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

Die Weiterentwicklung des europäischen Eisenbahnnetzes steht unter dem Vorzeichen des vermehrten Einsatzes von Hochgeschwindigkeitszügen und einer signifikanten Anhebung der Betriebsgeschwindigkeiten. Um die Auswirkungen von dynamischen Effekten aus Verkehrslasten auf Eisenbahnbrücken im Rahmen einer Bemessung hinreichend genau vorhersagen zu können, ist die Kenntnis der wesentlichen dynamischen Systemeigenschaften notwendig. 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 Abschätzung von Brückeneigenfrequenzen schwierig ist. Tatsächliche und rechnerische Werte weichen in vielen Fällen erheblich voneinander ab. Ursache hierfür ist unter anderem die Nichtberücksichtigung baulicher Randbedingungen, da diese teilweise erheblichen Einfluss auf die Steifigkeits- und Dämpfungseigenschaften des Systems haben. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden zunächst Messungen an WIB- Überbauten durchgeführt und ausgewertet, um das Spektrum konstruktiver Ausführungsformen von tragendem Überbau, Lagerung sowie der herkömmlich als nicht tragend angesehenen Aufbauten zu erfassen und deren Einfluss auf Eigenfrequenz und Dämpfung weiter abzuklären. Die bisherigen o. g. Erfahrungen konnten dabei bestätigt werden. Darauf aufbauend wurden Finite-Elemente-Berechnungen zur Simulation von Zugüberfahrten im Hochgeschwindigkeitsbereich durchgeführt - mit dem Ziel, die Wirkung der als wesentlich erkannten konstruktiven Besonderheiten qualitativ und quantitativ zu beurteilen. Um dabei den Effekt der Schotterkopplung mechanisch abbilden zu können, der sich bei kontinuierlichen Schotterschichten auf baulich voneinander getrennten Einzelüberbauten einstellt, wurden Experimente an Eisenbahnschotter zur Herleitung eines vereinfachten Koppelmodells vorgenommen. Im Rahmen der numerischen Untersuchungen wurde festgestellt, dass sich insbesondere Steifigkeitsbeiträge von Randkappen und Schutzschicht erheblich auf die Brückendynamik auswirken, wobei dieser Effekt verstärkt bei Brücken mit kleinen Stützweiten auftritt. Weiterhin wurde festgestellt, dass sich die steifigkeitsbeeinflussende Wirkung der unterschiedlichen baulichen Randbedingungen prinzipiell ähnlich abbilden lässt, indem die globale Biegesteifigkeit des Brückenquerschnitts ersatzweise vergrößert wird. Die Auswertung der Bauwerksmessungen sowie die Ergebnisse der experimentellen und numerischen Untersuchungen münden in Vorschlägen, um die dynamische Bemessung von WIB-Brücken zu verbessern. Unter anderem wurde eine Bemessungshilfe erarbeitet, mit deren Hilfe sich die effektive Steifigkeit von WIB- Querschnitten näherungsweise bestimmen lässt. Das Verfahren basiert auf Korrekturbeiwerten zur Modifikation rechnerischer Querschnittssteifigkeiten. Unter Verwendung der Bemessungshilfe lässt sich eine zuverlässigere Prognose des dynamischen Systemverhaltens von WIB-Überbauten ableiten. Wie im Rahmen eines Berechnungsbeispiels gezeigt wird, kann das vorgeschlagene Konzept in einfacher Weise in die aktuelle Bemessungspraxis integriert werden.