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

Siehe 5.1.4.2-5 (5.11-16)

• (elastisch) eingelagerte Schwellen
• (monolitisch eingelagerte) eingegossene Schwellen
• aufgelagerte Schwellen
• Plattenbauweisen

Es entscheiden primär die Lebenszykluskosten.

"In wirtschaftlicher Hinsicht ist eine Feste Fahrbahn nur vorteilhaft, wenn ihre Investitionskosten nicht mehr als 30 % höher sind als jene des Schotteroberbaus"

Den Mehrkosten bei der Erstellung stehen die Minderaufwendungen während der Nutzungszeit gegenüber (Nachstopfungen, Lagekorrektur, Schotterersatz)
=> Unterhaltungskosten vs. Erstellungskosten!

Die Mehrinvestitionen beim Bau einer Festen Fahrbahn gehen insbesondere auf Massnahmen im Untergrund zurück, der hinsichtlich des Setzungsverhaltens homogenisiert werden muss und zu versteifen ist.
Ist der Untergrund aber sehr hart und setzungsfrei, so wird die Feste Fahrbahn ebenfalls wettbewerbsfähig. Die sonst üblichen Mehrkosten zur Untergrundstabilisierung entfallen, während der Schotter bei hartem Untergrund stärker beansprucht wird und mehr Unterhalt erfordert (bei Tunnels und Brücken)!

Durch ihre praktisch unbegrenzte Lagestabilität kann sie viel höhere Längskräfte aufnehmen und erlaubt damit die Nutzung der sogenannten Wirbelstrombremse (Hochgeschwindigkeitsverkehr, Verstärkung der Bremswirkung, Erhitzung Schienen).

=> stärkere Gefälle möglich => bessere Anpassung der Linienführung an die natürliche Topografie!

Statischen und dynamische Kräfte, Abnützung / Verschleiss, Witterungseinflüsse (Rost), Eigenspannungen (bei der Herstellung, da der dicke Schienenkopf langsamer abkühlt als der dünne Steg und der Fuss).

• günstige Formgebung und ausreichend breite Lauffläche
  => geringe Flächenpressung, Materialvorrat zwecks Abnützungsspielraums
   
• grosses vertikales Widerstandsmoment (grosse Profilhöhe und grosszügige Kopt- und Fussquerschnitte)
  => statische und dynamische Vertikalkräfte
   
• genügendes, aber nicht zu hohes Widerstandsmoment gegen horizontale Kräfte
  => Flexibilität zur Anpassung der Schiene an geometrische Linienführung
   
• genügende Stegdicke
  => Profilstäbilität, Rostbildung
   
• breiter Fuss und genügende Dicke
  => Standsicherheit, Kippsicherheit, geringe Flächenpressung
  => Steifigkeit und Rostbildung
   
• Schwerpunkt in halber Schienenhöhe
  => Kippsicherheit
   
• Grosse Ausrundungsradien
  => günstige Spannungsverteilung

Normalerweise 36 m, heute aber bis 120 m möglich.

Sie unterscheiden sich in der Gefügestruktur und Legierungskomposition => unterschiedliche Zugfestigkeit und Verschleißfestigkeit

Drei Schienengüteklassen:

1. Regelgüte
2. verschleissfeste Güte
3. hochverschleissfeste Sondergüte

Durch:

• verlaschte Schienenstösse (kleine Bewegungen möglich, 1 cm)
   
• Ausziehstösse / Dilatationsvorrichtungen (z.B. bei Brücken, unterschiedliche Verhalten an den Enden infolge Temperatur!)

Sie verbinden die Schienen mit den Schwellen und haben dabei insbesondere eine zentrale Funktion für die genaue Einhaltung der Spurweite => gute Spurhaltung

• elastische Lagerung der Schiene (Verschleiss, Komfort und Lärm) => Spannungsspitzen vermeiden!
   
• gute Lastverteilung => Spannungsspitzen vermeiden!
   
