Bahninfrastrukturen - Planung, Bau, Erhaltung Teil 1 (Masterstudium)

• Angebotskonzept pro Linie
   
• Betriebskonzept pro Linie
   
• Umsteigebeziehungen zw. Linien

1. Gleis <=> Fahren
    
2. Weiche <=> Verzweigen
    
3. Gleisdurchschneidung (Kreuzung) <=> Abkreuzen

Sie kombiniert die Funktionen Verzweigen und Kreuzen in einer einzigen Bauform.

Oft steht zur Gestaltung einer Gleisanlage nur ein beschränkter Platz zur Verfügung, weshalb man die Längenentwicklung mit einer Kreuzungsweiche minimieren möchte.

1. Einfacher Spurwechsel (unidirektional)
    
2. Doppelter Spurwechsel (bidirektional getrennt) bei Strecken
   (-) Platzverhältnisse beachten, Entwicklungslänge beträchtlich!
    
3. Doppelter gekreuzter Spurwechsel (bidirektional gekreuzt) bei Knoten
   (-) Höhere Investitions- und Unterhaltskosten
   (+) aber dafür reduzierter Platzbedarf

1. Serie von doppelten Kreuzungsweichen
   (-) höhere Unterhaltungskosten (ähnliche Inverstionskosten)
   (-) nur mit beschränkter Geschwindigkeit (100 km/h) befahrbar
   (+) günstig bei engen Platzverhältnissen (weniger Platzbedarf)
    
2. Serie von einfachen Weichen
   (-) viel mehr Platz erforderlich
   (+) tiefere Unterhaltungskosten (ähnliche Investitionskosten)
   bevorzugt bei ausreichenden Platzverhältnissen

1. Gleisharfe: für das nächstliegende Gleis nur eine Weiche zu befahren
   (-) Abnützung Gleise und Weichen sehr unterschiedlich (unterhaltungsrelevant!) (erste Weiche am häufigsten benutzt)
    
2. Binäre Gleisbaum: für jedes Gleis gleich Anzahl Weichen zu befahren
   (-) Anzahl Gleise muss einer Zweier-Potenz entsprechen!
   (-) nur günstig, wenn alle Gleise für den Betrieb gleichwertig sind
   (+) weniger Platzbedarf

1. Einrichtungsbetrieb: nur in eine Richtung befahrbar
   (-) unflexibel und aufwendige Eingriffe (z.B. Sicherungsanlagen) notwendig bei nachträglicher Änderung der Betriebsform
   (-) mögliche Kapazität einer Topologie läss sich nicht ausschöpfen
   (+) einfachere und preisgünstigere Sicherungsanlagen
    
2. Zweirichtungsbetrieb: in beide Richtungen befahrbar
   (-) höhere Kosten der Sicherungsanlagen
   (+) maximale Flexibilität
   (+) betriebliche Vorteile (heute am üblichsten)

1. Links- oder Rechtsbetrieb: einheitliches Regime
    
2. Banalisierung: alle parallele Gleise können in beide Richtungen genutzt werden (bei entsprechender signaltechnischer Ausrüstung) entweder durch temporäre Umdispositionen oder planmässige Richtungswechsel

1. Linienbetrieb: Doppelspuren örtlich gebündelt, ohne deren Betriebsregime zu ändern. Die beiden Doppelspuren entsprechen zwei parallel zueinander verlaufenden unabhängigen Doppelspuren, werden aber üblicherweise durch Spurwechsel miteinander verbunden
    
2. Richtungsbetrieb: Gleise mit gleicher Fahrtrichtung gruppiert, sodass pro Fahrtrichtung je mindestens zwei direkt benachbarte Gleise zur Verfügung stehen

Fahrweg oder Laufweg, der aus einer bestimmten Abfolge von Topologieelemente besteht.

Wenn zwei Züge dasselbe Topologieelement zur gleichen Zeit nutzen müssen.

