Verkehr 2 K4

• Bei hoher Geschwindigkeit kann die Grenze des stabilen Fahrzeuglaufs überschritten werden.
• Die resultierenden dynamischen Horizontalkräfte können zu einer seitlichen Verschiebung des Gleisrostes selbst auf gerader Strecke führen.
• A. Prud’homme entwickelte eine Gebrauchsformel, um die Gleisstabilität abschätzen zu können.

• Längskräfte durch verhinderte, temperaturbedingte Längenänderung der Schienen.
• Längskräfte durch Beschleunigen und Bremsen der Fahrzeuge.
• Längskräfte durch Schrumpfspannungen nach Schweissarbeiten.

• Sowohl im lückenlos verschweissten als auch im verlaschten Gleis entstehen Längsspannungen bei Temperaturveränderungen infolge vollständiger respektive teilweiser Behinderung der Längsdehnung.
• Um diese minimal zu halten, werden die Schienen bei der so genannten Neutralisationstemperatur verschweisst.
• Die Befestigung der Schiene auf der Schwelle setzt der Längsdehnung einen Widerstand in der Grössenordnung von 5 - 7 kN entgegen.

• Die Beschleunigungs- und Bremskräfte werden über die Schienen und den Oberbau abgeleitet.
• Bei der Beschleunigung treten vor der angetriebenen Achse Zug- und dahinter Druckkräfte auf. Diese Längskräfte, die 5% der temperaturbedingten Längskräfte üblicherweise nicht übersteigen, können vernachlässigt werden.
• Bei verzögerter Bewegung werden durch die gebremsten Räder ebenfalls Längskräfte übertragen.

• Schienenprofil
• Elastizität der Schienenbefestigung (insbesondere elastische Zwischenlagen)
• Schwellenauflagerfläche im Schotter
• Nachgiebigkeit des Schotterbettes
• Nachgiebigkeit des Unterbaus bzw. Untergrundes

• Flächenpressung direkt unter der Schwelle am grössten.
• Maximale Schubspannung in einer Tiefe von ca. 50 % der Schwellenbreite.
• Daher grösste Beanspruchung in einer Tiefe von 100 bis 200 mm.
• Nimmt nach unten nur langsam ab und beträgt beim Übergang vom Schotterbett zum Unterbau in etwa 300 mm Tiefe noch rund 70 % des Grösstwertes, in 500 mm Tiefe noch etwa 50 %.
• Wird zulässige Schubspannung überschritten, so tritt ein Grundbruch auf; Hochsteigen des Materials in den Schotter führt.

• Ein grösseres Schienenprofil setzt die Beanspruchung herab.
• Eine Verbreiterung der Schwelle hat auf die Beanspruchung des Unterbaus direkt unter der belasteten Schwelle kaum einen Einfluss.
• Eine Verlängerung der Schwelle hat einen grossen Einfluss auf die Spannungen im Unterbau.
• Den grössten Einfluss hat die Schwellenteilung. Das Verhältnis Schwellenabstand zu Schotterbetthöhe wirkt sich entscheidend auf die Lagebeständigkeit der Bettung aus.

• Aus Gründen des erhöhten Fahrkomforts und des geringeren Verschleisses werden Gleise, wenn möglich, lückenlos verschweisst.
• Schienen quasi endlose Stäbe, welche auf den Schwellen aufliegen.
• Nebst der Tragwirkung dieser Fahrbahn muss daher auch deren Lagestabilität hinsichtlich temperaturbedingten Längskräften sichergestellt sein.
• Kritisch generell: Spannungsspitzen.
• Entscheidenden Einfluss haben die Temperaturänderungen.
• Besonders gefährdet sind enge Kurven.

• Als Gleisverwerfung wird das horizontale oder vertikale Ausknicken des Gleisrostes bezeichnet.
• Die Ursache sind zu hohe Längsdruckkräfte infolge hoher Temperaturen im Sommer.
• Die klassische Gleisverwerfung stellt sich meistens unmittelbar unter dem fahrenden Zug ein.
• Sie führt fast immer zur Entgleisung.

• Lückenlos verschweisstes Gleis auf Holz- oder Betonschwellen.
• Durgehendes Schotterbett.
• Konstanter Längsverschiebewiderstand des Gleises im Schotterbett.
• Gleichmässige Erwärmung bzw. Abkühlung des Gleises.

