Lastverteilung Schiene, Oberbau, Unterbau Flashcards
Welche Kräfte wirken in horizontaler Richtung?
Längsrichtung
• Anfahren und Bremsen
• Temperaturveränderungen
Querrichtung
• Spurführung
Gegenkräfte
• Widerstände in Längs- und Querrichtung (Befestigungen, etc.)
Welche Gleiswiderstände gibt es?
Längswiderstände
• Längsverschiebewiderstand (LVW)
-> Längsverschiebung des Gleisrosts in der Schotterbettung
• Durchschubwiderstand:
-> Verschiebung gegenüber Schwelle (Schiene/Schienenbefestigung)
Querwiderstand
• Querverschiebewiderstand (QVW):
-> Querverschiebung des Gleisrosts in der Schotterbettung
Nach welcher Systematik erfolgt die Kraftverteilung vom Rad zum Untergrund?
- sehr hohe Pressung an Rad-Schiene-Berührpunkt
- schrittweiser Abbau der Pressung über einzelne Systemkomponenten
- stetig größer werdende Auflagerflächen
Wie groß sind die Auflagerflächen, auf die die Last abgetragen wird, in etwa jeweils?
- Rad-Schiene: 3cm²
- Schiene-Schienenbefestigung: 200cm²
- Schienenbefestigung-Schwelle: 510cm²
- Schwelle-Bettung: 2380cm²
- Bettung-Unterbau: 10100cm²
Wie groß ist der Druck zwischen den lastabtragenden Schichten in etwa jeweils (bei Q = 125 kN)?
- Rad-Schiene: 42000N/cm²
- Schiene-Schienenbefestigung: 420N/cm²
- Schienenbefestigung-Schwelle: 170N/cm²
- Schwelle-Bettung: 37N/cm²
- Bettung-Unterbau: 10N/cm²
Welche Oberbauformen gibt es?
- mit Holzschwelle
- mit Stahlbetonschwelle
- Feste Fahrbahn
Wie ist der Oberbau mit Holzschwelle aufgebaut?
- Schiene (Regelgüte)
- Lager (Rippenplatte)
- Holzschwelle
- Schotterbett
- Untergrund (Boden)
Wie ist der Oberbau mit Stahlbetonschwelle aufgebaut?
- Schiene (Zugfestigkeit 680-1200 N/mm²)
- Lager (Rippenplatte)
- Stahlbetonschwelle
- Schotterbett
- Planums- und Frostschutzschicht
- Untergrund (Boden)
Wie ist die feste Fahrbahn aufgebaut?
- Schiene (Zugfestigkeit 680-1200 N/mm²)
- Lager (Zwischenlage)
- Feste Fahrbahn
- Tragbetonplatte und Fundament
- Planums- und Frostschutzschicht (mit Geotextil)
- Untergrund (Boden)
Wie lautet das Grundprinzip des Schienenfahrwegs?
Ableitung der vertikalen Kräfte unter Einhaltung der zulässigen Spannungen an den Grenzflächen
Welche Aufgabe erfüllt ein Oberbau mit Schwellen ganz besonders? Nenne ein bekanntes Schlagwort dazu!
• Mittragende Schwellen
==> Absenkung der Spitzenkräfte
==> ‚langsamer‘ Auf- bzw. Abbau der Vertikalkräfte aus einem Rad
• Schlagartige Belastung aus Radüberfahrten werden durch gewollte Einsenkung der Schwellen abgemildert
Was ist der wesentliche Unterschied bzgl. des Lastabtrags zwischen Holz- und Betonschwellen?
• Holzschwellen federn
Anteil am gesamtelastischen Verhalten des Gleises:
• Holzschwelle: ca. 15%
• Betonschwelle: ca. 0,8%
Was ist das Prinzip der mittragenden Schwellen?
- Last verteilt sich nicht nur auf eine, sondern auch auf die benachbarten Schwellen
- die eigentlich belastete Schwelle trägt somit ca. 40,8% der Last (bei einer Last auf einer Schwelle)
- > Einsenkung kann auf etwa 1mm begrenzt werden
- > allmählicher Aufbau der Kräfte
Was ist die Bemessungsgröße des Oberbaus?
Lasttonnen je Zeit
Wie werden Lasttonnen je Zeit ermittelt?
- Summe der Bruttogewichte der Züge über einen Querschnitt
- Zuweilen auch gewichtet mit Faktoren, die die Verschleißwirkung einfangen sollen
- Große Achslasten werden höher gewichtet
In welche Teile lässt sich Schieneninfrastruktur allgemein gliedern?
- Oberbau
- Unterbau
- Untergrund
Was gehört zum Oberbau?
- Schienen und Schwellen (schwimmend gelagert)
- Schotterbettung
- Planumsschutzschicht
Was gehört zum Unterbau?
- Frostschutzschicht
* verdichteter und verbesserter Erdkörper (Dammschüttung)
Was sollte auffallen, wenn man den Querschnitt eines Schienenwegs betrachtet?
