Schienenverkehrstechnik: Grundlagen der Gleistrassierung

343 Pages·2002·23.22 MB·German

by  Prof. Dipl.-Ing. Wolfgang Schiemann (auth.)

Wolfgang Schiemann
Schienenverkehrstechnik
Grundlagen der Gleistrassierung
Wolfgang Schiemann
Schienen
verkehrstechnik
Grundlagen der Gleistrassierung
1m
Teubner
B. G. Teubner Stuttgart· Leipzig· Wiesbaden
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
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der Deutschen Bibliothek erhaltlich.
Prof. Dipl.-Ing. Wolfgang Schiemann vertrat in den zurOckliegenden 15 Jahren die lehre und
Forschung fOr das Fachgebiet Verkehrswesen mit dem lehrfach Schienenverkehrswesen an der Fach
hochschule Kaiserslautern. Er ist weiterhin als Sachverstandiger im Verkehrswesen und in For
schungsgremien tatig.
1. Auflage August 2002
Aile Rechte vorbehalten
© B. G. Teubner GmbH, Stuttgart/leipzig/Wiesbaden, 2002
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ISBN-13: 978-3-519-00363-2 e-ISBN-13: 978-3-322-84801-7
001: 10.1007/978-3-322-84801-7
Vorwort
Bei meiner langjiibrigen Titigkeit als Fachdozent fUr das Verkebrswesen an der Fachhochschule
Kaiserslautem wurde mir schon bei der jiihrlichen Einfillmmg des Erstsemesters der Studierenden
des Bauingenieurwesens in das Lehrgebiet Schienenverkehrswesen immer wieder deutlich. wie we
nig fundierte. grundlegende Fachliteratur fUr die begleitende Vertiefung des Lehrstoffes im Grund
studium zur Verfugung steht.
Wihrend die Menge der populiirWissenschaftlichen Publikationen kaum tiberschaubar ist. hlilt sich
die ZahI der in den letzten Jahren erschienenen Fachbticher tiber das Schienenverlcehrswesen da
gegen in Grenzen. Dabei bezieht sich die spezifische Fachliteratur tiberwiegend auf ausgewlihlte
Spezialgebiete des Eisenbahnwesens in Form von VerOffentlichungen in Fachzeitschriften. Dieses
augenflillige Defizit wird nattirlich im Rahmen des Studiums durch Vorlesungsumdrucke aus dem
eigenen Lebrstuhlbereich weitgehendst kompensiert und ist jetzt auslasender Anlass fUr mich. mei
ne aktuellen Vorlesungsskripten tiber die Grundlagen der Fahrweg-Trassierung und die Bemessung
der Fahrweg-Elemente in einem Lehrbuch zusammenzufassen.
Den Studierenden des Verkehrswesens an den Hochschulen muss mit entsprechender Fachlitera
tur ein begleitendes Rtistzeug an die Hand gegeben werden. um sich ein Grundverstandnis fUr die
Funktionsmechanismen und Regelkreisstrukturen innerhalb des Bahnsystems anzueignen und dabei
besonders die fabrdynamischen Prozesse der Bewegungsabliiufe im Detail abschitzen und bewerten
zu kannen und darauf autbauend jeweilige Spezialstudien im Schienenverkehrswesen griinden zu
kannen.
Die Deutsche Bahn in ihren neuen untemehmens- und rechtlich gewandelten Strukturen und den
vielfaltigen. technisch weiterentwickelten Tiitigkeitsfeldem hat zuktinftig tiberragende Aufgaben
bei der Bewiltigung des Verlcehrs zur Entlastung der StraBen zu leisten. Dazu benOtigt sie in
den niichsten Jabren besonders hochqualifiziertes Fachpersonal auch als Bauingenieure. die mit
ihrem an den Hochschulen erworbenen Fachwissen die Fahrwegtrassen der Zukunft fUr den Hoch
geschwindigkeitsverkehr planen. entwerfen und betreiben kannen.
