Verminderung der Einwirkungen im Unterbau/Untergrund mit elastischen Elementen im Oberbau

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1 Verminderung der Einwirkungen im Unterbau/Untergrund mit elastischen Elementen im Oberbau - Ein Erfahrungsbericht - Prof.- Dr.-Ing. Ulrike Weisemann Tiefbaufachtung des VDEI in Dresden 1

2 Gliederung Gliederung 1. Problemstellung 2. Eintragung und Abtragung der Lasten 3. Ergebnisse des Nachweises der dynamischen Gebrauchstauglichkeit 4. Einbaupositionen und Wirkungsweise von elastischen Elementen im Oberbau 5. Betriebserprobung beim Bauvorhaben Hamburg Berlin, 2. Ausbaustufe 6. Schlussfolgerungen Tiefbaufachtung des VDEI in Dresden 2

3 1 Problemstellung Bauvorhaben Hamburg Berlin, 2. Ausbaustufe, Abnahmemessungen Tiefbaufachtung des VDEI in Dresden 3

4 1 Problemstellung Beispiel Bauvorhaben Hamburg Berlin, 2. Ausbaustufe Erhöhung der Betriebsgeschwindigkeit auf v e = 230 km/h für eine auf 160 km/h bereits ertüchtigte Strecke, ggf. Bestellung der Strecke für Schwerwagenverkehr (25 t Radsatzlast) 1. Ausbaustufe: Mindestanforderungen gemäß DS Ausbaustufe: Mindestanforderungen gemäß Ril 836 Gesamtdicke von PSS / FSS: d = 0,25 m Regeldicke der Schutzschicht: d = 0,40 m Planum: E V2 = 50 MN/m² Planum: E V2 = 80 MN/m² D Pr = 0,95 D Pr = 1,00 EPL: E V2 = 20 MN/m² EPL: E V2 = 45 MN/m² Untergrund: D Pr = 0,93 bis 0,50 m unter OK EPL Untergrund: D Pr = 0,95 bis 1,50 m unter OK EPL Höhere Anforderungen an Tragfähigkeit und Verdichtung Fragestellung bei Erdbauwerken an Ausbaustrecken: Entspricht die vorhandene Substanz den gestiegenen Anforderungen? Tiefbaufachtung des VDEI in Dresden 4

5 1 Problemstellung Erhöhung hung der Geschwindigkeit, der Streckenbelegung bzw. der Radsatzlast ast Höhere Anforderungen an das Gesamtsystem Oberbau / Unterbau / Untergrund Fragestellung: Welche bautechnischen Maßnahmen müssen m durchgeführt hrt werden, um die höheren h heren Beanspruchungen schadlos aufnehmen zu können? k Erweiterter Ansatz in der Nachweisführung: hrung: Differenzierte und tiefgehende Betrachtung der Einwirkungen (Vergangenheit / Gegenwart / Zukunft) durch tatsächliche bzw. wirklichkeitsnahe Lastbilder Erfassung der tatsächlichen Widerstände des Gesamtsystems, insbesondere des Baugrundes Untersuchungen zur Beanspruchung und zur Beanspruchungsveränderung, nderung, Beurteilung der Auswirkungen auf das Erdbauwerk Festlegung von Ertüchtigungsma chtigungsmaßnahmen nahmen unter Nutzung von elastischen Elementen Tiefbaufachtung des VDEI in Dresden 5

6 2 Eintragung und Abtragung der Lasten Systematisierung der Einwirkungen Beanspruchungsveränderung - zukünftiger Zustand - Hochgeschwindigkeitsverkehr Schwerwagenverkehr Hochgeschwindigkeitszug nach technischer Spezifikation für Interoperabilität (TSI) Vmax = 100 km/h Faalns 151 Faalns t 25 t 25 t 25 t 25 t 25 t 25 t 25 t 25 t 25 t 25 t 25 t 1,825 1,70 1,70 4,60 1,70 1,70 3,65 1,70 1,70 4,60 1,70 1,70 1,825 15,05 m 15,05 m Lastbild für Schwerwagen Faalns 151 Lastbild des ICE-T Tiefbaufachtung des VDEI in Dresden 6

7 2 Eintragung und Abtragung der Lasten Idealisierte Belastung: statische Ersatzlast inklusive Erhöhungsfaktoren Radkraftverlagerung bei Bogenfahrt Radkrafterhöhung in Abhängigkeit von Gleislagequalität / Oberbauzustand und Fahrgeschwindigkeit Tatsächliche Belastung: dynamische bzw. zeitabhängige Beanspruchung quasistatische Beanspruchung infolge geometrischer Abstände der Achslasten eines Fahrzeugs zusätzliche dynamische Beanspruchung durch Unebenheiten des Rades und im Fahrweg Tiefbaufachtung des VDEI in Dresden 7