Neigung zu einer Seite:
• belasteter Bereich: 1:20
• Böschung/Graben: 1:1,5
Wie tief sollte eine Drainage oder ein Seitengraben mindestens sein?
40cm unter Erdplanum/unterhalb des Unterbaus
Wie hoch liegt der Schotter im Verhältnis zum Gleisrost?
Schotter geht bis auf die Schwellen, damit genug Material am Schwellenkopf anliegt und der Querverschiebewiderstand gewährleistet ist
Was sind die Aufgaben der Schwellen?
- Herstellung und Beibehaltung der Spurweite
- Ableitung der entstehenden Kräfte auf die Bettung
- Festhalten der Schienen
- Sichern des Fahrwegs
- Dämpfen der Schwingungen der Schienen
- Verringern der Schallemissionen
Was für Bauformen gibt es von Schwellen?
• Stahl-/Trogschwelle -> Trogschwelle -> Y-Stahlschwelle • Holzschwelle • Betonschwelle -> Biblockschwelle -> Monoblockschwelle (Rahmen- und Breitschwelle) • Kunststoffschwelle
Was sind die Eigenschaften einer Holzschwelle?
- Abmaße: 26 x 16 x 260 cm
- Eiche, Buche
- Lebensdauer: 25–45 Jahre
- nicht für 𝑣 > 160 km/h geeignet (geringer QVW)
- 15 % geringerer QVW als Beton
Nachteile von Holzschwellen
- anfällig für Witterungseinflüsse (früher: Imprägnierung mit Teeröl)
- Austrocknung und Rissbildung
- Spurverengung durch Verziehen der Schwellenenden
- Aufweitung der Befestigungslöcher
- Einpressen der Rippenplatte
- Fäulnis
Was sind die Eigenschaften einer Stahlschwelle (Trogschwelle)?
- Liegedauer 40–60 Jahre
* 9mm U-Profil mit Öffnung nach unten
Vorteile von Stahlschwellen (Trogschwellen)
• geringes Transportgewicht
• geringe Einbauhöhe
==> weniger Schotter nötig
Nachteile von Stahlschwellen (Trogschwellen)
• starke Schotterabnutzung
durch ungedämpfte Schläge (Abhilfe: elastische Zwischenlagen)
• geringer QVW (Abhilfe: Tiefziehen der Außenbleche)
• Richten schwierig
Vorteile von Y-Stahlschwellen
- hoher QVW, LVW
- hohe Steifigkeit
- einfaches Recycling
- geringe Bauhöhe
- geringer Schotterbedarf
- geringe Bettungsbreite
- geringeres Transportgewicht
Nachteile von Y-Stahlschwellen
- Spezialmaschinen nötig
* höherer Stückpreis
Vorteile von Betonschwellen (Standard)
- gute Spurhaltung
- lange Liegezeit
- preiswert
- Befestigung wartungsfrei
- höheres Gewicht ==> höherer QVW
- qualitativ hochwertige Produktion
Nachteile von Betonschwellen (Standard)
- anfällig für Stoß und Schock
- Gewicht erschwert Handling
- ungeeignet für Brücken
- harte Schwellenunterkante
Wodurch kann der QVW zusätzlich erhöht werden?
Schwellenanker
- > werden aufgeschraubt
- > wie Flossen am Schwellenkopf
Wodurch kann der LVW zusätzlich erhöht werden?
Wanderschutzklemme
-> wird unter das Gleis geklemmt
Welche Aufgaben haben Schienenbefestigungen?
- Kräfte ableiten
- Spurweite halten
- stabile Gleislage
- elektrische Isolation
Was sind die wesentlichen Anforderungen, die an die Schienenbefestigungen gestellt werden?
• ausreichende und dauerhafte Verspannung mit Schwelle
(kraftschlüssige Verbindung)
• dauerhaft elastische Lagerung
• verschleißarm
• einfache Konstruktion, wenig Bauteile, preiswert
Welche Kräfte wirken auf die Schienenbefestigung?
• Vertikalkräfte
-> über Rippenplatte in Schwelle ableiten
-> Dämpfung mit Zwischenlagen
• Querkräfte
-> über Zwischenlagen auf Schwelle ableiten
-> Aufnahme durch Schotterbett (sonst: Gleisverdrückung)
• Längskräfte (z. B. Temperaturspannung)
-> feste Verspannung
=> Durchschubwiderstand
Wie können sie unterschieden werden und was für Formen von Schienenbefestigung gibt es?
DIREKT (nur Holzschwellen)
• Schienennägel
• Federklammer
• Schwellenschrauben
INDIREKT
• K-Oberbau (Holz)
• KS-Oberbau (Holz oder Beton)
• W-Oberbau (Beton)
Außerdem: STARR/ELASTISCH
Was sind die Vorteile von direkter/indirekter Schienenbefestigung?
