SDU

Das erste Arbeitspaket Aktuelle Standards in Wissenschaft und Technik wurde im Januar-März 2020 abgeschlossen. Nun arbeiten die Projektpartner an den folgenden Arbeitspaketen:

Konzeptionierung eines Lastmodells nach Analyse bisheriger Ansätze (April 2020 – April 2022). Es wird ein allgemeines Lastmodell erstellt, mit dem alle zentralen Faktoren abgebildet werden können und das offen für mögliche Anpassungen in der Zukunft ist (z. B. längere Züge, andere Radsatzfolgen). Wenn es sinnvoll ist, unterschiedliche Berechnungsformeln für verschiedene Verkehre zu verwenden, können mehrere Ansätze erstellt werden. Ziel muss es jedoch sein, möglichst wenige Einzelkomponenten zu haben, die die gesamte Belastung aus der Nutzung darstellen können.

Vereinfachung des Belastungsmodells für eine Plausibilitätsprüfung (Februar 2021 – Juli 2022). Dynamische Berechnungsmodelle können nur bedingt abgeschätzt werden und erlauben daher keine intuitive Validierung der numerischen Berechnung. Es muss daher eine Möglichkeit gefunden werden, die Berechnungsergebnisse zumindest qualitativ zu bewerten und auf Plausibilität zu prüfen. Dies kann z. B. durch eine anwenderfreundliche Vereinfachung der entwickelten Lastmodelle zur Plausibilitätsprüfung und durch die Entwicklung eines zusätzlichen vereinfachten Prüfverfahrens erfolgen.

Konzeption und Durchführung einer Validierung (August 2020 – Dezember 2022). Validierung der Modelle und Entwicklung eines standardisierbaren Konzepts für die Definition der neuen dynamischen Lastmodelle und der detaillierten und vereinfachten Berechnungsmodelle sowie deren Anwendungsgrenzen werden vorgestellt.

• TU Darmstadt (TUDa, Germany)
• KU Leuven (Belgium)
• Austrian Institute of Technology (AIT, Austria)
• REVOTEC (Austria)
• iSEA Tec (Germany)

Motiviert durch immer höhere architektonische Anforderungen gibt es im Bauwesen einen aktuellen Trend, schlankere und leichtere Bauwerke mit größeren Spannweiten zu entwerfen und zu bauen. Bei Bauwerken, die der menschlichen Fortbewegung ausgesetzt sind (z.B. Fußgängerbrücken), führt dies häufig zu überhöhten fußgängerinduzierten Bauwerksschwingungen. Dies hat zur Folge, dass der Mensch seine Gangart an die Schwingungen der darunter liegenden Struktur anpassen muss, um das Gleichgewicht zu halten. Im Gegenzug beeinflussen die Veränderungen des Gangs die Reaktion der Struktur, was zu einer kontinuierlichen Interaktion zwischen Mensch und Struktur führt. Die heute üblichen biomechanischen Gangmodelle können jedoch die Reaktion des Menschen beim Gehen auf einer flexiblen Struktur nicht vorhersagen, da die zugrundeliegenden Mechanismen, wie der Mensch mit schwingenden Strukturen interagiert, immer noch unklar sind. Darüber hinaus berücksichtigen die aktuellen Modelle, die in der Konstruktion verwendet werden, nicht die Interaktion zwischen dem Menschen und den Strukturen, was zu unsicheren Strukturen oder im Gegenteil: zu überdimensionierten und unästhetischen Strukturen führen kann. Daher gibt es einen kritischen Bedarf aus beiden Wissenschaftsbereichen (Biomechanik und Bauingenieurwesen) für ein besseres Verständnis der biomechanischen Anpassung des Menschen beim Gehen auf erregbaren und vibrierenden Strukturen.

Das Ziel des Projektes ist die Entwicklung und Validierung verbesserter biomechanischer und struktureller Belastungsmodelle zur Beschreibung und Untersuchung des menschlichen Gehens auf schwingenden Strukturen. Dieses Ziel wird durch ein interdisziplinäres Forschungsprojekt der TU Darmstadt unter Einbeziehung der Sportbiomechanik (Prof. Seyfarth, LL) mit spezifischen Kenntnissen zu den biomechanischen Modellen und der Statik (Prof. Schneider, ISMD) mit spezifischen Kenntnissen zur Strukturdynamik erreicht.

In dieser Forschung werden wir die experimentellen Daten von menschlichen Teilnehmern, die auf schwingenden Strukturen und (zum Vergleich) auf steifen Strukturen gehen, sammeln und analysieren. Die Experimente beinhalten die Erfassung sowohl der biomechanischen als auch der strukturellen Antworten. Basierend auf den Ergebnissen der experimentellen Untersuchungen werden erweiterte biomechanische Modelle mit unterschiedlichem Detaillierungsgrad für das Gehen auf flexiblen Strukturen zur Simulation entwickelt. Anschließend werden die entwickelten Gangmodelle in die Strukturanalyse implementiert. Es werden umfangreiche Vergleiche zwischen den Messungen und Simulationen durchgeführt. Dies wird es ermöglichen, minimale Modellanforderungen sowohl für die Gang- als auch für die Strukturmodelle in Bezug auf den Detaillierungsgrad zu formulieren. Schließlich erwarten wir, ein mechanisches Modell zur Vorhersage von fußgängerinduzierten Schwingungen unter Berücksichtigung der Mensch-Struktur-Interaktion und ein Gangmodell zur genauen Simulation der menschlichen Reaktion beim Gehen auf schwingenden Strukturen vorzuschlagen. Die Funktionalität des vorgeschlagenen biomechanischen Modells soll an einer weichen aktiven Beinorthese demonstriert werden.

Kernziel dieses Projektes ist die Entwicklung eines Konzepts zur Integration vorhandener realer dynamischer Fahrzeuglasten in die Restlebensdauerbewertung von Eisenbahninfrastrukturen. Hierfür werden Daten der im europäischen Eisenbahnstreckennetz ausgeführten Achslastmessstellen sowie klassischer Strukturmonitoringanlagen verwendet. Mittels statistischer Extrapolationsmethoden und Datenfusion sollen diese in die streckenspezifische Bewertung der Restlebensdauer bestehender Brückenbauwerke in Deutschland einfließen. Es wird eine Verlängerung der Restlebensdauer der bestehenden Brückenbauwerke im Vergleich zum jetzigen konservativen Ansatz von mind. 20% erwartet und somit eine verbesserte Verfügbarkeit der Brückenbauwerke und eine hohe Ressourceneinsparung erzielt.

Basierend auf der Analyse von vorhandenen Daten aus Achslastmessstellen, Strukturmonitoringdaten sowie Betriebs- und Netzdaten der Infrastrukturbetreiber in Europa wird eine datenbasierte Extrapolationsmethode für Radsatzlasten im deutschen Streckennetz entwickelt. Zudem wird eine datenbasierte Methode zur kostengünstigen Ermittlung von Radsatzlasten von Eisenbahnfahrzeugen erarbeitet und validiert. Abschließend werden streckenspezifische Lastkollektive zur Berechnung der (Rest-)lebensdauer von Eisenbahninfrastrukturanlagen abgeleitet.