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Dynamik im Nahverkehr imb -dynamik Schienenverkehrswege – Baudynamik – Strukturdynamik – Beweissicherung D-82266-Inning-Buch Tel 08143-6313 Fax 08143-8767 Ing.-Büro Dr.-Ing. Müller-Boruttau Beratende Ingenieure BYIK §26 BImSchG-Messstelle dynamik D D y y n n a a m m i i k k i i m m N N a a h h v v e e r r k k e e h h r r U U n n t t e e r r l l a a g g e e n n z z u u e e i i n n e e m m V V o o r r t t r r a a g g v v o o n n D D r r . . - - I I n n g g . . F F r r a a n n k k H H . . M M ü ü l l l l e e r r - - B B o o r r u u t t t t a a u u

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    §26 BImSchG-Messstelled y n a m i k

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    Inhaltsübersicht1 Ein wenig Theorie2 Was das Fahrzeug beitragen kann3 Was der Fahrweg beitragen kann4 Wie man messen kann5 Wie man rechnen kann6 Prinzipielle Verbesserungsmöglichkeiten: Fahrzeugseitig7 Prinzipielle Verbesserungsmöglichkeiten: Oberbau / Unterbau8 Beispiel für Analyse: Pfleiderer Rheda City Athen9 Prinzipielle Untersuchungen

    Datei C:\Dokumente und Einstellungen\FMB\Desktop\Auftrag\177\177_29\A177293b_neutral.doc, 24.10.02 15:13

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    1 Ein wenig Theorie1.1 Fahrzeug, Fahrweg und Dynamik

    SchieneZwischenlageSchwelleSchotterPlanum

    Fahrweg

    Kra

    ft

    Radkraft bei stehendem Fahrzeug (konstant)

    Radkraft bei langsam fahrendem Fahrzeug

    Radkraft bei schnell fahrendem Fahrzeug

    Unrundes Rad oderUnebenheit des Fahrweges

    dynamische Radkraft verursacht Schwingungen von Fahrzeug, Oberbau und Untergrund:Emission von Körperschall:Einwirken von Erschütterun-gen und sekundärem Luft-schall auf Menschen

    Idealzustand:– perfekte Fahrzeuge mit perfekten Rädern– perfekte Schienen, kontinuierlich gelagert– keine Störstellen, Weichen, Kreuzungen– völlig homogener Untergrund

    Realität:– Fahrzeuge mit Imperfektionen– Räder mit Unrundheiten / Flachstellen– diskontinuierliches Gleis (nicht perfektkontinuierlich gelagert)– unregelmäßiger Untergrund

    Unrundes Rad, Unebenheitdes Fahrwegs

    SchieneBefestigung, elastischTragplatte FFelastische SchichtUnterbau

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    §26 BImSchG-Messstelled y n a m i k

    1.2 Kleines LexikonDie folgenden Ausführungen legen hohen Wert auf gute Verständlichkeit, nicht auf letzte wissenschaftliche Exaktheit.Abstrahlung die Eigenschaft eines schwingungsfähigen Systems, Energie (Schwingungsenergie) an die Umgebung abzugeben. Die Umgebung

    leitet Körperschall fort und ist damit selbst Schwingungen ausgesetzt, das abstrahlende System erfährt dadurch Dämpfung.

    Amplitude Schwingweite einer Schwingung, gemessen von der Nulllinie bis zum Maximalausschlag

    Baudynamik befasst sich mit allen zeitveränderlichen Einwirkungen auf ein Gebäude: z.B. Schwingungen, Erschütterungen, Erdbeben, Wind

    Bettungsmodul eine flächenbezogene Federziffer (Federziffer/Fläche), angegeben meist in N/mm³ = N/mm je 1 mm²: die Kraft in N, die manbraucht, um eine Probe von 1 mm² Fläche um 1 mm zusammenzudrücken, oder besser, die Kraft in MN, die man braucht, um eineProbe von 1 m² um 1 mm zusammenzudrücken

    Dämmung findet statt, wenn Schwingungsenergie am Eintritt in ein fortleitendes Medium gehindert wird (Analogie Wärmedämmung)

    Dämpfung ist, wenn man einer Schwingung Energie entzieht und damit die Amplitude (oder den Effektivwert oder Pegel) verringert. Dieentzogene Energie wird in dem dämpfenden Medium in Wärme umgewandelt oder abgestrahlt. Es gibt im Bauwesen drei Arten vonDämpfung: Baustoffdämpfung (=Materialdämpfung), Bauteil- oder Fügestellendämpfung und Abstrahlungsdämpfung

    dB keine Maßeinheit, sondern nur die Angabe, wieviel größer oder kleiner ein bestimmter Wert ist, verglichen mit einem freivereinbarten Bezugswert (bei Luftschall meist Bezugswert p0 = 0,000 02 Pa = 2⋅10-5 Pa):10 dB ⇒ 10-fache Energie bzw. √10-fache (ca. 3,1-fache) Amplitude von p020 dB ⇒ 100-fache Energie bzw. 10-fache Amplitude von p030 dB ⇒ 1000-fache Energie bzw. 10⋅√10-fache (ca. 31-fache) Amplitude von p0 …Hat bei Immissionen nur bei Luftschall etwas verloren, ist bei Körperschall genauso unnötig wie z.B. bei einer Temperatur.