Das vorliegende Lehrbuch soli die fachlichen Grundlagen fUr den Planungs-und Entwurfsprozess
der heutigen Netzstruktur der Bahn auf der Grundlage der neuen modularen Regelwerke vermit
teln und damit das spezifische Leistungsspektrum der modemen Fahrwegtechnik aufzeigen. GroSer
Wert wird auf die Darstellung der fahrdynamischen Abliiufe im Detail gelegt. um damit einer
seits das technische Grundverstiindnis fUr das Wechselspiel zwischen den fabrdynamischen Ge
setzmi8igkeiten und der Bemessung der Elemente des Fahrweges sowie andererseits die tibergrei
fenden Zusammenhinge der einzelnen Disziplinen im Schienenverlcehr zu wecken.
Beschrieben werden die gilltigen technischen Regelwerke. aktuellen Erkenntnisse der Fabrdynamik.
die linienfillmmg. die Querschnittsgestaltung sowie die Konzeption und Bemessung der Fahrweg
konstruktion.
VI Vorwort
Daneben steht die Anwendung der BemesSWlgsgnmdsitze im Vordergnmd. Anhand einer Hille
praxisorientierter Beispiele werden auf der einen Seite die wichtigsten Formelansatze der Fabrdy
qamik lUllgesetzt und transparent dargestellt und auf der anderen Seite werden Auswertungen von
Fahrabliufen verschiedener Zugeinheiten fiber Zugkraftlinien und Bescbleunigungsdiagramme vor
genommen.
Damit solI dieses Fachbuch in besonderem Ma8e die Lehre an den Facbhochschulen und Techni
schen Universititen unterstUtzen, aber auch den in der Praxis titigen Entwwfsingenieuren ein fach
rur
lich versierter Begleiter und Ratgeber sein und ibnen ein spezifisches Know-how leistungsf8hi
ge, umweltschonende und auch wirtschafdiche Ihnmgen im eisenbahntechnischen Fabrwegbau
angeboten werden.
Abschlie.8end sei f"lir das Zustandekommen dieses Buches in besonderer Weise meinem Sobn, Dr.
rer. nat. Stephan Schiemann, gedankt, der mich bei der technischen Erstellung des Manuskriptes a1s
reproreife Druckvorlage und bei der kritischen Durehsicht sehr unterstUtzt hat.
Bad Saulgau, im Sommer 2002
Wolfgang Schiemann
Hinweise und Anregungen nimmt der Autor per email unter [email protected] gem entge
gen.
Inhaltsverzeichnis
1 Elnmhrung, Begrlffsbestlmmung 1
1.1 Bewegung -Transport -Verkehr -Kommuoikation . . . . . . . . . . . 1
1.2 Verkehrssysteme. Transportsysteme ... . . . . . . ..... 2
1.3 Spurgeflihrte Bahnsysteme. Scbienenbabn. Eisenbabn . . . . . . . 4
1.4 Die neue Babn - Gliederung der Deutsche Babn Aktiengesellschaft (DB AG) 4
1.5 Gesetzliche Grundlagen. . . . . . . . . . . . . . 14
1.5.1 Gesetze............................. 14
1.5.2 Rechtsverordnungen............... '. . . 27
1.5.3 Weitere Bau-und Betriebsordnungen fOr Eisenbabnen 31
1.5.4 Intemationale Rechtsvorschriften ....... . 31
1.6 Intemationale Institutionen der Eisenbabn . . . . . . . . . . . 32
1.6.1 Intemationaler Eisenbabnverband UIC. . . . . . . . . . . . . 32
1.6.2 Europaisches Itistitut fUr Eisenbahnforschung ERRI " 32
1.6.3 Intemationale Eisenbabn-Kongressvereinigung AICCF . . . . 32
1.6.4 Gemeinschaft der Europliischen Bahnen (GEB). ..... . 32
1.7 Bautechnische Regelwerke der Deutschen Bahn AG ......... . 32
2 Teehnlsche Grundlagen, Fahrdynamik, Traktion 34
2.1 Rad-Scbiene-System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.2 Tragsystem. Fiihrungssystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.3 Kinematik des Einzelfahrzeuges; Bewegungsgleichungen . . . 38
=
2.3.1 Gleichma6ig beschleunigte/verzogerte Bewegung (b konst.) ..... 42
= =
