Book Series of the Department of Civil Engineering Technische Universität Berlin
Herausgeber:
Editors:
Prof. Dr.-Ing. Matthias Barjenbruch Prof. Dr.-Ing. Karsten Geißler
Prof. Dr.-Ing. Reinhard Hinkelmann Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Huhnt Prof. Dr.-Ing. Bernd Kochendörfer Prof. Dr.-Ing. Yuri Petryna
Prof. Dr.-Ing. Stavros Savidis
Prof. Dr. sc. techn. Mike Schlaich
Prof. Dr.-Ing. Volker Schmid
Prof. Dr.-Ing. Frank U. Vogdt
zusätzlichen Schienenspannungen aus der Interaktion Gleis/Brücke
vorgelegt von Dipl.–Ing.
Hartmut Freystein aus Berlin
von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt – der Technischen Universität Berlin
Institut für Bauingenieurwesen zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Ingenieurwissenschaften – Dr.-Ing. –
genehmigte Dissertation Promotionsausschuss:
Vorsitzender: Prof. Dr.-Ing. Y. Petryna Gutachter: Prof. Dr.-Ing. K. Geißler Gutachter: Prof. Dr.-Ing. S. Freudenstein Gutachter: Prof. Dr.-Ing. habil. J. Siegmann Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 25. Juli 2012
Berlin 2012
D 83
D 83 (Diss. TU Berlin)
Shaker Verlag Aachen 2012
Technische Universität Berlin Band 12
Hartmut Freystein
Untersuchungen zu den zulässigen zusätzlichen
Schienenspannungen aus Interaktion Gleis/Brücke
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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.
Zugl.: Berlin, Techn. Univ., Diss., 2012
Untersuchungen zu den zulässigen zusätzlichen Schienenspannungen aus Interaktion Gleis/Brücke
Dissertationsschrift von Hartmut Freystein Fakultät VI – Planen, Bauen, Umwelt der Technischen Universität Berlin Vorsitzender: Prof. Dr.-Ing. Y. Petryna Gutachter: Prof. Dr.-Ing. K. Geißler
Gutachter: Prof. Dr.-Ing. S. Freudenstein (TU München) Gutachter: Prof. Dr.-Ing. habil. J. Siegmann
Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 25. Juli 2012 Copyright Shaker Verlag 2012
Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungs- anlagen und der Übersetzung, vorbehalten.
Printed in Germany.
ISBN 978-3-8440-1474-7 ISSN 1868-8357
Shaker Verlag GmbH • Postfach 101818 • 52018 Aachen
Die Interaktion Gleis/Brücke bestimmt maßgeblich Konstruktion und Bemessung von Eisenbahnbrücken. Die Verschiebungen der Überbauoberkante von Eisenbahnbrücken infolge Temperaturschwankungen, Anfahren und Bremsen sowie Durchbiegung aus Last- modell 71 führen insbesondere am beweglichen Lager wegen der Koppelung von Oberbau und Tragwerk zu Zwängungen und somit zu zusätzlichen Längsspannungen in der Schie- ne.
Der DIN-Fachbericht 101 und die Richtlinie 804 enthalten Regelungen zur Begrenzung der Schienenspannungen bzw. Bedingungen für die Anwendung eines vereinfachten Nach- weisverfahrens, das nur für spezifische konstruktive Randbedingungen, Anforderungen an den Oberbau und die Begrenzung der Dehnlänge des Tragwerks gilt. So darf das verein- fachte Nachweisverfahren bei Stahlbrücken nur bei Dehnlängen bis 60 m und Schienen 60 E2 (durchgehend geschweißt) mit schwerem Oberbau Schwelle B 70 angewendet werden.
Zudem ist z. Zt. offen, inwieweit das vereinfachte Verfahren für die häufig im Bahnnetz vorkommenden Schienen 54 E4 und leichteren Schwellenarten angewendet werden darf.
Während im Oberbau die Tauglichkeit von Schienen im Rahmen eines Dauerfestigkeits- nachweises bestimmt wird, werden in dieser Arbeit in einem ersten Schritt vorhandene Bauteilversuche zur Bestimmung der Gestaltfestigkeit aus den 1970er/1980er Jahren neu ausgewertet, und die zulässigen Schienenspannungen im Rahmen von Ermüdungsnach- weisen als Betriebsfestigkeitsnachweis auf der Basis akkumulierter Schadenssummen in Abhängigkeit von repräsentativen Streckenbelastungen, Oberbauarten und Steifigkeits- verhältnissen neu berechnet. Hierbei ergibt sich, dass die zulässigen zusätzlichen Zug- spannungen für Schienen 54 E4 und 60 E2 unter gewissen Randbedingungen von 92 auf 112 N/mm2 erhöht werden können. In einem zweiten Schritt ergeben rechnerische Untersuchungen zur Begrenzung der Druckspannungen im Rahmen der Verwerfungssi- cherheit, dass einerseits eine Erhöhung der zulässigen Spannungen auf größere Werte, z. B. 92 N/mm2, möglich erscheint, wenn die Biegesteifigkeit des Gleisrostes erhöht wird - hierzu werden praxisnahe Vorschläge gemacht. Andererseits erfüllt auch der Schotter- oberbau mit Schiene 54 E4 unter bestimmten Randbedingungen die bisher geltenden zulässigen zusätzlichen Schienenspannungen von 72 N/mm2. Abschließend wurden an ausgeführten Stahlbrücken im Stützweitenbereich zwischen 70 und 104 m die zusätzlichen Schienenspannungen ermittelt; hierbei ergibt sich, dass unter gewissen Randbedingungen auch bei Stützweiten von 70 bis 80 m noch auf instandhaltungsintensive Schienenauszüge verzichtet werden kann.
Abstract
Construction and calculation of railway bridges are significantly determined by the in- teraction track/bridge. The displacements of the upper edge of superstructure of railway bridges due to uniform temperature, acceleration and braking as well as deflection caused by load model 71 produce particularly at the movable bearing constraints and additional longitudinal stresses in the rail due to the interaction of track and bridge.
DIN-Fachbericht 101 and Ril 804 contain rules to limit rail stresses or conditions for the application of the simplified calculation method which applies for constructive boundary conditions, requirements to the track system and to the limitation of the expansion length of superstructure. Thus the simplified calculation method may be applied to steel bridges only for expansion lengths to 60 m and ballasted track with welded rails 60 E2 and sleepers B 70. Furthermore it is open in which manner the simplified method can be used for rails 54 E4 and slighter sleepers.
In track science the ability of rails will be calculated by „calculation of fatigue strength“.
In this work at a first step the test on construction material for estimation of mechanical stability of der 70ties and 80ties of the last century were newly evaluated and the ad- ditional rail stresses were calculated by fatigue assessment on the basis of accumulated damage depending on different route classes, track components and stiffness of embank- ment. The result is that the permissible tensile rail stresses (tension) for rails 60 E2 and 54 E4 could be developed from 92 to 112 N/mm2. In a second step the calculation of compressive stresses against track buckling offer that the permissible compressive rail stresses for rail 60 E2 could be developed under specific but practicable conditions up to 92 N/mm2. For rails 54 E4 the permissible stresses of 72 N/mm2are fulfilled. Finally the calculations of executed steel bridges occur that under specific conditions steel bridges with lengths from 70 to 80 m don´t need a maintenance-intensive expansion device.