    dB(A) bedeutet, dass ein Luftschall-Signal (gemessene oder berechnete Luftdruckverläufe als Funktion der Zeit) bei der Berechnung einesdB-Wertes (eines Pegels) einer Frequenzbewertung unterzogen wurde. Damit soll die je nach Frequenz (= Tonhöhe) unter-schiedliche Empfindlichkeit des menschlichen Ohres in etwa nachvollzogen werden (sehr tiefe oder sehr hohe Frequenzen werdenweniger oder gar nicht mehr berücksichtigt gegenüber den mittleren). Der Frequenzbereich beträgt rund 16 bis 16 000 Hz

    dBv wie dB und dB(A) keine Maßeinheit, sondern ein Maß, das angibt, wieviel größer oder kleiner ein bestimmter Körperschallbetrag ist,verglichen mit einem frei vereinbarten Bezugswert v0 (meist v0 = 0,000 000 05 m/s = 5⋅10-8 m/s),für Nichtakustiker, also normale Menschen und Ingenieure, unnötig

    dynamische Verhärtung die Eigenschaft der meisten elastischen Materialien, steifer zu werden (höhere Federziffer), wenn die Frequenz der Belastung steigt.Eine Unterschottermatte oder ein Gummielement kann bei 100 Hz ohne weiteres 5-mal so steif sein gegenüber statischer Belastung

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    Effektivwert ein Beispiel: Die Spannung an der Haushaltssteckdose beträgt 230 Volt, oder? Nein, tut sie nicht! Sie beträgt genauer gesagt230 V eff (= effektiv = rms = root mean square), in Wirklichkeit verändert sie sich in jeder Sekunde 50 mal (daher 50 Hz„Netzfrequenz“) vom Maximalwert 325 Volt auf den Minimalwert –325 Volt und zurück. Wenn man aber wissen will, welche Leistungein Gerät effektiv hat, arbeitet man viel einfacher mit dem so genannten Effektivwert.(Wer es etwas genauer wissen will: Dieser Wert wird gebildet, indem man das Signal, hier die Spannung an der Steckdose, U(t)quadriert, aufintegriert, über die Zeit mittelt, und daraus wieder die Wurzel zieht; daher root mean square. Slow rms bedeutet, dassdie Mittelungszeit 1 s beträgt, Fast rms ebenso für 1/8 s.)

    Eigenfrequenz Frequenz eines schwingungsfähigen Systems, die man bekommt, wenn man das System anstößt und ausschwingen läßt

    Einfügungsdämmung / -dämmmaß,ebenso Einfügedämmung /-dämmmaß

    gibt an, wie sich ein Einzahlwert (z.B. Luftschallpegel) oder ein Spektrum (z.B. Terzspektrum des Körperschalls) verändern, wennman eine bestimmte Maßnahme vornimmt, z.B. ein elastisches Element im Oberbau einbaut, und alle anderen Einflußgrößenunverändert bleiben (gleiches Fahrzeug, gleiches v, gleiche Schiene). Merke: Einfügungsdämmung ist keine Eigenschaft einesElementes alleine, sondern gilt immer nur in Bezug auf genau eine Referenzsituation, bei anderen Untergrundeigenschaften,anderen Oberbaueigenschaften, anderen Fahrzeugen können sich abweichende Einfügungsdämmungen ergeben!

    elastische Elemente wichtige Mittel, um Schwingungen, Erschütterungen und gleichzeitig Beanspruchungen zu verringern. Wichtige Kenngrößen fürelastische Elemente sind (statische) Federziffer, dynamische Verhärtung und Dämpfung (und nicht etwa Shorehärte!)

    Elastizität, Volumenelastizität,Gestaltelastizität

    Etwas ist elastisch, wenn es unter Belastung nachgibt. Volumenelastizität bedeutet, dass ein Material bei Belastung verdichtet wird,also z.B. alle Schäume. Unzusammendrückbare Materialien wie z.B. Gummi müssen seitlich ausweichen können und haben somiteine Gestaltelastizität. Auch Wasser ist inkompressibel, daher wird ein Schaum, dessen Poren mit Wasser gefüllt sind, seineElastizität vollständig verlieren.

    Emission Ausstrahlung, Abstrahlung von z.B. Erschütterung (s. Transmission, Immission)

    Emissionsort Quellort der Emission

    Erschütterungen meist synonym für Schwingungen verwendet. „Erschütterungen“ deutet mehr den nicht stationären (gleichbleibenden) = transienten(vorübergehenden, veränderlichen) Charakter an, während „Schwingung“ eher für einen stationären Zustand verwendet wird

    Federkennziffer statisch / dynamisch kennzeichnende Größe für ein elastisches Element, angegeben meist in kN/mm: die Kraft (kN), die man benötigt, um einFederelement um 1 mm zusammenzudrücken. Statisch bedeutet, dass die Federziffer mit sehr langsamen Verformungen gemessenwird, dynamisch dagegen, dass mit Frequenzen von wenigen Hz bis hin zu vielen kHz (1000 Hz) gemessen wird.

    Frequenz Anzahl der Schwingungen je Sekunde, angegeben in Hz = 1/s (englisch cyc/s = cycles/s)

    Immission Einwirkung von z.B. Erschütterung oder Luftschall

    Immissionsort Ort, an denen z.B. Erschütterung oder Luftschall auf einen Menschen oder eine technische Anlage einwirkt

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    KB-Wert ein dimensionsloses Maß [-] zur Bewertung einer Schwingungseinwirkung auf den Menschen, begrenzt auf Frequenzen zwischen 1und 80 Hz; für Erschütterungen infolge Bahnverkehr gilt sehr gut: KB-Wert = effektive Schwinggeschwindigkeit in mm/s eff. DasVorgehen entspricht dem bei der akustischen A-Bewertung (s. dB(A))

    Körperschall Erschütterungen / Schwingungen, die über ein festes (Boden, Gebäude) oder flüssiges (Grundwasser) Medium übertragen werden