8 2 Eintragung und Abtragung der Lasten Tatsächliche Belastung = zeitabhängige Belastung Sie resultiert aus der Achsfolge der Fahrzeuge sowie der Abstände von Unebenheiten des Fahrzeuges und des Fahrweges unter Berücksichtigung der Fahrgeschwindigkeit. Einwirkungen Niederfrequente Einwirkungen Hochfrequente Einwirkungen Werden charakterisiert durch: die jeweiligen Radsatzlasten der überfahrenden Züge die Fahrgeschwindigkeit sowie typische Wagen-, Achs- und Drehgestellabstände Ergeben sich durch: Wechselwirkung von Fahrzeug und Fahrweg, z.b. durch Unebenheiten im Fahrweg (Gleislagefehler, Riffel) oder im Fahrzeug (Radunrundheiten) Belastung des Gesamtsystems Tiefbaufachtung des VDEI in Dresden 8

9 2 Eintragung und Abtragung der Lasten Beanspruchungen des Gesamtsystems = Summe aus niederfrequenter und hochfrequenter Beanspruchung Darstellung im Zeitbereich 0,000 0,128 0,256 0,384 0,512 t [s] 0,640 0,768 0,896 1, Gesamtbeanspruchung [kn/m²] UK Schwelle OK Planum Tiefbaufachtung des VDEI in Dresden 9

10 3 Nachweisführung beim Bauvorhaben Hamburg - Berlin Probleme im Unterbau/Untergrund Bei zu großen Schwingwegen, Schwinggeschwindigkeiten und/oder zu großen Schwingbeschleunigungen negative Auswirkungen für Oberbau und Unterbau und Untergrund, z.b.: Kornumlagerungen, Kornzertrümmerungen Erhöhung des Porenwasserüberdruckes, Bodenverflüssigungen Nachverdichtungen, Setzungen Instabilitäten an Schichtgrenzen verändertes Elastizitätsverhalten kritische Bereiche von Unterbau und Untergrund bei dynamischer Einwirkung Gleisnahe Bodenschichten Dämme aus verlagerungsempfindlichen Sanden Weichschichten im Untergrund Instabilitäten an Schichtgrenzen Übergangsbereiche bei Brücken, Durchlässen, Bahnübergängen Tiefbaufachtung des VDEI in Dresden 10

11 3 Nachweisführung beim Bauvorhaben Hamburg - Berlin Aufgabenstellung: - Nachweis der Gebrauchstauglichkeit für die Erdbauwerke bzw. Unterbau / Untergrund auf ca. 260 km Streckenlänge für 230 km/h (Dynamische Stabilität), - Nachweis der Tragfähigkeit (Standsicherheit) für die Erdbauwerke Methodik der Nachweisführung Betrachtung und Bewertung der dynamischen Lastausbreitung in maßgebenden Frequenzen und Schwinggeschwindigkeiten Oberbau Unterbau Gleisdynamische Berechnungen FE- Berechnungen 0,000 0,128 0,256 0,384 0,512 t [s] 0,640 0,768 0,896 1, Gesamtbeanspruchung [kn/m²] UK Schwelle OK Planum Tiefbaufachtung des VDEI in Dresden 11

12 3 Nachweisführung beim Bauvorhaben Hamburg - Berlin Ergebnisse - Vertikalspannungen im Unterbau 60 maximale Flächenlasten Oberkante Planum auf einer Verteilungsbreite von 2,60 m maßgebend für Erdkörper und Stützbauwerke 60,0 60, ,2 51,6 statischer Anteil dynamischer Anteil mittlere RU Gesamt mittlere RU Flächenlasten [kn/m²] ,6 29,9 34,1 33,6 26,1 26, ,3 10,3 7,5 4,4 0,0 Lastbild D4 90 km/h ICE-T 160 km/h TSI 230 km/h TSI 230 km/h Bemessungsgrundlage Zw 687a Zw 687a Zw 687a Zw 700 RIL 836 Anmerkung: Bemessungsgrundlage RIL 836 = Ebene Unterkante Schwelle Tiefbaufachtung des VDEI in Dresden 12

