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A contribution to moving force identification in bridge dynamics

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[Quelle: https://d-nb.info]

Vor dem Hintergrund einer alternden Infrastruktur und eines eindeutigen Trends zu immer schnelleren und schwereren Fahrzeugen wird die Nachrechnung bestehender Brücken zu einer immer anspruchsvolleren Aufgabe für Bauingenieure, insbesondere wenn wichtige Entscheidungen über kostspielige Ersatz- oder Sanierungsmaßnahmen getroffen werden müssen. Eine genaue Kenntnis der tatsächlichen Kräfte, die auf das Bauwerk wirken, bietet den Ingenieuren die Möglichkeit einer weniger konservativen, aber dennoch zuverlässigen Nachrechnung, die zu einer beträchtlichen Verlängerung der Restlebensdauer und damit zu erheblichen finanziellen Vorteilen sowohl für die Infrastrukturbetreiber als auch für die Gesellschaft führen kann. Die direkte Messung der dynamischen auf Brückenbauwerke wirkenden bewegten Kräfte ist jedoch in den meisten Fällen entweder nicht möglich oder sehr umständlich. Hingegen lassen sich Zeitverläufe der Bauwerksantworten mit vertretbarem Aufwand aufzeichnen. In der vorliegenden Arbeit wird ein neuartiger Ansatz zur Identifikation von dynamischen, auf ein Brückenbauwerk wirkenden bewegten Kräften vorgestellt. Die Grundidee ist, die optimalen Kraftwerte zu finden, die die Differenz zwischen den für eine begrenzte Anzahl an Punkten berechneten und gemessenen Zeitverläufen der Verschiebungen und Beschleunigungen minimieren. Hierfür wird ein Optimierungsproblem im Zeitbereich formuliert. Es betrachtet die Magnitude jeder bewegten Kraft in jedem Zeitschritt als unbekannte Variable. Die Regularisierung des inversen Problems wird durch die Einführung von zwei Straffunktionen addressiert, die physikalische a priori Informationen über die Lösung definieren. Das Problem wird mit Hilfe des gradientenbasierten Trust Region Optimierungsalgorithmus gelöst. Dieser erfordert den genauen Gradienten und die genaue Hesse-Matrix der Zielfunktion. Diese werden durch analytische Ableitungen bestimmt, während das numerische Integrationsverfahren von Newmark zur Lösung einer Reihe von Differenzialgleichungen verwendet wird, die im impliziten Ableitungsprozess auftreten. Darüber hinaus wird die effiziente Lösung von Problemen mit einer großen Anzahl von unbekannten Kraftwerten durch die Verwendung eines gleitenden Fensters ermöglicht. Die vorgestellte Kraftidentifikationsmethode ist auf jedes 3D Finite-Elemente-Modell mit beliebigem Detaillierungsgrad anwendbar. Dies wird durch die Verwendung der Modalanalyse ermöglicht. Zuerst wurde eine umfassende Studie mit simulierten Messdaten durchgeführt, um die isolierten Auswirkungen verschiedener Parameter auf die Genauigkeit der vorgestellten Kraftidentifikationsmethode zu analysieren. Darüber hinaus wurde eine experimentelle Validierung anhand von zwei Untersuchungen durchgeführt: eine bestehende Eisenbahnbrücke im Betrieb, die den Überfahrten eines ICE 4 Fahrzeugs ausgesetzt wurde, und eine experimentelle Fußgängerbrücke. Sie unterstreichen den weiten Anwendungsbereich der im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Methode zur Ermittlung von dynamischen bewegten Kräften: von kleinen Strukturen, die durch eher geringe Fußgängerkräfte angeregt werden, bis hin zur "schweren Kategorie" eines kompletten Zuges, der über eine Eisenbahnbrücke im Betrieb fährt. Die Ergebnisse sind sehr zufriedenstellend und zeigen durchweg, dass die vorgeschlagene Methode eine ausreichend genaue Identifikation der bewegten Kräfte ermöglicht. In diesem Zusammenhang wird auch auf eine Reihe von Besonderheiten und Einschränkungen eingegangen, die sich bei der praktischen Anwendung der Methode auf reale Bauwerke ergeben. Diese hängen vor allem mit Modellierungsungenauigkeiten zusammen, die als ein entscheidender Einflussfaktor des Lösungsverhaltens identifiziert wurden.

