Dem Schotter auf der Spur

Dem Schotter auf der Spur

Der Gleisschotter ist die bestimmende Komponente des Oberbautragsystems. Das heutige Wissen über das komplexe Verhalten des Schotters beruht zu einem großen Teil auf einer Dissertation der TU Graz, die von J. Fischer Anfang der 1980er-Jahre verfasst wurde. Neueste Untersuchungsmethoden und Erkenntnisse werden dazu beitragen, das Verhalten des Schotters besser zu verstehen und das Gesamtsystem zu optimieren. Mit einer dieser Methoden beschäftigt sich Samir Omerovic in seiner Arbeit. Er ist in der Forschungsabteilung von Plasser & Theurer tätig und wendet die Diskrete-Elemente-Methode auf Problemstellungen im Gleisbau an. Ein neues Untersuchungs-Setting, von dem man sich viel verspricht.

Wasserableitung, Lastabtragung bzw. Krafthomogenisierung, Dämpfung, Lageerhaltung – das sind einige Funktionen des Schotters im System Gleis. Ein Einblick in die physikalischen Hintergründe und das Zusammenspiel der unterschiedlichen Wirkungsweisen ist daher sowohl aus theoretischem als auch praktischem Blickwinkel von großer Bedeutung. Die Realität sieht jedoch anders aus. Derzeit gibt es nur wenige rechnerische Nachweise über die in der Praxis verwendeten Maßzahlen.

Mit dem derzeitigen Kenntnisstand lässt sich nicht mit Bestimmtheit sagen, welche Bedingungen erforderlich sind, um eine „bestmögliche“ Verdichtung zu erzielen. Auch ist wenig über die Hohllagenbildung sowie über den Bruch und die Verschleißphänomene der Schotterkörner bekannt.

Der Grund für das mangelnde Wissen liegt vor allem in der Komplexität und Heterogenität des Materials, die es schwierig machen, Experimente unter Laborbedingungen durchzuführen. 

Die Anwendung der Diskrete-Elemente-Methode könnte hier Abhilfe schaffen. Die Methode ist zwar schon seit den 1970er-Jahren bekannt, aber erst durch den Einsatz von heutigen Hochleistungsrechnern kann man ihr Potenzial nutzen, um neue Erkenntnisse zu gewinnen.

Diskrete-Elemente-Methode macht realitätsnahe Ergebnisse möglich

Die Diskrete-Elemente-Methode (DEM) ist ein numerisches Simulationsverfahren, das für die Lösung von Problemstellungen mit diskontinuierlichem Charakter entwickelt wurde. Sie gehört zur Gruppe der Partikelmethoden und eignet sich deshalb ideal zur Untersuchung von Gleisschotter. Jedes Partikel wird dabei einzeln beschrieben, d. h. diskretisiert.

Voraussetzung für eine realitätsnahe DEM-Simulation ist die passende Wahl der Berechnungs- und Materialparameter. Bei Plasser & Theurer setzt Samir Omerovic dazu eine Software neuester Konzeption ein, die ein paralleles Rechnen auf mehreren Grafikkarten gestattet und damit auch sehr rechenintensive Aufgaben in vergleichsweise kurzer Zeit ermöglicht. Darüber hinaus können nichtsphärische, polyhedrale und somit realistische Geometrien gewählt werden. Auch Geometrien, die aus einem 3D-Scanner stammen, können eingelesen und verwendet werden.

Nicht nur theoretische Überlegen stehen hinter der DEM-Anwendung, sondern auch ganz konkrete Fragestellungen aus der Praxis können damit beantwortet werden. So wurde beispielsweise mittels DEM die maximale Schottermenge ermittelt, die das Förderband einer Materialförder- und Siloeinheit (MFS) bewältigen kann. Konkret ging es bei diesen Berechnungen darum, die maximale Fördermenge zu bestimmen, die bei überhöhter Gleislage in einem Bogen bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten möglich ist. Schon dabei zeigte sich, dass mit dem Verfahren derartige Aufgabenstellungen in extrem kurzer Zeit mit vergleichsweise geringem Kostenaufwand und dabei sehr exaktem Ergebnis gelöst werden können.

Schritt für Schritt auf dem Weg zur smarten Maschine

Samir Omerovic: „Die Ergebnisse aus den bisherigen Berechnungen zeigen deutlich, dass wir damit ein sehr leistungsfähiges und effizientes Werkzeug zur Verfügung haben. Neben konkreten Aufgabenstellungen werden wir es auch für die Grundlagenforschung zum Thema Gleisschotter nutzen. Wir sind guter Dinge, auch auf dieser Ebene neue Erkenntnisse zu gewinnen, die für die Entwicklung unserer Maschinen nur von Vorteil sein können.“

 

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