · sind, traten auch keine Schwierigkeiten auf. Andererse~ts ist aber das ·Kippen von Brückenwiderlagern ein Hinweis darauf, daß . . / trotz relativ großer "Berubigungsmassen" noch Scb~den auftreten können. Um die gestellten Fragen beantworten z~ können, -kam .es zunächst darauf an, fest·zustellen; mit welchen Schwingungen wir überhaupt .rechnen müssen. Aus früheren Messungen war uns bereits bekannt, das die. im ~ Untergrund wirksamen Schwingungen nicht nur über das Brücken-> ' 30 > • bauwerk in den Baugrund eingetragen. werden, spndern auch von Glei~en unterhalb der Brücke beträchtliche Schwingungen .in den . Untergrund übertragen werden. Es ist dabei. auffällig, daß be_. ·sonders an Kreuzungsbauwerken zwei er Bahnlinien . häufig E!chäden 1 auftreten. Wir gingen bei der Bearbeitung dieses Themas davon · . ' a:ils, ~ zunächst für die Schwingungen, die aus der Brücke in den Untergrund übertragen werden, eine maßtechnische U~tersu­chung notwendig ist, die ' mit Berechnungen verglichen w~rden muß~ Dafür· standen einige Brücken zur Verfügung, bei denen un-ten ke.in .bzw. noch kein Sch.ienenverkahr erfolgte. Andererseits war es unbedingt n6twe[\dig, auch die Schwingungen zu . erfassen, die aus dem Verkehr . unter 4er Brücke }?errühren; und ·sie mit den auf der Brücke erzeugten und in den Baugrund übertragenen Schwingungen zu vergleichen. . Als erstes wurden daher an ~ehreren Brücke~ mit leichten ' I , Stützen Messungen durchgeführt, bei denen sowoh~ an der Brücke selbs.t als auch am Stützenfundament eine Reihe von Maßpunkten lagen. Registriert ·wurde in diesen Fällen jeweils die .Schwing-geschwindigkeit bei der Oberfahrt von Lokomotive[\ und Zügen, und die ge·messenen Werte wurden .der Fahrgeschwindigkeit zuge-ordnet. Weiter wurde das· Verhalten der Brücken bei Erregung durch .einen . Unwuchterreger gemessen und der jeweilige Frequenz-gang best}mmt. In einem Falle wurd~ dann ·das Ergebnis der Mes-sungen auch einer relativ ~ genauen . dyuamischen Berechnung- gegen-übergestellt. Hierbei zeigte s_ich, daß die Messungen l:iei Erre- . · gung durch einen Unwuchterreger sehr gut mit den Berechnungen f übereinstimmen. Das augewandte Rechenverfahren, das in einer gesonderten Verö~~entlichung vorgestellt werden soll, gestat-tet also durchaus die· Schwingungen zu erfassen. Dagegen lie~ ferten die ·Schwingungsmessungen bei der 'Oberfahrt einer Loko-motive \einen völlig anderen Frequenzgang. Um dieses Frequenz-spektrum sicher zu erfassen, haben ,wir die Schwingungen auf Tonband registriert imd anschließend auf einem Frequenzs'pek-trometer ausgewertet , wobei von jeder Oberfahrt zwischen 6 und , 10 Momentanwerte des Spektrums a1,1fgenommen wurden. Damit war auch der Unterachried im Spekt; um je nach augenbli.cklicher Iage der Lok zu erkennen. Die hierbei festgestellten Abweichungen . . " ' vom bareebneten Spektrum sind nicht mit der zusätzlichen Be-lastung der .Brücke 'durch die . Lokomotive · erklä:L'bar, da recht hohe F~equenzen zwischen 20 und 100 Hz dominierten. Die ·unbe-lastete .Brücke zeigte etwa8Hz als Eigenschwingung und .diaser Wert wurde durch die Zusatzmasse der LokomOtive je nach deren Stellung auf der Brücke,. bis auf etwa 2 Hz heruntergedrückt. • I Auch der Versuch, die Brücke zu betrachten als "eingespannt" zwischen ihren Stützen und den Fabrgestellfedern , die sieb gegen das Fahrzeug abstützen, führt nicht zu den gemessenen FrequenzgäD;gen .. Es ist daher anzunehmen, daß die Anregung durch das Fahrzeug den wasentliehen Teil des Frequenzspektrums be-stimmt, und daß die Brücke nur noch eine Modifizierung dieser Schwingungen bewirkt. Wesentlich für die Frage, ob ·ein Sicherheitsbeiwert dem Kern des Problems gerecht wird, ist auch, ob die auftretenden Spannungen im Baugrund bei nberfahrt· einer Lokomotive wesent-., , ' lieh größer werden als wenn die Lok auf der Brücke steht. Da es uns bisher nicht möglich