• Kraftschlüssige, verdrehungssteife Schienenbefestigung für möglichst hohe Rahmensteifigkeit des Gleisrostes.
• Genügend mächtiges Schotterbett ermöglicht gleichmässige Lagerung des Gleises.
• Verbreiterung und Erhöhung der Schotterbettflanken, um hohen Querverschiebewiderstand aufbauen zu können.
• Stabile Untergrundverhältnisse: Setzungen oder Rutschungen des Bahnkörpers können das Kräftegleichgewicht örtlich derart stören, dass die Lagestabilität gefährdet wird.
• Stellen, die als Fixpunkte wirken können wie Bahnübergänge, Brücken, Wechsel der Oberbauform (Schotter – Feste Fahrbahn), vor denen sich ein Kräftestau aufbauen könnte, müssen sorgfältig untersucht werden.

• Zum Zeitpunkt der Schlussschweissung muss die Schiene die geforderte Neutralisationstemperatur Ts aufweisen: 25 ± 3°C [Schweiz – Hauptgleis], 28 ± 3°C [Tessin (südlich Biasca)], 20 ± 3°C [Mitteleuropa / BRD]
• Die Festlegung der Neutralisationstemperatur hat das Ziel, über den ganzen Jahrestemperaturverlauf hinweg keine kritischen Spannungen im Gleis entstehen zu lassen.
• Die Neutralisationstemperatur ist dabei etwas höher als das Mittel zwischen den lokalen Extremtemperaturen.
• Neutraltemperatur ist jene Temperatur, bei welchem das Gleis effektiv spannungsfrei ist; liegt empirisch unter der Neutralisationstemperatur.

• Ausgangstemperatur der Schienen darf nicht unter 0° C liegen.
• Es sind 40 m lange Festpunkte einzurichten, die beim Verspannen auf Lageänderungen zu überwachen sind.
• Alle 50-60 m sind Markierungen an Schwellen und Schienen mit den jeweils errechneten Verschiebungen anzuzeichnen.
• Die Summe der errechneten Verschiebungen zusammen mit der zum Schweissen erforderlichen Lücke ergibt die zwischen den spannungsfrei liegenden Schienen vorzubereitende Schweisslücke.
• Sind die Schienen in der vorgeschriebenen Länge gedehnt, können die Befestigungen angezogen und die Schweissung kann vollzogen werden

Querverschiebewiderstand w ist definiert als seitlicher Widerstand pro Längeneinheit, welchen das Geleise einer Verschiebung aus seiner Soll-Lage entgegensetzen kann [N/mm].

Abhängigkeiten:

• Schwellenart (Werkstoff, Gewicht, Form, Abmessungen),
• Bettung (Verdichtung, Kornzusammensetzung, Einschotterungsgrad),
• Grösse der Abhebewelle des Gleisrostes bei Belastung.

Anteile:

• Sohlreibung 45 - 50 %
• Vorkopfwiderstand 35 - 40 %
• Schwellenflankenwiderstand 10 - 15 %

• Zum Ersten reduziert sich die Reibung zwischen Schwellenunterseite und Schotter unter der Abhebewelle drastisch (20 – 40 %).
• Zum Zweiten wird der gesamte Widerstand des Gleisrostes infolge der Vibration unter dem fahrenden Zug herabgesetzt (10 – 20 %).

• Bei einer Gleisdurcharbeitung wird der Schotter aufgelockert und damit der Querverschiebewiderstand verringert.
• Bei neu verlegten Gleisen ist der Querverschiebewiderstand am geringsten und dadurch die Gefahr einer unkontrollierten Verschiebung am grössten.
• Die horizontale Beanspruchung darf daher nur in Abhängigkeit der Zunahme des Gleisverschiebewiderstandes gesteigert (Geschwindigkeitsbeschränkung während erster Betriebszeit).
• Ungeeignete oder nicht mehr spannungshaltende Befestigungen können die Rahmensteifigkeit auf die Hälfte bis ein Viertel herabsetzen.

seitliche Steifigkeit durch:

• Verdrehwiderstand zwischen Schiene und Schwelle in der Schienenbefestigung
• Durchschubwiderstand zwischen Schiene und Schwelle, ebenfalls in der Befestigung
• seitliches Trägheitsmoment der beiden Schienen
  • Für die horizontale Rahmensteifigkeit kann das mittels Versuchen bestimmte Ersatzträgheitsmoment Ie des Gleisrostes angesetzt werden.
  • Bei einer spannungshaltenden Schienenbefestigung und Normalspur sowie 60 – 65 cm Schwellenabstand beträgt das Ersatzträgheitsmoment das Zwei- bis Dreifache des horizontalen Trägheitsmomentes Iy der beiden Schienen.
  • Gelockerte oder nicht spannungshaltende Schienenbefestigungen führen zu einer Reduktion der Rahmensteifigkeit.

