Das Große Handbuch der Gleisinstandhaltung - Stabilisierung - Digitalisierun - Gleisreinigung - Umwelt Nachhaltigkeit - Planumssanierung - Oberleitungsinstandhaltung - Gleisinstandhaltung - LCC RAMS E-Book

Bernhard Lichtberger

• Herausgeber: tredition
• Kategorie: Fachliteratur
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 893

Veröffentlichungsjahr: 2023

Beschreibung

Als Standardwerk beschreibt das Große Handbuch der Gleisinstandhaltung in anschaulicher und komprimierter Form alle Aspekte der Gleisinstandhaltung in Theorie und Praxis. Es bildet den aktuellen Stand der Instandhaltungsmethoden ab, ergänzt um den Ausblick auf absehbare und im Gange befindliche technische Weiterentwicklungen. Das Große Handbuch der Gleisinstandhaltung erscheint in zwei Bänden. Der vorliegende 2. Band umfasst die folgenden Kapitel: •Die Setzung des Gleises und seine Stabilisierung •Schotterabnutzung und Gleisreinigung •Schotterprofilierung •Planumssanierung - Verbesserung der Tragfähigkeit des Gleises •Die Instandhaltung der Oberleitung •Vegetationskontrolle •Kleingeräte und Sondermaschinen •Maschinentechnik von Instandhaltungsmaschinen - alternative Antriebe •Zulassung von Gleisinstandhaltungsmaschinen •Strategien der Gleisinstandhaltung •LCC und RAMS •Umweltaspekte und ökologischer Fußabdruck •Die Digitalisierung der Eisenbahn

Leseprobe

Bernhard Lichtberger

Das Große Handbuch der Gleisinstandhaltung

Bernhard Lichtberger

Das Große Handbuch der Gleisinstandhaltung

Setzung · StabilisierungSchotter · Abnutzung · Reinigung · ProfilierungPlanumsverbesserungOberleitungVegetationskontrolleOberbaumaschinentechnik · Klein- und SondermaschinenZulassungStrategien GleisinstandhaltungLife Cycle Costs · Reliability · Availability · Maintainability · SafetyUmwelt · ÖkologieDigitalisierung

Band 2

IMPRESSUM

Autor: Univ.-Doz. Dr. techn. Bernhard Lichtberger,

Landstrasser Hauptstrasse 64/3, 1030 Wien

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek:

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation

in der Deutschen Nationalbibliografie: Detaillierte bibliografische Daten

sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

ISBN: 978-3-347-90888-8

E-Book-ISBN: 978-3-347-90898-7

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© 2023 Bernhard Lichtberger

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Layout und Satz: Reihs Satzstudio, Lohmar, Deutschland

Umschlaggestaltung: Marlene Posch, Wien, Österreich

Druck und Distribution im Auftrag von System7 railtechnology GmbH:

tredition Verlag GmbH, Halenreihe 40–44, 22359 Hamburg

Inhaltsverzeichnis

Cover

Titelblatt

Urheberrechte

Vorwort

8 Die Setzung des Gleises und seine Stabilisierung

ZUSAMMENFASSUNG

8.1 Der Gleisschotter

8.2 Das endlos verschweißte Gleis

8.3 Querschiebewiderstand

8.3.1 Der Querverschiebewiderstand verschiedener Schwellen

8.3.2 Erhöhung des QVW durch Sicherungskappen

8.3.3 Querverschiebewiderstand und Instandhaltungsarbeiten

8.3.4 Einflussfaktoren auf den Querverschiebewiderstand

8.3.5 Schwellenhohllagen

8.4 Der Längsverschiebewiderstand

8.5 Setzungsverhalten

8.6 Bodenverdichtung

8.6.1 Unterschiede der lagenweisen Verdichtung zwischen Straßen- und Eisenbahnbau

8.6.2 Statische und dynamische Verdichtung

8.6.3 Ermittlung Verformungsmodul

8.7 Schwingungsausbreitung im Boden

8.8 Schotterflug

8.8.1 Maßnahmen zur Vermeidung des Schotterfluges

8.9 Die Verfahren/Methoden der QVW-Wiederherstellung

8.9.1 Zwischenfachverdichtung

8.9.2 Die dynamische Gleisstabilisation

8.9.3 Einflussparameter der dynamischen Gleisstabilisierung auf die Setzung

8.9.3.1 Stabilisierfrequenz

8.9.3.2 Arbeitsgeschwindigkeit

8.9.3.3 Exzentermasse

8.9.3.4 Setzung abhängig von Hebung

8.9.3.5 QVW und DGS

8.9.3.6 Auswirkung auf die Gleisgeometrieparameter

8.9.3.7 Auswirkungen des DGS auf die Umwelt

8.9.4 Flankenverdichtung

8.9.5 Vorkopfverdichtung

8.9.6 Vergleich Zwischenfachverdichtung und dynamischer Gleisstabilisation

8.10 Die Maschinentechnik

8.10.1 Stopfaggregate als Verdichtgeräte

8.10.2 Dynamischer Gleisstabilisator

8.10.2.1 DGS-Einsatz in Weichen

8.10.2.2 DGS-Einsatz auf Brücken

8.10.2.3 Die Messung des dynamischen QVW mit dem DGS

8.10.2.4 Lagenweise Stabilisierung

8.10.2.5 Auswirkungen auf den Untergrund

8.10.2.6 Optimale Betriebsparameter des DGS

8.10.3 Vorkopfverdichter

8.10.4 Zwischenfachverdichter

8.11 Beanspruchung des Planums durch Verdichtgeräte

8.12 Die Praxis

FAZIT

Literaturverzeichnis

9 Schotterabnutzung und Gleisreinigung

ZUSAMMENFASSUNG

9.1 Lockergesteine

9.2 Die Schotterbettung der Eisenbahn

9.2.1 Die Aufgaben der Schotterbettung

9.2.2 Siebkurven von Eisenbahnschotter

9.2.3 Die Festigkeit des Schottergesteins

9.2.4 Nachweis der Festigkeitseigenschaften von Schotter

9.2.5 Die wichtigsten Schottergesteine

9.3 Verunreinigung des Schottergleises

9.4 Wasserdurchlässigkeit der Bettung

9.5 Schotterverschmutzung und Tragfähigkeit

9.6 Die Herkunft der Schotterverschmutzung

9.6.1 Schlamm- und Spritzstellen

9.6.2 Schotterzerkleinerung durch Stopfen

9.6.3 Schotterschädigung an Stellen starker Steifigkeitsänderungen

9.7 Die Setzung des Gleises

9.8 Die Auswirkung der Setzung auf die Gleislage

9.8.1 Verringerung des Schotterverschleißes

9.9 Verbesserung der Schotterbettung durch neue Methoden

9.9.1 Einsatz elastischer Elemente

9.9.1.1 Elastische Zwischenlagen

9.9.1.2 Schwellenbesohlungen

9.9.1.3 Unterschottermatten

9.9.1.4 Elastisch gebundener Schotter

9.9.1.5 Neoballast

9.9.1.6 Mischung des Schotters mit Gummipartikeln

9.9.2 Verwendung von Geogittern

9.9.3 Verwendung von Asphaltlagen

9.9.4 Schotter-Stabilisierungsmethoden durch Zuschläge

9.9.4.1 Elastotrack

9.9.4.2 XiTRACK

9.9.4.3 Polyurethan-stabilisierter Schotter

9.9.5 Schotterbindung durch Kunstharzkleber

9.9.6 Schottervermischung mit Bitumen

9.9.7 Schotterverkleben mit einer wässrigen Polymerlösung

9.9.8 Einbringen von Feinzementmörtel in die Schotterschicht

9.9.9 Probleme bei der maschinellen Instandhaltung

9.10 Verbesserung der Schotterbettung durch Instandhaltungsmethoden

9.11 Die Siebung

9.11.1 Aushubeinrichtung

9.12 Die Reinigungsmaschinentechnologien

9.12.1 Methoden der Schotterbettreinigung

9.12.2 Bauablauf

9.12.3 Einsiebmaschinen

9.12.4 Mehrteilige Bettungsreinigungsmaschinen mit Doppelsieben

9.12.5 Schulter- oder Flankenreinigungsmaschinen

9.12.6 Weichenreinigungsmaschine

9.12.7 Einschotterung

9.12.8 Vakuumreinigungsmaschine

9.13 Maschinelle Drainageverbesserung

9.14 Die Verwendung von Geokunststoffen

9.15 Die Beseitigung von Schlammstellen

9.16 Schotterrecycling

FAZIT

Literaturverzeichnis

10 Schotterprofilierung

ZUSAMMENFASSUNG

10.1 Die Aufgaben der Schotterbettung

10.2 Bettungsquerschnitte

10.3 Drainage des Gleisbetts

10.4 Schotterparameter

10.4.1 Kohäsion und innerer Reibungswinkel

10.4.2 Der Schüttwinkel

10.4.3 Dichte des Schotters

10.4.4 Auflockerungsfaktor

10.5 Die Schnittkraft am Pflugschild

10.6 Die universelle Erdbewegungsgleichung

10.7 Aggregate einer Planier- und Schotterverteilmaschine

10.7.1 Der Mittelpflug

10.7.2 Der Flankenpflug

10.7.3 Der Stirnpflug

10.7.4 Kehrbürste

10.7.5 Silo mit Einschotterung

10.7.6 Kleineisenbürsten

10.7.6.1 Rotierende Kleineisenbürsten

10.7.6.2 Rotierende Kleineisenfeinbürste

10.7.6.3 Statische Kleineisenbürsten

10.7.7 Feinkehrbesen

10.7.8 Staubniederschlagung

10.7.9 Überdruckkabinen

10.7.10 Schotterprofilmesseinrichtung

10.7.11 Planung von Planierarbeiten mit dem Schottergeometrieindex

10.7.12 Verschleiß von Pflugschwertern

10.8 Hindernisse im Gleis

10.9 Arbeitsablauf

10.9.1 Neu- und Umbau

10.10 Die Maschinentechnik

10.10.1 Schotterverteil- und Schotterplaniermaschinen

10.11 Materialtransport- und Fördereinheiten

10.11.1 Materialförder- und Siloeinheiten

10.11.2 Schotterverteilsysteme

10.11.3 Beladestationen

10.12 Betriebsparameter von Schotterplaniermaschinen

FAZIT

Literaturverzeichnis

11 Verbesserung der Tragfähigkeit des Gleises

ZUSAMMENFASSUNG

11.1 Der Boden und seine Eigenschaften

11.2 Der Bahnkörper

11.3 Berechnung der Verteilung der Vertikalkräfte

11.3.1 Die Vertikalspannung im Unterbau

11.4 Dynamische Belastung des Gleisaufbaus

11.4.1 Die Scherdehnung

11.5 Schutzschichten

11.5.1 Planumsschutzschicht

11.5.1.1 Korngemische

11.5.2 Frostschutzschicht

11.5.3 Schutzschichten mit Zusatzmaßnahmen

11.5.4 Bestimmung der Dicke von Schutzschichten

11.5.5 Filter- und Trennstabilität

11.5.6 Schutzschichten mit Zusatzmaßnahmen

11.5.6.1 Geokunststoffe

11.5.6.2 Bodenbehandlung mit Bindemitteln

11.5.6.3 Bodenverfestigung

11.5.6.4 Bodenverbesserung und qualitative Bodenverbesserung

11.5.7 Tragschichten aus Asphalt

11.5.8 Bitumenstabilisierter Schotter

11.6 Die Untersuchung und Messung der Eigenschaften des Unterbaus

11.6.1 Betrachtung der Mischzone Schotter-Planum

11.7 Die mechanisierte gleisgebundene Planumsverbesserung

11.7.1 Planumsverbesserungsmaschinen

11.7.1.1 Planumsverbesserungsmaschine PM200

11.7.1.2 Planumsverbesserungsmaschine AHM800R

11.7.1.3 Planumsverbesserungsmaschine PM200-2R

11.7.1.4 Planumsverbesserungsmaschine RPM2002/RPMW2002-2

11.7.1.5 Planumsverbesserungsmaschine RPM-RS-900

11.7.1.6 Planumsverbesserungsmaschine PM1000URM

11.7.1.7 Überblick über gleisgebundene PLV-Maschinen

11.7.1.8 Bodenverbesserung mit der PM150-FS

11.7.2 Fräs-Misch-Injektionsmaschine

11.8 Konventionelle und gleislose Verfahren

11.8.1 Gleislose Planumsverbesserung mit Schottertausch nach Wiebe

11.8.2 Baumischverfahren

11.8.3 PUSCAL

11.8.4 Mechanische Bodenverbesserung

11.8.5 Bodenaustausch

11.8.6 Schadstoffbelasteter Schotter

11.8.7 Abdichtungsmaßnahmen

11.9 Felsinjektionen

FAZIT

Literaturverzeichnis

12 Die Instandhaltung der Oberleitung

ZUSAMMENFASSUNG

12.1 Bahnstromarten

12.2 Bahnenergieversorgung

12.3 Die Oberleitung

12.3.1 Das Längskettenwerk

12.3.2 Der Fahrdraht

12.3.3 Fahrdrahtwelligkeit

12.4 Stromabnehmer

12.4.1 Mastarten nach Ausführung und Material

12.5 Isolatoren

12.6 Strom und Spannung im Fahrleitungsnetz

12.7 Sicherheitsabstände zu Fahrdrahtleitungen

12.8 Elektrische Interaktion zwischen Fahrleitung und Fahrzeug

12.9 Verfahren und Methoden des Neubaus und der Instandhaltung

12.9.1 Mechanisierte Montagemethoden

12.10 Die Maschinentechnik

12.10.1 Konventioneller Umbau/Neubau von Fahrleitungsanlagen

12.10.2 Mechanisierte Montagemethoden

12.10.3 Messen des Fahrdrahtes

12.10.4 Mastsetzen

12.11 Grundlagen und Normen

FAZIT

Literaturverzeichnis

13 Vegetationskontrolle

ZUSAMMENFASSUNG

13.1 Allgemeines

13.2 Maßnahmen zur Vegetationsbekämpfung

13.3 Umweltverträgliche Vegetationskontrolle

13.4 Bauliche Maßnahmen zur Vegetationshemmung

13.4.1 Bituminöse Sperrschichten

13.4.2 Bankettgestaltung

13.4.3 Seitliche Hindernisse

13.4.4 Einbau von Folien

13.5 Biologische Aufwuchsbekämpfung

13.6 Mechanische Maßnahmen

13.6.1 Schotterbettreinigung

13.6.2 Absaugverfahren

13.6.3 Maschinelles Jäten

13.7 Chemisches Bekämpfung der Vegetation

13.7.1 Eingesetzte chemische Wirkstoffe

13.7.2 Glyphosat

13.7.3 Triclopyr

13.7.4 Flumioxazin

13.8 Thermische Vegetationsbekämpfung

13.9 Übersicht über die verschiedenen Verfahren zur Vegetationsbekämpfung

13.10 Instandhaltungskonzept nachhaltiger Vegetationspflege

13.11 Problempflanzen

13.11.1 Invasive Arten

13.11.2 Artenschutz auf Bahnanlagen

13.12 Inspektion

13.13 Messen der Vegetation

13.13.1 Messung der Vegetation mittels Lichtraumscannerdaten

13.13.2 Bewuchsanalyse mit autonom fliegenden Drohnen

13.13.3 Die Bedeutung von Geografischen Informationssystemen für die Vegetationskontrolle

13.14 Die Maschinentechnik

13.14.1 Spritzzüge

13.14.2 Motormanuelle Arbeitsverfahren

13.14.3 Anbaugeräte an Zwei-Wege-Fahrzeuge

13.14.4 Elektrojäten

13.14.5 Gleisungebundene Maschinen und Zwei-Wege-Fahrzeuge

13.14.6 Heißwasserdampfprototyp

13.15 Manuelle Herbizideinbringung

FAZIT

Literaturverzeichnis

14 Kleingeräte und Sondermaschinen

ZUSAMMENFASSUNG

14.1 Allgemeines

14.2 Zwei-Wege-Fahrzeuge

14.2.1 Funktionale Aspekte von Zwei-Wege-Fahrzeugen

14.3 Zwei-Wege-Bagger

14.4 Zwei-Wege-Fahrzeuge mit Lkw als Trägerfahrzeug

14.5 Zwei-Wege-Bagger mit Basisfahrzeug Unimog

14.6 Spezielle Zwei-Wege-Fahrzeuge

14.7 Sonderfahrzeuge

14.7.1 Oberleitungsinstandhaltungsgerät auf Trägerwaggon

14.7.2 Schneeschleuderfahrzeug

14.7.3 Schneepflug

14.7.4 Kippmulden auf Containerträgerwaggon

14.7.5 Mobile Instandhaltungseinheit

14.7.6 Rangiergeräte

14.8 Anbaumodule und Anbaugeräte

14.8.1 Schnellwechselsystem

14.8.2 Anbau-Stopfaggregate

14.8.3 Schotterausräumer und Schwellengreifgerät

14.8.4 Anbau-Schotterkehrbürste

14.8.5 Anbau-Schotterpflug

14.8.6 Anbau-Schwellenfachräumbalken

14.8.7 Anbau-Schwellenpaketgreifer

14.8.8 Rissbehandlung von Spannbetonschwellen

14.8.9 Schienengreifer

14.9 Kleinmaschinen

14.9.1 Gleishebe- und -richtmaschine

14.9.2 Anbau-Stopfaggregat THA 8 4.0

14.9.3 Gleishebe- und -richtgerät LLU

14.10 Kleingeräte

14.10.1 Schienenmanipulationsgeräte

14.10.2 Fahrdrahtwerkzeuge

14.10.2.1 Fahrdrahtschneider

14.10.2.2 Fahrdrahtrichtwerkzeug

14.10.3 Schienenbohrmaschine

14.10.4 Holzschwellenbohrmaschine

14.10.5 Kernlochbohrung zum Ersatz abgerissener Schwellenschrauben

14.10.6 Schlagschrauber

14.10.7 Schienentrenner

14.11 Automatische Warnsysteme

FAZIT

Literaturverzeichnis

15 Maschinentechnik

ZUSAMMENFASSUNG

15.1 Maschinenkategorien

15.2 Mechanische Einrichtungen der Oberbaumaschinen

15.2.1 Antriebsstrang mit Arbeits-Hydraulik

15.2.2 Synthetische Kraftstoffe

15.2.3 Hybridantriebe

15.2.4 Vorteile und Nachteile der Hybridantriebe

15.2.5 Diesel-Batterie-Hybridantrieb

15.2.6 Oberleitung-Batterie-Diesel-Hybridantrieb

15.2.7 Wasserstoff-Batterie-Hybridantrieb

15.2.8 Batteriezüge

15.2.9 Vergleich Batterie-/Oberleitungsantriebe mit Wasserstoffantrieb

15.2.10 Hybride Antriebskonzepte für Oberbaumaschinen

15.2.10.1 Oberbaumaschine als Akkufahrzeug?

15.2.10.2 Oberbaumaschinen mit Oberleitungsversorgung und Verbrennungskraftmaschine

15.2.10.3 Oberbaumaschinen mit Wasserstoffantrieb

15.2.10.4 Realisierbarkeit und ökonomische Sicht von Hybridantrieben bei Nebenfahrzeugen

15.2.10.5 Umrüstung von konventionellen Oberbaumaschinen auf nachhaltige Antriebe

15.2.11 Entwicklung

15.3 Hydraulikanlagen in Bahnbaumaschinen

15.3.1 Offener Hydraulikkreislauf

15.3.2 Geschlossener Hydraulikkreislauf

15.3.3 Wegeventile

15.3.4 Hydraulikspeicher – Druckabfederung – Druckausgleich

15.3.5 Filterung der Hydraulikkreise

15.3.6 Hydrauliktank

15.3.7 Ölkühler

15.3.8 Hydraulikleitungen

15.3.9 Berechnungsformeln für Hydraulikanlagen

15.4 Pneumatik

15.4.1 Druckluft für die pneumatische Fahrzeugbremse

15.4.1.1 Die direkte Druckluftbremse

15.4.1.2 Die indirekte Druckluftbremse

15.4.1.3 Druckluftfreies Bremssystem

15.4.1.4 Die Feststellbremse (Parkbremse)

15.4.1.5 Drucklufterzeugung

15.4.1.6 Druckluft für Maschinenkomponenten

15.4.2 Sandung

15.5 Elektrik/Elektronik

15.5.1 Stromversorgung – Bordnetz

15.5.2 Hilfsgenerator

15.5.3 Schutzeinrichtungen

15.5.4 Masseverbindung – Erdung

15.5.5 Signal- und Warnanlagen

15.5.6 Automatische Warnsysteme

15.5.6.1 Brandschutz

15.5.6.2 Brandgefahr bei alternativen Antrieben

15.5.7 Beleuchtung

15.5.8 Frei programmierbare Steuerung

15.5.9 Fehlerdiagnose

15.5.10 Remote Diagnostic and Analysis

15.6 Zustandsmonitoring

15.7 Zugbeeinflussung – Zugfunk – Signalrecorder

15.7.1 Indusi

15.7.2 Linienförmige Zugbeeinflussung

15.7.3 ETCS

15.7.4 Sicherheitsfahrschaltung

15.7.5 Gleisstromkreise

15.7.6 Achszähler

15.7.7 HeißLäuferortung

15.7.8 Fahrdatenrecorder

15.7.9 Zugfunk

15.8 Mechanik

15.8.1 Rahmen

15.8.2 Drehgestellrahmen

15.8.3 Anbauteile

15.8.4 Kabinen

15.8.4.1 Frontscheiben

15.8.4.2 Seitenscheiben

15.8.4.3 UIC-Sicht

15.8.4.4 Staubvermeidung in Kabinen durch Überdruckvorrichtung

15.8.5 Zug- und Stoßeinrichtungen

15.8.6 Lichtraumprofil

15.8.7 Begrenzung des Arbeitsbereiches

15.8.8 Freizuhaltende Räume an den Maschinenenden

15.8.9 Verriegelung beweglicher Maschinenteile

15.8.10 Auf- und Abrüsten – Elektronische Checkliste

15.9 Fahrwerke

15.9.1 Radprofile

15.9.2 Klotzbremsen oder Scheibenbremsen

15.9.3 Radsatzanordnung und Radsatzlasten

15.10 Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit, Wartbarkeit und Sicherheit

15.10.1 Zuverlässigkeit

15.10.2 Verfügbarkeit

15.10.3 Wartbarkeit

15.10.4 Sicherheit

15.11 Umweltaspekte

15.11.1 Reduzierte Staubentwicklung bei Stopfarbeiten

15.11.2 Lärmreduktion durch vollhydraulischen Stopfantrieb von System7

15.11.3 Biologisch abbaubares HydrauliköL

15.11.4 Hilfsgenerator

15.11.5 Photovoltaik

15.12 Notbetriebsarten

15.12.1 Redundanz der Antriebssysteme

15.12.2 Hydrauliknotpumpe

15.12.3 Hilfsantrieb bei Dieselmotorausfall

15.12.4 Überbrückung defekter Sensoren

FAZIT

Literaturverzeichnis

16 Zulassung von Gleisinstandhaltungsmaschinen

ZUSAMMENFASSUNG

16.1 Die Eisenbahnpakete

16.1.1 Das 1. Eisenbahnpaket

16.1.2 Das 2. Eisenbahnpaket

16.1.3 Das 3. Eisenbahnpaket

16.1.4 Das 4. Eisenbahnpaket

16.1.5 Horizont Europa

16.1.6 Shift to Rail

16.1.7 Nationale Sicherheitsvorschriften

16.2 Die Institutionen

16.2.1 Europäische Eisenbahnagentur

16.2.2 Eisenbahn-Bundesamt

16.2.3 Internationale Union der Eisenbahnen (UIC)

16.3 Zertifizierte Stellen und Einrichtungen

16.3.1 Notified Body

16.3.2 Assessment Body

16.3.3 Konformitätsbewertungsstellen

16.3.4 International zertifizierte Prüfstellen für Eisenbahnzulassungsmessungen

16.4 Regelwerk

16.4.1 Europäische Normung

16.4.2 Group Standards

16.4.3 Technische Spezifikationen für die Interoperabilität

16.5 Gesetzliche Grundlagen

16.5.1 Europäisches Recht

16.5.2 Nationales Recht

16.5.3 Europäisches Register genehmigter Fahrzeugtypen

16.5.4 Die Maschinenrichtlinie

16.5.5 Arbeitsschutz

16.5.6 Brandschutz

16.6 Zulassung von Oberbaumaschinen und Schienenfahrzeugen

16.6.1 Typgenehmigung und Genehmigung zum Inverkehrbringen von Fahrzeugen

16.6.1.1 Verfahren zur Ausstellung der EG-Prüferklärung

16.6.2 Zuständige Stelle für die Instandhaltung

16.6.3 Safety – Sicherheit

16.6.3.1 Sicherheitsnachweis Fahrzeug

16.6.4 Beispiel der Zulassung einer Bahnbaumaschine

16.7 Zulassungsmessungen

16.7.1 Sicherheit gegen Entgleisung

16.7.2 Fahrdynamische Prüfungen von Nebenfahrzeugen

16.7.3 Dynamische und statische Bremsversuche

16.7.4 Zulassungskosten

FAZIT

Literaturverzeichnis

17 Strategien der Gleisinstandhaltung

ZUSAMMENFASSUNG

17.1 Der Infrastrukturmanager und die Instandhaltungsstrategien

17.2 Problemstellungen der Planung und Koordinierung der Instandhaltung und des Zugverkehrs

17.2.1 Infrastrukturzugang und Planungsprozess

17.2.2 Strategische Probleme

17.2.2.1 Dimensionierung der Instandhaltung

17.2.2.2 Vertragsgestaltung

17.2.2.3 Dimensionierung und Lokalisierung von Wartungsressourcen

17.2.3 Taktische Probleme

17.2.3.1 Planung der Gleissperrungen für größere Bauvorhaben

17.2.3.2 Einsatzplanung für Oberbaumaschinen und Arbeitsteams

17.2.3.3 Planänderungen

17.2.4 Betriebliche Probleme

17.2.4.1 Planung von Instandhaltungsprojekten

17.2.4.2 Zeit- und Ressourcenplanung der Arbeiten

17.2.4.3 Gleisnutzungsplanung

17.3 Gleislageverschlechterung nach Instandhaltungsmaßnahmen

17.4 Modelle

17.4.1 Mechanistische Modelle

17.4.1.1 Mechanistisches Modell nach Sato

17.4.2 Statistische Modelle

17.4.2.1 Deterministische Modelle

17.4.2.1.1 KEY PERFORMANCE INDICATOR

17.4.2.1.2 FRAKTALANALYSE ZUR DETEKTION VON FEHLERURSACHEN

17.4.2.1.3 STATISTISCHES MODELL NACH DER KONVERGENZTHEORIE

17.4.2.1.4 VORHERSAGE VON EINZELFEHLERN

17.4.2.1.5 EXPONENTIELLE REGRESSION

17.4.2.1.6 VERSCHLECHTERUNGSRATE DER GLEISQUALITÄT

17.4.2.1.7 PROGNOSEMODELL AUF BASIS EXPONENTIELL VERLAUFENDER GLEISLAGEVERSCHLECHTERUNGSKURVEN

17.4.2.1.8 OPTIMIERUNG VON SPERRZEITEN FÜR STOPFARBEITEN

17.4.2.1.9 OPTIMIERUNG DER SCHICHTDAUER

17.4.2.1.10 OPTIMIERUNG DES INSTANDHALTUNGSZYKLUS

17.4.2.1.11 EXPONENTIELLE GLEISVERSCHLECHTERUNG ERGÄNZT DURCH STOCHASTISCHE VARIABLE

17.4.2.1.12 MEHRSTUFIGE REGRESSIONSMODELLE

17.4.2.1.13 MULTIVARIATE REGRESSIONSMODELLE

17.4.2.1.14 KLASSIFIZIERUNGSMODELLE

17.4.2.1.15 LOGISTISCHE REGRESSIONSMETHODEN

17.4.2.1.16 CLUSTERMODELLE

17.4.2.2 Wahrscheinlichkeitsmodelle

17.4.2.2.1 KONTINUIERLICHE WAHRSCHEINLICHKEITSVERTEILUNG

17.4.2.2.2 MARKOV’SCHE KETTEN

17.4.2.2.3 ANWENDUNG DES MARKOV-MODELLS BEI DER NORDAMERIKANISCHER BAHN

17.4.2.2.4 BAYES’SCHE MODELLE

17.4.2.3 Stochastische Modelle

17.4.2.3.1 MODEL-PREDICTIVE-CONTROL-ANSATZ

17.4.2.3.2 ZUFALLSWAHRSCHEINLICHKEITSVERTEILUNG

17.4.2.3.3 ZEITREIHENMODELLE

17.4.2.3.4 AUTOREGRESSIVES ZEITREIHENMODELL

17.4.2.3.5 GRAUWERT-MODELLE

17.4.2.3.6 PETRI-NETZE

17.4.2.3.7 ÜBERLEBENSMODELLE

17.4.3 Instandhaltungsmodelle mit Künstlicher Intelligenz

17.4.3.1 Künstliche neuronale Netze

17.4.3.1.1 FEHLERVORHERSAGE MIT NEURONALEM NETZWERK

17.4.3.1.2 NEURONALES NETZ ZUR BERECHNUNG DER GLEISLAGEVERSCHLECHTERUNGSRATE

17.4.3.2 Adaptive, neuronale Fuzzy-Interferenzsysteme

17.4.3.2.1 MODELLVERGLEICH ORE, MARKOV, NEURONALES NETZ UND NEURO-FUZZY

17.4.3.2.2 ADAPTIVES, NEURONALES FUZZY-INTERFERENZSYSTEM FÜR SPURWEITE

17.4.3.3 Decision-Support-Systeme

17.4.3.3.1 DECISION-SUPPORT-SYSTEM FÜR EISENBAHNSIGNALANLAGEN

17.4.3.4 Maschinenlernsysteme

17.4.3.4.1 SUPPORT-VEKTOR-MASCHINEN

17.4.3.4.2 RANDOM-FOREST-REGRESSIONSMODELLE

17.4.3.4.3 ANWENDUNG GENETISCHER ALGORITHMEN

17.4.3.4.4 SUPPORT-VEKTOR-MASCHINE ZUR VORHERSAGE DER GLEISLAGEVERSCHLECHTERUNG

17.4.3.4.5 SUPPORT-VECTOR-MASCHINE ZUR FEHLERERKENNUNG VON WEICHEN

17.4.3.4.6 RANDOM-FOREST-MODELL ZUR VORHERSAGE DER SPURWEITE

17.4.3.4.7 RANDOM-FOREST-MODELL ZUR VORHERSAGE DER GLEISLAGEVERSCHLECHTERUNG

17.4.4 Vergleich der Modelle der gewählten unabhängigen und abhängigen Variablen

17.5 Track Quality Indizes

17.5.1 Kanadische Methode

17.5.2 Methode »Straßenbahn Melbourne«

17.5.3 Schwedischer Gleisqualitätsindex

17.5.4 Der amerikanische Gleisqualitätsindex der FRA

17.5.5 Track Roughness Index (Amtrak)

17.5.6 Polnischer kombinierter Gleisqualitätsindex

17.5.7 Indischer kombinierter Gleisqualitätsindex

17.5.8 Chinesischer kombinierter Gleisqualitätsindex

17.5.9 Iranischer Gleisqualitätsindex

17.5.10 Österreichischer Gleisqualitätsindex

17.5.11 Gleisqualitätsindex von ProRail, Niederlande

17.5.12 Französischer Gleisqualitätsindex

17.5.13 Zusammenhang zwischen Gleisqualitätsindex und Powerdichtespektrum

17.6 Die Gleisgeometriefehlerberichtigung durch Stopfen

17.6.1 Verfehlter Strategieansatz: Reduktion der Stopfarbeiten

17.6.2 Die optimale Eingriffsschwelle für das Stopfen

17.7 Kombination von Gleisinstandhaltungsarbeiten

17.7.1 Kombination aus Stopfen mit Schleifen/Fräsen

17.8 Vergabe von Gleisbauarbeiten

17.8.1 Mehrjährig laufende Unternehmerverträge bei den ÖBB

FAZIT

Literaturverzeichnis

18 LCC und RAMS

ZUSAMMENFASSUNG

18.1 Lebenszykluskosten (LCC)

18.1.1 Formen der Investitionsrechnungen

18.1.1.1 Kapitalwertmethode

18.1.1.2 Annuitätenmethode

18.1.1.3 Interner-Zinssatz-Methode

18.1.2 Die verschiedenen LC-Kostenanteile bei der Bahn

18.1.2.1 Instandhaltungskosten

18.1.2.2 Erneuerungskosten

18.1.2.3 Betriebserschwerniskosten

18.1.2.4 Überstellkosten – Fahrkosten

18.1.2.5 Kosten der ungenutzten Lebensdauer

18.1.2.6 Verspätungs- und Verkehrsunterbrechungskosten

18.1.2.7 Umweltbezogene Kosten

18.1.2.8 Andere Kostenfunktionen

18.1.2.9 Externe Kosten

18.2 Life-Cycle-Management

18.3 RAMS

18.3.1 Bedeutung der Begriffe

18.3.2 Funktionale Sicherheit

18.3.3 Technische Spezifikationen Interoperabilität

18.3.4 Wichtige RAMS-Parameter

18.3.5 Vergleichende LCC für die Infrastruktur

18.3.6 Das österreichische Modell

18.3.6.1 Der Normkilometer

18.3.6.2 Normalisierte Jahreskosten

18.3.6.3 Einfluss der Liegedauerverlängerung

18.3.6.4 LCC von Weichen

18.3.6.5 Einfluss von Bauabschnittslängen/Sperrpausen

18.3.6.6 Einfluss von Bogenradien auf die LCC

18.3.6.7 Wirtschaftlichkeit besohlter Schwellen

18.3.7 Das Modell der SBB

18.3.8 Auswirkungen von Budgetrestriktionen

18.3.9 Ganzheitliches englisches LCC-Modell

18.3.10 LCC/RAMS im Bereich der Infrastruktur

18.3.11 Nachhaltigkeitsaspekte und LCC

