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

Vor dem Knotenpunkt, weil:

• der Fahrgastwechselhalt gleichzeitig auch Wartehalt vor der Lichtsignalanlage ist (Haltestellen möglichst nahe am Knoten und nahe zueinander!)
• eine einfachere Beeinflussung der Lichtsignalanlage durch das Tram
• günstigere Sichtverhältnisse

Jeder Konfliktpunkt bewirkt eine Kapazitätsreduktion und ein Hindernis zur Punktlichkeit => möglichst konfliktarme, kapazitätsoptimierte Knotentopologien!

Während die Bahnsicherungstechnik bei Vollbahnen die unbeabsichtigte gegenseitige Behinderung von Zügen verhindert, unterliegen Tramknoten der Selbstorganisation durch das Fahrpersonal
(-) Sperrung wartender Trams (Selbstblockade) => es muss mit Fahrvorschriften sowie durch eine gute Übersichtlichkeit der Anlage sichergestellt werden, dass Kurse nur dann in den Knoten einfahren, wenn sie ihn auch ungestört wieder verlassen können!

Fahrwegkonflikten können durch Stauräume zwischen Konfliktpunkten reduziert werden, womit sich benachbarte Konfliktpunkte entkoppeln lassen.

Sortieranlagen / Vorsortieranlage sind eine weiterentwickelte Form des Stauraumes. Sie werden im Zulauf von Verzweigungen vorgesehen und entflechten die verschiedenen Destinationen bereits vor der Haltestelle.

• Mitbenutzung des Trottoirs
  (-) durch Passanten und Besucher von anliegenden Geschäften sowie bisweilen von Fahrradstreifen beansprucht
  (+) Platzverhältnisse in der Regel grosszügiger
  (+) in Längsrichtung nicht begrenzt
   
• Haltestelleninseln
  (-) Gefahr Abdrängung Fahrgäste => müssen genügend breit sein (und behindertengerecht!)
  (-) mehr Platzbedarf
   
• Kaphaltestelle: die Bordsteinkante wird in den Strassenraum vorgezogen
  (-) Behinderung des MIV
  (+) das Tram kann die Haltestelle in direkter Linie oder nur leicht versetzt anfahren
  (+) vergrösserter Warteraum für die Fahrgäste
  (+) Veloverkehr kann ungehindert hinter der Haltestelle geführt werden

• Gleisdreieck (heute nicht mehr angewandt)
  (-) betrieblich sehr aufwendig
  (+) lässt sich einfach in den Strassenraum integrieren
   
• Wendeschleife (nach Möglichkeit zweispurig)
  (-) platzintensiv, hohes Ausmass => nur in kleiner Zahl realisierbar
  (-) nicht immer an optimaler Lage angeordnet
  (-) im Innenstadtbereich praktisch nicht realisierbar
  (-) jede Wendemöglichkeit erfordert damit eine Zusatzinfrastruktur

Zudem werden Tramnetze in der Schweiz traditionell noch mit Einrichtungsfahrzeugen betrieben, die kommerziell
nur in einer Fahrtrichtung eingesetzt werden können. Zweirichtungsfahrzeuge vereinfachen die Wendeanlagen und erlauben insbesondere auch störungsorientierte Standorte im Innenstadtbereich. Sie erfordern am Linienendpunkt
nur einen Gleisstumpen, von dem sie auf das Gegengleis wechseln. Für das Wenden auf der Strecke genügt ein Spurwechsel, der sich auch im Innenstadtbereich einbauen lässt. Wendeschleifen werden überflüssig!

