TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN

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1 TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN LEHRSTUHL UND PRÜFAMT FÜR VERKEHRSWEGEBAU Univ. Prof. Dr.-Ing. S. Freudenstein Bericht Nr vom FORSCHUNGSBERICHT Untersuchungen an der FFU-Kunstholzschwelle Verwendung als Marketingunterlage von SEKISUI Der fachliche Inhalt ist deckungsgleich mit dem Original

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3 TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN München, Lehrstuhl und Prüfamt für Verkehrswegebau Mal/Lie/Be-2466 Forschungsbericht Nr Untersuchungen an der FFU-Kunstholzschwelle 1. ALLGEMEINES Im Zuge des Zulassungsverfahrens durch das EBA, sollten umfangreiche Untersuchungen an der FFU-Kunstholzschwelle (Eslon Neo Lumber) aus dem Hause SEKISUI für den Einsatz im Gleisbau durchgeführt werden. Gemäß Angaben des Auftraggebers werden bei Herstellung der Kunstholzschwelle Glasfaserstränge gespannt und mit Polyurethan vergossen. Nach der Erhärtung werden Kunstholzschwellen millimetergenau geschnitten. Nach Rücksprache mit dem deutschen EBA (Eisenbahnbundesamt) wurden folgende Untersuchungen durchgeführt: - Verhalten der Schwelle unter Einwirkung vertikaler und horizontaler Lasten im Scherenhebelschwingversuch. Auflagerung im Schotterbett in Anlehnung an die DIN EN (Leistungsanforderungen für Befestigungssysteme auf Holzschwellen). - Andrehversuche zur Ermittlung der Zugkraft in den Schwellenschrauben in Abhängigkeit des Andrehmomentes. - Ausziehversuche an Schwellenschrauben gemäß DIN EN Schlagprüfungen zur Simulierung einer Entgleisung (gemäß Techn. Lieferbedingungen der DB). - Elektrischer Widerstand gemäß DIN EN Statische und dynamische Prüfungen der Kunstholzschwelle in Anlehnung an die DIN EN

4 Lehrstuhl und Prüfamt für Verkehrswegebau der TU München, Bericht Nr Vom Auftraggeber wurden 20 Kunstholzschwellen (roh, ohne Bohrlöcher für Schwellenschrauben) geliefert. Die Schwellen haben die gleichen Abmessungen von 26 x 16 x 260 cm wie die klassischen Holzschwellen. Anlage 1 zeigt eine Planzeichnung der Schwelle mit Schienenbefestigung. Für die Prüfungen in Verbindung mit Schienenbefestigungen wurden vom Auftraggeber nachträglich an 6 der gelieferten Schwellen die benötigten Löcher für die Schwellenschrauben gebohrt: Bohrdurchmesser für Schwellenschraube 19 mm Bohrdurchmesser im Bereich der ersten 25 mm von Schwellenoberkante auf 24 mm aufgeweitet. Bohrlochtiefe 14,5 cm Die Schwellenschrauben wurden mit einem Drehmoment von 220 Nm angezogen. In die Bohrlöcher wurde zuvor Vaseline eingebracht. 2. VERSUCHSDURCHFÜHRUNG 2.1 Dauerschwellversuch (Scherenhebelschwingversuch) gemäß DIN EN (Februar 2003) Schwelle Nr. 6 Zur Vorbereitung des Versuches ist die dynamische Steifigkeit der Zwischenlage in Übereinstimmung mit dem Anhang B der EN (Anforderungen an Betonschwellen) zu ermitteln. Die dynamische Steifigkeit als Sekantenwert zwischen 20 kn und 95 kn bei einer Prüffrequenz von 5 Hz ist größer als 200 kn/mm. Aus den ermittelten dynamischen Steifigkeiten der Zwischenlage ergeben sich die Prüflasten und positionen nach Tabelle 2 der DIN EN Da die Zwischenlage eine dynamische Federziffer > 200 kn/mm aufweist, ist sie als "hart" einzustufen (auf der sicheren Seite liegend wird die Elastizität der Kunstholzschwelle vernachlässigt!). Demzufolge ergibt sich für den Dauerschwellversuch für Einzelstützpunkte eine Oberlast von P v /cos α = 83 kn, bei einem Lasteinleitungswinkel von α = 33 : Bei dem Scherenhebelschwingversuch werden gleichzeitig zwei Stützpunkte geprüft, die Oberlast 2 x P V beträgt demnach 140 kn. Das für den Dauerversuch verwendete Schienenstück ist gemäß der DIN EN um das erforderliche Maß X = 15 mm abgefräst. Die Unterlast bei der Versuchsdurchführung beträgt 10 kn bei einer Belastungsfrequenz von 3 Hz. Damit werden Versuche für die Bezugswerte der Auswirkungen von Dauerbelastungen einer Radsatzlast von 225 kn und Gleisbogenhalbmesser von > 150 m nach Tabelle 1 der DIN EN durchgeführt. 2