2.3.2 Gleichf6rmige Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit (b OJ v
konst.) ......................... . 44
2.4 Geschwindigkeitsprofil. Geschwindigkeitsganglinie . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.5 Massenfaktor bei Beriicksichtigung rotierender Fahrzeugmassen . . . . . . . . . . 46
2.6 Fahrzeitberechnungen mit konstanten Beschleuoigungs-und Verzogerungswerten . 48
2.6.1 Beispiel: Fahrzeit zwischen Bf A und Bf B . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.6.2 Beispiel: Fahrzeit zwischen S-Babn-Haltepunkten (Gefallestrecke) .... 49
2.6.3 Beispiel: Fahrzeit zwischen Bf A und Bf B (Ausweichstelle. Gradienten-
vorgabe) ..................... . 54
2.7 Fahren im beweglichen Raumabstand (Raumblock) . . . . 61
2.8 Beispiel: Fahren im relativen Bremswegabstand V1 = V2 62
<
2.9 Beispiel: Fahren im relativen Bremswegabstand V1 V2 64
2.10 O'bertragung der Antriebs-und Bremskrlifte . . 68
2.10.1 Traktion. Haftreibung. . . 68
2.10.2 Bewegungszustiinde ......... . 71
2.11 Bewegungswiderstande . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
2.11.1 Laufwiderstand WL [N] oderwL [N/kN] .. 76
2.11.2 Streckenwiderstand W St,. [N] oder W St,. [N / kN] 80
2.11.3 Beschleunigungswiderstand W B [N / kN] .. . . . . . . . . 83
2.11.4 Gesamtwiderstiinde L: W [N] bzw. L: W [N /kN] 83
2.11.5 Empirische Fahrwiderstandsformeln .... . 84
2.12 Zugkrlifte. Z-V Diagramm ............ . 85
2.12.1 Zugkraftiiberschuss; Zu - V -Diagramm . 88
vm Inhaltsverzeichnis
2.12.2 Beispiel: Ermittlung des Zugkraftiiberschusses bei einer Zugfahrt . . . .. 90
2.12.3 Beispiel: Ermittlung der maBgebenden Steigung .............. 91
2.12.4 Beispiel: AuswertuDg eines Z~/s-V - Diagramms (Beschleunigungs-Stei-
gungs-Geschwindigkeits-Diagramm) .................... 93
2.13 ADfahrzeit-Anfahrweg-Berecbnungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 100
2.13.1 AV -Verfahren ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 100
2.13.2 Beispiel: Ermittlung der Anfahrstrecke und Anfahrzeit fUr einen Giiterzug
(Schwerlast) nach dem A V -Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 102
2.13.3 At -Verfahren ............................... , 104
2.13.4 Beispiel: Ermittlung der Anfahrstrecke und ADfahrzeit flit cine Zugfahrt
mit einer Lok BR 103 nach dem At -Verfahren .............. 105
2.14 Zugbremsung .................................... , 108
2.14.1 Bremsvorgang. Bremssyteme. Bremsweg . . . . . . . . . . . . . . . 108
2.14.2 Erfassung des Bremsvermogens ...................... , 113
2.14.3 Bremstafel ......... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 113
2.14.4 Ermittlung des Bremsweges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 114
2.14.5 Bremswegberecbnung nach der Mindener Formel . . . . . . . . . . . . .. 115
2.14.6 Bremswegberecbnung nach der Miinchener Formel . . . . . . . . . . . .. 118
3 Fahrweg - Llnienmhrung 11'
3.1 Allgemeine Grundsatze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 119
3.2 Trassierung mit dem Nulllinienverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 121
3.3 Trassierungselemente................................. 123
3.3.1 Gerade .................................... 123
3.3.2 Kreisbogen.................................. 123
3.3.3 Ubergangsbogen............................... 146
3.3.4 Ubedlohungsrampen ............................. 161