Abbildungsverzeichnis xi
Tabellenverzeichnis xvii
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen xxiii
1. Einleitung, geschichtlicher Überblick und Aufgabenstellung 1
1.1. Aufgabenstellung und Einleitung . . . 1
1.2. Rolle der Längskräfte bei Planung und Bemessung von Eisenbahnbrücken 3 1.3. Einführung in das Phänomen Interaktion Gleis/Brücke . . . 4
1.4. Geschichtlicher Überblick . . . 7
2. Einführung in die Interaktion Gleis/Brücke - Stand der Technik 9 2.1. Einleitende Bemerkungen . . . 9
2.2. Zulässige Dehnlängen . . . 10
2.3. Einwirkung durch Bremslasten . . . 11
2.3.1. Bremskräfte . . . 11
2.3.2. Lastfall Bremsen-Bremsen . . . 13
2.4. Einwirkungen aus Temperatur . . . 14
2.5. Einfluss der Unterbausteifigkeit (Längssteifigkeit) . . . 15
2.6. Mindeststeifigkeit der Unterbauten . . . 17
2.7. Übergangskonstruktionen - Bauarten der Fahrbahnübergänge und Ein- satzkriterien . . . 19
2.7.1. Geschlossene Übergangskonstruktionen . . . 20
2.7.2. Offene Übergangskonstruktionen . . . 21
2.8. Schienenauszüge (SA), Funktionsweise und Bemessung . . . 22
2.8.1. Bauarten der Schienenauszüge . . . 23
2.8.2. Ermitteln der Ausziehlänge von Schienenauszügen . . . 24
2.8.3. Übergangsbereich am Schienenauszug . . . 25
2.9. Einfluss von Überbauhöhe, Lagerüberstand u. Abstand Schwerachse zu Lagerachse . . . 26
2.10. Vergleich der Wirkungsweise von Temperatur bzw. Anfahren und Bremsen 28 2.11. Zulässige zusätzliche Schienenspannungen . . . 29
Inhaltsverzeichnis
2.12. Konstruktionsprinzipien für die Wahl des Brückensystems wegen der In-
teraktion Gleis/Brücke . . . 29
2.13. Begrenzung der Dehnlänge durch Sonderkonstruktionen . . . 31
2.13.1. Steuerstab Meyer-Wunstorf . . . 31
2.13.2. Kriechkoppelungen . . . 32
2.14. Berechnungsverfahren für EÜ aus Interaktion Gleis/Brücke nach DIN-Fb 101 . . . 33
2.14.1. Vereinfachtes Nachweisverfahren . . . 33
2.14.2. Genaues Nachweisverfahren . . . 34
2.15. Berechnungsverfahren für EÜ inf. Interaktion Gleis/Brücke nach DIN EN 1991-2 . . . 38
2.15.1. Vereinfachtes Nachweisverfahren nach DIN EN 1991-2 . . . 38
2.15.2. Genaues Nachweisverfahren nach DIN EN 1991-2 . . . 39
3. Oberbauparameter mit Einfluss auf Interakt. Gleis/Brücke - Stand der Technik 41 3.1. Elemente des Schotteroberbaus . . . 42
3.1.1. Schienenprofile . . . 43
3.1.2. Schienengüte . . . 44
3.1.3. Schwellen . . . 45
3.1.4. Schwellenabstand . . . 48
3.1.5. Schienenbefestigungssysteme - Zwischenlagen, Schwellenbesohlung und Unterschottermatten . . . 48
3.1.6. Schotter vor Kopf . . . 52
3.1.7. Bettungsdicke . . . 52
3.1.8. Schwellenanker . . . 52
3.2. Streckenklassen/-kategorien/-standards in Deutschland und im europ. Re- gelwerk . . . 53
3.2.1. Streckenklassen, -kategorien und -standards in Deutschland . . . . 53
3.2.2. Regelungen der Technischen Spezifikationen Interoperabilität . . . 56
3.2.3. Regelungen der DIN EN 15528 (ehem. UIC-Merkblatt 700) . . . . 59
3.2.4. Betriebslastenzüge nach DIN EN 1991-2 und DIN-Fachbericht 101 59 3.3. Oberbauberechnung und Oberbauelastizität . . . 60
3.3.1. Oberbauberechnung von 1992 - Verfahren nach Zimmermann . . . 60
3.3.2. Eignung von Oberbauarten und Fragen zur Oberbauelastizität . . 60
3.4. Gleisverschiebegesetze . . . 61
3.4.1. Durchschub- und Gleislängsverschiebewiderstand - Stand der Tech- nik . . . 61
3.4.2. Längsverschiebewiderstand - Ableitung von Reserven - Handlungs- bedarf . . . 62
3.4.3. Querverschiebewiderstand . . . 63
3.5. Gleisverwerfung . . . 65
3.5.1. Verwerfungstheorie nach v. Gruenewaldt/Meier . . . 65
3.5.2. Erweiterte Verwerfungstheorie nach Chatkeo . . . 65
3.5.3. Vertikale Verwerfungen . . . 66
3.6. Spannungen in der Schiene . . . 66
3.6.1. Schienenspannungen im Schienenkopf aus Kontakt Rad/Schiene . 67 3.6.2. Spannungen infolge vertikaler Verkehrslasten . . . 67
3.6.3. Eigenspannungen in der Schiene . . . 68
3.6.4. Spannungen aus Temperaturschwankungen in der Schiene . . . 70
3.7. Zul. zusätzliche Längsspannungen der Schiene für die Brücke - Stand der Technik . . . 70
3.7.1. Freier Spannungsanteil (Zug) für die Interaktion Gleis/Brücke . . 71
3.7.2. Freier Spannungsanteil (Druck) für die Interaktion Gleis/Brücke . 72 4. Untersuchungen zu den zulässigen zusätzlichen Schienenspannungen (Zug) 75 4.1. Einleitung und Vorgehensweise . . . 75
4.2. Maßgebende ermüdungsrelevante Schwingbreite aus der Berechnung der Schienenfußspannungen nach dem Zimmermannschen Modell . . . 78
4.3. Grundlagen eines Ermüdungsnachweises für Schienen . . . 78
4.4. Herleitung der Wöhlerkurve aus Versuchen am VWB der TU München . 80 4.4.1. Interpretation der Dauerschwingversuche an Schienenstählen . . . 80
4.4.2. Herleitung einer Wöhlerkurve für Ermüdungsnachweise . . . 85
4.4.3. Herleitung des Smith-Diagramms . . . 86
4.5. Einfluss der Schienentemperaturverteilung über ein Jahr . . . 86
4.5.1. Einfluss der Druckspannungen aus Verkehrslast auf die Unterspan- nung . . . 88
4.5.2. Einfluss von Anfahren und Bremsen aus Interaktion Gleis/Brücke auf die Unterspannung . . . 89
4.5.3. Einfluss der Interaktion Gleis/Brücke auf die Bestimmung der Un- terspannung . . . 90
4.5.4. Berechnung der UnterspannungσUund der zugehörigen zulässigen Spannungsschwingbreite zulσD bezogen auf ein Temperaturintervall 91 4.5.5. Einfluss der Jahresverteilung der Außentemperatur und der Stand- orte auf die zulässigen Spannungsschwingbreiten bei Ermüdungs- nachweisen . . . 91
4.6. Einwirkungen aus Schienenverkehr - Diskussion von Randbedingungen . . 96
4.6.1. Maßgebender Nachweispunkt am Schienenfuß - Einfluss von Füh- rungskräften - Wölbkrafttorsion und zweiachsige Biegung . . . 96
Inhaltsverzeichnis
4.6.2. Lastausbreitung in der Schiene und Anteile aus sekundärer Biegung 99
