Feste Fahrbahn: Weg zu einer wirtschaftlicheren Bahn? · Seitenkraftaufnahme mit Anker in der BTS...

FG Schienenfahrwege und BahnbetriebProf. Dr.-Ing. Jürgen Siegmann

1Prof. Dr.-Ing. habil. J. Siegmann

Braunschweig, 06.10.2005

Prof. Dr.- Ing. habil. J. Siegmann

Feste Fahrbahn:Weg zu einer wirtschaftlicheren Bahn?



Grenzen des SchotteroberbausGrenzen des Schotteroberbaus

-- Gleisrost ist schwimmend im Schotter gelagertGleisrost ist schwimmend im Schotter gelagert(bei jeder Zugfahrt Gleislageverschlechterung, Folge unruhige(bei jeder Zugfahrt Gleislageverschlechterung, Folge unruhiger Fahrzeuglauf)r Fahrzeuglauf)

-- mit zunehmender Geschwindigkeit wmit zunehmender Geschwindigkeit wäächst die Streuung der Beanspruchungchst die Streuung der Beanspruchungund die Verformung des Gleisesund die Verformung des Gleises

-- infolge unterschiedlicher Elastizitinfolge unterschiedlicher Elastizitääten von Schotter und Untergrundten von Schotter und Untergrund-- da zahlreiche Schwellen nicht satt im Schotterbett liegen , sonda zahlreiche Schwellen nicht satt im Schotterbett liegen , sondern dern einseitig oder ganz an Schwellen heinseitig oder ganz an Schwellen häängenngen

-- durch Verkehrsbelastungen Kornumlagerungen und durch Verkehrsbelastungen Kornumlagerungen und KornverKornveräänderungennderungendes Schottersdes Schotters

-- hoher Fahrkomfort nur bei sehr hohem Instandhaltungsaufwand mhoher Fahrkomfort nur bei sehr hohem Instandhaltungsaufwand mööglichglich



Grundprinzip der Festen FahrbahnGrundprinzip der Festen Fahrbahn

Schotter als Schotter als lastverteilendeslastverteilendes Element wird durch anderes lagebestElement wird durch anderes lagebestäändiges ndiges Material wie Beton oder Asphalt ersetzt. Material wie Beton oder Asphalt ersetzt.

BetonBeton-- oder Asphaltplatten weisen unter reguloder Asphaltplatten weisen unter reguläären Bedingungen nur geringren Bedingungen nur gering--ffüügigegige plastische Verformungen auf.plastische Verformungen auf.

Die erforderlichen ElastizitDie erforderlichen Elastizitääten mten müüssen aufgrund der hohen Steifigkeit ssen aufgrund der hohen Steifigkeit vollstvollstäänn--digdig durch elastische Elemente unterhalb der Schiene oder Schwelle edurch elastische Elemente unterhalb der Schiene oder Schwelle eingebracht ingebracht werden. werden.



Feste Fahrbahn:

• Üblich: Gleisrost in Schotter: bewährt, flexibel, billig• Aber: nicht lagestabil, also instandhaltungsintensiv• Häufige und lange Sperrpausen für Stopfen und ggf.

Durcharbeitung• FF: Ersatz des Schotters als losen Steinhaufen durch Beton oder

Asphalt, teuerer im Bau, aber billiger in der Instandhaltung• Kostensumme = Baukosten + Betriebskosten =>LCC• Weniger Betriebspausen: höhere Verfügbarkeit, mehr verkaufte

Zugtrassen, mehr Trassenpreiseinnahmen



Bauart Bauart RhedaRheda::-- Gleisrost auf Betontragschicht abgelegtGleisrost auf Betontragschicht abgelegt-- Betonschwellen mit Spindeln in horizontaler und vertikaler RichBetonschwellen mit Spindeln in horizontaler und vertikaler Richtung justierttung justiert-- Gleisrost mit Bewehrung und FGleisrost mit Bewehrung und Füüllbeton in seiner endgllbeton in seiner endgüültigen Lage einbetoniertltigen Lage einbetoniert

RhedaRheda classicclassic

Mit Trog und EinblockschwelleMit Trog und Einblockschwelle



Bauarten der Festen Bauarten der Festen FahrbahnFahrbahn

Bauart ATD:Bauart ATD:Asphalttragschicht mit direkt Asphalttragschicht mit direkt aufgelagertemaufgelagertem Betonschwellengleisrost,Betonschwellengleisrost,Seitenkraftaufnahme Seitenkraftaufnahme üüber Quersockelber Quersockel-- hhööhengenaue Asphalttragschicht mit mittigem Querkraftsockelhengenaue Asphalttragschicht mit mittigem Querkraftsockel-- Auflegen der BetonschwellenAuflegen der Betonschwellen-- Gleisrost ausrichten und mit elastischer Kunststoffmasse Gleisrost ausrichten und mit elastischer Kunststoffmasse üüber Querkraftsockelber Querkraftsockelverklebt verklebt

Bauart BTD:Bauart BTD:Betontragschicht mit direkt aufgelagertem Betonschwellengleisrost,Seitenkraftaufnahme mit Anker in der BTShhööhengenaue Betontragschicht mit mittiger Lhengenaue Betontragschicht mit mittiger Läängsrillengsrillein Lin Läängsrille Klemmschuh fngsrille Klemmschuh füür Lagesicherung der Schwelle angeordnetr Lagesicherung der Schwelle angeordnetausgerichtete Gleisrost greift mit Klemmbausgerichtete Gleisrost greift mit Klemmbüügel in Klemmschuh eingel in Klemmschuh ein



Bestandteile Feste FahrbahnBestandteile Feste Fahrbahn

UnterbauUnterbau--Bodenuntersuchungen vor BauBodenuntersuchungen vor Bau

Frostschutzschicht (FSS) (Unterbau)Frostschutzschicht (FSS) (Unterbau)-- mindestens 70cmmindestens 70cm-- aus verwitterungsbestaus verwitterungsbestäändigen und frostsicheren Kiessandndigen und frostsicheren Kiessand-- weiche, weiche, bindigebindige und organische Bund organische Bööden austauschenden austauschen

Hydraulisch gebundene Tragschicht (HGT) (Oberbau)Hydraulisch gebundene Tragschicht (HGT) (Oberbau)-- typische Schichtsttypische Schichtstäärke 300mmrke 300mm-- Gemisch aus Mineralstoffen (Sand, Split), und Bindemittel (PortGemisch aus Mineralstoffen (Sand, Split), und Bindemittel (Portlandzemente)landzemente)-- Bindemittelgehalt mindestens 110 kg/m3Bindemittelgehalt mindestens 110 kg/m3-- Mindestbreite 3,80mMindestbreite 3,80m-- eingebaut mit Straeingebaut mit Straßßenfertigernenfertigern

BetonBeton-- oder Asphalttragschicht (BTS/ATS)oder Asphalttragschicht (BTS/ATS)

Betontrog, FBetontrog, Füüllbeton, Schwellenllbeton, Schwellen



Mit Trog und ZweiblockschwelleMit Trog und ZweiblockschwelleRhedaRheda classicclassic

RhedaRheda MMüünchennchen

Tragplatte ohne Trog mit ZweiblockschwelleTragplatte ohne Trog mit ZweiblockschwelleBetontragplatte und ZweiblockschwellenBetontragplatte und Zweiblockschwellenauf HGTauf HGT

RhedaRheda KarlsfeldKarlsfeld



BauartenBauarten

Bauart Bauart BBööglgl::-- FertigteilplatteFertigteilplatte



BauartenBauartenBauart Bauart ZZüüblinblin::-- in Frischbeton der BTS werden Schwellen entsprechend ihrer Sollin Frischbeton der BTS werden Schwellen entsprechend ihrer Sollgleislagegleislageeingereingerüütteltttelt

-- Schienenmontage nach AushSchienenmontage nach Aushäärtungrtung



BauartenBauarten

Bauart Walter:Bauart Walter:-- Asphalttragschicht mit direkt Asphalttragschicht mit direkt aufgelagertemaufgelagertem BetonschwellengleisrostBetonschwellengleisrost-- Seitenkraftaufnahme Seitenkraftaufnahme üüber Dber Düübelverbindungen in der Asphalttragschichtbelverbindungen in der Asphalttragschicht



Bau der Festen FahrbahnBau der Festen Fahrbahn


21Prof. Dr.-Ing. habil. J. SiegmannWG, 07.09.01

Forschung und Entwicklung zur FF an der TU Berlin

Dauerhaltbarkeit von DübelnErkennung ‚freiliegender‘ SchwellenOptimierung FF bzgl. Körper- und Luftschallemissionen in Labor und GleisLuftschallreduzierung an der FF mit AbsorptionselementenSimulation: Vertikale Wechselwirkungen bei der FF bei ZugüberfahrtLife Cycle Cost

.



Dauerhaltbarkeit von Dübeln

- Schäden an Dübeln, die Bestandteil von Schienenlagerungs-systemen sind (-> Probestrecke Waghäusel)

Probleme:

- nachträgliche Arretierung loser Schwellen mit Dübeln (-> NBS Berlin –Hannover)

Erfahrung: Trotz „guter“ Einbaubedingungen (z.B. Waghäusel) ist Dübel-technik für den Eisenbahnbereich noch nicht vollständig ausgereift.

Entwicklung / Prüfung:

- Reparaturanker für FF mit losen Schwellen (Prüfung auf Dauerbeanspruchung, Kriechverhalten, Wasserdichtigkeit, Haftzugfestigkeit, Berstversuch)



Erkennung „freiliegender“ Schwellen auf FF (1)

- lose Schwellen auf FF (Bsp.: NBS Hannover - Berlin)Problem:

- etliche Schwellen haben sich bereits gelöst- etwa 1000 Schwellen stehen unter Beobachtung

Schwellen lösen sich durch Rad-/Schienedynamik bei Zugüberfahrt, wenn Schwelle nicht vollständig untergossen ist-> Schwellen können sich bewegen

Vermutung / Erkenntnis:

Ziel: Frühzeitiges Erkennen von unvollständig untergossenen Schwellen



Erkennung „freiliegender“ Schwellen auf FF (2)

- nachträgliches vollständiges Untergießen der Schwelle per Injektion

Idee / Entwicklung:

-> Impulsanregung an der Schiene – Messung der Antwort im Schwellenbereich

Abhilfe:

-> Antwort abhängig vom Luftpolster unter der Schwelle

-> damit: Erkennung „freiliegender“ Schwellen

- Arretierung der Schwelle durch Reparaturanker



Optimierung der FF bzgl. Körper-/Luftschallemissionen im Labor und im Betriebsgleis (1)

Beispiel: Ermittlung der akustischen Eigenschaften durch Impulshammeranregung im LaborVergleich verschiedener Zwischenlagen



Optimierung der FF bzgl. Körper-/Luftschallemissionen im Labor und im Betriebsgleis (2)

MittelwertMeßabschnitt [dB(A)]

Referenzabschnitt mit originaler Zwischenlage 50,80

Versuchsabschnitt mit optimierter Zwischenlage 48,74

Verbesserung: 2,06 _Luftschall-Mittelwerte LTO,45 in dB(A) der auf 45 km/h bezogenen Einzelereignispegel LTO,45

Beispiel: Verifikation einer optimierten Zwischenlage durch Messung im Betriebsgleis (Luftschall, Tram)



Luftschallreduzierung an der FF mit Absorptionselementen (1)

a. Entwicklung / Optimierung im Labor (Messung von Absorptionsgrad im Impedanzmessrohr, Porosität, Strömungswiderstand)

b. Messung des Schallabsorptionsgrades im Hallraum



Luftschallreduzierung an der FF mit Absorptionselementen (2)

c. Verifikation im Betriebsgleis

d. Messung der Absorptionsfähigkeit nach längerer Liegedauer im Betriebsgleis



Simulation: Vertikale Wechselwirkungen bei der FF bei Zugüberfahrt (1)

existierten Modelle für SchO; Modell nicht auf FF übertragbar, Grund: unterschiedliche Konstruktionsprinzipien/Bauweisen

Bisher:

Entwicklung eines Gesamtmodells für FF mit:Neu:

- Simulation der Fahrzeug/Fahrweg-Wechselwirkung der FF in vertikaler Richtung und

- Berücksichtigung der Wechselwirkungen zwischen Fahrbahn und Fahrzeug in einem weiten Frequenzbereich bis 2000 Hz.




Modell des Systems Fahrzeug-Feste Fahrbahn

SchieneZwp

k1wz2k2

d1

d2

kp

wz1

dp

k1wz2k2

d1

d2

kp

wz1

dp

k1wz2k2

d1

d2

kp

wz1

dp

Ersatzmodell ...... ......wr

Ww3Ww4

uB2

WB2 Ww1Ww2 WB1

csz, dsz

cpz, dpz

v0

Fahrzeug

WC

ϕC

ϕB2 ϕB1 ∆z

WG, 10.09.01




-> Erfassung der Auswirkungen von veränderten Systemparametern (z.B. Zwischenlagen)

-> Beanspruchungsgerechte Dimensionierung der FF unter Berücksichtigung der dynamischen Radlasten bei Radunrundheiten

-> Simulation der Fahrwegbeanspruchung für die Erstellung einer Schädigungsprognose zur Ermittlung der LCC

Mit dem Berechnungsmodell für FF ist jetzt möglich:

Dimensionierung und Optimierung von FF-Bauarten durch Simulation mit:

Vergleich SchO und FF



• Rasengleis



• NBS Nürnberg - Ingolstadt



Hochgeschwindigkeitsweiche

• FF und Weichen



Abnahme der fertigen Strecke



AnforderungenAnforderungenSchallschutzSchallschutz-- erforderlich durch:erforderlich durch:

-- elastische Entkopplung von Schieneelastische Entkopplung von Schiene-- glatte Betonoberflglatte Betonoberflääche der Fahrbahnche der Fahrbahn

Signaltechnische ForderungenSignaltechnische Forderungen-- Signaltechnik bei Planung berSignaltechnik bei Planung berüücksichtigen und Freircksichtigen und Freirääume bei Planung ume bei Planung

berberüücksichtigencksichtigen

Elektrotechnische ForderungenElektrotechnische Forderungen-- FreirFreirääume fume füür die entsprechenden Einrichtungen vorsehenr die entsprechenden Einrichtungen vorsehen-- AbfAbfüührung der Oberleitungsenergie in den Bodenhrung der Oberleitungsenergie in den Boden-- Spannungsdifferenz zwischen umliegendem Erdreich und Schiene Spannungsdifferenz zwischen umliegendem Erdreich und Schiene maxmax 65 Volt65 Volt

(Ber(Berüührspannung durch den Menschen)hrspannung durch den Menschen)-- alle Bewehrungen und alle Bewehrungen und metallfmetallfüührendenhrenden Teile (BrTeile (Brüücken, cken, --gelgeläänder, Masten) sindnder, Masten) sindzu erdenzu erden



Vorteile Feste FahrbahnVorteile Feste Fahrbahn

-- im HGV stark reduzierte Instandhaltung gegenim HGV stark reduzierte Instandhaltung gegenüüber Schotteroberbauber Schotteroberbau-- hohe Gleislagestabilithohe Gleislagestabilitäät t

ruhiger Fahrzeuglauf, hruhiger Fahrzeuglauf, hööherer Komfortherer Komfort

-- engere Trassierungsparameter (grengere Trassierungsparameter (größößere ere ÜÜberhberhööhungen, kleinere Radien)hungen, kleinere Radien)-- bessere Mbessere Mööglichkeiten zur Verkehrsbglichkeiten zur Verkehrsbüündelungndelung

-- kleinere kleinere geometrgeometr. Querschnitte bei Erdbau und Br. Querschnitte bei Erdbau und Brüückencken-- geringere Belastung des darunter liegenden Erdkgeringere Belastung des darunter liegenden Erdköörpers durch Lastverteilungrpers durch Lastverteilungder Tragplatteder Tragplatte

-- doppelte bis dreifache Liegedauer wie Schotteroberbau (LCC)doppelte bis dreifache Liegedauer wie Schotteroberbau (LCC)-- hohe Betriebssicherheit durch hohen Querhohe Betriebssicherheit durch hohen Quer-- und Lund Läängsverschiebewiderstand ngsverschiebewiderstand -- Einsatz der Wirbelstrombremse mEinsatz der Wirbelstrombremse mööglichglich-- geringer Fahrzeugverschleigeringer Fahrzeugverschleißß durch gute Gleislagedurch gute Gleislage-- keine Schottersteine, kaum Vegetationkeine Schottersteine, kaum Vegetation-- ErhErhööhung der betrieblichen Verfhung der betrieblichen Verfüügbarkeit da weniger Instandhaltunggbarkeit da weniger Instandhaltung



