Bestimmung der Charakteristik von punktuellen Instabilitäten anhand

von Gleismessdaten

Bachelorarbeit

Bachelorarbeit von Anastasia Frolenkow

Betreut von Dr.-Ing. Sebastian Rapp

Bearbeitungszeitraum 11.2018 - 05.2019

Bahnstrecken sind linienförmige Bauwerke, die durch Witterungsfaktoren und Verkehrslasten bean-

sprucht werden. Die damit einhergehenden Einwirkungen können Unstetigkeitsstellen, wie beispiels-

weise punktuelle Instabilitäten, am Gleis verursachen, die in der Regel aufwendige Instandsetzungs-

maßnahmen erfordern.

Folgende Punkte wurden in der Bachelorarbeit bearbeitet:

Beschreibung des Aufbaus des Bahnkörpers in Schotterbauweise und seine Systemkomponenten

Analysieren und Kategorisieren von kurz,- mittel– und langwelligen Schienen- und Gleislagefeh-

lern am Gleis

Bestimmung der Ursachen die zu einer punktuellen Instabilität führen Foto: Anastasia Frolenkow

E-2019/05

Erläuterung der Fahrwegzustandserfassung mithilfe von Gleismesszügen der DB Netz AG

Analysieren die vom Gleismesszug RAILAB (Rollendes- Analyse und Inspektions-Labor) erzeugte Gleismessdaten

Detaillierte Beschreibung der am IEV entwickelten MATLAB-Logiken zur Einzelfehlerauswertung mit der Software Enterprise Architekt

Anwenden der MATLAB-Logiken auf die vom RAILAB gemessenen Rohdaten und Analyse der Längshöhen im Bereich einer

punktuellen Instabilität

Erstellung von 7 Fehlerkennlinien für vier 4 Fehlerklassen (punktuelle Instabilität, Isolierstoß, Brückenüberfahrt, periodischer Längshö-

henfehler) zur Unterscheidung von Längshöhenfehlern im Messschrieb

Beurteilung der ausgeführten Instandhaltungsmaßnahmen zur Behebung von punktuellen Instabilitäten

Wesentliche Ergebnisse (siehe Abbildung 1):

die untersuchten punktuellen Instabilitäten besitzen einen Wellenlängenbereich zwischen 4 m ≤ λ ≤ 25 m

zu wirksamen Instandhaltungsmaßnahmen zählen: Einbau einer Planumsschutzschicht in Kombination mit einem Geokunststoffflies

kaum wirksame Instandhaltungsmaßnahmen sind: händisches/ maschinelles Stopfen, Durcharbeiten, Schotteraustausch,

Durchführen von Schürfen/ Bohrungen und Reinigen der Entwässerungsanlagen

class Charakteristik punkutelle Instabilität

Charakteristikpunktuelle Instabilität

Ursachen für die Entstehung

einer punktuellen Instabilität

Vorraussetzung für das Entstehen einer

punktuellen Instabilität

visuelles Erscheinungsbild

Schadensbildam Bahnkörper

Messschrieb Längshöhe(formtreu)

