Lastab­tragung

Klaus Lieberenz, Silvio Klügel, René Kipper

Einwirkungen im System Fahrzeug-Fahrweg
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Eisenbahnstrecken sind linienförmige Bauwerke, die durch statische und dynamische Belastungen aus dem Zugverkehr und durch unterschiedliche Witterungseinflüsse wie Regen, Schnee, Frost und Sonneneinstrahlung beansprucht werden.

Die Lasten aus dem Zugverkehr werden von den Fahrzeugen über die Schiene in den Fahrweg eingetragen. Die aus dem Tragen, Führen und Bewegen zwischen Rad und Schiene sowie aus Temperatur entstehenden Vertikal-, Quer- und Längskräfte sind im nebenstehenden Bild charakterisiert. Sie müssen vom Tragsystem Oberbau-Unterbau-Untergrund (erweiterter Fahrweg) schadlos aufgenommen und abgetragen werden, um eine jederzeit sichere Betriebsführung mit hohem Komfort zu gewährleisten.

Der Oberbau aus Gleisrost und Bettung bzw. Tragplatte sichert durch eine entsprechende Rahmensteifigkeit sowie seine Durchschub-, Längs- und Querverschiebewiderstände vorrangig die Aufnahme von Quer- und Längskräften.

Die Vertikalkräfte werden über die Schiene und die Schwelle als Schotterpressung σB in das Mehrschichtsystem Bettung-Unterbau-Untergrund eingetragen, in diesem verteilt und aufgenommen.

Unter der vertikalen Radkraft bzw. der Radsatzkraft P = Pstat + Pdyn erfährt die Schiene bzw. das Gleis eine elastische Verformung s (Einfederung). Diese bewirkt im Zusammenhang mit der Biegesteifigkeit der Schiene als elastisch gelagerter Träger eine Übertragung der Radkraft auf mehrere Schwellen (Lastverteilung) und eine Verminderung der Stützpunktkraft und der Schotterpressung.

Tragsystem Ober- und Unterbau
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Das Verformungsverhalten der Schichten unter der Schwelle wird durch den Bettungsmodul C = P/s beschrieben, der ein Maß für die Elastizität bzw. Steifigkeit des Tragsystems ist und das Verformungsverhalten von Bettung, Unterbau und Untergrund erfasst. Die elastische Einsenkung (Einfederung) der Schiene und die daraus resultierende Schienenfußspannung dürfen bestimmte zulässige Grenzwerte nicht überschreiten. Dazu muss die elastische Einsenkung an der Oberkante des Tragsystems (in Schwellenunterkante) begrenzt werden, wofür Mindesttragfähigkeiten auf Oberfläche Tragschicht bzw. im Planum festgelegt werden. Andererseits darf die Einfederung ein bestimmtes Maß nicht unterschreiten, um die elastische Lastabtragung mit Längsverteilung der Radkräfte über die Schiene zu gewährleisten und so eine Überbeanspruchung der Stützpunkte und der Bettung zu vermeiden. Entsprechend sind in der unteren Tabelle Richtgrößen für die Bettungsmoduln C angegeben.  

Qualität der BettungUnterbau/UntergrundBettungsmodul C  [N/mm³]
sehr schlechtweicher Ton, organische Böden, leichkörniger Sand    < 0,05 
schlecht bindiger halbfester Ton, Schluff, lockerer Sand≥ 0,05 
gutllehmiger und sandiger Kies     ≥ 0,10 
sehr gutKiessand, Schutzschicht≥ 0,15
BetonsohleBrücken, Tunnel, Feste Fahrbahn  ≥ 0,30

 

Wenn der Unterbau und Untergrund sehr gut bzw. verformungsarm sind (C ≈ 0,35 N/mm3), so ist die Einsenkung s gering und die Stützpunktkraft bzw. Schotterpressung hoch. Andererseits bedingt ein schlechter Untergrund (z. B. C ≈ 0,05 N/mm3) eine große Einsenkung mit geringerer Stützpunktkraft und Schotterpressung. Dabei kann allerdings durch die große elastische Einsenkung mit entsprechender Biegelinie die zulässige Schienenfußspannung überschritten werden.

Als Feder- und Dämpfungselement wirkt im klassischen Schottergleis die Bettung im Zusammenhang mit dem Unterbau und Untergrund. Beim schotterlosen Oberbau (FF) wird das Gleis auf einen wesentlich steiferen, setzungs- und verformungsarmen Unterbau mit gebundenen Tragplatten und Tragschichten gegründet, sodass ein elastisches Element zur Federung und Dämpfung unter der Schiene bzw. unter der Schwelle notwendig wird.

Typisch für Eisenbahnstrecken ist, dass sowohl die Einwirkungen (statische und dynamische Belastungen aus dem Zugverkehr) als auch die Widerstände im Tragsystem Oberbau-Unterbau-Untergrund stark schwanken und von den verkehrenden Zügen, von der Geschwindigkeit, vom Oberbauzustand und vom durch die Witterung beeinflussten Unterbauzustand abhängig sind. 

Der Bahnkörper ist daher so herzustellen und instand zu halten, dass

  • die Fahrbahn für die vorgesehene Verkehrsbeanspruchung und den geforderten Reisekomfort uneingeschränkt verfügbar ist (Verfügbarkeit),
  • Bruchzustände im Bauwerk bzw. im Baugrund ausgeschlossen sind (Tragfähigkeit) und
  • Verformungen, die im Bahnkörper oder durch ihn entstehen, unschädlich für den Eisenbahnbetrieb und für Dritte sind (Gebrauchstauglichkeit).

Unter dem Einfluss dieser komplexen Beanspruchung kommt es im Tragsystem und in seinen Elementen zu Spannungen und Verformungen. Spannungen müssen von gegebenen Festigkeiten aufgenommen werden; Verformungen dürfen bestimmte Grenzwerte nicht überschreiten. Entsprechend werden für die Oberkante Tragschicht und das Planum Anforderungen an den Verformungsmodul gestellt, die bei der Abnahme messtechnisch nachgewiesen werden müssen.

Messtechnischer Nachweis des Verformungsmoduls durch statischen (links) und dynamischen Plattendruckversuch (rechts)
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Das Tragsystem muss in seinen Elementen so dimensioniert werden, dass die einwirkenden Spannungen σp ohne Zerstörungen und ohne schädliche Verformungen aufgenommen werden. Die Widerstände sind dabei abhängig von den Eigenverformungsmoduln der Tragschichten und des Untergrundes sowie von den Schichtdicken. Bei Störungen der Lastabtragung, entstehen Schäden im Oberbau, Unterbau oder Untergrund und damit Problemstellen.