Wirtschaftliche Lösungen für Erschütterungsschutz ... - imb-dynamik

dynamik 

imb -dynamik • Schienenverkehrswege – Baudynamik – Strukturdynamik • D-82266-Inning • www.imb-dynamik.de V177591 

Ing.-Büro Dr.-Ing. Müller-Boruttau 

Beratende Ingenieure BYIK 

§26 BImSchG-Messstelle 

Wirtschaftliche Lösungen für 

Erschütterungsschutz und 

verringerte Gleisbeanspruchung 

Dr.-Ing. Frank H. Müller-Boruttau 

imb-dynamik 

Ingenieurbüro Dr. Müller-Boruttau 

imb-dynamik@t-online.de 

www.imb-dynamik.de 

Verwendungsprüfungsseminar 

Eisenbahnbundesamt 

Bonn, 23.8. – 25.8.2005 

Anerkannte Sachverständige für Baudynamik, 

Eisenbahnoberbau und Strukturdynamik 

D-82266 Inning-Buch (bei München) 

Breitbrunner Straße 5 

tel +49-8143-6313 fax +49-8143-8767 

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Wirtschaftliche Lösungen für Erschütterungsschutz und verringerte Gleisbeanspruchung Beratende Ingenieure BYIK 


dynamik Oberbau 

• Beratung und Bemessung Oberbau für Hochgeschwindigkeit 

• Intelligent Track Superstructure InTraSs, Erschütterungsschutz 

• Beratung bei der Auswahl von elastischen Elementen im Gleis 

• Gleisdynamische Berechnungen und Messungen 

• Beratung bei der Auswahl von Oberbauformen 

• Rad-Schiene-Kraft-Messung mit Laserwaage 

• Oberbau - Unterbau - Zusammenwirken 

• Baudynamische Beratung 

Oberbau 

Dynamik 


Schiene 

Schwelle 

POK 

-2,0 

-3,5 

-5,0 

Schiene 

Schwelle 

POK 

-2,0 

-3,5 

-5,0 

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Zur Person 

� Dr.-Ing. Frank H. Müller-Boruttau 

� Sachverständiger des Eisenbahnbundesamtes für Oberbau, Tätigkeitsbereich 

Elastische Komponenten, Emissionsschutz, Körper- und Luftschall 

� Öffentlich bestellter und vereidigter Sachverständiger für Baudynamik 

� Mitglied im Normenausschuss NALS C15, Schwingungsminderung an 

Schienenverkehrswegen 

� Über 25 Jahre Berufserfahrung als Baudynamiker 


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1 Das rollende Rad als Erschütterungsquelle 

1.1 Übersicht über Kapitel 1 

� Was sind Erschütterungen / Körperschall 

� Warum und wie entstehen Erschütterungen durch das rollende Rad (unrunde / 

unwichtige Räder, Inhomogenitäten des Gleises) 

� Was sind die Haupteinflüsse auf die Entstehung von Erschütterungen 

� Relevante Frequenzbereiche 


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1.2 Was sind Erschütterungen / Körperschall 

Erschütterungsquelle � Übertragung � Einwirkungsort 

Emission � Transmission � Imission 

� Erschütterungen 

� meist synonym für Schwingungen verwendet. „Erschütterungen“ deutet mehr 

den nicht stationären (gleichbleibenden) = transienten (vorübergehenden, 

veränderlichen) Charakter an, während „Schwingung“ eher für einen stationären 

Zustand verwendet wird 

� Körperschall 

� Erschütterungen / Schwingungen, die über ein festes (Boden, Gebäude) oder 

flüssiges (Grundwasser) Medium übertragen werden 

� Siehe auch: Kleines Lexikon (am Ende dieser Dokumentation) 


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1.3 Warum und wie entstehen Erschütterungen durch das rollende Rad 

Was sind die Haupteinflüsse auf die Entstehung von Erschütterungen 


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Zusammenhang Wellenlänge - Fahrgeschwindigkeit - Frequenz 

1.4 Relevante 0,001 

Frequenzbereiche 

der Emission 

(Quelle) 

Wellenlänge der Störung [m] (Skalierung beachten) 

0,010 

0,100 

1,000 

10,000 

100,000 

1,0 

kurze Riffel 

lange Riffel, Schlupfwellen 

niederfrequent 

Riffel-Oberwellen 

10 

ca. 

40 Hz 

1. Radunrdh. (Umfang) 

mittelfrequent 

100 

Schwellenabstand 

2. Radunrdh. 

ca. 

400 Hz 

1000 

3. Radu. 

Frequenz 

[Hz] 

4. Radu. 

Achsabstand eng 

Achsabstand weit 

Drehgestellabstand 

Wagenlänge 

hochfrequent 

10k 

50 km/h 

100 km/h 

150 km/h 

200 km/h 

250 km/h 

300 km/h 

350 km/h 

0,01 m 

0,04 m 

0,1 m 

0,6 m 

0,65 m 

0,75 m 

1 m 

1,5 m 

2,5 m 

3 m 

3,2 m 

7,5 m 

26,4 m

1.5 Relevante 

Frequenzbereiche 

der Immission 

(Einwirkungsort)





2 Übertragung im Boden (Transmission) und 

im Gebäude (Immission) 

2.1 Prinzip 

Emission 

verringern durch 

elastische Lagerung, 

Schwingungsisolierung 

Transmission 

Zug verringern durch 

isolierende Schichten, 

Störkörper 

Erschütterungen 


Immission 

verringern durch 

a) elastische Lagerung 

b) Schwingungstilgung 

OG 

EG 

KG 

Gleis oberirdisch oder 

Tunnel (analog) 

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2.2 Eintritt in Gebäude, Ausbreitung im Gebäude 

Immission infolge von Körperschall: 

Erschütterung UND sekundärer Luftschall 

� Fahrender Zug erzeugt Erschütterungen 

� Diese breiten sich im Boden aus 

� Treten über das Fundament und die Kelleraußenwände in ein Nachbargebäude ein 

� Breiten sich im Gebäude aus 

� Wände und Decken geraten in Schwingungen 

� Daraus ergeben sich ZWEI Einwirkungen auf Menschen in Gebäuden: 

� Fühlbare Schwingungen der Decken und Fußböden 

� So genannter Sekundärer Luftschall: 

� Raumbegrenzungsflächen (Fußboden, Decke, Wände), die Körperschall führen (also 

erschüttert werden) können wie Lautsprechermembranen Luftschall abstrahlen 

� Wir reden hier NICHT von dem über die Luft direkt übertragenen (Primären) Luftschall!! 