    Luftschall (= primärer Luftschall) Schall, der von der Quelle ausgehend direkt über die Luft übertragen wird, meist in dB oder dB(A) angegeben

    Modul s. Bettungsmodul

    Pegel eine physikalische Größe, die in dB angegeben wird, z.B. Luftschall (genauer: Luftschalldruck)

    Schwinggeschwindigkeit,Schwingschnelle, Schnelle

    synonym. Bei Erschütterungen: Geschwindigkeit, mit der sich ein Punkt (meist an der Oberfläche eines Körpers) bei einerSchwingung bewegt, angegeben als Funktion der Zeit f(t) entweder als Absolutwert in mm/s (kann + oder – sein) oder alsEffektivwert (immer +) in mm/s eff (= effektiv, kommt auch auf englisch als rms = root mean square)

    Schwingung s. Erschütterung; eine Schwingung wird durch Kenngrößen wie Amplitude, Effektivwert und Frequenzgehalt beschrieben

    sekundärer Luftschall Raumbegrenzungsflächen (Fußboden, Decke, Wände), die Körperschall führen (also erschüttert werden) können wieLautsprechermembranen Luftschall abstrahlen

    Shorehärte hohe Zahl: hartes Material, niedrige Zahl: weiches Material. In der Praxis für den Bauingenieur genauso wichtig, wie die Brinellhärtedes Karrosseriestahles seines Autos, also überhaupt nicht. Entscheidend sind (statische) Federziffer, dynamische Verhärtung undDämpfung.

    Spektrum, spektral (=frequenzmäßig) Angabe der frequenzmäßigen Zusammensetzung eines Signales, bei Immissionen häufig mit der Bandbreite „Terz“ alsTerzspektrum angegeben, d.h. die Schwingungsenergie, die in ein Intervall mit der Breite einer Terz fällt, wird zusammengezählt (fürdie Musikverständigen: man stelle ein Klavier neben eine Geräuschquelle, messe, wie stark die Saiten c, cis, d, dis angeregt werdenund zähle die Energie zusammen, das gleiche macht man mit den Tönen e, f, fis, g bzw. gis, a, ais, h usw. für alle Oktaven desKlaviers. Dann schreibe man die Zahlenwerte in eine Tabelle und hat somit ein Terzspektrum – bisschen umständlich, aber sachlichvöllig korrekt

    Summenpegel ist ein Pegel, der als Einzahlwert eine (energetische) Summierung über einzelne Pegel darstellt: etwa der Summenpegel derImmissionen über einen ganzen Tag, oder aber als spektraler Summenpegel der einzelnen so genannten Terzpegel einesTerzspektrums

    Terz siehe Spektrum

    Transmission Übertragung von z.B. Erschütterung vom Emissionsort durch das Transmissionsmedium Boden zum Immissionsort

    Transmissionsmedium Übertragungsmedium von Erschütterungen (Boden) oder Luftschall (Luft)

    … muss man nicht alles gleich verstanden haben …

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    1.3 Zusammenhang Fahrgeschwindigkeit-Wellenlänge-Frequenz

    Ablesebeispiel:ein Schwellenabstandvon 0,6 m verursachtbei einer Fahr-geschwindigkeit von60 km/h eineStörfrequenz von 28 Hz

    0,01

    0,10

    1,00

    10,00

    100,00

    Frequenz [Hz]

    Wel

    lenl

    änge

    der

    Stö

    rung

    [m]

    (Ska

    lieru

    ng b

    each

    ten)

    kurzwellige Riffel (4 cm)

    langwellige Riffel (10 cm)

    12er-Polygone (16 cm)

    Achsabstand im Drehgestell oder Radumfang (2 m)

    ovale Räder (1 m)

    Drehgestellabstand (8,6m)

    ca.

    40 H

    z10 100

    1000

    ca.

    400

    Hz

    1,0

    8er-Polygone (25 cm)

    Schwellenabstand eng (0,6 m)

    Schwellenabstand weit (1,2 m)

    10 km/h 20 30 40 50 60 70

    niederfrequent mittelfrequent hochfrequent

    Frequenzbereich Erschütterungen

    Frequenzbereich Sekundärluftschall

    Frequenzbereich Luftschall (primärer)

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    1.4 Bedeutung der Frequenzbereiche

    1 10 100 1.000 10.000 100.000Frequenz [Hz]

    Luftschall (primärer)16 - 16 000 Hz

    Erschütterungen 1 - 80 Hz

    Luftschall (sekundä-rer) 16 - 315 Hz

    schwimmender Estrich

    Stahlbetondecken(Wohnungsbau)

    Holzbalkendecken

    Einfügungsdämmungharte USM

    Einfügungsdämmungweiche USM

    VerschlechterungBereich Bild 1.3

    Verbesserung gegenüber Oberbau ohne USM

    Bezugslinie 100 % bzw. 0 dB: Oberbau ohne USM

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    2 Was das Fahrzeug beitragen kann2.1 Beispiel 1, EIN unrundes Rad

    Dieses eine unrunde Rad verursacht um 15 dB (!!) höhereKörperschallpegel (und entsprechende Sekundär-

    Luftschallpegel) bei 80 HzTriebfahrzeug 1. Wagen

    Einsenkungen der Schiene

    unrundes Rad

    runde Räder

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    2.2 Beispiel 2, neue Züge : ein Jahr alte Züge

    1·10-1

    1·100

    1·101

    4 5 6.3 8 10 12.5 16 20 25 31.5 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1