• hohe Verdrehungssteifigkeit => Rahmensteifigkeit
   
• einfache Montage und Demontage => unterhaltsfreundlich
   
• Korrosionsbeständigkeit

• Zungenvorrichtungen: zwei bewegliche Zungen, die dazu dienen, die Fahrzeuge in die geforderte Richtung zu lenken (mittel Weichenantrieben bewegt)
  (-) starker Verschleiss => vorzeitige Unterhaltung / Ersatz
  (-) sicherheitskritische Bauteile!
   
• Herzstück: ermöglicht das Durchfahren der sich schneidenden Schienenstränge
  (-) unterbrochene Fahrkante / Flügelschienen

• gute Spurhaltung
• gute Lastverteilung, grosse Ermüdungsfestigkeit
• gute Isolierfähigkeit (beide Schienen elektrisch trennen)
• gute Befestigungsmöglichkeiten für die Schienen
   
• günstige / einfache Herstellung und Einbau
• Witterungs- und Korrosionsunempflindlichkeit
• gute Recyclierbarkeit
• hoher Seiten- und Längsverschiebewiderstand

Mehrere Materialien möglich: Holz, Stahl und Beton.

(-) grosse Lagerhaltung (zeitaufwändige Imprägnierung)
(-) Imprägnierung notwendig => erhöhte Lebensdauer, aber dafür aufwendige Entsorgung!
=> trotzdem verbleibende Anfälligkeit auf Fäulnis
(-) (allmähliche) Verschlechterung der Spurhaltung
(-) nicht nutzbar bei über 160 km/h (geringes Gewicht => ungenügender Querveschiebewiderstand)

(+) gute Bearbeitbarkeit
(+) leicht, gut transportierbar
(+) gute Befestigungsmöglichkeit
(+) ausgezeichnetes elastische Verhalten (gegen Schwingungen und Lärm) => Elastizität
(+) gute (elektrische) Isolierfähigkeit
(+) geringe Bauhöhe
(+) für alle Anwendungsfälle geeignet

(-) keine Elastizität => Abnutzung Schotter durch ungedämpfte Schläge
=> nur bei reduzierten Anforderungen (schwach belastete Streckenabschnitte oder mittlere bis tiefe Geschwindigkeiten)
(-) Korrosion
(-) Lärmemissionen
(-) nicht nutzbar über 160 km/h (geringes Gewicht => ungenügender Querveschiebewiderstands) => Y-Stahlschwellen!
(-) teure und unterhaltintesive elektrische Isolierbarkeit

(+) Recyclierbarkeit, Wiederverwendbarkeit
(+) günstige Formgebungsmöglichkeiten
(+-) sehr geringes Gewicht => Handhabung
(+) geringe Schotterhöhe notwendig
(+) gute Befestigungsmöglichkeiten
(+) hohe Lebensdauer <=> dauerhafte Spurhaltung
(+) nützlich für Zahnradbahnen

(-) Schienenbefestigungen = Schwachstellen, nicht extrem dauerhaft
(-) hohe Ansprüche an Schotterbett & Unterbau (Einsinkengefahr bei weichem Untergrund)
(-) Schlagempfindlichkeit (nur durchgehende verschweisste Gleise)
(-) Risse => Vorspannungstechnik notwendig!
(-) grössere Bauhöhe

(+) kostengünstig (bei Schwellenauswechslung Unterbausanierung in den Kosten berücksichtigen!)
(+) industriell herstellbar => Qualität
(+) sehr hohe Lebensdauer
(+) Recyclierbarkeit, Entsorgung
(+) hohes Gewicht => Längs- und Querverschiebewiderstand
(+) dauerhafte Spurhaltung

Anhäufung von Schottersteinen.