war, Druckmaßdosen unter einem leichten Stützenfundament einzubauen, haben wir eine Bewegungs-messung .gegen eine Art Benkelmanbalken vorgenommen. Es wurde · versucht, den Balken möglichst bewegungsfrei zu halten und mit ·eine-m induktiven Wegmesser die Verschiebung des Fundamentes gegen die Balkenspitze zu messen. Diese Messungen ·zeigten ein-deutig, daß bei der Auffahrt . des Zuges auf .. die Brücke Schwin·-gungen auftraten, die relativ geringe Frequenz und beachtliche Amplituden hatten. Si.e nahmen mit der .Annäherung der ersten Achse an die untersuchte . Stütze ab. Die Einsenkung der Stütze erreichte unabhängig von .der Fahrgeschwindigkeit den salben · Wert wie beim Stand. Die dynamiseben Bewegungen - obwohl natür-- li~h - vorhanden- sind so klein, daß sie in der ?~istrierurig nicht feststellbar . sind. Ein Uberschreiten der maximal 'erreich-' ten Einsenkung bei stehender Lok tra~ nicht aufo Daraus muß . gefolgert werden, daß auch die auftretenden Spannungen nicht wesentlich die statischen Spannungen überschreiten. :Natürlich ) ist vorgesehen, . durch eine Spannungsmessung diese aus der Be-wegungsmessung gezogene Folgerung zu bestätigen, obwohl die gezogenen Folgerungen zwingend erscheinen. Aus diesen Erkennt-32 • 'niesen ergibt eich zwangsläufig, daß ein d;yiJamisch.er Sicher-. heitsbe.iwert nicht den Kern des physikalischen Problems er- · faßt, da durch ibn gerade e~ne dynamische bedingte Erhöhung der auftretenden Spannungen in den Berechnungen mit erfaßt werden soll. Damit ist zu ~rwarten, daß die Anwendung eines solcpen .Sicherheitsbeiwertes entWeder zu unökonomiscben Lösun-gen führen wird' oder die erforderliche Sicherheit nicht gewähr-l"istet; im un~stigsten Falle kann sogar beide.s auftreten. In mehreren· Maßreiben wurde anschließend ein Vergleich geführt zwischen ~en Schwin~gen , d~e von der Brücke in den Untergrund eingetragen werden, ~nd denen, . die aus. dem unteren Gleis stam-men. Die frequenzmäßige · Auswert~ng liegt noch nicht vor, aber es können schon jetzt wesentliche Schlußfolgerungen gezogen werden. ~ :Als erstes muß betont werden , daß die, vom unteren Gleis herrührenden gemessenen Werte der Schwinggeschwindigkeiten im Durchschnitt etwa doppelt so groß' sind wie die aus der Brücke herrührenden, wenn die Messungen im Un~ergrund nahe dem Stützen-fundament erfolgt_. Hierbei liegen anscheinend die F;_..equenzen ,höher bei den Fahrten vori Züge~ auf den unteren Gleisen. Sdbst die Stützenfundamente wurden durch Züge auf dem unteren Gleis noch zu stärkeren Schwingungen · anger~gt, als bei der Fahrt ei-nes Zuges über die Brücke. ,Die Schwinggeschwindigkeit wurde ,gemessen, da diese Größe nach allen bisherigen Erfahrungen i n erster Näherung frequenzunabhängig ein Maß für die Schädlich-keit bildet . In der Mechani~ sind wir gewöhnt, mit Amplituden oder Schy.'ingwegen zu rechnen , bei denen die niedrigen Frequen-zen stärker bet'ont werden. Es ist daher zu erwarten , daß bei Betrachtung der· Amplituden die Stärke der Schwingungen auf tden , I Stützenfundamenten in beiden Anregungsfällen etwa gleich groß s ein wird. Natürlich sind .die hier angegebenen Verhältnisse nur MitteJ,werte , die sowohl von Brücke zu B;,;ücke variieren . als auch sonst. einer sehr großen Streuung unterliegen. So ge-J,lügt z . B •. ein FlachÜiufer , um · die Spitzenwe:rte der Schwingge-scbwindigkeit auf dai:J :? ;... 4fache zu steigern. Ebenso macht s ieb die Fahrgeschwindigkeit sehr stark bemerkbar . 33 ., Als zweites zeigt sich, daS die gemessenen Schwinggeschwindig-keiten eine Größe haben, die nach bis~er vorliegenden Erkennt-nissen eventuell zu einer Einrüttelung locker gelagerter rolli-gor ErdStoffe führen können. Leider sind unsere Kenntnisse auf di esem Gebiet noch nicht ausreichend, um hier schon allgemein gültig~ Aussagen 'machen zu können, und ,für bindiges Material . sind die bisher vorliegenden Erkenntnisse noch geringer. ~och steht mit Sicherheit _fest, daS bei rolligem Material die Set-zungsgefährdung' infolge dynamischer Einwirkung geringer wird mit wachsender statischer Verspannung. Dies würde bedeute~, daß ein dynamischer Sicherheitsbeiwert, der die Vorspannung unt~r der Brü9kenstütze verringert, die Setzung der Stütze be-günstigt,. die ·durch unten vorbeifahrende Züge hervorgerufen wird, eine Schlußfolgerung, die zweifellos gegen die Anwendung ' eines Sicherheitsbeiwertes spricht. Schließlich ist aus den ,vorstehenden Ausführungen zu ent-nehmen, daß e~ner guten Gleislage unter der Brücke die gleiche Bedeutung beizumessen ist wie auf der Brücke.· Wenn z. B. neben einer Stütze, an der beachtliche Schäden ~ufgetreten sind, ein Schienenstoß vorhanden ist, muß er nicht unbedingt allein zu den Schäden geführt haben, aber daß er seinen wesentlichen An-teil dazu beigetragen hat, muß aus ·allen bisher vorliegenden , Messungen geschlossen werden. Das gleiche gilt natürlich auch für starke Riffelbildung. Aus den vorhergehenden A'\sführungen folgt, daß für die Ver-meidung von _ ~amisch bedingten Schäden an Brückenbauwerken ge-nauere. Kenntniss·e über das Verhalten der einzelnen Erds ~ offe bei dynamischer Belastung vorliegen müssen. Bekannt ist, daß manche Erdstoffarten setzungsempfindlich· sind und andere wenig oder gar nicht, und daS. besonders der Wassergehalt neben der Lagerungsdichte eine wesentliche Rolle spielt. Anscheinend ist es,_so, daS. relativ hochfrequente Schwingungen die. Scherfestig-keit vieler Erdstof.fe stark herabsetzen und damit die Voraus-setzung schaffen für Uml~gerungen unter statischer oder sehr niederfrequenter Belastung. Das deutet darauf hin, daS z. B. das gleichz~itige Fehren eines Zuges auf der Brücke und eines Zuges dar~nter zu besonders gefährlichen Schwingungs- und 34 I und Spannungsverhältnissen führen kann. Wenn wir nun aus den vorgenannten ·Gründen einen dynamischen Sicherheitsbeiwert ab-lehnen, stellt der Praktiker, der schließlich die Brücken be-rechnen und bauen mu.s·, die Frage, was er zur Zeit tun mu.B, um sicb~r zu bauen, und welche Ziele uns bei unseren weiteren Untersuchungen vorschweben. Zur Zeit kö~nen wir uns neben den vorliegenden Schwingungs-messungen~ur - auf die in der Literatur vorhandenen bzw. bei uns in anderem Zusammenbang gewonnenen Erkenntnisse stützen , die sieh auf das Verbtüten von Erdstoffen unter dynamiscbe:r Belastung beziehen. Das hier anstehende Problem wird wahr-seheinlieh am besten erfa.Bt in der Dissertation von Hausner /1/, in der für Maschine~undamente unterschiedlieber Art ein Zusammenbang zwischen den drei. Größen: Scbwinggesehwindigkeit des Fundaments, Dichteindex des Baugrundes und Auftreten von Schä~en hergestellt wurde. Eine Ubertragung der durch Hausner für Maschinenfundamente gewonnenen Ergebnisse auf ander_s ge-artete dynamisch angeregte Fundamente ist sicherlich zulässig, lediglich dürfte die Zeit bis zum Auftreten von Schäden bei stochastischen Verkehrserschütterungen mit relativ gro.Ben Zeit-räumen der Verkehrsruhe grö.Ber sein als bei ständig laufenden Maschinen. Leiäer gelten die ~gaben von Hausner n~r für rolli-. ges Material. Ein Vergleich der Ergebnisse der Schwingungsmes-sungen mit den von Hausner angegebenen Werten zeigt, daß. bis ·zu einer Fahrgeschwindigkeit von 30 km/h selbst beim Vorbanden-sein von Flachläufern bei rolligem Material ein Auftreten von ' Schäden kaum zu e~warten ist, dai aber bei höheren Fabrge-~ schwindigkeiten für locker gelagertes Material eine Einrütte-lu:ng möglich wird. Für den Praktiker b~deutet dies, daß er be-reit_s im Baugrundgutachten eine Angabe über den Dichteindex des anstehenden ~terials im Bereich bis zu einigen Metern un-ter. GründÜngesohle braucht; eventuell kann mit 'einer leichten ~onde eine ' ~rauch bare Aussage nachgeholt werden.. Wenn der Baugrund locker is~, sollte nach Ausbub der Baugrube für das Stützenfundament eine möglichst tief wirkende Verdichtung vor-genommen werden._ Da Tiefeurüttler in der DDR nicht zur Verfii.