Verkehr II - Bahninfrastruktur

Die geschlossene Detailberechnung aller Beanspruchungen und Spannungen ist bis heute nicht möglich. Es gibt zwei verschiedene Ansätze:

-die Berechnung mit dem Oberbau als Einheit:Ermöglicht eine statische und mathematisch gut fundierte und einfache Berechnung der wesentlichen Oberbaubeanspruchungen, präzise Berücksichtigung der Längsverteilung der Lasten

-die Berechnung mit einzelnen Oberbaukomponenten:Dabei wird für die Längsverteilung der Lasten eine stark vereinfachende, aber auf der sicheren Seite liegende Annahme getroffen

Auf den Oberbau wirkende Kräfte teilen sich in statische (Vertikal-, Schienenlängs-, Querkräfte) und dynamische Kräfte (Radlastverlagerung, Schwingungsanregung, Eigenschwingungen der Fahrzeuge und des Oberbaus).

- Statische Beanspruchung (st):      

infolge stillstehendem Fahrzeug in geradem Gleis und Fahrt auf geradem Gleis (ideales Gleis und Fahrzeug), oder infolge Fahrt in Kurve mit ausgeglichener Seitenbeschleunigung (ideales Gleis und Fahrzeug) -> Charakter von Mittelwerten

- Quasi-Stat. Beanspruchung (qst): 

infolge Fahrt in Kurve bei idealem Gleis und Fahrzeug, berücksichtigt Radlastverlagerung bei Kurvenfahrten mit ausgeglichener Seitenbe-schleunigung nicht, aber dafür ungleichmässige Beladung des Fahrzeugs -> Charakter von Mittelwerten, Anw. für die Oberbauberechnung

- Dynamische Beanspruchung (dyn):     infolge Fahrt bei nicht idealem Gleis oder nicht idealem Fahrzeug, Berücksichtigung zusätzlicher Unebenheiten im Gleis/Rad sowie bei der Federwirkung

-> Charakter von Maximalwerten, Anwendung erst für die Dimen-sionierung von Oberbauteilen

-> Dynamische Werte sind um den Mittelwert normalverteilt, bei schlechtem Oberbauzustand oder bei hohen Geschwindigkeiten wird die Streuung grösser

Durch die Stauchung des Steges infolge der zentrischen vertikalen Kraft entsteht eine zusätzliche Beanspruchung des Schienenkopfs (keine Navier-Spannungs-verteilung).

Beeinflussung der Schotterbeanspruchung

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

Wenn möglich werden Gleise immer lückenlos verschweisst (Fahrkomfort). Entscheidenden Einfluss haben Temperaturänderungen, darum muss auch die Lagestabilität hinsichtlich temperaturbedingten Längskräften sichergestellt werden.

1. Besonders problematisch sind Kurven, andernfalls treten Gleisverwerfungen auf, als horizontales oder vertikales Ausknicken des Gleisrostes.

2. Ursachen dafür sind hohe Temperaturen im Sommer (abh. Sonneneinstrahlung, Klima, Höhenlage).

3. Eine Gleisverwerfung stellt sich unmittelbar unter dem fahrenden Zug ein und führt fast immer zu einer Entgleisung

1. Voraussetzung:

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

Oberbautechnische Voraussetzung:

-Kraftschlüssige und verdrehungssteife Schienenbefestigung garantiert eine hohe Rahmensteifigkeit des Gleisrostes

-Genügend mächtiges Schotterbettermöglicht eine gleichmässige Lagerung des Gleises

-Verbreiterung und Erhöhung der Schotterbettflanken für den Querschiebewiderstand

-Stabile Untergrundverhältnisse um Setzungen und Rutschungen, welche einen Einfluss auf die Lagestabilität haben, zu vermeiden

1. Das Verschweissen der Schienen erfolgt bei Neutralisationstemperatur, damit möglichst wenige Spannungen im Gleis auftreten nach dem Schweissen (kein zu starker Zug im Winter und kein zu starker Druck im Sommer). Das Schweissen ausserhalb der Neutralisationstemperatur ist aufwändiger. Auf jeden Fall darf die Ausgangstemperatur der Schiene nicht unter 0° C liegen.

2. Die sogenannte Neutraltemperatur ist die Temperatur, bei welchem das Gleis effektiv spannungsfrei ist.

3. Aufgrund des Querschiebewiderstandes des Gleisrostes können Gleise unterhalb gewisser Radien nicht mehr verschweisst werden.

1. Der Querverschiebewiderstand w ist definiert als seitlicher Widerstand pro Längeneinheit, welchen das Gleis einer Verschiebung aus seiner Soll-Lage entgegensetzen kann und

2. ist abhängig von der Schwellenart, der Bettung und der Abhebewelle des Gleisrostes bei Belastung.

3. Null, da der Querschiebe-widerstand sich erst mit zunehmender Seitenverschiebung des Gleisrostes sukzessive in einem asymptotischen Verlauf aufbaut (siehe Bild).

4. Durch einen fahrenden Zug wird der Querverschiebewiderstand abgemindert aufgrund der Abhebeschwelle vor und hinter einer Achse, wodurch der Verbund zwischen Gleisrost und Schiene sich etwas auflöst. Dabei spricht man von der totalen dynamischen Abminderung. Ursache dafür ist die Reibungsreduktion zwischen Schwellenunterseite und Schotter, zum anderen Vibration die entsteht unter einem fahrenden Zug.

-> Bei neu verlegten Gleisen ist der Querverschiebewiderstand am geringsten.

Die beiden Schienen bilden zwar zusammen mit einer Schwelle ein bewegliches Gitter, welches statisch nicht wie ein biegesteifer Rahmen zu wirken vermag. Dennoch entwickelt der Gleitrost eine gewisse seitliche Steifigkeit, insbesondere 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 I_e des Gleisrostes angesetzt werden.

Es gibt zwei Berechnungsansätze für die Gleislagestabilität:

-Differentialgleichung der elastischen Biegelinie

-die sogenannte Energiemethode nach H. Meier: Berechnung der kritischen Temperatur-änderung ΔT für eine horizontale Gleisverwerfung (s.15)

Inbetriebnahme                  i.A. „Einschalten“ von einzelnen Apparaten oder Systemen

Inbetriebsetzungen            Im Rahmen der Inbetriebnahme vorzunehmen,  umfassen alle Teilsysteme und                                                        Komponente, welche Funktionalitäten zu Gesamtfunktionalität des Werkes beisteuern

Ziele der Inbetriebnahmephase:

1. Ordnungsgemässe Realisierung: Sicherstellen, dass das System ordnungsgemäss entworfen und realisiert sowie durch diverse Tests auf seine vollständige Funktionstüchtigkeit hin überprüft worden ist, sodass ein sicherer und zuverlässiger Betrieb garantiert werden kann.
2. Betriebsvorbereitung: Vorbereitung des Betriebs der neuen Anlage selber und von deren kommerziellen Nutzung. Vorbereitung der Erhaltungsorganisation. Vorbereitung und Umset-zung der neuen Angebots- und Produktionskonzepte.
3. Rahmenbedingungen: Gewährleistung der äusseren Voraussetzungen, dass die Anlage ihrem Zweck entsprechend genutzt werden kann, insbesondere in Netzbereichen ausserhalb des Projektes und bei den Fahrzeugen.

• Die räumlich oberste Betrachtungsebene ist der Korridor, in welchem das Projekt liegt und welcher von den Angebotsanpassungen betroffen ist.
• Grossprojekte, zu denen Bahn-Infrastrukturprojekte im Regelfall zu zählen sind, sind aus organi-satorischen Gründen in mehrere hierarchische Stufen unterteilt. Als Gesamtwerk bezeichnet man dabei das Gesamtprojekt im physischen Sinne, also die reale Anlage.
• Teilprojekte bilden in sich abgeschlossene Teilbereiche des Gesamtwerkes.
• Die einzelnen Teilwerke oder Gewerke wiederum bilden Subsysteme. 

Staat                                                     

Auftraggeber (Besteller)                     

Ersteller (Lieferant)                             

Unterlieferant (Subunternehmer)   

Zulassungsbehörde                              

Nutzer der Anlage                        

In der Inbetriebnahmephase gibt es drei wesentliche Aktivitätspfade, wobei jeweils jemand anders die Verantwortung hat:

• Erstellung des Werkes: Werksersteller
• Betriebsvorbereitung: Künftiger Anlageneigner und -betreiber
• Fahrzeugbetreiber: Eisenbahn-Verkehrsunternehmungen

RAMS bedeutet:

(Das Gesamtsystem sowie die einzelnen Komponenten müssen…)                            

R = Reliablility = Zuverlässigkeit (…zuverlässig funktionieren)

Wahrscheinlichkeit, dass Einheit/Komponente ihre geforderte Funktion unter den gegebenen Bedingungen für eine gegebene Zeitspanne erfüllen kann.