• Ein Gleis unter temperaturbedingtem zentrischem Druck stellt in erster Näherung statisch einen Druckstab dar.
• Im Gegensatz zu den Knickvorgängen an einfachen Druckstäben wirkt aber das Eigengewicht einer vertikalen Abhebung des unter Druck stehenden Gleisrostes aktiv entgegen.
• Eine horizontal ausweichende Bewegung behindert der Querverschiebewiderstand passiv.
• Zwei Berechnungsansätze: Differentialgleichung der elastischen Biegelinie und die sogenannte Energiemethode nach H. Meier.

• Mit der Differentialgleichung der elastischen Biegelinie können die Stabilitätsverhältnisse von Gleisen unter Einwirkung von thermischen Druckkräften unter den tatsächlich vorhandenen Bedingungen behandelt werden.
• Sie ist eine nichtlineare Differentialgleichung vierter Ordnung und enthält im Wesentlichen die aus Versuchen gewonnenen resp. empirischen Funktionen für den Querverschiebewiderstand und den Verdrehwiderstand.
• Die Veränderlichkeit von Querverschiebewiderstand, Verdrehwiderstand und horizontale Gleissteifigkeit während des Knickvorgangs führen zu äusserst komplexen Randbedingungen.

• Bereits in der Ausgangslage eine definierte Störung der Gleislage gegenüber der geometrisch genauen Anfangslage
• Fiktive Rechengrösse des Gleisfehlers f hängt vom Gleiszustand ab.
• Bei gutem Gleiszustand kann der Wert f = 15 - 20 mm und bei schlechtem Zustand f = 20 - 25 mm angesetzt werden.
• Darauf basierend werden sogenannte Energiewerte verglichen.
• Die zur Erzeugung der Störung notwendige Energie wird verglichen mit derjenigen, die bei der Störung aufgrund der vorhandenen Druckkraft frei wird.
• Ausknicken tritt ein, sobald das Freiwerden an Energie überwiegt.

Beansprucht wird die Fahrbahn durch:

• die über das Schienenrad in den Schienenkopf eingeleiteten Vertikal- und Horizontalkräfte
• Umwelteinflüsse wie Temperaturänderungen, Feuchtigkeit und Vegetationswuchs

Fahrbahn muss zudem so konzipiert sein, dass sie die
projektierte geometrische Soll-Lage möglichst gut und
andauernd beibehält.

• Oberbau:Schienen, Schienenbefestigung, Schwellen, Schotter
• Unterbau: Fundationsschicht Kies-Sand
• Untergrund: gewachsener Boden und Fels

• Der schichtartige Aufbau der Fahrbahn dient dazu, die Verkehrslasten so zu verteilen, dass die zulässigen Höchstwerte der Schotterpressungen unter der Schwelle und die zulässigen Bodendruckspannungen unterhalb des Planums nicht überschritten werden.
• Kräfte werden durch die elastische Lagerung des Gleises auf mehrere Stützpunkte verteilt.
• Stützpunkte sind so aufgebaut, dass die Kraft bei jeder Gleiskomponente auf immer grössere Fläche verteilt werden kann.

• Die Höhe des Schotterbettes ist darauf auszurichten, dass vertikale Druckkräfte gleichmässig auf den Unterbau übertragen werden.
• Die Bettungsstärke wird von Unterkante Schwelle bis Oberkante Unterbau gemessen.
• In Kurven mit weniger als 30 mm Überhöhung wird die Höhendifferenz der beiden Schienen durch unterschiedliche Bettungsstärken erreicht.
• Bei stärkerer Überhöhung wird auch das Planum angepasst.