    4 8 16 31.5 63 125 250 500 1

    Hz

    SchwingschnelleSchwelle, entspricht

    abgestrahltemKörperschall

    angegeben in[mm/s eff = mm/s rms]

    gelegentlich(unnötigerweise) auch

    in dB re 5 ⋅⋅⋅⋅10-8 m/s,dann gilt

    86 dB = 1 mm/s

    Frequenz [Hz = cyc/s]

    neue Züge

    ein Jahr (!!) alteZüge mit starkenRadunrundheiten

    Der Unterschied in der Stärkeder Erschütterungs-einwirkung auf die Anwohnerbeträgt rund Faktor 10, dersekundäre Luftschall ist umrund20 dB lauter

    Dass sich die Züge nur hinsichtlichder Radunrundheiten unterschei-den, erkennt man daran, dass inden Frequenzen unter 16 Hz undüber 500 Hz die einzelnen Zug-fahrten praktisch nicht mehrunterscheiden. Die Streuungenvon Fahrt zu Fahrt sind auf rund10 % streuende Geschwindig-keiten zurückzuführen.

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    1 10 100 1 000Frequenz [Hz]

    Einfügungsdämmungungünstige USM

    Einfügungsdämmunggünstige USM

    3 Was der Fahrweg beitragen kann: z.B: USM (schematisch)

    Für andere Maßnahmen sehen die Einfügungsdämmungen im Prinzip ähnlich aus. Es gibt nahezu keine Maßnahme, die in allenFrequenzen nur günstig wirkt. Mit USM sind in günstigen Fällen Verbesserungen um 15 - 20 dB erreichbar. Das erzielbare Maß derVerbesserung hängt immer von den Fahrzeugen, dem Oberbau und den baulichen Gegebenheiten der Nachbarbebauung ab.

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    4 Wie man messen kann4.1 Rad-Schiene-Kräfte z.B. mit der Laserwaage LAWA vonINNOtec

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    4.1.1 Laserwaage: ein Beispiel für eine Anbringung

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    4.1.2 Laserwaage: Fahrzeug ohne Befund (wirklich ohne)

    Sehr glatte Kurven:

    Räder ohne Störungen

    Maxima ungleich:

    Radlasten unterschiedlich

    Markierung fürRadstellung

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    h

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    4.1.3 Laserwaage: Fahrzeug ohne Befund (angeblich)

    Flachstelle geringer Tiefe, wirdvom System 2-mal identifiziert

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    4.1.4 Laserwaage: unrundes Rad

    Polygonalisierung des erstenRades im Drehgestell: 13 Wellenauf dem Umfang (so genanntes13er Polygon)erkennbar von bis

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    4.1.5 Laserwaage: Getriebeschaden (!)

    Getriebeschaden am 3. Rad:weit vor und hinter dem Fahrzeugals „Rauschen“ sichtbar

    Das gemessene Signal nimmt mitzunehmender Entfernung vomFahrzeug langsam ab

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    4.2 Einsenkungen, Verformungen, Messprinzip BeschleunigungenZur Ermittlung von:- Beschleunigungen, Schwinggeschwindigkeiten, Einsenkungen,- Verformungen und Systemverhalten des Oberbaus, Übertragungsverhalten des Bodens- Systemeigenschaften, die für Simulationsrechnungen erforderlich sind- frequenzmäßiger Zusammensetzung- Immissionen auf Anwohner (Beweissicherungsmessungen)

    Standardoberbau Feste Fahrbahn

    Beschleunigungs-aufnehmer

    EG

    KG

    OG

    Übliche Standorte für Beschleunigungs-aufnehmer, mit denen das Verhalten des Oberbaus und die Ausbreitung der Emissionen vollständig erfasst werden können

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    5 Wie man rechnen kann5.1 Modellserie iSi von imb-dynamik: Beispiel Schotteroberbau

    elastische Matte (USM):Feder-Dämpfer-Kombination

    Untergrund:isotropisch elastischerHalbraum

    Schwelle: starre Masse

    Schwellensohle:Feder-Dämpfer-Kombination

    Zwischenlage:Feder-Dämpfer-Kombination

    Schotter:eindimenionales elastischesKontinuum (vertikale Richtg.)

    Schiene: Timoshenko-Balken

    ..... .....

    ..........

    kontinuier-liche Lag.

    diskrete Lagerung auf 21einzelnen Schwellen

    kontinuier-liche Lag.

    Fahrzeug-Modell

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    Fahrzeug-Modell

    5.2 Modellserie iSi von imb-dynamik: Beispiel Feste Fahrbahn

    Schiene: TimoshenkobalkenZwischenlagen:vertikale komplexe RelativbettungRippenplatten: verschmierte MasseZwischenplatten:vertikale komplexe Relativbettung

    Schwellen: verschmierte MasseSchwellensohle:vertikale komplexe Relativbettung

    Platte: Timoshenkobalkenelastische SchichtUnterbau / Untergrund: komplexeBettung nach Halbraumtheorie

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    §26 BImSchG-Messstelled y n a m i k

    6 Prinzipielle Verbesserungsmöglichkeiten: Fahrzeugseitig Runde Räder, also Flachstellen und Polygone vermeiden

    Stichwort Besonders überwachte Flotte: Bei Vollbahnen gibt es das „besonders überwachte Gleis“. Dieses wird ständigauf Verriffelung überwacht, und ggf. schnell wieder geschliffen. Damit ist ein „Schallbonus“ verbunden. Auf diese Weisekann man in besonders teuren Fällen Schallschutzmaßnahmen entfallen lassen. Analog müsste auch eine Flotte mitbesonders überwachten, „besonders runden“ Rädern einen Emissionsbonus erhalten, der ggf. teure Oberbaumaßnahmeneinsparen helfen kann.