1. Folgefahrt
2. Gegenfahrt
3. Einfädelungskonflikt
4. Ausfädelungskonflikt (nur betreibsrelevant, mögliche Fahrzeitverluste und Kapazitätseinbusse wenn ein vorausfahrender Zug mit tiefer Geschwindigkeit über Ablenkung geführt wird und damit einen geradeaus fahrenden schnellen Zug behindert)
5. Abfolgekonflikt
6. Abkreuzungskonflikt

1. Technische Sicherung bei Eisen-, U- und teilweise Stadtbahnen
    
2. Manuelle Sicherung (Fahrt auf Sicht) bei Strassen- und teilweise Stadtbahnen

• Durchrutschen
• Rangierfahrten
• Abgestellte Bahnfahrzeuge fälschlicherweise ungebremst (Gefälle & Windeinwirkungen)

• Durchrutschwegen
  (-) Anlage vergrösst sich erheblich, oft nicht möglich oder erwünscht
   
• Schutzweichen zur "Sackgasse" oder Nachbargleis, als Durchrutschweg genutzt
  (+) platzeffizient
   
• Gleissperren / Entgleisungsvorrichtungen: bei Hauptgleisen nicht zulässig!

1. Anforderungen / betriebliche Funktionalitäten bestimmen
    
2. Topologische Grundelemente festlegen
    
3. Partialtopologien => Teilanlage => Gesamtanlage
    
4. Kapazitäskontrolle => Bereinigung Gesamttopologie
    
5. Integration Personenverkehrs-, Güterverkehrs- und Betriebsanlagen

Die Gesamttopologie eines Streckennetzes gliedert sich funktional in drei hierarchische Ebenen:

1. Partialtopologie: jene Topologie, die nur für einen einzigen ausgewählten Betriebsfall des Betriebsprogrammes nötig wäre
    
2. Teilanlage: durch Überlagerung von Partialtopologien / Elemente => Optimierung der Elementgruppe (Teilanlage) und ihre Funktion mit minimaler Elementzahl und geringsmöglicher Längen- und Breitenausdehnung
    
3. Gesamtanlage: durch Zusammenbau aller Teilanlagen. Die Gesamttopologie ist, in einer individuellen manuellen Entwurfsprozess, schrittweise durch Überlagerung der Partialtopologien herzuleiten und zu optimieren (i.d.R. keine Standardisierung möglich!)

• Je eher die topologischen Elemente einer Anlage für mehrere Betriebsprozesse genutzt werden können,
  desto weniger Elemente braucht es insgesamt und desto besser ist das Kosten-Nutzen-Verhältnis => Flexibilität der Elemente / Partialtopologien
  (nur möglich, wenn einzelne Betriebsfälle zeitlich getrennt sind!)
   
• Die zeitliche Abfolge der Betriebsfälle in der Planung einbeziehen
   
• Zu hohe Anlagenauslastung vermeiden: das Betriebsprogramm kann nicht mehr stabil abgewickelt werden => Stabilität überprüfen bzw. Kapazitätskontrolle durchführen, die daher integrierender Bestandteil der Topologieentwicklung ist
  (ansonsten zusätzliche Elemente vorsehen)

Folgende Prinzipien tragen zum Entwurf einer funktionsgerechten und wirtschaftlichen Anlage bei:

• Eine Topologie soll mit möglichst wenigen Gleisverbindungen auskommen. Jedes Topologieelement muss mindestens eine bestimmte Funktion haben. Die Zahl der Signale soll minimiert werden => Mnimierung von Komplexität, Einfachheit und Eindeutigkeit
   
• Betriebsprozesse so umzusetzen, dass möglichst wenige Fahrstrassenkonflikte auftreten
   
• Leistungsfähigkeit / Potential Strecke möglichst stark ausnutzen => höchste Geschwindigkeit ermöglichen
   
• Wendeprozesse von Zügen möglichst kurzer Zeit abwickeln
   
• Topologien sollen genügende Flexibilität für Änderungen im Betriebsprogramm bewahren

• Durchfahrt
• Halt
• Zugkreuzung
• Wenden
• Streckenverzweigung
• Streckenkreuzung
• Zugvereinigung / Zugtrennung

Möglichkeit, einen Knoten ohne Halt durchzufahren => Durchfahrtgleise für eine Geschwindigkeit ausbauen, die möglichst nahe an jener der angrenzenden Strecke liegt.

Sicherheitsanforderungen beachten.

Einen Zughalt durch ein Perron in der nötigen Länge ermöglichen.

