EP1869254A1 - Fahrzeugbrücke mit schwingungs- und körperschalldämpfung - Google Patents

Fahrzeugbrücke mit schwingungs- und körperschalldämpfung

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EP1869254A1
EP1869254A1 EP06722817A EP06722817A EP1869254A1 EP 1869254 A1 EP1869254 A1 EP 1869254A1 EP 06722817 A EP06722817 A EP 06722817A EP 06722817 A EP06722817 A EP 06722817A EP 1869254 A1 EP1869254 A1 EP 1869254A1
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EP
European Patent Office
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bridge
bearings
springs
borne noise
vehicle
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EP06722817A
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EP1869254B1 (de
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Gerson Lupatelli
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Gerb Schwingungsisolierungen GmbH and Co KG
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Gerb Schwingungsisolierungen GmbH and Co KG
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Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E01—CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
    • E01D—CONSTRUCTION OF BRIDGES, ELEVATED ROADWAYS OR VIADUCTS; ASSEMBLY OF BRIDGES
    • E01D19/00—Structural or constructional details of bridges
    • E01D19/04—Bearings; Hinges
    • E01D19/042—Mechanical bearings

Definitions

  • the invention relates to a solution for damping vibrations and structure-borne noise, which occur at vehicle bridges when driving on vehicles. It preferably relates to the damping of vibrations and structure-borne sound at railway bridges, but without being limited thereto.
  • bridges In the vicinity of track systems, and in particular on bridges, occurs when driving on track vehicles on a significant vibration and noise pollution transmitted through the track body to the ground vibrations and structure-borne sound.
  • the increased vibration load on bridges is due to their storage.
  • Bridges, and so also railway bridges are stored in the prior art usually by means of elastomeric bearings.
  • the actual task of the bridge bearings is to allow horizontal movements of the bridge carriageway, as they occur as a result of temperature fluctuations.
  • the provided for this purpose on the bridges elastomeric bearings are therefore characterized by the fact that they are very elastic horizontally. On the other hand, however, they have a high rigidity in the vertical direction by design.
  • such measures include, especially in railway bridges to dampen from the infrastructure, so in this case the transmitted from the tracks to the substructure of the bridge vibrations and thus the structure-borne sound.
  • railway tracks are mounted on vertically elastic bearings or supported by spring-mass systems.
  • the object of the invention is therefore to provide a solution which makes it possible to effectively dampen vibrations and structure-borne sound on bridges while reducing the structural complexity and cost compared to previously known solutions.
  • the object is achieved by a vehicle bridge with the features of the main claim.
  • Advantageous embodiments or further developments of the invention are given by the subclaims.
  • the stated object is achieved in that the existing essentially of a substructure, bridge piers, bridge bearings and a supporting structure vehicle bridge has modified bridge bearings, which are in the form of one or more both horizontally, as well as vertically elastic steel springs.
  • These bridge bearings like conventionally designed bridge bearings, act elastically against horizontal movements or displacements of the bridge supporting body, but moreover, due to their vertical elasticity, simultaneously damp the vibrations occurring during the passage of the bridge and essentially transmitted to the substructure, including structure-borne noise.
  • the inventive concept is therefore to use in the construction of bridges, in particular of bridges for vehicular traffic, bridge bearings, which in addition to the required high horizontal elasticity to allow temperature-induced deformation of the bridge also have a high vertical elasticity.
  • steel springs made of hot-formed spring steel which have a high vertical elasticity, are also well suited for the realization of bridging bearings, that is, with appropriate design, also have a sufficient for use as bridge bearings horizontal elasticity.
  • the use of steel springs for bridge storage it is possible, instead of the otherwise necessary to meet both requirements (allowing horizontal movements of the bridge structure on the one hand and vibration reduction or sound attenuation on the other hand) multi-elastic storage by a simple-elastic storage of the bridge structure and the requirements of the vibration - And to meet body sound attenuation.