5 Lehrstuhl und Prüfamt für Verkehrswegebau der TU München, Bericht Nr Der Versuch wurde als Scherenhebelschwingversuch mit 3 Mio Lastspielen durchgeführt (2 x P v = 140 kn). Die Versuchsanordnung entspricht Bild 3b der DIN EN (s. Fotos Anhang 1.1). In den Anlagen 2 (a, b, c, d) sind die Verformungen des Schienenbefestigungssystems während des Dauerversuches bei Raumtemperatur T = RT dargestellt. Die Auslenkungen der Schiene gegenüber der Schwelle nach 3 Mio Lastspielen sind Tabelle 1 zu entnehmen. Hier sind keine Vorgaben in den Normen DIN EN und definiert. Die Verformungen wurden mit Messuhren nach Bild 5 der DIN EN ermittelt. Tabelle 1: elastische Schienenkopfauslenkung bleibende Schienenkopfauslenkung nach Dauerversuch rechter Stützpunkt linker Stützpunkt rechter Stützpunkt linker Stützpunkt 3 Mio Lastspiele 2,12 mm 1,71 mm 0,42 mm 0,29 mm Nach den hier vorliegenden Erfahrungen liegen die o.a. Werte im zulässigen Bereich. Zusätzlich wurde die horizontale sowie vertikale Bewegung der Rippenplatte (außen) registriert. Es wurde eine elastische Einsenkung von 0,23 mm sowie eine bleibende von 0,14 mm an der Rippenplatte registriert. Die horizontale Verschiebung der Rippenplatten betrug i.m. ca. 0,2 mm. Anschließend wurde die Schwelle aus dem Schotter ausgebaut und augenscheinlich untersucht, es wurden nur leichte Druckstellen an der Unterseite registriert. In einer zusätzlichen Versuchsphase mit erhöhter Temperatur von ca. 48 C sollte das Verhalten der Kunstholzschwelle an der gleichen Schwelle in Verbindung mit der Schienenbefestigung bei erhöhter Temperatur untersucht werden. In dieser Phase wurden zusätzlich 1,28 Mio Lastspiele aufgebracht. In den Anlagen 3 (a, b, c, d) sind die Verformungen in der Prüfung bei T = 48 C dargestellt. Die Auslenkung der Schiene gegenüber der Schwelle ist in der Tabelle 2 zusammengestellt. 3

6 Lehrstuhl und Prüfamt für Verkehrswegebau der TU München, Bericht Nr Tabelle 2: elastische Schienenkopfauslenkung bleibende Schienenkopfauslenkung nach Dauerversuch rechter Stützpunkt linker Stützpunkt rechter Stützpunkt linker Stützpunkt 1,28 Mio Lastspiele 2,05 mm 1,93 mm 0,41 mm 0,48 mm Die Werte in Tabelle 2 sind von gleicher Größenordnung wie im Dauerschwellversuch bei RT (Tabelle 1). Daraus kann gefolgert werden, dass das mechanische Verhalten des Systems von den erhöhten Temperaturen weitgehend unbeeinflusst ist. Nach dem Dauerversuch wurden die Rippenplatten demontiert und das Andrehmoment erneut ermittelt (M = 180 Nm, Mittelwert aus 8 Schrauben). Die Schwellenoberfläche zeigte einen Abdruck der Rippenplatte (s. Fotos Anhang 1.2) mit plastischen Deformationen von 0,7 mm (schienenaußenseitig) bzw. 0,3 mm (schieneninnenseitig). An der Unterseite der Schwelle wurden nur leichte Druckstellen registriert. 2.2 Zugkraft in den Schwellenschrauben in Abhängigkeit von Andrehmoment und Zeit Hierzu wurden im Schaft von 2 Schwellenschrauben an 2 gegenüberliegenden Seiten Aussparungen eingefräst, in die Dehnungsmessstreifen eingeklebt wurden. Anschließend wurden die Schrauben in einem zentrischen Zugversuch geeicht, womit bei Registrierung der auftretenden Dehnungen eine Zuordnung der entsprechenden Zugkräfte möglich ist. An der Schwelle Nr. 7 wurde die Rippenplatte montiert und auf die Schwellenschrauben in Stufen ein Andrehmoment von 200 Nm bzw. 250 Nm aufgebracht (s. Fotos Anhang 2). In der folgenden Tabelle sind die Ergebnisse zusammengestellt. Tabelle 3: 1. Versuch 2. Versuch Moment Zeit Zugkraft Zeit Zugkraft 200 Nm t = o kn t = o 21 kn 200 Nm t = 40 min kn t = 40 min 18 kn 250 Nm t = o 25 kn t = o 25 kn 250 Nm t = 40 min 20 kn t = 40 min 22 kn 250 Nm t = 16 h 19 kn t = 3 Tage 20 kn 4

