Das Große Handbuch der Gleisinstandhaltung - Stabilisierung - Digitalisierun - Gleisreinigung - Umwelt Nachhaltigkeit - Planumssanierung - Oberleitungsinstandhaltung - Gleisinstandhaltung - LCC RAMS: Band 2

Von Bernhard Lichtberger

Als Standardwerk beschreibt das Große Handbuch der Gleisinstandhaltung in anschaulicher und komprimierter Form alle Aspekte der Gleisinstandhaltung in Theorie und Praxis. Es bildet den aktuellen Stand der Instandhaltungsmethoden ab, ergänzt um den Ausblick auf absehbare und im Gange befindliche technische Weiterentwicklungen.
Das Große Handbuch der Gleisinstandhaltung erscheint in zwei Bänden. Der vorliegende 2. Band umfasst die folgenden Kapitel:
•Die Setzung des Gleises und seine Stabilisierung
•Schotterabnutzung und Gleisreinigung
•Schotterprofilierung
•Planumssanierung - Verbesserung der Tragfähigkeit des Gleises
•Die Instandhaltung der Oberleitung
•Vegetationskontrolle
•Kleingeräte und Sondermaschinen
•Maschinentechnik von Instandhaltungsmaschinen - alternative Antriebe
•Zulassung von Gleisinstandhaltungsmaschinen
•Strategien der Gleisinstandhaltung
•LCC und RAMS
•Umweltaspekte und ökologischer Fußabdruck
•Die Digitalisierung der Eisenbahn

• Sprache: Deutsch
• Herausgeber: tredition
• Erscheinungsdatum: 23. März 2023
• ISBN: 9783347908987

Bernhard Lichtberger

Bernhard Lichtberger studierte Technische Physik an der Kepleruntiverssität Linz. An der TU Graz folgten Doktorat und Habilitation auf dem Gebiet des Eisenbahnwesens. Aus seiner Feder stammen die Bücher Unser Planet im Klimawandel, Handbuch Gleis (in 8 Sprachen übersetzt), Praktische Digitaltechnik und Meß- und Prüfgeräte selbst gebaut. Er forscht und publiziert seit über 40 Jahren über die Eisenbahn und ihre Instandhaltung und entwickelt Oberbaumaschinen für die Gleisinstandhaltung. Mehr als 130 wissenschaftliche internationale Veröffentlichungen zum Thema sind zu nennen. Er war mehr als 30 Jahre Forschungschef und technischer Direktor bei einem der weltweit größten Hersteller von Bahnbaumaschinen. Er ist Mitbegründer und geschäftsführender Gesellschafter der Firma System7 rail support GmbH die sich mit der Entwicklung, dem Bau und dem Vertrieb von Gleisbaumaschinen beschäftigt. Er ist Erfinder von mehr als 100 Patenten.

Buchvorschau

8

Die Setzung des Gleises und seine Stabilisierung

ZUSAMMENFASSUNG

Das endlos verschweißte Gleis dehnt sich im Sommer bei hohen Schienentemperaturen aus und wird durch die Einbettung in den Schotter daran gehindert seitlich auszuweichen und sich zu entspannen. Als Folge entstehen hohe Druckspannungen in der Schiene. Eine Entspannung des Gleises wird Verwerfung genannt und stellt ein Entgleisungsrisiko dar. Damit Verwerfungen vermieden werden, müssen Führungskräfte der Züge Grenzwerte einhalten und muss der Querverschiebewiderstand des Gleises einen entsprechenden Minimalwert aufweisen. Durch Instandhaltungsarbeiten, wie dem Stopfen oder Schotterreinigen, wird der Querverschiebewiderstand (QVW) deutlich herabgesetzt. Eisenbahningenieure errichten in diesem Fall Langsamfahrstellen – Restriktionen in Bezug auf die Fahrgeschwindigkeit der Fahrzeuge, um die Führungskräfte zu reduzieren. Maschinell setzt man zwei Verfahren zur künstlichen schnelleren Stabilisierung des Gleises ein: die dynamische Gleisstabilisation und die Zwischenfachverdichtung kombiniert mit der Vorkopfverdichtung.

Der Dynamische Gleisstabilisator (DGS) führt zu einer Setzung, die einer Zugbelastung von 80.000 bis 100.000 Lasttonnen entspricht. Stopfen reduziert den QVW um 50 bis 60 %. Der erniedrigte QVW nach dem Stopfen wird durch den DGS um etwa 30 % erhöht. Die Setzungen, die der DGS bewirkt, betragen ungefähr 30 % der vorangegangenen Hebung. Die Setzungen verschlechtern die Längshöhenqualität. Die Stabilisierung mit Zwischenfachverdichter bringt einen niedrigeren QVW-Gewinn, allerdings keine Einbuße an Gleisgeometriequalität.

Der QVW ist abhängig vom Gleisaufbau, dem Schotterquerschnitt und der Dichte der Lagerung der Schotterkörner unter den Schwellenauflagern.

Betonschwellen haben höhere QVW-Werte als Holzschwellen. Besohlte Betonschwellen weisen sehr hohe QVW-Werte und mehr Berührungskontakte mit den Schotterkörnern auf. Dies bewirkt eine Homogenisierung der Kraftableitung über eine Vielzahl von Schotterkörnern. Eine Verdopplung der Haltbarkeit der Gleislage ist die Folge. Zunehmend wird das Schotterverhalten mittels Diskrete-Elemente-Methoden (DFEM) simuliert. Diese Verfahren erfordern eine hohe Rechenleistung. Die einzelnen Schotterkörner werden mathematisch beschrieben oder durch gescannte Muster nachgebildet. Die Ergebnisse der FEM-Simulationen sind folglich praxisnah.

8.1 Der Gleisschotter

Der Gleisschotter ist das lastabtragende und lastverteilende Element vom Angriffspunkt der Kräfte über die Schienen und Schwellen in den Untergrund. Wäre Schotter homogen und gleichförmig, würden gleichmäßige Setzungen auftreten. Das ist nicht der Fall. Die Kräfte werden über die zufällig angeordneten Körner unterschiedlicher Größe, Form und Festigkeit übertragen. Die Kraftableitung ähnelt einem Wurzelwerk wie Bild 8.1 zeigt.

Bild 8.1: Stochastisch bedingte Kraftableitung über Schotterstruktur; Quelle: Autor nach [3].

Die dynamische Belastung der Schwellen durch zyklisch wiederkehrende Zuglasten führt zu einer Schotterabnutzung der unteren Korngrößen < 22,4 mm als Folge von Kornzertrümmerung und Abrieb.

Besohlte Schwellen weisen mehr Kontakte mit den Schotterkörnern auf, die Lastableitung wird homogener und verteilt sich gleichmäßiger. Die Folge ist eine langsamer verlaufende Setzung und eine längere Haltbarkeit der Gleislage. Die Kontaktflächen unbesohlter Betonschwellen betragen zwischen 1,5 und 2,8 % der Schwellenauflagerfläche. Bei besohlten Schwellen liegen diese zwischen 10 und 20 %. Unter zyklischer Last nimmt die Kontaktfläche weiter zu und die Kontaktkräfte nehmen ab.[1] Die Kontaktspannungen besohlter Schwellen liegen um den Faktor 3 bis 4 unter jenen unbesohlter Schwellen.

Die Eigenschaften der Schwellenbesohlung bleiben auch unter langer Lasteinwirkung erhalten. Nach 15 Jahren Betriebsdauer wurden besohlte Schwellen einer japanischen Eisenbahnlinie ausgebaut. Die mechanischen Eigenschaften blieben erhalten und wiesen mit neuen Sohlen vergleichbare Werte auf.[50]

Merksatz

Die groben Schotterpartikel und die übliche Höhe des Schotteraufbaus ergeben 6 bis 8 Gesteinslagen übereinander. Je geringer die Anzahl der die Schwellenunterseite berührenden Schotterkörner ist, umso zufälliger und inhomogener ist der abgeleitete Kraftfluss in den Unterbau. Dies bewirkt unterschiedliches Setzungsverhalten der Schwellen und ist die wesentliche Ursache der Längshöhenfehler.

8.2 Das endlos verschweißte Gleis

Das endlos verschweißte Gleis (  ausführliche Darstellung in Kapitel 6.6.15) wird bei der Neutraltemperatur verlegt. Bei dieser weist die Schiene einen neutralen Spannungszustand auf. Typische Neutraltemperaturen liegen in Europa zwischen 12 und 25 °C und hängen von den Minimal- und Maximaltemperaturen ab, die in der jeweiligen Region auftreten. Im Winter – bei niedrigen Temperaturen – will sich die Schiene zusammenziehen, wird aber über die Schwellen und Befestigungsmittel im Schotter festgehalten. Es treten Zugspannungen auf. Die Schienen neigen zu Brüchen.

Im Sommer – bei Schienentemperaturen bis zu 60 °C – hingegen möchte sich die Schiene ausdehnen und wird daran gehindert. Es treten Druckspannungen auf. Die Schiene strebt danach, sich wie ein langer Stab, auf den man sich stützt, auszuknicken. Die im Schotter liegende Schwelle und der gesamte Gleisrost verhindern dies, solange der horizontale Widerstand des Gleises eine ausreichende Sicherheit gegen die wirkenden Führungskräfte der Züge aufweist. Dieser Widerstand wird Querverschiebewiderstand genannt.

Ist der Querverschiebewiderstand nicht ausreichend, kommt es zu Gleisverdrückungen, Gleisverwerfungen und Zugentgleisungen. Gleisverwerfungen weisen Wellenlängen von etwa 20 m und Amplituden von einigen Dezimetern auf. Gleisverdrückungen sind Gleisrichtungsfehler mit Amplituden im Zentimeterbereich. Sie werden als thermische Gleislagefehler bezeichnet.[45] Gleisverdrückungen treten in Bereichen lokaler Reduktion des QVW auf, beispielsweise an weißen Stellen im Schotterbett (Bereiche starker Wechselwirkung zwischen Rad und Schiene – die Zerstörung des Schotters darunter zeigt sich in Form von austretendem Gesteinsmehl).