Vorteile

• Der Schotteroberbau ist kostengünstig bei der Erstellung und ist eine vorteilhafte Bauform bei schlechtem Untergrund.
• Er lässt sich einfach umbauen und ist unempfindlich bei Entgleisungen, sodass er Lärm- und Erschütterungsdämmung bietet.

Nachteile:

• Abhängig von der Streckenbelastung muss der Schotter gereinigt und teilweise ersetz werden.
• Im Hochgeschwindigkeitsverkehr kann es durch die Sekundärdurchbiegung zu einer Verriffelung der Schienen kommen, was zu einer Schallpegelerhöhung um 10 dB führt.

• Aus technischer Sicht auch auf HGV-Strecken eine Schotterfahrbahn möglich.
• Investitionskosten der FF müssen < 30 % höher als bleiben
• Massnahmen zur Untergrundverbesserung oft 2 bis 2.5 Mal teurer als bei Schotterfahrbahn
• Mehrkosten müssen durch kunstbautenärmere Trassierung kompensierbar sein.
• Vorteilhaft in Tunnels, da Untergrund fest; D / A: Feste Fahrbahn ab 500 m, CH: Feste Fahrbahn ab 1000 m
• Feste Fahrbahn auf langen Brücken auch vorteilhaft, bedingt Vorkehrungen zum Ausgleich der Längsdehnungen.
• Feste Fahrbahn bis heute Sonderbauform (< 2 % des Streckennetzes).

Schiene ist gleichzeitig Trag-/Führungssystem und Fahrbahn. Sie unterliegt:

• Statischen und dynamischen Kräften
• Abnützung durch den Rad-Schienen-Kontakt
• Witterungseinflüssen
• Eigenspannungen infolge Walzen und Richten

• Geringe Flächenpressungen (Rad/ Schiene) durch günstige Formgebung und breite Lauffläche.
• Ausreichender senkrechter Abnützungsspielraum am Schienenkopf.
• Genügende Stegdicke für grosse Tragfähigkeit, Biegesteifigkeitm und ausreichende Tragfähigkeit bei Rostbildung.
• Breiter Fuss für gute Standsicherheit und geringe Flächenpressung; genügende Dicke für Steifigkeit und Reserven bei Rostbildung.
• Grosses vertikales Widerstandsmoment, durch grosse Schienenhöhe und grossem Kopf- bzw. Fussquerschnitt.
• Hohes Widerstandsmoment gegen horizontale Kräfte.
• Hohe Kippsicherheit durch günstiges Verhältnis zwischen Höhe und Fussbreite.
• Schwerpunkt möglichst in halber Schienenhöhe.
• Möglichst grosse Ausrundungsradien für günstige Spannungsverteilung sowie einfache Herstellung (Walzen).

Bei Anlagen des öffentlichen Verkehrs sind die Umsteigezeiten aufgrund des Fahrplanes gegeben und sollen von möglichst allen Fahrgästen auf akzeptable Weise einhaltbar sein.

• Hier sind deshalb nebst dem Mittelwert zusätzlich die Streuungen der Geschwindigkeit zu betrachten.
• Die Fussgängergeschwindigkeiten sind näherungsweise standardverteilt, mit einer Standardabweichung von 19.3 % des Mittelwertes.
• In Funktion des Anteils der Fahrgäste, welche innert der gegebenen Zeit den Anschlusszug erreichen sollen, ist die Bemessungsgeschwindigkeit abzumindern.
• Welche Unterschreitenswahrscheinlichkeit gewählt wird, ist eine Ermessensfrage.
• Im allgemeinen dürfte eine um 1.0 bis 1.5 reduzierte Geschwindigkeit angemessen sein.
• Diese gestattet rund neun von zehn Fahrgästen das Erreichen der Anschlusszüge mit üblichem Geschwindigkeitsverhalten.

• In der Schweiz werden international standardisierte Schienenprofile UIC 54E (SBB IV) und UIC 60 (SBB VI) eingesetzt.
• Bei Geschwindigkeiten über 160 km/h ausschliesslich das Profil UIC 60.
• Regellänge der Schiene wird bestimmt durch die Transport- und die Lagermöglichkeiten sowie Einbauwerkzeuge.
• Regellänge der Schweizer Normalspurbahnen beträgt 36 m.
• Meterspurbahn Lieferlängen von 60 m, 30 m, 18 m oder 15 m gebräuchlich.

