Detektieren von punktuellen Instabilitäten anhand typischer Rad-Schiene-Kräfte (EPIB 2)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stephan Freudenstein
• Fachliche Zuordnung: Geotechnik, Wasserbau
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 321042143

Der Schotteroberbau erzielt die erforderliche Lastverteilung und Dämpfung der dynamischen Radkräfte entsprechend den Steifigkeit von Ober- und Unterbau. Diese sind entlang des Gleises z.B. durch Wechsel der Unterbauverhältnisse, aber auch von Schwelle zu Schwelle infolge unterschiedlicher Auflagerverhältnisse Schwankungen unterworfen. Die Abweichungen der Gleislage entlang des belasteten Gleises bestimmen die Gleislagequalität und damit den fahrwegseitigen Beitrag zu den auftretenden dynamischer Rad-Schiene-Kräften. Infolge plastischer Verformungsanteile im Schotter bzw. Unterbau sind Gleislage und Oberbausteifigkeit lastwechsel- und zeitabhängigen (klimatische Einflüsse) Veränderungen unterworfen. Im Bereich von Einzelfehlern ergibt sich durch rückkoppelnde Effekte zwischen Fahrzeug und Fahrweg eine lokal beschleunigte Abnahme der Gleislagequalität, verbunden mit vorzeitiger Veranlassung von Unterhaltungsarbeiten. Zum Erreichen der Gesamtzielstellung soll im Teilprojekt EPIB 2 die Auswirkung von lokalen Instabilitäten im Untergrund/ Unterbau auf die Rad-Schiene Kräfte über Simulationsberechnungen unter Verwendung eines kalibrierten Fahrzeug-Fahrweg-Untergrund Interaktionsmodells bestimmt werden. Hierzu sind entsprechende Untersuchungen in situ notwendig. Zusagen der DB Netz AG und ÖBB INFRA liegen vor. Da die dynamischen Rad-Schiene Kräfte durch die Geometrie des belasteten Gleises in Wechselbeziehung mit den Steifigkeitsverhältnissen und den fahrzeugseitigen Parametern (Massenbelegung, Federungs- und Dämpfungseigenschaften) bestimmt werden, muss das Modell in Abhängigkeit der Geschwindigkeit einen entsprechend langen Gleisabschnitt abbilden. Es wird eine möglichst hohe Flexibilität des Modells angestrebt, um eine Übertragbarkeit auf unterschiedliche Schotteroberbauformen zu erreichen. Ziel des Arbeitspakets im Verbundprojekt ist es, punktuelle Instabilitäten, welche eine Zunahme von plastischen Verformungen infolge lokal reduzierter Steifigkeit bei bindigen Böden im Unterbau/Untergrund verursachen, möglichst einfach und sehr frühzeitig zu erkennen, bevor sie zu ausgeprägten Gleislagefehlern führen. Lokale Steifigkeitsänderungen können detektiert werden über Schwankungen der Rad-Schiene Kräfte, die jedoch überlagert werden von dynamischen Kräften entsprechend der aktuellen geometrischen Gleislagequalität. Typische (hinsichtlich Frequenz und Amplitude), dynamische Zusatzanregungen bzgl. der Rad-Schiene-Kräfte, als Indikatoren für das Vorhandensein lokaler Gleisstefigkeitsunterschiede und damit Hinweis auf punktuelle Instabilitäten, könnten dann für die Praxis in einfacher Weise aus kontinuierlichen Aufzeichnungen der Vertikalradkräfte mittels Messradsätzen bzw. Achslagerbeschleunigungen, auch bei Regelzügen, gewonnen und in das Fahrwegunterhaltungsmanagement integriert werden. Im Weiteren würde damit die Aussagekraft von Georadarmessungen im Hinblick auf Steifigkeitsverhältnisse entlang des Gleises gestärkt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen