EP1869254B1 - Fahrzeugbrücke mit schwingungs- und körperschalldämpfung - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Fahrzeugbrücke mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
• Die Erfindung schlägt eine Lösung zur Dämpfung von Schwingungen und Körperschall vor, 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 F_z 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 F_x 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

F_x

horizontale Kraft

F_z

vertikale Kraft

L₀

Höhe der entlasteten Feder

L

Höher der Feder nach Stauchung durch vertikale Krafteinwirkung

Claims (9)

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 körperschallmindernden Brückenlager (2, 2') durch Schraubendruckfeldern (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 körperschallmindernden Brückenlager (2, 2') durch zylinderförmige Schraubendruckfedern (4, 4', 5, 5') gebildet sind.
5. Fahrzeugbrücke nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die körperschallmindernden Brückenlager (2, 2) durch Tonnenfedern gebildet sind.
6. Fahrzeugbrücke nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die körperschallmindernden 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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