Für das sichere Befahren der Gleise ist ein ausreichender Querverschiebewiderstand (QVW) notwendige Voraussetzung.

Bild 8.2: Kritische Temperaturerhöhung über Neutraltemperatur versus seitlicher Verschiebung des Gleises; Quelle: Autor.

Bild 8.2 zeigt die kritische Temperaturerhöhung eines Betonschwellengleises versus der Neutraltemperatur. Übersteigt die Temperaturdifferenz Tb,max, kommt es zu einer Verwerfung. Das Gleis entspannt sich und springt spontan auf eine Gleisamplitude von etwa 35 cm. Bis zu einer Temperaturdifferenz von Tb,min ist das Gleis verwerfungssicher. Im Zwischenbereich können geringe Störungen zu einer Verwerfung führen (strichlierte rote Linie). Es gibt, wie die Abbildung zeigt, theoretisch zwei Punkte, auf die das Gleis entspannt zum Liegen kommt, der eine bei 6 cm und der andere bei 32 cm.

Ursprüngliche Neutraltemperaturen verändern sich mit der Zeit (bis zu 10 °C) durch:

 Schienenlängskriechen infolge Zugbeschleunigungen und Bremsungen in Steigungen;

 in engen Kurven durch Bogenatmung;

 als Folge von Instandhaltungsmaßnahmen wie Stopfen, Schienentausch, Schienenfehlerbehebung – Einsetzen von Schienenstücken; Schotterbettreinigung.

Merksatz

Das endlos verschweißte Gleis wird bei Neutraltemperatur verlegt. Temperaturen über der Neutraltemperatur führen zu hohen inneren Druckspannungen, Temperaturen darunter zu Zugspannungen. Zugspannungen erhöhen die Bruchwahrscheinlichkeit der Schiene, Druckspannungen verringern die Sicherheit gegen Verwerfung. Ein ausreichend hoher Querverschiebewiderstand garantiert die Sicherheit gegen Gleisverdrückungen und Gleisverwerfungen.

Der QVW ist abhängig vom Bogenradius, der Schwellenart und Gleisrichtungsfehlern. Geringe Abhängigkeiten existieren von der Längssteifigkeit und der Verdrehsteifigkeit des Gleisrahmens.[4,5]

8.3 Querschiebewiderstand

Der Querverschiebewiderstand eines Gleises ist vorrangig dem Widerstand der Schwellen gegen Verschieben im Schotter zuzuschreiben.

Der Gesamtwiderstand der Schwellen im Gleis setzt sich aus vier Teilwiderständen zusammen:

 Sohlreibung ist der Widerstand an der Schwellensohle, der von der Reibung zwischen Schotter und Schwellenunterseite und damit vom Reibwert und von der Auflast (Normalkraft) abhängt.

 Schwellenflankenwiderstand ist der Widerstand an den Schwellenflanken, der sich aus dem aktiven Schotterdruck gemäß der klassischen Erddrucktheorie ableiten lässt. Er ist abhängig von der Schütthöhe, der Dichte des Materials, dem spezifischen Gewicht des Schüttgutes und dem Reibungskoeffizienten zwischen Schüttgut und Schwellen.

 Vorkopfwiderstand entspricht dem passiven Erddruck der Bodenmechanik. Er wird erst dann wirksam, wenn die Schwelle bei Verschiebung gegen den Schotterkörper drückt. Er ist von der Schütthöhe (überhöhte Schulter), der Dichte, dem spezifischen Gewicht des Schüttgutes und vom Verschiebeweg der Schwelle abhängig.

 Torsionswiderstand des Gleisrahmens hängt von der von den Parametern Schwellenteilung, Art der Befestigungsmittel, Schwellenart und eingesetzten Schienen ab.

Der Widerstand an den Schwellenflanken und den Vorköpfen baut sich bei dynamischer Belastung der Züge nicht gleichzeitig auf. Die Reibung an den Schwellenflanken oder an der Sohle ist sofort vorhanden, der Widerstand am Vorkopf baut sich erst nach Bewegung und Druck der Schwellenstirnseite gegen den Vorkopf auf. Unter der Abhebewelle des rollenden Zuges verringert sich der Sohlreibungswiderstand der direkt betroffenen Schwellen um 50 %. Messungen zeigen,[45] dass von der Abhebewelle nur fünf aufeinanderfolgende Schwellen betroffen sind. Die drei inneren Schwellen weisen einen abgeminderten QVW von 44 % auf, die beiden äußeren Schwellen eine Reduktion um 72 %. Die Messungen ergaben angeregte Frequenzen der Schwelle unter 50 Hz. Die Frequenzanteile rührten von geometrischen Abmessungen der Fahrzeuge her (Wagenkastenlänge, Radsatzstand Drehgestelle und Radunrundheiten).

Der Querverschiebewiderstand ist abhängig vom Schottermaterial. Es gelten die folgenden Richtwerte:

Die angegebenen Werte beziehen sich auf gebrochenen »Normalschotter« mit Körnung 1 (20 x 60). Der QVW hängt, wie die Tabelle 8.1 zeigt, vom Schottermaterial und vom Untergrund ab.[49]

Tabelle 8.1: Querverschiebewiderstand verschiedener Schottermaterialien; Quelle: Autor nach [49].

Um den QVW zu bestimmen, gibt es verschiedene Methoden:

 Jochverschiebemethode,

 Einzelschwellenmethode,

 maschinelle Gleisverschiebemethode und

 die Methode mit Entgleisungswaggon.

Allen Messungen ist eigen, dass die Schwelle oder ein Schwellenbereich verschoben und dabei Verschiebung und Kraft gemessen werden. Die gängigste Methode ist die Einzelschwellenmethode. Die Schwellverschraubungen werden gelöst und die Zwischenlagen entfernt. Auf einer Seite wird in die Schraublöcher ein Widerlager eingebaut. Ein Hydraulikzylinder mit Kraftmessdose stützt sich gegen die Schiene ab. Auf der anderen Seite misst ein Sensor den Verschiebeweg.

Bild 8.3 zeigt das typische Ergebnis der Messung einer Betonschwelle. Der Querverschiebewiderstand wird bezogen auf eine Schwellenteilung von 600 mm und in N/mm angegeben. Er wird standardmäßig bei 2 mm Verschiebung bestimmt. Die Tangente ke steht für den linearen elastischen Bereich. Bis 0,5 mm federt die Schwelle wieder vollständig in die Ausgangslage zurück. Ab dem Schnittpunkt S mit der Tangente kg kommt die Schwelle ins Gleiten. Wird die Kraft zurückgenommen, federt die Schwelle minimal zurück, bleibt aber um die Hysterese versetzt liegen.

Bild 8.3: Querverschiebewiderstand einer Betonschwelle; Quelle: Autor.

Tabelle 8.2: Zusammensetzung des Querverschiebewiderstandes für besohlte und unbesohlte Schwellen; Quelle: Autor nach [1].

Tabelle 8.2 zeigt die Zusammensetzung des Querverschiebewiderstandes für besohlte und unbesohlte Betonschwellen. Den größten Anteil am Querverschiebewiderstand liefert der Sohlwiderstand, gefolgt vom Flankenwiderstand. Den geringsten Anteil weist der Vorkopfwiderstand auf. Die besohlte Schwelle weist einen um 21 % höheren Querverschiebewiderstand auf. Dies tritt auf, weil die Schotterkörner einen besseren Kontakt mit der Schwelle aufgrund der elastischen Besohlung haben.

Der QVW hängt von der Elastizität der Besohlung und damit der Berührfläche mit den Schotterkörnern ab.[51] Für die Abhängigkeit der Berührflächen der Schotterkörner mit der Besohlung und dem Querverschiebewiderstand gilt näherungsweise die folgende Beziehung:

Am wirkungsvollsten ist die Erhöhung des Sohlwiderstandes. Die Schwellenart beeinflusst durch Gewicht, Rauigkeit oder Form der Schwelle den Querverschiebewiderstand. Der mittlere Anteil des Flankenwiderstandes macht deutlich, wie wichtig eine ordnungsgemäße Einschotterung des Zwischenfaches ist.

Messungen, die mit einem Joch mit jeweils vier Schwellen durchgeführt wurden, weisen Unterschiede zur Einzelschwellenmethode auf,[37] wie Tabelle 8.3 zeigt.

Tabelle 8.3: Komponentenanteile am QVW; Quelle: Autor nach [37].

Die Werte für die Sohlreibung sind niedriger als jene nach der Einzelschwellenmethode. Dieses Ergebnis weist der Zwischenfachverdichtung kombiniert mit der Vorkopfverdichtung eine erhöhte Wirksamkeit zu. In der Praxis ist die Sohlreibung ausgeprägter, da die Schwelle mit den Achsgewichten belastet wird und so den QVW bei Belastung erhöht, während die anderen Komponenten unverändert bleiben.

8.3.1 Der Querverschiebewiderstand verschiedener Schwellen

Wie Tabelle 8.4 zeigt, weisen Holzschwellen den geringsten Querverschiebewiderstand auf. Es gibt Sonderschwellen, die durch ihre Form (beispielsweise die Eder-Betonschwelle (Be19ae – QVW +24 %), die seitlich gezahnt war, oder die Ohrenschwelle von Schubert, die unter dem Schienenauflager in Gleislängsrichtung unbewehrte Betonfortsätze hatte (»Ohren«), eine Erhöhung des QVW bewirkten.

Tabelle 8.4: Querverschiebewiderstände verschiedener Schwellenarten; Quelle: Pospischil[48].

Die Rahmenschwelle von Rießberger bringt eine Lastaufteilung in Längsrichtung unter den Schienen und eine Vergrößerung des QVW.