Formschlüssig verbunden => gestopft und dynamisch stabilisiert
=> Elastizität und Regulierbarkeit bei tiefen Erstellungskosten und Erhaltung der Gleislagequalität (Federwirkung 1-2 mm)

Gleislage verändert sich mit der Zeit infolge Belastung, beim Überschreiten eines Tolerantmasses muss regelmässig unterhaltet / wiederhergestellt werden!

Verteilt die Last gleichmässig auf den Untergrund und bildet für den Gleisrost die fehlende Diagonalverstrebung. Es sichert, zusammen mit der später behandelten Rahmensteifigkeit des Gleisrostes, die seitliche Gleislage. Querkräfte aus dem Fahrzeuglauf, aber auch aus Temperaturunterschieden in der Schiene lassen sich auf diese Weise abfangen. Damit die Schwellen die seitlichen Kräfte ableiten können, wird das Schotterbett über den Schwellenkopf hinaus um ca. 40 cm verbreitert und um ca. 10 cm überhöht.

Um der Beanspruchung zu genügen, müssen die Körner, neben einer möglichst kantigen Form, eine hohe Druck- (180-200 N/mm2) und Schlagfestigkeit besitzen (andernfalls wird die Bettung durch Feinbestandteile verunreinigt und dadurch die Wasserdurchlässigkeit und Scherfestigkeit verschlechtert).

Der Durchmesser soll durchschnittlich etwa 5 cm betragen und sich innerhalb einer normierten Kornverteilung bewegen.

NB: Die Gesteinswahl richtet sich dabei insbesondere nach den regionalen Vorkommen, denn pro Laufmeter Gleis sind 1,7–4 t Schotter erforderlich => grosse Menge, hohen Transportkosten vermeiden!

Die Aufgabe der Bahnstromversorgung ist die Produktion sowie die Zu- und Wegführung elektrischer Energie für den Betrieb der Züge. Verfügbarkeit Bahnsystem/-betrieb <=> Zuverlässigkeit Bahnstromversorgung!

• Kraftwerke => Energieerzeugung
• Übertragungsleitung => Energiegrobverteilung
• (Unterwerke => Energieumspannung/-umformung)
• Speiseleitungen und Feeder => Energiefeinverteilung
• Fahrleitung => Energieübertragung/-abnahme

Gleichstrom- wie Wechselstromsysteme unterschiedlicher Parameter (Europa => uneinheitliche Situation!).

Wechselstrom: 50 Hz (Neuelektrifikationen) / 16.7 Hz (Sonderfrequenz)
Gleichstrom (DC): 3000 V, 1500 V, 750-1000 V (Schweizer Regionalbahnen), 600 V (Strassenbahnen)

Gleichstrom: die einfachste und älteste Art der Bahnelektrifizierung ist der Gleichstrom, der aus dem Wechselstrom-Landesnetz umzuwandeln ist (Umformer => Gleichrichter => steuerbare Gleichrichter => Umkehrstromrichter / inverter => Rekuperation und wieder Einspeisung vom Bremsenergie).
Die Elektrifizierung mit Landesfrequenz war zu Beginn des 20. Jahrhunderts technisch nicht beherrschbar (tiefere Frequenz als Landesfrequenz, ein Drittel => 16.7 Hz).
Wechselstrom: neuere Netzelektrifizierungen seit Mitte des 20. Jahrhunderts nutzen die Landesfrequenz. (+) Verzicht auf eigenständige Bahnstromversorgung!
Drehstrom, dreiphasiger Drehstrom: heute sind alle neuen Triebfahrzeuge mit Drehstrommotoren ausgestattet, die aus beliebigen Stromversorgungen gespiesen werden können. (-) komplexe Fahrleitungskonstruktionen und die schlechte Steuerbarkeit der Motoren behinderten die Verbreitung, ausser in Italien.

• zentrale Elektrifizierung mit Landesfrequenz => direkt zweiphasig
• dezentrale Elektrifizierung mit Sonderfrequenz => bahneigene Produktion und Verteilung (Umwandlung)

Energiegrobverteilung

Für lange Distanzen => hohe Spannungen

Für kurze Distanzen => tiefere Spannungen

Freileitungen (kostengünstiger) vs. unterirdische Hochspannungskabel

Energieumspannung /-umformung: Transformation des hochgespannten Stroms auf die Traktionsspannung.