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Bücher, Broschüren

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Verordnung über die Vergabe von Aufträgen im Bereich des Verkehrs, der Trinkwasserversorgung und der Energieversorgung
2., Aufl.
2019, XVIII, 888 S., 19,5 cm, Buchleinen
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Der Band gibt eine Einführung in die Dynamikprobleme im Bauwesen. Dazu gehören Bauwerks- und Baugrund-Dynamik sowie Erschütterungsmessung. Weitere Schwerpunkte sind Erschütterungsausbreitung beim Schienenverkehr, Fußgängerbrücken und Kirchtürmen. Anhand von zahlreichen Beispielen aus der Praxis wird die Anwendung der Theorie gezeigt. Aus dem Inhalt: - Grundlagen der Bauwerksdynamik; - Grundlagen der Baugrunddynamik; - Erschütterungsmessung im Bauwesen; - Erschütterungsausbreitung beim Schienenverkehr; - Fußgängerbrücken; - Dynamik der Glockentürme; - Schwingende Balkone; - Erschütterungsüberwachung; - Simulation von Bauwerksdynamikproblemen; - Simulation von Bodendynamik-Problemen; - Die Tücken der Bauwerksdynamik.

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Lothar Stempniewski, Björn Haag
Baudynamik-Praxis
Mit zahlreichen Anwendungsbeispielen
2010, 264 S., 17 x 24 cm, Softcover
Beuth

 

 

Der Tragwerksplaner sieht sich in letzter Zeit immer häufiger auch mit baudynamischen Fragestellungen konfrontiert. Im vorliegenden Buch werden die drei dynamischen Einwirkungen Mensch, Maschine und Wind in übersichtlicher Form vorgestellt. Zulässige Schwingungsamplituden und mögliche Gegenmaßnahmen werden ausführlich diskutiert, letztere auch auf ihre praktische Umsetzbarkeit hin überprüft. Insgesamt 27 zum Teil sehr umfangreiche Rechen- und Praxisbeispiele erleichtern dem Leser das Verständnis.

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Peter Hagedorn, Klaus Kelkel
Technische Schwingungslehre
Band 2: Lineare Schwingungen kontinuierlicher mechanischer Systeme
1989, x, 338 S., X, 338 S. 6 Abb. 244 mm, Softcover
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Es werden lineare Schwingungen kontinuierlicher mechanischer Systeme behandelt. Stationäre freie und erzwungene Schwingungen mit den zugehörigen Eigenwertaufgaben sind ebenso Bestandteil wie die Probleme der Wellenausbreitung in festen Körpern. (-y-)

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Robert Gasch, Klaus Knothe
Strukturdynamik. Bd.2. Kontinua und ihre Diskretisierung
1989
1989, ix, 336 S., IX, 336 S. 242 mm, Softcover
Springer

 

 