Mindestlänge ergibt sich aus der Anzahl der Wagen zuzüglich eines Zuschlags für die Bremsungenauigkeit von etwa 5 m.

Die Zufahrt zu den Perronkanten vorzugsweise in gerader Linienführung ausgestalten.

• versetzte Aussenperrons
• Inselperron

Möglichkeit, dass langsamere durch schnellere Züge überholt werden können => Überholgleisen

Durchfahrende Fernverkehrszüge sind nicht über ablenkende Weichen zu führen! Hingegen ist dies bei Güterzügen zulässig.

• ohne Perron => für hohe Geschwindigkeit auszubauen
• gemeinsames Perron, wenn Halt- / Anschlussmöglichkeit zu gewährleisten ist

Möglichkeit, Konflikt Gegenfahrt zu lösen bzw. dass eingleisige Strecken gleichzeitig in beide Richtungen genutzt werden können => Kreuzungsstationen:

• Kreuzungsbahnhof, der gleichzeitg Verkehrshalt ist: am meisten angewandte, früher bevorzugt (örtliche Personalpräsenz)
   
• Betrieblicher Kreuzungsbahnhof ohne verkehrliche Funktion: heute vermehrt realisiert
  (+) vorteilhaft, wenn die systematischen Begegnungen von Zügen im Taktfahrplan zwischen zwei bestehenden Kreuzungsbahnhöfen zu liegen kommen
  (+) dank Fernsteuerung ohne örtliches Personal machbar

Änderung der Fahrrichtung einer Zugkomposition.

• Fahrtrichtungswechsel innerhalb eines Zuglaufes: Strecke lässt eine Weiterfahrt in gleicher Richtung nicht zu
   
• Fahrtrichtungswechsel am Ende eines Zuglaufes: im Regelfall, Zug wird für Rückfahrt vorbereitet

1. Lok und Wagen unverpendelt
   (-) Umfahrungsmöglichkeit der Wagen für Lok erforderlich
    
2. Pendelzüge/Triebzüge
   (+) in Gleis genügt, da diese Fahrzeuge an beiden Zugenden über einen Führerstand verfügen
    
3. Einrichtungsfahrzeuge: können kommerziell nur in eine Richtung verkehren, um Türen auf einer
   Fahrzeugseite zu konzentrieren
   (+) bedingt Wendeanlagen, die eine Gegenfahrt ohne Richtungswechsel des Fahrzeugs gestatten

• Wenden am Kopfperron: bei grossen Kopfbahnhöfen
  (-) wenn niveaugleiches Weichenvorfeld, zahlreiche Konflikte zw. ein- und ausfahrenden Zügen
  => Kapazitätsverlust => kapazitätskritische Bereiche niveaufrei realisieren oder Konflikte minimieren
  (+) Minimal Zeitaufwand
   
• Wenden hinter dem Perron: Zu-/Wegfahrt und Wendeprozess räumlich getrennt, Wendeanlage hinter dem Perron
  (-) mehr Zeit notwendig, da betriebliche (Wenden) und verkehrliche (Ein-/Aussteigen der Fahrgäste) Funktionen sind getrennt
  (+) keine Konflikte
  (+) maximale Kapazität erreicht
   
• Spitzkehren
   
• Wenden auf der Strecke ohne separates Gleis (wenig ausgelastete Strecken) oder mit separatem Gleis (starke ausgelastete Strecken)
   
• Wendeschleifen (Strassenbahnen)
   
• Gleisdreiecke (bei Einrichtungsfahrzeugen)

Verknüpfung mind. zweier Bahnstrecken, die in Kombination mit einem Haltepunkt (Bahnhof) oder auf der Strecke (Abzweigung ohne Haltepunkt, mit Fernsteuerung) realisiert werden können.

• Niveaugleiche Streckenabwzeigung, durch Gleichdurchschneidungen oder einfache Weichen
   
• Niveaufreie Streckenabzweigung, durch Überwerfungsbauwerke, bei hoch belasteten Strecken und sehr stark befahrenen Strecken (auf drei oder vier Spuren)
  • (-) zulässige limitierte Steigungen beachten => erhöhte Entwicklungslänge => erhöhter Platzbedard
    (-) sehr kostspielig
    (+) eliminieren Fahrwegkonflikte
    (+) leistungsfähiger

Entspricht einer verdoppelten Streckenverzeigung, in Richtungs- oder Linienbetrieb.