Redundanz gewährleisten!

Elektrische Energie vom Unterwerk in die Fahrleitung / Oberleitung eingespeist => in mechanische Energie beim Triebfahrzeug umgeformt.

Rückstrom über (unvollständig isolierte) Schienen, Erdreich (sowie weitere parallele Leiter) und Rückleitungsseil bei den Fahrleitungsmasten (um elektromagnetische Einwirkungen in die Umgebung zu minimieren).

NB: kritisch ist bei festen Fahrbahnen, bei denen die Erde nicht als Rückleiter wirkt => zus. Rückleitungsseile notwendig!

NB: Da der Gleichstrom, im Gegensatz zum Wechselstrom, seine Polarität nicht ändert, fliesst er stets in die gleiche Richtung! Er verursacht damit am Austrittsort des Stroms eine elektrochemische Korrosion, die sogenannte Streustromkorrosion, die zu Beschädigunge tragender Bauteilen führen kann!
=> geringer elektrischer Widerstand Schienen, Drainagewirkung Schotter, metallische Bauteile elektrisch erden, Korrosionschutz vorsehen, Potetialtrennung anstreben!

Dienen der Energieübertragung & -abnahme von Unterwerken zu den Fahrzeugen.

NB: Sind Bestandteile des Fahrweges, Position Fahrleitungsmasten nicht frei wählbar => frühzeitig in der Projektierung zu beachten => Gleisgeometrie & Fahrleitungsanlagen integral zu planen!

• Oberleitungen: elastische Fahrleitung, elastischer Stromabnehmer (verbreitet), verschiedene Bauarten je nach erwünschtem Schwingverhalten / Elastizität bzw. je nach Geschwindigkeit (beweglich oder fest abgespannt...)
   
• untenliegende Stromschienen: starre Stromleiter neben dem Fahrschienen isoliert montiert, elastischer Stromabnehmer (U-Bahnen), von oben, seitlich oder von unten (am häufigsten, kontakt- und witterungsgeschützt)
  (-) Leistung begrenzt (tiefe Spannungen)
  (-) ungünstig bei Weichen und Bahnübergängen
   
• aufgehängte Stromschienen / Deckenstromschienen: starre Fahrleitung, elastischer Stromabnehmer, Sonderbauformen für beengte Platzverhältnisse und sehr hohe Verfügbarkeitsanforderungen, wobei der Fahrdraht in ein Aluminiumprofil eingeklemmt wird
  (-) mehrere Stützpunkte notwendig (7-15 m vs. 25m! jedoch in Tunnels kein Problem, da Befestigungen einfacher zu realisieren!)
  (+) störungsunempfindlich, günstig bei schlechter Zugänglichkeit

• Stützpunkten: sämtliche Vorrichtungen, die die Tragseile und Quertrageinrichtungen tragen (Masten, Befestigungen...) aus Metall (Stahl) oder Beton, separat oder über mehrere Gleise
  • Tragmasten übernehmen Vertikalkräfte aus Eigengewicht und Zusatzlasten aus der Fahrleitung
  • Abspannmasten übernehmen die grosse Horizontalkräfte für die feste Verankerung oder bewegliche Nachspannung
     
• Quertrageinrichtungen: alle Bauteile, die Fahrdraht und Tragseil in vertikaler und horizontaler Richtung fixieren (Ausleger, Quertragseile, Quertrageinrichtungen bei mehreren Gleisen zB bei Bahnhlöfen...) aus Metallträgern oder Seilen
  => verringert Zahl der Masten
  (-) beim Ausfall eines Mastes => mehrere Gleise betroffen und nicht befahrbar! => möglichst eine Fahrmöglichkeit pro Korridor gewährleisten (Redundanz)!