(-) die höheren Fahrzeugkosten aufgrund des zweiten Führerstandes und der doppelten Türzahl
(-) ein gewisser Kapazitätsverlust durch den zweiten Führerstand

• Für den massgebenden Personenfluss (Verkehrsaufkommen) dimensionieren
   
• Nicht nur die Leistungsfähigkeit, sprich die maximale Kapazitätausnutzung, sondern auch die Benutzungsqualität muss berücksichtigt werden => qualitätsorientierte Kapazitätsdimensionierung
   
• Betriebliche Aspekte, sprich das Betreibskonzept / Betriebsprogramm, müssen mitberücksichtigt werden
  => massgebender Betriebablauf bzw. Zugbündel (mit Anzahl und Typ der Züge) in der massgebender Spitzenstunde => massgebender Lastfall
  => massgebendes Verkehrsaufkommen (Dimensionierungsnachfrage, Nutzerzahl pro Lastfall)

Personenverkehrsanlagen von Bahnhöfen sind, ausgehend von geometrischen Mindestabmessungen, insbesondere auf einen korrekten Personenfluss (Kapazität) zu dimensionieren.

Zielgrössen:

• Leistungsfähigkeit für den erwarteten Personenfluss (massgebenden Fall)
   
• Zeitbedarf für die Umsteigevorgänge
   
• Angemessene Benützungsqualität

NB: Kapazität und Benützungsqualität hängen eng miteinander zusammen: Je höher die Kapazitätsausnutzung sein soll, desto höhere Fussgängerdichten müssen zugelassen werden und desto tiefer ist die wahrgenommene Qualität
=> qualitätsorientierte Kapazitätsdimensionierung

• Entwurf und ggf. Vordimensionierung der Wegetopologie (Perrons, Perronzugänge, inneres Wegenetz usw.) mit relevanten Abmessungen
   
• Betriebskonzept der Anlage sowie zugehörige Lastfälle (Personenflüsse => Leistungsfähigkeit)
  und Qualitätsziele und -standards (=> Benützungsqualität)
  NB: Das Betriebsprogramm hat einen grossen Einfluss auf die Nachfrage, deshalb gehört die Analyse der künftigen Funktion eines Haltepunktes im Angebotssystem / Betriebskonzept zur Dimensionierung!
   
• Funktion der Anlage in Verbindung mit dem Langsamverkehrssystem des Umfeldes sowie weitere Einrichtungen und Destinationen / Ziele (Orts- und Stadtteile) im und ausserhalb des Perimeters

Die wesentliche Differenz besteht im

1. Verkehrsaufkommen, insbesondere in den ausgeprägten Spitzenbelastungen
    
2. gänzlich abweichenden Benützungsbild während des Fahrgastwechsels

Kapazitätsbemessung und Benützungsqualität hängen eng miteinander zusammen!

Die wahrgenommene Qualität verschlechtert sich bereits deutlich vor der maximalen Leistungsfähigkeit (Kapazitätsausnutzung, max. Personenfluss)
=> deshalb wird sie meist für die Dimensionierung massgebend => qualitätsorientierte Kapazitätsdimensionierung

Die angestrebte Verkehrsqualität pro Bemessungsfall wird somit festgelegt und aus dem Fundamentaldiagramm wird die zugehörige Leistungsfähigkeit (Bemessungswert des Personenflusses) abgeleitet.

Basis der Kapazitätsdimensionierung ist die Nachfrage
mit den massgebenden Lastfällen und Nutzerzahlen pro Lastfall (Verkehrsausfkommen)

Das Verkehrsaufkommen ist getrennt für zwei Hauptpersonengruppen zu ermitteln:

• Ein-, Aus- und Umsteiger der Züge sowie von Zubringerverkehrsmitteln
   
• Passantenströme durch den Bahnhof hindurch sowie Besucherinnen und Besucher von Drittnutzungen

Das Verkehrsaufkommen unterliegt folgenden Streuungen:

• definierte kurzzeitige Streuungen (Ankünfte und Abfahrte von Zügen)
• systematische zeitliche Streuungen (Jahreszeit, Wochentag, Tageszeit)
• undefinierte kurzzeitige Streuungen (stochastische / zufällige Einflüsse)

Entscheidend für die Perronbelastung bzw. für das Verkehrsaufkommen ist das Betriebskonzept / Betriebsprogramm!