Es ist bemerkenswert, dass es keine verbindlichen Mindestgrenzwerte für den Querverschiebewiderstand aus Einzelschwellen gibt. Nur von Pro Rail[25] wird ein Mindestwert für den QVW von 4 kN (6,7 N/mm) angegeben.

Schotterverklebung im Bereich des Vorkopfes erhöht den Querverschiebewiderstand um das Dreifache.[18]

Laboruntersuchungen wiesen nach, dass der Schotter abhängig von seiner Form und seinen Eigenschaften den QVW beeinflusst. Die Variation abhängig von der Schotterart beträgt im konsolidierten Zustand bis zu 20 %.

Weitgestufte Sieblinien des Schotters mit hohen Massenanteilen großer Schottersteine der Kornklassen > 40 mm, wenig Feinkorn, gedrungene Kornform sowie hohe Verschleiß- und Schlagfestigkeit wirken sich positiv auf den QVW aus.

Regenwetter reduziert den QVW um 19 bis 26 %.[1]

Versuche der Beschichtung der Schienen mit weißer Farbe bringen eine Senkung der mittleren Temperatur in den Sommermonaten von circa 5 °C. Allerdings hält die Wirksamkeit des Anstrichs nur einen Sommer lang vor – sie nimmt mit zunehmender Verschmutzung ab.

8.3.2 Erhöhung des QVW durch Sicherungskappen

In engen Bögen tendiert das Gleis bei hohen Schienentemperaturen zu Gleisverwerfungen. Zur Vermeidung werden bei Holzschwellengleisen Sicherungskappen an den Schwellen zur Erhöhung des Querverschiebewiderstandes entweder innenseitig oder beidseitig angebracht.[36] Für Gleise mit Holzschwellen und Rippenplattenbefestigung ergeben sich die in Tabelle 8.5 angegebenen Mindestradien für das lückenlose Verschweißen. Die Verbreitung des Schotterbettes an der Bogenaußenseite (D) ist eine weitere Maßnahme zur Erhöhung des QVW.

Tabelle 8.5: Mindestradien für Holzschwellengleise; Quelle: ÖBB.

Tabelle 8.6 gibt die bei der ÖBB üblichen Mindestradien für Betonschwellengleise an.

Tabelle 8.6: Mindestradien für Betonschwellengleise; Quelle: ÖBB.

D1 → Halbe Bettungsbreite

8.3.3 Querverschiebewiderstand und Instandhaltungsarbeiten

Bild 8.4 zeigt QVW-Werte nach verschiedenen Instandhaltungsmethoden. Gelb eingezeichnet sind die Bereiche der Unsicherheit. Umbau oder Reinigung des Gleises erniedrigt den QVW erheblich, weil neuer oder gereinigter Schotter ein loses Haufwerk bilden. Stopfen des Gleises erniedrigt den QVW ebenfalls deutlich. Der nur im Vereinigten Königreich eingesetzte Stone Blower bringt ins Gleis Kies kleiner Größe ein und senkt den QVW mindestens um 50 %. Mit Erniedrigung des QVW steigt die Verwerfungsgefahr an.

Wie kann dem entgegnet werden? Die klassische Methode ist die Einrichtung von Langsamfahrstellen, bis sich der Querverschiebewiderstand stabilisiert hat. Andere Methoden verwenden maschinelle Verfahren, wie den Dynamischen Gleisstabilisator oder Zwischenfachverdichter.

Warum hilft eine Erniedrigung der Fahrgeschwindigkeit? Weil die Züge geringere Führungskräfte ins Gleis einbringen.

Merksatz

Instandhaltungsmaßnahmen wie das Stopfen, Gleisneulage oder Schotterbettreinigung erniedrigen den QVW um 50 bis 60 %. Diese Reduktion ist sicherheitsrelevant. Der Sohlwiderstand und Flankenwiderstand der Betonschwellen, der Vorkopfwiderstand, die Verdrehsteifigkeit und der Längsverschiebewiderstand bestimmen den QVW. Schwellenarten, Schwellenformen, Besohlungen der Schwellen und Gesteinsart sind weitere Einflussfaktoren.

Bild 8.4: Beeinflussung des QVW durch Instandhaltungsmaßnahmen; Quelle: Autor.

8.3.4 Einflussfaktoren auf den Querverschiebewiderstand

Eine Verbreiterung der Schotterbettschulter um 10 cm erhöht den QVW um 4 bis 5 %. Der zusätzliche Schotter weist ein geringes Nutzen-Kosten-Verhältnis auf.

In manchen Ländern wird der Schotter am Vorkopf angehäuft (umgangssprachlich »Angsthaufen«). Durch die Steigerung des Bodendruckes ergibt sich eine Erhöhung zwischen 10 bis 15 % des QVW. Für Hochgeschwindigkeitsgleise empfiehlt sich diese Maßnahme wegen der Schotterflugproblematik nicht.

Eine weitere Möglichkeit ist die Verringerung des Schwellenabstandes. Eine Verringerung der Schwellenteilung von 1 cm schlägt mit einer Zunahme von 0,83 % zu Buche.[1]

Sicherungskappen (SIK) sowie Schwellenanker erhöhen den QVW. Sie werden an jeder 2. oder 3. Schwelle befestigt und vorwiegend in engen Bögen eingesetzt. SIK erhöhen den QVW um 30 %. Durch die Fläche des SIK, die einer Verschiebung entgegenwirkt, wird der Vorkopfwiderstand deutlich erhöht. Die Tabelle 8.7 gibt einen Überblick über die den Querverschiebewiderstand beeinflussenden Faktoren.

Tabelle 8.7: Einflussfaktoren auf den Querverschiebewiderstand; Quelle: Autor.

8.3.5 Schwellenhohllagen

Schwellenhohllagen beeinträchtigen die Sicherheit gegen Verwerfungen.

Bild 8.5 zeigt die Anzahl zulässiger hintereinander hohl liegender Schwellen abhängig vom Bogenradius.[39] Unter einem Bogenradius von 500 m darf ohne zusätzliche Maßnahmen zur QVW-Erhöhung keine Hohllage auftreten. Treten zusätzliche Temperaturerhöhungen, wie zum Beispiel durch Wirbelstrombremsen, auf, verschiebt sich die Kurve nach unten – das Verhalten wird kritischer.

Bild 8.5: Anzahl zulässiger hintereinanderfolgender Hohllagen abhängig vom Bogenradius; Quelle: Autor nach [39].

8.4 Der Längsverschiebewiderstand

Der Längsverschiebewiderstand (LVW) beeinflusst den QVW indirekt. Bei einer Verwerfung bewegen sich die Schwellen in Längsrichtung auf den Fehler zu. Der LVW wirkt dieser Bewegung entgegen. Der Einfluss des LVW auf die kritische Verwerfungstemperatur ist gering. Der Durchschubwiderstand der Befestigungen ist größer als der LVW der Schwellen im Schotter. Der LVW wird im Gegensatz zum QVW bei 10 mm Verschiebung gemessen. Er ist um 25 % größer als bei 2 mm, das heißt, er wird bei größeren Werten aktiviert.

Tabelle 8.8: LVW (10 mm) von verschiedenen Schwellentypen; Quelle: Autor nach [1].

Es gibt einen Zusammenhang zwischen dem QVW und dem LVW. Sie stehen in einem Verhältnis von näherungsweise

Für den Längsverschiebewiderstand gelten bezüglich der Widerstandskomponenten im Mittel die folgenden Angaben (Tabelle 8.9).[37, 38]

Tabelle 8.9: Aufteilung des LVW auf die verschiedenen Komponenten; Quelle: Autor nach [37].

Schienendurchschub und Schwellenverdrehung leisten keinen nennenswerten Beitrag zur gesamten Längsverschiebung. Die maßgebenden Längsverschiebebewegungen führen die Schwellen im Schotter aus. Zwischen befahrenem und unbelastetem Gleis treten kaum Unterschiede auf. Längskraftdifferenzen gleicht das Gleis durch Kriechbewegungen selbsttätig aus. Der Effekt wird durch dynamische Belastung beschleunigt. Das reale Verhalten des Gleises ist gutmütiger als der vorschriftsgemäße Nachweis annimmt.[46]

8.5 Setzungsverhalten

Im Schotter führen plastische Deformationen, die durch die Verkehrsbelastung hervorgerufen werden, zu Setzungen und einer Verschlechterung der Gleisgeometrie. Die Setzungen sind das Resultat der Schotterverdichtung unter zyklischer Belastung. Die Verschlechterung der Gleislage reduziert die Sicherheit und den Fahrkomfort der Züge. Dies erfordert die Wiederherstellung der Gleisgeometrie durch maschinelle Berichtigungsverfahren wie dem Stopfen.

Der Feststoffanteil zwischen verdichtetem und nicht verdichtetem Schotter liegt (nur) in der Größenordnung von 1 %.[17]

Die Eisenbahnindustrie will Effizienz und Stabilität des Gleises verbessern und gleichzeitig die Instandhaltungskosten senken. Es ist daher wichtig, das mechanische Verhalten der Schotterbettung zu verstehen, damit die Verschlechterung vorhergesagt und Maßnahmen zur Stabilitätssteigerung ergriffen werden können. Zur Beschreibung des Setzungsverhaltens gibt es unterschiedlichste Verlaufsgesetze.

Tabelle 8.10: Verschiedene Setzungsmodelle; Quelle: Autor nach [7, 8].

Bild 8.6: Schematische Darstellung verschiedener Setzungszonen; Quelle: Autor nach [7].