Nachteile Feste FahrbahnNachteile Feste Fahrbahn

-- z. Zt. Noch hz. Zt. Noch hööhere Investitionskosten (1,5 fache des Schotteroberbaus)here Investitionskosten (1,5 fache des Schotteroberbaus)-- lläängere Herstellungszeit (30 Tage Abbinden des Betons)ngere Herstellungszeit (30 Tage Abbinden des Betons)--InvestitionsbetrInvestitionsbeträäge vom Staat fge vom Staat füür Infrastruktur. Bei gr Infrastruktur. Bei güünstigerer Instandsetzungnstigerer InstandsetzungSuboptimum fSuboptimum füür EIUr EIUbeschrbeschräänkt mnkt möögliche Anpassungsfgliche Anpassungsfäähigkeit an ein gehigkeit an ein geäändertes Betriebsbildndertes Betriebsbild

-- hhööhere Luftschallemission here Luftschallemission –– Abhilfe durch SchallabsorptionsbelAbhilfe durch Schallabsorptionsbeläägege

-- starre Tragschicht (Zementbetonfahrbahn) kann spontan reistarre Tragschicht (Zementbetonfahrbahn) kann spontan reißßenendabei stellt sich spontane Gleislageverschlechterung eindabei stellt sich spontane Gleislageverschlechterung ein

-- hhööhere Schhere Schääden und Instandsetzung bei Entgleisungen (lange Sperrpausen)den und Instandsetzung bei Entgleisungen (lange Sperrpausen)-- langdauerndelangdauernde Setzungen, Probleme in Zukunft (Maximum VerstellmSetzungen, Probleme in Zukunft (Maximum Verstellmööglichkeiten)glichkeiten)

-- geringe Kenntnisse geringe Kenntnisse üüber Langzeitverhaltenber Langzeitverhalten



LCC

• Gesamtkosten eines Neubau-km 5-20 Mio €/km (je nach Kunstbautenanteil)

• Anteil Oberbau Schotter je km 0,4 Mio €/km = 8-2%• Anteil Oberbau FF 1,0 Mio €/km = 20-5%• Jahreskosten durch FF ca 30% geringer• Break even bei >25 Jahren störungsfreier Betrieb der FF

ABER: Baufehler / Havarie



Havariekonzepte

• Bei Zerstörung des Betons: Ausbauen, Neuerstellung, Abwarten der Betonfestigkeit: 2 Monate Sperrpause???

• Wann müssen die einbetonierten Schwellen ausgewechselt werden?• Vorteile bei Platten: Trennen der Platten relativ einfach möglich,

Austauschen der Platten bei Reservevorrat schnell möglich

• Einzelplatten auch möglich als Ersatz von kontinuierlichen Betonplatten: Entfernung in definierten Plattenabständen, neue Verdübelung erforderlich.



SchallschutzSchallschutz



verschiedene Baurten

• Beispiele

Hochtief Heit & Woerner Crailsheim FFC



Fazit

Vorteile FF:• ++ für Tunnel und Brücken• ++ bei korrekter Bauausführung maschinelle Erstellung• auch auf Erdkörpern• Techniken sind in zwischen ausgereift• Weichen unproblematisch• Trassierungsvorteile

Nachteile:• nicht für komplexe Knoten• Lärmprobleme (5dB(A) höhere Schallabstrahlung als Schotter)



Feste Fahrbahn: Weg zu einer wirtschaftlicheren Bahn?

• Anteil an den Gesamt-Baukosten marginal• FF zeigt deutliche wirtschaftliche Vorteile bei korrekter Bauausführung• Und ´normalen´ Betriebsablauf• Probleme bei der Schadensbeseitigung bei Havarie

• Also: FF ist ein Beitrag zur wirtschaftlicheren Bahn, aber nicht der ´Stein der Weisen´

• Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.

Feste Fahrbahn: Weg zu einer wirtschaftlicheren Bahn? · Seitenkraftaufnahme mit Anker in der BTS...

Documents

Transcript of Feste Fahrbahn: Weg zu einer wirtschaftlicheren Bahn? · Seitenkraftaufnahme mit Anker in der BTS...