Massgebend wird die Spitzenstunde des massgebenden Zugbündels (Set von gleichzeitig oder innert weniger als 3 min ankommenden Zügen), das die grösste Überlagerung der Personenströme verursacht und aus dem Betriebsablauf / Betriebsprogramm der Züge abgeleitet werden kann. Das massgebende Zugbündel definiert die Länge des Bemessungsintervalls.

Entscheidend sind auch die Anzahl und Typ der Züge pro Perronkante für das Bemessungsintervall. 

1. Erstzusteiger aus dem Einzugsgebiet
    
2. Umsteiger von anderen Zügen oder Bussen

• Diejenigen, die zufällig am Bahnhof ankommen (Fahrplanunabhängig)
   
• Diejenigen, die sich am Fahrplan orientieren
   

Das hat einen Einfluss auf die erwartete Wartezeit und die hilft bei der Bestimmung der Belegung / Dimensionierung der Perronflächen.

Die Aussteiger verlassen den Zug als Pulk und verursachen damit eine Belastungsspitze.

Für jeden Querschnitt zwischen zwei Türen ist aufgrund der türweisen Fahrgastströme und ihrer Länge zu ermitteln, wie viele von ihnen sich im ungünstigsten Zeitpunkt überlagern => Überlagerung der Aussteigerströme

=> maximaler Zustrom zum Perronabgang

=> maximaler Fahrgaststrom entlang des gesamte Perrons

Von Türbreite und Einstiegshöhe.

Fussgängergeschwindigkeit und Fussgängerdichte.

Die Fussgängergeschwindigkeit ist neigungsabhängig (inkl. Treppen), normalverteilt und relevant für die Berechnung von Umsteigezeiten.

Die Anzahl der Fussgänger, die pro Zeiteinheit einen gegebenen Querschnitt der Einheitsbreite von 1 m passieren können, ist die spezifische Leistungsfähigkeit (Kapazität) und errechnet sich als Produkt aus Fussgängerdichte und Fussgängergeschwindigkeit.

Das Leistungsmaximum wird nicht bei höchster Geschwindigkeit erreicht, denn höchste Geschwindigkeit und maximale Dichte schliessen sich gegenseitig aus! (Grund dafür ist der bewegungsbedingte Platzbedarf jedes Fussgängers, der mit der Geschwindigkeit ansteigt. Wächst die Personendichte an, so reduziert sich die Geschwindigkeit!)

Bei der Leistungsauslegung von Fussgängeranlagen (Kapazität) interessieren je nach Aufgabenstellung alle drei möglichen
Zusammenhänge zwischen Geschwindigkeit, Dichte und Leistungsfähigkeit.
Diese werden im sogenannten Fundamentaldiagramm.

Von der lichte Innenbreite, Fussgängerdichte, Geschwindigkeit der Rolltreppe sowie Eigenbewegung (Eigengeschwindigkeit) der Fussgänger.

(Aus verschiedenen Gründen nimmt die Fussgängerdichte auf Rolltreppen bei höherer Betriebsgeschwindigkeit sukzessive ab. Darum steigt die Kapazität mit wachsender Geschwindigkeit zunächst an, sinkt aber oberhalb einer leistungsoptimalen Geschwindigkeit wieder!)

Fahrgeschwindigkeit, Höhendifferenz, Anzahl der Zwischenstationen, Kabinengrösse, Betriebs- und Steuerungsart.

Die Kapazität von Liften ist aufgrund der zahlreichen Einflussfaktoren individuell sehr unterschiedlich! Einen wesentlichen Einfluss hat die Füllkurve der Kabinen, die besagt, dass die Einsteigezeit pro Fahrgast mit zunehmendem Besetzungsgrad der Kabine ansteigt.