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2.3 Auswirkungen auf die Nachbarschaft 

� Auf die Anwohnerschaft 

� Menschen werden durch die Erschütterungen gestört 

� Menschen werden durch den Sekundären Luftschall gestört 

� Auf die Gebäude 

� Gebäude können durch die einwirkenden Erschütterungen geschädigt 

werden (Trifft nur in Extremfällen zu: Altbau mit vorgeschädigter 

Bausubstanz, Extreme Nähe zum Gleis und dergl., in Regel ist das kein 

Thema) 

� Auf technische Anlagen und Einrichtungen 

� Erschütterungsempfindliche technische Anlagen s. nächste Folie 


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2.4 Erschütterungsempfindliche technische Anlagen 1 

Chipfertigung extrem erschütterungsempfindlich, große Entfernungen zu 

Scheienverkehrswegen erforderlich 

CNC-Messmaschinen je höher die Messgenauigkeit, desto höher die Ansprüche an 

Erschütterungsfreiheit 

Roboter bei groben Arbeiten geringe Erschütterungsempfindlichkeit, höchste 

Anforderungen bei cosmetic sealing (sauber gezogene Bahnen 

erwünscht) 

CNC-Fräsmaschinen, CNC- 

Bearbeitungszentren 

Laser- 

Schneid/Schweißanlagen 

Feinanalysegeräte, REM 

(Rasterelektronenmikroskop 

e), Waagen, Feinstmessraum 

/ Feinmessraum 

insb. moderne Maschinen sind teilweise sehr empfindlich, Werkzeuge 

werden in ein und derselben Maschinen endfertig bearbeitet, hohe 

Oberflächenqualitäten gefordert 

vgl. oben CNC-Fräsmaschinen, CNC-Bearbeitungszentren 

je genauer das Messgerät, desto höher die Anforderungen. Teilweise 

haben hochempfindliche Geräte bereits eine eigene elastische 

Lagerung. 


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2.4 Erschütterungsempfindliche technische Anlagen 2 

Rechenzentren Einzige empfindliche Geräte sind Plattenspeicher, vor allem 

ältere Geräte. Bei modernen Geräten sind die Platten so klein 

und drehen sich so schnell, dass man sie im Betrieb quasi „an 

die Wand werfen“ kann und sie funktionieren trotzdem weiter 

Glasfaserkabel Besonders empfindlich: Stoßstellen, Muffen, Verbindungen. 

Wenn die Kabel selbst gut gesichert sind und nicht in 

Resonanzschwingungen geraten können, ertragen sie selbst 

Spundwandrütteln in nächster Nähe. 

NICHT empfindlich: 

übliche 

Arbeitsplatzrechner PC, 

selbst mit externen 

Plattenspeichern 

Werden von den Schwingungen, die Menschen an 

Arbeitsplätzen zugemutet werden können, NICHT gefährdet 


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3 Auswirkungen des Erschütterungseintrags in 

das Gleis selbst 

3.1 Einwirkende Kräfte: deterministisch und stochastisch 

� Grundsätzlich: Höhere Kräfte und höhere Dynamik schaden dem Gleis und erhöhen den 

Verschleiss 

� Auf den Oberbau wirken zwei Arten von Kräften ein: 

� Deterministische Kräfte (heißen auch oft quasistatische Kräfte), die vom Zuggewicht 

herrühren und für alle Fahrzeuge einer Fahrzeuggattung praktisch gleich sind. Die 

Einwirkungen werden von der Fahrzeuggeometrie und der Fahrgeschwindigkeit 

bestimmt und sind – wenn man diese Größen kennt) eindeutig berechenbar. 

� Bei geringer Fahrgeschwindigkeit wirken praktisch nur die deterministischen Kräfte 

� Die deterministischen Kräfte nehmen NICHT mit der Fahrgeschwindigkeit zu. 

� Stochastische Kräfte (heißen oft auch dynamische Kräfte) die von zufällig verteilten 

Größen stammen: s. nächste Seite 

� Bei höheren Fahrgeschwindigkeiten werden die stochastischen Kräfte immer größer 


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3.2 Einflüsse auf die Krafteinwirkungen auf das Gleis 

Geringe Fahrgeschwindigkeit: 

statische Betrachtung mit Zimmermann-Formeln 

ausreichend 

(quasi-)statische 

Deformationen 

bzw. Kräfte 

Hohe Fahrgeschwindigkeit: 

dynamische Betrachtung 

erforderlich 

dynamische 

Deformationen 

bzw. Kräfte 

= Funktion 

= Funktion 

Fahrzeugdynamik 

Radunrundheiten 

Radlast 

Biegesteifigkeit 


dyn. Befestigungseigenschaften 

Schwellenmasse 


Biegesteifigkeit 

Schwellenfläche 


Bettungsmodul 

Radlast 

Schwellenfläche 

Besohlung 

Hohllagen 

dyn. Schottereigenschaften 

dyn. Planumseigenschaften 

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1·10 1 

1·10 0 

1·10 -1 




3.3 Veranschaulichung anhand der frequenzmäßigen Zusammensetzung 

� Oberbauschwingungen (Schwingschnelle der Schwelle, Schotteroberbau) 

deterministisch 

4 5 6.3 8 10 12.5 16 20 25 31.5 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1 

4 8 16 31.5 63 125 250 500 1 

Hz 

Frequenz [Hz = cyc/s] 

stochastisch 

neue Züge 

ein Jahr (!!) alte 

Züge mit starken 

Radunrundheiten 


Der Unterschied in der Stärke der 

Erschütterungseinwirkung auf die 

Anwohner beträgt rund Faktor 10, 

der sekundäre Luftschall ist um 

rund 

20 dB lauter 

Dass sich die Züge nur hinsichtlich der 

Radunrundheiten unterscheiden, 

erkennt man daran, dass in den 

Frequenzen unter 16 Hz und über 500 

Hz die einzelnen Zugfahrten praktisch 

nicht mehr unterscheiden. Die 

Streuungen von Fahrt zu Fahrt im 

deterministischen sind auf rund 10 % 

streuende Geschwindigkeiten 

zurückzuführen. 

