Das Verhalten von lückenlos verschweissten - ETH E

DISS. ETH Nr. 21943
Das Verhalten von lückenlos verschweissten Gleisen (LVG)
in engen Radien der Meterspur
ABHANDLUNG
zur Erlangung des Titels
der
DOKTOR DER WISSENSCHAFTEN
ETH ZÜRICH
vorgelegt von
BERND MICHAEL BOPP
Dipl.-Ing., Universität Karlsruhe (TH)
geboren am 18. Mai 1977
in Ulm/Donau, Deutschland
Bundesrepublik Deutschland
Angenommen auf Antrag von
Prof. Dr. Ulrich Weidmann, Referent
Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Peter Veit, Korreferent
Jost Wichser, Korreferent
2014
Kurzfassung
Kurzfassung
Kurzfassung
Die vorliegende Arbeit widmet sich dem Thema des tatsächlichen Verhaltens von lückenlos verschweissten
Betriebsgleisen des Schotteroberbaus in engen Radien der Meterspur. Im Fokus steht dabei das Zusammenspiel
zwischen den Belastungen aus den Schwankungen der Schienentemperatur und denjenigen der Betriebsbelastung
mit der Veränderung der lateralen Gleislage in Abhängigkeit der Oberbauart. Den Auslöser dieser Untersuchung
stellt das Bedürfnis nach der Verifizierung der Stabilität lückenlos verschweisster Gleise von Meterspurbahnen in
engen Radien dar. Dieses Bedürfnis gründet auf dem Umstand, dass die derzeitig gültige Regelung – Lückenlos
verschweisstes Gleis (LGV), lückenlos verschweisste Weichen und verlaschte Gleise für Meterspur, Anforde rungen an den regelkonformen Zustand des LVG im Schottergleis [3] – auf Abschätzungen basiert und somit die
in dieser Regelung enthaltene Vorgaben lediglich den Charakter von Richtwerten besitzen. [4]
Die vorliegende Arbeit widmet sich dem Thema des tatsächlichen Verhaltens von lückenlos verschweissten
Betriebsgleisen des Schotteroberbaus in engen Radien der Meterspur. Im Fokus steht dabei das Zusammenspiel
zwischen den Belastungen aus den Schwankungen der Schienentemperatur und denjenigen der Betriebsbelastung
mit der Veränderung der lateralen Gleislage in Abhängigkeit der Oberbauart. Den Auslöser dieser Untersuchung
stellt das Bedürfnis nach der Verifizierung der Stabilität lückenlos verschweisster Gleise von Meterspurbahnen in
engen Radien dar. Dieses Bedürfnis gründet auf dem Umstand, dass die derzeitig gültige Regelung – Lückenlos
verschweisstes Gleis (LGV), lückenlos verschweisste Weichen und verlaschte Gleise für Meterspur, Anforde rungen an den regelkonformen Zustand des LVG im Schottergleis [3] – auf Abschätzungen basiert und somit die
in dieser Regelung enthaltene Vorgaben lediglich den Charakter von Richtwerten besitzen. [4]
Für diese Untersuchung wurde die benötigte Datengrundlage mithilfe von Feldmessungen geschaffen. Im Zuge
der in dieser Untersuchung durchgeführten Literaturrecherche wurden drei zentrale Beurteilungsparameter eruiert
Für diese Untersuchung wurde die benötigte Datengrundlage mithilfe von Feldmessungen geschaffen. Im Zuge
der in dieser Untersuchung durchgeführten Literaturrecherche wurden drei zentrale Beurteilungsparameter eruiert
• Schienentemperatur,
• Schienenspannung und
• Veränderung der lateralen Gleislage.
Bogen 6A
Kurzfassung
• Schienentemperatur,
• Schienenspannung und
• Veränderung der lateralen Gleislage.
Mit einer eigens für diesen Zweck konzipierten und gefertigten Messeinrichtung konnten die Verläufe der, für die
Beurteilung der horizontalen Gleislagestabilität, relevanten Parameter in einer Langzeitbeobachtung erfasst
werden.
Mit einer eigens für diesen Zweck konzipierten und gefertigten Messeinrichtung konnten die Verläufe der, für die
Beurteilung der horizontalen Gleislagestabilität, relevanten Parameter in einer Langzeitbeobachtung erfasst
werden.
Diese Daten wurden fortlaufend an vier als repräsentativ eingestuften Standorten mit sehr engen Bogenradien
(R < 120 m) während eines Jahres bei zwei unterschiedlichen Oberbauarten erhoben und ausgewertet. Insgesamt
wurde die Veränderung der Gleislage an 15 Messpunkten je Messstandort erfasst – mindestens zwei Messpunkte
wurden jeweils in dem, an den Kreisbogen angrenzenden, Übergangsbogen angeordnet. An drei entlang des Kreisbogens gelegenen Messpunkten wurde ausserdem die Veränderung der Schienenspannung aufgezeichnet.
Zusätzlich wurden die Absolutwerte der Gleislage und der Schienenspannung an den einzelnen Messstandorten
sequentiell aufgenommen.