  • helical compression springs In experiments and modeling helical compression springs have been found to be particularly suitable for the formation of modified bridge bearings proved.
  • shape and dimensioning of the helical compression springs used to realize the simple-elastic bearing depend on the particular application. However, it has been found that these should have a wire diameter of more than 5 mm and a spring diameter of over 50 mm with a number of turns of 4 or more.
  • barrel springs In addition to ordinary cylindrical helical compression springs barrel springs, funnel springs, truncated cones or feathers of similar geometric shape can be used.
  • the object of the invention is, as emphasized, preferably achieved by the use of helical compression springs.
  • leaf springs In principle, it is also possible to use leaf springs, torsion springs or other springs made of steel, provided that they are designed so that they have both the required horizontal and vertical elasticity.
  • inventive principle of the modification of bridge bearings and their training by steel springs is of course fundamentally applicable to bridges of any kind, but is, according to the title of the invention, advantageous in terms of the occurrence of significant vibrations, especially in vehicle bridges.
  • Fig. 1 A section of a bridge formed according to the invention in a schematic representation
  • Fig. 2 Schematically a helical compression spring used to solve the problem in a sectional view with a longitudinally guided by the spring section.
  • Fig. 1 shows a portion of a designed according to the invention vehicle bridge with its essential elements in a schematic representation.
  • a bridge pier 1 is shown, on which rest parts of the structure 3, 3 'of the bridge.
  • the bridge pier 1 itself rests on a substructure, not shown here.
  • the parts of the shown in the figure Structure 3, 3 ' are based, in a conventional manner, on bridge bearings 2, 2' on the bridge pier 1 from.
  • the structures 6 are arranged for the routes, which are, for example, track systems of the railway, which are bounded on both sides of the route by a railing or a screen.
  • the bridge bearings 2, 2 have, as is known, a horizontal elasticity, by means of which horizontal movements of the bridge carriageway or the supporting structure 3, 3 ', which occur in particular as a result of temperature changes, are made possible.
  • the bridge bearings 2, 2 ' are not elastomeric bearings. Rather, the bridge bearings according to the invention by a plurality, in the example shown, cylindrical helical compression springs 4, 4 ', 5, 5' are formed, which in addition to the required horizontal elasticity also have a high vertical elasticity.
  • helical compression springs 4, 4 ', 5, 5' are used as bridge bearings 2, 2 '.
  • 2 shows the schematic representation of a corresponding helical compression spring 4 used to solve the problem as part of a bridge bearing 2, 2 '.
  • This is a helical compression spring 4 made of hot-formed spring steel, in the example of FIG. 10 Turns.
  • the bridge bearings 2, 2 'according to FIG. 1 each consist of a group of corresponding helical compression springs 4, 4', 5, 5 '.
  • Such a spring 4 has a high vertical elasticity.
  • the vertically acting force F z illustrates that force which is registered when driving through the bridge of the vehicles and is connected to a transmission of vibrations and structure-borne noise to the ground.
  • the force F x denotes a horizontal force, as it acts, for example, by temperature fluctuations on the bridge bearing 2, 2 ', x designates the caused by this force travel transverse to the spring axis.

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Description

Fahrzeugbrücke mit Schwingungs- und Körperschalldämpfung
Die Erfindung betrifft eine Lösung zur Dämpfung von Schwingungen und Körperschall, welche an Fahrzeugbrücken bei deren Befahren mit Fahrzeugen auftreten. Sie bezieht sich vorzugsweise auf die Dämpfung von Schwingungen und Körperschall an Eisenbahnbrücken, ohne jedoch hierauf beschränkt zu sein.
Da der Begriff der Schwingungen im Grunde auch den Körperschall umfasst, beziehen sich die nachfolgenden Darstellungen zum Dämpfungsverhalten einer erfindungsgemäß ausgebildeten Brücke auch dann, wenn nur von Schwingungen die Rede ist, stets auch auf den Körperschall.
