DIN V 45673-4-2008 Mechanical vibration - Resilient elements used in railway tracks - Part 4 Analytical evaluation of insertion loss of mounted track systems《机械振动 铁轨用弹性部件 第4部分 已安装的.pdf

1、Juli 2008 Normenausschuss Akustik, Lrmminderung und Schwingungstechnik (NALS) im DIN und VDIPreisgruppe 14DIN Deutsches Institut fr Normung e.V. Jede Art der Vervielfltigung, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung des DIN Deutsches Institut fr Normung e.V., Berlin, gestattet.ICS 17.160; 93.100!$MkX“

2、1427253www.din.deDVornormDIN V 45673-4Mechanische Schwingungen Elastische Elemente des Oberbaus von Schienenfahrwegen Teil 4: Rechnerische Ermittlung der Einfgungsdmmung imeingebauten ZustandMechanical vibration Resilient elements used in railway tracks Part 4: Analytical evaluation of insertion los

3、s of mounted track systemsVibrations mcaniques lments lastiques des voies ferres Partie 4: Calcul de la perte dinsertion de voies ferres montesAlleinverkauf der Normen durch Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin www.beuth.deGesamtumfang 32 SeitenDIN V 45673-4:2008-07 2 Inhalt Seite Vorwort . 3 1 Anwendung

4、sbereich 3 2 Normative Verweisungen. 4 3 Begriffe 4 4 Schwingungsfhiges System 5 4.1 Oberbauformen. 5 4.2 Systemkomponenten . 6 4.3 Schwingungserregung. 6 4.4 Schwingungsantwort, Einfgungsdmm-Ma 7 4.5 Linearisierung . 7 5 Rechnerische Abschtzung des Einfgungsdmm-Maes mittels verschiedener Ersatzsyst

5、eme und Beschreibungsformen 7 5.1 Bildung eines Ersatzsystems 7 5.2 Ersatzsystem mit einem Freiheitsgrad: Beschreibungsform mittels Masse, Feder und Dmpfer. 10 5.3 Ersatzsystem mit einem oder mehreren Freiheitsgraden: Beschreibungsform mittels Impedanzen . 14 5.4 Ersatzsysteme mit mehreren Freiheits

6、graden, Timoshenko-Balken und elastischer Halbraum . 23 5.5 Ersatzsysteme mit Finiten Elementen 27 Literaturhinweise . 31 Vornorm DIN V 45673-4:2008-07 3 Vorwort Diese Vornorm ist im Gemeinschaftsausschuss NA 001-03-15 AA (NALS/VDI C 15) Schwingungsminderung in der Umgebung von Verkehrswegen“ erarbe

7、itet worden. Sie ergnzt zusammen mit DIN V 45673-3, die die messtechnische Ermittlung der Einfgungsdmmung im eingebauten Zustand bei Ersatzanregung behandelt, die Normen der Reihe DIN 45673. Eine Vornorm ist das Ergebnis einer Normungsarbeit, das wegen bestimmter Vorbehalte zum Inhalt oder wegen des

8、 gegenber einer Norm abweichenden Aufstellungsverfahrens vom DIN noch nicht als Norm herausgegeben wird. Zu dieser Vornorm war der Entwurf DIN 45673 Beiblatt 2:2006-01 verffentlicht worden. Erfahrungen mit dieser Vornorm sind erbeten vorzugsweise als Datei per E-Mail an nalsdin.de in Form einer Tabe

9、lle. Die Vorlage dieser Tabelle kann im Internet unter http:/www.din.de/stellungnahme abgerufen werden; oder in Papierform an den Normenausschuss Akustik, Lrmminderung und Schwingungstechnik (NALS) im DIN und VDI, 10772 Berlin. 1 Anwendungsbereich In dieser Vornorm werden Verfahren zur analytischen

10、Abschtzung der Einfgungsdmmung angegeben. Der Zweck besteht in der rechnerischen Ermittlung der Einfgungsdmmung eines Oberbaus mit elastischen Elementen und gegebenenfalls Zusatzmassen (untersuchter Oberbau) gegenber einer Ausgangssituation (Referenzoberbau). Zur Charakterisierung der Einfgungsdmmun

11、g wird das Verhltnis der bei gleicher Anregungsart ent-stehenden Krperschallleistungen verwendet. Dabei wird bezglich der Erschtterungsimmission derselbe Beurteilungsort betrachtet. Zur quantitativen Beschreibung der Einfgungsdmmung wird das Einfgungs-dmm-Ma im Frequenzbereich von 4 Hz bis 250 Hz ve

12、rwendet. ANMERKUNG In dieser Vornorm wird die quivalenz des Einfgungsdmm-Maes DF(f) aus einer Betrachtung der Kraftpegel LF(f) entsprechend DF(f) = LF Referenzoberbau(f) LF untersuchter Oberbau(f) mit dem Einfgungsdmm-Ma De(f) aus der Betrachtung der Krperschallpegel Lv(f) entsprechend De(f) = Lv,1(