3.3.5 Zulassige HOchstgeschwindigkeiten max V in GleisbOgen. . . . . . . .. 165
3.3.6 Beispiel: Trassierung der ElementeDfolge GegenbogenlKorbbogen/Kreis-
bogenlGerade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 166
3.3.7 Beispiel: Neubau-Trassierung Gerade -Kreisbogen mit s-formig geschwun-
gener Kriimmungslinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 173
3.3.8 Beispiel: Gleisstrecken-Entwurf aus der Praxis . . . . . . . . . . . . . .. 174
3.3.9 Gleisverziehungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1~
3.4 Gleisplan - Trassengestaltung mittels DV-Programme . . . . . . . . . . . . . . .. 185
3.4.1 Achskonstruktion............................... 186
3.4.2 Beispiel: Berechnung zweier Achsen mit Gleisverbindung . . . . . . . .. 187
4 Fabrweg - Llnlenmhrung 1m Aufrlss 1'1
4.1 Lingsneigungen .................................... 191
4.2 Ausrundung von Neigungswechseln und Neigungsanderungen . . . . . . . . . .. 191
4.3 Regelwerte fUr die Ausrundung von Neigungswechseln . . . . . . . . . . . . . .. 194
4.4 Beispiel: Wannenausrundung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 196
5 Eiemente der Glelsverblndungen 198
5.1 EiofUhrung ........................... . 198
5.2 Weichen.............................. 198
5.2.1 Aoforderungen ..................... . 198
Inhaltsverzeichnis IX
5.2.2 Beanspruchungen del" Weichen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 199
5.2.3 Einfache Weiche (EW) . . . . • . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
5.2.4 Weicbenbezeichnung............................. 202
5.2.5 Weichen-Elemente.............................. 202
5.2.6 Doppelweicben (OW) ............................ 212
5.2.7 Berechnung von einfacben Weichen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
5.2.8 Bogenweicben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
5.2.9 Klothoidenweichen..'........................... 226
5.2.10 Weichen mit vertauschter Zungenvorrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . 228
5.3 Kreuzungen (Kr) ..................... . . . . . . . . . . . . . . 229
5.3.1 Kreuzungsweicben .............................. 231
, Fahrweg-Quersebnltt 244
6.1 Allgemeine Zusammenstellung der Elemente des QuerschDitts . . . . . . . . . . . 244
6.2 Regellichtraum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
6.2.1 Fahrzeugbegrenzungslinie.......................... 244
6.2.2 Grenzlinie................................... 246
6.2.3 Kinematiscber Regellicbtraum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
6.2.4 Berechnung der Grenzlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.S3
6.3 Gleisabstiinde..................................... 257
6.3.1 Freie Strecken ................................ 257
63.2 S-Bahn-Strecken............................... 259
6.3.3 BahnhOfe................................... 260
6.4 Fabrweg-Querprofil.................................. 260
6.4.1 Planum.................................... 260
6.4.2 Fahrbahn-QuerschDitt ............................ 262
6.43 Rand-und Zwiscbenwege .... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
6.4.4 Kabeltrassen und Roluztige ......................... 270
6.4.5 Profilierung des Boscbungsraumes bei Auftrags-und EinschDittsstrecken 271
7 Fahrweg - Konstruktlon 272
7.1 Einf'Ubrung ..................................... . 272
7.2 Querscbwellenoberbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