In der Umgebung von Gleisanlagen, und hier insbesondere an Brücken, tritt beim Befahren mit Gleisfahrzeugen eine erhebliche Schwingungs- und Lärmbelastung durch über den Gleiskörper auf den Untergrund übertragene Schwingungen und Körperschall auf. Dabei ist die verstärkte Schwingungsbelastung an Brücken unter anderem auch auf deren Lagerung zurückzuführen. Brücken, und so auch Eisenbahnbrücken, werden nach dem Stand der Technik in der Regel mittels elastomerer Lager gelagert. Die eigentliche Aufgabe der Brückenlager besteht dabei darin, horizontale Bewegungen der Brückenfahrbahn, wie sie infolge von Temperaturschwankungen auftreten, zu ermöglichen. Die zu diesem Zweck an den Brücken vorgesehenen Elastomerlager zeichnen sich daher dadurch aus, dass sie horizontal sehr elastisch sind. Andererseits weisen sie jedoch in vertikaler Richtung konstruktionsbedingt eine hohe Steifigkeit auf. Wegen der hohen vertikalen Steifigkeit sind aber Elastomerlager nicht geeignet, die von Kraftfahrzeugen auf die Brückenfahrbahn übertragenen Schwingungen zu isolieren. Die Schwingungen werden im Gegenteil aufgrund der hohen Steifigkeit der Lager nahezu vollständig ungedämpft über das Tragwerk und die Stützkonstruktion auf den Untergrund beziehungsweise den Unterbau übertragen und, je nach Frequenz, teilweise sogar noch deutlich verstärkt. Der auf diese Weise erzeugte Körperschall wird in der Umgebung von Brücken als Lärmbelästigung empfunden. Insbesondere in Ballungszentren und Städten müssen daher, nicht zuletzt auch aufgrund umweltpolitischer Vorgaben gesonderte Maßnahmen zur Dämpfung der Schwingungen und des Körperschalls an Brücken ergriffen werden. Nach dem Stand der Technik bestehen derartige Maßnahmen darin, insbesondere bei Bahnbrücken, den vom Fahrweg, also in diesem Falle die von den Gleisen, auf die Unterkonstruktion der Brücke übertragenen Schwingungen und somit auch den Körperschall zu dämpfen. Zu diesem Zweck werden beispielsweise Bahngleise auf vertikal elastischen Lagern gelagert oder durch Feder-Masse- Systeme unterstützt. Ein Beispiel für die elastische Lagerung von Gleisen auf dem Untergrund ist das auch im Bereich von Brücken eingesetzte so genannte „Kölner Ei". Andere Maßnahmen beziehen sich darauf, die Gleise in Wannen aus schwingungs- und schalldämpfenden Materialien zu verlegen, wie dies beispielsweise durch die die DE 196 28 529 A1 oder die EP 0771 908 B1 offenbart wird, oder, wie in der DE 37 37 567 A1 beschrieben, zumindest zwischen den Gleisen und gegebenenfalls auch neben ihnen lärmdämmende Matten zu verlegen. Dies führt zwar durchaus zu einer deutlichen Schwingungsminderung und/oder Lärmdämpfung, allerdings ergibt sich hierdurch ein sehr aufwändiger und kostenintensiver Gleisunterbau. Gleichwohl sind diese beziehungsweise vergleichbare Maßnahmen erforderlich. Insbesondere im Bereich der Brücken wirken sich jedoch die bisher bekannten Maßnahmen nachteilig auf die Kilometerkosten aus, da der Fahrweg hier insoweit mehrfach elastisch - nämlich einmal im Bereich der Brückenlager und zum anderen zwischen Gleiskörper und Brückenunterkonstruktion beziehungsweise Brückentragwerk - gelagert ist.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Lösung bereitzustellen, welche es ermöglicht, Schwingungen und Körperschall an Brücken wirksam zu dämpfen und dabei den baulichen Aufwand und den Kostenaufwand gegenüber bisher bekannten Lösungen zu senken. Die Aufgabe wird durch eine Fahrzeugbrücke mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Aus- beziehungsweise Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gegeben.
Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass die im Wesentlichen aus einem Unterbau, Brückenpfeilern, Brückenlagern und einem Tragwerk bestehende Fahrzeugbrücke modifizierte Brückenlager aufweist, welche in Form einer oder mehrerer sowohl horizontal, als auch vertikal elastischer Stahlfedern ausgebildet sind. Diese Brückenlager, wirken wie herkömmlich gestaltete Brückenlager elastisch gegenüber horizontalen Bewegungen beziehungsweise Verschiebungen des Brückentragkörpers, dämpfen aber darüber hinaus aufgrund ihrer vertikalen Elastizität gleichzeitig die beim Befahren der Brücke auftretenden und im Wesentlichen auf den Unterbau übertragenen Schwingungen, einschließlich des Körperschalls. Der Erfindungsgedanke liegt also darin, bei der Errichtung von Brücken, insbesondere von Brücken für den Fahrzeugverkehr, Brückenlager zu verwenden, welche neben der erforderlichen hohen horizontalen Elastizität zur Ermöglichung temperaturbedingter Verformungen der Brücke auch eine hohe vertikale Elastizität aufweisen. Überraschenderweise hat es sich gezeigt, dass Stahlfedern aus warmgeformtem Federstahl, welche eine hohe vertikale Elastizität aufweisen, auch zur Realisierung von Brücklagern gut geeignet sind, das heißt, bei entsprechender Auslegung, auch eine für die Verwendung als Brückenlager ausreichend große horizontale Elastizität aufweisen. Durch den Einsatz von Stahlfedern zur Brückenlagerung ist es möglich, anstelle der sonst zur Erfüllung beider Erfordernisse (Ermöglichen horizontaler Bewegungen des Brückentragwerks einerseits sowie Schwingungsminderung beziehungsweise Schalldämpfung andererseits) notwendigen mehrfach-elastischen Lagerung durch eine einfach-elastische Lagerung ausschließlich des Brückentragwerks auch den Erfordernissen der Schwingungs- und Körperschalldämpfung gerecht zu werden.
In Versuchen und Modellierungen haben sich Schraubendruckfedern als besonders geeignet zur Ausbildung entsprechend modifizierter Brückenlager erwiesen. Form und Dimensionierung der zur Realisierung der einfachelastischen Lagerung verwendeten Schraubendruckfedern hängen selbstverständlich vom jeweiligen Einsatzfall ab. Jedoch hat es sich gezeigt, dass diese einen Drahtdurchmesser von mehr als 5 mm und einen Federdurchmesser von über 50 mm bei einer Windungszahl von 4 oder mehr aufweisen sollten. Neben gewöhnlichen zylindrischen Schraubendruckfedern können dabei auch Tonnenfedern, Trichterfedern, Kegelstumpffedern oder Federn ähnlicher geometrischer Form zum Einsatz gelangen. Die erfindungsgemäße Aufgabe wird, wie betont, vorzugsweise durch den Einsatz von Schraubendruckfedern gelöst. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, Blattfedern, Torsionsfedern oder andere aus Stahl gefertigte Federn zu verwenden, sofern diese so ausgebildet sind, dass sie sowohl die erforderliche horizontale als auch die vertikale Elastizität aufweisen. Das erfinderische Prinzip der Modifizierung von Brückenlagern und ihrer Ausbildung durch Stahlfedern ist selbstverständlich grundsätzlich bei Brücken jeglicher Art anwendbar, ist aber, gemäß dem Titel der Erfindung, hinsichtlich des Auftretens nennenswerter Schwingungen vor allem bei Fahrzeugbrücken vorteilhaft.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels nochmals erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen
Fig. 1 : Einen Abschnitt einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Brücke in einer schematischen Darstellung
Fig. 2: Schematisch eine zur Lösung der Aufgabe verwendete Schraubendruckfeder in einer Schnittdarstellung mit einem längs durch die Feder geführten Schnitt.