7 Lehrstuhl und Prüfamt für Verkehrswegebau der TU München, Bericht Nr Ausziehversuche Bei den Ausziehversuchen wird eine zentrische Zugkraft in die Schwellenschrauben eingeleitet und durch eine zwischengeschaltete Druckmessdose die eingeleitete Zugkraft registriert (s. Fotos Anhang 2). Die Versuche wurden in Anlehnung an die DIN EN , Anhang A, an allen 8 Schwellenschrauben einer Kunstholzschwelle (Nr. 5) durchgeführt. Die Last wurde kontinuierlich bis zum Auszug der Schraube gesteigert. In der Tabelle sind die maximalen Ausziehkräfte zusammengestellt Tabelle 4: Versuch Nr. maximale Zugkraft 1 73,4 2 71, Demnach liegt eine Ausziehkraft von i.m. 61 kn vor. Bei früheren Ausziehversuchen an Schwellenschrauben auf Holzschwellen wurden Ausziehkräfte von ca. 35 kn erreicht [Forschungsbericht Nr vom ]. 2.4 Schlagversuche Die Prüfung der Entgleisungsbeständigkeit der Schwellen erfolgt im Schlagversuch gemäß den Technischen Lieferbedingungen der DB Spannbetonschwellen Grundsätze für Bemessung, Bauart und Zulassungsverfahren. Demnach sind an jeder Prüfschwelle die Schlagprüfungen I und II durchzuführen. Hierbei schlägt ein Fallbär (5 kn) mit spurkranzförmiger Schneide aus 75 cm Höhe zweimal je Prüfung an den unten dargestellten Aufschlagstellen auf die Kante der um 30 geneigten Schwelle. Die Schwelle ist hierbei im Prüfrahmen auf 6 mm dicke Zwischenlagen zu betten. Schlagprüfung I: Aufschlagstelle 25 cm von der Schienenmitte Richtung Schwellenmitte. 5

8 Lehrstuhl und Prüfamt für Verkehrswegebau der TU München, Bericht Nr Schlagprüfung II: Aufschlagstelle in 15 cm Entfernung vom Ende der Schwelle. Die Schlagprüfungen wurden an drei Schwellen durchgeführt (Nummer S7, S8 und S9). Diese Schwellen waren nicht mit Bohrlöchern für die Schwellenschrauben versehen, wodurch das Versuchsergebnis jedoch nicht beeinflusst wird. (Die Impulsbelastung wird nicht am Ort der Befestigung aufgebracht.) In Anhang 3.1 bis 3.5 sind die Prüfungen anhand von Fotos dokumentiert. Demnach zeigen die Kunstholzschwellen keinerlei Verwölbung infolge der Schlagbelastung. Die verursachten Schäden beschränken sich bei Schlagprüfung I auf einen engen Bereich am Ort der Impulsbelastung, in Schlagprüfung II wurden die Fasern bis zu Schwellenstirnseite gelöst. In der Schlagprüfung I (25 cm von der Mitte der Befestigung Richtung Schwellenmitte) werden im Aufschlagpunkt lediglich die Fasern bis zu einer Tiefe von 25 mm durchtrennt. Die Verformung der Oberfläche am Einschlagpunkt zeigt die Form des Spurkranzes (bzw. der Schneide des Fallbären). Die Länge der Einkerbung beträgt an der Oberfläche maximal etwa 90 mm. Das Verhalten der Schwelle ist vergleichbar mit dem von Holzschwellen. In der Schlagprüfung II (15 cm von der Schwellenstirnseite) wird ein keilförmiges Eckstück von der Schwelle gelöst. Die Abmessungen des gelösten Keils entsprechend der Länge der Einkerbung an der Oberfläche (70 bis 90 mm). Der horizontale Riss verläuft vom Einschlagpunkt zur Schwellenstirnseite (Länge: 15 cm). Im Betrieb werden die Schwellen im Bereich des keilförmigen Ausbruchs nicht durch Biegung beansprucht. Folglich hat diese Verringerung des Querschnitts keinen Einfluss auf das Durchbiegungsverhalten der Schwelle. Vor und nach jedem durchgeführten Schlag wurden die Schwellen mit einer Messlatte auf mögliche Verformung überprüft. Eine Veränderung der Spurweite (Kriterium der Untersuchung) kann sich nur infolge einer bleibenden Verformung der Schwelle ergeben. Die 6

9 Lehrstuhl und Prüfamt für Verkehrswegebau der TU München, Bericht Nr Schwellen zeigten keinerlei Verwölbung oder Verdrehung. Demnach blieb auch die Spurweite konstant. Als weitere Anforderung dürfen die Schwellen infolge der Schlagbelastung lediglich einzelne durchgehende Querrisse und einzelne Abplatzungen bis zur Spannbewehrung aufweisen (wie oben erwähnt, handelt es sich hierbei um eine Anforderung an Spannbetonschwellen). Da die zur Untersuchung stehende Kunstholzschwelle nicht bewehrt ist, können diese Bewertungskriterien nicht direkt übertragen werden. Gemäß den Bewertungskriterien blieb die Funktion der Schwelle (Tragfähigkeit und Spurhaltung) unbeeinflusst. Der horizontale Riss infolge Schlagprüfung II verlief immer vom Einschlagpunkt Richtung Stirnseite der Schwelle und nie Richtung Schienenbefestigung. Es ist demnach nicht zu erwarten, dass die Verschraubung der Rippenplatte infolge einer derartigen Beanspruchung beeinträchtigt wird. 2.5 Elektrischer Widerstand gemäß DIN EN Wie auch in allen weiteren durchgeführten Untersuchungen wird die Rippenplatte des KS- Oberbaus ohne zwischengeschaltete Unterlagsplatte auf der Kunstholzschwelle montiert. In die Dübellöcher wird vor dem Einschrauben der Schwellenschrauben Vaseline eingebracht. Die Befestigung ist auf einen Luftspalt von 1,0 mm zwischen Mittelschlaufe der Spannklemme und Schienenfuß verspannt. Gemäß DIN EN wird der elektrische Widerstand als Mittelwert aus drei Messungen ermittelt. Der elektrische Widerstand wird zwischen zwei kurzen Schienenabschnitten (je ca. 0,5m, hier: Typ 60E1) gemessen, die auf der Schwelle montiert sind. Die gesamte Schwelle wird kontrolliert über 4 Düsen (je 7 ±1 l/min) mit einem Sprühkonus von über einen Zeitraum von 2 Minuten beregnet. Der Versuchsaufbau entspricht Abb. 1 der EN Während dem Versuch ist die Schwelle zum Boden elektrisch isoliert. Es wird eine Wechselspannung mit 30 V AC (50 Hz) an den Schienenstücken angelegt. Die Spannungsund Stromstärkemessung erfolgt mit einem PC-basierten Messverstärkersystem der Fa. BMC (PCI-Base 300) während der Beregnung und über eine Zeitspanne von mindestens 10 Minuten nach der Beregnung. Die Messanordnung entspricht Abb. 2 der EN