Im Bd.2 der Strukturdynamik werden kontinuierliche Schwinger und numerische Verfahren zu ihrer Diskretisierung behandelt. Nur in Spezialfällen, die dann aber prinzipielle Einsichten ermöglichen, gelingt eine analytische Lösung der Bewegungsgleichungen. Die in den meisten Fällen notwendigen Näherungsverfahren (Übertragungsmatrizen, Methode der finiten Elemente) werden eingehend erläutert und anhand von Beispielen aus der Ingenieurpraxis illustriert. Die Finite-Element-Methode führt bei praktischen Problemen (Turbosatz auf elastischem Fundament, Radsatz-Eigenschwingungen) sehr schnell auf 1000 und mehr Freiheitsgrade. Ein besonderer Schwerpunkt ist daher den Verfahren zur Reduktion der Zahl der Freiheitsgrade und der Substrukurtechnik gewidmet. Abschließend wird gezeigt, wie man die Bewegungsgleichungen von rotierenden elastischen Strukturen (Turbinenschaufeln) gewinnt und die Stabilität periodisch zeitvarianter Systeme untersucht. Das Buch ist als Lehrbuch für Hochschulen und Fachhochschulen konzipiert. Es enthält eine Vielzahl von Übungsaufgaben und Lösungen. Dadurch eignet es sich auch zum Selbststudium für Ingenieure in Forschung und Industrie. (-z-); Vol. 2 on structural dynamics deals with continuous pulse generators and numerical methods for their discretization. An analytic solution of the movement equations is obtained only in special cases. However, these afford basic insights. The methods of approximation (transfer matrices, finite element method) necessary in most cases are explained in detail and illustrated with examples from engineering practice. For practical problems (gener- ator) set on elastic foundation, natural wheel-set vibrations), the finite element method very quickly leads to 1000 degrees of freedom and more. Special attention is therefore given to the methods for reducing the number of degrees of freedom and to the substructure technique. An explanation is finally given of how the movement equations of rotating elastic structures (turbine blades) are obtained and the stability of periodi

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Forschungsberichte

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Camille Châteauvieux-Hellwig, Markus Schramm, Andreas Rabold
Vibroakustik im Planungsprozess für Holzbauten
Modellierung, numerische Simulation, Validierung - Teilprojekt 4: Bauteilprüfung, FEM-Modellierung und Validierung
ift-Forschungsbericht, Juni 2017.
2018, 337 S., zahlr. Abb. u. Tab.,

 

 

Holzhäuser zeigen Pioniercharakter in Bezug auf Energieeinsparung und Nachhaltigkeit. Sie bestechen durch ihre Kombination von nachhaltiger Bauweise mit anspruchsvoller Ästhetik und moderner Architektur. Auf Grund dieser Vorteile nimmt die Anzahl der Holzbauten auch in der Geschossbauweise des urbanen Bereichs kontinuierlich zu. Gerade im Geschosswohnungsbau bieten sich moderne vorgefertigte Massivholzelemente wie Brettsperrholzelemente, Hohlkastenelemente oder Holz-Beton-Verbundelemente für eine baukonstruktiv kosteneffiziente Erstellung der Gebäude an. Verglichen mit Gebäuden in Mauerwerks- und Betonbauweise stellt jedoch die Planung eines Bauobjektes in Holzbauweise für den Architekten und die Fachplaner eine deutlich größere Herausforderung dar. Die Gründe hierfür liegen unter anderem im Mangel von bewährten Konstruktionen und Konstruktionswerkzeugen für den Schallschutz und die Gebrauchstauglichkeit (Schwingungsnachweis). Es besteht erheblicher Handlungsbedarf, zumal Holzbauten wesentliche Chancen hinsichtlich einer Verbesserung der (Lebenszeit)-CO2-Bilanz bieten. Die Folge des Mangels an geeigneter Konstruktionsunterstützung wird im Planungsprozess offensichtlich. Um die Anforderungen an den Schallschutz und an die Gebrauchstauglichkeit sicher erfüllen zu können, werden die Bauteile häufig durch Ersatzmodelle und vereinfachte konservative Ansätze überdimensioniert und dadurch unwirtschaftlich. Geeignete computergestützte Planungswerkzeuge, die eine Simulation der genannten bauphysikalischen und konstruktiven Eigenschaften bereits im frühen Planungsentwurf für das gesamte Bauwerk und nicht nur für einzelne Komponenten ermöglichen, können den Planungsaufwand nicht nur drastisch reduzieren, sondern auch zuverlässiger machen, die Qualität entscheidend erhöhen und damit letztendlich die Wettbewerbsfähigkeit von Holzbauten fördern. Notwendig hierzu ist eine geometrische, physikalische und mathematische Modellbildung sowie deren Validierung sowohl bzgl. einzelner Komponenten, der Kopplung von Bauteilen als auch b

