Es wurden die Verformungseigenschaften und das Schiene-Lastverteilungsverhalten in Abhängigkeit der vorhandenen Elastizitäten untersucht, die durch den Einsatz von unterschiedlichen Befestigungskomponenten beeinflusst werden. Ziel war, Ansatzpunkte für die Optimierung bzw. Weiterentwicklung von Schienenbefestigungssystemen zu finden und Lastverteilungs- und Verformungsverhalten der Schiene, insbesondere in lateraler Richtung, zu untersuchen. Zuerst wurden umfangreiche Laboruntersuchungen an Einzelstützpunkten verschiedener Varianten, d.h. Betonschwellenbefestigung W14, W21 und W28 durchgeführt, um insbesondere die horizontalen Verformungseigenschaften des Stützpunktes (bezogen auf die Schiene) in Abhängigkeit der vorhandenen Elastizitäten beschreiben zu können. Diese sind wiederum von den Belastungsgrößen (nicht lineares Verhalten), der Belastungsfrequenz und der Temperatur abhängig. Die Versuche erfolgten im Prüfstand mit kleinen temperierbaren Prüfkörpern. Die Versuchsbedingungen wurden ausgehend von den zu erwartenden, normalen Betriebsbedingungen bis hin zu extremen Randbedingungen (Entgleisung) ausgedehnt. Ziel war eine umfassende Beschreibung der jeweiligen Stützpunktcharakteristik hinsichtlich der theoretischen Modellbildung. Zur Überprüfung und Kalibrierung der theoretischen Modelle (FE-Modelle) wurde ein vorhandenes Testgleis (Länge ca. 11m) am Prüfamt für Verkehrswegebau verwendet, das ebenfalls mit den verschiedenen Schienenbefestigungen ausgerüstet werden konnte. Neben der lastverteilenden Wirkung der Schiene standen insbesondere Effekte im Vordergrund, die sich aus den Toleranzen des Schotteroberbaus ergeben (Anpassungseffekte zwischen Schiene und Schienenbefestigung, Einbauungenauigkeiten etc.). Abschließend wurden Messungen in einem Versuchsabschnitt im Betriebsgleis durchgeführt, indem unterschiedliche Schienenbefestigungssysteme unter den maßgeblichen, betrieblichen Randbedingungen betrachtet wurden. Durch umfangreiche Laboruntersuchungen (600 einzelne Messungen) und Messungen im Betriebsgleis (mehr als 300 Zugüberfahrten) sowie Parameterstudien mittels FEM, werden Kenntnisse in folgenden Bereichen abgeleitet: (1) Durch Einsatz von verschiedenen Spannklemmen (Skl) kann das Kippverhalten der Schiene bei harten Befestigungssystemen nur unter hohen lateralen Kräften beeinflusst werden. Insbesondere eine Skl mit geringem Abstand vom Schienenfuß zur Mittelschlaufe verringert das Kippen unter hohen lateralen Kräften (Lateral-/Vertikalkraft-Verhältnis L/V > 0,8) deutlich. Die Größe der Anspannkraft und die Steifigkeit vor und nach Einsetzen des Kippschutzes der Spannklemme spielen hierbei nur eine untergeordnete Rolle. (2) Die dynamische Steifigkeit der Zwischenlage wird durch Temperatur (materialbedingt) und Belastungsfrequenz stark beeinflusst. Die Steifigkeit bei tiefen Temperaturen in Kombination mit hoher Belastungsfrequenz liegt u.U. deutlich über der statischen Steifigkeit einer Zwischenlage. Die Nichtlinearität der Zwischenlage beeinflusst das Lastverteilungsverhalten in vertikaler Richtung. (3) Die laterale Elastizität des Schotteroberbaus wird hauptsächlich durch die laterale Steifigkeit der Winkelführungsplatten und den Querverschiebewiderstand (QVW) der Schwelle (unter Belastung) bestimmt. Die gesamte laterale Elastizität des Schotteroberbaus beeinflusst direkt die Querverschiebung des Schienenfußes. (4) Elastische Ebenen im Gleis haben Einfluss auf das Verformungsverhalten der Schiene: Für die Auslegung eines Schotteroberbaus, der eine gute vertikale Lastverteilung erzielen muss und gleichzeitig kontrollierte seitliche Bewegungen der Schiene verlangt, kann daher eine Entkoppelung der vertikalen und horizontalen Elastizitäten durch Anordnung einer weiteren elastischen Ebene vorgenommen werden, z.B. durch die Verwendung einer elastischen Schwellenbesohlung, die weitgehend nur vertikale Anteile zur Oberbauelastizität liefert.
Einfluss der Schienenbefestigungskomponenten auf das laterale Verformungs- und Lastverteilungsverhalten der Schiene
2013
181 Seiten, Bilder, Tabellen, 83 Quellen
Hochschulschrift
Deutsch