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3.4 Warum man die Frequenz beachten muss zB hinsichtlich der 

Krafteinwirkung auf Ober- und Unterbau 

� Kraft mit niedriger Frequenz, zB 10 Hz (Drehgestellfolge) 

� Wirkt quasistatisch auf den Oberbau und Unterbau ein 

� Kraft mit mittlerer Frequenz, zB 50 Hz (Radunrundheiten) 

� Kann sich durch Resonanzeffekte (zB in der Radsatz-Oberbau-Frequenz) 

vervielfachen! 

� Kraft mit hoher Frequenz zB 1000 Hz (Schienenriffel) 

� Wirkt durch die Trägheitskräfte von Schiene und Schwelle praktisch nicht 

mehr auf den Oberbau ein 

� D.h. dass sich Kräfte gleicher Größe je nach Frequenz sehr unterschiedlich 

auswirken können 

� WICHTIG: auch Emissionsschutzmaßnahmen wirken sich je nach Frequenz 

völlig unterschiedlich aus!! 


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kN 

200 

150 

100 




3.5 Beanspruchungen von Oberbau, Unterbau (schlechtes Beispiel) 

50 

0 

-50 

Druckkraft [kN] im 

Schotter unter 

einem Stützpunkt 

Achse 

Dieses unrunde Rad hat eine dynamische Lasteinwirkung von 500 % 

der statischen Lasteinwirkung. Seine Schädigungswirkung entspricht 

200 bis 1000 runden Rädern (je nach Schädigungsansatz) 


unrundes 

Rad 

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4 Möglichkeiten der Emissionsverringerung am 

Fahrzeug (nur Prinzip) 1 

� Runde Räder, also Flachstellen und Polygone vermeiden 

� Stichwort Besonders überwachte Flotte: Bei Vollbahnen gibt es das 

„besonders überwachte Gleis“. Dieses wird ständig auf Verriffelung 

überwacht, und ggf. schnell wieder geschliffen. Damit ist ein „Schallbonus“ 

verbunden. Auf diese Weise kann man in besonders teuren Fällen 

Schallschutzmaßnahmen entfallen lassen. Analog müsste auch eine Flotte 

mit besonders überwachten, „besonders runden“ Rädern einen 

Emissionsbonus erhalten, der ggf. teure Oberbaumaßnahmen einsparen 

helfen kann. 

� Möglichst geringe unabgefederte Radsatzmassen: 

� Je höher die unabgefederten Radsatzmassen, eine desto höhere Masse Stahl 

„rumpelt“ unabgefedert über die Schiene. Jede Störung des Fahrspiegels 

verursacht einen entsprechenden „Rumms“. Daher: unabgefederte 

Radsatzmassen möglichst verringern (s. Abschnitt 8.) 


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Fahrzeug (nur Prinzip) 2 

� Gleichmäßig belastete Achsen und Räder 

� Die Emissionen sind dann am geringsten, wenn die unabgefederten 

Radsatzmassen in einem Drehgestell möglichst gleichmäßig verteilt sind. 

Verspannungen sollten aus emissionstechnischer Sicht vermieden werden, 

da die elastischen Elemente u.U. dann nicht in ihrem optimalen 

Wirkungsbereich beansprucht werden. 

� Einfluss der Achslasten 

� Die absolute Höhe der Achslasten ist bei gut gewarteten Fahrzeugen und 

einwandfreiem Fahrweg eher wenig bedeutend. In der Praxis sind diese 

beiden Vorbedingungen oft eher nicht erfüllt, für diese Fälle sind leichte 

Fahrzeuge günstiger. 


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Gleis 

5.1 Einfügungsdämmung: was ist das, wie berechnet man sie? 

� Mit „Einfügungsdämmung“ beschreiben wir die prinzipielle Wirksamkeit einer Maßnahme 

� Die Einfügungsdämmung / -dämm-maß (ebenso Einfügedämmung /-dämmmaß) gibt also an, 

wie sich : in einer bestimmten Einsatzsituation 

� ein Einzahlwert (z.B. Luftschallpegel) oder 

� ein Spektrum (z.B. Terzspektrum des Körperschalls) verändern, 

� wenn man eine bestimmte Maßnahme vornimmt, z.B. ein elastisches Element im 

Oberbau einbaut, und 

� alle anderen Einflussgrößen unverändert bleiben (gleiches Fahrzeug, gleiches v, 

gleiches Gleis). 

� Merke: Einfügungsdämmung ist keine Eigenschaft eines Elementes alleine, sondern gilt 

immer nur in Bezug auf genau eine Referenzsituation, 

� bei anderen Untergrundeigenschaften, anderen Oberbaueigenschaften, anderen Fahrzeugen 

können sich abweichende Einfügungsdämmungen ergeben! 


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5.2 Vereinfachtes Beispiel: Einfügungsdämmung für Unterschottermatte 

(prinzipiell) 

Einfügungsdämmung 

günstige USM 

Einfügungsdämmung 

ungünstige USM 

Günstige Wirkung 

Ungünstige Wirkung 

1 10 Frequenz [Hz] 100 1 000 


Dämmwirkung 

ist höher 

Wirkung setzt bei 

tieferer Frequenz ein 

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5.3 Wie bestimmt man eine Einfügungsdämmung? 

� Messtechnisch: 

� Im Prinzip ist sie nie völlig korrekt zu messen, da niemals ein Oberbau 

erstellt, wieder abgerissen und durch einen veränderten Oberbau ersetzt 

wird, um beide messtechnisch miteinander zu vergleichen 

� Daher wird immer nur eine angenäherte Ermittlung möglich sein, indem 

man den Oberbau MIT elastischen Elmenten mit einem unveränderten 

Referenzquerschnitt vergleicht 

� Daher übliche Lösung: 

� Rechentechnisch 

� Anwendung von geeigneten Rechenmodellen 


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5.4 Rechenmodell prinzipiell 

� Einfaches Impedanzverfahren 

� Ersatz aller Komponenten durch stark vereinfachte Modelle (im Prinzip Zurückführung 

auf den Einmassenschwinger 

� Komplexes Impedanzverfahren iSi 

� iSi: imb-dynamik Fahrzeug-Fahrweg-Simulationsmodell 

� Programmiert ursprünglich für die DB 

� Heute weltweit im Einsatz 

� Exzellente Vorhersagequalität 

� Unsere Kunden � �� 

� Finite Elemente 

� Prinzipiell ungünstig, da das stets frequenzabhängige Verhalten der elastischen 

