Dynamische Beurteilung von Eisenbahnbrücken und Modellanpassung einer bestehenden Fachwerksbrücke

Im Schienenverkehr zeigt sich aus den Entwicklungen der letzten zwei Jahrzehnte ein klarer Trend zu schneller fahrenden Zügen, im Personenverkehr als auch im Güterverkehr. Sowohl in Deutschland als auch in Österreich wurden die zulässigen Geschwindigkeiten für verschiedene Streckenabschnitte erhöht. Beispielsweise verkehrt die Personenzuggarnitur Railjet seit dem Jahr
2012 mit 230 km/h auf großen Teilen der Westbahnstrecke. Diese Geschwindigkeitserhöhungen bringen eine große Herausforderung für den Bestand der gesamten Eisenbahninfrastruktur mit sich. Durch den klaren Trend der schneller verkehrenden Schienenverkehrsmittel wird die gesamte Eisenbahninfrastruktur stärker beansprucht. Ob nun Tunnel, Lärmschutzwände, Brücken oder sonstiges - durch die steigende Beanspruchung und Belastung der Infrastruktur gilt es diese entsprechend zu reevaluieren. Ein großer Fokus dieser Arbeit liegt auf der Berechnung und Beurteilung von Eisenbahninfrastrukturen, im Speziellen in der Berechnung und Bewertung von
Eisenbahnbrücken.
In Österreich gibt es mit etwa 6600 Brücken viele mögliche Problempunkte, um die erhöhten Anforderungen des Schienenverkehrs zu erfüllen. Hierbei besteht zudem eine große Problematik, da die durchschnittliche Lebensdauer von Eisenbahnbrücken bei über 100 Jahren liegt. Abgeleitet von dieser Problemstellung der Neubewertung werden zunächst vorhandene analytische Methoden aufbereitet, um die dynamische Antwort für den Bernoulli-Euler Balken zu berechnen. Diese analytischen Methoden eigenen sich durch die kurze Berechnungszeit für eine hohe Anzahl an Berechnungen und dadurch auch dazu Geschwindigkeitsgrenzwerte aus bestehenden Regelwerken zu überprüfen. Beim Einhalten dieser Geschwindigkeitsgrenzwerte für die zugehörigen Streckenklassen ist bisher eine vereinfachte, quasi-statische Nachweisführung
möglich gewesen. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt eine Klassifizierung für eine Sammlung von Zugdaten aus Normen, Messungen und künstlich generierten Zugdaten. Mit dieser Klassifizierung können die analytischen Methoden genutzt werden, um verschiedene Eisenbahnbrücken zu bewerten. Hierbei liegt die Bewertung von allgemeinen Eisenbahnbrücken im Fokus, um die Geschwindigkeitsgrenzwerte für die klassifizierten Streckenklassen zu überprüfen.
Auch wenn es die analytischen Methoden ermöglichen Parameterstudien durchzuführen, so sind die möglichen Randbedingungen in diesem Fall auf den Einfeldbalken beschränkt. Gerade bei älteren Baukonstruktionen können Systemänderungen beispielsweise durch Zwänge und Schädigungen auftreten. Die Berechnungen am Balken können hier allerdings keine Auskunft über diese Problematik geben. Auch praktisch ist es sehr schwierig zu bestimmen, wie stark
diese Zwänge wirken und die Kräfte im System beeinflussen. Bei der Untersuchung einer über 100 Jahre alten Fachwerksbrücke wird eine Modellanpassung an einem FE-Modell durchgeführt, um diese unbekannten Zwangsgrößen zu bestimmen. Durch die tatsächliche Berechnung durch eine Fehlerminimierung kann gezeigt werden, welchen Einfluss die Zwänge auf verschiedene Kräfte haben. Diese Berechnung und Validierung basiert auf verfügbaren Messdaten von über 70 Sensoren.
In einem letzten Kapitel wird das 3D FE-Modell in einen Ersatzbalken übergeführt, um auch eine Berechnung mit den analytischen Methoden durchführen zu können. Damit kann aufgezeigt werden, wo die Grenzen für die Modellanpassung an der analytischen Berechnung liegen. Für die Vereinfachung der Fachwerksbrücke können zudem sehr rasch die zulässigen Geschwindigkeiten für die zuvor definierten und klassifizierten Personen- als auch Güterzüge ermittelt werden. Dies kann wiederum mit den zuvor ermittelten Ergebnissen für die Balkenbrücken in Bezug gesetzt werden.
Mit diesen Methoden gilt es möglichst allgemeine Brückentragwerke als auch Zuganregungen mit den Inhalten der DIN EN 15528 zu vergleichen. Anderseits wird auch eine Bewertung einer bestehenden Fachwerksbrücke anhand einer Modellanpassung durchgeführt. Auch an diesem umfangreichen FE-Modell gilt es die Möglichkeiten und Grenzen der analytischen Methoden aufzuzeigen.