Um einen instabilen Zustand des Fussgängerflusses mit Rückstau zu vermeiden, dürfen Fussgängeranlagen
nicht auf die maximale spezifische Leistungsfähigkeit gemäss Fundamentaldiagramm dimensioniert werden!

Ein angemessener Benutzungskomfort / Benützungsqualitätt muss gewährleistet sein (=> qualitätsorientierte Kapazitätsdimensionierung!).
Dafür gibt es Level-of-Service (LoS) oder Verkehrsqualitätsstufen (VQS) definiert. In Abhängigkeit der Fussgängerdichte ist jeder Verkehrsqualität eine spezifische Leistungsfähigkeit zugeordnet.

(für kurze Lastspitzen ist eine verminderte Qualität zulässig, für längerdauernde Belastungen ist eine komfortablere Verkehrsqualitätsstufe zugrunde zu legen!)

1. Bestimmen welche Anteile für die Fortbewegung genutzt werden können und welche Bereiche als Warteflächen dienen
    
2. Anlage in ihre kleinsten funktional und verkehrlich homogenen Elemente zu segmentieren (funktionale Aufteilung)
    
3. Jedes einzelne Element separat dimensionieren
    
4. Überprüfung aller Elementschnittstellen, ob sie in der Lage sind, den Zu- und Abstrom von den jeweiligen Nachbarelementen in homogener Qualität zu bewältigen

Durch Fussgängersimulationsmodelle:

• mikroskopische Simulation: Simulation des Verhaltens der einzelnen Fussgänger und ihrer individuellen Interaktionen
   
• makroskopische Simulation: Simulation des Verhaltens ganzer Fussgängerströme, analog zu Flüssigkeitsströmen
   
• mesoskopische Simulation: Kombination makroskopischer und mikroskopischer Teilmodelle in einem übergreifenden Simulationsmodell

• Verschaffung und Definition der Simulationsinputs / Simulationseingaben:
  • Infrastruktur: Geometrie & Gestaltung der Anlage und Anordnung ihrer Elemente / Komponenten
  • Verkehrsmittel und Betriebsprogramm
  • Benutzer und Eigenschaften ihrer Verhalten & OD-Matrixes (Startpunkt-Zielpunkt-Relationen)
  • Aktivitäten: bahnrelevante und kommerzielle Dienstleistungen
     
• Durchführung Simulationen
   
• Auswertung der Resultate
  • Leistungsfähigkeit & Sicherheit: qualitativ (aus Animationen und Visualisierungen) und / oder quantitativ (z.B. aus dem Dichteverlauf)
  • Rückstau
  • Verlustzeiten
  • Wegzeiten
  • Benützungsqualität

Die schubweise auftretenden Fahrgastwellen sind hier praktisch noch ungepuffert!

• Hinreichende Leistungsfähigkeit
• Vermeidung von Rückstauerscheinungen
• Vermeidung der Behinderung aussteigender Fahrgäste
• Vermeidung sicherheitskritischer Fahrgastdichten

• Perron (Warte- & Bewegungsflächen)
• Perronzugänge (Treppen & Rampen)
• Verbindungs- & Verteilelemente (z.B. Unter-/Überführungen)

1. "vor Zugeinfahrt" = "wartende Einsteiger" => Perronanlagen
    
2. "Fahrgastwechsel" (alle Ein- und Aussteiger sowie wartende Fahrgäste auf dem Perron) => Perronanlagen
    
3. "nach dem Zugabfahrt" = "Abfluss der Aussteiger" => Perronanlagen & -zugänge
    
4. "Umsteigeintervall" = "Umsteigerströme" => Verbindungs-/Verteilungselemente

=> Kapazität prüfen!

Tram- und Bushaltestellen werden durch Fahrgäste des öffentlichen Verkehrs und gleichzeitig durch Passanten genutzt.

Zudem werden sie oft in dichter Folge von mehreren Linien bedient, weshalb die Fahrgäste auf unterschiedliche Fahrmöglichkeiten warten (ein Teil der Fahrgäste verbleibt daher auch während des Fahrgastwechsels auf der Haltestelle!)

