Dynamischer Gleisstabilisator trifft im Labor auf neue Oberbauformen

Abkürzungen in diesem Artikel

QVW
Querverschiebewiderstand; drückt eine sicherheitsrelevante Kenngröße des Gleises aus

DGS
Dynamischer Gleisstabilisator; ein Arbeitsverfahren von Plasser & Theurer, das in den 1970er-Jahren entwickelt wurde und heute als etablierter Standard bei Gleisbauarbeiten gilt; verfügbar als einzelne Maschine (Fahrzeug) oder als integriertes Verfahren, z. B. in Stopfmaschinen

DEM
Diskrete-Elemente-Methode; Simulationsmethode seit den 1970er-Jahren; durch moderne Computer heute auch für komplexe Partikelmodelle wie Schotter geeignet; siehe auch Artikel „Dem Schotter auf der Spur“

Dynamischer Gleisstabilisator trifft im Labor auf neue Oberbauformen

Sophie Feurig widmet sich in ihrer Doktorarbeit der intensiven Betrachtung der dynamischen Gleisstabilisation im Labor. Der tiefe Einblick in das Systemverhalten des Schotteroberbaus weckt dabei nicht nur ihre Begeisterung.

Der Lehrstuhl und das Prüfamt für Verkehrswegebau der Technischen Universität München (TUM) ist die richtige Adresse, wenn es im Eisenbahnoberbau um fundierte Laboranalysen mit Praxisbezug geht. Wofür das Herz der Einrichtung schlägt, wird bei einem Besuch sofort klar: Es schlägt für das Gleis als Verkehrsweg der Gegenwart und Zukunft. Diese Einstellung strahlen Professor Stephan Freudenstein als Leiter der Einheit und Dr.-Ing. Walter Stahl als stellvertretender Leiter des Prüfamtes mit ihrem gesamten Team aus. Die zahlreichen Forschungsaktivitäten in der Versuchshalle zeigen die Komplexität des Verkehrswegebaus auf.

Wirkung bei drei Oberbauformen analysiert

Für das Forschungsprojekt Dyna Track hat man sich bei Plasser & Theurer entschieden, diese Begeisterung und das Know-how über das Gleis und seine Komponenten zu nutzen. Ziel der Zusammenarbeit mit der TUM ist es, den geänderten Rahmenbedingungen bei der Instandhaltung der Eisenbahninfrastruktur Rechnung zu tragen und das Thema in Form einer Dissertation wissenschaftlich aufzubereiten. Die Forschung beleuchtet dabei einerseits den Einfluss der neuen Oberbautypen mit zusätzlichen elastischen Komponenten auf das Systemverhalten des Schotteroberbaus, andererseits die Möglichkeiten zur Optimierung der Arbeitsergebnisse aufgrund der neuen Maschinentechnologien des Dynamischen Gleisstabilisators (DGS).

Bei dem von Plasser & Theurer initiierten Forschungsprojekt Dyna Track stehen drei unterschiedliche Oberbauformen auf dem Programm. Es handelt sich dabei um die drei häufigsten Gleisschwellentypen mit deren Standardbefestigungen, die bei der Deutschen Bahn in Verwendung sind. Untersucht werden die Spannbetonschwellen der Bauarten B70, B90 und B07So. Diese unterscheiden sich nicht nur in ihrer Geometrie, sondern in Kombination mit den entsprechenden Zwischenlagen auch in ihren elastischen Eigenschaften. Bei der Betonschwelle B07So wird durch eine Kunststoffbesohlung auf der Unterseite der Schwelle eine zusätzliche Elastizität in das System eingebracht. Diese hat unter anderem eine besonders positive Wirkung auf die Lastverteilung und wirkt somit verschleißreduzierend auf den Schotter im Gleis.

Geduld, Genauigkeit und vor allem Ausdauer sind bei den Versuchsaufbauten gefragte Charaktereigenschaften der Forschungsprojektleiterin. Sophie Feurig bringt genau die richtigen Voraussetzungen mit. Sie arbeitet mit Eifer an ihrer Dissertation und widmet im Rahmen dieses Projektes ihr ganzes Augenmerk der dynamischen Gleisstabilisation.

Laborversuch, Praxis und Simulation ergänzen einander

Die Herausforderungen bei der Nachbildung der Realität im Labor liegen unter anderem darin, dass der DGS auf der Baustelle mit kontinuierlicher Geschwindigkeit über das Gleis fährt. Nachdem dies beim Versuchsaufbau im Labor nicht möglich ist, bildet Sophie Feurig über die Steuerung der Maschinenparameter eine Einflussrampe nach, die exakt der Einwirkung einer zuvor durch das Prüfamt für Verkehrswegebau in der Realität gemessenen Überfahrt des DGS entspricht.

