Bahnsystemtechnik I Oberbau

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1 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Michael Häßler Dipl.-Ing. Peter Reinbold Dipl.-Ing. Falko Schmitz Dipl.-Ing. Jan Wingens Bahnsystemtechnik I Oberbau LuFG Bahnsystemtechnik: Vorlesung Bahnsystemtechnik I 1

2 Funktionen des Oberbaus Bild Quelle: Skript Bahnverkehr I Quelle: Skript Bahnverkehr I Tragen der Schienenfahrzeuge Lasten aufnehmen und in den Unterbau abtragen Vertikalkräfte Führen der Schienenfahrzeuge im Bogenlauf Bogenfahrten werden durch den Fahrweg bestimmt Auftretende Radialbeschleunigung Querhorizontalkräfte Führen der Schienenfahrzeuge im Gleis Spurführung durch Spurkränze und Fahrflächenneigung Sinuslauf im geraden Gleis Gleichmäßiger Bogenlauf LuFG Bahnsystemtechnik: Vorlesung Bahnsystemtechnik I 2

3 Funktionen des Oberbaus Quelle: Skript Bahnverkehr I Spurführung im Gleis, Sinuslauf Konisch geformte Radreifen am Schienenfahrzeug Fahrflächenneigung des Schienenkopfs Bei ausmittiger Fahrachse abrollen auf unterschiedlichen Raddurchmessern Einstellen des Radsatzes durch Sinuslauf Spurführung im Gleis, Spurkränze Die Spurkränze des Fahrzeugs begrenzen die Querbewegung des Radsatzes durch anlaufen am Schienenkopf Spurkränze müssen sich zwischen den Schienenköpfen befinden Verlust der Spurführung Aufklettern der Spurkränze oder übermäßige vertikale Bewegung Entgleisung! LuFG Bahnsystemtechnik: Vorlesung Bahnsystemtechnik I 3

4 Funktionen des Oberbaus Abtragen der Beschleunigungs- und Bremskräfte Beschleunigungskräfte an den angetriebenen Achsen Bremskräfte i.d.r. an allen Achsen Längshorizontalkräfte Innere Kräfte im Oberbau Temperaturdehnung des Schienenstahls (αt = 0, K -1 ) Angenommener Temperaturbereich: +65 CB-25 C; T = 90K Beispiel: L = L x αt x T; L = 120m = mm; T = 10K L = x 0, x 10 = 13,8mm Behinderte Längsausdehnung durch Schienenbefestigung Verhinderte Längsausdehnung im lückenlosen Gleis Längshorizontalkräfte LuFG Bahnsystemtechnik: Vorlesung Bahnsystemtechnik I 4

5 Funktionen des Oberbaus Lastabtragung Vertikalkräfte Querhorizontalkräfte Längshorizontalkräfte Spurführung Gewährleisten der sicheren Spurführung im Gleis LuFG Bahnsystemtechnik: Vorlesung Bahnsystemtechnik I 5

6 Oberbauelemente Quelle: Skript Bahnverkehr I Quelle: Skript Bahnverkehr I 1) Schiene 2) Holzschwelle 3) Rippenplatte 4) Zwischenlage 5) Klemmplatte 6) Hakenschraube mit Mutter 7) Federring 8) Schwellenschraube Schienen Nehmen die Lasten aus den Fahrzeugen auf Übliche Bauform: Schienenkopf, Schienensteg und Schienenfuß Lastaufnahme am Schienenkopf Lastabtragung am Schienenfuß Befestigung auf Schwellen Befestigungsmittel Kleineisen Leiten Kräfte aus der Schiene zur Schwelle hin ab Sichern die Lage der Schiene auf der Schwelle Gewähren die innere Stabilität des Gleises Formschlüssige Verbindung für Vertikal- und Querhorizontalkräfte Kraftschlüssige Verbindung für Längshorizontalkräfte LuFG Bahnsystemtechnik: Vorlesung Bahnsystemtechnik I 6

7 Oberbauelemente Schwellen Liegen quer zur Gleisachse Auflager für Schienen Tragen die Lasten in den Schotter ab Vertikalkräfte als Flächenpressung an der Schwellenunterseite Querhorizontalkräfte durch Reibung/Verzahnung mit dem Schotter und durch Schotter am Schwellenkopf Längshorizontalkräfte als Flächenpressung an der Flanke LuFG Bahnsystemtechnik: Vorlesung Bahnsystemtechnik I 7