Elemente nur sehr aufwendig simuliert werden kann 


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5.5 Rechenmodell iSi: imb-dynamik Fahrzeug-Fahrweg-Simulationsmodell 

Schotteroberbau 

kontinuierlich 

Fahrzeugmodell Stützpunktmodell 

diskrete Lagerung (21 Schwellen) kontinuierlich 

Aus dem Stützpunktmodell zusammen mit den 

Schieneneigenschaften wird (ausgehend von den 

unendlich entfernten Enden bis zum Kontaktpunkt) das 

vollständige Gleismodell zusammengesetzt 


Schiene: 

Zwischenlage: 

Feder-Dämpfer-Kombination 

Schwelle: 

massebelegter Starrkörper 

Besohlung: 


Schotter: 

1-dimensionales 

elastisches Kontinuum 

Unterschottermatte: 


Untergrund: 

isotroper elastischer Halbraum 

beliebige Frequenzabhängigkeit aller Parameter 

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5.5 Rechenmodell iSi: imb-dynamik Fahrzeug-Fahrweg-Simulationsmodell 

Feste Fahrbahn 


Seite 26





5.6 Einbaumöglichkeiten im Regelgleis 

Mögliche Positionen Elastischer Elemente im Schotteroberbau 

Befestigung 

mit Zw / Zwp 

Rad 

Betonschwelle 

Schotter 

Schiene 

Betonplatte, Fels, Planum 

elastische Zw / Zwp 

Schwellensohle 

Unterschottermatte 


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5.7 Mögliche Positionen Elastischer Elemente bei Fester Fahrbahn 


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5.8 Elastische Elemente bei Masse-Feder-System 

Trog auf Elastomerstreifen 

zB mit Schotteroberbau 


Trog auf Stahlfedern 

zB mit Direkter 

Schienenbefestigung 

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5.9 Betontroggleis: Schotteroberbau auf Unterschottermatte 

� System Grötz 

� Bahnhof Baden-Baden 

� Sinzheim 


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6 Wirksamkeit elastischer Elemente 

6.1 Systemvergleich 1 

System 

Name 

Wirkungsmechanismus 

Einsatzorte 

Einsatz 

Effektivität für 

sek. Luftschall 

Mehrkosten ca 

pro m Gleis * 

Zulassungen 

Schiene kann frei 

schwingen, begrenzt 

durch vert. Steifigkeit 

Oberirdische Gleise 

Häufig / noch selten 

Gering / gut 

ca. – 5 db(A) 

3 € / 200 € 

vorhanden 

Gleisrost kann frei 

schwingen, hohe 

Nachgiebigkeit 

Oberirdische Gleise 

Noch sehr selten 

Gut 

ca. – 10 db(A) 

55 € 

Betriebserprobung 


* Referenz: Schottergleis 

weiche / hochelastische 

Befestigung 

Besohlte Schwelle 

Unterschottermatte USM 

auf Brücke / im Tunnel 

Ganzer Oberbau kann frei 

schwingen, große Masse 

beruhigt Vibrationen 

Dort, wo seitlicher Halt 

gegeben ist 

Sehr häufig, auf Brücken 

zum Schotterschutz 

Sehr gut 

ca. – 15 dB(A) 

300 € 

vorhanden 

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Mehrkosten ca 

pro m Gleis 

Zulassungen 




6.1 Systemvergleich 2 

System 

Name 

Wirkung 

Einsatzorte 

Einsatz 

Effektivität 

Leichtes Masse- 

Feder-System 

Schiene + Betonplatte 

können frei schwingen, 

große Nachgiebigkeit 

Jede Feste Fahrbahn 

häufig 

Sehr gut 

ca. – 15 dB(A) 

250 € für Matte, 

Mehrkosten FF 

vorhanden 

Betontrogsystem 

USM + Masse Trog + 

Biegesteifigkeit Trog, 

Schottereinspannung 

oberirdisch 

selten 

hervorragend 

ca. – 20 dB(A) 

500 - 1000 € 

vorhanden 


Schweres Masse- 

Feder-System 

große Masse + 

Biegesteifigkeit leiten 

Vibrationen kaum weiter 

Hauptsächlich Tunnel, 

gelegentlich Oberfläche 

häufig 

hervorragend 

ca. – 20 bis – 25 dB(A) 

1500 – 2500 € 

vorhanden 

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6.2 Wirkung elastischer Elemente am Beispiel Schotteroberbau 

Einfügungsdämmung: 

Günstige Wirkung 

Ungünstige Wirkung 

Dämmwirkung 

ist höher 

Wirkung setzt bei 

tieferer Frequenz ein 


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6.3 Wirksamkeit elastischer Elemente: Einfügungsdämmungen 

� Generell kann gesagt werden 

Elastische 

Zwischenlage 

besser als 


besser als 


besser als 

Masse-Feder-System 


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6.4 Wirksamkeit elastischer Elemente: Energieumsatz 1 

(schlechtes Beispiel) 

Wo geht die Energie hin? 

(100 % = gesamte in den Ober- und Unterbau eingespeiste Energie) 

Steife Zwischenlage 

hilft überhaupt nicht 

Schotter ca. 70 %: hohe Beanspruchung 

und Zerstörung 

Untergrund 50 %: 

hohe Beanspruchung 


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6.4 Wirksamkeit elastischer Elemente: Energieumsatz 2 

(gutes Beispiel) 

Prinzipdarstellung: System mit Elastischem Stützpunkt + Schwellensohle 

+ Unterschottermatte (nur als Demonstration) 

Die empfindlichen Komponenten Schotter + Untergrund werden 

hervorragend geschützt. 



Schotter 

Untergrund 


Zwischenlage 

Seite 36





6.5 Gibt es Faustregeln zur Grobabschätzung? 1 

� Nein, heute noch nicht, da viele Einflüsse mitwirken 

� Zuggattung 

� Fahrgeschwindigkeit 

� Radunrundheiten 

� Unabgefederte Radsatzmassen 

� Schienenzustand 

� Gleislage 

� Untergrund und Transmission 

� Gebäudegründung, Deckenkonstruktion (Beton / Holzbalken) 

� Aber: Der Fachmann mit vieljährigen Erfahrungen kann grobe Über- oder 

Unterdimensionierungen erkennen 

� Am ehesten ist noch der Einfluss der Entfernung der Nachbarn und die 

Fahrgeschwindigkeit als einfaches Kriterium denkbar 


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6.5 Gibt es Faustregeln zur Grobabschätzung? 2 

� Die Radlast selbst ist NICHT das entscheidende Kriterium, 

� Unabgefederte Masse 

� Radzustand 

sind viel wichtiger. 

� Die Hersteller und die Betreiber (bei Kauf und Betrieb) nehmen messen dem derzeit 

noch keine Bedeutung bei. 

� Folgerung 

� Entsprechende Untersuchungen zur Systematisierung empfehlenswert 

(vgl. Schall 03 für Primären Luftschall) 


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7 Praktische Konsequenzen 

� Optimale Vorhersagequalität ermöglicht nahes Herangehen an zulässige Immissionswerte � 

angemessene, kostengünstige Lösung 

� Unsicherheit des Gutachters, die sonst zu überdimensionierten Lösungen führt, wird stark 

verringert 

� Planerische Abwägungen werden zielsicherer 

� Kopplung des Rechenverfahrens mit Messungen bei Anregung des fertiggestellten 

Unterbaus (zB im Tunnel) führt auf knappstmögliche Auslegung des Erschütterungsschutzes 

� Detaillierte Aussagen zu Anforderungen an die elastischen Elemente möglich, zuverlässige 

Berücksichtigung der so gennanten statischen und dynamischen Steifigkeit möglich 

� Überprüfung der von Dritten für nötig befundenen und für die Realisierung vorgesehenen 

Maßnahmen 

� Weiterentwicklung der Oberbauformen mit den Zielen 

� unterhaltungsarm 

� mit minimaler Emission 


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8 Praktische Anwendungsbeispiele für 

erfolgreichen Einsatz elastischer Elemente 

8.1 imb-dynamik-Untersuchungen mit iSi ergeben: 

Verringerte Anforderung an die Einfügungsdämmung einer Maßnahme 

� Verringerte Kosten für die Maßnahme 

� Verringerung der Oberbauhöhe 

� Kostenersparnis bei Tunnelbau 

� Mehrere Fallbeispiele vorhanden: 

� Tunnelbau für verschiedene Verkehrssysteme 

� Aufgrund Empfehlung Dritter aufwendige Maßnahme vorgesehen: schwere Masse-Feder- 

Systeme 

� Nachrechnung mit iSi hat ergeben, dass zB Unterschottermatte oder leichtes Masse-Feder- 

System ausreichend ist 

� Oberbauhöhe kann erheblich verringert werden (zB von 140 cm auf 60 cm) 

� Tunnelausbruch kann um zB 80 cm reduziert werden, besonders wichtig bei hochstehendem 

Grundwasser (Grundwasser teilweise knapp unter GOK), erhebliche Einsparungen möglich 


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8.2 Hochelastische Elemente im Schotteroberbau (Befestigungen / 

Schwellensohlen) schützen empfindliche Untergründe 

� Hamburg-Berlin, zweite Ausbaustufe (v = 160 � 230 km/h) 

� Betriebsversuch seit 4 Jahren 

� Problemböden: verlagerungsempfindliche Sande, organische Böden 

� Tiefe der Problemböden bis ca. 6 m, Bodenverbesserungsmaßnahmen müssen 

bis in diese Tiefe reichen 

� Tiefgreifende Bodenverbesserungsmöglichkeiten können teilweise entfallen 

� Betriebserschwernis minimiert 

� Sehr große Ersparnis möglich: ca. 1 Mio Eur / km 

� Nachweis erbracht, dass Oberbauformen, die mit geeignet ausgewählten 

elastischen Elementen ausgerüstet werden (die wir als „intelligenten Oberbau“ 

bezeichnen), Ober- und Unterbau sehr gut schützen können 


Seite 41





8.3 Weichenaustausch konnte entfallen 

� Hamburg-Berlin, zweite Ausbaustufe (v = 160 � 230 km/h) 

� Vor 10 Jahren eingebaut: Weichen mit starren Herzstückspitzen 

� Bei DB zulässig für solche Weichen : v max = 200 km/h 

� Konsequenz: alle Weichen hätten ausgetauscht werden müssen 

� Vorschlag: Herzstücke elastisch lagern, um Belastung auf Weiche und Oberbau 

zu verringern 

� Vorberechnungen zeigen Machbarkeit 

� Messtechnischer Nachweis erfolgreich erbracht 

� Nachrüstung der Weichen mit v = 230 km/h 

� Kein Weichenwechsel 


Seite 42





9 Schlussfolgerungen 1 

� Besonders die dynamische Berechnung von Gleisbelastung und 

Erschütterungsemission benötigt viel Erfahrung aus Messungen und ein 

geeignetes Rechenmodell 

� Das Rechenmodell muss umfangreich verifiziert worden sein, damit seine 

Zuverlässigkeit zweifelsfrei nachgewiesen kann 

� Dann kann knapp und kostengünstig dimensioniert werden 

� Die Angemessenheit von geplanten Schutzmaßnahmen kann damit überprüft 

werden 


Seite 43





9 Schlussfolgerungen 2 

� Bei jedem größeren Bauvorhaben gibt es einen Statiker und einen Prüfstatiker 

� Für (teuere) Schutzmaßnahmen gibt es nur einen Sachverständigen, den 

„Dynamiker“ 

� Dieser entscheidet praktisch im Alleingang, welche Maßnahme eingesetzt 

werden muss 

� Wenn er sich nicht sicher ist, ob eine bestimmte Maßnahme ausreicht, oder um 

einen ausreichenden Sicherheitsabstand zu erhalten, wird er eine wirksamere, 

teuerere Maßnahme wählen 

� Damit wird zuviel Geld, teilweise sehr viel „zuviel“ Geld für Schutzmaßnahmen 

und „Sekundärkosten“ (zB größere Tunnel) ausgegeben 

� Warum gibt es keinen „Prüfdynamiker“, wo es doch um wirklich hohe 

Summen für Schutzmaßnahmen geht? 