13 3 Nachweisführung beim Bauvorhaben Hamburg - Berlin Ergebnisse - effektive Schwinggeschwindigkeiten im Unterbau effektive Schwinggeschwindigkeit [mm/s] 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 0,00-0,20 Tiefe unter OK Schwelle [m] -0,40-0,60-0,80-1,00-1,20-1,40-1,60-1,80-2,00 Lastbild D4 Zw 687a MRU Lastbild ICT Zw 687a MRU Lastbild TSI Zw 687a MRU Lastbild TSI Zw 700 MRU Tiefbaufachtung des VDEI in Dresden 13

14 3 Nachweisführung beim Bauvorhaben Hamburg - Berlin Vergleich der kritischen und effektiven Schwinggeschwindigkeiten Tiefbaufachtung des VDEI in Dresden 14

15 3 Nachweisführung beim Bauvorhaben Hamburg - Berlin Vergleich der kritischen und effektiven Schwinggeschwindigkeiten Tiefbaufachtung des VDEI in Dresden 15

16 3 Nachweisführung beim Bauvorhaben Hamburg - Berlin Vergleich der kritischen und effektiven Schwinggeschwindigkeiten Tiefbaufachtung des VDEI in Dresden 16

17 4 Einbaupositionen und Wirkungsweise von elastischen Elementen im Oberbau Mögliche Positionen von elastischen Elementen Quelle: DB AG Schiene Zwischenlage Schwelle Schwellensohle Schotter Tiefbaufachtung des VDEI in Dresden 17

18 4 Einbaupositionen und Wirkungsweise von elastischen Elementen im Oberbau Beeinflussung des Schwingungsverhaltens durch Wirkung als: Federelement höhere Einsenkung flachere Biegelinie Verminderung der Schotterpressung und der Bodendruckspannung Dämpfungselement Verminderung der Schwingungsanregung Abbau von Schwinggeschwindigkeiten Dämpfung im mittleren und höheren Frequenzbereich Schotterspannung [kn/m²] Weg der Überfahrt x [m] -3,00-2,00-1,00 0,00 1,00 2,00 3, Zw 687a ideal rund Zw 687a unrund Zw 700 ideal rund Zw 700 unrund E 14 ideal rund E 14 unrund Biegemoment der Schiene [knm] 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0-5,0-10,0-15,0-20,0 dynamische Zusatzbeanspruchung durch Radunrundheit Zw 687a Zw 700 E 14-3,00-2,00-1,00 0,00 1,00 2,00 3,00 Weg der Überfahrt x [m] Schotterspannungen infolge ideal runder und extrem unrunder Räder Biegemomente der Schiene infolge ideal runder und extrem unrunder Räder Tiefbaufachtung des VDEI in Dresden 18

19 4 Betriebserprobung Betriebserprobung beim Bauvorhaben Hamburg Berlin, 2. Ausbaustufe bei Neustadt (Dosse) - km 76,300 - km 76,800: Hamburg Berlin Ausgangssituation: Dammbereich mit verlagerungsempfindlichen Sanden und geringer Lagerungsdichte Gleislagefehler Tiefbaufachtung des VDEI in Dresden 19

20 4 Betriebserprobung Betriebserprobung beim Bauvorhaben Hamburg Berlin, 2. Ausbaustufe 5 Messquerschnitte Messungen: Schwingbeschleunigung Verformungsmessungen Schwellenhohllagemessungen Schienendurchbiegungsmessungen E14-Stützpunkt (Gleis Berlin - Hamburg), statische Stützpunktsteifigkeit k stat,e14 = 27,5 kn/mm Schwellenbesohlung (Gleis Hamburg - Berlin), statische Stützpunktsteifigkeit k Ges = 27,3 kn/mm (mit ZW 700) Tiefbaufachtung des VDEI in Dresden 20

21 4 Betriebserprobung Anordnung der Messaufnehmer SOK 11N 12N 13W 14W 15W 21F 22F Beschleunigungsaufnehmer Laser-Waage 16P 17P 0,85 m PSS 18B 2,00 m Messpunkte in Bohrloch eingebaut, eingesandet 19B 20B 3,50 m 5,00 m Quelle: imb-dynamik Tiefbaufachtung des VDEI in Dresden 21

22 4 Betriebserprobung Messergebnisse der Betriebserprobung elastische Einsenkungen (ICE-T-Triebwagen mit ca. 190 km/h) Tiefe unter SOK [m] Elastische Einsenkungen [mm] 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 ICE-Triebwagen; E14-Stützpunkte 4,0 ICE-Triebwagen; besohlte Schwellen 5,0 ICE-Triebwagen; Ref erenz Messpunkt Tiefe unter SO ICE-T-Triebwagen / ca. 14 t Radsatzlast / v 190 km/h E14-Stützpunkt besohlte Schwellen Referenz Schiene 0,16 m 1,19 1,00 0,95 Schwelle 0,20 m 0,58 0,77 0,63 Planum 0,85 m 0,40 0,39 0,42-2,0 m 2,00 m 0,37 0,31 0,35-3,0 m 3,00 m - - 0,29-3,5 m 3,50 m 0,21 0, ,0 m 5,00 m 0,15 0, Tiefbaufachtung des VDEI in Dresden 22