4.7. Verkehrslastkollektive für die Ermüdungsberechnungen . . . 100
4.7.1. Streckenklassifizierungen für die Ermüdungsberechnungen . . . 101
4.7.2. Betriebslastenzüge nach DIN-Fachbericht 101/DIN EN 1991-2 . . 102
4.8. Berücksichtigung verschiedener Oberbauarten, Einfluss von USM u. Schwel- len So . . . 104
4.8.1. Oberbauarten . . . 104
4.8.2. Untergrundsteifigkeit . . . 105
4.8.3. Federsteifigkeit der Zwischenlagen . . . 106
4.8.4. Einsatz von USM und Schwellen mit elastischer Sohle . . . 107
4.9. Kalibrierung d. Schienenspannung an Messungen im Gleis (VWB d. TU München) . . . 109
4.10. Ableitung der Variationskoeffizienten für den Oberbau . . . 111
4.10.1. Abnutzungsvorrat der Schiene . . . 112
4.10.2. Variationskoeffizient vOberbau. . . 114
4.11. Ermüdungsberechnung für Schiene 60 E2 in Abhängigkeit von Oberbauart 116 4.11.1. Eingangsparameter und Durchführung der Ermüdungsberechnun- gen . . . 116
4.12. Sicherheitsbetrachtungen und Variation der Eingangsparameter . . . 118
4.12.1. Herleitung des Zuverlässigkeitindex β für die „freie Strecke“ und den „Übergang EÜ/Erddamm“ . . . 119
4.12.2. Berechnung des Zuverlässigkeitsindexβ bei Ermüdungsnachweisen - Nachweisziel „freie Strecke“ . . . 121
4.12.3. Zuverlässigkeitsindex für den Ermüdungsnachweis am Übergang EÜ/Erddamm . . . 124
4.13. Sensitivitätsanalyse zur Ermüdung von Schienen . . . 125
4.13.1. Variation der Spannungsschwingbreiten aus Verkehr . . . 126
4.13.2. Auswertung der Spannungsanteile aus den BLZ und Bewertung der Streckenklassifizierung G120 E5 . . . 126
4.13.3. Variation der Anzahl der Spannungsspiele . . . 127
4.13.4. Variation der zulässigen Spannungsschwingbreite - höherfeste Schie- nenstähle . . . 128
4.13.5. Variation der Gleislagequalität auf der freien Strecke . . . 130
4.13.6. Variation der Untergrundsteifigkeit . . . 131
4.13.7. Variation der Federsteifigkeit im niedrigen Temperaturbereich . . 131
4.13.8. Variation der klimatischen Zonen - verschiedene Standorte . . . . 133
4.13.9. Variation der Wahrscheinlichkeit eines Schienenbruchs . . . 134
4.13.10.Variation der Anzahl der EÜ pro 100 km . . . 134
4.13.11.Variation der Hinterfüllung von EÜ . . . 135
4.13.12.Wichtung der Variationsparameter und Zusammenfassung . . . . 136
4.14. Ergebnisse der Ermüdungsberechnungen für Schiene 60 E2 u. Schlussfol-
gerungen . . . 137
4.15. Ermüdungsberechnungen für das Schienenprofil 54 E4 . . . 142
4.15.1. Zulässige Spannungsschwingbreiten für die Ermüdungsnachweise . 143 4.15.2. Eingangsparameter für die Ermüdungsberechnungen für das Schie- nenprofil 54 E4 . . . 144
4.15.3. Schädigungsberechnungen für die Schiene 54 E4 . . . 146
4.15.4. Zusammenfassung der Ermüdungsnachweise und Sensitivitätsbe- trachtungen für die Schiene 54 E4 . . . 146
5. Untersuchungen zu den zulässigen zusätzlichen Schienenspannungen (Druck) 149 5.1. Einleitung . . . 149
5.2. Nachweis des zul. kritischen Temperaturanstiegs über den Sicherheitsab- stand . . . 149
5.2.1. Eingangsparameter . . . 149
5.2.2. Ergebnisse des klassischen Nachweises des zulässigen kritischen Temperaturanstiegs . . . 152
5.3. Semiprobabilistischer Nachweis der Gleislagestabilität . . . 155
5.3.1. Vorbetrachtungen . . . 155
5.3.2. Eingangsparameter für die Berechnungen . . . 156
5.3.3. Durchführung der Berechnung und Berechnungsergebnisse . . . . 159
5.4. Einsatz von Schwellenbauarten entsprechend Bauart B 70 ZSX . . . 162
5.5. Ergänzende Betrachtungen für die Schiene 54 E4 . . . 164
5.5.1. Führungen und Fangvorrichtungen - Einbaukriterien und Ausfüh- rung . . . 164
5.5.2. Nachweisführung bei Vorhandensein von Führungsschienen . . . . 166
5.6. Einsatz der linearen Wirbelstrombremse . . . 167
6. FF auf Brücken 169 6.1. Tragverhalten der FF auf der freien Strecke und auf EÜ . . . 169
6.2. Nachweise für FF auf Brücken . . . 172
6.2.1. Zusätzliche Schienenspannungen . . . 172
6.2.2. Nachweis der Schienenstützpunkte am Übergangsbereich . . . 172
6.2.3. Übergang Brücke/Erddamm . . . 175
6.3. Untersuchungen zu den zulässigen zusätzlichen Schienenspannungen . . . 176
6.3.1. Zulässige zusätzliche Schienenspannungen (Zug) - Ermüdungsnach- weis . . . 176
6.3.2. Zulässige zusätzliche Schienenspannungen (Druck) . . . 179
Inhaltsverzeichnis
7. Berechnung von Stahlbrücken im Stützweitenbereich von 60 bis 104 m 181
7.1. Auswahl der Eisenbahnbrücken . . . 181
7.2. Eingangsparameter der Beispielberechnungen . . . 181
7.3. Ergebnisse der Schienenspannungsberechnung . . . 183
7.3.1. Grundsätzliche Aussagen . . . 183
7.3.2. LVW-unbelastet versus LVW-belastet hinter dem Widerlager . . . 185
7.3.3. Variation Längssteifigkeit des Widerlagers . . . 186
7.3.4. Variation Federgesetze für LVW . . . 187
7.3.5. Zusammenfassung . . . 189
8. Vorschlag für eine Regelung im bahntechnischen Regelwerk u. Ausblick 191 8.1. Zulässige zusätzliche Schienenspannungen . . . 191
8.1.1. Zulässige zusätzliche Schienenspannungen (Zug) . . . 191
8.1.2. Zulässige zusätzliche Schienenspannungen (Druck) . . . 193
8.1.3. Erweiterung der Dehnlängen . . . 194
8.1.4. Zusammenfassende Empfehlung für das technische Regelwerk . . . 195
8.2. Ausblick und weitere Untersuchungen . . . 197
A. Bremskräfte und Atmungslänge 201 A.1. Bremskräfte . . . 201
A.2. Atmungslänge . . . 203
B. Betriebslastenzüge nach DIN-Fachbericht 101 207 C. Auswirkung der Führungskräfte auf die Schienenspannungen - Wölbkraft- torsion 211 C.1. Einführung . . . 211
C.2. System . . . 211
C.3. Herleitung der Steifigkeitsmatrizen . . . 212
C.3.1. Steifigkeitsmatrix für den Biegestab . . . 212
C.3.2. Steifigkeitsmatrix für die Wölbkrafttorsion . . . 213
C.4. Bestimmung der Lastvektoren . . . 217
C.5. Berechnung der Querschnittswerte . . . 218
C.6. Gesamtsteifigkeitsmatrix und Berücksichtigung der Auflager- und Torsi- onsfedern . . . 220