Von Mindestabmessungen aus (statisch-geometrische Dimensionierung) durch eine dynamisch-kapazitative Dimensionierung.

1. "Wartesituation", relativ statischer Zustand (Fahrgäste sammeln sich)
    
2. "dynamische Übergangssituation" (kurz vor und während der Einfahr des Fahrzeuges, nicht kritisch / massgebend)
    
3. "Fahrgastwechsel" (vom Beginn des Aussteigens bis zum Abschluss des Einsteigens)

=> Kapazität prüfen!

Die Umsteigezeiten sind entweder gesucht als Grundlage zur Fahrplanerstellung oder als Zielwerte bestimmter Fahplankonzepte (z.B bei Integrierten Taktfahplänen mit systematisierten Anschlussknoten).

Der gesamte Zeitbedarf ist die Summe des Zeitbedarfs für jede benützte Teilanlage entlang des Umstegeweges. Er errechnet sich durch die Weglänge und die Geschwindigkeit in Funktion der LoS (je nach Lastfall).

• Festlegung Umsteigerelationen und Umsteigewege
• Bestimmung Länge Bemessungstrajektorien und Geschwindigkeit in Funktion der LoS bzw. Umsteigevorgang (Lastfall infolge Leistungsberechnung!)
• Berechnung Bewegungszeit => Umsteigezeit

Die Streuungen der Geschwindigkeit ist zu beachten, sodass die Umsteigezeiten von möglichst allen Fahrgästen einhaltbar sind. Die Bemessungsgeschwindigkeit ist so abzumindern (um 1.0-1.5 sigma reduziert), dass ein definierter Anteil der Fahrgäste den Anschlusszug innert der gegebenen Zeit erreichen kann (i.d.R. wird eine Unterschreitungswahrscheinlichkeit von etwas 90% angestrebt).

NB: Umsteigezeiten reagieren sehr sensibel auf die Wegelängen und auf die angenommene Laufgeschwindigkeit!

• Fahrbahn
• Bahnstromversorgung
• Telekommunikation
• Sicherung & Steuerung

• präzise, lagestabile und sichere Führung des Zuges (in vertikaler und horizontaler Richtung) => Standardisierung
  => Präzision
  => Sicherheit
   
• eine Vielzahl von Beanspruchungen widerstehen:
   
  • Vertikal- und Horizontalkräfte
    => Krafteinleitung, -verteilung und -ableitung in den Untergrund
    => gewisse Elastizität
     
  • Temperaturänderungen
     
  • Feuchtigkeit
     
  • Korrosion
     
  • Vegetationswuchs
     
• geometrische Soll-Lage möglichst gut und dauerhaft beibehalten
  => Haltbarkeit & Dauerhaftigkeit

(-) teuerstes Teilnetz => Wirtschaftlichkeit / Optimierung

(-) Erhaltung durch Stilllegung des Betriebs => gute Überwachbarkeit & Unterhaltbarkeit

(-) grosse Materialmengen (umweltunfreundlich)
=> optimale Materialpaarung zw. Rad und Schiene gegen Verschleiss
=> ökologische Verträglichkeit (Rohstoffe, Energie, Wiederverwendbarkeit)

Oberbau, Unterbau und Untergrund.

• Oberbau: Gleisrost (Schienen, Schwellen, Schotterbett)
  NB: Der Schotter ist das schwächste Element des Oberbaus, unter Betrieb verliert seine Form und unterliegt einem starken Verschleiss! => feste Fahrbahnen (in Japan Hochgeschwindigkeitsstrecken, in Europa hauptsächlich Tunnels)
  
  PLANIE
   
• Unterbau: Fundationsschichten, Schutzschichten ...
  
  PLANUM
   
• Untergrund: gewachsener (stabilisierter) Boden