13、f) Lv,2(f) nach DIN 45672-2:1995-07, Anhang B, gezeigt; siehe Gleichungen (12c) und (23). Da in dieser Vornorm fr lineare schwingungsfhige Systeme nachgewiesen wird, dass diese beiden Einfgungsdmm-Mae gleich sind, wird im Weiteren auf eine begriffliche Unterscheidung verzichtet. Da lineare Systeme f

14、r die Erschtterungsemission vorausgesetzt werden, wird bei diesem relativen Ver-gleich der Einfluss der frequenzabhngigen bertragungsfunktion zwischen dem Emissionsort der Erscht-terungen und dem Immissionsort eliminiert. Somit ist die berechnete Einfgungsdmmung direkt mit der aus Messwerten ermitte

15、lten Einfgungsdmmung bei gleichen Oberbauformen und gleicher Zugberfahrt an beliebigen Messorten vergleichbar. Diese Vornorm gilt ohne Einschrnkung bezglich des Emissionsortes (unterirdisch, oberirdisch, auf Brcken). Zur Beschreibung der Verhltnisse von Krperschallleistungen wird in dieser Vornorm z

16、. T. die auf den Unterbau (Tunnelsohle, Brcke, Planum) wirkende Kraft verwendet, wobei in diesem Fall bei der Berechnung der Emission von einer fr beide Oberbauformen gleich groen Krafterregung ausgegangen wird. Bei der Nachbildung der Erregung und der Bildung eines Ersatzsystems fr das betrachtete

17、schwingungsfhige System ist eine dynamisch wirksame Masse zu bercksichtigen, die sich aus Anteilen des Fahrzeugs und des Oberbaus zusammensetzt. DIN V 45673-4:2008-07 4 In der Praxis werden verschiedene Verfahren zur rechnerischen Ermittlung des Einfgungsdmm-Maes angewandt, wobei sich diese Verfahre

18、n in erster Linie durch die verwendeten Ersatzsysteme unterscheiden. Eine vergleichende Bewertung der verschiedenen Verfahren erfolgt in dieser Vornorm nicht. 2 Normative Verweisungen Die folgenden zitierten Dokumente sind fr die Anwendung dieses Dokuments erforderlich. Bei datierten Verweisungen gi

19、lt nur die in Bezug genommene Ausgabe. Bei undatierten Verweisungen gilt die letzte Ausgabe des in Bezug genommenen Dokuments (einschlielich aller nderungen). DIN 45673-1, Mechanische Schwingungen Elastische Elemente des Oberbaus von Schienenfahrwegen Teil 1: Ermittlung statischer und dynamischer Ke

20、nnwerte im Labor 3 Begriffe Fr die Anwendung dieses Dokuments gelten die Begriffe nach DIN 45673-1 und die folgenden Begriffe. 3.1 dynamisch wirksame Fahrzeug- und Oberbaumasse mErs Ersatzmasse fr ein mechanisches Ersatzsystem mit einem Freiheitsgrad, die die unabgefederte Fahrzeug-masse (dynamisch

21、wirksame Fahrzeugmasse) und denjenigen Massenanteil des Oberbaus (dynamisch wirksame Oberbaumasse) umfasst, die bei der berfahrt des rollenden Rades eine dominierende Schwing-bewegung ausfhren ANMERKUNG 1 Die dynamisch wirksame Fahrzeug- und Oberbaumasse setzt sich aus Anteilen des Fahrzeugs (unter-

22、halb der Primrfeder befindliche Massen, d. h. unabgefederte Radsatzmasse, und evtl. anteilige Drehgestellmasse) und aus Anteilen des Gleisoberbaus (Anteil Schiene, Schienenbefestigung, Schwelle, Schotter, evtl. Betonplatte) zusammen (siehe auch 7). Zu Zahlenangaben siehe 5.1.2. ANMERKUNG 2 Gelegentl

23、ich wird fr den Ausdruck dynamisch wirksame Fahrzeug- und Oberbaumasse“ auch Rad-satz-Oberbau-Masse“ benutzt. 3.2 Teilsysteme Zur rechnerischen Ermittlung der Einfgungsdmmung wird der Oberbau zusammen mit Teilen des Fahr-zeugs in Teilsysteme (oberes Teilsystem, elastisches Element, unteres Teilsyste

24、m) unterteilt. 3.2.1 oberes Teilsystem System, bestehend aus dynamisch wirksamer Fahrzeugmasse, Schienen und allen Bauelementen oberhalb des betrachteten elastischen Elements ANMERKUNG Das obere Teilsystem wird durch den Index o gekennzeichnet. 3.2.2 elastisches Element Bauteil, dessen Wirkung auf d