10 Lehrstuhl und Prüfamt für Verkehrswegebau der TU München, Bericht Nr Die Versuche werden an aufeinander folgenden Tagen durchgeführt, so dass der Schwellenkörper zwischen den Messungen wieder abtrocknen kann. Vor dem ersten Versuch erfolgt eine Beregnung ohne Messwertaufzeichnung. Für jeden Versuch wird der minimale Widerstand R γ über den Zusammenhang R = U/I ermittelt. Die Leitfähigkeit γ des verwendeten Wassers soll zwischen 20 und 80 ms/m liegen. Sie hat einen starken Einfluss auf den Stromfluss. Die Leitfähigkeit γ [ms/m] wird an einer Wasserprobe ermittelt, welche während der Versuchsdurchführung vom Beregnungswasser abgezweigt wird. Der über den Faktor K γ korrigierte (Bezugs-)Widerstand R 33 wird anschließend wie folgt bestimmt: R33 = K γ R γ mit K γ = 0, 03 γ Die zugrunde liegende Norm fordert als Mittelwert aus drei Messungen einen Mindestwiderstand von R 33 5 kω. Die Anlage 4 zeigt den im Versuch hervorgerufenen Stromfluss. Aus dem maximalen Stromfluss wird der elektrische Mindestwiderstand zwischen den Schienensträngen bestimmt. In Tabelle 5 sind die Ergebnisse der drei Messungen zusammengestellt. Tabelle 5: Elektrischer Widerstand der Kunstholzschwelle mit KS-Oberbau. Test 1 Test 2 Test 3 Datum R γ [kω] 38,9 63,8 57,7 γ [ms/m] 44,4 45,3 44,6 K γ 1,332 1,359 1,338 R 33 [kω] 51,8 86,7 77,2 Mittelwert R 33 [kω] 71,9 Somit wurde der in DIN EN geforderte Mindestwiderstand von R 33 5 kω mit sehr großer Sicherheit eingehalten. 8

11 Lehrstuhl und Prüfamt für Verkehrswegebau der TU München, Bericht Nr Statische Prüfungen in Schwellenmitte (Schwelle Nr. 1) Um das Verhalten der Schwelle unter Biegebeanspruchung zu untersuchen wurde ein statischer Versuch in Schwellenmitte in Anlehnung an die DIN EN durchgeführt. Der Versuchsaufbau ist aus dem Foto in Anhang 4 ersichtlich. Der Auflagerabstand betrug 1,5 m, die Breite der Lastplatte 100 mm. Die anfängliche Prüfkraft betrug 20 kn. Anschließend wurde die Last in Stufen von 5 kn gesteigert, wobei die Durchbiegung der Schwelle mit 4 Messuhren registriert wurde. In der Anlage 5 ist die Durchbiegung der Schwelle bis zu einer Last von 135 kn, entsprechend einem Moment von 47 knm, dargestellt. Auf Basis der gemessenen Durchbiegung wurde der E-Modul mit folgender Gleichung ermittelt: 3 P l E =. 48 I f E = E-Modul N/mm² l = Spannweite 1500 mm I = Trägheitsmoment [mm 4 ] f = Durchbiegung [mm] Demnach beträgt der E-Modul der Kunststoffschwelle bei Biegebeanspruchung ca N/mm². Bis zu einer Last von 240 kn, entsprechend einer Biegezugspannung von 74 N/mm² an der Unterseite der Schwelle, wurde kein Riss in der Biegezugzone festgestellt. In der Biegedruckzone wurden dagegen starke plastische Verformungen sowie Anrisse registriert, wobei zu berücksichtigen ist, dass so große Pressungen in-situ nicht auftreten. Analog wurde ein Versuch mit einer Holzschwelle aus Buche (265 mm x 160 mm) durchgeführt. In Anlage 5 sind die Ergebnisse dargestellt. Demnach versagte die Holzschwelle bei einer Last von 80 kn in der Biegezugzone. 9