Folgen von nicht - rechtzeitigem Instandsetzen einer

punktuellen Instabilität

Instandhaltungs-maßnahmen

Voraussetzungen für das Entstehen einer punktuellen Instabilität

aufgrund einer Schotterzertrümmerung

harter Boden/ Sohle z.B. Tunnel, Brücke

Betonsohle ohne zusätliche elastische Elemente, z.B

Unterschottermatte, Schwellensohle

Wasseransammlung am Bahnkörper

erhöhte Verkehrsbelastung

bindiger Boden im Unterbau/ Untergrund

mit einem Betttungsmodul zwischen 20 - 50 MN/m³

Voraussetzungen für das Entstehen einer punktuellen Instabilität

aufgrund eines Aufweichen des anstehenden bindigen Bodens

Fehlen einer

PSS/ FSS

Überbean-spruchung

Interne Ursachen Externe Ursachen

konstruktive Ursachen

ein zu großer Schwellen-

abstand

BaumaßnahmenInstandhaltung

fehlerhafte Dimensionierung

der System-

komponenten

fehlerhafte Bauausführung

fehlende Schutzschichten

unzureichende Entwässerung

Bauwerke

starke Erschütterungen

defekte Entwässerung

veränderter Grundwasser-

horizont

defekte Entwässerung

Aufsteigen der Bettungskanten

Bildung eines Längshöhenfehlers

Aufsteigen des feinkörnigen Bodenmaterials

Scherfestigkeitsverlust des Schotterbetts

Entstehung von Schottersäcken

Akkumulation von plastischen Verformungen

Porenwassserüberdruck auf Planumshöhe

Konsistenzänderung des bindigen Bodens

Auflösung des Korngerüsts

Hohllagenbildung

vergleichsweise große Einsenkung des Gleises

unter Belastung

Spritzstellen

weiße Stellen

Hohllagenbildung unter den Schwellen

Bruch, Absplitterung und Abrieb von Schotter

Schotterstaub - Wassergemisch

grauer SchlammAustreten des feinkörnigen Bodenmaterials an

der Oberfläche

Verschmutzung des Schotterbetts

Zumahme von Distanzkorn und Füllkörn, Abnahme des scharfkantigen Skelettkorns

dauerhaft wirksame Maßnahmen

Überbrückungs-maßnahmen

händisches und/oder maschinelles Stopfen

PSS Einbau in Kombination mit Geokunststoffflies

Entwässerung reinigen/

austauschen

Geschwindigkeits-begrenzung

Durcharbeiten

Schotteraustausch

Durchführung von Schürfen, Bohrungen

Erstellung von Bodengutachten

kaum wirksame Maßnahmen

Entgleisungen

Streckensperrungen

verminderter Fahrkompfort

aufwendige Instandhaltungsmaßnahmen

Langsamfahrstellen

maximale Wellenlänge

durch den Fehler beeinträchtigte

Gleisabschnittslänge

Fehlerentwicklungmaximale Amplitude

Standardabweichung

Anzahl Ausschläge

linke Schiene Median bei 2

rechte Schiene Median bei 2,5

linke Schiene starke Fehlerentwicklung,Median bei 0,38

rechte Schiene starke Fehlerentwicklung,Median bei 0,35

positiverBereich

negativerBereich

linke Schiene große Ausschläge,Median bei 14

rechte Schiene große Ausschläge,Median bei 10

linke Schiene kleine Ausschläge,Median bei 5

rechte Schiene kleine Ausschläge,Median bei 4

positiverBereich

negativerBereich

linke Schiene schwache Fehlerentwicklung,Median bei 0,1

rechte Schiene schwache Fehlerentwicklung,Median bei 0,12

5 bis 30 m

linke Schiene hohe Standardabweichungen,Median bei 3,2

rechte Schiene hohe Standardabweichungen,Median bei 4,5

linke Schiene niedrige Standardabweichungen,Median bei 0,8

rechte Schiene niedrige Standardabweichungen,Median bei 0,5

positiverBereich

negativerBereich

linke Schiene Kurzwelligkeit der Längshöhenfehler, Median bei 8

rechte Schiene Kurzwelligkeit der Längshöhenfehler, Median bei 11

linke Schiene Kurzwelligkeit der Längshöhenfehler, Median bei 4

rechte Schiene Kurzwelligkeit der Längshöhenfehler, Median bei 3

positiverBereich

negativerBereich

Abbildung 1: Charakterisierung einer punktuellen Instabilität

Abbildung 2: Durchgeführte Instandhaltungsmaßnahme: Einbau einer Planumsschutzschicht in Kombination mit einem Geokunststoffflies

Abbildung 3: Finaler Zustand einer punktuellen Instabilität (Quelle: Australien Rail Track Company LTD)