25、ie Einfgungsdmmung des Oberbaus ermittelt wird ANMERKUNG Das elastisches Element wird durch den Index el gekennzeichnet. BEISPIELE Elastische Schienenlagerung, Zwischenplatte, Einzellager, Unterschottermatte. 3.2.3 unteres Teilsystem System, bestehend aus allen Bauelementen unterhalb des betrachtete

26、n elastischen Elements Vornorm DIN V 45673-4:2008-07 5 ANMERKUNG Das untere Teilsystem wird durch den Index u gekennzeichnet. 3.3 komplexe Steifigkeit kk(if) komplexes Verhltnis der in Verformungsrichtung wirkenden harmonischen Kraft mit der Amplitude EF zur entstehenden Verformungsamplitude )(i fz

27、bei Frequenzen zwischen 1 Hz und (30 bis 40) Hz )(i)(iEkfzFfk = (1) ANMERKUNG 1 Die (im Allgemeinen frequenzabhngige) komplexe Steifigkeit wird in kN/mm angegeben. ANMERKUNG 2 Die komplexe Steifigkeit erfasst neben den elastischen Eigenschaften auch die Dmpfung eines elas-tischen Elements. Bei einem

28、 linearen Ansatz fr die dmpfenden Eigenschaften des oberen und unteren Teilsystems sowie des elastischen Elements kommen folgende komplexe Steifigkeiten in Betracht: a) Bei viskoser Dmpfung eines Teilsystems oder des elastischen Elements: dfkfk 2i)(ikinkv+= (2) mit der kinetischen Steifigkeit kkinun

29、d dem frequenzunabhngigen Dmpfungskoeffizienten d. Der Betrag davon ist: 22kink)2()(vdfkfk += (3) b) Bei hysteretischer (struktureller) Dmpfung eines Teilsystems oder des elastischen Elements: )i1()(ikinkh+= kfk (4) mit der kinetischen Steifigkeit kkinund dem frequenzproportionalen Verlustfaktor . D

30、er Betrag davon ist: 2kink1)(h+= kfk (5) Mit dynamischen Versuchen wird festgestellt, welcher Ansatz die Dmpfungseigenschaften eines Teilsystems oder des elastischen Elements am besten beschreibt. Ein Mischansatz ist zwar optimal, wegen des erheblichen Auswertungs-aufwands bei den Versuchen wird abe

31、r im Allgemeinen darauf verzichtet. Die komplexe Steifigkeit von Schotter und diejenige von Unterschottermatten wird am besten durch eine hysteretische Dmpfung beschrieben. ANMERKUNG 3 Die beiden Komponenten Elastizitt und Dmpfung der komplexen Steifigkeit eines Teilsystems oder des elastischen Elem

32、ents werden durch die Eigenschaften der Werkstoffe, das Beanspruchungsverhalten der Bauteile bei Verformung (charakterisiert durch den Formfaktor) und insbesondere durch die Art der Auflagerflchen bei den dyna-mischen Untersuchungen bestimmt, die daher den realen Verhltnissen beim Einsatz der Elemen

33、te entsprechen sollte. ANMERKUNG 4 Bei der dynamischen Steifigkeit kd(f) (siehe DIN 45673-1) ist der Einfluss der Trgheitskrfte erst bei Frequenzen ber (30 bis 40) Hz deutlich. Daher wird in der Praxis bei Frequenzen zwischen 1 Hz und (30 bis 40) Hz nherungsweise verwendet: kd(f) kk(f). 4 Schwingung

34、sfhiges System 4.1 Oberbauformen Es existieren verschiedene Oberbauformen mit elastischen Elementen und gegebenenfalls Zusatzmassen, die im Schienenverkehrswegebau eingesetzt werden. In DIN 45673-1 sind diese Oberbauformen im Einzel-nen beschrieben und einige davon dargestellt. Vornorm DIN V 45673-4

35、:2008-07 6 4.2 Systemkomponenten Zur rechnerischen Ermittlung der Einfgungsdmmung ist die Bildung eines Ersatzsystems fr das unter-suchte schwingungsfhige System (Fahrzeuganteil, Oberbau, Unterbau) erforderlich, das beispielsweise aus folgenden Komponenten besteht: a) Fahrzeug unabgefederte Radsatzm

36、asse; b) Oberbau Schiene, Schienenbefestigungsmittel, Spurstangen, Schwellen, Schotter, Betontragplatte; c) elastisches Element, dessen Wirkung im Zusammenwirken mit den anderen Oberbaukomponenten zu berechnen ist Zwischenlage, Zwischenplatte, Schwellenbesohlung, Unterschottermatte, elastische Eleme