    Möglichst geringe unabgefederte Radsatzmassen:Je höher die unabgefederten Radsatzmassen, eine desto höhere Masse Stahl „rumpelt“ unabgefedert über die Schiene.Jede Störung des Fahrspiegels verursacht einen entsprechenden „Rumms“. Daher: unabgefederte Radsatzmassenmöglichst verringern (s. Abschnitt 8.)

    Gleichmäßig belastete Achsen und Räder:Die Emissionen sind dann am geringsten, wenn die unabgefederten Radsatzmassen in einem Drehgestell möglichstgleichmäßig verteilt sind. Verspannungen sollten aus emissionstechnischer Sicht vermieden werden, da die elastischenElemente u.U. dann nicht in ihrem optimalen Wirkungsbereich beansprucht werden.

    Einfluss der AchslastenDie absolute Höhe der Achslasten ist bei gut gewarteten Fahrzeugen und einwandfreiem Fahrweg eher wenigbedeutend. In der Praxis sind diese beiden Vorbedingungen oft eher nicht erfüllt, für diese Fälle sind leichte Fahrzeugegünstiger.

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    §26 BImSchG-Messstelled y n a m i k

    7 Prinzipielle Verbesserungsmöglichkeiten: Oberbau / Unterbau7.1 Einbau elastischer Elemente

    Zwischenlage / Vergussmaßgebende Materialkennwerte:- statische Steifigkeit- dynamische Verhärtung- Dämpfung

    elastische Schicht (Matte)maßgebende Materialkennwerte:

    - statische Steifigkeit- dynamische Verhärtung

    - Dämpfung

    Standardoberbau Feste Fahrbahn

    Oberbaumaßgebende Materialkennwerte:- Masse- Biegetragwirkung in Längs- richtung

    Untergrund / Unterbaumaßgebende Materialkennwerte:

    - Scherwellengeschwindigkeit- Querdehnzahl

    - Dämpfung

    unabgefederte Radsatzmasse

    Masse

    mechanischesErsatzmodell(vereinfacht)

    Feder

    Masse

    Feder

    Dämpfer

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    §26 BImSchG-Messstelled y n a m i k

    7.2 Masse-Feder-System (Platte auf elastischer Schicht / Federn) auf Elastomerfedern, flächig, linienförmig, punktweise oder auf Stahlfedern

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    §26 BImSchG-Messstelled y n a m i k

    7.3 Allgemeine Hinweise für geringe Emissionen Gleislagefehler vermeiden bzw. beseitigen

    Möglichst gepflegte Schienenfahrflächen:keine Stoßlücken, keine groben Schweißstöße, wenig Verriffelung, geringe Schlupfwellen (enge Kurven!),rechtzeitiges Schleifen

    Weichen-Herzstücke elastisch gelagert! Weichen gut gepflegt

    Gute Verbindungen der Bauteile der Festen Fahrbahnen untereinander

    Körperschallbrücken (z.B. infolgevon ausgelaufener Zement-schlemme, Mörtelbatzen,Steine etc.)vermeiden

    Körperschallbrücke

    Standardoberbau Feste Fahrbahn

    elastische Schienen-lagerung "kurzge-schlossen = unwirksam!

    elastische Matte punkt-weise "kurzgeschlossen= unwirksam!

    elastische Kammerfüllung erforderlich(kein mechanischer kurzschluss!)

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    §26 BImSchG-Messstelled y n a m i k

    8 Beispiel für Analyse: Pfleiderer Rheda City Athen8.1 Benötigte Eingangsdaten

    FahrzeugAchsgeometrie, Achslasten, Raddurchmesser, möglichst unabgefederte Radsatzmasse (schwer zu bekommen),Fahrgeschwindigkeiten

    OberbauSchienen, Stützpunktabstand, ggf. lokal üblicher Referenzoberbau, gegenüber dem eine Einfügungsdämmung gefordertwird, zur Verfügung stehende Bauhöhe

    Schieneneinsenkungen: gelegentlich werden bestimmte (statische) Einsenkungen unter bestimmten Fahrzeugenvorgegeben. Die Einsenkung ist ein erster Anhalt für die elastischen Eigenschaften eines Oberbaus. ElastischeSchienenlager können auch gefordert werden, um die Schallimmissionen im Fahrzeug zu verringern und denFahrkomfort zu erhöhen.

    Einfügungsdämmung des Oberbauswird gefordert, um gegenüber einem vorhandenen Referenzoberbau (und genau genommen bestimmte Fahrzeuge undeinen bestimmten Untergrund, s. Kleines Lexikon) eine bestimmte präzise vorgegebene Verringerung der Emissionenund Immissionen zu erzielen.

    Abstimmfrequenz des Oberbausgelegentlich gefordert, weil von lokalen Beratern oder Herstellern leicht vorzugeben; korrekt als Radsatz-Oberbau-Frequenz anzugeben (die unabgefederte Radsatzmasse des Fahrzeugs ist mit zu berücksichtigen), manchmal wird dasFahrzeug „vergessen“ und die eigentlich fehlerhafte „Abstimmfrequenz“ eines leeren Oberbaus gefordert

    Dynamische Verhärtung der elastischen Lager: s. Kleines Lexikon

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    BodenWellenausbreitung der Scherwellen (messbar z.B. mit Hammerschlag-seismischen Messungen, oft keine genauenDaten erhältlich, daher muss mit oberen und unteren Schranken oder Mittelwerten gerechnet werden)

    Gebäude, ggf. besonders empfindliche Gebäude (z.B. Schulen, Krankenhäuser, Industrie):Die bei der Analyse zugrunde gelegten Gebäude sollen für örtliche Gegebenheiten typisch sein hinsichtlich Abstand zurTrasse, Gründung, Konstruktion, Eigenfrequenz, Resonanzüberhöhung; in der Regel werden typisierte Gebäudeverwendet

    Lokale Anforderungen / Grenzwerte Schwingungenz.B. Grenzwerte für Schwingschnelle im Freifeld (Geländeoberkante), zulässige Schwingungen in Gebäuden

    Lokale Anforderungen / Grenzwerte Sekundärluftschallbesondere Anforderungen vorhanden? oder werden z.B. in Deutschland übliche Werte angesetzt?