12 Lehrstuhl und Prüfamt für Verkehrswegebau der TU München, Bericht Nr Ermüdungsprüfung in Schwellenmitte (Schwelle Nr. 2) Um das Verhalten der Kunstholzschwelle unter wiederholter Belastung zu untersuchen, wurde ein Ermüdungsversuch in Anlehnung an die DIN EN durchgeführt. Der Versuchsaufbau ist aus dem Foto Anlage 5 ersichtlich. Während des gesamten Versuchs wurden die Durchbiegung der Schwelle sowie die Dehnung an der Unterseite der Schwelle im Bereich des maximalen Momentes registriert. Der Auflagerabstand bei der Prüfung betrug 1,5 m, die Lasteinleitung erfolgte gemäß der DIN EN über eine 100 mm breite Gelenkstütze. Die Last wurde zunächst bis 100 kn aufgebracht. Anschließend erfolgte der Ermüdungsversuch mit folgenden Randbedingungen: Oberlast P o = 86 kn Unterlast P u = 21,5 kn Frequenz f = 2 Hz. Mit der o.a. Last wurde ein Moment von 30 knm erzeugt. Dies entspricht dem Prüfmoment für Weichenschwellen gemäß DBS , d.h. es liegen außerordentlich kritische Prüfbedingungen vor. Während der Ermüdungsprüfung mit 2,5 Mio Lastspiele konnte keine Beschädigung an der Schwelle festgestellt werden. In der Anlage 6 ist die Durchbiegung vor der Ermüdungsprüfung sowie nach 2,5 Mio Lastspiele dargestellt. Demnach ist die elastische Durchbiegung nach 2,5 Mio Lastspiele nur um 0,4 mm größer als zu Versuchsbeginn. In der Anlage 7 ist während des Dauerversuchs die Verformung bei der statischen Belastung dargestellt. Es ist erkennbar, dass während des gesamten Dauerversuchs die Verformungen nahezu konstant verliefen, d.h. es treten keine Ermüdungserscheinungen auf. Auch bei der gemessenen Dehnung konnte kein Unterschied nach 2,5 Mio Lastspiele festgestellt werden. Abschließend wurde die Schwelle bis zu einer Last von 175 kn, entsprechend einer Biegezugspannung von 56 N/mm², belastet, wobei keine Risse im Zugbereich auftraten. Im Biegedruckbereich waren plastische Verformungen erkennbar. 10

13 Lehrstuhl und Prüfamt für Verkehrswegebau der TU München, Bericht Nr Ermüdungsprüfung unter dem Schienenauflager (Nr. 4) Aus dem Versuch gemäß Ziff. 2.7 ist bekannt, dass kein Versagen infolge hoher Biegezugspannungen auftritt. Mit dem Ermüdungsversuch unter dem Schienenauflager (Druckbeanspruchung) sollte untersucht werden, wie sich die Schwelle unter hoher Pressung beim Ermüdungsversuch verhält. Die Ermüdungs-Druckprüfung unter dem Schienenauflager erfolgte in Anlehnung an die DIN EN (Spannbetonschwellen). Gemäß der angegebenen Norm wurde ein Auflagerabstand von 600 mm gewählt. Die Lasteinleitung erfolgte über die Rippenplattenbefestigung mit komplett montierter Schienenbefestigung. Für den Dauerversuch wurde eine Stützpunktkraft von 150 kn gewählt. Damit wurden ungünstigste Randbedingungen, wie schlechte Gleislage, geringe lastverteilende Wirkung der Schiene, steife Auflagerung sowie hohe dynamische Zuschläge zu einer Radsatzkraft von 250 kn erfasst. Der Versuchsaufbau ist aus dem Foto in Anhang 6 ersichtlich. Es wurden folgende Randbedingungen gewählt: Oberlast P o = 150 kn Unterlast P u = 30 kn Frequenz = 5 Hz. Während der Ermüdungsprüfung mit 2 Mio Lastspielen konnten keine Beschädigungen an der Schwelle festgestellt werden. In der Anlage 8 ist die Durchbiegung vor und nach dem Ermüdungsversuch dargestellt, demnach ist die elastische Durchbiegung nach dem Dauerversuch (2 Mio Ls) 0,2 mm größer als vor dem Dauerversuch. Anschließend wurde die Rippenplatte ausgebaut. An der Oberseite der Schwelle (unter der Rippenplatte) wurden plastische Verformungen der Oberfläche von ca. 1,0 mm registriert. Darüber hinaus konnte keine Schädigung festgestellt werden. 11

14 Lehrstuhl und Prüfamt für Verkehrswegebau der TU München, Bericht Nr Statischer Druckversuch (Nr. 4/ 2. Stützpunkt) Um das Verhalten der Schwelle unter Vertikallast zu untersuchen, wurde die Schwelle auf einer ebenen Unterlage eingebaut und über die Rippenplatte mit komplett montierter Schienenbefestigung eine Druckkraft in die Schiene eingeleitet. Bis zu einer Last von 150 kn konnte keine plastische Verformung festgestellt werden. In Anlage 9 sind die plastischen Verformungen in Abhängigkeit der Belastung dargestellt. Demnach ist bei einer Last von 300 kn (Stützpunktkraft) unter der Rippenplatte eine plastische Verformung von maximal 0,8 mm vorhanden (s. Fotos Anhang 7). Wie unter Ziff. 2.8 hervorgehoben, beträgt für eine Radsatzkraft von 250 kn die Stützpunktkraft unter ungünstigsten Randbedingungen nur 150 kn Statischer Durchbiegung der Schwelle bei T = RT und T = -10 C Die beiden Versuche wurde mit einem Auflagerabstand von 1,0 m durchgeführt. Für die Untersuchung bei tiefen Temperaturen waren die Schwellen zuvor über 2 Tage auf T=-20 C in einer Klimatruhe gelagert worden. In einem stirnseitigen Bohrloch von etwa 5 cm Tiefe wurde die Schwellentemperatur während dem Versuch kontrolliert. Zwischen Entnahme der Schwelle aus der Klimatruhe und Versuchsdurchführung passt sich die Schwellentemperatur an die Raumtemperatur an. Als mittlere Versuchstemperatur (während 3 statischen Belastungszyklen mit wiederholtem Ablesen der Messuhren) ist daher T = -10 C angegeben. Anlage 10 zeigt die Durchbiegung der Schwelle Nr. 3 bei T = RT bis zu einer Prüfkraft von 200 kn (Auflagerabstand: 1,0 m). In Anlage 11 (Schwelle Nr. 11) sind die Verformungen unter Biegebeanspruchung bei T = - 10 C und ansonsten identischen Randbedingungen dargestellt. Die Versuchsergebnisse bestätigen, dass das Verformungsverhalten unter Biegemomentbeanspruchung nur gering von der Temperatur abhängig ist. Die Schwelle zeigt keine Versprödung bei tiefen Temperaturen. Ein Vergleich der Verformungen der ersten und dritten Belastung zeigt keine signifikante Veränderung. Dies lässt darauf schließen, dass die Fasern auch bei tiefen Temperaturen unter der aufgebrachten Biegebeanspruchung nicht brechen. 12

