Universität für Bodenkultur Wien Department für Bautechnik und Naturgefahren Untersuchung der Gleis-Tragwerksinteraktion von Eisenbahn-Spannbetontragwerken auf Basis nichtlinearer Finite-Elemente-Analysen Masterarbeit zur Erlangung des akademischen Grades eines Diplomingenieurs Robert Moritz Universität für Bodenkultur Danksagung Besonderer Dank gebührt meinem Betreuer Professor Strauss, der mir die Thematik der Gleis-Tragwerksinteraktion näher gebracht hat und mich überzeugt hat, mich an diese Arbeit heran zu wagen. Er konnte mir immer wieder Hilfestellung leisten, wenn es hieß neue Modellansätze im Programm ATENA zu finden. Ebenfalls danken möchte ich Dipl.-Ing. Karimi. Auch er hat mich mit Unterlagen und Denkanstößen dazu gebracht, möglichen Lösungen näher zu kommen. Danken möchte ich auch dem gesamten IKI-Team, welches immer ein offenes Ohr und gute Ratschläge für mich parat hielt. Besonders die Dienste der EDV-Abteilung wurden gern und oft in Anspruch genommen. Ganz besonders bedanken möchte ich mich bei meiner Familie, die es mir erst ermöglicht hat nach Wien zu gehen und das Studium der Kulturtechnik und Wasserwirtschaft in Angriff zu nehmen. Sie war nicht nur finanzielle, sondern vor allem eine mentale Stütze in diesem herausfordernden Lebensabschnitt. Dies gilt auch für meine Lebensgefährtin, die diese entbehrungsreiche Zeit mit mir durch gestanden hat. Auch den vielen Freunden, die ich während meiner Studienzeit kennen gelernt habe, möchte ich hier danken. Sie konnten mir nicht nur im Universitätsalltag immer wieder Hilfestellung leisten, sondern viele von ihnen wurden auch privat ausgesprochen gute und enge Freunde. Ihre Freundschaft überzeugt vor allem durch Verständnis, Verlässlichkeit, Kollegialität und Humor. Dadurch haben sie mir eine unvergesslich schöne Zeit hier in Wien beschert. Seite 1 Robert Moritz Universität für Bodenkultur Erklärung Ich erkläre, dass ich diese Arbeit eigenständig verfasst habe und mich keiner Quellen als den angegebenen bedient habe, dass ich diese Arbeit weder im In- noch im Ausland einem Beurteiler/ einer Beurteilerin als Prüfungsarbeit vorgelegt habe, dass diese Arbeit mit der vom Begutachter beurteilten Arbeit übereinstimmt. Datum Unterschrift Seite 2 Robert Moritz Universität für Bodenkultur Kurzfassung Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Interaktion zwischen Gleis und Tragwerk, welche durch verschiedene äußere und innere Einwirkungen hervorgerufen werden. Für die Konzeption einer Eisenbahnbrücke mit Bezug auf die Oberbaukomponenten ist es von größter Bedeutung die Bewegungen und Zwangsbeanspruchungen zu kennen, die zwischen Schienen und Schwellen, sowie zwischen Gleisrost und Tragwerk und dessen Lagern entstehen können. Die Beanspruchung der Brücke erfolgt in erster Linie durch Temperatureinwirkung, sowie durch horizontale und vertikale Belastung aus dem Zugverkehr. Im Vordergrund dieser Arbeit stand dabei die Erarbeitung eines Finite-Elemente-Modells für die Eisenbahnbrücke über die L110 auf der Neubaustrecke St. Pölten im Netz der ÖBB. Auf der Brücke ist ein umfassendes Monitoringsystem installiert. Die Daten dieses Systems waren wichtig für Model-updating Prozesse. Als Monitoringdaten standen hier die gemessenen Bauteiltemperaturen und die daraus resultierenden Relativverschiebungen des Tragwerks zur Verfügung. Die nichtlineare Finite-Element-Analyse und das Monitoringsystem ermöglichen einen Model-updating Prozess von Materialeigenschaften und Randbedingungen und geben Aufschluss über das Last-Verschiebungsverhalten von Gleis- und Tragwerksstrukturen. Am Ende sollten durch definierte Randbedingungen die Ergebnisse der erarbeiteten Struktur in einem nichtlinearen Analyseprogramm mit jenen anderer linear arbeitender Computermodelle verglichen werden. Damit wird geprüft, ob sich das Programm zur Untersuchung der Interaktion zwischen Gleis und Tragwerk eignet. Seite 3 Robert Moritz Universität für Bodenkultur Abstract The objective of this master thesis is the investigation of the interaction of railway tracks and bridge structures caused by various external and internal loading processes. The design of a railway bridge system with respect to the superstructure components of the railway system is significant influenced by the movement and constraining forces between rails, sleepers, support structure and supports. This forces and constraints are primarily caused by the variable temperature and horizontal and vertical trainloads. The main target of the thesis was the development of a nonlinear finite-element model of the bridge L 110, which is located on the line between St.Pölten and Vienna in order to capture the railway-structure interaction. In particular, a comprehensive monitoring system has been installed on this bridge that serves for a model updating process. Monitoring data compromises the temperatures of the components and the relative displacements of the structure. The nonlinear finite-element analysis and the monitoring system allows (a) the model updating-adjustment of material properties and boundary conditions and (b) the reflection of the code specifications defined load-displacement rules for the railway-structure interaction. The analysis shows some conservative results with respect to the load-displacement formulations. Further one it was of interest to compare the results obtained by nonlinear analysis techniques with that one of the engineering practice used linear techniques. Seite 4 Robert Moritz Universität für Bodenkultur Seite 5 Robert Moritz Universität für Bodenkultur Inhaltsverzeichnis Danksagung................................................................................................................................1 Erklärung....................................................................................................................................2 Kurzfassung................................................................................................................................3 