    Diese Liste ist sehr lang und abschreckend umfangreich. In vielen Fällen fehlen Daten oder es sind mancheAngaben einfach nicht zubekommen. imb-dynamik arbeitet dann mit realistischen Annahmen, oberen und unterenSchranken, und unter Einbeziehung unserer umfangreichen Erfahrungen aus Messungen und Berechnungen, umdennoch zu brauchbaren Ergebnissen zu kommen.Dies ist dadurch zu rechtfertigen, dass eine der wichtigsten Einflussgrößen, nämlich die Radeigenschaften (alsoob die Räder gut gepflegt = rund, oder schlecht gepflegt = unrund sind) überhaupt nicht explizit in die obigenBetrachtungen eingeht. Wie bereits in Abschnitt 2 gezeigt, hat dies jedoch einen teilweise extremen Einfluss bishin zu 20 dB! Dem Berater bleibt also gar nichts anderes übrig, als gewisse Sicherheiten in seine Rechenan-nahmen einzubauen.

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    8.2 Untersuchte Varianten Fahrweg

    Folgende Fahrwegvarianten wurden für die Anwendung Rheda City Athen simuliert:

    Referenz: konventioneller Schotteroberbau für Nahverkehr Variante 1: Rheda City mit mittelsteifer Schienenlagerung ohne USM Variante 2: Rheda City mit weicher Schienenlagerung ohne USM Variante 3: Rheda City mit mittelsteifer Schienenlagerung mit USM (leichtes Masse-Feder-System) Variante 4: Rheda City mit weicher Schienenlagerung mit USM (leichtes Masse-Feder-System)

    Die Steifigkeit der Schienenlagerung wurde so bestimmt, dass sich ohne USM für den Combino maximaledynamische Schieneneinsenkungen von 0,6 bzw. 1,35 mm ergeben.

    Bei der USM ist für die Einhaltung der geforderten Einfügungsdämmung ein Bettungsmodul von ca. 0,01N/mm³ erforderlich. Zum Erreichen der empfohlenen Abstimmfrequenz von ca. 14 Hz müsste derBettungsmodul sogar auf 0,005 N/mm³ abgesenkt werden.

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    10 dB

    8.3 Untersuchte Varianten FahrzeugFahrzeugtyp Typ A Typ BAchslast 57 kN ca. 67 kNAchsabstand im Fahrgestell 1,80 m 1,60 mRaddurchmesser 60 cm 59 cmUnabgefederte Masse pro Triebfahrgestell 1300 kg 3500 kg

    Dies hat für die Emissionen(und genauso für die Immissionen)gravierende Konsequenzen:Im für die Immissionen wichtigenFrequenzber 0 bis 80 Hzverursachen heren unabgfederten Rad assen derFahrzeuge T und3-fach höher te. Dies ent-spricht Pege men vonrund 10 dB.

    Hauptunterschied:Fahrzeuge Typ Bhaben keinePrimärfederung

    höhere Emissionen Typ B

    höhere Emissionen Typ A

    1

    10Emission Citadis versa Combino

    emis

    sion

    ratio

    Cita

    dis/

    Com

    bino

    [-]

    Vergleich der Emissionen bzw. ImmissionenFzg. Typ B gegenüber Fzg.Typ A (log. Skalierung)

    10 dB

    e-

    eich 1 die hösatzmyp B re Werlzunah

    ik – Strukturdynamik – Beweissicherung • D-82266-Inning-Buch • Tel 08143-6313 • Fax 08143-8767 Seite 27

    1 10 100 1 1030.1

    frequency [Hz]

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    8.4 Ergebnisse Fahrweg, Fahrzeug CombinoOberbau Referenz Variante 1 Variante 2 Variante 3 Variante 4Steifigkeit Schienenlagerung [kN/mm/m] 1000 82 20 82 20Bettungsmodul USM [N/mm³] - - - 0,01 0,01dynamische Steifigkeit (20 Hz) [kN/mm] 130 160 75 41 34dyn. Schieneneinsenkung Combino [mm] 0,49 0,60 1,35 1,58 2,33dyn. Platteneinsenkung Combino [mm] - 0,28 0,28 1,28 1,27Oberbauresonanz [Hz] - - - 25 22Radsatz-Oberbauresonanz Combino [Hz] 100 125 80 21 21Radsatz-Oberbauresonanz Citadis [Hz] 63 80 50 20 20

    Dynamische Einsenkungenfür die Variante 4

    4 2 0 2 43

    2.5

    2

    1.5

    1

    0.5

    0

    0.5dynamic displacement

    space [m]

    disp

    lace

    men

    t [m

    m]

    Planum

    Platte

    Schiene statisch

    Schiene

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    §26 BImSchG-Messstelled y n a m i k

    8.5 Erreichbare Einfügungsdämmungen

    Fahrzeug Combino

    1 10 100 1 10320

    15

    10

    5

    0

    5

    10

    15

    20

    25

    30

    35

    40insertion loss of variants for combino

    frequency [Hz]

    inse

    rtion

    loss

    [dB

    ]

