Systemdynamisches Verhalten von Schienenfahrwegen für Hochgeschwindigkeitsbahnverkehr auf geschichtetem Untergrund unter Berücksichtigung des nichtlinearen Bodenverhaltens

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Frank Rackwitz
• Fachliche Zuordnung: Geotechnik, Wasserbau ; Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 392201168

Ziel dieses Projektes ist es Modelle zur Prognose des Schienenfahrwegverhaltens und dessen Interaktion mit Hochgeschwindigkeitszügen (Geschwindigkeit über 400 km/h) und dem Untergrund zu entwickeln. Die entwickelten Prognosemodelle dienen dann beispielsweise zur Bewertung bestehender Infrastruktur und deren Nutzbarkeit für eine Zuggeschwindigkeitssteigerung sowie zur Planung von Maßnahmen zur Erschütterungsreduktion. Ein besseres Verständnis der physikalischen Phänomene, die mit der Schwingungsübertragung durch Hochgeschwindigkeitszüge im Boden und der daraus resultierenden Änderung der Bodeneigenschaften bei resonanzähnlichen Zuständen verbunden sind sowie die Fähigkeit potenziell problematische Orte in möglichst realistischer Weise zu modellieren, ermöglicht es, geeignete und kostengünstige Minderungsmaßnahmen vorzuschlagen.Im beantragten Projekt wird ein komplexes theoretisches und numerisches Modell für die Zug-Schienenfahrweg-Untergrund-Interaktion entwickelt, um das dynamische Verhalten der Eisenbahninfrastruktur und des umliegenden Bodens zu untersuchen. Hierzu wird ein detailliertes mechanisches Zug-Schienenfahrweg-Untergrund Modell mit numerischen Methoden erstellt. Bei der Modellierung werden Nichtlinearitäten der Zug-Schienenfahrweg-Untergrund-Interaktion unter dynamischer Belastung berücksichtigt.Im Baugrund werden Schichtungen, weiche Böden und Diskontinuitäten berücksichtigt. Die folgenden mechanischen Aspekte des Problems werden grundlegend untersucht: i) nichtlineares und poroelastisches Materialverhalten weicher Böden infolge Hochgeschwindigkeitszugverkehr, (ii) Untersuchung und Modellierung der durch Hochgeschwindigkeitszüge induzierten Wellenausbreitung und Wellendämpfung (iii) kritische Zuggeschwindigkeit, die zu Resonanzzuständen und Resonanzverstärkung im Schienenfahrweg und im Untergrund führt und (iv) Veränderung der Bodeneigenschaften infolge von Resonanzzuständen.Das entwickelte numerische Modell wird anhand von in-situ Messungen validiert, die von beiden Antragstellern an einem Teststandort in China durchgeführt werden, wo Hochgeschwindigkeitsbahnstrecken auf Weichschichten bereits in Betrieb sind. Verschiedene in-situ-Tests werden durchgeführt, Messdaten gewonnen und Bodenproben entnommen und im bodenmechanischen und bodendynamischen Labor untersucht. Diese Daten dienen zur Validierung und Bewertung des für die Anwendung in der Praxis entwickelten effizienten numerischen Prognosewerkzeugs für Hochgeschwindigkeitsbahnstrecken.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Partnerorganisation: National Natural Science Foundation of China
• Kooperationspartner: Professor Dr. Shunhua Zhou