Die Setzungskurven bestehen aus drei Zonen (  Bild 8.6).[7] In der ersten Phase findet die Anfangsverdichtung des Schotters statt. Diese Verdichtung dauert rund 200 Zyklen. Diese schnelle lineare Setzung ist mit der mechanischen Anfangsinstabilität des Schotters verbunden. Die zweite Phase zwischen 200 und 6.000 Zyklen ist durch ein Gleiten zwischen den Körnern und Umschichtungen derselben gekennzeichnet. Die Gesamtdichte des Systems nimmt zu. Der Verlauf in der 2. Zone ist stark nicht linear. Die anschließende 3. Zone über 6.000 Zyklen beschreibt langfristiges Verhalten. Die Verdichtung folgt einer langsamen und linearen Entwicklung. Dieser Bereich ist auf Abrieb und Bruch einzelner Körner zurückzuführen.[47]

Keines der Setzungsmodelle enthält Schwellen- und Schottereigenschaften, Schwellenteilung, Anregungsfrequenzen oder Schotterdicke als Parameter. Es ist anzunehmen, dass diese in der Praxis Einfluss auf die Setzung nehmen. Das ist eine Schwäche der mechanistischen Setzungsansätze.

Bild 8.7 zeigt die Setzung des Gleises unter verschiedenen Achslasten; die Belastungsfrequenz betrug 15 Hz. Dem Bild sind die drei Setzungszonen gut zu entnehmen. Zuerst der schnelle lineare Anstieg während der ersten Zyklen (rote Zone), gefolgt vom Bereich stark nicht linearer Setzung (orange Zone), ehe die Entwicklung linear weiterverläuft (grüne Zone). Wird die Achslast von 25 auf 30 t erhöht, setzt eine neuerliche Setzungsperiode ein, der wieder eine lineare Setzungsphase folgt.

Bild 8.7: Setzung des Schotters unter verschiedenen Achslasten; Quelle: Autor nach [9].

Merksatz

Die Setzung des Gleises verläuft nach logarithmischen Gesetzen. Die ersten Lastwechsel lösen die größten Setzungsvorgänge aus. Unregelmäßig verlaufende Setzungen erzeugen Längshöhenfehler. Achslasten, Vibrationen und Aufbau des Lockergesteins bestimmen das Setzungsverhalten.

8.6 Bodenverdichtung

Durch Verdichtung werden das Tragverhalten und die Stabilität eines Materials verbessert. Die natürliche Tragfähigkeit ist für die Ableitung hoher Lasten wenig geeignet. Untergrund und Schotter sollen unter statischen und dynamischen Lasten möglichst wenig verformt werden. Aus diesem Grund wird das Material mit geeigneten Geräten verdichtet. Bei der Bodenverdichtung werden die mit Luft und Wasser gefüllten Porenräume verringert (  Bild 8.8). Bei körnigem Gesteinsmaterial lagern sich die Partikel dichter an und verkleinern die Leerräume. Die Verdichtungswirkung hängt von den mechanischen und physikalischen Eigenschaften des zu verdichtenden Materials, seiner Feuchte und der Wahl des Verdichtungsgerätes ab.

Bild 8.8: Verdrängung des Wassers und der Luft aus den Porenräumen durch die Verdichtung; Quelle: TÜV Rheinland LGA Bautechnik[11]

Mit steigender Dichte erhöht sich die Tragfähigkeit. Bei bindigen Böden verhindert die Verdichtung die Wasseraufnahme. Der Untergrund muss eine gleichmäßige, dauerhafte und ausreichend große Tragfähigkeit aufweisen, nur dann ist er geeignet, die Lasten aus dem Eisenbahnverkehr aufzunehmen.[2]

Die Scherfestigkeit steigert sich durch Erhöhen der Lagerungsdichte und Verringern des Porenvolumens. Der größere Verformungswiderstand verringert ungleichmäßige Setzungen. Ein gesunder langlebiger Aufbau benötigt eine ausreichend dicke Schotterschicht (≥ 30 cm) und ausreichend dimensionierte Tragschichten. Zu diesen zählen Unterschotter-, Planums- und Frostschutzschichten. Es empfiehlt sich lagenweises Verdichten.

Feinkörnige bindige Böden werden hoch verdichtet, damit sie wenig Wasser aufnehmen und binden. Im Gegensatz zu Böden im Grobkornbereich werden die feinen Einzelkörner auch im trockenen Zustand durch Kohäsion zusammengehalten. Je größer und feiner die Feinkornanteile sind, desto mehr Wasser wird im Porenbereich gehalten. Grundsätzlich sind bindige Böden schwerer zu bearbeiten und zu verdichten.

Grobkörnige Schichten halten wenig Wasser, sind gut verdichtbar, weichen im feuchten Zustand nicht auf und sind frostsicher.

Die spezifischen Eigenschaften der Materialien unterscheiden sich durch den Gewichtsanteil verschiedener Korngrößen und Kornformen. Daraus ergibt sich die Art der Lagerung der Körner und die Form der Kornzwischenräume und der Anteil und das Verhalten von Wasser und Luft.

Bild 8.9: Kornverteilung – Kornklassen; Quelle: TÜV Rheinland LGA Bautechnik[11].

Die Kornverteilungskurven werden durch Siebung ermittelt (  Bild 8.9). Bei einem Feinkornanteil von mehr als 15 Gewichtsprozent spricht man von bindigen Böden. Enggestufte Böden weisen eine gleichförmige Körnung mit großen Poren auf, weitgestufte hingegen eine mehr oder weniger gleichmäßige Verteilung der verschiedenen Korngrößen und daher eher kleine Poren. Kennwert ist die Ungleichförmigkeitszahl U.

Eng gestuftes Material lässt sich nicht oder nur schwer verdichten. Weit gestuftes hingegen füllt durch Vibrieren oder Schlagen die Porenräume und erreicht so hohe Tragfähigkeiten.

Die Art der Lagerung wird durch die Lagerungsdichte – das Raumgewicht – bestimmt. Die Lagerungsdichte gibt an, wie viel Masse des festen Materials je Volumeneinheit im Material enthalten ist. Je höher das Raumgewicht, umso höher die Verdichtung und die Tragfähigkeit.

Bei geringem Wassergehalt sind bei gleicher Kornform die Reibungskräfte zwischen den Einzelkörnern groß. Dies ist mit einem hohen Verdichtungsaufwand verbunden. Ist der Wassergehalt zu hoch, kann ebenfalls nicht verdichtet werden, weil die Poren mit Wasser gefüllt sind. Nur bei einem optimalen Wassergehalt wirkt das Porenwasser bei Verdichtung wie ein Schmiermittel zwischen den Körnern.

Mit dem Proctorversuch (nach DIN 18127) kann der optimale Wassergehalt eines Schüttgutes bestimmt werden. Die so ermittelte Proctordichte bezeichnet die höchste unter definierter Verdichtungsarbeit erreichbare Dichte eines Bodens.

Tabelle 8.11 listet verschiedene Bodenarten und ihren möglichen Wassergehalt auf.

Tabelle 8.11: Wassergehalt verschiedener Bodenarten; Quelle: Autor.

Der Verdichtungsgrad eines Materials lässt sich wie folgt bestimmen:

Der Verdichtungsgrad wird in Prozent der beim Proctorversuch ermittelten maximal möglichen Dichte angegeben.

Tabelle 8.12: Proctordichte und Güte des Schüttmaterials; Quelle: Autor nach [10].

Merksatz

Eine dichtere Lagerung körnigen Materials wird durch Bodenverdichtung mit schlagenden Kräften oder dynamischen vibrierenden Kräften bewirkt. Die Verdichtbarkeit des Materials hängt von der Größe und seinem Gemisch sowie der Feuchte ab. Die Verdichtung verkleinert die Hohlräume zwischen den Körnern und verdrängt das Wasser. Der Feststoffanteil (die Dichte) vergrößert sich. Eine Verdichtung des Materials geht immer mit Setzungen einher.

8.6.1 Unterschiede der lagenweisen Verdichtung zwischen Straßen- und Eisenbahnbau

Im Straßenbau wird eine möglichst hohe Verdichtung ohne Limit angestrebt. Der Belag wird, nachdem er verlegt worden ist, nicht mehr gestört. Im Idealfall hält er allen Beanspruchungen ohne Verformung stand. Das erfordert die Schichten auf eine möglichst hohe Dichte mit minimalen Hohlräumen zu bringen. Straßenzuschlagsstoffe sind daher fein abgestuft, mit genügend Feinpartikeln zur Verfüllung der Hohlräume zwischen den größeren Steinen. Die Verdichtung kann zu einer Zerkleinerung der Körner führen; das ist nicht nachteilig, weil es den Verdichtungsprozess unterstützt. Die Verdichtung erfolgt in Schichten zwischen 150 und 250 mm.

Eisenbahnschotter funktioniert in anderer Weise. Er hat eine offene Struktur, um die Entwässerung zu ermöglichen und die Feinanteile aufzunehmen, die durch den Schotterabrieb unter Verkehrslast entstehen. Die Schotterschicht hat eine begrenzte Lebensdauer. Diese Lebensdauer entspricht der Zeit, bis die Feinanteile alle Hohlräume verfüllt haben (in der Praxis mehr als 30 % Gewichtsanteil des Feinkorns). Der Hauptanteil der Deformation findet in der Schicht direkt unter den Schwellen statt.

Hohe Verdichtung und Tragfähigkeit des Untergrundes sind erstrebenswert. Die Verdichtung soll sich innerhalb von Grenzwerten bewegen, weil Steifigkeitsunterschiede in Längsrichtung zu starken Wechselwirkungen zwischen Rad und Schiene führen.[19]

Bild 8.10 zeigt die Abhängigkeit der Standardabweichung der Gleislängshöhenfehler von der Gleissteifigkeit. Geringe Steifigkeiten bewirken große Setzungen. Hohe Steifigkeiten führen zu geringen Setzungen. Unregelmäßige Setzungen entsprechen Längshöhenfehlern. Der grau melierte Bereich gibt den Streubereich zwischen Gleissteifigkeit und Standardabweichung der Längshöhe wieder.