18.3.12 Optimaler Abstand von Überleitstellen

18.3.13 LCC/RAMS für Schienenfahrzeugtechnik

18.3.13.1 Verfügbarkeit von Schienenfahrzeugen

18.3.13.2 Wartbarkeit von Schienenfahrzeugen

18.3.13.3 Zuverlässigkeit von Oberbaumaschinen

18.3.13.4 Verfügbarkeit von Oberbaumaschinen

18.3.13.5 Wartbarkeit von Oberbaumaschinen

18.3.13.6 Sicherheit von Oberbaumaschinen

18.3.14 Safety – Sicherheit von Bahnanlagen

18.4 LCC-Vergleich Schotteroberbau und Feste Fahrbahn

18.4.1 Möglichkeiten der Reduktion der Instandhaltungskosten

18.4.1.1 Verbesserungen der Infrastruktur

18.4.1.2 Verbesserungen am Rollmaterial

18.5 Ländervergleich

18.5.1 Railway Performance Index

18.6 Kostentreiber

18.7 Kostentabelle

FAZIT

Literaturverzeichnis

19 Umweltaspekte und ökologischer Fußabdruck

ZUSAMMENFASSUNG

19.1 Der Klimawandel

19.1.1 Der Anteil des Verkehrs an den Treibhausgasemissionen

19.1.2 Wachstum und Anteil des Schienenverkehrs

19.1.3 Die umweltfreundliche Bahn

19.1.4 Die Auswirkungen des Klimawandels auf die Eisenbahn

19.2 Die Vorhaben der EU – die Dekarbonisierung mit Hilfe der Eisenbahn

19.3 Dekarbonisierung beim Eisenbahnverkehr

19.3.1 Kreislaufwirtschaft

19.3.1.1 Laufzeitverlängerung von Hochgeschwindigkeitszügen

19.3.2 Maßnahmen beim Verkehrswegebau

19.3.3 Nachhaltigkeit von Systembahnsteigen in Betonfertigteil-Bauweise

19.3.4 Verwendung von Geokunststoffen

19.3.5 Bahnschwellen aus recyceltem Kunststoff

19.3.6 Fahrerassistenzsysteme

19.3.7 Energieeffiziente Fahrweise der Triebfahrzeuge

19.3.8 Bahnreise statt Kurzstreckenflüge

19.3.9 Gewichtsreduktion der Schienenfahrzeuge

19.3.10 Berechnung des Energiebedarfs von Zügen

19.3.11 Alternative Antriebe

19.3.11.1 Wasserstoffantriebe

19.3.11.2 Batterieantriebe

19.3.11.3 Hybridantriebe

19.3.12 Photovoltaikanlagen auf Bahngebäuden

19.3.13 Klimawandeleinfluss auf die Eisenbahn

19.3.13.1 Maßnahmen

19.4 THG-Emissionen bei Instandhaltungs- und Erneuerungsarbeiten

19.4.1 THG-Emissionen für den Transport

19.4.2 Typische Kennwerte von THG-Emissionen

19.4.3 Feinstaubemissionen

19.4.4 Entstaubungsanlage einer Bettungsreinigungsmaschine

19.4.5 THG-Emissionen der Infrastruktur

19.4.6 Landverbrauch

19.4.7 Gleisabwasserbelastung

19.4.8 Imprägnierte Schwellen

19.4.9 Vegetationskontrolle

19.4.10 Bahnlärm

19.5 Störungen und Auswirkungen des Bahnverkehrs auf Wildtierarten

19.5.1 Landschaftspflegerische Maßnahmen

19.6 Ökologischer Fußabdruck

19.7 Ökobilanz

19.8 Umweltbelastungspunkte – Methode der ökologischen Knappheit

19.8.1 Umweltbilanz Gleisumbau

19.9 Berechnung von THG-Kosten

19.9.1 THG-Kosten der Schienenoberflächenbearbeitung und des Schienenwechsels

19.9.2 Einfluss der Schienengüte auf THG-Emissionen

19.9.3 Externe Kosten der Bahn im Vergleich zur Straße

19.10 Informationssysteme für Umweltdaten

19.11 Reduktion von Lichtemissionen

19.12 Vogelschutz an Bahnoberleitungen

FAZIT

Literaturverzeichnis

20 Die Digitalisierung der Eisenbahn

ZUSAMMENFASSUNG

20.1 Die Bahn im Zeitalter der Industrie 4.0

20.2 Internet of Things

20.3 Building Integration Model

20.3.1 Instandhaltung von Eisenbahnen mit BIM

20.3.2 Strategien zur Einführung von BIM

20.3.3 LiDAR-Messsysteme

20.3.3.1 Airborne Laserscanning

20.3.3.2 Terrestrisches Lasercanning

20.3.3.3 Mobiles Laserscanning

20.3.4 Mobile Mapping zur Überprüfung des lichten Raums

20.3.5 Bestandsaufnahme von Strecken zur Bildung von BIM-Modellen

20.3.6 Bauablaufplanung mit BIM

20.3.7 Beispiel der BIM-Erstellung einer Weiche

20.3.7.1 Planungs- und Entwurfsphase von Weichen

20.3.7.2 Produktionsphase der Weiche

20.3.7.3 Vormontage der Weiche

20.3.7.4 Logistik für den Transport und Aufbau von Weichen

20.3.7.5 Einbau und Installation der Weiche

20.3.7.6 Betrieb und Instandhaltung von Weichen

20.3.7.7 Rückbau und Recycling

20.3.8 BIM und klassische Bahnvermessung

20.3.9 Digitale Erfassung der Gleisumgebung zur Erstellung von BIM-Modellen

20.3.10 Kosten-Nutzen-Verhältnis bei BIM-Anwendungen

20.3.11 Wie kann BIM weiterentwickelt werden?

20.4 Digital Twin

20.4.1 Die drei Phasen der Entwicklung eines Digital Twins

20.4.1.1 Modellierung der Systemkomponenten von DTs

20.4.1.2 Identifizierung und Auswahl der Modellierung virtueller Sensoren der Schlüsselkomponenten (Datensammlung)

20.4.1.3 Definition und Abgleich der Modellierungsparameter

20.4.1.4 Physikbasierte und datenbasierte Ansätze

20.4.2 Anforderungen an Digital Twins bei Eisenbahnanwendungen

20.4.3 Digital Twin in der Anwendung

20.5 Digital Twin für die Gleisinstandhaltung und den Betrieb der Eisenbahninfrastruktur

20.5.1 Fallstudie Metro Taipeh

20.6 Big Data

20.7 Maschinelles Lernen – Künstliche Intelligenz

20.8 Cloud and Cloud Computing

20.9 Zustandsmonitoring

20.9.1 Drahtlose Sensornetzwerke

20.9.2 Instandhaltungsstrategien

20.9.3 Zustandsmonitoring mobiler Anlagen

20.9.3.1 Zustandsüberwachung von Schienenfahrzeugflotten

20.9.3.2 Zustandsüberwachung von Güterwagen

20.9.3.3 Zustandsüberwachung eines Intermodal-Zuges

20.9.3.4 Schienenzustandserkennung mit Regelfahrzeugen

20.9.3.5 Zustandsüberwachung für Antriebssysteme

20.9.4 Zustandsmonitoring stationärer Anlagen

20.9.4.1 Temperaturmessung von Zugkomponenten

20.9.4.2 Radüberwachungsanlagen

20.9.4.3 Fernüberwachung von Weichen

20.10 Die Digitalisierung des rollenden Materials

20.10.1 Digitalisierung bei HGV-Zügen

20.10.2 Oberbaumaschinen auf dem Weg zum autonomen Betrieb

20.10.2.1 Voraussetzungen einer autonomen Maschine

20.10.2.2 Der Universal Tamper 4.0 auf dem Weg zum autonomen Arbeiten

20.10.2.3 Trendbasiertes Condition Monitoring

20.10.2.4 Ferndiagnose und Fernzugriff

20.10.2.5 Die Vollautomatisierung und Autonomie der Arbeit

20.10.2.6 Automatische Maschinenvorfahrt

20.10.2.7 Die Automatisierung des Stopfvorgangs

20.10.2.8 Die Automatisierung der Hebewerkzeugwahl

20.10.2.9 Deep Learning der Maschine

20.10.2.10 Digitaler Zwilling und Simulation der Stopfarbeit

20.10.2.11 Was bringt die Zukunft den Gleisinstandhaltungsmaschinen?

20.11 Die Digitalisierung im Infrastrukturbereich

20.11.1 Herausforderungen der Eisenbahninfrastruktur

20.11.2 Weichenassistenzsystem

20.11.3 Einschätzung von Branchenteilnehmern über den Stand der Digitalisierung

20.11.4 Gefahrenerkennung, Gefahrenabschätzung und Sicherheit von Bahnanlagen

20.11.5 Bildanalyse von Schotterproben

20.11.6 Bildanalyse von Weichenkomponenten

20.11.7 Hochgenaues Laserscanning

20.11.8 Smart Track – intelligente Überwachungstechnologie

20.11.9 Digitalisierung bei der Thermit-Schweißung

20.12 Schlüsselkompetenzen und Schulung der Digitaltechniknutzer

20.13 Datensicherheit

20.13.1 Rechtliche Basis

20.13.2 Methoden von Cyberangriffen

20.13.2.1 Der unbefugte Zugriff

20.13.2.2 Malware

20.13.2.3 Denial-of-Service

20.13.2.4 Phishing

20.13.2.5 Zero-Day-Angriff

20.13.3 Verteidigungsstrategien

20.13.4 Angriffe auf IoT-Geräte

FAZIT

Literaturverzeichnis

Empfohlene weiterführende Literatur

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Das Große Handbuch der Gleisinstandhaltung

Cover

Titelblatt

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Vorwort

Index

Index

Das Große Handbuch der Gleisinstandhaltung

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Vorwort

Das Große Handbuch der Gleisinstandhaltung erscheint wegen des Umfangs in zwei Bänden mit zahlreichen farbigen Abbildungen und ergänzenden Tabellen. Der vorliegende zweite Band umfasst dreizehn Kapitel: die Setzung des Gleises und seine Stabilisierung, Schotterabnutzung und Gleisreinigung, Schotterprofilierung, Verbesserung der Tragfähigkeit des Gleises, Instandhaltung der Oberleitung, Vegetationskontrolle, Kleingeräte und Sondermaschinen, Maschinentechnik und Zulassung von Gleisinstandhaltungsmaschinen, Strategien der Gleisinstandhaltung, LCC und RAMS, Umweltaspekte und ökologischer Fußabdruck und Digitalisierung der Eisenbahn.