23 4 Betriebserprobung Messergebnisse der Betriebserprobung Verteilung der Elastizität 30% E14-Stützpunkte 35% besohlte Schwellen 25% 10% 60% 0% 10% 30% Zwischenlage Schwellensohle Schotter Unterbau- und Untergrund Zwischenlage Schwellensohle Schotter Unterbau- und Untergrund 50% elastischer Oberbau (Zw 700, Schwellen B70, UIC 60) 30% 65% klassischer Oberbau *) (Zw 687a, Schwellen B70, UIC 60) 10% 0% 25% 0% 20% Zwischenlage Schwellensohle Schotter Unterbau- und Untergrund Zwischenlage Schwellensohle Schotter Unterbau- und Untergrund *) vor Umbau Tiefbaufachtung des VDEI in Dresden 23

24 4 Betriebserprobung Messergebnisse der Betriebserprobung Quasistatischer Anteil der maximalen Schwinggeschwindigkeit ( 25 Hz) Maximale Schwinggeschwindigkeit 2 m unter Schienenoberkante: beim E 14- Stützpunkt um 30 % geringer als bei der Referenz bei der besohlten Schwelle um 20 % geringer als bei der Referenz 0,0 quasistatischer Anteil der Schwinggeschwindigkeiten (0,25-25 Hz) [mm/s] 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 1,0 Tiefe unter SO [m] 2,0 3,0 4,0 5,0 Reduzierung um 20% 30% ICE-T Triebwagen; E14-Stützpunkte v ~ 190 km/h; 4. Messkampagne ICE-T Triebwagen; besohlte Schwelle v ~ 190 km/h; 4. Messkampagne ICE-T Triebwagen; Referenz v ~ 190 km/h; 4. Messkampagne Tiefbaufachtung des VDEI in Dresden 24

25 4 Betriebserprobung Messergebnisse der Betriebserprobung - Zusätzlicher dynamischer Anteil der maximalen Schwinggeschwindigkeit (25 Hz 1000 Hz) Maximale Schwinggeschwindigkeit (mittlere Radunrundheiten) 2 m unter Schienenoberkante: beim E 14- Stützpunkt um 40 % geringer als bei der Referenz bei der besohlten Schwelle um 20 % geringer als bei der Referenz 0,0 dynamischer Anteil der Schwinggeschwindigkeiten ( Hz); mittlere Radunrundheiten [mm/s] 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 1,0 Tiefe unter SO [m] 2,0 3,0 4,0 5,0 Reduzierung um 20% 40% ICE-T Triebwagen; E14-Stützpunkte v ~ 190 km/h; 4. Messkampagne ICE-T Triebwagen; besohlte Schwelle v ~ 190 km/h; 4. Messkampagne ICE-T Triebwagen; Referenz v ~ 190 km/h; 4. Messkampagne Tiefbaufachtung des VDEI in Dresden 25

26 4 Betriebserprobung Messergebnisse der Betriebserprobung - quasistatische und zusätzliche dynamischen Beanspruchung infolge ICE-T-Triebwagen mit v = 190 km/h im Frequenzbereich 10,000 Schwinggeschwindigkeiten - Terzanalyse Hz quasistatisch: Reduzierung ICE-T; E14-Stützpunkte; energ. Mittel; Pl. ICE-T; besohlte Schwellen; energ. Mittel; Pl. ICE-T; Referenz; energ. Mittel; Pl. v [mm/s] 1,000 dynamisch: deutliche Reduzierung, Verschiebung des Frequenzbereiches 0, ,6 2,5 4 6, , Frequenz [1/s] Wagenabstand Drehgestellabstand Achsabstand Radunrundheiten Tiefbaufachtung des VDEI in Dresden 26