Die Fig. 1 zeigt einen Abschnitt einer gemäß der Erfindung gestalteten Fahrzeugbrücke mit ihren wesentlichen Elementen in einer schematischen Darstellung. In der Figur ist ein Brückenpfeiler 1 dargestellt, auf welchem Teile des Tragwerks 3, 3' der Brücke ruhen. Der Brückenpfeiler 1 selbst ruht auf einem hier nicht dargestellten Unterbau. Die in der Figur gezeigten Teile des Tragwerks 3, 3' stützen sich, in an sich bekannter Weise, über Brückenlager 2, 2' auf dem Brückenpfeiler 1 ab. Oberhalb des Tragwerks 3, 3' sind die Aufbauten 6 für die Fahrwege angeordnet, bei denen es sich beispielsweise um Gleisanlagen der Bahn handelt, welche beidseits der Fahrstrecke durch ein Geländer beziehungsweise eine Sichtblende begrenzt sind.
Die Brückenlager 2, 2 weisen, wie bekannt, eine horizontale Elastizität auf, durch welche Horizontalbewegungen der Brückenfahrbahn beziehungsweise des Tragwerks 3, 3', welche insbesondere infolge von Temperaturänderungen auftreten, ermöglicht werden. Anders, als aus dem Stand der Technik bekannt, handelt es sich jedoch bei den Brückenlagern 2, 2' nicht um Elastomerlager. Vielmehr sind die Brückenlager gemäß der Erfindung durch mehrere, im gezeigten Beispiel zylinderförmige Schraubendruckfedern 4, 4', 5, 5' ausgebildet, welche neben der erforderlichen horizontalen Elastizität auch eine hohe vertikale Elastizität aufweisen. Durch die vertikale Elastizität der solchermaßen modifizierten Brückenlager 2, 2' werden die beim Befahren der Brücke verursachten Schwingungen, einschließlich des Körperschalls, welche über das Tragwerk 3, 3' und die Brückenpfeiler 1 in den Unterbau abgeleitet werden, in vorteilhafter weise gedämpft. Daher ist es nicht erforderlich, im Bereich zwischen dem Tragwerk 3, 3' und dem Fahrwegaufbau gesonderte Mittel zur Schwingungs- und Schalldämpfung anzuordnen. Anstelle einer mehrfach-elastischen Lagerung, mit Brückenlagern zur Ermöglichung horizontaler Bewegungen einerseits und mit speziellen Lagern (beispielsweise „Kölner Ei" für Eisenbahnstrecken) zur Schwingungs- und Schalldämpfung andererseits, tritt somit die ausschließliche Lagerung über die gegenüber dem Stand der Technik modifizierten Brückenlager 2, 2'. Hierdurch verringern sich der bauliche Aufwand und im Ergebnis die Kosten für den Brückenbau.