Bild 8.10: Abhängigkeit der Standardabweichung der Längshöhe des Gleises von der Gleissteifigkeit; Quelle: Autor nach [44].

Merksatz

Die Gleichförmigkeit und die Höhe der Gleissteifigkeit spielen eine entscheidende Rolle in der Haltbarkeit der Gleislage. Steifigkeiten zwischen 70 und 100 kN/mm gelten als optimal. Sie entsprechen einer Einsenkung der Schiene unter einer 20-t-Achse von etwa 1,2 mm. Ist das Gleis zu weich, kommt es zu großen Setzungen und Gleislagefehlern. Ist es zu hart, dann treten Schotterzerstörung und starke Rad-Schiene-Wechselwirkungen auf.

Zu hohe Schotterdrücke führen zu vermehrtem Schotterbruch und Verschleiß. Die Schnellfahrstrecke Würzburg – Fulda der Deutschen Bahn wurde mit hoher Steifigkeit ausgeführt. Die mittlere Einfederung des Gleises unter 20 t Achslast betrug nur 0,8 mm. Im Betrieb traten nach kurzer Zeit weiße Stellen im Schotterbett auf (Hinweis auf Zermahlung des Schotters). In den ICE-Fahrzeugen war lautes Dröhnen hörbar. Erst der Einbau weicherer Zwischenlagen führte zur Verbesserung. Eine Einfederung unter 20 t Achslast von 1,2 mm kommt dem Optimum nahe. Gleissteifigkeiten von 70 bis 100 kN/mm gelten als optimal. Für Hochgeschwindigkeitsstrecken liegt das optimale Fenster bei 70 bis 80 kN/mm.

8.6.2 Statische und dynamische Verdichtung

Statische Verdichtung wird durch selbstfahrende oder angehängte Walzen durch Druck auf den Boden durchgeführt. Die Verdichtungsarbeit erfolgt durch Drücken und Kneten. Sie ist vom Eigengewicht und der Größe der Aufstandsfläche des Gerätes abhängig. Es gibt Glattmantelwalzen, Schaf- und Stampffußwalzen, Gummiradwalzen und Gitterradwalzen.

Bei dynamischen Geräten wird die Verdichtungsarbeit durch stampfende, rüttelnde oder schwingende Geräte bewerkstelligt. Dynamische Verdichtgeräte bearbeiten den Boden nicht nur durch ihr Gewicht, sondern auch auf den Boden einwirkende Wechselkräfte. Durch die Schwingungen wird die innere Reibung zwischen den Körnern vermindert. Die Bodenteilchen verändern ihre Lage, kleinere Körner wandern in den Porenraum. Das führt zur gewünschten dichteren Lagerung. Ein möglichst geringer Anteil von Wasser verbessert den Prozess. Dynamische Verdichtgeräte werden deshalb vor allem bei nicht bindigen Böden eingesetzt.

Je höher die Schwingungsfrequenz ist, umso kleiner sind die angeregten Kornteilchen. Unterschieden werden stampfende und vibrierende Geräte. Erstere verdichten den Boden durch einzelne sich wiederholende Schläge. Vibrierend arbeitende Geräte heben die Reibung zwischen den Bodenteilchen kurzfristig auf und verdichten das Gefüge durch die statische Last. Ausschlaggebend ist nicht die Größe der statischen Last, sondern ein Arbeitspunkt, der die Übertragung maximaler Energie ermöglicht.

Die Verdichtwirkung ist abhängig von

 den Bodenverhältnissen,

 dem Material (bindig, nicht bindig, feinkörnig, grobkörnig),

 der Art der Verdichtung (statisch, dynamisch, stampfend, vibrierend),

 den Geräteparametern (Frequenz, Amplitude, Aufstandsfläche, Masse),

 der Fahrgeschwindigkeit und

 der Anzahl der Übergänge.

Dynamische Verdichtgeräte erzeugen ihre Vibration und Schwingungsenergie meist über angetriebene Exzenterwellen. Die dynamische Schlagkraft Fdyn errechnet sich zu Vibrationsplatten (  Bild 8.11) eignen sich zur Verdichtung nicht bindiger Böden wie Planumsschutzschichten oder Frostschutzschichten. Sie arbeiten wegen ihrer hohen Verdichtungs- und Flächenleistung sehr wirtschaftlich. Arbeitsbreiten von 30 bis 100 cm mit Betriebsgewichten von 40 bis 850 kg und Erregerfrequenzen zwischen 40 und 100 Hz sind üblich.[2]

Vibrationsplatten (auch Rüttelplatten genannt) werden in Schleppschwinger und Zentralschwinger unterschieden. Schleppschwinger sind Einwellenerreger. Die Exzenterwelle ist vorne an der Grundplatte angebracht, sodass die Geräte nur in einer Richtung arbeiten. Die Sprunghöhe ist vorne am größten, dort wirken die höchsten Verdichtkräfte. Durch die guten Vorlaufeigenschaften werden Bodenunebenheiten eingeebnet.

Bild 8.11: Ferngesteuerte Vibrationsplatte; Quelle: Wacker Neuson.

Das Plattenende wird schleppend nachgezogen und trägt zur Glättung der Oberfläche bei. Bei der maschinellen Einbringung von Planums- und Frostschutzschichten mittels Planumsverbesserungsmaschinen werden zur Glättung und Verdichtung Schleppschwinger hinter der eingebrachten Schutzschicht mit der Oberbaumaschine mitgeführt.

Bei reversierbaren Geräten ist der Schwinger mittig angeordnet. Es werden zwei gegenläufig rotierende Unwuchten verwendet. Durch Verstellung der Unwuchtwinkel zueinander kann eine resultierende Zentrifugalkraft so eingestellt werden, dass diese nach vorne oder hinten gerichtet ist.

8.6.3 Ermittlung Verformungsmodul

Die Tragfähigkeit eines verdichteten Bodens wird mittels der Verformungsmodule EV1 und EV2 (MN/m²) nachgewiesen. Diese werden durch einen Lastplattendruckversuch (DIN 18134) bestimmt. Der Lastplattenversuch ermittelt das Verformungsverhalten unter Belastung. Auf den zu prüfenden Boden wird eine definierte Lastplatte aufgesetzt und gegen einen festen Rahmen (Maschinenrahmen oder Lkw) abgestützt. Dann wird über eine Druckvorrichtung stufenweise belastet. Es gilt:

Nach der Erstbelastung wird der Boden entlastet und anschließend ein- oder mehrmals neuerlich belastet. Die jeweiligen Setzungen werden in ein Diagramm eingetragen und zu einer Drucksetzungslinie verbunden. Aus der Erstbelastung folgt EV1. Aus EVı folgen Schlüsse auf den Wassergehalt und den Verdichtungsgrad EV2. EV2 ist der Messwert der Zweitbelastung, wenn sich der Boden nur mehr gering setzt, er ermöglicht Rückschlüsse auf die Tragfähigkeit. Zur Beurteilung der Verdichtung dient das Verhältnis der Verformungsmodule EV2/EV1 (  Tabelle 8.13).

Tabelle 8.13: Richtwerte für den Verhältniswert EV2/EV1 in Abhängigkeit vom Verdichtungsgrad; Quelle: Autor nach [2].

Tabelle 8.14 gibt einen Überblick über die Tragfähigkeitskennwerte verschiedener Bodenmaterialien, Mindestanforderungen bei Hochgeschwindigkeitsverkehr (HGV), im Neubau einzubauende Schutzschichten und des anstehenden Bodens.

Tabelle 8.14: Tragfähigkeitskennwerte verschiedener Böden und Schutzschichten; Quelle: Autor.

Die Tragfähigkeit von Schottergestein in der Form der Fließschubspannung τf ist:

Übersteigt die Schubspannung die Fließschubspannung, verliert der Schotter seine Tragfähigkeit und kommt ins Gleiten. Tabelle 8.15 gibt typische Verzahnungsanteile und Reibungswinkel verschiedener Schotterproben an.

Tabelle 8.15: Verzahnungsanteil und innerer Reibungswinkel verschiedener Schotterproben; Quelle: Autor nach [21].

Merksatz

Zur Verdichtung körnigen Materials sind dynamische Verdichtmethoden am besten geeignet. Statische Walzen sind wenig effektiv. Ein Ausdruck für den Grad der Verdichtung ist das Verhältnis des Verformungsmoduls zwischen erster und zweiter Belastung. Gemessen wird der Verformungsmodul mit dem Lastplattenversuch.

8.7 Schwingungsausbreitung im Boden

Es gibt viele Untersuchungen, die die Ausbreitung von Schwingungen und deren Auswirkung von fahrenden Zügen untersuchen. Zahlreiche Modelle bilden den Boden oder die Dynamik der Schienenfahrzeuge ab.[12] Bild 8.12 gibt einen Überblick über die bei einer Zugüberfahrt angeregten Frequenzbereiche.

Bild 8.12: Überblick über die Frequenzbereiche, die bei einer Zugüberfahrt angeregt werden; Quelle: Autor nach [13].

In diesem Kapitel gilt die Aufmerksamkeit der Ausbreitung von Schwingungen, welche lokal über Schwingungsgeräte, wie dem Dynamischen Gleisstabilisator, Stopfmaschinen, Vorkopf- oder Zwischenfachverdichtern oder Rüttelplatten, eingebracht werden.

Wirkt eine Schwingungsquelle auf einen unbelasteten elastischen Halbraum ein, so entstehen – ausgehend von diesem Punkt – drei verschiedene Arten von Wellen. An der Oberfläche entstehen Wasserwellen ähnlich Rayleigh-Wellen. Sie klingen verkehrt proportional mit der Wurzel der Entfernung ab. Die beiden anderen Wellen sind Bodenwellen. Die schnelleren entsprechen Kompressionswellen und die anderen Scherwellen. Die Scherwellen breiten sich etwas schneller als die Rayleigh-Wellen aus. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit ist abhängig von den Bodeneigenschaften sowie von der Frequenz der Anregung. Die Anregungsenergie teilt sich zu zwei Dritteln auf Rayleigh-Wellen, zu 26 % auf Scherwellen und zu 7 % auf Druckwellen auf.[14]

Die Scherwellengeschwindigkeit vτ errechnet sich wie folgt:

Die Eigenfrequenz von Böden errechnet sich zu:

Die Werte für die Bodeneigenfrequenzen streuen in der Praxis erheblich. Sie hängen von der Zusammensetzung der Böden, deren Feuchtigkeitsgehalt und ihrer Lagerungsdichte ab. Die Dämpfung (Energieabsorption) durch verschiedene Böden erfolgt nach der folgenden Gleichung:

Der Absorptionskoeffizient α, mit dem der Boden Energie aufnimmt, ist abhängig von der Bodenart (Tabelle 8.16).

Tabelle 8.16: Bodenarten und Absorptionskoeffizienten; Quelle: Autor.

Über einen Frequenzbereich von 10 bis 30 Hz bleibt der Absorptionskoeffizient nahezu konstant. Die Abhängigkeit von der Frequenz wird vereinfacht wie folgt angegeben:[14]

Bild 8.13 zeigt die vertikale Rezeptanz (dynamische Nachgiebigkeit – je höher der Wert, umso größer die angeregten Amplituden). Die Spitzen bei 150 und 470 Hz regen hohe Amplituden an. Bei den typischen Anregungen von Stopfmaschinen, dem Dynamischen Gleisstabilisator und anderen üblichen maschinellen Verdichteinrichtungen, deren Anregungsfrequenzen im Bereich 30 bis 100 Hz liegen, wird der Gleisrost nicht zu eigenem Schwingverhalten angeregt.

Bild 8.13: Vertikale Rezeptanz eines Gleises; Quelle: Autor nach [15].

8.8 Schotterflug

Schotterflug tritt bei Hochgeschwindigkeitsverkehr auf oder bei geringeren Geschwindigkeiten, wenn Eis von Fahrzeugen abbricht und gegen den Schotter geschleudert wird. Schotterflug entsteht als Reaktion auf eine Kombination aus mechanischen und aerodynamischen Kräften, die durch den fahrenden Zug erzeugt werden. Er kann zu Schäden am Schienenkopf, am Wagenkasten und an angrenzenden Bauwerken, zu Verletzungen des Wartungspersonals oder Fahrgästen in Durchgangsbahnhöfen führen. Es ist eines der Hauptprobleme, die mit der Erhöhung der Fahrgeschwindigkeiten auf über 300 km/h auftraten.[16]

Die Schottersteine werden durch das erzeugte Druck- und Geschwindigkeitsfeld aus der oberen Schotterschicht angehoben.

Bei hoher Geschwindigkeit beginnen lose Schottersteine ohne Verzahnung zu tanzen und lösen sich vom Schotterbett. Wenn die Geschwindigkeit und die Schottersteinbewegungen einen kritischen Grenzwert überschreiten, erfasst sie der Luftstrom und reißt sie mit. Der Schlüsselfaktor ist der aerodynamische Druck, der quadratisch mit der Geschwindigkeit ansteigt.

Forschungsergebnisse zeigen einen Zusammenhang mit der Bettungsschulterbreite. Je geringer die Breite, desto geringer der entstehende Winddruck. Allerdings bedingt eine Verjüngung der Schulterbreite die Reduzierung des Querverschiebewiderstandes. Kornform und Korngröße haben Einfluss; je geringer das Korngewicht, umso eher wird es vom Luftstrom mitgerissen.

Zweiblockschwellen zeigen eine geringere Neigung zum Schotterflug als Monoblockschwellen. Eine Abrundung der Schwellen mittig nach unten reduziert die Wahrscheinlichkeit des Schotterfluges um 50 %.[16]

8.8.1 Maßnahmen zur Vermeidung des Schotterfluges

Eine bewährte Maßnahme ist das Unterkehren des Schotters auf 4 bis 5 cm unter Schwellenoberkante.

Eine andere Methode ist die Verdichtung und Stabilisierung der obersten Schotterschicht. Auf der Fahrzeugseite hilft das Verkleiden der Unterseite von HGV-Zügen. Auch Verklebungen der oberflächennahen Schotterschicht mit Polyurethan finden Anwendung. Eine oberflächige Verklebung bis zu einer Tiefe von 60 mm zeigte nur geringe Auswirkung auf Stopfarbeiten. Zur Vermeidung loser Schotterkörner auf den Schwellen ist es wichtig, die Schwellen von Schotter freizukehren.

Die Maßnahmen des Unterkehrens des Schotters unter die Schwellenoberkante und die Verbesserung der Aerodynamik unter den Zügen durch Verkleidung etc. erwiesen sich in der Vergangenheit als erfolgreich.

Merksatz

Schotterflug tritt bei Fahrgeschwindigkeit über 300 km/h auf. Schotterkörner werden durch den Unterdruck der Fahrzeuge bei der Überfahrt, wenn sie lose an der Oberfläche liegen, ins Rollen gebracht und beschleunigt. Unterkehren des Schotters von 4 bis 5 cm an den Schwellen und die Verbesserung der aerodynamischen Eigenschaften der Züge sind angewandte Lösungen des Problems.

8.9 Die Verfahren/Methoden der QVW-Wiederherstellung

Die natürliche Methode, nach einer Stopfarbeit den sicherheitskritischen Verlust an QVW wiederherzustellen, ist die Einrichtung von Langsamfahrstellen. Nach etwa 0,5 Millionen Lasttonnen ist der Querverschiebewiderstand in einer Größenordnung, die ein sicheres Befahren des Gleises mit Gleishöchstgeschwindigkeit erlaubt. Während des Stabilisierungsvorgangs der durch die Stopfung gestörten Schotterstruktur passen sich die Berührungsbereiche der Körnerspitzen an die Beanspruchung an. Überlastete Kanten und Spitzen brechen, die eingebrachten Be- und Entlastungen der Zugkräfte führen zu einer dynamischen Anregung der Körner. Die Umordnung und dichtere Packung der Steine geschieht so lange, bis ein Gleichgewicht zwischen den wirkenden Kräften eingetreten ist. Mit der steigenden Dichte verringern sich die Hohlräume. Eine Setzung des Gleises ist die Folge.

Langsamfahrstellen sind mit Betriebsbehinderungen (Störung des Fahrplanes mit Auswirkung auf Anschlusszüge) und den dadurch entstehenden Kosten und Verspätungen verbunden.

Beim Stopfen der Gleise bleibt im Zwischenfach ein gering verdichteter Bereich zurück. Im Zwischenfach entstehen Eintauchtrichter der Stopfpickel. Es besteht die Tendenz des berichtigten Gleises, wieder in die Ursprungslage vor der Gleislageberichtigung zurückzukehren. Im Wesentlichen sind es die gleichen Schotterkörner und die gleiche Schotterstruktur, die unter den Schwellen von Stopfzyklus zu Stopfzyklus verdichtet wird. Deshalb weisen die Schotterbereiche unter den Schwellen ein wiederkehrendes Verhalten auf. Oft wird dieses Verhalten als »Gedächtnis des Gleises« bezeichnet. Es sind der lokale Charakter der Schotterstruktur unter den Schwellen und die lokalen Eigenschaften des Untergrundes und der Tragschichten, die beseitigte Gleisfehler wiederkehren lassen.

8.9.1 Zwischenfachverdichtung

Die Problematik des lockeren Zwischenfaches und des reduzierten Querverschiebewiderstandes wurde frühzeitig von den Eisenbahningenieuren erkannt. Als Lösung wurde die Zwischenfachverdichtung entwickelt. Bei der Zwischenfachverdichtung werden vibrierende Stempel mit statischer Auflast ins Zwischenfach links und rechts neben der Schiene gedrückt. Üblicherweise wird sie mit der Vorkopfverdichtung kombiniert.

Durch die Zwischenfachverdichtung wird vermieden, dass der verdichtete Schotter unter der Schwelle teilweise ins lockere Haufwerk des Zwischenfachs entweicht. Der Dynamische Gleisstabilisator löste die Zwischenfachverdichtung ab. Er bewirkt eine Stabilisierung im gesamten Schotterquerschnitt.[33]

8.9.2 Die dynamische Gleisstabilisation

Die französische Eisenbahn (SNCF) untersuchte im Zuge des geplanten Baus der Hochgeschwindigkeitsstrecke Paris – Lyon Möglichkeiten, den QVW maschinell zu erhöhen.[26] Sie entwickelten ein vertikal schwingendes Gerät, das den gesamten Gleisrost in Schwingungen versetzte, umso eine Stabilisierung zu erreichen (Vibrogir St. Ouen). Vertikale Schwingungen wirken dynamisch auf den Schotter ein. Sie unterdrücken lokales Fließen des Schotters. Der Dynamische Gleisstabilisator hingegen stabilisiert durch eine horizontale Vibration des Gleisrostes unter einer vertikalen, statischen Auflast. Die horizontale Querschwingung des Gleises verursacht einen elasto-liquiden Zustand des beeinflussten Schotterbereiches. Das erleichtert den Schotterkörnern, eine dichtere Lage einzunehmen. Die horizontale Schwingung erwies sich in gemeinsamen Versuchen der SNCF und der ÖBB (1974) als effektiver und setzte sich durch. Das Produkt entwickelte sich zum Dynamischen Gleisstabilisator (DGS), der in großer Anzahl gebaut wird und weltweit in vielen Ländern zum Einsatz kommt. Der DGS wird mit Frequenzen von 30 bis 40 Hz und Amplituden von 2 bis 2,5 mm betrieben. Die statische Auflast wirkt über Hydraulikzylinder. Diese Hydraulikzylinder sind unabhängig regelbar und erlauben Krafteinstellungen bis zu 180 kN je Aggregat. Über telekopierbare Achsen und Gleisrollen werden die Schienen gepackt. Zwei exzentrisch umlaufende Unwuchten versetzen den gesamten Gleisrost in Schwingung. Die statische Auflast hilft die Querkräfte zu übertragen und verhindert, dass die Räder auf den Schienen durchrutschen (sichtbar an Rattermarken an der Schienenoberfläche). In geringem Maße erlaubt die unabhängige Einstellung der statischen Kräfte links und rechts Differenzen in der Absenkung auszugleichen (Wirkungsbandbreite ±1 bis 2 mm). In Überhöhungen liegt unter der überhöhten Schiene eine größere Schotterhöhe vor. Dies bewirkt tendenziell größere Setzungen. Praktischerweise geben erfahrene Bahner der Stopfmaschine eine um einige Millimeter größere Sollüberhöhung vor. Sie wissen, dass größere Setzungen der überhöhten Seite auftreten.