Das Buch umfasst alle Aspekte in Theorie und Praxis des Neu- und Umbaus, der Instandhaltung des Schotteroberbaus und der Festen Fahrbahn.

Es richtet sich an Instandhalter: innen und Gleisbauer: innen, Bauingenieur: innen, Architekt: innen, Infrastrukturbetreiber: innen, Eisenbahningenieur: innen, Studierende der Eisenbahntechnik und des Bauingenieurwesens, fachlich an der Eisenbahn Interessierte oder beruflich anderweitig mit ihr Verbundene. Es ist als Handbuch und Nachschlagewerk konzipiert.

Der Autor möchte sich an dieser Stelle bei seiner Frau, Dr. Christina Wehringer, bedanken, die mit scharfem analytischen Verstand das Manuskript wiederholt gelesen, editiert und mich beraten hat. Dank gebührt auch Herrn Matthias Reihs, der das Buch layoutet und gesetzt hat. Seine Akkuratesse, seine Anregungen und ästhetische Gestaltung tragen wesentlich zur Qualität des Buches bei.

Ich möchte mich auch bei den zahlreichen Firmen und Personen bedanken, die mir Unterlagen, Abbildungen und Fotos freundlicherweise und unentgeltlich zur Verfügung gestellt haben.

Leider zeigten sich der Marktführer, Firma Plasser & Theurer, Export von Bahnbaumaschinen, Gesellschaft mbH, und die Firma Robel Baumaschinen GmbH nicht kooperativ, weswegen Abbildungen und Unterlagen diese Firmen betreffend nicht auf dem letzten Stand sind. Die Lesenden mögen dies entschuldigen.

Mit diesem Buch möchte ich einen Beitrag zur Entwicklung des Gleises und seiner Instandhaltung leisten. Mich selbst hat die Eisenbahn mit all ihren funkelnden, interessanten Facetten immer begeistert, und ich hoffe diesen Funken an andere weitergeben zu können.

Mai 2023

Bernhard Lichtberger

8 Die Setzung des Gleises und seine Stabilisierung

ZUSAMMENFASSUNG

Das endlos verschweißte Gleis dehnt sich im Sommer bei hohen Schienentemperaturen aus und wird durch die Einbettung in den Schotter daran gehindert seitlich auszuweichen und sich zu entspannen. Als Folge entstehen hohe Druckspannungen in der Schiene. Eine Entspannung des Gleises wird Verwerfung genannt und stellt ein Entgleisungsrisiko dar. Damit Verwerfungen vermieden werden, müssen Führungskräfte der Züge Grenzwerte einhalten und muss der Querverschiebewiderstand des Gleises einen entsprechenden Minimalwert aufweisen. Durch Instandhaltungsarbeiten, wie dem Stopfen oder Schotterreinigen, wird der Querverschiebewiderstand (QVW) deutlich herabgesetzt. Eisenbahningenieure errichten in diesem Fall Langsamfahrstellen – Restriktionen in Bezug auf die Fahrgeschwindigkeit der Fahrzeuge, um die Führungskräfte zu reduzieren. Maschinell setzt man zwei Verfahren zur künstlichen schnelleren Stabilisierung des Gleises ein: die dynamische Gleisstabilisation und die Zwischenfachverdichtung kombiniert mit der Vorkopfverdichtung.

Der Dynamische Gleisstabilisator (DGS) führt zu einer Setzung, die einer Zugbelastung von 80.000 bis 100.000 Lasttonnen entspricht. Stopfen reduziert den QVW um 50 bis 60 %. Der erniedrigte QVW nach dem Stopfen wird durch den DGS um etwa 30 % erhöht. Die Setzungen, die der DGS bewirkt, betragen ungefähr 30 % der vorangegangenen Hebung. Die Setzungen verschlechtern die Längshöhenqualität. Die Stabilisierung mit Zwischenfachverdichter bringt einen niedrigeren QVW-Gewinn, allerdings keine Einbuße an Gleisgeometriequalität.

Der QVW ist abhängig vom Gleisaufbau, dem Schotterquerschnitt und der Dichte der Lagerung der Schotterkörner unter den Schwellenauflagern.

Betonschwellen haben höhere QVW-Werte als Holzschwellen. Besohlte Betonschwellen weisen sehr hohe QVW-Werte und mehr Berührungskontakte mit den Schotterkörnern auf. Dies bewirkt eine Homogenisierung der Kraftableitung über eine Vielzahl von Schotterkörnern. Eine Verdopplung der Haltbarkeit der Gleislage ist die Folge. Zunehmend wird das Schotterverhalten mittels Diskrete-Elemente-Methoden (DFEM) simuliert. Diese Verfahren erfordern eine hohe Rechenleistung. Die einzelnen Schotterkörner werden mathematisch beschrieben oder durch gescannte Muster nachgebildet. Die Ergebnisse der FEM-Simulationen sind folglich praxisnah.

8.1 Der Gleisschotter

Der Gleisschotter ist das lastabtragende und lastverteilende Element vom Angriffspunkt der Kräfte über die Schienen und Schwellen in den Untergrund. Wäre Schotter homogen und gleichförmig, würden gleichmäßige Setzungen auftreten. Das ist nicht der Fall. Die Kräfte werden über die zufällig angeordneten Körner unterschiedlicher Größe, Form und Festigkeit übertragen. Die Kraftableitung ähnelt einem Wurzelwerk wie Bild 8.1 zeigt.

Bild 8.1: Stochastisch bedingte Kraftableitung über Schotterstruktur; Quelle: Autor nach [3].

Die dynamische Belastung der Schwellen durch zyklisch wiederkehrende Zuglasten führt zu einer Schotterabnutzung der unteren Korngrößen < 22,4 mm als Folge von Kornzertrümmerung und Abrieb.

Besohlte Schwellen weisen mehr Kontakte mit den Schotterkörnern auf, die Lastableitung wird homogener und verteilt sich gleichmäßiger. Die Folge ist eine langsamer verlaufende Setzung und eine längere Haltbarkeit der Gleislage. Die Kontaktflächen unbesohlter Betonschwellen betragen zwischen 1,5 und 2,8 % der Schwellenauflagerfläche. Bei besohlten Schwellen liegen diese zwischen 10 und 20 %. Unter zyklischer Last nimmt die Kontaktfläche weiter zu und die Kontaktkräfte nehmen ab.[1] Die Kontaktspannungen besohlter Schwellen liegen um den Faktor 3 bis 4 unter jenen unbesohlter Schwellen.

Die Eigenschaften der Schwellenbesohlung bleiben auch unter langer Lasteinwirkung erhalten. Nach 15 Jahren Betriebsdauer wurden besohlte Schwellen einer japanischen Eisenbahnlinie ausgebaut. Die mechanischen Eigenschaften blieben erhalten und wiesen mit neuen Sohlen vergleichbare Werte auf.[50]

Merksatz

Die groben Schotterpartikel und die übliche Höhe des Schotteraufbaus ergeben 6 bis 8 Gesteinslagen übereinander. Je geringer die Anzahl der die Schwellenunterseite berührenden Schotterkörner ist, umso zufälliger und inhomogener ist der abgeleitete Kraftfluss in den Unterbau. Dies bewirkt unterschiedliches Setzungsverhalten der Schwellen und ist die wesentliche Ursache der Längshöhenfehler.

8.2 Das endlos verschweißte Gleis

Das endlos verschweißte Gleis ( ausführliche Darstellung in Kapitel 6.6.15) wird bei der Neutraltemperatur verlegt. Bei dieser weist die Schiene einen neutralen Spannungszustand auf. Typische Neutraltemperaturen liegen in Europa zwischen 12 und 25 °C und hängen von den Minimal- und Maximaltemperaturen ab, die in der jeweiligen Region auftreten. Im Winter – bei niedrigen Temperaturen – will sich die Schiene zusammenziehen, wird aber über die Schwellen und Befestigungsmittel im Schotter festgehalten. Es treten Zugspannungen auf. Die Schienen neigen zu Brüchen.

Im Sommer – bei Schienentemperaturen bis zu 60 °C – hingegen möchte sich die Schiene ausdehnen und wird daran gehindert. Es treten Druckspannungen auf. Die Schiene strebt danach, sich wie ein langer Stab, auf den man sich stützt, auszuknicken. Die im Schotter liegende Schwelle und der gesamte Gleisrost verhindern dies, solange der horizontale Widerstand des Gleises eine ausreichende Sicherheit gegen die wirkenden Führungskräfte der Züge aufweist. Dieser Widerstand wird Querverschiebewiderstand genannt.

Ist der Querverschiebewiderstand nicht ausreichend, kommt es zu Gleisverdrückungen, Gleisverwerfungen und Zugentgleisungen. Gleisverwerfungen weisen Wellenlängen von etwa 20 m und Amplituden von einigen Dezimetern auf. Gleisverdrückungen sind Gleisrichtungsfehler mit Amplituden im Zentimeterbereich. Sie werden als thermische Gleislagefehler bezeichnet.[45] Gleisverdrückungen treten in Bereichen lokaler Reduktion des QVW auf, beispielsweise an weißen Stellen im Schotterbett (Bereiche starker Wechselwirkung zwischen Rad und Schiene – die Zerstörung des Schotters darunter zeigt sich in Form von austretendem Gesteinsmehl).

Für das sichere Befahren der Gleise ist ein ausreichender Querverschiebewiderstand (QVW) notwendige Voraussetzung.

Bild 8.2: Kritische Temperaturerhöhung über Neutraltemperatur versus seitlicher Verschiebung des Gleises; Quelle: Autor.

Bild 8.2 zeigt die kritische Temperaturerhöhung eines Betonschwellengleises versus der Neutraltemperatur. Übersteigt die Temperaturdifferenz Tb,max, kommt es zu einer Verwerfung. Das Gleis entspannt sich und springt spontan auf eine Gleisamplitude von etwa 35 cm. Bis zu einer Temperaturdifferenz von Tb,min ist das Gleis verwerfungssicher. Im Zwischenbereich können geringe Störungen zu einer Verwerfung führen (strichlierte rote Linie). Es gibt, wie die Abbildung zeigt, theoretisch zwei Punkte, auf die das Gleis entspannt zum Liegen kommt, der eine bei 6 cm und der andere bei 32 cm.