37、nte bei Masse-Feder-Systemen; d) Unterbau Tunnelsohle, Brcke, Planum. 4.3 Schwingungserregung Bei der Berechnung der Einfgungsdmmung kann fr die Schwingungserregung angesetzt werden eine Wegerregung oder eine Krafterregung. Die Krafterregung entsteht primr aus einer Wegerregung, denn bei der Fahrt d

38、es Zuges ber eine diskret gelagerte Schiene bildet sich durch das rollende Rad eine Einsenkung der Schiene (Sekundrdurchbiegung), die im Bereich der Auflagerung der Schienen auf den Schwellen eine andere Gre als im Bereich zwischen den Auflagerungen hat. Die diskret gelagerte Schiene wirkt daher neb

39、en der breitbandigen Erregung als zustzliche periodische Wegerregung; bei nicht diskret gelagerter Schiene liegen keine periodischen, sondern nur die breitbandigen Erregungen vor. Auerdem stellen Gleislagefehler, Unrundheiten und Flachstellen der Rder sowie Laufflchenunebenheiten weitere Komponenten

40、 der Wegerregung dar, wobei auch Unwuchten der Rder durch eine Wegerregung abgebildet werden knnen. Die Krafterregung entsteht als Massenkraft aus der Wegerregung infolge der Bewegung der Ersatzmasse nach 3.1. Diese Darstellungen zeigen, dass bei linearen Systemen die Wegerregung und die Krafterregu

41、ng Synonyme sind, sodass im Weiteren fr die Berechnung des Einfgungsdmm-Maes nur die Krafterregung betrachtet wird. Zur Beschreibung der Verhltnisse von Krperschallleistungen wird damit die auf den Unter-bau (Tunnelsohle, Brcke, Planum) wirkende Kraft verwendet, wobei bei der Berechnung der Emission

42、 von einer fr beide Oberbauformen (mit und ohne das eingefgte eleastische Element) gleich groen Kraft-erregung ausgegangen wird. Vornorm DIN V 45673-4:2008-07 7 Infolge der Wegerregung entstehen an der Ersatzmasse Massenkrfte, die zur Nachbildung der Erregung angesetzt werden knnen. Fr die Ermittlun

43、g der Einfgungsdmmung wird dann allerdings bei den Berech-nungen meist eine Ersatzanregung verwendet, die als Einheitssto, als Breitbanderregung, als Gleitsinus-erregung oder als harmonische Erregung realisiert sein kann. Da die Einfgungsdmmung den Quotienten zwischen zwei Krften als Schwingungsantw

44、ort darstellt, ist die quantitative Kenntnis dieser Krafterregung nicht erforderlich. ANMERKUNG Sollen in der Praxis mit den Einfgungsdmm-Maen Immissionswerte quantitativ berechnet werden, wird vielfach eine Wegerregung zugrunde gelegt. Diese Aufgabenstellung wird in dieser Vornorm jedoch nicht beha

45、ndelt. 4.4 Schwingungsantwort, Einfgungsdmm-Ma Die Schwingungsantwort bei der jeweiligen Oberbauform (untersuchter Oberbau und Referenzoberbau) ist die berechnete Kraft auf das im Ersatzsystem verwendete untere Teilsystem (siehe Bild 1) oder die Schwing-geschwindigkeit an diesem unteren Teilsystem i

46、n Terzpegel-Darstellung. Die Differenz zwischen den Terz-pegelspektren bei den beiden Oberbauformen ist das Einfgungsdmm-Ma. Das Einfgungsdmm-Ma ist also eine relative Gre, die die zustzliche Wirkung eines eingefgten elasti-schen Elements in einer gegebenen Situation von Fahrzeug, Oberbau und Unterb

47、au beschreibt. 4.5 Linearisierung Elastische Elemente zeigen im Allgemeinen stark nichtlineare Eigenschaften. Da im Folgenden nur lineare Ersatzsysteme behandelt werden, ist eine Linearisierung der Steifigkeits- und Dmpfungskennlinien der elastischen Elemente erforderlich. Diese Linearisierung muss

48、im Arbeitspunkt erfolgen, d. h. fr die statische Dauerlast oder statische Maximallast. Eine weitere Linearisierung bzgl. der Abhngigkeit der Steifigkeit von der Gre der Schwingungsamplituden, die ihre Ursache auch in Nichtlinearitten hat, erfolgt nicht und ist auch nicht erforderlich, wie dies aus m

49、esstechnischen Untersuchungen hervorgeht. 5 Rechnerische Abschtzung des Einfgungsdmm-Maes mittels verschiedener Ersatzsysteme und Beschreibungsformen 5.1 Bildung eines Ersatzsystems 5.1.1 Allgemeines Die meisten Komponenten nach 4.2 sowie die elastischen Elemente des Oberbaus sind kontinuierliche Sys-teme und mssten deshalb generel