Die dynamische Schlagkraft heutiger Dynamischer Gleisstabilisatoren beträgt bei 30 Hz ±200 kN. Die regelbare statische Auflast je Aggregat beträgt 0 bis 180 kN. Meist werden zwei Stabilisieraggregate hintereinander angeordnet, bei manchen Maschinen nur eines.

8.9.3 Einflussparameter der dynamischen Gleisstabilisierung auf die Setzung

8.9.3.1 Stabilisierfrequenz

Den größten Einfluss auf die Setzung übt die Stabilisierfrequenz aus. Dieser Effekt beruht auf

 den plasto-elastischen Eigenschaften des Schotters, die mit steigenden Frequenzen über 30 Hz zunehmen und

 der quadratischen Zunahme der dynamischen Schlagkraft des Exzenterwellenantriebes.

Für den Einfluss kf auf die Setzung gilt:[27]

Die Wirksamkeit der vertikalen Auflast kF ergibt sich aus:

Der Faktor kF ist 1 bei 240 kN vertikaler Auflast (maximale Vertikalkraft).

8.9.3.2 Arbeitsgeschwindigkeit

Die Arbeitsgeschwindigkeit des DGS hat einen geringen Einfluss auf seine Wirksamkeit. Die Setzung verläuft logarithmisch. Für die Setzung gilt (  Kapital 8.5):

Der logarithmische Zusammenhang bedeutet große Setzungen der ersten Lastspiele, mit raschem Abnehmen. Die ersten Lastspiele sind für die Stabilisierwirkung am wichtigsten. Der DGS liefert bei durchschnittlich 20 mm Hebung eine Setzung im Bereich von durchschnittlich 30 %, das entspricht 7 mm.

BEISPIEL

Wie viele Lastwechsel benötigt der DGS bis zur typisch beobachteten Setzung von 10 mm?

Gegeben:

Durchschnittliche Hebung = 20 mm

Vollständige Stabilisierung eines Gleises nach 2 Mio. Lasttonnen

Durchschnittliche Achslast = 15 t

Koeffizient α = 0,65

Gesucht: Minimale Anzahl Lastwechsel

Berechnung der Lastwechsel, die 2 Mt entsprechen:

Nach 61 Lastwechseln tritt die typische Setzung von 10 mm auf. Die übliche Stabilisierfrequenz eines Gleisstabilisators beträgt 30 Hz. Nach 2 s Einwirkzeit ist diese Setzung zu beobachten. Ist die Einwirkzeit länger, ergeben sich nur geringfügig höhere Setzungen. Die Abhängigkeit der Setzung des Stabilisators von der Frequenz kann nach praktischen Erfahrungen wie folgt angegeben werden:[27]

Der Faktor kV ist 1 bei 1,5 km/h.

Messungen einer amerikanischen Untersuchung[28] ergaben folgende Ergebnisse.

Tabelle 8.17: QVW nach Stabilisierung bei verschiedenen Arbeitsgeschwindigkeiten; Quelle: Autor nach [28].

Die Ergebnisse[28] bestätigen den geringen Einfluss der Stabilisiergeschwindigkeit auf die Setzungen.

8.9.3.3 Exzentermasse

Die Schlagkraft hängt linear von der Exzentrizität und der exzentrischen Masse ab. Sie ist für verschiedene Typen von Stabilisiermaschinen vorgegeben. Der DGS 62 N hat eine Gesamtexzentermasse von 95 kg. Bei einer Frequenz von 30 Hz ergibt das eine dynamische Schlagkraft von ±200 kN. Die Auswirkung der Exzentermasse auf die Setzung kann wie folgt errechnet werden:

Der Faktor kme = 1 bei 30 Hz Betriebsfrequenz und 95 kg Exzentermasse.

8.9.3.4 Setzung abhängig von Hebung

Die Setzungswirkung des DGS hängt von der vorangegangenen Hebung durch die Stopfmaschine ab. Je größer die Hebung, umso größer die erwartbare Setzung. Bei Neulage oder nach Reinigung des Schotters zeigt sich die maximale Wirkung des DGS. Bei voller vertikaler Auflast, einer Frequenz von 40 Hz und 1 km/h Arbeitsgeschwindigkeit sind maximale Setzungen von 15 bis 20 mm möglich. Für die gängigen Durcharbeitungen mit Hebewerten von 20 bis 40 mm liegen die typischen DGS-Setzungen bei ungefähr 30 % der vorangegangenen Hebewerte.[29] Die Wirktiefe des DGS liegt zwischen 70 und 100 mm.

Für den Zusammenhang der Setzung von der Hebung gilt die folgende empirische ermittelte Beziehung:[27]

Wird ein Gleis ohne Hebung gestopft, setzt sich das Gleis hinterher trotzdem, weil die Stopfpickel den Schotter unter der Schwelle aufgelockert haben. Das Ausmaß dieser Setzung ist ein Ausdruck der Volumenverdrängung durch die Stopfpickel.

BEISPIEL

Berechnung der erwartbaren Setzung bei einer Hebung von 25 mm

Gegeben:

Gesucht: Setzung durch DGS

8.9.3.5 QVW und DGS

Aus der Setzung, die mit dem DGS erreicht wird, ergibt sich aus Versuchen eine Beziehung zum QVW. Die Erhöhung des QVW in % durch die Stabilisierung kann wie folgt ausgedrückt werden:

BEISPIEL

Berechnung der erwartbaren Erhöhung des QVW durch dynamische Gleisstabilisierung

Gegeben:

S = 7 mm

Gesucht: QVW-Erhöhung durch DGS

QWV(%) = 13 · ln7 + 10 = 35,3%

Die durch DGS erreichte Setzung entspricht 80 bis 100.000 Lt.[29]

Merksatz

Die dynamische Gleisstabilisation bringt durch Exzenterantriebe, die den Gleisrost einspannen, den Gleisrost zum Schwingen. Die elasto-liquiden Eigenschaften des Schotterbettes bei Frequenzen um 30 Hz werden genutzt. Horizontale Schwingungen sind effizienter als vertikale. Die Stabilisierung ist weitgehend unabhängig von der Arbeitsgeschwindigkeit (bis 3 km/h nachgewiesen). Die entstehenden Setzungen werden durch die Frequenz und Schlagkraft bestimmt. Sie betragen maximal etwa 30 % der vorangegangenen Hebung – bei Neulagen maximal 20 mm. Die dynamische Gleisstabilisierung entspricht einer Verkehrsbelastung von 80.000 bis 100.000 t und erhöht den QVW, der nach einer Instandhaltungsarbeit wie dem Stopfen entsteht, um etwa 30 %.

8.9.3.6 Auswirkung auf die Gleisgeometrieparameter

Durch den DGS verschlechtert sich die Höhenlage (circa 30 bis 50 % Anstieg der Standardabweichung der Längshöhenverbesserung); die Richtung verbessert sich geringfügig (um 5 bis 10 %). Die Verschlechterung der Höhenlage beruht auf unregelmäßigen Setzungen des DGS. Die Verbesserung der Richtlage wird durch Ausgleich lokaler Gleisspannungen erzielt.[30]

Obwohl der Einsatz des DGS den QVW mehr erhöht als die Zwischenfachverdichtung, weist die Zwischenfachverdichtung den Vorteil auf, die Gleislage durch den Verdichtungsvorgang nicht zu verschlechtern.

8.9.3.7 Auswirkungen des DGS auf die Umwelt

Viele Untersuchungen belegen eine geringe temporäre Beeinflussung des DGS auf die Umwelt. Messungen der DB wiesen eine nur geringe Beanspruchung der Befestigungsmittel und signal- und fernmeldetechnischer Einrichtungen nach.[31]

Die Tabelle 8.18 zeigt die Dominanz der horizontalen Beschleunigungen.

Tabelle 8.18: Erzeugte Beschleunigungen durch den DGS, abhängig von der Vibrationsfrequenz; Quelle: Autor nach [31].

Die Schwingungen des DGS sind hinsichtlich Gebäuden und anderen baulichen Anlagen unbedenklich (Bild 8.14).

Bild 8.14: Schwinggeschwindigkeiten durch DGS; Quelle: Autor nach [32].

8.9.4 Flankenverdichtung

Nicht nur das Zwischenfach wird verdichtet. Es gibt Rüttelplatten, die den Vorkopf und Teile der Flanke überdecken und verdichten. Der Querverschiebewiderstand erhöht sich um etwa 3 %.

8.9.5 Vorkopfverdichtung

Die Vorkopfverdichtung etablierte sich auf Stopfmaschinen als Standardanwendung. Sie sind trogförmige Rüttler, in die ein einfacher Exzenterantrieb eingebaut ist. Bei der Vorfahrt der Maschine werden sie angehoben und beim Stopfvorgang abgesenkt. Aufgebaut werden sie auf Höhe der Stopfaggregate oder auf einem der Stopfstelle nachlaufendem Drehgestell. Sie verdichten den Raum, der unmittelbar an die Schwellenende angrenzt, und schließen den Spalt, der sich durch das Richten des Gleises gebildet hat. Die Vorkopfverdichtung erhöht den QVW um etwa 4 %.