    Variante 1:mittlere Steifigkeit Schienenlagerung,ohne Unterschottermatte Variante 2:hochelastische Schienenlagerung, ohneUnterschottermatte Variante 3:mittlere Steifigkeit Schienenlagerung,mit Unterschottermatte Variante 4:hochelastische Schienenlagerung,mit Unterschottermatte•••• •••• •••• •••• •••• Anforderungen Bezugskurve 0 dB

  • Dynamik im Nahverkehr

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    8.6 Schwingungseinwirkungen auf Menschenin benachbarten Gebäuden

    Fahrzeug Citadis,Oberbau Variante 4elastischer Stützpunktweiche Unterschottermatte

    1 10 100 1 1030

    10

    20

    30

    40

    50

    60

    70

    80variant 4, citadis, 70 km/h

    frequency [Hz]

    vibr

    atio

    n [d

    B re

    5e-

    8 m

    /s]

    Fundament,Keller

    Holzbalken-decken

    Betondecken(roh)

    Betondeckenmit Estrich

    menschlicheFühlschwelle

  • Dynamik im Nahverkehr

    imb -dynamik • Schienenve

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    §26 BImSchG-Messstelled y n a m i k

    9 Prinzipiel tersu gen9.1 Einfügu ämmu ür USM bei Schotteroberbau

    120

    15

    10

    5

    0

    5

    10

    15

    20

    25

    30

    35

    40 der USM-Steifigkeit

    Einf

    ügun

    gsdä

    mm

    ung

    [dB

    ] USM

    bei

    Sch

    O

    Rechengrundlagen: hydraulisch gebunde

    • USM 0,01 • USM 0,15 Triebrad / einfa

    USM: Unterschottermatte

    Vers

    Verbesse

    le Unngsd

    Variation

    N/mm³N/mm³ches Rad

    rkehrswege – Baudynamik

    10

    Frequenz [Hz]

    Boden Scherwellenne Tragschicht HG

    chlechterung

    rung

    chunng f

    USM mit Bettungsmodul 0,01 N/mm³: sehr weiche USM

    USM mit Bettungsmodul 0,15 N/mm³: harte USM

    Triebrad: angetriebene Achse (hohe unabgefederteRadsatzmasse)Einfaches Rad: mitlaufendes, nicht angetriebenes Rad(geringe unabgefederte Radsatzmasse)

    Bezugskurve 100 %

    – Strukturdynamik – Beweissicherung • D-82266-Inning-Buch • Tel 08143-6313 • Fax 08143-8767 Seite 31

    100 1 103

    ausbreitungsgeschwindigkeit vs = 150 m/s,T 10 cm, harte Zwischenlagen (Zw)

    (ohne USM)

  • Dynamik im Nahverkehr

    imb -dynamik • Schienenverkehrsw

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    §26 BImSchG-Messstelled y n a m i k

    9.2 Einfügungsdämmung FF gegenüber Schotteroberbau

    1 1020

    15

    10

    5

    0

    5

    10

    15

    20

    25

    30

    35

    40Variation der USM-Steifigkeit

    Einf

    ügun

    gsdä

    mm

    ung

    [dB

    ] FFn

    eu :

    SchO

    Rechengrundlagen: Bodenhydraulisch gebundene Tra

    • USM 0,01 N/mm³• USM 0,15 N/mm³• FF ohne USMTriebrad / einfaches Rad

    rschlechterung

    Verbesserung

    Bezugskurve 100 % (ohne USM)

    ege – Baudy

    1 103

    Frequenz [H

    Scherwe ngsgeschwindigkeit vs = 150 m/s,gschicht

    0

    sbreitu

    Ve

    trukturdynamik – Beweissicherung • D-82266-Inning-Buch • Tel 08143-6313 • Fax 08143-8767 Seite 32

    0 cm, Zwischenlage Zw 35 kN/mm/m

    namik – S

    10

    z]

    llenau HGT 1

  • Dynamik im Nahverkehr

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    §26 BImSchG-Messstelled y n a m i k

    9.3 Vergleichende ErschütterungsprognosenSchotteroberbau ohne USM

    1 10 100 1 1031 103

    0.01

    0.1

    1Ohne Einfügedämmung

    Frequenz [Hz]

    Schw

    ings

    chne

    lle [m

    m/s

    eff

    ]

    Feste Fahrbahn mit sehr weicher USM 0,01 N/mm³

    1 10 100 1 1031 103

    0.01

    0.1

    1FFneu, Boden 150 m/s, USM 0,01 N/mm^3

    Frequenz [Hz]

    Schw

    ings

    chne

    lle [m

    m/s

    eff

    ]

    Kellerwand KB = 0.03 (37 dB SL-Pegel)Holzdecke KB = 0,09 (37 dB SL-Pegel)Betondecke KB = 0,06 (o. Estrich, 38 dB SL-Pegel)

    KB = 0,19 (m. Estrich, 52 dB SL-Pegel)

    Kellerwand KB = 0.02 (22 dB SL-Pegel)Holzdecke KB = 0,10 (23 dB SL-Pegel)Betondecke KB = 0,03 (o. Estrich, 25 dB SL-Pegel)

    KB = 0,06 (m. Estrich, 38 dB SL-Pegel)

    KB: KB-Wert (Erschütterungseinwirkung auf den Menschen)SL-Pegel: Pegel des Sekundärluftschalles in dB(A) linearer Faktor 10 entspricht 20 dB

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    9.4 Einfluss Untersch -Verhärtung und -Dämpfung

    1 1020

    15

    10

    5

    0

    5

    10

    15

    20

    25

    30

    35

    40Variation der USM-V

    enz [Hz]