C.7. Berechnung und Ergebnisse . . . 222
D. Oberbauberechnung nach Zimmermann 223 D.1. Herleitung des Verfahrens nach Zimmermann am elastisch gelagerten Bal- ken . . . 223
D.2. Formulierung der Randbedingungen . . . 226
D.3. Zusammenfassung der Lösungen der Differentialgleichung . . . 226
D.4. Umwandlung des Querschwellen- in den Langschwellenoberbau . . . 227
D.5. Oberbauberechnung des BZA von 1992 . . . 229
D.6. EDV-Programm für Ermüdungsnachweise . . . 231
E. Berechnung von Querschnittswerten 233 F. Zuverlässigkeitsbetrachtungen 235 G. Ergebnisse der Ermüdungsnachweise 237 G.1. Lebensdauer der Schiene 60 E2 . . . 237
G.2. Detaillierte Ergebnisse für Ermüdungsnachweis - 60 E2 B 70 W3/W14 Zw687a . . . 243
G.3. Ergebnisse Ermüdungsnachweis für Schiene 54 E4 . . . 255
G.4. Ergebnisse Ermüdungsnachweis für die Feste Fahrbahn . . . 263
H. Gleisverwerfung 267 H.1. Verwerfungsberechnungen nach v. Gruenewaldt/Meier . . . 267
H.1.1. Verwerfungsberechnung für das Bogengleis . . . 267
H.1.2. Verwerfungsberechnung für das gerade Gleis nach Meier . . . 273
H.2. Verwerfungsberechnungen nach Chatkeo . . . 276
H.3. Kalibrierte vereinfachte Formeln nach Meier . . . 279
I. Beispielberechnungen 281 I.1. Fachwerkbrücken . . . 281
I.2. Stabbogenbrücken . . . 283
I.3. Netzbogenbrücken . . . 285
Literaturverzeichnis 289
1.1. Systembild . . . 4
1.2. zusätzliche Schienenspannungen aus Ausdehnung Überbau (festes Lager) 5 1.3. zusätzliche Schienenspannungen aus Ausdehnung Überbau (schwimmende Lagerung) . . . 5
1.4. Überlagerung Schienenspannung aus Schienentemperatur und zusätzli- cher Schienenspannung infolge Längsausdehnung des Überbaus im Sommer 6 1.5. Zusätzliche Schienenkräfte in Abhängigkeit von der Unterbausteifigkeit in Längsrichtung (nach [93]) . . . 7
2.1. Schematische Darstellung der Abtragung der Bremskräfte [132] . . . 12
2.2. Vergleich von Lastkombinationen für Anfahren und Bremsen in Abhän- gigkeit von der Brückenlänge [2] . . . 14
2.3. Temperatureinwirkungen im DIN-Fachbericht 101, Kapitel V (aus [44]) . 14 2.4. Parameter der Unterbausteifigkeit (aus [44]) . . . 15
2.5. Nachgiebigkeit von hohen Pfeilern (aus [143]) . . . 16
2.6. Bauformen der Fugenübergangskonstruktionen [11] . . . 19
2.7. Geschlossene Übergangskonstruktion . . . 20
2.8. Offene Übergangskonstruktion . . . 21
2.9. Verschiebewege bei offenen Übergangskonstruktionen 60 E2/Vo 1-60 [132] 22 2.10. Schienenauszug der Bauart SA 60-200Be nach Iow 60.0210be (aus [27]) . 23 2.11. Ermittlung der Schienenauszugslänge [15] . . . 24
2.12. Längsverschiebung und Höhenversatz am Überbauende . . . 27
2.13. Schema der Längsverschiebung und des Vertikalversatzes am Überbauen- de (aus [10]) . . . 27
2.14. Grenzwerte für die Verformungswege an Überbauenden infolge Verkehrs- einwirkungen (Tabelle 2 aus Modul 804.3101 [10]) . . . 28
2.15. Zulässige Durchbiegung nach NA zu DIN EN 1990 (aus [49]) . . . 28
2.16. Ausgleichslängen für einteilige Brücken (aus [84]) . . . 30
2.17. Ausgleichslängen für mehrteilige Brücken (aus [84]) . . . 30
2.18. Flussdiagramm zur Auswahl eines Brückensystems bei Längen ab 60 m (Stahlbrücken) (aus [84]) . . . 31
2.19. Montage des Steuerstabs an der Unterseite eines Stahlüberbaus . . . 32
Abbildungsverzeichnis
2.20. Wirkprinzip des Steuerstabs (Draufsicht) . . . 32
2.21. Prinzipsskizze einer hydraulischen Kriechkoppelung (aus [9]) . . . 33
2.22. Idealisiertes System für genaue Untersuchungen zur Interaktion Gleis/Brücke (aus [44]) . . . 34
2.23. Widerstandsgesetz für das Gleis (aus [44]) . . . 35
3.1. Bettungsquerschnitt [18] . . . 42
3.2. Schienenprofile 49 E5, 54 E4 und 60 E2 . . . 44
3.3. Betonschwellen B 70, B 90 und B 75 . . . 45
3.4. Betonbreitschwellen B 01 und BBS-1 [29] . . . 47
3.5. Rahmen-Schwellen-Gleis und Zwillingsschwelle [136], [134] . . . 47
3.6. Schienenbefestigungen W14 K 900 und System 300-1 gemäß Richtzeich- nungen der Deutschen Bahn AG [25], [26] . . . 49
3.7. Aufhärtungsneigung von Kunststoffen am Beispiel von Sylodyn[95] . . 52R 3.8. Schwellenanker [23] . . . 53
3.9. Tagesganglinie für den Streckenstandard M230 gemäß Modul 413.0301 (aus [7]) . . . 54
3.10. Gemessene Längsverschiebewiderstände und Vergleich mit Verschiebewi- derstand nach DIN-Fachbericht 101 [44], [144], [145], [150] . . . 62
3.11. Querverschiebewiderstand - qualitativ (aus [6]) . . . 64
3.12. Spannungen in der Schiene infolge Biegung [108] . . . 68
3.13. Darstellung der Eigenspannungen nach dem Walzen (aus [73]) . . . 69
3.14. Eigenspannungen in Querrichtung (aus [73]) . . . 69
3.15. Spannungsanteile im Schienenfuß 60 E2, 900 N/mm2[34] . . . 71
4.1. Schienenspannungen infolge Überfahrt des BLZ 8 nach DIN-Fb 101 . . . 79
4.2. Versuchsanordnung der Dauerschwingfestigkeitsversuche am VWB der TU München (aus [159]) . . . 82
4.3. Wöhlerkurve für Schiene R260 . . . 86
4.4. Smith-Diagramm für Schienenstahl R260 . . . 87
4.5. Abhängigkeit der zulässigen Spannungsschwingbreite zulΔσDvon der Un- terspannung . . . 87
4.6. Durchschnittliche Verteilung der Schienentemperatur im Jahr in Puch- heim (oben) und Oberstorf (unten) . . . 94
4.7. Führungskräfte und geometrische Verhältnisse an der Schiene . . . 97
4.8. Führungskraft in Abhängigkeit vom Bogenradius (aus [156]) . . . 97
4.9. Einfluss der Sekundärbiegung beim Modell nach Zimmermann (aus [72]) 100 4.10. Hinterfüllungsbereiche in Betriebserprobungen auf der ABS Berlin-Hamburg (aus [96], [24]) . . . 106
4.11. Spannungen bei Überfahrt Belastungswagen - eigene Berechnung . . . 110
4.12. Gleislagequalität an Messstelle 7 (aus [162]) . . . 111
4.13. Verschleiß des Schienenprofils 60 E2 . . . 113
4.14. Ergebnisse der Auswertung des Zuverlässigkeitsindex . . . 124