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Kathrin Schwarzer
Beanspruchung und Schwingfestigkeit der Doppel-HY-Naht mit Doppelkehlnaht von Stirnplattenverbindungen. Schlußbericht
Bauforschung, Band T 2867
1999, 120 S., Abb.,Tab.,Lit.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Nach derzeitigem Stand der Regelwerke (Eurocode 3) ist die Kerbe in der Nahtwurzel bei der nicht durchgeschweißten Schweißverbindung des T-Stoßes ausschlaggebend für die Einstufung in die Kerbfallklassen und damit für den Ermüdungsfestigkeitsnachweis der gesamten Verbindung. Die Beurteilung der Wurzelkerbe und die Einstufung in die niedrigste Kerbklasse erfolgte allerdings auf der Basis der am Kreuzstoß gewonnenen Versuchsergebnisse. Der grundsätzlich andere Kraftfluß des geschraubten T-Stoßes im Gegensatz zum Kreuzstoß gab Anlaß, die bisherige Bewertung der Nahtwurzel in Frage zu stellen. Unter Bezug auf die aktuellen Regelwerke wurde der Einfluß von gemessenen Imperfektionen in der Nahtgeometrie, wie z.B. die Überhöhung, Dickenüberschreitung und Ungleichschenkligkeit der Naht, im Hinblick auf die Ermüdungsfestigkeit bewertet. Für diese Verbindungsart waren drei mögliche Versagensarten -bezogen auf den Bruchausgangsort- zu untersuchen; der Übergang von der Schweißnaht zum Zugblech, der Übergang von der Schweißnaht zur Stirnplatte und die Nahtwurzel. Es wurden zwei Serien von jeweils 25 Dauerschwingversuchen an zwei im Schweißzustand belassenen Modellen mit unterschiedlicher Stirnplattendicke (25 und 30 mm) unter schwellender Zugbeanspruchung (R=0) durchgeführt. Sowohl die Dauerschwingversuche als auch die numerischen Berechnungen zeigten, daß für diesen Verbindungstyp nicht die Wurzelkerbe maßgebend für den Nachweis der Ermüdungsfestigkeit wird, sondern die Nahtübergänge.

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Günther Valtinat
Low-cycle-fatigue-Beanspruchung von auf Abscheren beanspruchten Schrauben mit Gewinde in der Scherfuge
Bauforschung, Band T 2743
1995, 23 S.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Nach der Stahlbau-Norm DIN 18800 Tl.1 November 1990 darf in Scher-Lochleibungs-Verbindungen das Gewinde der Schraube in der Scherfuge liegen. Für eine solche Verbindung ist ein Betriebsfestigkeitsnachweis nicht erforderlich, wenn eine bestimmte Lastspielzahl bzw. Spannungsschwingbreite nicht überschritten wird. Nichständige Lasten (Wind oder Erdbeben) verursachen eine Low-cycle-Beanspruchung im Gewindeteil der Schraube. Hierzu sind Untersuchungsergebnisse nicht bekannt. Ziel war daher, nachzuweisen, daß nichtständige Lasten mit niedrigen Lastwechselzahlen die Beanspruchbarkeit von Scher-Lochleibungs-Verbindungen mit Gewinde in der Scherfuge nicht beeinträchtigen. Ergebnisse sind: Es werden die Betriebsfestigkeitsergebnisse aus 79 Low-cycle-fatigue Versuchen an Schrauben mitgeteilt. In zweischnittigen Druck-Scherkörpern lag der Gewindeabschnitt der Schrauben in den beiden Scherfugen. Für den Gebrauchszustand kann man etwa damit rechnen, daß bei 5.6-Schrauben 140000 Lastwechsel und bei 10.9-Schrauben 53000 Lastwechsel ertragen werden.