8.9.6 Vergleich Zwischenfachverdichtung und dynamischer Gleisstabilisation

In[24] wurde mit Discrete Element Methoden (DEM) mit dem NSCD-Ansatz (englisch: Non-Smooth Contact Dynamics) die Zwischenfachverdichtung mit dem Dynamischen Gleisstabilisator verglichen. Der Zwischenfachverdichter wurde mit dem Vorkopfverdichter gemeinsam simuliert. Die typische Einwirkzeit betrug 2 s bei 50 Hz. Ausgewertet wurde der Feststoffanteil unter den Schwellen und im Zwischenfach.

Die Verdichtstempel sind links und rechts im Zwischenfach neben der Schiene und in Längsrichtung am Vorkopf angeordnet (Bild 8.15). Die Maschine bewegt sich von rechts nach links zyklisch von Schwelle zu Schwelle vorwärts.

Bild 8.15: Anordnung der Verdichtstempel des Zwischenfachverdichters; Quelle: Autor.

Je höher der Feststoffanteil, umso höher sind die Verdichtung und die Haltbarkeit der Stopfung. Wie zu erwarten, ist die Verdichtung im Zwischenfach mit 63 % Feststoffanteil durch den Zwischenfachverdichter am höchsten. Der Dynamische Gleisstabilisator liegt unter diesen Werten. Unter der Schwelle hingegen sind die Werte des Stabilisators höher als jene des Zwischenfachverdichters. Beide Verfahren heben die Ausgangsverdichtung nach dem Stopfen deutlich an (  Bild 8.16).

Bild 8.16: Feststoffanteile nach dem Einsatz des Zwischenfachverdichters und des Dynamischen Gleisstabilisators; Quelle: Autor nach [24].

Bild 8.17 zeigt den Verlauf der Querverschiebewiderstände nach Einsatz des Zwischenfachverdichters und des Dynamischen Gleisstabilisators.

Bild 8.17: Aus den DEM-Simulationen berechnete Querverschiebewiderstände nach Zwischenfachverdichtung oder nach Dynamischem Gleisstabilisator; Quelle: Autor nach [24].

Der QVW nach dem Dynamischen Gleisstabilisator bei 2 mm Verschiebung liegt mit 3,8 kN etwas über dem QVW des Zwischenfachverdichters mit 3 kN. Die SNCF betrachtet die Zwischenfachverdichtung als annähernd gleichwertig zur dynamischen Gleisstabilisierung.[24]

Merksatz

Die dynamische Gleisstabilisation ist das maschinelle Verfahren, welches den Querverschiebewiderstand am meisten erhöht. Nachteilig ist der Verlust an Gleisgeometriequalität der Längshöhe durch die unregelmäßigen Setzungen des DGS. Die Zwischenfachverdichtung resultiert in einem geringeren QVW, ist allerdings mit keinem Gleisgeometrieverlust verbunden.

8.10 Die Maschinentechnik

8.10.1 Stopfaggregate als Verdichtgeräte

Die verschiedenen Arten der Stopfaggregate wurden bereits ausführlich in Kapitel 7 behandelt. Gemeinsam ist den verschiedenen Ausführungsformen: Sie bringen die Verdichtschwingung über Pickelplatten ein und verdichten den Schotter lokal im Umfeld der vibrierend sich aufeinander zu bewegenden Platten.

Das Bild 8.18 zeigt ein Weichenstopfaggregat mit vollhydraulischem Stopfantrieb von System7 rail während der Arbeit.

Bild 8.18: Weichenstopfaggregat, eingetaucht und verdichtend im Schotterbett; Quelle: Fa. System7 rail.

8.10.2 Dynamischer Gleisstabilisator

Bild 8.19 zeigt den Dynamischen Gleisstabilisator DGS 62 N mit zwei angehobenen Stabilisieraggregaten. Damit genügend hohe vertikale Anpresskräfte aufgebracht werden können, ist die Maschine mit Drehgestellen ausgeführt. Frühe zweiachsige Maschinen sind des Öfteren wegen der Verringerung der Achslasten entgleist und mussten ballastiert werden. Die Stabilisieraggregate haben über Zahnräder gekoppelte, gegenläufige Unwuchten, deren Kraftkomponenten sich in vertikaler Richtung kompensieren und in horizontaler Richtung addieren. Da sich der Schwerpunkt der rotierenden Exzentrizitäten über der Schienenoberkante befindet, wirkt nicht nur eine horizontale Schlagkraft, sondern auch ein Kippmoment auf den Gleisrost. Die erregende Schwingung muss die Amplitude der Schiene in der Schienenbefestigung übertreffen, den Gleisrost mitnehmen und so den Schotter anregen. Typische Schwingamplituden der Schwellen liegen bei 1,5 bis 2,5 mm.

Bild 8.19: Dynamischer Gleisstabilisator; Quelle: WikiCommons CCO, AI1–TrainPix.

Die beiden Stabilisieraggregate sind über eine Kardanwelle miteinander verbunden. Sie werden entweder synchron oder asynchron betrieben. Laufen sie synchron, bildet sich eine schwingende stehende Welle aus, die durch die Maschine vorwärtsbewegt wird. Bei asynchroner Kopplung hat diese Welle die halbe Wellenlänge. Beide Arten sind in etwa gleich wirksam. Als Vorteil der asynchronen Kopplung wird eine geringere Schwingungsausbreitung in die Umgebung gesehen.

Die Stabilisieraggregate verfügen über Teleskopachsen, die während der Arbeit auseinandergepresst werden, um einen guten Kontakt zur Schiene herzustellen. An der Außenseite der Schienen bewegen sich angepresste Rollen und spannen sie ein. Die Frequenz der Maschinen ist bis zu 40 Hz einstellbar. Die Aggregate sind über Schwingungsdämpfer mit der Maschine verbunden. Diese sind so ausgelegt, dass die Maschine bei circa 30 Hz ruhig läuft. Bei höheren Frequenzen werden zunehmend Maschinenteile angeregt.

Die Maschine verfügt über ein Stahlsehnenmesssystem. Im Bereich der Stabilisieraggregate wird ein Messwagen geführt, mit dem die Längshöhe gemessen wird. Diese liegt im Setzungsbereich und misst daher die Setzung nicht exakt, sondern näherungsweise. Mit einem physikalischen Pendel wird die Überhöhung ermittelt. Ist ein Gleislagecomputer vorhanden, wird bei Abweichungen der Querhöhe vom Soll die vertikale Auflast links und rechts entsprechend erhöht oder abgesenkt, um der Abweichung entgegenzuwirken. Da die Stahlsehnen schwingen, werden die Messsensoren, die die Stahlsehne abgreifen, mechanisch gedämpft ausgeführt. Das wirkt sich nachteilig auf die Messgenauigkeit bei kleinen Fehlern (geringe Auslenkkräfte) aus.

Als optimal hat sich unabhängig von der Oberbauart ein Frequenzbereich zwischen 28 bis 38 Hz erwiesen. Bei niedrigeren Frequenzen kommt es zu erhöhten Schwingungsamplituden des Gesamtsystems Maschine-Gleisrost. Diese führen auf Dämmen zu schwer kontrollierbaren Setzungen – deshalb wird dieser Frequenzbereich gemieden. Bei höheren Frequenzen nehmen die plasto-elastischen (verflüssigenden) Eigenschaften des Schotters zu. Ein Maximalwert an Absenkung ist mit maximaler konstanter Auflast und maximalen Frequenzen erreichbar.

Am Markt sind Stabilisatoreinheiten mit verstellbarer Unwucht erhältlich. Bei diesen kann die dynamische Schlagkraft kontinuierlich verstellt werden. Vorteilhaft ist die Verstellung der Schlagkraft, da das Aggregat an wechselnde Verhältnisse des Setzungsverlaufs anpassbar ist. Theoretisch sind damit die beim DGS-Einsatz entstehenden ungewünschten Längshöhenfehler reduzierbar.

8.10.2.1 DGS-Einsatz in Weichen

Bei der Arbeit in Weichen mit dem DGS werden Hindernisse erkannt und der Steuerung über Drücken einer Weichenhindernistaste bekannt gegeben. In diesem Bereich werden die Rollzangen der entsprechenden Seite (abzweigender Strang, Herzstückbereich, teilweise der Zungenbereich) für jedes Aggregat getrennt geöffnet und nach dem Hindernis wieder geschlossen. Somit bleibt über die gesamte Weiche hinweg der Kraftschluss zwischen den Aggregaten und zumindest einer Schiene erhalten. Die Rollzangen auf der Seite des durchgehenden Schienenstranges in der Weiche bleiben stets geschlossen. Die erzielbare Absenkung in Weichen beträgt etwa 30 bis 50 % jener, die im Streckengleis erreichbar ist. Grund dafür ist die erheblich größere Masse der Weiche, weshalb sich die Anregung des Weichenrostes im Vergleich zur freien Strecke verringert.

8.10.2.2 DGS-Einsatz auf Brücken

Auf Brücken wird sicherheitshalber die vertikale Auflast halbiert. Muss die Maschine stillstehen, wird die Vibration ausgeschaltet. Ein langsames Hoch- und Niederfahren der Frequenz ist untersagt, um die Gefahr von Resonanzerscheinungen zu vermeiden. Stabilisiereinheiten mit verstellbarer Unwucht haben den Vorteil, die Schlagkraft reduzieren zu können. Allerdings sinkt damit auch deren Wirksamkeit.

8.10.2.3 Die Messung des dynamischen QVW mit dem DGS

Die kontinuierliche Messeinrichtung basiert auf der Idee, die