4.15. Ertragbare Spannungsschwingbreite abhängig vom Mittelspannungsver- hältnisκ und der Stahlgüte (aus [131]) . . . 129
4.16. Schienenquerschnitt 54 E4 mit Darstellung der zulässigen Abnutzung . . 145
5.1. Zulässige TemperaturerhöhungΔT0nach Chatkeo für die Oberbauart B 70 W3 687a (aus [121]) . . . 154
5.2. Vergleichende Betrachtungen zwischen Gleisrost B 70 und B 70 ZSX zur Ermittlung vonIErsatz(aus [134]) . . . 162
5.3. Vergleichende Betrachtungen zwischen Gleisrost B 70 und B 70 ZSX zur Ermittlung vonIErsatz mit Variation der Rahmensteifigkeit und des Ver- drehwiderstands (aus [134]) . . . 163
5.4. Anordnung von Führungen und Fangvorrichtungen auf eingleisigen EÜ (aus [15]) . . . 164
5.5. Lageplan einer Führung und Fangvorrichtung (aus [15]) . . . 165
5.6. Schnitt durch eine Führung und Fangvorrichtung (aus [15]) . . . 165
5.7. Temperaturerhöhung beim Einsatz der LWB (aus [113]) . . . 167
6.1. FF auf der freien Strecke, Beispiel Bauart Rheda 2000 (aus [1]) . . . 169
6.2. Schienenbefestigung System 300-1-60 (aus [26]) . . . 170
6.3. Einsatzbedingungen der FF auf kurzen Brücken . . . 171
6.4. FF auf Brücken - oben: Längsschnitt durch FF Rheda auf langen Brücken, unten: Schnitt durch Höckerkonstruktion (aus [74] und [1]) . . . 171
6.5. Stützpunktkräfte an der FF infolge Verkehrseinwirkungen . . . 173
6.6. Wirkprinzip von Ausgleichsplatten . . . 174
6.7. Wirkungsweise der Riegelsperre bei Ausgleichsplatten [133] . . . 174
6.8. FF - konstruktive Lösung am Übergang EÜ/Erddamm (aus [74]) . . . 175
7.1. Ansatz der Federgesetze im Rahmen der nichtlinearen Überlagerung . . . 182
7.2. Zusätzliche Schienenspannungen auf EÜ Ferch-Lienewitz [135] . . . 184
7.3. Zusätzliche Schienenspannungen auf EÜ Schöneberg [135] . . . 184
7.4. Zusätzliche Schienenspannungen auf EÜ Schöneberg (Sommer) [135] . . . 186
7.5. Verlauf der zusätzlichen Schienenspannungen am beweglichen Lager für alle Beispielbrücken (Sommer) . . . 190
8.1. Längsverschiebegesetze DIN-Fb 101 und Messung (unbelastet) . . . 198
A.1. Zeitverzögerung bei Bremsungen von Zugverbänden (aus [125]) . . . 201
Abbildungsverzeichnis
A.2. Idealisierte Darstellung des Reibbeiwertes als Funktion der Zeit t bei
Schnellbremsungen von Zügen aus v = 80 km/h (aus [33]) . . . 202
A.3. Bremsversuche auf der EÜ Hochdonn (aus [92]) . . . 203
A.4. Systemdaten . . . 203
A.5. Kraftentwicklung in der Schiene im Übergangsbereich von der Bruchlücke zum durchgehend geschweißten Gleis auf dem Erddamm . . . 204
B.1. Übersicht über die BLZ nach DIN-Fb 101, Anhang F - Personenzüge (aus [44]) . . . 207
B.2. Übersicht über die BLZ nach DIN-Fb 101, Anhang F - Güterzüge 22,5 t (aus [44]) . . . 208
B.3. Übersicht über die BLZ nach DIN-Fb 101, Anhang F - Güterzüge 25 t (aus [44]) . . . 209
C.1. System und Abmessungen . . . 212
C.2. Freiheitsgrade und Schnittgrößen am Biegestab . . . 212
C.3. Bildung der Steifigkeitsmatrix für den Biegestab mit den Einheitsverschie- bezuständen . . . 213
C.4. Offenes, dünnwandiges Profil mit geometrischen Größen [117] . . . 214
C.5. Gleichgewichtsbeziehungen [117] . . . 215
C.6. Gleichgewichtsbeziehungen . . . 217
C.7. Angenäherter Querschnitt für die Schiene 60 E2 . . . 219
C.8. y-, z- und w-Flächen der idealisierten Schiene . . . 219
C.9. Lokale Steifigkeitsmatrix . . . 221
C.10.Gesamtsteifigkeitsmatrix . . . 221
D.1. Durchsenkung des Gleiskörpers infolge Zugüberfahrt (aus [108]) . . . 223
D.2. Idealisierung des elastisch gebetteten Balkens . . . 224
D.3. Gleichgewicht am Stabelement . . . 224
D.4. Normierte Graphen für Einsenkung und Moment . . . 227
D.5. Umwandlung des Querschwellen- in einen Langschwellenoberbau [108] . . 228
E.1. Querschnittswerte an einem polygonalen Querschnitt . . . 233
F.1. Operative Versagenswahrscheinlichkeit . . . 235
G.1. Schienenspannungen infolge Überfahrt der BLZ 1, 3, 6, 7 und 8 . . . 243
H.1. Verwerfungsfigur für das Bogengleis [97] . . . 268
H.2. Verschiebung eines gekrümmten Druckstabes (aus [123]) . . . 270
H.3. Verlauf des Temperaturanstieges in Abhängigkeit von der Amplitude der Biegelinie im labilen bzw. stabilen Zustand . . . 273
H.4. Verwerfungsfigur für das gerade Gleis [123] . . . 273
H.5. Verlauf der Axialkraft im Bereich der Auslenkung und in den angrenzen- den Atmungsbereichen (aus [6]) . . . 277
H.6. Verlauf der Verlängerung der Schiene im Atmungsbereich (aus [6]) . . . . 277
H.7. Verdrehwiderstände des Gleisrostes (aus [6]) . . . 278
H.8. Verschiebewiderstandsgesetz bei Gleisrichtungsfehler (aus [6]) . . . 279
H.9. Qualitative Auswertung des kritischen Temperaturanstiegs (aus [6]) . . . 279
H.10.Ableitung des fiktiven Gleisrichtungsfehlers (aus [6]) . . . 280
I.1. Ansicht Fachwerkbrücke - Kreuzungsbauwerk bei Anderten . . . 281
I.2. Schnitt Fachwerkbrücke - Kreuzungsbauwerk bei Anderten . . . 282
I.3. Ansicht Fachwerkbrücke - Kreuzungsbauwerk Schöneberg . . . 282
I.4. Schnitt Fachwerkbrücke - Kreuzungsbauwerk Schöneberg . . . 283
I.5. Ansicht Stabbogenbrücke Ferch-Lienewitz . . . 283
I.6. Schnitt Stabbogenbrücke Ferch-Lienewitz . . . 284
I.7. Ansicht Stabbogenbrücke über B6n bei Halberstadt . . . 284
I.8. Schnitt Stabbogenbrücke über B6n bei Halberstadt . . . 285
I.9. Ansicht Netzbogenbrücke Rosenbachtal . . . 285
I.10. Schnitt Netzbogenbrücke Rosenbachtal . . . 286
I.11. Ansicht Netzbogenbrücke Frankfurt-Oder . . . 286
I.12. Schnitt Netzbogenbrücke Frankfurt-Oder . . . 287
2.1. Temperaturschwankung nach DIN-Fb 101 [44] . . . 11
2.2. Mindeststeifigkeit am festen Lager . . . 16
2.3. Reduktionsfaktorenξ für die Lagerkräfte infolge Anfahren und Bremsen nach DIN-Fachbericht 101 [44] . . . 17
2.4. Mindeststeifigkeit am festen Lagerk [kN/cm] gemäß DS 804 [9] . . . . 18