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G. Sedlacek, B. Hoffmeister
Schwingungsanfälligkeit für den Geschoßbau - eine Studie zur Klassifizierung der Gebrauchseigenschaften für den Eurocode 1. Abschlußbericht
Bauforschung, Band T 2736
1995, 86 S., Abb.,Tab.,Lit.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Zunehmender Optimierungs- und Ausnutzungsgrad moderner Stahl- und Verbundkonstruktionen haben zur Folge, daß die Schlankheiten und die Spannweiten von Deckenkonstruktionen immer größer werden. Diese Tendenz kann zu einer erhöhten Empfindlichkeit der Bauwerke gegenüber dynamischen Anregungen führen, was wiederum eine starke Beeinträchtigung der Gebrauchsfähigkeit nach sich ziehen kann. Soll die Gebrauchsfähigkeit hinsichtlich menscheninduzierter Schwingungen sichergestellt werden, müssen die dynamische Belastung, die Bauwerksreaktion und die Auswirkung des dynamischen Verhaltens aufeinander abgestimmt werden. Der Bericht liefert einen Überblick über den gegenwärtigen Kenntnis- und Normungsstand zu dem Thema menscheninduzierte Schwingungen, deren Ursachen und Auswirkungen. Es konnte festgestellt werden, daß hinsichtlich der anzusetzenden Belastung (Laufen, Gehen, Hüpfen) die in allen herangezogenen Quellen gewählten Ansätze weitgehend ähnlich sind. Der Vergleich der Normen, die eine Bewertung und Beurteilung der Schwingungseinwirkungen auf den Menschen ermöglichen, zeigt zum Teil deutliche Unterschiede auf.

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G. Valtinat, I. Hadrych
Messung der Vorspannkräfte von Nieten in Altbrücken. Entwicklung der Meßtechnik
Bauforschung, Band T 2709
1995, 84 S.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Die Schwingfestigkeit von Lochstäben mit Nieten und von Nietverbindungen alter Brückenbauwerke wird durch die Vorspannkräfte in den Nieten positiv beeinflußt, weil die Vorspannung einen gewissen Schutz um das Loch herum aufbaut und so die Spannungskerbe am Lochrand mildert. Die Höhe der Vorspannkräfte in den Nieten kann durch implantierte Dehnungsmeßstreifen (DMS) gemessen werden. Für die Ergebnistauglichkeit ist die Kenntnis des Kriechverhaltens dieser DMS erforderlich. Feindehnungsmessungen an 11 vorgespannten Testschrauben mit implantierten DMS und Vergleichsmeßinstrumenten ergaben, daß sich die Kriecheinflüsse der implantierten DMS und ihrer Kleber noch nach 360 Monaten unter 1% des Anfangswerts der Vorspannkraft halten.

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Zeitschriftenartikel

Folgende Literaturnachweise stammen aus der Datenbank RSWB^®plus. Die Datenbank unterstützt schnell und zielsicher Fachleute aus Planungsfirmen, Industrie und Forschung, sowie Lehrkräfte und Studierende in der akademischen Ausbildung bei Nachweis und Beschaffung von Fachinformation zum Planen und Bauen.

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Efthymiou, Georgia; Vrettos, Christos
Numerische Untersuchungen zur Abschirmwirkung von Einzelpfählen und Pfahlgruppen im Wellenfeld einer stationären oder bewegten harmonischen Last
Bautechnik, 2022

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Lenz, Udo
Körperschall und Erschütterungen bei Straßenbahnen. Beurteilung und Minderung der Schwingungsimmissionen in der Nachbarschaft von Straßenbahnbetriebsgleisen
V+T Verkehr und Technik, 2022

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Stavrou, Stefanos; Sadegh-Azar, Hamid
Schwingungsmessungen mit Smartphone und Tablet
Der Bausachverständige, 2022

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Shams-Hakimi, Poja; Al-Karawi, Hassan; Al-Emrani, Mohammad
High-cycle variable amplitude fatigue experiments and design framework for bridge welds with high-frequency mechanical impact treatment
Steel Construction, 2022

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Reiterer, Michael; Firus, Andrei
Dynamische Analyse der Zugüberfahrt bei Eisenbahnbrücken unter Berücksichtigung von nichtlinearen Effekten
Beton- und Stahlbetonbau, 2022

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Highlights aus dem Programm 2022