Diese Daten wurden fortlaufend an vier als repräsentativ eingestuften Standorten mit sehr engen Bogenradien
(R < 120 m) während eines Jahres bei zwei unterschiedlichen Oberbauarten erhoben und ausgewertet. Insgesamt
wurde die Veränderung der Gleislage an 15 Messpunkten je Messstandort erfasst – mindestens zwei Messpunkte
wurden jeweils in dem, an den Kreisbogen angrenzenden, Übergangsbogen angeordnet. An drei entlang des Kreisbogens gelegenen Messpunkten wurde ausserdem die Veränderung der Schienenspannung aufgezeichnet.
Zusätzlich wurden die Absolutwerte der Gleislage und der Schienenspannung an den einzelnen Messstandorten
sequentiell aufgenommen.
Mit der Durchführung der Feldmessungen liegen nun erstmals strukturierte Datensätze vor, deren systematische
Auswertung einen Einblick in das Verhalten von lückenlos verschweissten Bogengleisen mit engem Radius unter
realer Nutzungsbeanspruchung ermöglicht. Die Beträge der erfassten Veränderung der horizontalen Gleislage
entsprechen in etwa den Erwartungen und deren Grösstwerte liegen in der Grössenordnung des, in der gültigen
Regelung [3], festgelegten Grenzwertes. Jedoch wurde festgestellt, dass sich sehr enge Bogenradien mit leichtem
Oberbau im Hinblick auf deren Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturschwankungen robuster verhalten als
in der Regelung angegeben. Diese Tatsache legt die Vermutung nahe, dass die Vorgaben der Regelung im Bereich
sehr kleiner Radien (R < ≈ 85 m) zu restriktiv sind.
Mit der Durchführung der Feldmessungen liegen nun erstmals strukturierte Datensätze vor, deren systematische
Auswertung einen Einblick in das Verhalten von lückenlos verschweissten Bogengleisen mit engem Radius unter
realer Nutzungsbeanspruchung ermöglicht. Die Beträge der erfassten Veränderung der horizontalen Gleislage
entsprechen in etwa den Erwartungen und deren Grösstwerte liegen in der Grössenordnung des, in der gültigen
Regelung [3], festgelegten Grenzwertes. Jedoch wurde festgestellt, dass sich sehr enge Bogenradien mit leichtem
Oberbau im Hinblick auf deren Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturschwankungen robuster verhalten als
in der Regelung angegeben. Diese Tatsache legt die Vermutung nahe, dass die Vorgaben der Regelung im Bereich
sehr kleiner Radien (R < ≈ 85 m) zu restriktiv sind.
Überrascht haben hingegen die, in geringen Abständen zueinander, auftretenden Unterschiede in den Beträgen der
seitlichen Gleislageveränderung über die Länge des an den jeweiligen Messstandorten überwachten Gleisbereichs.
Diese ungleichmässigen Querverschiebungen werden in der Literatur als sogenannte Gleisfehlerwellen bezeichnet
und deren Auftreten wird auf einen ungleichmässigen Querverschiebewiderstand zurückgeführt. Um die Entstehung und Wirkung von Gleisfehlerwellen zu ergründen, sollten die Forschungstätigkeiten vertieft werden.
Hierzu ist die Datengrundlage – Vergrösserung des Stichprobenumfangs dieser Untersuchung – weiter zu verbessern. Infolge einer sukzessiven Verkleinerung der Wissenslücken im Bereich des realen Verhaltens von
lückenlos verschweissten Gleisen können einerseits effiziente Massnahmen abgeleitet werden, welche zum Ziel
haben die Lagebeständigkeit des Gleisrostes zu erhöhen und einen unsteten Fahrzeuglauf zu vermeiden.
Andererseits kann mithilfe einer verbreiterten Daten- und Wissensbasis die Grundlage für die Weiterentwicklung
von theoretischen Modellen zur Beurteilung der horizontalen Gleislagestabilität gelegt werden.
Überrascht haben hingegen die, in geringen Abständen zueinander, auftretenden Unterschiede in den Beträgen der
seitlichen Gleislageveränderung über die Länge des an den jeweiligen Messstandorten überwachten Gleisbereichs.
Diese ungleichmässigen Querverschiebungen werden in der Literatur als sogenannte Gleisfehlerwellen bezeichnet
und deren Auftreten wird auf einen ungleichmässigen Querverschiebewiderstand zurückgeführt. Um die Entstehung und Wirkung von Gleisfehlerwellen zu ergründen, sollten die Forschungstätigkeiten vertieft werden.
Hierzu ist die Datengrundlage – Vergrösserung des Stichprobenumfangs dieser Untersuchung – weiter zu verbessern. Infolge einer sukzessiven Verkleinerung der Wissenslücken im Bereich des realen Verhaltens von
lückenlos verschweissten Gleisen können einerseits effiziente Massnahmen abgeleitet werden, welche zum Ziel
haben die Lagebeständigkeit des Gleisrostes zu erhöhen und einen unsteten Fahrzeuglauf zu vermeiden.