Die umfangreiche Sensorik zeichnet Verformungen, Beschleunigungen und Dehnungen auf. Zwischen den einzelnen Versuchsphasen wird immer wieder der Querverschiebewiderstand (QVW) gemessen und dokumentiert. Der Betrachtung im Labor gingen umfangreiche Feldversuche und Messungen am realen Gleis voraus, um den Versuchsaufbau mit allen zusammenwirkenden Einflüssen sehr realitätsnah konzipieren zu können. Vor jeder Variation der Parameter muss das Versuchsgleis im Labor wieder in seinen referenzierbaren Zustand gebracht werden. Dabei wird jedes Mal neuer Gleisschotter zugegeben und das Gleis, wie auch in der Praxis üblich, auf die richtige Lage gebracht und die Schwellen werden entsprechend unterstopft. Dieser Aufwand ist notwendig, um für jede Variation der Parameter gleichbleibende Verhältnisse sicherstellen zu können. Großer Dank gilt dabei auch dem deutschen Bauunternehmen Leonhard Weiss für die präzise und gewissenhafte Durchführung dieser Tätigkeit.

Als Projektpartner von Plasser & Theurer arbeitet Samir Omerović, Infrastruktur-Experte, ergänzend zu den Laborversuchen an einem numerischen Simulationsmodell. Mit Hilfe der Diskrete-Elemente-Methode (DEM) und moderner Computertechnik kann er das heterogene Schottermaterial mit seiner diskontinuierlichen Partikelstruktur nachbilden. Die Erkenntnisse aus der Praxis und dem Labor dienen als Kalibration für sein Rechenmodell. Auch am Prüfamt für Verkehrswegebau sollen Simulationsrechnungen als Grundlage und zur Validierung der Versuchsergebnisse durchgeführt werden. Diese Vorgehensweise eröffnet erweiterte Einblicke in einen simulierten Nachbau des Laborversuchs.

Die detaillierte Analyse der Ergebnisse bietet viel Potenzial: Aus der Grundlagenforschung wächst das Verständnis über die Komplexität des Gleises im elastischen Schotteroberbau. Durch die neuen Materialien und deren Einflüsse auf Arbeitsparameter werden kontinuierlich die Leistungsgrenzen dieser Infrastruktur erweitert. Und das begeistert nicht nur den fachkundigen Experten!

Was macht der DGS genau?

Durch Oberbauarbeiten, konkret durch das Heben, Richten und Stopfen, wird das Schottergefüge aufgelockert. Als Nebeneffekt sinkt dabei der QVW des Gleises. Der DGS wirkt diesem Effekt entgegen. Durch die auf das Gleis wirkende Horizontalbewegung in Kombination mit einer Auflast findet eine Umlagerung des Korngerüstes statt. Dabei wird der künstliche „Einnistvorgang“ des Gleisrostes im Schotterbett gefördert. Die daraus entstehende Konsolidierung der Schotterbettung erhöht den QVW des Gleisrostes. In der Praxis reduziert das Verfahren sonst notwendige Langsamfahrstellen und steigert die Verfügbarkeit der Schienen-Infrastruktur.

Der DGS wurde bereits Ende der 1970er-Jahre entwickelt und ist in weiten Teilen der Welt ein fixer Bestandteil der Gleis-Instandhaltung geworden. Veränderungen bei Oberbaumaterialien und neue Steuerungsmöglichkeiten des DGS boten den Impuls, bewährte Parameter im Labor zu untersuchen.

Fakten zum Dyna Track-Versuchsaufbau

Regelquerschnitt der Deutschen Bahn

  • 6 m Schienen
  • 9 Schwellen
  • 19 t Schotter
  • 3 Oberbauformen: B70/B07So/B90 Schwellen
  • Versuch mit elastischer Schwellenbesohlung
  • Variation der durch den DGS eingebrachten Auflast und Frequenz
  • QVW-Messungen

Ablauf eines Laborversuches

  • Gleisaufbau:
    Grundschotter einbringen und verdichten, Gleisrost einheben, einschottern, heben und richten, Bettungsquerschnitt herstellen
  • Messtechnik einbauen:
    Dehnmessstreifen, Induktivwegaufnehmer, einaxiale und triaxiale Schottermesssteine in verschiedenen Tiefen, Beschleunigungssensoren auf der Schwelle
  • Querverschiebewiderstandsmessung nach dem Stopfen
  • Dynamische Gleisstabilisation
  • Querverschiebewiderstandsmessung nach DGS-Einsatz
  • Zylinder für Verkehrsbelastung über Druckzylinder auf das Gleis aufbringen
  • Mit Druckzylinder 100.000 Lt simulieren
  • Querverschiebewiderstandsmessung nach 100.000 Lt
  • Mit Druckzylinder weitere 1,4 Mio Lt aufbringen
  • Querverschiebewiderstandsmessung nach insgesamt 1,5 Mio Lt
  • Rückbau der Messtechnik
  • Ausheben des Gleisrostes und erneuter Gleisaufbau

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