15 Lehrstuhl und Prüfamt für Verkehrswegebau der TU München, Bericht Nr ZUSAMMENFASSUNG Im Zuge des Zulassungsverfahrens durch das EBA, sollten umfangreiche Untersuchungen an der FFU-Kunstholzschwelle (Eslon Neo Lumber) aus dem Hause SEKISUI für den Einsatz im Gleisbau durchgeführt werden. Gemäß Angaben des Auftraggebers werden bei Herstellung der Kunstholzschwelle Glasfaserstränge gespannt und mit Polyurethan vergossen. Nach der Erhärtung werden Kunstholzschwellen millimetergenau geschnitten. Nach Rücksprache mit dem deutschen EBA (Eisenbahnbundesamt) wurden folgende Untersuchungen durchgeführt: - Verhalten der Schwelle unter Einwirkung vertikaler und horizontaler Lasten im Scherenhebelschwingversuch. Auflagerung im Schotterbett in Anlehnung an die DIN EN (Leistungsanforderungen für Befestigungssysteme auf Holzschwellen). - Andrehversuche zur Ermittlung der Zugkraft in den Schwellenschrauben in Abhängigkeit des Andrehmomentes. - Ausziehversuche an Schwellenschrauben gemäß DIN EN Schlagprüfungen zur Simulation einer Entgleisung (in Anlehnung an die Prüfung von Spannbetonschwellen). - Elektrischer Widerstand gemäß DIN EN Statische und dynamische Prüfungen der Kunstholzschwelle in Anlehnung an die DIN EN (Spannbetonschwelle). Im Dauerschwellversuch (Scherenhebelschwingversuch) (Kapitel 2.1) bei T = RT und T = +48 C wurden keine nennenswerten Schäden an Schwelle und Befestigung festgestellt. Die Zugkraft der Schwellenschrauben (Kapitel 2.2) in Abhängigkeit einer extern aufgebrachten Zugkraft nahm auch über einen längeren Zeitraum nur geringfügig ab. Die Schraubenausziehkräfte (Kapitel 2.3) lieferten höhere Werte als bei früheren Versuchen an Holzschwellen. Im Schlagversuch (Kapitel 2.4) gemäß den Technischen Lieferbedingungen der DB Spannbetonschwellen Grundsätze für Bemessung, Bauart und Zulassungsverfahren zeigt die Schwelle im Schlagversuch I (Impuls zwischen den Schienensträngen) lediglich eine 13

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18 Bericht 2466 Anlage 2 a statische Voreichung Schienenkopf Schienenfuss Bleibende Verformung am Schienenkopf nach der Entlastung 0,06 mm Bleibende Verformung am Schienenfuss nach der Entlastung 0,01 mm Last (kn) Dauerversuch T = RT - linker Stützpunkt Schienenkopf Po Schienenkopf Pu Schienenfuss Po Schienenfuss Pu SCHWINGWEITE SCHWINGWEITE Lastwechsel (Lw) statische Nacheichung Schienenkopf Schienenfuss Bleibende Verformung am Schienenkopf nach der Entlastung 0,29 mm Bleibende Verformung am Schienenfuss nach der Entlastung 0,18 mm Last (kn) Horizontale Auslenkung [mm]

19 Bericht 2466 Anlage 2 b statische Voreichung Schienenfuss aussen Schienenfuss innen Bleibende Verformung aussen nach der Entlastung 0,02 mm Bleibende Verformung innen nach der Entlastung 0,02 mm Last (kn) Dauerversuch T = RT - linker Stützpunkt Schienenfuss aussen Po aussen Pu Schienenfuss innen Po innen Pu SCHWINGWEITE SCHWINGWEITE Lastwechsel (Lw) statische Nacheichung Schienenfuss aussen Schienenfuss innen Bleibende Verformung aussen nach der Entlastung 0,22 mm Bleibende Verformung innen nach der Entlastung 0,12 mm Last (kn) Vertikale Einsenkung (mm)