Ursprüngliche Neutraltemperaturen verändern sich mit der Zeit (bis zu 10 °C) durch:

 Schienenlängskriechen infolge Zugbeschleunigungen und Bremsungen in Steigungen;

 in engen Kurven durch Bogenatmung;

 als Folge von Instandhaltungsmaßnahmen wie Stopfen, Schienentausch, Schienenfehlerbehebung – Einsetzen von Schienenstücken; Schotterbettreinigung.

Merksatz

Das endlos verschweißte Gleis wird bei Neutraltemperatur verlegt. Temperaturen über der Neutraltemperatur führen zu hohen inneren Druckspannungen, Temperaturen darunter zu Zugspannungen. Zugspannungen erhöhen die Bruchwahrscheinlichkeit der Schiene, Druckspannungen verringern die Sicherheit gegen Verwerfung. Ein ausreichend hoher Querverschiebewiderstand garantiert die Sicherheit gegen Gleisverdrückungen und Gleisverwerfungen.

Der QVW ist abhängig vom Bogenradius, der Schwellenart und Gleisrichtungsfehlern. Geringe Abhängigkeiten existieren von der Längssteifigkeit und der Verdrehsteifigkeit des Gleisrahmens.[4,5]

8.3 Querschiebewiderstand

Der Querverschiebewiderstand eines Gleises ist vorrangig dem Widerstand der Schwellen gegen Verschieben im Schotter zuzuschreiben.

Der Gesamtwiderstand der Schwellen im Gleis setzt sich aus vier Teilwiderständen zusammen:

 Sohlreibung ist der Widerstand an der Schwellensohle, der von der Reibung zwischen Schotter und Schwellenunterseite und damit vom Reibwert und von der Auflast (Normalkraft) abhängt.

 Schwellenflankenwiderstand ist der Widerstand an den Schwellenflanken, der sich aus dem aktiven Schotterdruck gemäß der klassischen Erddrucktheorie ableiten lässt. Er ist abhängig von der Schütthöhe, der Dichte des Materials, dem spezifischen Gewicht des Schüttgutes und dem Reibungskoeffizienten zwischen Schüttgut und Schwellen.

 Vorkopfwiderstand entspricht dem passiven Erddruck der Bodenmechanik. Er wird erst dann wirksam, wenn die Schwelle bei Verschiebung gegen den Schotterkörper drückt. Er ist von der Schütthöhe (überhöhte Schulter), der Dichte, dem spezifischen Gewicht des Schüttgutes und vom Verschiebeweg der Schwelle abhängig.

 Torsionswiderstand des Gleisrahmens hängt von der von den Parametern Schwellenteilung, Art der Befestigungsmittel, Schwellenart und eingesetzten Schienen ab.

Der Widerstand an den Schwellenflanken und den Vorköpfen baut sich bei dynamischer Belastung der Züge nicht gleichzeitig auf. Die Reibung an den Schwellenflanken oder an der Sohle ist sofort vorhanden, der Widerstand am Vorkopf baut sich erst nach Bewegung und Druck der Schwellenstirnseite gegen den Vorkopf auf. Unter der Abhebewelle des rollenden Zuges verringert sich der Sohlreibungswiderstand der direkt betroffenen Schwellen um 50 %. Messungen zeigen,[45] dass von der Abhebewelle nur fünf aufeinanderfolgende Schwellen betroffen sind. Die drei inneren Schwellen weisen einen abgeminderten QVW von 44 % auf, die beiden äußeren Schwellen eine Reduktion um 72 %. Die Messungen ergaben angeregte Frequenzen der Schwelle unter 50 Hz. Die Frequenzanteile rührten von geometrischen Abmessungen der Fahrzeuge her (Wagenkastenlänge, Radsatzstand Drehgestelle und Radunrundheiten).

Der Querverschiebewiderstand ist abhängig vom Schottermaterial. Es gelten die folgenden Richtwerte:

 Rundkies ungebrochen

Reduktion 30 bis 35 %

 Rundkies gebrochen

wie Schotter Körnung 1

 Feinschotter (10 x 30)

Reduktion 5 bis 10 %

 Grobschotter (80 x150)

Erhöhung 20 %

 Überhöhte Schulter

Erhöhung 40 bis 60 %

Die angegebenen Werte beziehen sich auf gebrochenen »Normalschotter« mit Körnung 1 (20 x 60). Der QVW hängt, wie die Tabelle 8.1 zeigt, vom Schottermaterial und vom Untergrund ab.[49]

Tabelle 8.1: Querverschiebewiderstand verschiedener Schottermaterialien; Quelle: Autor nach [49].

Schotter

QVW (Harter Untergrund) (N/mm)

QVW (Weicher Untergrund) (N/mm)

Dunit

10,7

13,4

Granit

11,8

—

Um den QVW zu bestimmen, gibt es verschiedene Methoden:

 Jochverschiebemethode,

 Einzelschwellenmethode,

 maschinelle Gleisverschiebemethode und

 die Methode mit Entgleisungswaggon.

Allen Messungen ist eigen, dass die Schwelle oder ein Schwellenbereich verschoben und dabei Verschiebung und Kraft gemessen werden. Die gängigste Methode ist die Einzelschwellenmethode. Die Schwellverschraubungen werden gelöst und die Zwischenlagen entfernt. Auf einer Seite wird in die Schraublöcher ein Widerlager eingebaut. Ein Hydraulikzylinder mit Kraftmessdose stützt sich gegen die Schiene ab. Auf der anderen Seite misst ein Sensor den Verschiebeweg.

Bild 8.3 zeigt das typische Ergebnis der Messung einer Betonschwelle. Der Querverschiebewiderstand wird bezogen auf eine Schwellenteilung von 600 mm und in N/mm angegeben. Er wird standardmäßig bei 2 mm Verschiebung bestimmt. Die Tangente ke steht für den linearen elastischen Bereich. Bis 0,5 mm federt die Schwelle wieder vollständig in die Ausgangslage zurück. Ab dem Schnittpunkt S mit der Tangente kg kommt die Schwelle ins Gleiten. Wird die Kraft zurückgenommen, federt die Schwelle minimal zurück, bleibt aber um die Hysterese versetzt liegen.

Bild 8.3: Querverschiebewiderstand einer Betonschwelle; Quelle: Autor.

Tabelle 8.2: Zusammensetzung des Querverschiebewiderstandes für besohlte und unbesohlte Schwellen; Quelle: Autor nach [1].

Schwellenart

Sohlwiderstand

Flankenwiderstand

Vorkopfwiderstand

Total

Einheit

(N/mm)

(%)

(N/mm)

(%)

(N/mm)

(%)

(N/mm)

Beton unbesohlt

7,5

52

4

27

3

21

14,5

Beton besohlt

10

57

4

23

3,5

20

17,5

Tabelle 8.2 zeigt die Zusammensetzung des Querverschiebewiderstandes für besohlte und unbesohlte Betonschwellen. Den größten Anteil am Querverschiebewiderstand liefert der Sohlwiderstand, gefolgt vom Flankenwiderstand. Den geringsten Anteil weist der Vorkopfwiderstand auf. Die besohlte Schwelle weist einen um 21 % höheren Querverschiebewiderstand auf. Dies tritt auf, weil die Schotterkörner einen besseren Kontakt mit der Schwelle aufgrund der elastischen Besohlung haben.

Der QVW hängt von der Elastizität der Besohlung und damit der Berührfläche mit den Schotterkörnern ab.[51] Für die Abhängigkeit der Berührflächen der Schotterkörner mit der Besohlung und dem Querverschiebewiderstand gilt näherungsweise die folgende Beziehung:

Am wirkungsvollsten ist die Erhöhung des Sohlwiderstandes. Die Schwellenart beeinflusst durch Gewicht, Rauigkeit oder Form der Schwelle den Querverschiebewiderstand. Der mittlere Anteil des Flankenwiderstandes macht deutlich, wie wichtig eine ordnungsgemäße Einschotterung des Zwischenfaches ist.

Messungen, die mit einem Joch mit jeweils vier Schwellen durchgeführt wurden, weisen Unterschiede zur Einzelschwellenmethode auf,[37] wie Tabelle 8.3 zeigt.

Tabelle 8.3: Komponentenanteile am QVW; Quelle: Autor nach [37].

Komponenten

QVW (N)

QVW (N/mm)

QVW (%)

Sohle

1.600

2,7

27,1

Schwellenflanken

2.800

4,7

47,5

Vorkopf

1.500

2,5

25,4

Gesamt

5.900

9,8

100

Die Werte für die Sohlreibung sind niedriger als jene nach der Einzelschwellenmethode. Dieses Ergebnis weist der Zwischenfachverdichtung kombiniert mit der Vorkopfverdichtung eine erhöhte Wirksamkeit zu. In der Praxis ist die Sohlreibung ausgeprägter, da die Schwelle mit den Achsgewichten belastet wird und so den QVW bei Belastung erhöht, während die anderen Komponenten unverändert bleiben.

8.3.1 Der Querverschiebewiderstand verschiedener Schwellen

Wie Tabelle 8.4 zeigt, weisen Holzschwellen den geringsten Querverschiebewiderstand auf. Es gibt Sonderschwellen, die durch ihre Form (beispielsweise die Eder-Betonschwelle (Be19ae – QVW +24 %), die seitlich gezahnt war, oder die Ohrenschwelle von Schubert, die unter dem Schienenauflager in Gleislängsrichtung unbewehrte Betonfortsätze hatte (»Ohren«), eine Erhöhung des QVW bewirkten.

Tabelle 8.4:Querverschiebewiderstände verschiedener Schwellenarten; Quelle: Pospischil[48].

Bezeichnung

Holz (N/mm)

FFU Kunststoff[41] (N/mm)

Beton (N/mm)

Stahl (N/mm)

Biblock

B70

besohlt

SBB

Y[6]

Voll stabilisiert

8

15

17

15

18

9

10

Nach Stopfung

4,8

5,8

9,5

9

10

6

7,8

Die Rahmenschwelle von Rießberger bringt eine Lastaufteilung in Längsrichtung unter den Schienen und eine Vergrößerung des QVW.

Es ist bemerkenswert, dass es keine verbindlichen Mindestgrenzwerte für den Querverschiebewiderstand aus Einzelschwellen gibt. Nur von Pro Rail[25] wird ein Mindestwert für den QVW von 4 kN (6,7 N/mm) angegeben.

Schotterverklebung im Bereich des Vorkopfes erhöht den Querverschiebewiderstand um das Dreifache.[18]

Laboruntersuchungen wiesen nach, dass der Schotter abhängig von seiner Form und seinen Eigenschaften den QVW beeinflusst. Die Variation abhängig von der Schotterart beträgt im konsolidierten Zustand bis zu 20 %.

Weitgestufte Sieblinien des Schotters mit hohen Massenanteilen großer Schottersteine der Kornklassen > 40 mm, wenig Feinkorn, gedrungene Kornform sowie hohe Verschleiß- und Schlagfestigkeit wirken sich positiv auf den QVW aus.

Regenwetter reduziert den QVW um 19 bis 26 %.[1]

Versuche der Beschichtung der Schienen mit weißer Farbe bringen eine Senkung der mittleren Temperatur in den Sommermonaten von circa 5 °C. Allerdings hält die Wirksamkeit des Anstrichs nur einen Sommer lang vor – sie nimmt mit zunehmender Verschmutzung ab.