8 Oberbauelemente Quelle: Skript Bahnverkehr I Schotter Verteilen und Einleiten der Lasten in den Erdkörper Sichern der stabilen Gleislage Elastische Bettung geringer Nachgiebigkeit Dämpfen von Stößen und Schlägen Ableitung des Oberflächenwassers Verzahnung scharfkantiger und fester Steine Gebrochener Naturstein Unter Lastwechseln langsamer Abrieb der Kanten Mit der Zeit nachlassende Verzahnung, Verschleiß Herstellen des Regelbettungsquerschnitts Hohlräume in der Schüttmasse LuFG Bahnsystemtechnik: Vorlesung Bahnsystemtechnik I 8

9 Oberbauelemente Bestandteile Schienen Befestigungsmittel Kleineisen Schwellen Schotter Bettung im Regelbettungsquerschnitt Funktion Lastabtragung in den Untergrund Stabile Gleislage Entwässerung LuFG Bahnsystemtechnik: Vorlesung Bahnsystemtechnik I 9

10 Oberbauformen Entwicklung und Formen im Altbestand Verschiedenste Formen seit der Eisenbahnfrühzeit Eigene Entwicklungen und Bauformen jedes Netzbetreibers Bis heute Weltweit zahlreiche verschiedene Bauformen und Herstellungsnormen Die wesentliche Funktionsweise ist bei allen Formen gleich Bis 1920 zahlreiche Länderbahnen mit eigenen Entwicklungen In Deutschland findet seit 1920 (Gründung der Deutschen Reichsbahn) eine Vereinheitlichung statt Länderbahnbauformen sind bis heute vorhanden Diverse Bauformen im Altbestand vorhanden LuFG Bahnsystemtechnik: Vorlesung Bahnsystemtechnik I 10

11 Oberbauformen Quelle: Skript Bahnverkehr I Oberbau K K für Krupp oder Klemmplatte Einheitsoberbau der Deutschen Reichsbahn Entwicklung in den 1920er Jahren Schienenbefestigung durch Klemmplatte, Hakenschraube und Federring mit einer aufgeschraubten Rippenplatte Verwendung meist mit Holzschwellen und frühen Betonschwellen Bei Stahlschwellen sind die Rippen mit der Schwelle verschweißt Klemmwirkung wird allein durch den Federring hergestellt 12 Schraubverbindungen pro Schwelle bei Holzschwellen ~ Schraubverbindungen auf 1km Gleis Hoher Herstellungs- und Instandhaltungsaufwand LuFG Bahnsystemtechnik: Vorlesung Bahnsystemtechnik I 11

12 Oberbauformen Quelle: Skript Bahnverkehr I Oberbau KS KS für K mit Spannklemme Weiterentwicklung des Oberbau K Entwicklung seit den 1950er Jahren Schienenbefestigung durch Spannklemme, Hakenschraube und Unterlegscheibe mit einer aufgeschraubten Rippenplatte Verwendung meist mit Holzschwellen und frühen Betonschwellen Bei Stahlschwellen sind die Rippen mit der Schwelle verschweißt Klemmwirkung wird allein durch die Spannklemme hergestellt 8 Schraubverbindungen pro Schwelle auf Betonschwellen ~ Schraubverbindungen auf 1km Gleis Hoher Herstellungs- und Instandhaltungsaufwand LuFG Bahnsystemtechnik: Vorlesung Bahnsystemtechnik I 12

13 Oberbauformen Quelle: Skript Bahnverkehr I Oberbau W W für Winkelführungsplatte Neuentwickelter Oberbau für Betonschwellen Entwicklung der Deutschen Bundesbahn seit den 1970er Jahren Schienenbefestigung durch Spannklemme, Winkelführungsplatte und Schwellenschraube Verwendung ausschließlich auf Betonschwellen Klemmwirkung wird allein durch die Spannklemme hergestellt 4 Schraubverbindungen pro Schwelle ~6.650 Schraubverbindungen auf 1km Gleis Weitgehend vormontierte Anlieferung Reduzierter Herstellungs- und Instandhaltungsaufwand LuFG Bahnsystemtechnik: Vorlesung Bahnsystemtechnik I 13

14 Oberbauformen alle Abb.: Skript Bahnverkehr I Feste Fahrbahn Zahlreiche unterschiedliche Bauformen Anspruchsvoll in der Herstellung Höchste Gleislagestabilität Verzicht auf Schotter Wartungsarm Gute Entwässerung durch geschlossenen Oberbau Hoher Aufwand zum Bearbeiten von Fehlerstellen Stopf- und Richtarbeiten nicht möglich Unveränderliche Trassierung LuFG Bahnsystemtechnik: Vorlesung Bahnsystemtechnik I 14