2.5. Mindeststeifigkeit am festen Lagerk [kN/cm] bei einem Schienenauszug gemäß DS 804 [9] . . . 18
2.6. Mindeststeifigkeit am festen Lagerk [kN/cm] bei zwei Schienenauszügen gemäß DS 804 [9] . . . 19
2.7. Bauarten der Schienenauszüge [15] . . . 24
2.8. AtmungslängeΔLSt . . . 25
3.1. obere Tabelle: Ausrüstungsstandard für > 10.000 Lt/d, < 30.000 Lt/d untere Tabelle: Ausrüstungsstandard für≥ 30.000 Lt/d [14] . . . 43
3.2. Kenngrößen von Betonschwellen . . . 46
3.3. Zugelassene und/oder in Richtzeichnungen aufgenommene Schienenbefe- stigungssysteme . . . 49
3.4. Stützpunktsteifigkeit für Zw und Schwellen mit elastischer Sohle (siehe auch [116], [164], [163]) . . . 50
3.5. Grenzwerte für die Versteifung von Zw infolge Belastungsfrequenz und Temperatur (aus [32]) . . . 50
3.6. Aufhärtung von Zw (aus [116] und Unterlagen verschiedener Hersteller [164], [163]) . . . 51
3.7. Streckenklassen nach DIN EN 15528 . . . 54
3.8. Streckenstandards nach Modul 413.0301 [7] . . . 55
3.9. Zugklassen nach Modul 413.0301 [7] . . . 55
3.10. Streckenkategorien des TEN . . . 56
3.11. Statische Radsatzlast [t] nach TSI RS HGV [77] . . . 57
3.12. Leistungskennwerte der einzelnen TSI-Streckenklassen (aus [76]) . . . 58
3.13. SicherheitsabstandΔTSich in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit [114] . . . 73
Tabellenverzeichnis
4.1. Versuchsergebnisse der Dauerschwingfestigkeitsversuche am VWB der TU München von 1980 [159] . . . 81 4.2. Lineare Regression der Versuche am VWB der TU München - getrennte
Auswertung . . . 84 4.3. Lineare Regression der Versuche am VWB der TU München - gemeinsame
Auswertung . . . 84 4.4. Auswertung Dauerschwingfestigkeitsversuche von 1980 . . . 85 4.5. Ableitung der zulässigen Schwingbreiten in Abhängigkeit von der Schienen-
temperatur - Variante I für 60 E2 B 70 mit W3 687a fürσf rei=92 N/mm2 88 4.6. Ableitung der zulässigen Schwingbreiten in Abhängigkeit von der Schienen-
temperatur - Variante II für 60 E2 B70 mit W3 687a fürσf rei=92 N/mm2 89 4.7. Minimale und maximale Lufttemperatur am Messort Oberstorf [43] . . . 92 4.8. Vergleichende Betrachtung der Schienentemperaturverteilung an verschie-
denen Standorten . . . 93 4.9. Zulässige Spannungsschwingbreite (freie Strecke, Übergang EÜ/Erddamm)
für Oberbauart 60 E2 B 70 W3 687a, Standort Puchheim . . . 95 4.10. Lastausbreitung an Schienen 60 E2 und 54 E4 . . . 99 4.11. Verkehrsbelastung in Lt/d für Streckenklassifizierung M 230 D4 und E5
in Orientierung an Tagesganglinien nach Ril 413 [7] . . . 101 4.12. Streckenklassifizierungen und -belastungen für die Ermüdungsnachweise . 102 4.13. Vergleich Streckenstandard M230 nach Ril 413 [7] mit in dieser Arbeit
verwendeten Streckenklassifizierungen M230 D4 und M230 E5 . . . 103 4.14. Verkehrszusammensetzung für die Ermüdungsnachweise für Streckenklas-
sifizierungen M 230 D4, M 230 E5, G120 D4 und G120 E5 . . . 104 4.15. Regelanforderungen an Erdbauwerke im Damm/Einschnitt nach Bild 2
von Modul 836.0501 [18] . . . 105 4.16. Belastungsfrequenz infolge Überfahrt der BLZ . . . 107 4.17. Resultierende Federsteifigkeit bei SchO mit Schwellen mit elastischer Soh-
le (linke Tabelle: statisch, rechte Tabelle: dynamisch) . . . 108 4.18. Resultierende statische Federsteifigkeit bei SchO mit USM . . . 108 4.19. Dynamischer Beiwert nach Oberbauberechnung . . . 112 4.20. Modul 821.2011 [16] - zulässige Abnutzung der Schiene (SRlim-Werte) . . 113 4.21. Lebensdauer der Schiene in Abhängigkeit vom Schienenschleifen/-hobeln
(150TLt/d) . . . 115 4.22. Vergleich der Anzahl der Lastspiele in der Realität mit der Anzahl der
ermüdungswirksamen Lastspiele . . . 117 4.23.β-Werte und operative Eintrittswahrscheinlichkeit für 1 Jahr, 15 Jahre
und 20 Jahre für die freie Strecke und am Übergang EÜ/Damm . . . 120 4.24. Variation der Spannungsschwingbreite für die Oberbauart B 70 W3 687a 126
4.25. Spannungsschwingbreiten bezogen auf die einzelnen BLZ für 60 E2 B 70 W3 687a . . . 127 4.26. Lebensdauer der Schiene bei Streckenklassifizierung G120 E5 bei Halbie-
rung der Anzahl von Güterwagen mit einachsigem Drehgestell . . . 127 4.27. Änderung der Lebensdauer der Schiene bei Erhöhung der Spannungsspiele
um 10% für die Oberbauart B 70 W3 687a . . . 128 4.28. Spannungsschwingbreite für 60 E2 350HT bei 10% höherer ertragbarer
Dauerschwingbreite für die Oberbauart B 70 W3 687a . . . 130 4.29. Änderung der Lebensdauer der Schiene bei Gleislagequalität mit n=0,20
und n=0,25 für die Oberbauart B 70 W3 687a . . . 130 4.30. Änderung der Lebensdauer der Schiene für C=0,075 N/mm3für die Ober-
bauart B 70 W3 687a . . . 131 4.31. Stützpunktsteifigkeit der Zw 900 in Abhängigkeit von der Außentempe-
ratur . . . 132 4.32. Änderung der Lebensdauer der Schiene infolge Aufhärtung der Zw 900 in
Abhängigkeit von den klimatischen Randbedingungen für die Oberbauart B 70 W14 K900 . . . 132 4.33. Änderung der Lebensdauer der Schiene in Abhängigkeit von den klimati-
schen Randbedingungen für die Oberbauart B 70 W3 687a . . . 133 4.34. Änderung der Lebensdauer der Schiene in Abhängigkeit von der Wahr-
scheinlichkeit eines Schienenbruchs für die Oberbauart B 70 W3 687a . . 134 4.35. Änderung der Lebensdauer der Schiene in Abhängigkeit von der Anzahl
der EÜ pro 100 km für die Oberbauart B 70 W3 687a . . . 135 4.36. Änderung der Lebensdauer der Schiene bei besserer Hinterfüllung von EÜ 135 4.37. Auswertung der Variation der Eingangsparameter für die Ermüdungsbe-
rechnung . . . 136 4.38. Lebensdauer und zul. Lt/a für Schiene 60 E2, Standort Puchheim . . . . 138 4.39. Auswertung der Ermüdungsnachweise für Schiene 60 E2 . . . 139 4.40. Möglichkeiten zur Steuerung der Lebensdauer der Schiene . . . 141 4.41. Versuche an korrodierten Schienen (S54 alt) in 1978, getrennte Auswer-