8.3.2 Erhöhung des QVW durch Sicherungskappen

In engen Bögen tendiert das Gleis bei hohen Schienentemperaturen zu Gleisverwerfungen. Zur Vermeidung werden bei Holzschwellengleisen Sicherungskappen an den Schwellen zur Erhöhung des Querverschiebewiderstandes entweder innenseitig oder beidseitig angebracht.[36] Für Gleise mit Holzschwellen und Rippenplattenbefestigung ergeben sich die in Tabelle 8.5 angegebenen Mindestradien für das lückenlose Verschweißen. Die Verbreitung des Schotterbettes an der Bogenaußenseite (D) ist eine weitere Maßnahme zur Erhöhung des QVW.

Tabelle 8.5: Mindestradien für Holzschwellengleise; Quelle: ÖBB.

Tabelle 8.6 gibt die bei der ÖBB üblichen Mindestradien für Betonschwellengleise an.

Tabelle 8.6: Mindestradien für Betonschwellengleise; Quelle: ÖBB.

D1 → Halbe Bettungsbreite

8.3.3 Querverschiebewiderstand und Instandhaltungsarbeiten

Bild 8.4 zeigt QVW-Werte nach verschiedenen Instandhaltungsmethoden. Gelb eingezeichnet sind die Bereiche der Unsicherheit. Umbau oder Reinigung des Gleises erniedrigt den QVW erheblich, weil neuer oder gereinigter Schotter ein loses Haufwerk bilden. Stopfen des Gleises erniedrigt den QVW ebenfalls deutlich. Der nur im Vereinigten Königreich eingesetzte Stone Blower bringt ins Gleis Kies kleiner Größe ein und senkt den QVW mindestens um 50 %. Mit Erniedrigung des QVW steigt die Verwerfungsgefahr an.

Wie kann dem entgegnet werden? Die klassische Methode ist die Einrichtung von Langsamfahrstellen, bis sich der Querverschiebewiderstand stabilisiert hat. Andere Methoden verwenden maschinelle Verfahren, wie den Dynamischen Gleisstabilisator oder Zwischenfachverdichter.

Warum hilft eine Erniedrigung der Fahrgeschwindigkeit? Weil die Züge geringere Führungskräfte ins Gleis einbringen.

Merksatz

Instandhaltungsmaßnahmen wie das Stopfen, Gleisneulage oder Schotterbettreinigung erniedrigen den QVW um 50 bis 60 %. Diese Reduktion ist sicherheitsrelevant. Der Sohlwiderstand und Flankenwiderstand der Betonschwellen, der Vorkopfwiderstand, die Verdrehsteifigkeit und der Längsverschiebewiderstand bestimmen den QVW. Schwellenarten, Schwellenformen, Besohlungen der Schwellen und Gesteinsart sind weitere Einflussfaktoren.

Bild 8.4: Beeinflussung des QVW durch Instandhaltungsmaßnahmen; Quelle: Autor.

8.3.4 Einflussfaktoren auf den Querverschiebewiderstand

Eine Verbreiterung der Schotterbettschulter um 10 cm erhöht den QVW um 4 bis 5 %. Der zusätzliche Schotter weist ein geringes Nutzen-Kosten-Verhältnis auf.

In manchen Ländern wird der Schotter am Vorkopf angehäuft (umgangssprachlich »Angsthaufen«). Durch die Steigerung des Bodendruckes ergibt sich eine Erhöhung zwischen 10 bis 15 % des QVW. Für Hochgeschwindigkeitsgleise empfiehlt sich diese Maßnahme wegen der Schotterflugproblematik nicht.

Eine weitere Möglichkeit ist die Verringerung des Schwellenabstandes. Eine Verringerung der Schwellenteilung von 1 cm schlägt mit einer Zunahme von 0,83 % zu Buche.[1]

Sicherungskappen (SIK) sowie Schwellenanker erhöhen den QVW. Sie werden an jeder 2. oder 3. Schwelle befestigt und vorwiegend in engen Bögen eingesetzt. SIK erhöhen den QVW um 30 %. Durch die Fläche des SIK, die einer Verschiebung entgegenwirkt, wird der Vorkopfwiderstand deutlich erhöht. Die Tabelle 8.7 gibt einen Überblick über die den Querverschiebewiderstand beeinflussenden Faktoren.

Tabelle 8.7: Einflussfaktoren auf den Querverschiebewiderstand; Quelle: Autor.

8.3.5 Schwellenhohllagen

Schwellenhohllagen beeinträchtigen die Sicherheit gegen Verwerfungen.

Bild 8.5 zeigt die Anzahl zulässiger hintereinander hohl liegender Schwellen abhängig vom Bogenradius.[39] Unter einem Bogenradius von 500 m darf ohne zusätzliche Maßnahmen zur QVW-Erhöhung keine Hohllage auftreten. Treten zusätzliche Temperaturerhöhungen, wie zum Beispiel durch Wirbelstrombremsen, auf, verschiebt sich die Kurve nach unten – das Verhalten wird kritischer.

Bild 8.5: Anzahl zulässiger hintereinanderfolgender Hohllagen abhängig vom Bogenradius; Quelle: Autor nach [39].

8.4 Der Längsverschiebewiderstand

Der Längsverschiebewiderstand (LVW) beeinflusst den QVW indirekt. Bei einer Verwerfung bewegen sich die Schwellen in Längsrichtung auf den Fehler zu. Der LVW wirkt dieser Bewegung entgegen. Der Einfluss des LVW auf die kritische Verwerfungstemperatur ist gering. Der Durchschubwiderstand der Befestigungen ist größer als der LVW der Schwellen im Schotter. Der LVW wird im Gegensatz zum QVW bei 10 mm Verschiebung gemessen. Er ist um 25 % größer als bei 2 mm, das heißt, er wird bei größeren Werten aktiviert.

Tabelle 8.8: LVW (10 mm) von verschiedenen Schwellentypen; Quelle: Autor nach [1].

Oberbauform

Oberbauzustand

Nicht stabilisiert (N/mm)

Voll stabilisiert (N/mm)

B90

13,9

18,6

B70 unbesohlt

14,2

21,0

B70 besohlt

15,7

22,9

Österreichische Betonschwelle

14,2

19,2

Schubert’sche Ohrenschwelle

14,0

19,0

Rießberger’sche Rahmenschwelle

67,4

89,8

Es gibt einen Zusammenhang zwischen dem QVW und dem LVW. Sie stehen in einem Verhältnis von näherungsweise

Für den Längsverschiebewiderstand gelten bezüglich der Widerstandskomponenten im Mittel die folgenden Angaben (Tabelle 8.9).[37, 38]

Tabelle 8.9: Aufteilung des LVW auf die verschiedenen Komponenten; Quelle: Autor nach [37].

Komponenten

LVW (N)

LVW (N/mm)

LVW (%)

Sohle

3.000

5,0

33

Schwellenflanken

5.000

8,3

54

Vorkopf

1.200

2,0

13

Gesamt

9.200

15,3

100

Schienendurchschub und Schwellenverdrehung leisten keinen nennenswerten Beitrag zur gesamten Längsverschiebung. Die maßgebenden Längsverschiebebewegungen führen die Schwellen im Schotter aus. Zwischen befahrenem und unbelastetem Gleis treten kaum Unterschiede auf. Längskraftdifferenzen gleicht das Gleis durch Kriechbewegungen selbsttätig aus. Der Effekt wird durch dynamische Belastung beschleunigt. Das reale Verhalten des Gleises ist gutmütiger als der vorschriftsgemäße Nachweis annimmt.[46]

8.5 Setzungsverhalten

Im Schotter führen plastische Deformationen, die durch die Verkehrsbelastung hervorgerufen werden, zu Setzungen und einer Verschlechterung der Gleisgeometrie. Die Setzungen sind das Resultat der Schotterverdichtung unter zyklischer Belastung. Die Verschlechterung der Gleislage reduziert die Sicherheit und den Fahrkomfort der Züge. Dies erfordert die Wiederherstellung der Gleisgeometrie durch maschinelle Berichtigungsverfahren wie dem Stopfen.

Der Feststoffanteil zwischen verdichtetem und nicht verdichtetem Schotter liegt (nur) in der Größenordnung von 1 %.[17]

Die Eisenbahnindustrie will Effizienz und Stabilität des Gleises verbessern und gleichzeitig die Instandhaltungskosten senken. Es ist daher wichtig, das mechanische Verhalten der Schotterbettung zu verstehen, damit die Verschlechterung vorhergesagt und Maßnahmen zur Stabilitätssteigerung ergriffen werden können. Zur Beschreibung des Setzungsverhaltens gibt es unterschiedlichste Verlaufsgesetze.

Tabelle 8.10: Verschiedene Setzungsmodelle; Quelle: Autor nach [7, 8].

Bild 8.6: Schematische Darstellung verschiedener Setzungszonen; Quelle: Autor nach [7].

Die Setzungskurven bestehen aus drei Zonen ( Bild 8.6).[7] In der ersten Phase findet die Anfangsverdichtung des Schotters statt. Diese Verdichtung dauert rund 200 Zyklen. Diese schnelle lineare Setzung ist mit der mechanischen Anfangsinstabilität des Schotters verbunden. Die zweite Phase zwischen 200 und 6.000 Zyklen ist durch ein Gleiten zwischen den Körnern und Umschichtungen derselben gekennzeichnet. Die Gesamtdichte des Systems nimmt zu. Der Verlauf in der 2. Zone ist stark nicht linear. Die anschließende 3. Zone über 6.000 Zyklen beschreibt langfristiges Verhalten. Die Verdichtung folgt einer langsamen und linearen Entwicklung. Dieser Bereich ist auf Abrieb und Bruch einzelner Körner zurückzuführen.[47]

Keines der Setzungsmodelle enthält Schwellen- und Schottereigenschaften, Schwellenteilung, Anregungsfrequenzen oder Schotterdicke als Parameter. Es ist anzunehmen, dass diese in der Praxis Einfluss auf die Setzung nehmen. Das ist eine Schwäche der mechanistischen Setzungsansätze.

Bild 8.7 zeigt die Setzung des Gleises unter verschiedenen Achslasten; die Belastungsfrequenz betrug 15 Hz. Dem Bild sind die drei Setzungszonen gut zu entnehmen. Zuerst der schnelle lineare Anstieg während der ersten Zyklen (rote Zone), gefolgt vom Bereich stark nicht linearer Setzung (orange Zone), ehe die Entwicklung linear weiterverläuft (grüne Zone). Wird die Achslast von 25 auf 30 t erhöht, setzt eine neuerliche Setzungsperiode ein, der wieder eine lineare Setzungsphase folgt.

Bild 8.7: Setzung des Schotters unter verschiedenen Achslasten; Quelle: Autor nach [9].

Merksatz

Die Setzung des Gleises verläuft nach logarithmischen Gesetzen. Die ersten Lastwechsel lösen die größten Setzungsvorgänge aus. Unregelmäßig verlaufende Setzungen erzeugen Längshöhenfehler. Achslasten, Vibrationen und Aufbau des Lockergesteins bestimmen das Setzungsverhalten.