Seite 44





10 Informationen 

www.imb-dynamik.de 

imb-dynamik@t-online.de 

08143 – 6313 

0172 – 894 3364 


Seite 45





11 Anhang 

Kleines Lexikon 1 

Abstrahlung die Eigenschaft eines schwingungsfähigen Systems, Energie (Schwingungsenergie) an die Umgebung abzugeben. Die Umgebung 

leitet Körperschall fort und ist damit selbst Schwingungen ausgesetzt, das abstrahlende System erfährt dadurch Dämpfung. 

Amplitude Schwingweite einer Schwingung, gemessen von der Nulllinie bis zum Maximalausschlag 

Baudynamik befasst sich mit allen zeitveränderlichen Einwirkungen auf ein Gebäude: z.B. Schwingungen, Erschütterungen, Erdbeben, Wind 

Bettungsmodul eine flächenbezogene Federziffer (Federziffer/Fläche), angegeben meist in N/mm³ = N/mm je 1 mm²: die Kraft in N, die man 

braucht, um eine Probe von 1 mm² Fläche um 1 mm zusammenzudrücken, oder besser, die Kraft in MN, die man braucht, um eine 

Probe von 1 m² um 1 mm zusammenzudrücken 

Dämmung findet statt, wenn Schwingungsenergie am Eintritt in ein fortleitendes Medium gehindert wird (Analogie Wärmedämmung) 

Dämpfung ist, wenn man einer Schwingung Energie entzieht und damit die Amplitude (oder den Effektivwert oder Pegel) verringert. Die 

entzogene Energie wird in dem dämpfenden Medium in Wärme umgewandelt oder abgestrahlt. Es gibt im Bauwesen drei Arten von 

Dämpfung: Baustoffdämpfung (=Materialdämpfung), Bauteil- oder Fügestellendämpfung und Abstrahlungsdämpfung 

dB keine Maßeinheit, sondern nur die Angabe, wieviel größer oder kleiner ein bestimmter Wert ist, verglichen mit einem frei 

vereinbarten Bezugswert (bei Luftschall meist Bezugswert p0 = 0,000 02 Pa = 2⋅10 -5 Pa): 

10 dB ⇒ 10-fache Energie bzw. √10-fache (ca. 3,1-fache) Amplitude von p0 

20 dB ⇒ 100-fache Energie bzw. 10-fache Amplitude von p0 

30 dB ⇒ 1000-fache Energie bzw. 10⋅√10-fache (ca. 31-fache) Amplitude von p0 … 

Hat bei Immissionen nur bei Luftschall etwas verloren, ist bei Körperschall genauso unnötig wie z.B. bei einer Temperatur. 

dB(A) bedeutet, dass ein Luftschall-Signal (gemessene oder berechnete Luftdruckverläufe als Funktion der Zeit) bei der Berechnung eines 

dB-Wertes (eines Pegels) einer Frequenzbewertung unterzogen wurde. Damit soll die je nach Frequenz (= Tonhöhe) unterschiedliche 

Empfindlichkeit des menschlichen Ohres in etwa nachvollzogen werden (sehr tiefe oder sehr hohe Frequenzen werden 

weniger oder gar nicht mehr berücksichtigt gegenüber den mittleren). Der Frequenzbereich beträgt rund 16 bis 16 000 Hz 

dBv wie dB und dB(A) keine Maßeinheit, sondern ein Maß, das angibt, wieviel größer oder kleiner ein bestimmter Körperschallbetrag ist, 

verglichen mit einem frei vereinbarten Bezugswert v0 (meist v0 = 0,000 000 05 m/s = 5⋅10 -8 m/s), 

für Nichtakustiker, also normale Menschen und Ingenieure, unnötig 

dynamische Verhärtung die Eigenschaft der meisten elastischen Materialien, steifer zu werden (höhere Federziffer), wenn die Frequenz der Belastung steigt. 

Eine Unterschottermatte oder ein Gummielement kann bei 100 Hz ohne weiteres 5-mal so steif sein gegenüber statischer Belastung 


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Effektivwert ein Beispiel: Die Spannung an der Haushaltssteckdose beträgt 230 Volt, oder? Nein, tut sie nicht! Sie beträgt genauer gesagt 

230 V eff (= effektiv = rms = root mean square), in Wirklichkeit verändert sie sich in jeder Sekunde 50 mal (daher 50 Hz 

„Netzfrequenz“) vom Maximalwert 325 Volt auf den Minimalwert –325 Volt und zurück. Wenn man aber wissen will, welche Leistung 

ein Gerät effektiv hat, arbeitet man viel einfacher mit dem so genannten Effektivwert. 

(Wer es etwas genauer wissen will: Dieser Wert wird gebildet, indem man das Signal, hier die Spannung an der Steckdose, U(t) 

quadriert, aufintegriert, über die Zeit mittelt, und daraus wieder die Wurzel zieht; daher root mean square. Slow rms bedeutet, dass 

die Mittelungszeit 1 s beträgt, Fast rms ebenso für 1/8 s.) 

Eigenfrequenz Frequenz eines schwingungsfähigen Systems, die man bekommt, wenn man das System anstößt und ausschwingen läßt 

Einfügungsdämmung / -dämmmaß, 

ebenso Einfügedämmung /-dämmmaß 

gibt an, wie sich ein Einzahlwert (z.B. Luftschallpegel) oder ein Spektrum (z.B. Terzspektrum des Körperschalls) verändern, wenn 

man eine bestimmte Maßnahme vornimmt, z.B. ein elastisches Element im Oberbau einbaut, und alle anderen Einflußgrößen 

unverändert bleiben (gleiches Fahrzeug, gleiches v, gleiche Schiene). Merke: Einfügungsdämmung ist keine Eigenschaft eines 

Elementes alleine, sondern gilt immer nur in Bezug auf genau eine Referenzsituation, bei anderen Untergrundeigenschaften, 

anderen Oberbaueigenschaften, anderen Fahrzeugen können sich abweichende Einfügungsdämmungen ergeben! 

elastische Elemente wichtige Mittel, um Schwingungen, Erschütterungen und gleichzeitig Beanspruchungen zu verringern. Wichtige Kenngrößen für 

elastische Elemente sind (statische) Federziffer, dynamische Verhärtung und Dämpfung (und nicht etwa Shorehärte!) 