20 Bericht 2466 Anlage 2 c statische Voreichung Schienenkopf Schienenfuss Bleibende Verformung am Schienenkopf nach der Entlastung 0,02 mm Bleibende Verformung am Schienenfuss nach der Entlastung 0,01 mm Last (kn) Dauerversuch T = RT - rechter Stützpunkt Schienenkopf Po Schienenkopf Pu Schienenfuss Po Schienenfuss Pu SCHWINGWEITE SCHWINGWEITE Lastwechsel (Lw) statische Nacheichung Schienenkopf Schienenfuss Bleibende Verformung am Schienenkopf nach der Entlastung 0,42 mm Bleibende Verformung am Schienenfuss nach der Entlastung 0,23 mm Last (kn) Horizontale Auslenkung [mm]

21 Bericht 2466 Anlage 2 d statische Voreichung Schienenfuss aussen Schienenfuss innen Bleibende Verformung aussen nach der Entlastung 0,02 mm Bleibende Verformung innen nach der Entlastung 0,01 mm Last (kn) Dauerversuch T=RT - rechter Stützpunkt Schienenfuss aussen Po aussen Pu Schienenfuss innen Po innen Pu SCHWINGWEITE SCHWINGWEITE Lastwechsel (Lw) statische Nacheichung Schienenfuss aussen Schienenfuss innen Bleibende Verformung aussen nach der Entlastung 0,18 mm Bleibende Verformung innen nach der Entlastung 0,08 mm Last (kn) Vertikale Einsenkung (mm)

22 Bericht 2466 Anlage 3 a statische Voreichung Schienenkopf Schienenfuss Bleibende Verformung am Schienenkopf nach der Entlastung 0,11 mm Bleibende Verformung am Schienenfuss nach der Entlastung 0,05 mm Last (kn) Dauerversuch T = +48 C - linker Stützpunkt Schienenkopf Po Schienenkopf Pu Schienenfuss Po Schienenfuss Pu SCHWINGWEITE SCHWINGWEITE Lastwechsel (Lw) statische Nacheichung Schienenkopf Schienenfuss Bleibende Verformung am Schienenkopf nach der Entlastung 0,48 mm Bleibende Verformung am Schienenfuss nach der Entlastung 0,20 mm Last (kn) Horizontale Auslenkung [mm]

23 Bericht 2466 Anlage 3 b statische Voreichung Schienenfuss aussen Schienenfuss innen Bleibende Verformung aussen nach der Entlastung 0,07 mm Bleibende Verformung innen nach der Entlastung 0,01 mm Last (kn) Dauerversuch T = +48 C - linker Stützpunkt Schienenfuss aussen Po aussen Pu Schienenfuss innen Po innen Pu SCHWINGWEITE SCHWINGWEITE Lastwechsel (Lw) statische Nacheichung Schienenfuss aussen Schienenfuss innen Bleibende Verformung aussen nach der Entlastung 0,3 mm Bleibende Verformung innen nach der Entlastung 0,07 mm Last (kn) Vertikale Einsenkung (mm)

24 Bericht 2466 Anlage 3 c statische Voreichung Schienenkopf Schienenfuss Bleibende Verformung am Schienenkopf nach der Entlastung 0,06 mm Bleibende Verformung am Schienenfuss nach der Entlastung 0,03 mm Last (kn) Dauerversuch T = +48 C - rechter Stützpunkt Schienenkopf Po Schienenkopf Pu Schienenfuss Po Schienenfuss Pu SCHWINGWEITE SCHWINGWEITE Lastwechsel (Lw) statische Nacheichung Schienenkopf Schienenfuss Bleibende Verformung am Schienenkopf nach der Entlastung 0,41 mm Bleibende Verformung am Schienenfuss nach der Entlastung 0,15 mm Last (kn) Horizontale Auslenkung [mm]

25 Bericht 2466 Anlage 3 d statische Voreichung Schienenfuss aussen Schienenfuss innen Bleibende Verformung aussen nach der Entlastung 0,03 mm Bleibende Verformung innen nach der Entlastung 0 mm Last (kn) Dauerversuch T = +48 C - rechter Stützpunkt Schienenfuss aussen Po aussen Pu Schienenfuss innen Po innen Pu SCHWINGWEITE SCHWINGWEITE Lastwechsel (Lw) statische Nacheichung Schienenfuss aussen Schienenfuss innen Bleibende Verformung aussen nach der Entlastung 0,24 mm Bleibende Verformung innen nach der Entlastung 0 mm Last (kn) Vertikale Einsenkung (mm)

26 :25:59 Bericht Nr Anlage 4 KOMAT - Kunstholzschwelle H2O: C=44,4 ms/m U max = 42,75 V I max = 1,1 ma R 33 = 52 kohm Datum: Bearbeiter: Firma: mess 1 Prüfamt VWB KOMAT - Kunstholzschwelle H2O: C=45,3 ms/m U max = 41,45 V I max = 0,65 ma R 33 = 87 kohm Datum: :21:41 Bearbeiter: mess 2 Firma: Prüfamt VWB 5,000 5,000 4,000 4,000 3,000 3,000 2,000 2,000 1,000 1,000 0,000 0,000-1,000-1,000-2,000-2,000-3,000-3,000-4,000-5,000 [ ma ] 1 - Strom, :51: :55:00 13:00:00 13:05:00-4,000-5,000 [ ma ] 1 - Strom, :48: :50:00 11:55:00 12:00:00 KOMAT - Kunstholzschwelle H2O: C=44,6 ms/m U max = 43,25 V I max = 0,75 ma R 33 = 77 kohm Datum: :29:34 Bearbeiter: mess 3 Firma: Prüfamt VWB 5,000 4,000 3,000 2,000 1,000 0,000-1,000-2,000-3,000-4,000-5,000 [ ma ] 1 - Strom, :20: :25:00 11:30:00 11:35:00