Abstract......................................................................................................................................4 Inhaltsverzeichnis.......................................................................................................................6 1. Einleitung...........................................................................................................................9 1.1. Aufgabenstellung............................................................................................................9 2. Bestimmung der Interaktion von Gleis und Tragwerk gemäß UIC 774-3.......................12 2.1. Ausgangslage................................................................................................................12 2.2. Durchgehend geschweißte Schiene auf Planum............................................................13 2.3. Durchgehend geschweißte Schiene auf einer Brücke...................................................14 2.4. Einflussparameter der Gleis-Tragwerksinteraktion......................................................15 2.4.1 Brückenspezifische Parameter................................................................................15 2.4.2 Gleisspezifische Parameter.....................................................................................16 2.4.1. Verhalten des Gleises.............................................................................................16 2.4.2. Verhalten der Brücke.............................................................................................18 2.5. Relevante Einwirkungen für die Gleis-Tragwerksinteraktion......................................22 2.5.1. Temperaturbelastung..............................................................................................22 2.5.2. Anfahren und Bremsen...........................................................................................23 2.5.3. Tragwerksverformung............................................................................................24 2.6. Grundlegende Annahmen für die Interaktion zwischen Gleis und Brücke...................25 2.6.1. Kombination der Auflagerreaktionen.....................................................................25 2.6.2. Zulässige zusätzliche Schienenspannungen...........................................................25 2.6.3. Relative und absolute Verschiebungen..................................................................26 2.6.4. Endverdrehung des Tragwerks...............................................................................26 2.6.5. Schienenauszüge....................................................................................................26 2.7. Berechnungsverfahren...................................................................................................27 2.7.1. Vereinfachtes Bemessungsverfahren nach UIC 774-3, Punkt 1.6.1......................27 2.7.2. Allgemeines Bemessungsverfahren nach UIC 774-3, Punkt 2 und 3....................28 2.7.3. Berechnung mit einem Computerprogramm..........................................................31 Seite 6 Robert Moritz Universität für Bodenkultur 3. Bestimmung der Interaktion von Gleis und Tragwerk gemäß EN 1991-2......................32 3.1. Ausgangslage................................................................................................................32 3.2. Relevante Einflussparameter.........................................................................................33 3.3. Relevante Lastfälle........................................................................................................34 3.4. Modellierung und Berechnung des gemeinsamen Gleis-Tragwerksystems.................35 3.5. Entwurfskriterien...........................................................................................................36 3.5.1. Gleis.......................................................................................................................36 3.5.2. Grenzwerte für Bauwerksverformung....................................................................37 3.6. Berechnungsverfahren...................................................................................................38 3.6.1. Einfaches Berechnungsverfahren für einen Einzelüberbau...................................38 3.6.2. Gültigkeitsgrenzen.................................................................................................38 3.7. Verfahren zur Bestimmung der Gleis-Tragwerksinteraktion........................................39 3.7.1. Anforderungen.......................................................................................................39 3.7.2. Gültigkeitsgrenzen.................................................................................................40 3.7.3. Bauwerke bestehend aus einem Überbau...............................................................41 4. Nichtlineare Finite-Element-Methoden............................................................................44 4.1. Lineare und nichtlineare Systeme.................................................................................44 4.2. Vor- und Nachteile linearer Systeme............................................................................48 4.2.1. Geometrische Nichtlinearität..................................................................................49 4.2.2. Physikalische Nichtlinearität..................................................................................51 4.2.3. Nichtlinearität infolge geänderter Randbedingungen............................................52 4.3. Tangentiale Gleichgewichtsbedingungen.....................................................................53 4.3.1. Linear diskrete Systeme.........................................................................................53 4.3.2. Nichtlineare diskrete Systeme................................................................................54 