Elastizität, Volumenelastizität, 

Gestaltelastizität 

Etwas ist elastisch, wenn es unter Belastung nachgibt. Volumenelastizität bedeutet, dass ein Material bei Belastung verdichtet wird, 

also z.B. alle Schäume. Unzusammendrückbare Materialien wie z.B. Gummi müssen seitlich ausweichen können und haben somit 

eine Gestaltelastizität. Auch Wasser ist inkompressibel, daher wird ein Schaum, dessen Poren mit Wasser gefüllt sind, seine 

Elastizität vollständig verlieren. 

Emission Ausstrahlung, Abstrahlung von z.B. Erschütterung (s. Transmission, Immission) 

Emissionsort Quellort der Emission 

Erschütterungen meist synonym für Schwingungen verwendet. „Erschütterungen“ deutet mehr den nicht stationären (gleichbleibenden) = transienten 

(vorübergehenden, veränderlichen) Charakter an, während „Schwingung“ eher für einen stationären Zustand verwendet wird 

Federkennziffer statisch / dynamisch kennzeichnende Größe für ein elastisches Element, angegeben meist in kN/mm: die Kraft (kN), die man benötigt, um ein 

Federelement um 1 mm zusammenzudrücken. Statisch bedeutet, dass die Federziffer mit sehr langsamen Verformungen gemessen 

wird, dynamisch dagegen, dass mit Frequenzen von wenigen Hz bis hin zu vielen kHz (1000 Hz) gemessen wird. 

Frequenz Anzahl der Schwingungen je Sekunde, angegeben in Hz = 1/s (englisch cyc/s = cycles/s) 

Immission Einwirkung von z.B. Erschütterung oder Luftschall 

Immissionsort Ort, an denen z.B. Erschütterung oder Luftschall auf einen Menschen oder eine technische Anlage einwirkt 


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KB-Wert ein dimensionsloses Maß [-] zur Bewertung einer Schwingungseinwirkung auf den Menschen, begrenzt auf Frequenzen zwischen 1 

und 80 Hz; für Erschütterungen infolge Bahnverkehr gilt sehr gut: KB-Wert = effektive Schwinggeschwindigkeit in mm/s eff. Das 

Vorgehen entspricht dem bei der akustischen A-Bewertung (s. dB(A)) 

Körperschall Erschütterungen / Schwingungen, die über ein festes (Boden, Gebäude) oder flüssiges (Grundwasser) Medium übertragen werden 

Luftschall (= primärer Luftschall) Schall, der von der Quelle ausgehend direkt über die Luft übertragen wird, meist in dB oder dB(A) angegeben 

Modul s. Bettungsmodul 

Pegel eine physikalische Größe, die in dB angegeben wird, z.B. Luftschall (genauer: Luftschalldruck) 

Schwinggeschwindigkeit, 

Schwingschnelle, Schnelle 

synonym. Bei Erschütterungen: Geschwindigkeit, mit der sich ein Punkt (meist an der Oberfläche eines Körpers) bei einer 

Schwingung bewegt, angegeben als Funktion der Zeit f(t) entweder als Absolutwert in mm/s (kann + oder – sein) oder als 

Effektivwert (immer +) in mm/s eff (= effektiv, kommt auch auf englisch als rms = root mean square) 

Schwingung s. Erschütterung; eine Schwingung wird durch Kenngrößen wie Amplitude, Effektivwert und Frequenzgehalt beschrieben 

sekundärer Luftschall Raumbegrenzungsflächen (Fußboden, Decke, Wände), die Körperschall führen (also erschüttert werden) können wie 

Lautsprechermembranen Luftschall abstrahlen 

Shorehärte hohe Zahl: hartes Material, niedrige Zahl: weiches Material. In der Praxis für den Bauingenieur genauso wichtig, wie die Brinellhärte 

des Karrosseriestahles seines Autos, also überhaupt nicht. Entscheidend sind (statische) Federziffer, dynamische Verhärtung und 

Dämpfung. 

Spektrum, spektral (=frequenzmäßig) Angabe der frequenzmäßigen Zusammensetzung eines Signales, bei Immissionen häufig mit der Bandbreite „Terz“ als 

Terzspektrum angegeben, d.h. die Schwingungsenergie, die in ein Intervall mit der Breite einer Terz fällt, wird zusammengezählt (für 

die Musikverständigen: man stelle ein Klavier neben eine Geräuschquelle, messe, wie stark die Saiten c, cis, d, dis angeregt werden 

und zähle die Energie zusammen, das gleiche macht man mit den Tönen e, f, fis, g bzw. gis, a, ais, h usw. für alle Oktaven des 

Klaviers. Dann schreibe man die Zahlenwerte in eine Tabelle und hat somit ein Terzspektrum – bisschen umständlich, aber sachlich 

völlig korrekt 

Summenpegel ist ein Pegel, der als Einzahlwert eine (energetische) Summierung über einzelne Pegel darstellt: etwa der Summenpegel der 

Immissionen über einen ganzen Tag, oder aber als spektraler Summenpegel der einzelnen so genannten Terzpegel eines 

Terzspektrums 

Terz siehe Spektrum 

Transmission Übertragung von z.B. Erschütterung vom Emissionsort durch das Transmissionsmedium Boden zum Immissionsort 

Transmissionsmedium Übertragungsmedium von Erschütterungen (Boden) oder Luftschall (Luft) 


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12 Literatur aus dem Büro imb-dynamik 

1. Müller-Boruttau, Frank H.; Breitsamter, Norbert 

Elastic Elements Reduce Vibration Emission – Some Thoughts 

on Insertion Loss. 

EURODYN 2005, Paris, 4.-7.09.2005 

2. Müller-Boruttau, Frank, Rosenthal, Volker, Breitsamter, 

Norbert 

Aboveground Low Vibration Emission Ballasted Track with 

Concrete Trough. 

CFA/DAGA ’04, Strasbourg, 22-25.03.2004 (30. Deutsche 

Jahrestagung für Akustik) 

3. Müller-Boruttau, Frank H.; Breitsamter, Norbert 

Dynamische Gleismessungen und spektrale Analayse. 

EI-Eisenbahningenieur, 55. Jg, 2004, H. 12, S. 30-35. 

4. Müller-Boruttau, Frank H., Breitsamter, Norbert 

Zur Dimensionierung Elastischer Elemente des Oberbaus 

ETR-Eisenbahntechnische Rundschau, 53 Jg., 2004, H. 1/2, S. 45- 

54. 