Sogenannte Flügelzüge verkehren zunächst vereinigt auf einem gemeinsamen Linienabschnitt und werden
an Verzweigungspunkten (Flügelbahnhofen) getrennt respektive in Gegenrichtung vereinigt. Die zwei Flügelzüge haben zwei unterschiedliche Destinationen.

(+) reduziert die Streckenbelastung auf dem Gemeinschaftsabschnitt

• Vereinigung auf der Strecke, vor einem Bahnhof
  (-) vielleicht leicht kompliziertere Ausführung
  (+) weniger Platzbedarf am Bahnhof
   
• Vereinigung im Bahnhof
  (-) mit Zeitbedarf verbunden => (+) Nutzung der Trennungshalt für Fahrgastwechsel/-umsteigen
  (-) Perrongleis genüger Länge (längere Zugkomposition des zusammengekoppelten Fahrzeuges
  (-) besondere Sicherungsanlagen notwendig

• viel einfachere Durchbildung als jene von Knoten
   
• wichtigster Parameter ist die Streckenkapazität, nämlich die Anzahl Züge, die pro Zeiteinheit verkehren können, beinflusst durch:
  • Zahl der Gleise
  • Länge Blockabschnitt
  • Freizügigkeit der Fahrtrichtung (Einrichtungs- oder Zweirichtungsbetrieb)
  • Flexibilität der Gleisbenützung (Wechselmöglichkeit)
  • Homogenität der Züge (hinsichtlich Geschwindigkeit, Bremsvermögen usw.)
  • Strucktur des Angebotsplanes (zugindividuelle Fahrpläne oder systematisiertes Taktangebot usw.)
     
• nur zwei Konfliktformen möglich: Folgefahrt und Gegenfahrt

Einspur: 80-100

Doppelspur: 250-300

Dreispur: 330-400

Vierspur: 500-600

Diese Streckenleistungsfähigkeiten lassen sich durch optimale Abstimmung von Betriebsprogramm, Homogenie Streckenkonfiguration deutlich übertreffen.

Sind die ursprüngliche Form.

(+) geringe Kosten
(+) systematisierte Fahrplanstruktur

Lage und Abstand der Kreuzungspunkte leitet sich aus der Fahrplandichte und Zuggeschwindigkeit.

(-) bedingt durch die zur Verfügung Kreuzungsstellen: keine Flexibliität bei Betriebsunregelmässigkeiten (Störungen) oder Fahrplananpassungen, keine Möglichkeit zur Führung zusätzlicher Züge (Angebotsanpassungen)

(-) grössere Zahl Kreuzungsstellen erforderlich
 

• Mitte zweier Taktkreuzungen (Viertelstundenschritten)
  (-) Kreuzungsstationen zu weit auseinander
  (+) gegenüber Taktverschiebungen robust
   
• Abstand von der Taktkreuzungsstelle (Stationsdistanz von der regulären Taktkreuzung, übliche Verspätungen von 3-4 min werden mit der mittleren Stationdistanz von 3-4 km abgedeckt)
  (-) sensibel auf Taktverschiebungen/-änderungen
  (+) höhere Flexibilität für Kreuzungsverlegungen

• Steigende Zugdichte
• Ungüstige Fahrplanstruktur mit Zugkreuzungen ausserhalb der Stationen
• Heterogenität der Züge (Schnell- und Regionalzüge)
• Mangelhafte Betriebsstabilität

• Fahrplanorientiert: Doppelspuren dort angeordnet, wo Zugbegegnungen nach Plan vorgesehen sind
  (-) unflexibel gegenüber Änderungen des Angebots- und Betriebskonzept oder kurzfristigen Abweichungen (Verspätungen usw.) => Doppelspurabschnitte grosszügig anlegen!
  (+) kostengünstigere Lösung (wo keine Begegnungen, kann Einspur belassen werden)
   
• Durchgehend (Spurwechselstellen in bestimmte Abständen eingebaut)
  (+) maximale Flexibilität und Stabilität
  Spurwechseldistanz beachten und optimieren!