-gung stehen, mu.B mit einem Oberfläcbenverdicbter .möglicbst 35 ( großer Tiefenw~kung gearbeitet werden. Hierdurch kann ein ' großer Teil der noch zu erwartenden Setzungen vorweggenommen werden. In diesem Falle ist ein~ Nachkontrolle mit der leich-ten Rammsonde sinnvoll ~ ' . Bei temporären ~rücken, die eine Nachstellmöglichkeit f~ die Stützen b~ben, ist eine derartige -Maßnahme nicht unbedingt erforderlich aber zweifellos nützlich. In 1lu~betten wird man leichte Stützen wahrscheinlieb nur für temporäre ~rücken verwenden, da sie durch Eisgang sehr ge-fährdet sind. In diese111, Falle wird man sieb auf die :lacbstell-möglicbkeit ve~lassen müssen, da eine Verdichtung unte~ Wasser nicht viel Erfolg verspricht. Für die' ZUkunft ist zu erwarten, daß eine Art Katalog der verschiedenen Erdarten aufgestellt werden kann, in dem z. B. die Abnahme des Winkels der inneren Reibung oder auch einer anderen Scbergröße, einer KompressionsgrÖße oder sonstiger für die Berechnung wichtiger Kennwerte des Baugrundes in Abhängig-keit von den auftretenden Schwingungen angegeben wird; daneben müßte eine statistisch gesiche~te Tabelle über die bei den ver-schiedenen Brücken zu erwartenden, Schwingungen dem Projektanten angeben, welche Spannungen er letztendlich im Untergrund zulas-sen kann. De·r Sicherheitsbeiwert der damit errechnet wird, wäre a ~ so dann abhängig von den zu erwartenden Erschütterungen und dem Erdstoff ; und würde anzuwenden sein auf bestimmte Kenngrö- . ßen, wahrscheinlieb in erster Linie auf Scberparameter, des r . ) Baugrundes, Die Untersuchungen, die zu diesen Angaben führen sollen, werden zur1 Zeit vorbereitet; Es ist leicht vorstellbar, daß es 'sich hierbei um eine Aufgabe handelt, die nicht von heu-te auf morgen zu lösen ist. Aus diesem Grunde wird es nötig sein, die Erdstof-fe entsprechend ihrer Bedeutung als Baugrund für Brücken nacheinander zu untersuchen. _ZusammenfaSsend ist zu _sagen: Eine wesentliche Erhöhung der Sohlspannung durch die Fahrt ei-tler Lok verglichen mit der statisch hervorgerufenen Spannung konnte nicht festgestellt werden. 1 36 • Ein "dynamischer Sicherheitsbeiwert" - wie immer def'iniert _ , ' ist nicht nur nutzlos, sondern eventuell s'ogar ~efährlich. Zur Zeit ist die einzige Möglichkeit zum Vermeiden von Set-. zungssehäden, wenL vor Errichtung von leichten Fundamenten von . Brückenstüt~en eine sorgfältige1verdichtung der Baugrube mit einem möglichst tief wi~kenden Verdichtungsgerät vorgenommen wird, falls lockerer Baugrund vorl{egt • . .Eine einwand:freie Verlegung der Gleise und Vermeidung von · \ Schienenstöße~ und Rif~elbildung sowob~ . auf als auch ünter der Brücke .sind Voraussetzungen dafür, . daß die Schwingungen unter .dem gefährlichen Bereich bleiben. Natürlich ist auch der Zu-stand der Fahrzeuge von. au·ssehlaggebender Bedeutung. Flach- . läufe~ erhöhen die dynamische Belastung sehr stark. Ziel der zur Zeit anlaufenden Arbeiten muß es sein, für die einzelnen Erdstoffe 9ynamische Kennziff~rn z~ erarbeiten, die einen Z~­sammenb~ zwischen den BerechnungsgrBßen und den auftretenden Schwingungsgrößen herstellen. Literatur /1/ Hausner: . ("' Dynamische Stabilität nichtbindiger Lockergesteine bei stationärer ,Anregung durch Maschinenfundamente. ~ Dissertation an der TU Dresden, Sektion Bauingenieurwesen, .1971. . ) 37 ' 

Schwingungen von Eisenbahnbrücken und Übertragung dieser Schwingungen in den Baugrund über leichte Stützenfundamente

http://henry.baw.de/bitstream/20.500.11970/106171/1/Schriftenreihe_Wasser-Grundbau_Heft-41_A_04._Heidrich.pdf

Schwingungen von Eisenbahnbrücken und Übertragung dieser Schwingungen in den Baugrund über leichte Stützenfundamente

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