5. Müller-Boruttau, Frank H. 

Wirtschaftlichkeit und gleisdynamische Wirksamkeit der 

besohlten Schwelle – 

Praktische Erfahrungen aus Deutschland 

Getzner Symposium, Bludenz 2003. 

6. Herold, Andreas; Müller-Boruttau, Frank H. 

Die Ermittlung von dynamischen Spannungen innerhalb von 

KBE-Konstruktionen 

FSKGEO, München 2003. 


7. Müller-Boruttau, Frank H., Breitsamter, Norbert 

Schwingungstilger gegen Erschütterungen aus Pressenbetrieb 

VDI-Tagung Baudynamik, Kassel 2003. 

8. Müller-Boruttau, Frank H., Breitsamter, Norbert. 

Dynamische Gleismessungen und spektrale Analyse – 

wie man messen und was man daraus erfahren kann 

VDI-Tagung Baudynamik, Kassel 2003. 

9. Müller-Boruttau, Frank H. 

Erschütterungsschutz bei Vollbahnen in der freien Strecke – 

SYSTEME GRÖTZ BSO/MK mit Unterschottermatten von 

CLOUTH. 

Vortrag bei Seminar Fa. Calenberg Ingenieure, 29.11.02, Basel. 

10. Lieberenz, Klaus; Müller-Boruttau, Frank H.; Weisemann, 

Ulrike: 

Sicherung der dynamischen Stabilität von Unterbau / Untergrund 

- 

Herangehensweise und Lösungswege an der ABS Hamburg – 

Berlin. 

(Hrsg.): „BahnBau 2002“ - VDEI-Fachtagung für Gleis- und 

Tiefbau, Berlin 2002, Vortrags-CD. 

11. Rosenthal, Volker; Müller-Boruttau, Frank H.; Breitsamter, 

Norbert: 

How the ballast carries its load - ballast pressure measurements 

performed on the permanent way SYSTEME GRÖTZ BSO/MK. 

(Hrsg.): World Congress on Railway Research, Köln 2001, 

Vortrags-CD. 

Seite 49






12. Müller-Boruttau, Frank H.; Kleinert, Ullrich: 

Innovative Ballasted Track: Concrete Sleepers with Sole Pads. 

(Hrsg.): World Congress on Railway Research, Köln 2001, 

Vortrags-CD. 

13. Müller-Boruttau, Frank H.; Breitsamter, Norbert: 

Elastic elements reduce the loads exerted on the permanent way. 

RTR - Railway Technical Review, 2001, H. 4, S. 22-32. 

14. Müller-Boruttau, Frank H.; Rosenthal, Volker; Breitsamter, 

Norbert: 

So trägt der Schotter Lasten ab - Messungen in situ am Oberbau 

SYSTEME GRÖTZ BSO/MK. 

ETR-Eisenbahntechnische Rundschau, 50. Jg. 2001, H. 11, S. 

658-667. 

15. Müller-Boruttau, Frank H.: 

Elastische Gleiskomponenten verringern die dynamische 

Unterbau- und Untergrundbeanspruchung 

Eisenbahningenieur, 52. Jg. 2001, H. 1, S. 17-22. 

16. Müller-Boruttau, Frank H.; Kleinert, Ullrich: 

Betonschwellen mit elastischer Sohle Erfahrungen und 

Erkenntnisse mit einem neuen Bauteil. 

ETR-Eisenbahntechnische Rundschau, 50. Jg. 2001, H. 3, S. 90- 

98. 


Elastische Gleiskomponenten verringern die dynamische 

Unterbau- und Untergrundbeanspruchung. 

VDEI-Fachtagung für Gleis- und Tiefbau "BahnBau 2000" Berlin 

2000, Tagungsband S. 117. 



Elastische Elemente verringern die Fahrwegbeanspruchung 


596. 


Erschütterungen durch Baumaßnahmen Beurteilung der 

Einwirkungen auf Menschen in Gebäuden nach DIN 4150-2 vom 

Juni 1999. 

Bautechnik, 77. Jg. 2000, H. 10, S. 743-749. 

20. Müller-Boruttau, Frank H.; Ebersbach, Dietrich; Breitsamter, 

Norbert: 

Dynamische Fahrbahnmodelle für HGV-Strecken und 

Folgerungen für Komponenten. 

ETR-Eisenbahntechnische Rundschau, 47. Jg. 1998, H. 11, S. 

696-702. 

21. Ebersbach, Dietrich; Müller-Boruttau, Frank H.: 

Dynamische Wegmessungen im Gleis - eine unverzichtbare 

Methode zur Auswahl neuer Oberbaukomponenten. 


280. 


Erschütterungen beim Spundwandbau: Einwirkung auf 

Menschen, Bauwerke und technische Einrichtungen. 

Bauingenieur, 71. Jg. 1996, S. 33-+39. 

23. Müller-Boruttau, Frank H.; Ebersbach, Dietrich: 

Elastische Zwischenlagen im Gleis lösen Schwingungsprobleme. 

Fachtagung „Systemdynamik der Eisenbahn“ 1994, Hestra- 

Verlag Darmstadt 1994, S. 87-95. 

Seite 50






23. Müller-Boruttau, Frank H.; Ebersbach, Dietrich: 

Elastische Zwischenlagen im Gleis lösen Schwingungsprobleme. 

Fachtagung „Systemdynamik der Eisenbahn“ 1994, Hestra- 

Verlag Darmstadt 1994, S. 87-95. 


Periodische Einwirkungen. 

VBI, Landesverband Bayern (Hrsg.): Bauwerke bei 

außergewöhnlichen Belastungen. Fortbildungs- Seminar Bayern. 

München 1991. S. C 1-13. 

25. Müller, F.H.: 

Erschütterung beim Spundwandbau und ihre Beurteilung. 

VDI-Berichte, Jg. 1987, H. 628, S. 133-151. 

26. Müller, Frank H.: 

Tiefabgestimmte Maschinenlagerung mit mehrlagigen 

Federelementen 

Fortschritte der Akustik - DAGA 1987. 

27. Grundmann, H.; Müller, F.H.; Müller, Ralph; Staller, A.: 

Errichtung eines Wohn- und Geschäftshauses im 

innerstädtischen Bereich mit teilweiser Gründung auf einem S- 

Bahn-Tunnel. 

Bauingenieur, 61. Jg. 1986, S. 427-435 


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Wirtschaftliche Lösungen für Erschütterungsschutz ... - imb-dynamik

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