• Soll der Fahrweg auch von Strassenfahrzeugen genutzt werden, z.B. beim Tram oder bei Industriegleisen, so werden Rillenschienen verwendet.
• Rillenschienen für Strassenbahnen sind stärker ausgebildet, als dies aus statischen Gründen erforderlich wäre.
• Die grosse Höhe des Steges wird benötigt, um die Spurstangen zu befestigen.
• Tiefe der Rille hängt von der Form des Spurkranzes ab.
• Rillenschienen werden in Längen von 15 - 36 m geliefert (Regellänge: 18 m).
• Die Festigkeit beträgt normalerweise 700 - 900 N/mm2.
• Gebräuchlichstes Profil ist das Profil Ri 60.

Schienen werden üblicherweise im “naturharten” Zustand ausgeliefert (mehr oder weniger über die ganze Höhe die gleiche Härte).

Drei Güteklassen von Schienen:

• Regelgüte (Zugfestigkeit ca. 680 N/mm2),
• Verschleissfeste Güte (Zugfestigkeit ca. 860 N/mm2),
• Hochverschleissfeste Sondergüten (bainitisch): Insbesondere in Kurven (Radien < 600 m) nimmt der Verschleiss deutlich zu, weshalb hier und bei stark belasteten Strecken hochverschleissfeste Sondergüten (Zugfestigkeit > 1080 N/mm2) zum Einsatz kommen.

Zum Vergleich: Baustahl hat Zugfestigkeiten < 500 N/mm2.

• Der Stahl wird auf der Stranggiessanlage zu Vorblöcken gegossen.
• Die Vorblöcke werden vor der weiteren Verarbeitung auf eine Walztemperatur von ca. 1280 C° gebracht.
• Im Walzwerk durchläuft das Walzgut mehrere verschieden geformte Walzen.
• Aus einem Vorblock entsteht so in 12-20 Walzgängen eine bis zu 120 m lange Schiene
• Auf dem Kühlbett langsam und möglichst gleichmässig abkühlt
• Nach dem Abkühlen auf ca. 60 C° sind die Schienen horizontal und vertikal zu richten.

• Fang- und Leitschienen dienen dazu, im Falle einer Entgleisung das Rollmaterial daran zu hindern, die Gleisanlage seitlich zu verlassen.
• Leitschienen werden in engen Kurven eingesetzt, um ein Aufsteigen des bogenäusseren Rades zu verhindern.
• Fangschienen werden beispielsweise auf Stahlbrücken eingesetzt, um die Stahlkonstruktion im Falle einer Entgleisung zu schützen.

• Elastische Lagerung der Schiene auf der Schwelle (Verschleiss, Fahrkomfort, Lärm).
• Gute Spurgenauigkeit und Spurhaltung.
• Gute Lastverteilung, nicht zu hohe Kantenpressungen.
• Hoher Durchschubwiderstand.
• Hohe Verdrehungssteifigkeit des Systems Schiene- Schwelle.
• Möglichkeit zur elektrischen Isolation.
• Einfache Montage und Demontage.
• Eignung für mechanisiertes Verlegen.
• Korrosionsbeständigkeit.
• Verwendbarkeit in Gleisen und Weichen.

• Direkte Befestigung: mit/ohne Unterlagsplatte -> mit/ohne Klemmplatte
• Indirekte Befestigung: mit Unterlagsplatte -> mt/ohne Klemmplatte

• Zwei bewegliche, verstellbare Zungen ergeben zusammen die Zungenvorrichtung, welche im Zusammenwirken mit den Spurkränzen dazu dient, die Fahrzeuge in die geforderte Richtung zu lenken.
• Sie werden mittels Weichenantrieben bewegt.
• Durch die hohe Beanspruchung unterliegen sie einem starken Verschleiss und müssen deshalb oftmals vorzeitig ausgewechselt werden.

• Das Herzstück ermöglicht das Durchfahren sich schneidender Schienenstränge und ist neben den Weichenzungen das am stärksten beanspruchte Teil einer Weiche.
• Beim Übergang von der Flügelschiene auf die Herzspitze oder umgekehrt kommt es zu mehr oder weniger starken Stössen.
• Deshalb werden die Schienenköpfe aus besonders harten und schlagfesten Stählen gefügt.
• Die Liegedauer ist dennoch vergleichsweise kurz.