DIREKT
• wenige Teile
• einfacher Einbau
INDIREKT
• bessere Verspannung
Was sind die Nachteile von direkter/indirekter Schienenbefestigung?
DIREKT
• Nagellöcher weiten sich aus
• komplizierter Schienentausch
INDIREKT
• viele Bauteile (K) -> können vormontiert werden
Was sind Beispiele für direkte starre Schienenbefestigungen?
• Schienennagel
Was sind Beispiele für indirekte starre Schienenbefestigungen?
• K-Oberbau (Klemmplatte)
Was sind Beispiele für direkte elastische Schienenbefestigungen?
• W-Oberbau (Winkelführungsplatte)
Was sind Beispiele für indirekte elastische Schienenbefestigungen?
• KS-Oberbau (Klemmplatte, Spannklemme)
Welche Oberbauten haben Spannklemmen?
KS-Oberbau (Skl 12)
• nicht vormontierbar, weil Spannklemme fest verschraubt werden muss
W-Oberbau (Skl 14)
• (vormontierbar, weil Spannklemme flexibel verschraubt werden kann
Welche Funktion erfüllt das Schotterbett?
• schwimmende Lagerung des Gleisrosts im Schotterbett
Anforderungen ans Schotterbett
- gute Lastverteilung
- hoher Längs- und Querverschiebewiderstand
- leichte Widerherstellung und Korrektur der Gleislage
- Entwässerung
- Gewährleistung der Gleiselastizität
Anforderungen an den Schotter selber
- druckfest
- schwer spaltbar
- Schlag- und Abriebfest
- kostengünstig
- wetterfest
- Körnung: 30–65 mm
- Hartgestein
- scharfkantig
Was für Mindestdicken müssen bei der Schotterbettung eingehalten werden?
• 0,2–0,4m Mindestdicke unter Schwelle • 0,4–0,5m vor Kopf • Verfüllung -> 𝑣 < 140 km/h bis Unterkante Schwelle -> 𝑣 > 140 km/h bis 4 cm unter Oberkante
Was macht eine optimale Bettung aus?
- möglichst hohe Bettungsdichte (optimale Widerstände -> keine Höhen- oder Richtungsfehler)
- großflächige Lastverteilung auf den Unterbau
- 30-40cm Bettungsdicke
- 40-50cm Vorkopfschotter
Wie hoch ist der Schotterbedarf für ein Einzelgleis?
2.100 m3/km ≜ 3.050 t/km
Was passiert bei einer schlechten Bettungsqualität?
höhere dynamische Kräfte
==> Überbeanspruchung des Materials
==> kürzere Lebensdauer
==> höherer Instandhaltungsaufwand
Ursachen für Bettungsverschmutzung
- „normaler“ Betrieb (Absplitterung, Reibung)
- Feinbestandteile nach dem Einbau
- Ablagerungen aus der Luft
- Ladungsrückstände
- aufsteigende Feinanteile aus dem Untergrund
- Vegetationsrückstände
Auswirkungen von Verunreinigungen im Gleisbett
- Reibung zwischen Schotterkörnern sinkt
- Druckausbreitungswinkel verkleinert sich
- Elastizität sinkt
- Gleislage verschlechtert sich
- schlechter Wasserabfluss
Wozu führt mangelnde Entwässerung im Schotterbett?
- Aufschwimmen
- Frostsprengung
- Materialvermischung (Pumpeffekt)
Wozu führt mangelnde Entwässerung im Unterbau?
- Aufweichen
- Materialvermischung
- Anheben des Planums (Kapillarwasser + Frost)
Was sind Lösungen um eine ordnungsgemäße Entwässerung sicherzustellen?
- Grabenentwässerung
* Tiefenentwässerung
Was lässt sich zum Setzungsverhalten von Schotter sagen?
3 Phasen: • Sofortsetzung = Setzung infolge von Anfangsschubverformung 𝑠01 und / oder Sofortverdichtung 𝑠02 • Konsolidationssetzung 𝑠1 • Kriechsetzung 𝑠2
Wie viel Einsenkung der Schiene wird toleriert?
- Deutschland 1-2 mm
- SNCF 1,2 mm
- JR 1,6 mm
- SFS alt 0,3-0,4 mm (zu hart)
Wenn Einsenkung zu groß: Schotter stopfen!
Wodurch kann die Schotterbeanspruchung reduziert werden?
• Verkleinerung der Aufsetzgeschwindigkeit bzw. Abhebung des Gleisrostes
-> Größere Radabstände
-> Größeres Gewicht des Gleisrostes
• Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen Schwelle und Schotter
• Unterschottermatten (Reduktion von Erschütterungen, Körperschall und Durcharbeitungszyklen (LCC))
Was ist und was macht die Planumsschutzschicht?
- Kies-Sand-Gemisch
- erhöht die Tragfähigkeit
- stetiger Übergang der Elastizitäten (Schotter zu Untergrund)
- schützt Schotter vor Verunreinigungen
- bessere Wasserableitung
- Frostschutz