7.2.1 Schienen .................................. . 274
7.2.2 Scbwellen .................................. . 279
7.23 Schienenbefestigung............... 282
7.2.4 Bettung ..................... . 291
7.3 Tragplattenoberbau~ Feste Fahrbahn . . . . . . . . . . . 293
7.3.1 Monolytiscbe Bauform ............. . 294
73.2 Aufgel6ste Bauform .............. . 295
8 Beanspruebungen des Fahrweges 298
8.1 EinfUhrung ..................................... . 298
8.2 Ermitdung der Spannungen in Schienenfu8mitte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
8.2.1 Wirksame Radkraft Q ........................... . 300
8.2.2 Bettungsmodul C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
8.2.3 Oberbauzustand und Fahrgescbwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
8.2.4 Breite des Langscbwellenoberbaues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
x
Inhaltsverzeichnis
8.2.5 Triigheitsmomente lDld Widerstandsmomente der Schiene ..... 301
8.2.6 Elastische. ideelle Lange L. (Gnmdwert) . . . . . . . . . . . . . . 301
8.2.7 Einftuss der benachbarten Achsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
8.2.8 Biegezugspannung in der Mitte des SchienenfuBes . . . . . . . . . . 302
8.3 Ermittlung der Schwellenkraft S und der SchotterpresslDlg p . . . . . . . . . 303
8.3.1 Beispiel: Ermittlung der Biegezugspannung. Schwellenkraft und Schotter-
pressung ......................... 305
8.4 Beanspruchung des Schienenkopfes ....... . . . . . . . . . . . . . . 313
8.4.1 Belastungsnachweis fiir den Schienenkopf. . . . . . . . . . . . . . 313
8.4.2 Ermittlung der FlachenpresslDlg in der Beriihrstelle RadlSchiene . 315
8.5 Gleisstabilitat~ Querverschiebewiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
9 Literatunerzelchnis 321
1 Einfuhrung, Begriffsbestimmung
1.1 Bewegung - Transport - Verkehr - Kommunikation
Diese GrundbegrifTe kennzeichnen heute im Wesentlichen das sich in seiner Vielfalt darstellende
Geschehen des Verkehrswesen. Wenn dabei von ,,Bewegung" gesprochen wird, meint man damit
alIgemein die zeitliche Anderung der Ortskoordinaten von Gegenstiinden; das konnen Fahrzeuge,
Guter oder auch Personen sein. Bei dem Begriff ,;I'ransport" wiederum wird die riiumliche-zeitliche
Veriiuderung von Personen und Gutem unter Einsatz technischer Mittel, wie etwa Fahrzeuge, die
sich auf vorgegebenen StraSen- und Schienenwegen bewegen, beschrieben. Aus diesen Rahmen
handlungen ergibt sich der Begriff .Yerkehr", der als Menge alIer rauro-zeitlicher Verlinderungen
von Personen und Giitem in einem geometrisch oder/und geograpbisch bestimmten Rauro mittels
Verkehrssystemen beschrieben werden kann. SchlieSlich hat sich in den letzten Jahren in unse
rer Informationsgesellschaft die Dbertragung von Nachrichten und sonstiger Daten unterschiedli
cher Art und Intensitat entwickelt, seien es Presse-, Rundfunk- oder Fernsehinformationen oder
aber auch Telefon-, Telex-oder Intemetdaten, alles sind Bewegungen von Informationsdaten in un
terschiedlichen Richtungen uber Datentrager in einer Vielzahl von Netzstrukturen und dienen der
,;Kommunikation" in unserer Gesellschaft.
Transport
Abbildung 1.1: Transport-und Verkehrssysteme sind Teil des Gesellschaftssystems
Die Gesamtheit des heutigen Verkehrsgeschehens wird ganz alIgemein umrissen durch den Be-
W. Schiemann, Schienenverkehrstechnik
© B. G. Teubner GmbH, Stuttgart/Leipzig/Wiesbaden 2002