Methoden zur Lebensdauerverlängerung von Eisenbahnbrücken mit aktiven Elementen

• Entwicklung eines aktiven Systems zur Schwingungsdämpfung von Stahltrogbrücken mithilfe einer Randaktuierung
• Simulative und experimentelle Untersuchungen zur Lebensdauerverlängerung von Stahltrogbrücken
• Vergleich des aktiven Systems mit State-of-the-Art Dämpfersystemen

Ein erheblicher Anteil der Eisenbahnbrücken in Deutschland und Europa wird in den kommenden Jahrzehnten das Ende seiner planmäßigen Nutzungsdauer erreichen, während zugleich die Anforderungen an den Schienenverkehr weiter zunehmen. Zugüberfahrten verursachen dabei periodische Belastungen, die maßgeblich für die Anregung von Tragwerksschwingungen verantwortlich sind. Dabei hängt die relevanten Anregungsfrequenzen von der jeweiligen Zugkonfiguration und der Fahrgeschwindigkeit ab. Diese periodischen Beanspruchungen wirken sich unmittelbar auf die Ermüdung der Bauwerke aus und führen langfristig zu einer Abnahme der Tragfähigkeit, sodass bestehende Eisenbahnbrücken häufig durch Ersatzneubauten ersetzt werden müssen, insbesondere wenn Instandsetzungsmaßnahmen wirtschaftlich oder technisch nicht mehr vertretbar erscheinen. Der damit verbundene Abriss und Neubau sind jedoch mit erheblichen ökonomischen Aufwendungen, betrieblichen Einschränkungen sowie zusätzlichen Umweltbelastungen verbunden, weshalb Strategien zur Reduktion von Schwingungen und damit zur Verlängerung der Lebensdauer bestehender Bauwerke zunehmend an Bedeutung gewinnen.

Eine vielversprechende Strategie zur Lebensdauerverlängerung ist die Nachrüstung von Eisenbahnbrücken mit aktiven Elementen. Dadurch entsteht die Möglichkeit, das Schwingungsverhalten des Tragwerks gezielt und aktiv zu beeinflussen, ohne ein signifikantes Zusatzgewicht einzubringen.

Im Rahmen dieses Forschungsprojekts wird dieser Ansatz sowohl experimentell als auch numerisch an einer Stahltrogbrücke über die Spree in der Nähe von Cottbus (siehe obige Abbildung) untersucht. Die aktiven Elemente werden dabei an den Auflagern der Brücke integriert.

In der obigen Abbildung ist zu sehen, dass das grün dargestellte Bestandsauflager der Brücke um einen Hydraulikzylinder ergänzt wird. Durch dessen Versatz zum Brückenlager ist es möglich ein aktiv steuerbares Randmoment in das Tragwerk einzubringen. Dadurch ist es möglich die Schwingungen von verschiedenen Zugtypen und damit verschiedenen Erregerfrequenzen aktiv zu reduzieren.

Eine wichtige Forschungsfrage betrifft die Aktorplatzierung. Um den Nachrüstungsaufwand in der späteren Anwendung möglichst gering zu halten wird die Aktuierung an einer Stirnseite der Stahltrogbrücke untersucht. Im Zentrum steht dabei die Wirkung der einseitigen Anregung auf höhere, asymmetrische Biege- und Torsionsmoden. Zum Vergleich wird auch ein Ansatz mit Aktuierung an beiden Stirnseiten untersucht. Hinsichtlich beider Varianten werden sowohl der erforderliche Aktuierungsaufwand als auch die durch die Aktuierung in das Tragwerk eingebrachten Zwangskräfte bewertet. Zudem ist die Ausbildung des Lagers für den Hydraulikzylinder und die damit daher gehende Verankerung der großen zu erwartenden Kräfte aus der Aktorik eine Herausforderung.

Ein wichtiger Aspekt des Projekts ist der Vergleich mit State-of-the-Art Dämpfersystemen. Dabei wird das aktive System mit passiven, semi-aktiven und aktiven Tilgersystemen verglichen. Maßgebendes Vergleichskriterium ist hierbei die mögliche Lebensdauerverlängerung. Der Vergleich erfolgt sowohl simulativ als auch experimentell.

Das Forschungsprojekt findet in Zusammenarbeit mit universitären und industriellen Partnern statt. Das Institut für Systemdynamik der Universität Stuttgart forscht an dem Reglungsentwurf des aktiven Systems. Die DB InfraGo AG und das Deutsches Zentrum für Schienenverkehrsforschung stellen die Brücke für die Untersuchungen und liefern Expertise im Bereich von Zuglastmodellen. Liebherr-Components Kirchdorf GmbH entwickelt die benötigten Aktoren. Maurer Engineering GmbH bringt ihre Expertise im Bereich von Schwingungsdämpfern von Brücken und der Konstruktion von Auflagern in das Forschungsprojekt ein.

Projekttitel:
Transferprojekt T1 – Methoden zur Lebensdauerverlängerung von Eisenbahnbrücken mit aktiven Elementen
Förderung:
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), Sonderforschungsbereich SFB1244: "Adaptive Hüllen und Strukturen für die gebaute Umwelt von morgen", GEPRIS-Projektnummer 279064222
Projektpartner:
Institut für Systemdynamik (ISYS), Universität Stuttgart
Kooperationspartner:
DB InfraGo AG, Cottbus
Liebherr-Components Kirchdorf GmbH, Kirchdorf
Maurer Engineering GmbH, München
Deutsches Zentrum für Schienenverkehrsforschung beim Eisenbahn-Bundesamt, Dresden