Aus Kupfer oder Kupferlegierung.

• hohe mechanische und elektrische Festigkeit
• Korrosionbeständigkeit
• gleichbleibende Elastizität
• geringe Abnutzung (idR ca. 25 Jahre)

Die Bahn mit ihren unzähligen, voneinander abhängigen und teilweise sicherheitskritischen Produktionsprozessen
sowie verteilten und beweglichen Ressourcen bedarf leistungsfähiger Kommunikationssysteme.

Zentrale Rolle für:

• Betrieb (Leistung, Koordination, Organisation...)
• Sicherheit (Sicherheitsanlagen, Automation, Fernsteuerung...)
• Verfügbarkeit

Informationsaustausch, Übermittlung von (sicherheitsrelevante) Anweisungen, über Anlagenzustände, technische Systeme, an Personal oder Kunden sowie automatisierte / vollautomatisierte Kommunikation / Anweisungenübermittlung zw. Menschen und technischen Teilsystemen bzw. technische Systeme untereinander.

• Festnetz: von bahneigene Festnetzverbindungen (robuste, geschützte, integrierte Kabelkanäle) => zu Kupferdrähte und, heute, Glasfaserkabel (praktisch unbegrenzter Kapazität)
  (-) über Festnetz sind nur jene Mitarbeitenden erreichbar, die einen ortsfesten Arbeitsplatz haben!
  => drahtlose Systeme!
   
• Drahtlose Systeme: von Analogfunk zu GSM-R-Netz und zukünftig FRMCS
  (-) Analogfunk stösst auf Kapazitätsgrenzen => nicht mehr weiterentwickelt!
  => (ETCS)
  => bahneigene GSM-R-Netz (Global System for Mobile Communications - Railway) als das digitale Mobilfunk-Kommunikationssystem für Sprech- und Datenfunk
  => FRMCS (Future Railway Mobile Communication System)
  (+) auch das fahrende Personal kann erreicht werden

Sicherheit ist der Schutz der Unversehrtheit von Leben und Gesundheit sowie von materiellen Gütern.

• aktive Sicherheit: Minimierung der Ereignishäufigkeit
• passive Sicherheit: Minimuerung des Schadenausmasses

Das Risiko ist definiert als Produkt aus der Wahrscheinlichkeit eines Ereignisses und dessen Schadensausmass.

• aus technischen Mängeln der Anlage
• Züge gefährden sich gegenseitig

Bei der Bahn ist im Ereignisfall mit einem sehr grossen Schadensausmass zu rechnen. Somit muss primär die
Strategie der aktiven Sicherheit verfolgt werden! Die Wahrnehmung des Schadensausmasses wird dabei durch die sogenannte Risikoaversion gegenüber Grossrisiken gesteigert (Ziel: praktisch keine Ereignisfälle!).

Risiken entstehen im Bahnsystem zum einen aus technischen Mängeln der Anlage, zum anderen gefährden sich die Züge gegenseitig.

• Spurführung <=> keine Selbstorganisationsfähigkeit!
   
• geringe Haftreibung zw. Rad und Schiene <=> lange Bremswege! (deutlich länger als die Sichweiten, Fahren auf Sicht nicht möglich!)
   
• Trägheit der Züge <=> grosse betriebliche Auswirkungen infolge ungeplanter Halte

Aus der Gewährleistung der Spurführung und infolge der langen Bremswege leiten sich die Teilaufgaben der Sicherungs- und Leittechnik ab!

Die Sicherung und Regelung des Bahnbetriebs ist sowohl funktional wie technisch streng hierarchisch aufgebaut und kann als funktionale Pyramide verstanden werden.

• Durchführungsebene durch Aussenanlage (Sensoren und Aktoren) => Ausführung der Fahraufträge/-befehle
   
• Sicherungsebene durch logische Sicherungskontrolle (Stellwerke) => Bedieneingaben in Steuerbefehle umsetzen, Fehlereingaben erkennen und abfangen!
   
• Bedienebene am Fernsteuerzentren durch Leitsysteme (schnell, kostengünstig, optmiert!) => Steuern bzw. Überwachung vollautomatisierte Fahrbefehle und Abläufe
   
• Dispositionsebene => gewährleistet, dass die Anweisungen gesamthaft optimal sind (=> "Gesamteffizienz" des Bahnbetriebs)
   
• Planungsebene => (langfristige) Management-, Controlling- und Planungsaufgaben

• Aussensignale => Informationen zu den Lokomotivenführern, Vor- & Hauptsignale
  • unabhängig von Betriebslage (ortsfeste Signale)
  • abhängig von Betriebslage (ortsfeste Signale mit wechselnden Signalbildern)
    • Fahr-
    • Geschwindigkeits-
    • Haltebefehle
       
• Weichen / Weichenantrieb <=> in enger steuerungstechnischer Zusammenhang und Kommunikation mit Stellwerk
  • Elektromotor und mechanische Gestänge
  • elektrohydraulische Antriebe
     
• Gleisfreimeldeeinrichtungen => Belegung eines Gleisabschnitts durch einen Zug erkennen und diese Information dem Stellwekr mitteilen
  • Gleisstromkreise
  • Achszähler (heute mit elektromagnetische Radsensoren)
    (+) unabhängig von Bauart des Oberbaus
    (+) keine Isolierstösse notwendig
    (+) grössere Abschnittslängen erreichbar
     
• Zugbeeinflussungseinrichtugen => stellen sicher, dass Vorgaben der Signale eingehalten werden
  • punktförmig an diskreten Stellen
  • linienförmig kontinuierlich übertragen
    • Kabellinienleiter
    • Funkübertragung (GSM-R)

• System L ("Licht"): Geschwindigkeitssignalisierung mit Farb- und Positionssignalisierung
• System N ("numerisch"): Geschwindigkeitssignalisierung mit Farb- und Ziffernsignalisierung

Die herkömmliche optische Signalisierung stösst beim neuzeitlichen Bahnbetrieb an Grenzen!

(-) ortsfeste Signale sind nur bis rund 160 km/h zuverlässig erkennbar!
(-) Informationsdichte ist beschränkt. Verwechslungsgefahr!
(-) Möglichkeiten zur Angabe der betrieblich optimalen Geschwindigkeit eingeschränkt!
(-) nur punktelle Informationübermittlung möglich!
(-) Aussensignale sehr teuer, erfordern aufwendige Kabelverbindungen zu den Stellwerken!

=> Verlagerung der Fahrbefehls- und Geschwindigkeitssignalisierung auf den Führerstand mittels sogenannter Führerstandssignalisierung erlaubt eine direkte, uneingeschränkte und kontinuierliche Übertragung aller Daten!

(+) lückenlose Überwachung
(+) kontinuierliche Informations- und Befehlübertragung
(+) kontinuierliche Geschwindigkeitsanpassung => optimale energieeffiziente Fahrt

• Ansteuerung der Aussenanlagen ("Vermittler" zw. Steuerzentrum und Aussenanlagen)
   
• Sicherungslogik (Vermeidung von Falscheingaben)
   
• Mensch-Maschine-Schnittstelle für die Bedienung

• mechanische / elektromechanische Stellwerke: erster wichtiger Schritt zur Zentralisierung, mechanisches Verschlussregister (Relaisstellwerke: elektromagnetische Stellwerke, Drucktastenstellwerke)
  (-) Bedienelemente (Hebel, Schalter) physisch mit Sicherheitselementen verbunden => nicht automatisierbar
  (-) örtliche Personalpräsenz erforderlich => sehr teuer!
   
• computerbasierte elektronische Stellwerke: sicherheitslogische Abhängigkeiten und Abläufe in der Stellwerkssoftware implementiert (BAR, STWR, EAR)