    Einf

    ügun

    gsdä

    mm

    ung

    [dB

    ] für

    USM

    0,0

    2 N

    /mm

    40Variation der USM-Dämpfung

    Schotteroberbau, USM m³, Thydraulisch gebundene icht H

    Verhärtunggegenüber übUSM25%50%100% (Mittelw übliche 200%400%

    Verschlechte

    ottermatten

    erhärtung

    issicherung • D-82266-Inning-Buch • Tel 08143-6313 • Fax 08143-8767 Seite 34

    100 1 103 1 10 100 1 10320

    15

    10

    5

    0

    5

    10

    15

    20

    25

    30

    35

    Frequenz [Hz]

    Einf

    ügun

    gsdä

    mm

    ung

    [dB

    ] für

    USM

    0,0

    2 N

    /mm

    wellenausbreitungsgeschwindigkeit vs = 300 m/s,

    Dämpfung gegenüberüblicher USM

    25 %50 %100 % (Mittelwert für übliche USM)200 %400 %

    rung

    erung

    Bezugskurve 100 %(ohne USM)

    Verschlechterung

    Verbesserung

    Bezugskurve 100 %(ohne USM)

    mik – Strukturdynamik – Bewe

    riebrad, Boden ScherGT 10 cm,

    licher

    ert fürUSM)

    Verbess

    hrswege – B

    Frequ

    0,02 N/m Tragsch

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    9.5 Einfluss Bodensteifigkeit

    120

    15

    10

    5

    0

    5

    10

    15

    20

    25

    30

    35

    40Boden-Steifigkeit

    Einf

    ügun

    gsdä

    mm

    ung

    [dB

    ] für

    USM

    0,0

    1 N

    /mm

    Rechengrundlagen:Sch

    Scherwellen-geschwindigkeit

    150 m/s200 m/s300 m/s

    Der Einfluss der Bodensteifigkeit ist –verglichen mit den übrigen Einflüssen –relativ gering.

    Variation der

    hrswege – Baudynamik –

    10 1

    Freq

    otteroberbau, USM

    Verschl

    rung

    erbesse

    00 1 103

    g

    zugskurve 100 % (ohne USM)

    uenz [Hz]

    echterun

    V

    Be

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    0,01 N/mm³, Triebrad, hydraulisch gebundene Tragschicht HGT 10 cm

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    9.6 Einfluss der Dicke der Mineralbetonschicht(hydraulisc undene Tragschicht HGT)

    120

    15

    10

    5

    0

    5

    10

    15

    20

    25

    30

    35

    40on der HGT-Dicke

    Einf

    ügun

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    [dB

    ] für

    USM

    0,0

    2 N

    /mm

    ³

    Schotteroberbau, Bo

    0 cm10 cm20 cm50 cm

    V

    Der Einfluss der Dicke der Mineralbeton-schicht ist – verglichen mit den übrigen

    h geb

    Variati

    erkehrswege – Ba

    10

    Freque

    den Scherwe

    ersch

    Einflüssen – relativ gering.

    ng

    Verbesserung

    ezugskurve 100 % (ohne USM)

    lechteru

    B

    udynamik – Strukturdynamik – Beweissicherung • D-82266-Inning-Buch • Tel 08143-6313 • Fax 08143-8767 Seite 36

    100 1 103

    nz [Hz]

    llenausbreitungsgeschwindigkeit vs = 150 m/s, USM 0,02 N/mm³, Triebrad

    Ein wenig TheorieFahrzeug, Fahrweg und DynamikKleines LexikonZusammenhang Fahrgeschwindigkeit-Wellenlänge-FrequenzBedeutung der Frequenzbereiche

    Was das Fahrzeug beitragen kannBeispiel 1, EIN unrundes RadBeispiel 2, neue Züge : ein Jahr alte Züge

    Was der Fahrweg beitragen kann: z.B: USM (schematisch)Wie man messen kannRad-Schiene-Kräfte z.B. mit der Laserwaage LAWA von INNOtecLaserwaage: ein Beispiel für eine AnbringungLaserwaage: Fahrzeug ohne Befund (wirklich ohne)Laserwaage: Fahrzeug ohne Befund (angeblich)Laserwaage: unrundes RadLaserwaage: Getriebeschaden (!)

    Einsenkungen, Verformungen, Messprinzip Beschleunigungen

    Wie man rechnen kannModellserie iSi von imb-dynamik: Beispiel SchotteroberbauModellserie iSi von imb-dynamik: Beispiel Feste Fahrbahn

    Prinzipielle Verbesserungsmöglichkeiten: FahrzeugseitigPrinzipielle Verbesserungsmöglichkeiten: Oberbau / UnterbauEinbau elastischer ElementeMasse-Feder-System (Platte auf elastischer Schicht / Federn)Allgemeine Hinweise für geringe Emissionen

    Beispiel für Analyse: Pfleiderer Rheda City AthenBenötigte EingangsdatenUntersuchte Varianten FahrwegUntersuchte Varianten FahrzeugErgebnisse Fahrweg, Fahrzeug CombinoErreichbare EinfügungsdämmungenSchwingungseinwirkungen auf Menschen �in benachbarten Gebäuden

    Prinzipielle UntersuchungenEinfügungsdämmung für USM bei SchotteroberbauEinfügungsdämmung FF gegenüber SchotteroberbauVergleichende ErschütterungsprognosenEinfluss Unterschottermatten-Verhärtung und -DämpfungEinfluss BodensteifigkeitEinfluss der Dicke der Mineralbetonschicht �(hydraulisch gebundene Tragschicht HGT)