Bei dem in der Fig. 1 gezeigten Beispiel werden, wie bereits erwähnt und in der schematischen Darstellung angedeutet, Schraubendruckfedern 4, 4', 5, 5' als Brückenlager 2, 2' eingesetzt. Die Fig. 2 zeigt die schematische Darstellung einer entsprechenden zur Lösung der Aufgabe als Teil eines Brückenlagers 2, 2' verwendeten Schraubendruckfeder 4. Es handelt sich hierbei um eine Schraubendruckfeder 4 aus warmgeformtem Federstahl mit, im Beispiel, 10 Windungen. Die Brückenlager 2, 2' gemäß Fig. 1 bestehen, wie erkennbar, jeweils aus einer Gruppe entsprechender Schraubendruckfedern 4, 4', 5, 5'. Eine solche Feder 4 weist eine hohe vertikale Elastizität auf. Aufgrund dieser vertikalen Elastizität ergibt sich beim Einsatz der Feder 4 als Brückenlager 2, 2' deren dämpfende Wirkung in Bezug auf Schwingungen und den Körperschall, die von Fahrzeugen verursacht werden, welche die Brücke befahren. Durch die Dimensionierung mit der entsprechenden Anzahl von Windungen und einer Materialstärke beziehungsweise einem Drahtdurchmesser d von mindestens 5 mm ergibt sich eine Federhöhe L0, welche sich, wie aus der Figur ersichtlich, unter Last um z auf die Federhöhe L verringert und eine horizontale Elastizität der Feder 4 bewirkt, durch die, vergleichbar mit den bisher verwendeten Elastomerlagern, auch eine horizontale Bewegung des Brückentragkörpers ermöglicht wird. Die jeweiligen auf die Feder 4 wirkenden Kräfte sind in der Figur angetragen, wobei die vertikal einwirkende Kraft Fz diejenige Kraft verdeutlicht, die beim Befahren der Brücke durch die Fahrzeuge eingetragen wird und mit einer Übertragung von Schwingungen und Körperschall auf den Untergrund verbunden ist. Hingegen bezeichnet die Kraft Fx eine horizontale Kraft, wie sie beispielsweise durch Temperaturschwankungen auf das Brückenlager 2, 2' einwirkt, x bezeichnet dabei den durch diese Kraft hervorgerufenen Federweg quer zur Federachse.
Liste der verwendeten Bezugszeichen
1 Brückenpfeiler 2, 2' Brückenlager
3, 3' Brückentragwerk
4, 4' Feder, z. B. Schraubendruckfeder
5, 5' Feder, z. B. Schraubendruckfeder 6 Aufbauten für Fahrweg d Durchmesser des Federdrahtes x horizontale Verschiebung z vertikale Stauchung der Feder
Fx horizontale Kraft
Fz vertikale Kraft L0 Höhe der entlasteten Feder
L Höher der Feder nach Stauchung durch vertikale Krafteinwirkung

Claims

Patentansprüche
1. Fahrzeugbrücke, mit Unterbau, Brückenpfeilern (1), Brückenlagern (2, 2') und einem Tragwerk (3, 3'), welche mit Mitteln zur Dämpfung des beim
Befahren der Brücke auftretenden Körperschalls ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Mitteln zur Körperschalldämpfung um modifizierte Brückenlager (2, 2') handelt, wobei diese in Form einer oder mehrerer sowohl horizontal, als auch vertikal elastischer Stahlfedern (4, 4', 5, 5') ausgebildet sind.
2. Fahrzeugbrücke nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die körperschallmindemden Brückenlager (2, 2') durch Schraubendruckfedern (4, 4', 5, 5') aus warmgeformten Federstahl gebildet sind.
3. Fahrzeugbrücke nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubendruckfedern (4, 4', 5, 5') aus Federstahl mit einem Drahtdurchmesser von wenigstens 5 mm bestehen und einen minimalen Federdurchmesser von 50 mm sowie mindestens 4 Windungen aufweisen.
4. Fahrzeugbrücke nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die körperschallmindemden Brückenlager (2, 2') durch zylinderförmige Schraubendruckfedern (4, 4', 5, 5') gebildet sind.
5. Fahrzeugbrücke nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die körperschallmindemden Brückenlager (2, 2) durch Tonnenfedern gebildet sind.
6. Fahrzeugbrücke nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die körperschallmindemden Brückenlager (2, 2') durch Trichterfedern gebildet sind.
7. Fahrzeugbrücke nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die körperschallmindernden Brückenlager (2, 2') durch Kegelstumpffedern gebildet sind.
8. Fahrzeugbrücke nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die körperschallmindernden Brückenlager (2, 2) durch aus Stahl gefertigte Torsionsfedern gebildet sind.
9. Fahrzeugbrücke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die körperschallmindernden Brückenlager (2, 2') durch aus Stahl gefertigte
Blattfedern gebildet sind.
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