A = Availability = Verfügbarkeit (…jederzeit verfügbar sein)

Fähigkeit eines technischen Systems, in einem Zustand zu sein, in welchem es unter vorgegebenen Bedingungen zu einem vorgegebenen Zeitpunkt oder Zeitspanne eine geforderte Funktion erfüllen kann, unter Berücksichtigung von Störungsbehebungsmassnahmen.

M = Maintainability = Instandhaltbarkeit (…im Störungsfall schnell repariert werden)

Wahrscheinlichkeit, dass eine bestimmte Instandhaltungsmassnahme für eine Komponente unter gegebenen Einsatzbedingungen innerhalb festgelegter Zeitspanne ausgeführt werden kann.

S = Safety = Sicherheit (…Sicherheit in jedem Fall garantieren)

Nichtvorhandensein eines unzulässigen Schadensrisikos

Die relevanten Phasen für die RAMS-Anforderungen sind Phase 9, 10 und 11 bzw. Systemvalidierung, Systemabnahme und Betrieb und Instandhaltung.

Bei den Phasen der Inbetriebsetzung sind drei Hauptziele zu erreichen:

• Abnahme der Streckeninfrastruktur, der technischen Ausrüstung und der Leit- und Sicherungstechnik
• Sicheres und zuverlässiges Zusammenwirken zwischen Fahrzeug und Strecke
• Nachweis der Verfügbarkeit der neuen Systeme vor der Inbetriebnahme

Teilprüfungen:                      

1. Teilprüfung                 Prüfung pro Werk, statische Tests (Komponenten- und Subsystemtest, teilweise mit Versuchsfahrten, aber mit kleiner Geschwindigkeit)

2. Teilprüfung                 Integration der Gesamtanlage, Zusammenwirken aller Subsysteme (Tests mit hoher Geschwindigkeiten [dynamische Tests])

3. Teilprüfung                 Operativer Probebetrieb

4. Teilprüfung                 Reduzierter kommerzieller Betrieb

Im Gegensatz zur Material- und Laborprüfung müssen die Teilprüfung einzelner Subsysteme, der Testbetrieb sowie der Probebetrieb am Gesamtsystem selbst durchgeführt werden und stellen somit eine deutlich grössere Anforderungen an die Planung.

Inbetriebnahmevorbereitungen der EVU:

-Ausarbeitung der neuen Angebotskonzepte im Personen- und Güterverkehr

-Fahrzeugbeschaffung und/oder Fahrzeugumbau

-Anpassung/Neubau von Unterhaltsanlagen

-Tests und Inbetriebsetzung der Fahrzeuge

-Spezifikation der Betriebsprozese

-Spezifikation der Betriebsprozesse

-Personalinstruktion und Change Management

-Kommunikation

1. Unterhalt und Erneuerung

2.

- Nebst der Überwachung beinhaltet der Unterhalt mit der Instandhaltung den geplanten Kleinunterhalt wie:

• Weichenschmierung
• Grünpflege
• Reinigung

Instandsetzung dagegen ist der ungeplante Kleinunterhalt mit Aufgaben wie:

• Unmittelbarer Störungsbehebung
• Bakettsicherung

Teilerneuerung = Austausch des Schotter-bettes

- Unter Erneuerung fallen Aufgaben wie:

• Schotter- und Schienenersatz
• Weicheerneuerung

Neubauten von Niveauübergängen

Der Vorteil von einem Koordinatennetz gegenüber der relativen Messmethode liegt darin, dass die Punkte eindeutig definiert sind und sich allfällige Eingabefehler nicht fortpflanzen. Numerische Gleisstopfmaschinen, die sich an Fixpunkten entlang des Eisenbahntrasses orientieren, erkennen automatisch die Differenz zwischen Soll- und Ist-Lage des Gleises und stellen die ursprüngliche (absolute) Lage wieder her.

Detaillierte Datenbanken bilden das informationstechnische Rückgrat des Anlagenmanagements. Wichtig sind etwa die folgenden Daten:

• Geometrische Lage und Ausprägung der Objekte
• Nichtmaterielle, raumrelevante Sachverhalte
• Typen/Bauarten der Komponenten (Schienentypen, Schwellentypen, etc.)
• Einbaujahre der Komponenten, Jahre der Erhaltungsmassnahmen
• Belastungen