8.6 Bodenverdichtung

Durch Verdichtung werden das Tragverhalten und die Stabilität eines Materials verbessert. Die natürliche Tragfähigkeit ist für die Ableitung hoher Lasten wenig geeignet. Untergrund und Schotter sollen unter statischen und dynamischen Lasten möglichst wenig verformt werden. Aus diesem Grund wird das Material mit geeigneten Geräten verdichtet. Bei der Bodenverdichtung werden die mit Luft und Wasser gefüllten Porenräume verringert ( Bild 8.8). Bei körnigem Gesteinsmaterial lagern sich die Partikel dichter an und verkleinern die Leerräume. Die Verdichtungswirkung hängt von den mechanischen und physikalischen Eigenschaften des zu verdichtenden Materials, seiner Feuchte und der Wahl des Verdichtungsgerätes ab.

Bild 8.8: Verdrängung des Wassers und der Luft aus den Porenräumen durch die Verdichtung; Quelle: TÜV Rheinland LGA Bautechnik[11]

Mit steigender Dichte erhöht sich die Tragfähigkeit. Bei bindigen Böden verhindert die Verdichtung die Wasseraufnahme. Der Untergrund muss eine gleichmäßige, dauerhafte und ausreichend große Tragfähigkeit aufweisen, nur dann ist er geeignet, die Lasten aus dem Eisenbahnverkehr aufzunehmen.[2]

Die Scherfestigkeit steigert sich durch Erhöhen der Lagerungsdichte und Verringern des Porenvolumens. Der größere Verformungswiderstand verringert ungleichmäßige Setzungen. Ein gesunder langlebiger Aufbau benötigt eine ausreichend dicke Schotterschicht (≥ 30 cm) und ausreichend dimensionierte Tragschichten. Zu diesen zählen Unterschotter-, Planums- und Frostschutzschichten. Es empfiehlt sich lagenweises Verdichten.

Feinkörnige bindige Böden werden hoch verdichtet, damit sie wenig Wasser aufnehmen und binden. Im Gegensatz zu Böden im Grobkornbereich werden die feinen Einzelkörner auch im trockenen Zustand durch Kohäsion zusammengehalten. Je größer und feiner die Feinkornanteile sind, desto mehr Wasser wird im Porenbereich gehalten. Grundsätzlich sind bindige Böden schwerer zu bearbeiten und zu verdichten.

Grobkörnige Schichten halten wenig Wasser, sind gut verdichtbar, weichen im feuchten Zustand nicht auf und sind frostsicher.

Die spezifischen Eigenschaften der Materialien unterscheiden sich durch den Gewichtsanteil verschiedener Korngrößen und Kornformen. Daraus ergibt sich die Art der Lagerung der Körner und die Form der Kornzwischenräume und der Anteil und das Verhalten von Wasser und Luft.

Bild 8.9: Kornverteilung – Kornklassen; Quelle: TÜV Rheinland LGA Bautechnik[11].

Die Kornverteilungskurven werden durch Siebung ermittelt ( Bild 8.9). Bei einem Feinkornanteil von mehr als 15 Gewichtsprozent spricht man von bindigen Böden. Enggestufte Böden weisen eine gleichförmige Körnung mit großen Poren auf, weitgestufte hingegen eine mehr oder weniger gleichmäßige Verteilung der verschiedenen Korngrößen und daher eher kleine Poren. Kennwert ist die Ungleichförmigkeitszahl U.

Eng gestuftes Material lässt sich nicht oder nur schwer verdichten. Weit gestuftes hingegen füllt durch Vibrieren oder Schlagen die Porenräume und erreicht so hohe Tragfähigkeiten.

Die Art der Lagerung wird durch die Lagerungsdichte – das Raumgewicht – bestimmt. Die Lagerungsdichte gibt an, wie viel Masse des festen Materials je Volumeneinheit im Material enthalten ist. Je höher das Raumgewicht, umso höher die Verdichtung und die Tragfähigkeit.

Bei geringem Wassergehalt sind bei gleicher Kornform die Reibungskräfte zwischen den Einzelkörnern groß. Dies ist mit einem hohen Verdichtungsaufwand verbunden. Ist der Wassergehalt zu hoch, kann ebenfalls nicht verdichtet werden, weil die Poren mit Wasser gefüllt sind. Nur bei einem optimalen Wassergehalt wirkt das Porenwasser bei Verdichtung wie ein Schmiermittel zwischen den Körnern.

Mit dem Proctorversuch (nach DIN 18127) kann der optimale Wassergehalt eines Schüttgutes bestimmt werden. Die so ermittelte Proctordichte bezeichnet die höchste unter definierter Verdichtungsarbeit erreichbare Dichte eines Bodens.

Tabelle 8.11 listet verschiedene Bodenarten und ihren möglichen Wassergehalt auf.

Tabelle 8.11: Wassergehalt verschiedener Bodenarten; Quelle: Autor.

Bodenarten

Wassergehalt (%)

Entfeuchtete Sande und Kiese

2–10

Schwachplastische Böden (tonige Sande, Schluffe, stark sandige Tone)

10–25

Plastische Tone

25–40

Hochplastische Tone

40–80

Organische Böden

50–80

Der Verdichtungsgrad eines Materials lässt sich wie folgt bestimmen:

Der Verdichtungsgrad wird in Prozent der beim Proctorversuch ermittelten maximal möglichen Dichte angegeben.

Tabelle 8.12: Proctordichte und Güte des Schüttmaterials; Quelle: Autor nach [10].

Proctordichte (g/cm3)

Eignung zum Verdichten

<1,6

Sehr schlecht

1,6–1,75

Schlecht

1,75–1,95

Ziemlich gut

1,95–2,1

Gut

>2,1

Sehr gut

Merksatz

Eine dichtere Lagerung körnigen Materials wird durch Bodenverdichtung mit schlagenden Kräften oder dynamischen vibrierenden Kräften bewirkt. Die Verdichtbarkeit des Materials hängt von der Größe und seinem Gemisch sowie der Feuchte ab. Die Verdichtung verkleinert die Hohlräume zwischen den Körnern und verdrängt das Wasser. Der Feststoffanteil (die Dichte) vergrößert sich. Eine Verdichtung des Materials geht immer mit Setzungen einher.

8.6.1 Unterschiede der lagenweisen Verdichtung zwischen Straßen- und Eisenbahnbau

Im Straßenbau wird eine möglichst hohe Verdichtung ohne Limit angestrebt. Der Belag wird, nachdem er verlegt worden ist, nicht mehr gestört. Im Idealfall hält er allen Beanspruchungen ohne Verformung stand. Das erfordert die Schichten auf eine möglichst hohe Dichte mit minimalen Hohlräumen zu bringen. Straßenzuschlagsstoffe sind daher fein abgestuft, mit genügend Feinpartikeln zur Verfüllung der Hohlräume zwischen den größeren Steinen. Die Verdichtung kann zu einer Zerkleinerung der Körner führen; das ist nicht nachteilig, weil es den Verdichtungsprozess unterstützt. Die Verdichtung erfolgt in Schichten zwischen 150 und 250 mm.

Eisenbahnschotter funktioniert in anderer Weise. Er hat eine offene Struktur, um die Entwässerung zu ermöglichen und die Feinanteile aufzunehmen, die durch den Schotterabrieb unter Verkehrslast entstehen. Die Schotterschicht hat eine begrenzte Lebensdauer. Diese Lebensdauer entspricht der Zeit, bis die Feinanteile alle Hohlräume verfüllt haben (in der Praxis mehr als 30 % Gewichtsanteil des Feinkorns). Der Hauptanteil der Deformation findet in der Schicht direkt unter den Schwellen statt.

Hohe Verdichtung und Tragfähigkeit des Untergrundes sind erstrebenswert. Die Verdichtung soll sich innerhalb von Grenzwerten bewegen, weil Steifigkeitsunterschiede in Längsrichtung zu starken Wechselwirkungen zwischen Rad und Schiene führen.[19]

Bild 8.10 zeigt die Abhängigkeit der Standardabweichung der Gleislängshöhenfehler von der Gleissteifigkeit. Geringe Steifigkeiten bewirken große Setzungen. Hohe Steifigkeiten führen zu geringen Setzungen. Unregelmäßige Setzungen entsprechen Längshöhenfehlern. Der grau melierte Bereich gibt den Streubereich zwischen Gleissteifigkeit und Standardabweichung der Längshöhe wieder.

Bild 8.10: Abhängigkeit der Standardabweichung der Längshöhe des Gleises von der Gleissteifigkeit; Quelle: Autor nach [44].

Merksatz

Die Gleichförmigkeit und die Höhe der Gleissteifigkeit spielen eine entscheidende Rolle in der Haltbarkeit der Gleislage. Steifigkeiten zwischen 70 und 100 kN/mm gelten als optimal. Sie entsprechen einer Einsenkung der Schiene unter einer 20-t-Achse von etwa 1,2 mm. Ist das Gleis zu weich, kommt es zu großen Setzungen und Gleislagefehlern. Ist es zu hart, dann treten Schotterzerstörung und starke Rad-Schiene-Wechselwirkungen auf.

Zu hohe Schotterdrücke führen zu vermehrtem Schotterbruch und Verschleiß. Die Schnellfahrstrecke Würzburg – Fulda der Deutschen Bahn wurde mit hoher Steifigkeit ausgeführt. Die mittlere Einfederung des Gleises unter 20 t Achslast betrug nur 0,8 mm. Im Betrieb traten nach kurzer Zeit weiße Stellen im Schotterbett auf (Hinweis auf Zermahlung des Schotters). In den ICE-Fahrzeugen war lautes Dröhnen hörbar. Erst der Einbau weicherer Zwischenlagen führte zur Verbesserung. Eine Einfederung unter 20 t Achslast von 1,2 mm kommt dem Optimum nahe. Gleissteifigkeiten von 70 bis 100 kN/mm gelten als optimal. Für Hochgeschwindigkeitsstrecken liegt das optimale Fenster bei 70 bis 80 kN/mm.

8.6.2 Statische und dynamische Verdichtung

Statische Verdichtung wird durch selbstfahrende oder angehängte Walzen durch Druck auf den Boden durchgeführt. Die Verdichtungsarbeit erfolgt durch Drücken und Kneten. Sie ist vom Eigengewicht und der Größe der Aufstandsfläche des Gerätes abhängig. Es gibt Glattmantelwalzen, Schaf- und Stampffußwalzen, Gummiradwalzen und Gitterradwalzen.

Bei dynamischen Geräten wird die Verdichtungsarbeit durch stampfende, rüttelnde oder schwingende Geräte bewerkstelligt. Dynamische Verdichtgeräte bearbeiten den Boden nicht nur durch ihr Gewicht, sondern auch auf den Boden einwirkende Wechselkräfte. Durch die Schwingungen wird die innere Reibung zwischen den Körnern vermindert. Die Bodenteilchen verändern ihre Lage, kleinere Körner wandern in den Porenraum. Das führt zur gewünschten dichteren Lagerung. Ein möglichst geringer Anteil von Wasser verbessert den Prozess. Dynamische Verdichtgeräte werden deshalb vor allem bei nicht bindigen Böden eingesetzt.