Andererseits kann mithilfe einer verbreiterten Daten- und Wissensbasis die Grundlage für die Weiterentwicklung
von theoretischen Modellen zur Beurteilung der horizontalen Gleislagestabilität gelegt werden.
XI
XI
dissertation_bopp
3.4.2014 8:15:54 Uhr
Black
Abstract
Abstract
Abstract
This dissertation describes research on the actual behaviour of continuously welded rail (CWR) in tight radii
curves on ballasted track for narrow gauge railways. The research focused on analysing the lateral displacements
of CWR track taking into account temperature introduced forces and loading imposed from passing trains on two
types of track superstructure design. The study goal was to measure the stability of CWR track in tight radii on
meter gauge railways to help evaluate the quality of existing regulations governing the use of CWR on meter
gauge track [3] since these regulations were developed using estimated data and therefore can only be considered
benchmarks. [4]
This dissertation describes research on the actual behaviour of continuously welded rail (CWR) in tight radii
curves on ballasted track for narrow gauge railways. The research focused on analysing the lateral displacements
of CWR track taking into account temperature introduced forces and loading imposed from passing trains on two
types of track superstructure design. The study goal was to measure the stability of CWR track in tight radii on
meter gauge railways to help evaluate the quality of existing regulations governing the use of CWR on meter
gauge track [3] since these regulations were developed using estimated data and therefore can only be considered
benchmarks. [4]
This research is based on field measurements. A literature review identified three key parameters to measure:
This research is based on field measurements. A literature review identified three key parameters to measure:
• rail temperature,
• rail tension and
• lateral track displacement.
Bogen 7A
Abstract
• rail temperature,
• rail tension and
• lateral track displacement.
As part of the research a set of instruments was designed and built specifically to measure the key parameters of
horizontal track stability in curves. This device was used to collect relevant data over a long term observation
period.
As part of the research a set of instruments was designed and built specifically to measure the key parameters of
horizontal track stability in curves. This device was used to collect relevant data over a long term observation
period.
The field data were collected continuously at four representative sites over the course of a year. The four sites
were all curves with very tight radii (R < 120 m) and had two different types of superstructure. The data on lateral
track displacement was collected at 15 points for each measurement site. At least two of the measurement points
were located in the transition curve connected to the curve. The change in rail tension was measured at three
points in the curve. Finally, data were sequentially collected on actual track position and rail tension (absolute
values) at all the measurement sites.
The field data were collected continuously at four representative sites over the course of a year. The four sites
were all curves with very tight radii (R < 120 m) and had two different types of superstructure. The data on lateral
track displacement was collected at 15 points for each measurement site. At least two of the measurement points
were located in the transition curve connected to the curve. The change in rail tension was measured at three
points in the curve. Finally, data were sequentially collected on actual track position and rail tension (absolute
values) at all the measurement sites.
The field measurements make it possible for the first time to systematically analyse the behaviour of CWR on
meter gauge track in tight curves under actual loading conditions. The analysis of this data showed that the actual
maximum values for lateral displacement of track correspond fairly well to those assumed in the applicable
regulations [3]. However, the analysis found that tight radii curves with a light superstructure behave more
robustly than assumed in the regulations with respect to their lateral displacement over temperature fluctuation.
This fact suggests that the requirements of the regulation in the range of very small radii (R < ≈ 85 m) are too
restrictive.
The field measurements make it possible for the first time to systematically analyse the behaviour of CWR on
meter gauge track in tight curves under actual loading conditions. The analysis of this data showed that the actual
maximum values for lateral displacement of track correspond fairly well to those assumed in the applicable
regulations [3]. However, the analysis found that tight radii curves with a light superstructure behave more
robustly than assumed in the regulations with respect to their lateral displacement over temperature fluctuation.
This fact suggests that the requirements of the regulation in the range of very small radii (R < ≈ 85 m) are too
restrictive.
An unexpected finding was that there were differences in the amount of lateral track displacement at nearby
measurement locations over the length of the curve. These non-uniform lateral displacements are referred to in the
literature as track failure waves and their occurrence is attributed to non-uniform lateral track resistance. More
research is recommended to explore the development and impact of track failure waves by increasing the sample
size to enlarge the database of field measurements. Further research on this subject will help to improve the
understanding of the real behaviour of CWR track in curves with tight radii. This knowledge can be used to derive
effective measures to improve lateral track stability and can help prevent erratic train motion. Finally, it can also
be used to help improve the quality of theoretical lateral track stability models.
An unexpected finding was that there were differences in the amount of lateral track displacement at nearby
measurement locations over the length of the curve. These non-uniform lateral displacements are referred to in the
literature as track failure waves and their occurrence is attributed to non-uniform lateral track resistance. More
research is recommended to explore the development and impact of track failure waves by increasing the sample
size to enlarge the database of field measurements. Further research on this subject will help to improve the
understanding of the real behaviour of CWR track in curves with tight radii. This knowledge can be used to derive
effective measures to improve lateral track stability and can help prevent erratic train motion. Finally, it can also
be used to help improve the quality of theoretical lateral track stability models.
XIII
XIII
dissertation_bopp
3.4.2014 8:15:54 Uhr
Black