tung der Chargen 1 und 2 . . . 143 4.42. Versuche an korrodierten Schienen (S54 alt) in 1978, gemeinsame Aus-
wertung der Chargen 1 und 2 . . . 144 4.43. VariationskoeffizientvOberbauin Abhängigkeit von Abnutzungsgrad, Strecken-
geschwindigkeit und Gleislage . . . 145 4.44. Auswertung der Ermüdungsnachweise für Schiene 54 E4 . . . 147 5.1. Eingangsparameter für den Sicherheitsnachweis der zulässigen zusätzli-
chen Schienenspannungen (Druck) . . . 151 5.2. Sicherheitsreserve in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit [114] . . . 152
Tabellenverzeichnis
5.3. Zulässige TemperaturerhöhungΔT0und der zugehörige „freie Spannungs- anteil“ für die Interaktion Gleis/Brücke in Abhängigkeit von den Ober- bauarten . . . 153 5.4. Variation der Zufallsgrößen am Verschleißquerschnitt der Schiene 60 E2 . 156 5.5. Statistische Auswertung des Querverschiebewiderstands von 19 Versuchs-
reihen für die Schwelle B 70 nach [114] . . . 157 5.6. Semiprobabilistische Verwerfungssicherheit auf der freien Strecke und am
Übergang EÜ/Erddamm . . . 159 5.7. Zulässige zusätzliche Schienenspannungen (Druck) beiβ= 5, 2 . . . 160 5.8. Zulässige zusätzliche Schienenspannungen (Druck) für Oberbauarten S 54
B 70 und S 54 B 70-2,4 jeweils mit Führungs- und Fangvorrichtungen . . 166 6.1. Verkehrszusammensetzung für die Ermüdungsberechnung der Schiene auf
FF . . . 176 6.2. Herleitung vonvOberbaufür die FF . . . 177 6.3. Eingangsparameterβ, vOberbaufür die Ermüdungsberechnungen FF . . . 178 6.4. Streckenleistungsfähigkeit P 300 für FF . . . 179 7.1. Fachwerk-, Stabbogen- und Netzbogenbrücken im Stützweitenbereich zwi-
schen 68 und 104 m . . . 181 7.2. Zusätzliche Schienenspannungen auf EÜ Schöneberg und EÜ
Ferch-Lienewitz . . . 187 7.3. Federgesetze [135] . . . 188 7.4. Zusätzliche Schienenspannungen bei Variation der Federgesetze für LVW
- EÜ Schöneberg . . . 189 8.1. Oberbauarten mit Schiene 60 E2, bei denen der freie Spannungsanteil
112 N/mm2betragen darf . . . 191 8.2. Oberbauarten mit Schiene 54 E4, bei denen der freie Spannungsanteil
112 N/mm2betragen darf . . . 192 8.3. Freier Spannungsanteil 112 N/mm2auf FF . . . 192 8.4. Zulässige zusätzliche Schienenspannungen (Druck) in Abhängigkeit von
der Oberbauart . . . 194 8.5. Zulässige zusätzliche Schienenspannungen in Abhängigkeit von der Ober-
bauart . . . 196 C.1. Normalspannungen aus Wölbkrafttorsion und Querbiegung infolge Füh-
rungskraft . . . 222 D.1. Bettungszahl C . . . 229 G.1. Lebensdauer der Schiene - 60 E2 B 70 W3 Zw687a . . . 237
G.2. Lebensdauer der Schiene - 60 E2 B 70 W3/W14 mit Zw900 . . . 238
G.3. Lebensdauer der Schiene - 60 E2 B 90 W14 mit Zw687a . . . 238
G.4. Lebensdauer der Schiene - 60 E2 B 90 W14 mit Zw900 . . . 239
G.5. Lebensdauer der Schiene - 60 E2 B 90 W System 300-1 . . . 239
G.6. Lebensdauer der Schiene - 60 E2 B 75 W System 300-1 . . . 240
G.7. Lebensdauer der Schiene - 60 E2 B 01 W14 mit Zw687a . . . 240
G.8. Lebensdauer der Schiene - 60 E2 B 01 W14 mit Zw900 . . . 241
G.9. Lebensdauer der Schiene - 60 E2 BBS-1 W14 mit Zw687a . . . 241
G.10.Lebensdauer der Schiene - 60 E2 BBS-1 W14 mit Zw900 . . . 242
G.11.Auswertung der BLZ 1-8, 11 und 12 - 60 E2 B 70 W3/W14 mit Zw687a . 244 G.12.Variationskoeffizient Oberbau auf der freien Strecke und am Übergang EÜ/Erddamm . . . 245
G.13.Mittlere Zug- und Druckspannungen aus Verkehrslast mit BLZ - 60 E2 B 70 W3/W14 mit Zw687a . . . 246
G.14.Spannungsschwingbreiten und zugehörige Lastspielzahlen - 60 E2 B 70 W3/W14 mit Zw687a . . . 247
G.15.Ermüdungsnachweis der „freien Strecke“ für M230 D4 - 60 E2 B 70 W3/W14 mit Zw687a . . . 248
G.16.Schädigungsbeiträge der Temperaturintervalle zum Ermüdungsnachweis der „freien Strecke“ für M230 D4 - 60 E2 B 70 W3/W14 Zw687a - Teil 1 249 G.17.Schädigungsbeiträge der Temperaturintervalle zum Ermüdungsnachweis der „freien Strecke“ für M230 D4 - 60 E2 B 70 W3/W14 Zw687a - Teil 2 250 G.18.Zusammenfassung Ermüdungsnachweis am Übergang EÜ/Erddamm mit σf rei= 112 N/mm2für M230 D4 - 60 E2 B 70 Zw687a . . . 251
G.19.Schädigungsbeiträge der Temperaturintervalle zum Ermüdungsnachweis am Übergang EÜ/Erddamm mit σf rei= 112 N/mm2 für M230 D4 - 60 E2 B 70 W3/W14 mit Zw687a - Teil 1 . . . 252
G.20.Schädigungsbeiträge der Temperaturintervalle zum Ermüdungsnachweis am Übergang EÜ/Erddamm mit σf rei= 112 N/mm2 für M230 D4 - 60 E2 B 70 W3/W14 mit Zw687a - Teil 2 . . . 253
G.21.ß-Soll und ß-Ist für Oberbauart 60 E2 B 70 W3/W14 mit Zw687a . . . . 254
G.22.Zulässige zusätzliche Schienenspannungen in Abhängigkeit von der Au- ßentemperatur für 54 E4 B 70 W3 687a, n=0,15, 7 mm Abnutzung, Wöh- lerkurve 1980 . . . 255
G.23.Zulässige zusätzliche Schienenspannungen in Abhängigkeit von der Au- ßentemperatur für 54 E4 B 70 W3 687a, n=0,15, 7 mm Abnutzung, Wöh- lerkurve 1978 . . . 256
G.24.Variationskoeffizient vOberbau für die Schiene 54 E4 mit voller Schienen- abnutzung . . . 257
Tabellenverzeichnis
G.25.Variationskoeffizient vOberbaufür die Schiene 54 E4 mit halber Schienen- abnutzung . . . 258 G.26.Spannungsschwingbreiten für Schiene 54 E4 bei v=160 km/h,
C=0,10 N/mm3 . . . 259 G.27.Lebensdauer der Schiene 54 E4 bei B 70 mit W3 687a für v = 200 km/h . 260 G.28.Lebensdauer der Schiene 54 E4 bei B 70-2,4 mit W3 687a
für v = 200 km/h . . . 260 G.29.Lebensdauer der Schiene 54 E4 bei B 70 mit W3 687a für v = 160 km/h . 261 G.30.Lebensdauer der Schiene 54 E4 bei B 70-2,4 mit W3 687a
für v = 160 km/h . . . 261 G.31.Lebensdauer der Schiene 54 E4 bei B 70 mit W3 687a für v = 100 km/h . 262 G.32.Lebensdauer der Schiene 54 E4 bei B 70-2,4 mit W3 687a
für v = 100 km/h . . . 262 G.33.Anzahl der Lastspiele für M230 D4/E5 bzw. P300 D4/17 t auf FF . . . . 263 G.34.Spannungsschwingbreiten und Lastspiele für M230 D4/E5 bzw.