4.4. Pfadverfolgungslogarithmus.........................................................................................57 4.4.1. Newton-Raphson-Verfahren..................................................................................59 4.4.2. Bogenlängenverfahren...........................................................................................61 5. Versuchsgestützte Bemessung gemäß EN 1990..............................................................63 5.1. Statistische Bestimmung eines Widerstandsmodells....................................................63 5.1.1. Standardisierte Auswerteverfahren (Methode a)....................................................64 5.1.2. Standardisierte Auswerteverfahren (Methode b)...................................................68 6. Fallstudie L110.................................................................................................................69 6.1. Bauwerksbeschreibung..................................................................................................69 Seite 7 Robert Moritz Universität für Bodenkultur 6.2. Monitoringprogramm....................................................................................................72 6.3. Systemidealisierung......................................................................................................74 6.4. Konstruktive Ausbildung..............................................................................................75 6.5. Modelldiskretisierung....................................................................................................76 6.5.1. Materialkennwerte..................................................................................................76 6.5.2. Geometriekennwerte..............................................................................................84 6.5.3. Verschmierte Bewehrung.......................................................................................85 6.5.4. Stabbewehrung.......................................................................................................87 6.5.5. Einwirkungen.........................................................................................................89 6.5.6. Strukturantworten...................................................................................................95 6.5.7. Analysemethoden...................................................................................................98 7. Interpretation der Strukturantworten................................................................................99 7.1. Einwirkung Temperatur................................................................................................99 7.2. Belastung durch Vorspannung und Eigengewicht......................................................102 7.3. Sensivitätsanalyse mit SARA......................................................................................106 7.3.1. Anpassung der Modellparameter........................................................................108 7.4. Strukturanalyse gegen Bauwerksversagen..................................................................110 7.5. Einwirkung Verkehrslasten.........................................................................................111 7.6. Vergleich mit den Modell aus R-Stab.........................................................................114 8. Zusammenfassung und Ausblick...................................................................................121 9. Abbildungsverzeichnis...................................................................................................123 10. Tabellenverzeichnis....................................................................................................127 11. Literatur......................................................................................................................128 Lebenslauf..............................................................................................................................130 Seite 8 Robert Moritz Universität für Bodenkultur 1. Einleitung Brücken sind seit jeher wesentliche Bestandteile des menschlichen Zusammenlebens. Sie verbinden die durch Flüsse getrennten Ufer und sie überspannen Täler. Sie ermöglichen es dem Verkehr in mehreren Ebenen gleichzeitig zu fließen. Neben der Ästhetik und der harmonischen Eingliederung in die Landschaft liegt das Hauptaugenmerk des Ingenieurs stets auf Tragfähigkeit, Gebrauchstauglichkeit, Dauerhaftigkeit und Wirtschaftlichkeit seines Bauwerks. Zur Optimierung dieser Aspekte ist es auch notwendig, über Modelle und Versuchswesen Lösungen zu finden. Für Eisenbahnbrücken ist es besonders wichtig die Interaktion zwischen dem Gleis und dem Tragwerk zu untersuchen. Durch diese Interaktion wirken Kräfte auf die Schiene, das Tragwerk und die Lager und es entstehen Verschiebungen zwischen den einzelnen Baugruppen. Der UIC-Kodex 774-3 des internationalen Eisenahnverbandes und die ÖNORM EN 1991-2, Kapitel 6 und Anhang G behandeln die Thematik der gegenseitigen Wechselwirkungen zwischen Gleis und Tragwerk und dienen als Grundlage für die Berechnung der der Verschiebungen und Kräfte. Es ist wichtig Kenntnis über die Art und Größe der Auswirkungen zu haben, um ein Versagen des Bauwerks zu verhindern. Auf die auftretenden Kräfte können zu zwei Versagensmechanismen führen. Durch zu hohe Schienenlängskräfte [2] kann es zu einem Schienenbruch führen. Oder es kommt zu einer Auflockerung der Verbindung zwischen Gleis und Brücke im Bereich des Schotterkörpers oder der festen Fahrbahn. Damit könnte die Lagestabilität des Gleises beeinträchtigt werden und eine Gleisverwerfung nach sich ziehen, welche die Entgleisungsgefahr erhöht. 1.1. Aufgabenstellung Das Ziel der Arbeit ist die Untersuchung der Beanspruchungen und Bewegungen eines Brückenbauwerks, die durch thermische Einwirkung und Verkehrslastmodelle [1] entstehen. Seite 9