27 4 Betriebserprobung Numerische Simulation Vergleich der Messergebnisse mit der FE- Berechnung E14-Stützpunkte; maximale Schwinggeschwindigkeiten [mm/s] 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 40,0 0,00 1,00 Tiefe unter SO [m] 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 IC-Lokomotiven 190 km/h, Messergebnisse mittlere RU IC-Lokomotiven 190 km/h, Messergebnisse extreme RU IC-Wagen 190 km/h, Messergebnisse, mittlere RU IC-Wagen 190 km/h, Messergebnisse, extreme RU ICE-T-Triebwagen 190 km/h, Messergebnisse, mittlere RU ICE-T-Triebwagen 190 km/h, Messergebnisse, extreme RU IC-Lokomotiven 190 km/h, FE-Berechnungsergebnisse IC-Wagen 190 km/h, FE-Berechnungsergebnisse ICE-T-Triebwagen 190 km/h, FE-Berechnungsergebnisse Tiefbaufachtung des VDEI in Dresden 27

28 4 Betriebserprobung Beurteilung der Gleisgeometrie Entwicklung des Längshöhenfehlers Gleislageparameter LH, Gleis 1 Beurteilungsmaßstäbe 50 % SR A, 75 % SR A und SR 100 erreicht bzw. überschritten, Summe linke und rechte Schiene Gleislageparameter LH, Gleis 2 Beurteilungsmaßstäbe 50 % SR A, 75 % SR A und SR 100 erreicht bzw. überschritten, Summe linke und rechte Schiene Beurteilungsmaßstab erreicht bzw. überschritten G 1, G 1, G 1, G 1, Messdatum 6 2 SR SRA 75 % SRA 50 % SRA SR100 SRA 75 % SRA 50 % SRA Beurteilungsmaßstab erreicht bzw. überschritten G 2, G 2, G 2, G 2, Messdatum SR SRA 75 % SRA 50 % SRA SR100 SRA 75 % SRA 50 % SRA E14-Stützpunkt (Gleis Berlin Hamburg) Schwellenbesohlung (Gleis Hamburg Berlin) Tiefbaufachtung des VDEI in Dresden 28

29 5 Schlussfolgerung Schlussfolgerung Erforderlich: Betrachtung des Systemverhaltens - Fahrzeug Fahrweg - Oberbau/Unterbau/Untergrund v Zug 2,0 π L Q Schotter Damm 1,5 π L Weichschicht dyn. Kennwerte c p, c s, ρ, D Gesamtbeanspruchung [kn/m²] Untergrund 0,000 0,128 0,256 0,384 0,512 t [s] 0,640 0,768 0,896 1, UK Schwelle OK Planum Tiefe unter OK Schwelle [m] 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 10,0 Scherdehnungen [-] 0,0E+0 0 1,0E-05 2,0E-05 3,0E-05 4,0E-05 5,0E-05 6,0E-05 7,0E-05 8,0E-05 9,0E-05 1,0E-04 1,1E-04 1,2E-04 1,3E-04 1,4E-04 1,5E-04 Schotter Tragschicht (mit Geogitter) Damm Weichschicht Untergrund Scherdehnungsgrenze γ tv,u = 5 E-05 Scherdehnungsgrenze γ tv,u = 8 E-05 Güterzug 90 km/h mit Lastbild D 4 Reisezug 120 km/h mit Lok BR 232 Reisezug 140 km/h mit Lok BR 234 Reisezug 160 km/h mit Lok BR Tiefbaufachtung des VDEI in Dresden 29

30 5 Schlussfolgerung Schlussfolgerung Strategie der Ertüchtigung - Reduzierung der Einwirkungen durch elastische Elemente Verminderung der elastischen Einsenkungen und Spannungen, Reduzierung der dynamischen Beanspruchungen Veränderung ihres Frequenzbereiches - Ertüchtigung vorwiegend durch gleisnahe Tragsysteme - Aufwendige Untergrundsanierungen nur noch partiell bei extrem ungünstigen Baugrundverhältnissen ( ) Tiefbaufachtung des VDEI in Dresden 30

31 5 Schlussfolgerung Schlussfolgerung Einsatzmöglichkeiten 1. Freie Strecke: Verringerung der Untergrundbeanspruchung bei kritischen Baugrundverhältnissen und gleich bleibender Belastung Kompensation der Belastungserhöhung (Geschwindigkeit, Radsatzlast) 2. Hoch liegende Durchlässe Verringerung der Beanspruchung im Durchlassquerschnitt 3. Übergangsbereich Eisenbahnüberführungen / Erdkörper SO OK Schw h ü =0,75m Durchlass l w =0,57m l H = 0,50 m Tiefbaufachtung des VDEI in Dresden 31

32 Verminderung der Einwirkungen im Unterbau/Untergrund mit elastischen Elementen im Oberbau - Ein Erfahrungsbericht - Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Tiefbaufachtung des VDEI in Dresden 32