15 Oberbauformen Regeloberbau Oberbau K Oberbau KS Oberbau W Verwendung im Netz der DB AG und weiterer Infrastrukturbetreiber Ältere und abweichende Oberbauformen sind weiterhin vorhanden, werden jedoch i.d.r. nicht mehr neu hergestellt Sonderformen Feste Fahrbahn; Verwendung bei Schnellfahrstrecken, häufig bei U- und Straßenbahnen Im Bereich von Straßenbahnen zahlreiche abweichende Bauformen (z.b. Rasengleis) LuFG Bahnsystemtechnik: Vorlesung Bahnsystemtechnik I 15

16 Schienen Unterscheidung nach Schienenprofil Schienen werden in verschiedenen Profilformen gefertigt Benennung nach Metergewicht und Entwicklungsform Beispiel: Schiene 54 E4 ca. 54kg/m; 4. Entwicklungsform Regelformen Schiene 49 E5 (alt S49) Schiene 54 E4 (alt S54) Schiene 60 E2 (alt UIC60) Abweichende Schienenprofile noch vorhanden Kleinere Schienenprofile bei Straßen- und Schmalspurbahnen Größere Schienenprofile bei besonderen Anwendungen LuFG Bahnsystemtechnik: Vorlesung Bahnsystemtechnik I 16

17 Schwellen Holzschwelle meist Buchen- oder Eichenholz Biologischer Zerfall, Brennbar Imprägnierung mit Teeröl Hohe Umweltbelastung Geringes Gewicht (ca. 80B100kg) Leichter Einbau Geringe Lagestabilität ggü. Beton- und Stahlschwellen Unempfindlich gegen Stöße und Schläge Möglichkeit zur Aufarbeitung (teils mehrfach) Sehr Langlebig LuFG Bahnsystemtechnik: Vorlesung Bahnsystemtechnik I 17

18 Schwellen Stahlschwelle Industrielle Fertigung Umweltabhängig starke Korrosion Elektrisch Leitfähig Geringes Gewicht (ca. 80kg) Leichter Einbau Hohe Lagestabilität durch Hohlprofil Empfindlich gegen Stöße und Schläge Verformungen führen zur Spurverengung (Entgleisungsgefahr!) Eingeschränkte Möglichkeit zur Aufarbeitung Vollständig wiederverwertbar LuFG Bahnsystemtechnik: Vorlesung Bahnsystemtechnik I 18

19 Schwellen Betonschwelle Industrielle Fertigung Preiswertes Grundmaterial Hohes Gewicht (ca. 250B380kg) Einbau ausschließlich mit Großgeräten Sehr hohe Lagestabilität Empfindlich gegen Stöße und Schläge Abplatzungen führen zu starken Schäden bis hin zur Zerstörung Herstellungs-und Verarbeitungsfehler können Schwellen unbrauchbar machen Vollständig wiederverwertbar LuFG Bahnsystemtechnik: Vorlesung Bahnsystemtechnik I 19

20 Schwellen Y-Stahlschwelle Sonderbauform Sehr hohe Lagestabilität Niedrige Bauhöhe Elektrische Isolierung sehr anspruchsvoll Erschwertes Stopfen und Richten Kunstholzschwelle Neuentwicklung als Ersatz für Holzschwellen Gleiche Eigenschaften wie Holzschwellen Hohe Beständigkeit Weitgehend frei von Umweltbelastungen In Deutschland einzelne Versuche Bisher keine flächendeckende Einführung LuFG Bahnsystemtechnik: Vorlesung Bahnsystemtechnik I 20

21 Schwellen Werkstoffe Holzschwellen Stahlschwellen Betonschwellen Kunstholzschwellen Bauformen Querschwelle (Regelbauart) Y-Schwelle LuFG Bahnsystemtechnik: Vorlesung Bahnsystemtechnik I 21

22 Schäden am Oberbau Ursachen Verschleiß, Abnutzung Herstellungs- und Materialfehler Überbelastung Nachlassende Lagestabilität Unsachgemäße Behandlung Häufig Auftretende Fehler Schienenfehler Schadschwellen Spurfehler Gleislagefehler Schlammstellen LuFG Bahnsystemtechnik: Vorlesung Bahnsystemtechnik I 22