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Main Title: Lageveränderungen des Schottergleises durch zyklische und dynamische Beanspruchungen
Translated Title: Settlement and Stability of Ballasted Track due to Cyclic and Dynamic Loading
Author(s): Baeßler, Matthias
Advisor(s): Savidis, Stavros
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät VI - Planen Bauen Umwelt
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: In dieser Arbeit werden die Ursachen und Effekte dynamischer Beanspruchungen im Schottergleis des Schienenverkehrs untersucht. Ausgehend von einer Problemanalyse werden experimentelle Untersuchungen abgeleitet. Im Ergebnis werden ingenieurmäßige Bewertungskriterien und Modelle für Fälle einer dynamischen Beanspruchung von Schotterfahrwegen aufgezeigt. Einführend wird der Stand der Technik und Forschung der Betrachtung von Fahrwegsystemen und granularen Materialien beschrieben. Die Auslegung des Fahrwegs beruht häufig auf Erfahrung, während eine mechanische Modellbildung in der Forschung zwar stattfindet, aber aufwändig und auf quasistatische Anwendungen begrenzt ist. Demgegenüber wird dargestellt, dass für ein hochdynamisch beanspruchtes Granulat der hier gewählte Weg einer Untersuchung mit Laborversuchen zielführend ist. Es ist bekannt, dass die dynamischen Beanspruchungen aus der Fahrzeug-Fahrweg-Wechselwirkung des fahrenden Zuges resultieren. So werden zunächst Ursachen und Charakter der dynamischen Beanspruchungen aufgezeigt. Grundsätzlich ist die Situation eines Fahrwegs auf Baugrund und eines Fahrwegs auf Brücken zu unterscheiden. Für beide Fälle wurden Versuchsstände und Prüfsequenzen entwickelt, an denen die maßgebende zugrundeliegende Belastungssituation untersucht werden kann. Für die Untersuchungen wird zwischen zyklischen, d.h. Trägheitskräfte freien, und dynamischen Belastungen unterschieden. Zur Abgrenzung wird in den Versuchen der Verschiebungsverlauf unter zyklischen Lasten den eigentlichen dynamischen Versuchen vorangestellt. Die Wirkung dynamischer Beanspruchungen zeigt sich dann in plötzlichen Verschiebungsanstiegen. Mit den gewonnenen Erkenntnissen lassen sich so für den Schotteroberbau auf Erdbau und für den Schotteroberbau auf Brücken nicht nur Effekte phänomenologisch aufzeigen, sondern auch Grenzwerte für dynamische Beanspruchungen quantifizieren. Bei einer über die Schwelle eingetragenen Beanspruchung kann diese Grenze über den gleitenden Effektivwert der Schwinggeschwindigkeit angegeben, aber nicht eindeutig physikalisch begründet werden. Demgegenüber gelingt dies in den Versuchen mit der Grenzbeschleunigung an Brücken eindeutig. Durch die Anregung des Überbaus entsteht für den Oberbau die Situation eines Rütteltischs, für den bei Annäherung der Beschleunigungsamplituden an die Gravitationsbeschleunigung der Schotter seinen Zusammenhalt verliert. Für die dynamisch angeregten Brückenüberbauten wird die Problematik der Lageveränderungen des Schottergleises um eine Betrachtung der lateralen Verschiebungen erweitert. Die Aufgabe der Schiene ist es, Druckkräfte abzutragen, wie sie beispielsweise durch Temperaturanstiege entstehen. Eine laterale Stützung wird durch die Festigkeit des Schotterbetts gewährleistet. Da die dynamischen Beanspruchungen grundsätzlich mit einer, zumindest vorübergehenden, Entfestigung des Schotterbetts einhergehen, wird die laterale Gleislagestabiltät gesondert betrachtet. Gestützt auf Versuche gelingt es, einen Ansatz für ein vibrationsinduziertes Pseudokriechen abzuleiten, mit dessen Hilfe an einem numerischen Simulationsmodell Parameterstudien für die wichtigsten Einflussparameter durchgeführt und Empfehlungen abgeleitet werden.
In this thesis causes and effects of dynamic loads in a ballasted railway track are investigated. Following a thorough analysis of the problem an experimental approach is chosen. As a result, relatively simple assessment criteria and mechanical models are developed. As an introduction the current the state of research and technical development in track technology and granular materials is summarised. Commonly the design is an operating experience while a mechanical modelling is restricted to research. It becomes clear why experimental investigations are the appropriate way to deal with a dynamically excited granular material. The dynamic loading originates from the train-track-interaction of the moving vehicles. The thesis focuses on the description of this dynamic loading. Basically, two situations have to be investigated separately: The ballasted track on subgrade and the ballasted track on bridges. For both scenarios an experimental set-up and load sequences are developed to deal with the fundamental load schemes. Cyclic loading - which is inertia free – has to be distinguished from dynamic loading. To differentiate between the two types of loading the cyclic settlement curve are preceded to the results of vertical displacement due to dynamic loads in the investigations. A sudden increase in displacement then indicates the dynamic mechanisms. Apart from phenomenological insight, the obtained findings can be used to quantify limiting values for dynamic loadings. If the vibration is applied directly on the sleeper the limiting value is best fitted by RMS floating values of the particle velocity. On excited bridge decks this limit is given by the magnitude of the vertical acceleration. For the latter value the physical meaning lies evidently in the approach of the gravitational acceleration. Finally, for the dynamically excited bridge decks the investigation is extended to lateral track displacements. A technical task of the ballasted track is to carry compression loads originating primarily from an increase in the mean temperature of the rail. A lateral embedding is assured by the strength of the ballasted track. However, since a dynamic excitation is generally accompanied by an at least temporary softening this problem is investigated separately. Based on test results an approach for a vibration induced creep is found, which can be implemented in a track simulation model. With the help of this model further parameter studies are being done which finally can be subsumed in recommendations.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-19343
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2207
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1910
Exam Date: 18-Jan-2008
Issue Date: 23-Jul-2008
Date Available: 23-Jul-2008
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Brückendynamik
Schotterfahrweg
Schwingungen
Setzungen
Stabilität
Ballast
Bridges
Settlement
Stability
Vibrations
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