Sicherstellung einer langfristig guten Gleislage in atmenden Bögen

Abstract

Die Entwicklung des lückenlos verschweissten Gleises (LVG) war einer der grössten Fortschritte des Gleisbaus im 20. Jahrhunderts. Das Konzept hinsichtlich der Gleislagestabilität änderte sich damit grundlegend: Unter thermischer Belastung reduzierten sich beim früheren Stosslückengleis die Längsspannungen in den Schienen, da sich diese in den verlaschten Stössen frei ausdehnen konnten. Das charakteristische Schlaggeräusch, welches beim Überfahren eines Stosses durch ein Rad entstand, war jedoch das Ergebnis von hohen Kräften, die einen intensiven Unterhalt des Gleises im Bereich der Stösse erforderten. Beim LVG können sich die thermischen Längsspannungen nicht mehr durch Dilatationen abbauen. Das Gleis muss deshalb so fest im Schotter eingebettet sein, dass die Spannungen nicht zu Lageveränderungen des Gleisrostes führen. Bei gerader Trassierung ist dies noch leicht zu bewerkstelligen, denn die Kräfte wirken nur in Gleisachse, so dass nur die Schienen unter Spannung stehen, ohne jedoch Kräfte auf die Schwellen zu übertragen. Mit kleiner werdendem Radius braucht es einen Querverschiebewiderstand (QVW) des Gleisrostes, um die geometrisch bedingten, zunehmenden radialen Kräfte aufnehmen zu können. In Bögen mit kleinen Radien werden die Kräfte so gross, dass es unterschiedliche Herangehensweisen gibt, um diese zu beherrschen. Die Normalspurbahnen verschweissen das Gleis nicht und verwenden das Stosslückengleis wie zu Beginn des letzten Jahrhunderts. Die Meterspurbahnen hingegen verschweissen sämtliche Bögen und akzeptieren eine leichte Lageveränderung bei thermischen Belastungen, die sogenannte Bogenatmung. Diese Bogenatmung ist jedoch nur unter bestimmten Voraussetzungen zulässig, sie hat insbesondere gleichmässig entlang des Bogens zu erfolgen. Messungen haben jedoch gezeigt, dass dies bei normalen Stabschwellen nicht der Fall ist. In dieser Arbeit wurde in einem ersten Schritt theoretisch untersucht, welchen Einfluss die unterschiedlichen Oberbauparameter auf die Grösse und den Verlauf der Bogenatmung haben. Insbesondere eine hohe Rahmensteifigkeit des Gleisrostes hat einen positiven Einfluss auf die Gleichmässigkeit. In praktischen Feldversuchen wurde anschliessend die Bogenatmung in verschiedenen Bögen kontrolliert, um die Erkenntnisse aus der theoretischen Simulation zu validieren. Es zeigte sich, dass Bögen mit rahmensteifen Oberbauten sehr gleichmässig atmeten, wo hingegen bei Standardschwellen grosse lokale Verschiebungen neben quasi im Schotter fest verankerten Schwellen nachgewiesen konnten. Auch wurden Versuche bzgl. den maximalen Schienentemperatur unternommen, um die Kenntnisse über die einwirkenden Kräfte zu erweitern. Umfangreiche Laborversuche zur Messung der Rahmensteifigkeit schlossen die empirischen Arbeiten ab. Erstmalig wurden dabei sämtliche in der Schweiz gebräuchlichen Schwellentypen (Normal- und Meterspur) unter den gleichen Bedingungen getestet. Es konnten die Einflüsse der Schienenbefestigung, des Schienenprofils und deren Anzahl, des Schwellenabstandes sowie von konstruktiven Massnahmen an der Schwelle belegt werden. Die gewonnenen Erkenntnisse wurden aggregiert und ein neues Bemessungsmodell für die Gleislagestabilität im Bogen entwickelt. Dieses ist spurweitenunabhängig und stellt eine langfristig gute Gleislage in sämtlichen Radienbereichen sicher, was insbesondere für die regulatorischen Instanzen von grösster Bedeutung ist. Für die Eisenbahninfrastrukturunternehmungen und Ingenieurbüros ist es einfach in der Anwendung und flexibel, um Neuentwicklungen im Oberbau vollumfänglich abzudecken. Eine langfristig gute Gleislage im Bogen wird im Bemessungsmodell qualitativ durch folgenden Ansatz sichergestellt: Ist der Bemessungswiderstand, abgeleitet aus dem QVW und den Abminderungsfaktoren, in jedem Zustand grösser als die einwirkenden Kräfte, welche sich aus dem Temperaturdelta, dem Radius, dem Gleislagefehler sowie der Querschnittsfläche ergeben, kommt es zu keiner Bogenatmung und das Gleis ist dauerhaft lagestabil. Falls die einwirkenden Kräfte die Widerstände theoretisch überschreiten können, ist das Gleis mit einem rahmensteifen Oberbau auszuführen. Die hohe Rahmensteifigkeit überbrückt Schwachstellen im QVW einzelner Schwellen und garantiert eine gleichmässige Bogenatmung über den gesamten Bogen. Ein rahmensteifer Oberbau kann dabei nur durch die Verwendung von Schwellen in Sonderbauform erzielt werden (Y-Schwellen, HD-Schwellen, ZSX-Schwellen oder Stahldoppelschwellen). Sie erhöhen die Rahmensteifigkeit um ein Vielfaches. Der Einfluss des Schienenprofils, der Schienenbefestigung, des Schwellenabstandes oder des Anzugsmomentes auf die Rahmensteifigkeit ist nachweisbar, er bleibt jedoch marginal im Vergleich zu den Schwellen in Sonderbauform. Bei konsequenter Anwendung des neuen Bemessungsmodells wird nicht nur das Stosslückengleis Teil der Geschichte, sondern auch Streckenunterbrüche, welche aus Gleisverschiebungen durch thermische Belastungen resultieren.