P300 D4/17 t auf FF . . . 264 G.35.Ergebnisse der Ermüdungsberechnung für die Schiene 60 E2 auf FF . . . 265
Formelzeichen
A Ausfallwahrscheinlichkeit
Ab,AV,AP Biegearbeit, Verschiebearbeit, Arbeit aus Stabverlängerung AL Ausgleichslänge, Dehnlänge
ATD Asphalttragschicht
B Betonschwelle
BBS-1 Breitschwelle BLZ Betriebslastenzug
Br Baureihe
BÜ Bahnübergang
BZA Bundesbahn-Zentralamt
bS,bF,bK Breite des Stegs, des Fußes und des Kopfes der Schiene C, CU Untergrundsteifigkeit [N/mm3]
CErsatz Ersatzsteifigkeit [N/mm3]
CSo, CZw Federsteifigkeit der elastischen Sohle/Zwischenlage [N/mm3] cstat, cdyn statische/dynamische Federsteifigkeit von Zwischenlagen [kN/mm]
CR konventionelles Bahnsystem
CR Rahmensteifigkeit des Gleisrostes mit B 70 ZSX
Dgr zulässige Schadenssumme für das Palmgren-Miner-Kriterium
DB Deutsche Bundesbahn
DBS Deutsche Bahn Standard DGL Differentialgleichung
DIN Deutsches Institut für Normung DIN-Fb DIN-Fachbericht
DLT Durchlaufträger
DS, DV Dienstvorschrift der Deutschen Bundesbahn/Deutschen Reichsbahn DWD Deutscher Wetterdienst
EBA Eisenbahn-Bundesamt
Tabellenverzeichnis
EdB Eisenbahn des Bundes EFT Einfeldtträger
EIU Eisenbahninfrastrukturunternehmen
ELTB Eisenbahnspezifische Liste der Technischen Baubestimmungen EN, ENV Europäische Norm, Europäische Vornorm
EV2,EV d Verformungsmoduln von Materialien im Erdbau ES Elastizitätsmodul der Schiene
EPL Erdplanum
EÜ Eisenbahnbrücke
F, A Schienenfläche
FF Feste Fahrbahn
f, f0 Gleisrichtungsfehler, fiktiver Gleisrichtungsfehler
G Güterverkehr
GB, GC Lichtraumprofilarten
h Überbauhöhe
HAS Hauptabfuhrstrecke
HGV Hochgeschwindigkeitsverkehr
Iers, IErsatz Ersatzträgheitsmoment/Ersatzsteifigkeit des Gleisrostes IY,IZ Trägheitsmoment in y- bzw. z-Richtung
ICE IntercityExpress INS Infrastruktur
k Steifigkeitsmatrix
K, KS Schienenbefestigung K, KS k Unterbausteifigkeit [kN/cm]
k Neigungskoeffizient der Wöhlerlinie LM 71 Lastmodell 71
LT Dehnlänge (Ausgleichslänge)
L Grundwert des Oberbaus
Lgr. Lastgruppe für Verkehrslasten (nach DIN-Fachbericht 101) LK Längskraftkoppelung
LVW Längsverschiebewiderstandsgesetz des Gleises LWB Lineare Wirbelstrombremse
M Mischverkehr
Mw˜ Wölbbimoment
MT s Wölbtorsionsmoment
MT p Torsionsmoment St. Venant´sche Torsion
Ni,ni ertragbare Lastspielzahl, vorhandene Lastspielzahl NA Nationales Anwendungsdokument
NBS Neubaustrecke
NFS Nebenfernstrecke
ÖNORM österreichische Norm
p Wahrscheinlichkeit
P Personenverkehr
PSS Planumsschutzschicht
PL Planum
q Längsverschiebewiderstand, Durchschubwiderstand [kN/m]
Qlak, Qlbk charakteristische Anfahr- bzw. Bremseinwirkung
Q Achslast
QVW Querverschiebewiderstand(-sgesetz des Gleises)
R Bogenradius
RT Rauhigkeit der Schiene [μm]
Ril Richtlinie (der Deutsche Bahn AG)
RB Randbedingung
RS Fahrzeuge (rolling stock)
SA Schienenauszug(-svorrichtung)
sw Standardabweichung für Querverschiebewiderstand sf Standardabweichung für Gleisrichtungsfehler
SchO Schotteroberbau
SGV Schienengüterverkehr
SNCF Société nationale des chemins de fer français
SO Schienenoberkante
SPFV Schienenpersonenfernverkehr
SPNV Schienenpersonennahverkehr
So elastische Sohle
SR100, SRlim, SRA Eingriffsschwellen nach Modulfamilie 820ff.
SW/0, SW/2 Schwerlastmodelle nach DIN-Fachbericht 101 tot L Dehnlänge (Ausgleichslänge)
Te,min,Te,max minimaler/maximaler Wert des konstanten Temperaturanteils
T0 Lagereinstelltemperatur
tS,tF,tK Dicke des Stegs, des Fußes und des Kopfes der Schiene
TEN Transeuropäisches Netz
TSI Technische Spezifikationen Interoperabilität UIC Union Internationale des Chemins de Fer
UiG unternehmensinterne Genehmigung (Deutsche Bahn AG)
USM Unterschottermatte
ü Lagerüberstand
v Variationskoeffizient
ve Entwurfsgeschwindigkeit [km/h]
Tabellenverzeichnis
vOberbau Variationskoeffizient Oberbau
Vo 1-54, Vo 1-60 Vollschiene für Querschnitt 54 bzw. 60 VWB der TU München Lehrstuhl und Prüfamt für Verkehrswegebau
der TU München
w, wQ,wL Querverschiebewiderstand
W Schienenbefestigung W
WY,WZ Widerstandsmoment
X1,X2 Zufallsvariable
Y Führungskraft
ZiE Zustimmung im Einzelfall
ZP, ZG Zugklasse Personenverkehr/Güterverkehr nach Richtlinie 413
Zw, Zwp Zwischenlage, Zwischenplatte
αT Temperaturausdehnungskoeffizient
αR,αS Sensitivitätsfaktoren auf Widerstands- und Einwirkungsseite
β Zuverlässigkeitsindex
δP Biegesteifigkeit des Pfeilerschaftes
δϕ Widerstand des Fundamentes gegen Verkantung δh Widerstand des Pfeilers infolge Verschiebung des
Pfahlkopfes
δH,δV Horizontal-, Vertikalverschiebung des Überbauendes ΔLA,B Ausgleichslänge (am Schienenauszug) infolge
Anfahren/Bremsen
ΔLKS Ausgleichslänge (am Schienenauszug) infolge Schwinden/Kriechen
ΔLT Ausgleichslänge (am Schienenauszug) infolge Temperatur ΔLLM71 Längsverschiebung der Überbaukante infolge
Verkehrseinwirkung LM 71
ΔLSt Atmungslänge der Schienenenden
Φ dynamischer Beiwert für LM 71, SW/0 und SW/2
nach DIN-Fb 101
ϕ Schwingbeiwert
σR,σS Standardabweichung auf Widerstands- und Einwirkungsseite
Δσi Spannungsschwingbreite (infolge Verkehrslast)
zulΔσP,zulΔσP2n zul. Spannungsschwingbreite für2 · 106Lastspiele (Mittelwert) zulΔσ2n zul. Spannungsschwingbreite für2 · 106Lastspiele
(Quantile 97,4%)
zulΔσ5n zul. Spannungsschwingbreite für5 · 106Lastspiele (Quantile 97,4%)
zulΔσ108 zul. Spannungsschwingbreite für1 · 108Lastspiele (Quantile 97,4%)
zulσEU zulässige zusätzliche Schienenspannung (Druck)
Δσi,2E6 Spannungsschwingbreite für schädigungsäquivalentes Kollektiv zulΔσ2E6 zul. Spannungsschwingbreite für schädigungsäquivalentes
Kollektiv
Δσ2E6,red reduzierte Spannungsschwingbreite für schädigungsäquivalentes Kollektiv
σ0,2 Streckgrenze
σf rei freier Spannungsanteil
σw˜ Wölbspannung
τS sekundäre Schubspannung
ΔT Temperaturschwankung
ΔTB Temperaturschwankung der Brücke
ΔT0 kritische Temperaturerhöhung (Meier, Chatkeo)
ΔTN,neg,ΔTN,pos Maximale Schwankung des positiven/negativen konstanten Temperaturanteils
ΔTS Temperaturschwankung in der Schiene ΔTSich Sicherheitsabstand gegen Verwerfung
Dehnung
κ Mittelspannungsabhängigkeit
Ψ0 Kombinationsbeiwert für andere veränd. Einwirkungen für die charakteristische (seltene) Kombination
2 · σA Gestaltfestigkeit
zulσbD zulässige Dauerbiegezugfestigkeit
σU−Interakt Unterspannung aus Interaktion Gleis/Brücke σU−V erkehr Unterspannung aus Verkehr
σE Eigenspannung
σT Spannung aus Temperaturschwankung
σO,σU Oberspannung, Unterspannung der Dauerschwingversuche
σm Mittelspannung
σstat,σdyn statische/dynamische Spannungsschwingbreite aus Verkehr
zulσD zulässigen Spannungsschwingbreite ξ Reduktionsfaktor für die Lagerkräfte aus
Interaktion Gleis/Brücke