27 E-Modul (N/mm²) Durchbiegung der Kunstholzschwelle sowie der Holzschwelle (Schwelle Nr.1) Auflagerabstand 1,5 m Kunstholzschwelle Holzschwelle E-Modul kunstholzschwelle E-Modul Holzschwelle 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0 Durchbiegung (mm) Kraft (kn)

28 Durchbiegung der Kunstholzschwelle (Ermüdungsprüfung / Schwelle Nr. 2) 3.Belastung nach Ermüdungsprüfung 2,5 Mio Lastspiele 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 Durchbiegung (mm) Kraft (kn)

29 VERFORMUNGEN BEI DER ERMÜDUNGSPRÜFUNG (SCHWELLE Nr. 2) Lastspiele Verformung P= 0 kn Verformung P= 86 kn Durchbiegung ( mm )

30 Durchbiegung der Kunstholzschwelle (Nr. 4) Auflagerabstand 0,6 m 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 Durchbiegung (mm) 3.Belastung nach Ermüdungsprüfung 2 Mio Lastspiele Kraft (kn)

31 Lehrstuhl und Prüfamt für Verkehrswegebau der TUM Bericht Nr Anlage 9 Druckversuch 1-8 Messpunkte Last Messpunkt bleibende Verformung [mm] ,05 0, ,05 0, , ,05 0,10 0, ,10 0, , ,05 0,15 0, ,15 0, , ,15 0,40 0, ,15 0, ,15 0, ,60 0,60 0,50 0,05 0,15 0,10 0,05 0,15 0, ,80 0,80 0,70 0,05 0,15 0,10 0,10 0,15 0,10

32 Schwelle Nr. 3, Auflagerabstand: L= 1,0 m, T = RT 1.Belastung 2. Belastung 3. Belastung 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 Durchbiegung (mm) Kraft (kn)

33 Schwelle Nr. 10, Auflagerabstand: 1,0 mm, T = -10 C 1. Belastung 2. Belastung 3. Belastung Durchbiegung [mm] Kraft [kn]

34 Lehrstuhl und Prüfamt für Verkehrswegebau der TUM Bericht Nr Anhang 1.1 Dauerschwellversuch in Anlehnung an DIN EN

35 Lehrstuhl und Prüfamt für Verkehrswegebau der TUM Bericht Nr Anhang 1.2 Plastische Verformungen von 0,3 0,7 mm an der Schwellenoberfläche nach dem Dauerschwellversuch (4,3 Mio Lastspiele)

36 Lehrstuhl und Prüfamt für Verkehrswegebau der TUM Bericht Nr Anhang 2 Zugkraft in den Schwellenschrauben in Abhängigkeit von Andrehmoment und Zeit Ausziehversuche

37 Lehrstuhl und Prüfamt für Verkehrswegebau der TUM Bericht Nr Anhang 3.1 Der Fallbär mit spurkranzförmiger Schneide dringt sauber in die Schwellenkante ein. Die Zerstörung der Schwelle ist lokal eng begrenzt (Breite der Schneide) Durchtrennte Fasern nach dem zweiten Schlag in der Schlagprüfung I.

38 Lehrstuhl und Prüfamt für Verkehrswegebau der TUM Bericht Nr Anhang 3.2 Infolge der Schlagprüfung II (außerhalb des Schienenstrangs, 15 cm vom Schwellenende) bricht entsprechend der Faserrichtung an der Stirnseite der Schwelle ein Keil aus. Ausbruchkeil nach dem zweiten Schlag in der Schlagprüfung II.

39 Lehrstuhl und Prüfamt für Verkehrswegebau der TUM Bericht Nr Anhang 3.3 Ansicht der Schwelle S8 nach dem zweiten Schlag in Schlagprüfung I. Ausbruchkeil nach Schlagprüfung II.

40 Lehrstuhl und Prüfamt für Verkehrswegebau der TUM Bericht Nr Anhang 3.4 Einkerbung an Schwelle S9 nach Schlagprüfung I. Aufgrund der homogenen Struktur der Kunstholzschwelle liefert die Schlagprüfung sehr eindeutige und reproduzierbare Ergebnisse.

41 Lehrstuhl und Prüfamt für Verkehrswegebau der TUM Bericht Nr Anhang 3.5 Die Kunstholzschwellen sind nach der Schlagprüfung nicht verwölbt.

42 Lehrstuhl und Prüfamt für Verkehrswegebau der TUM Bericht Nr Anhang 4 Kunstholzschwelle Holzschwelle Statische Prüfung in Schwellenmitte

43 Lehrstuhl und Prüfamt für Verkehrswegebau der TUM Bericht Nr Anhang 5 Ermüdungsprüfung in Schwellenmite

44 Lehrstuhl und Prüfamt für Verkehrswegebau der TUM Bericht Nr Anhang 6 Ermüdungsprüfung unter dem Schienenauflager

45 Lehrstuhl und Prüfamt für Verkehrswegebau der TUM Bericht Nr Anhang 7 Statischer Druckversuch (s. Ziff. 2.9)

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