Die integrale Bauweise ist im Bereich der Eisenbahnbrücken bewährter Stand der Technik, insbesondere in der Form kurzer Rahmenbauwerke. Auf Neubaustrecken der DB Netz wurde anhand von integralen und semi-integralen Großbrücken das Potenzial der lager- und fugenlosen Bauweise aufgezeigt. Die Feste Fahrbahn ohne Schotter wurde parallel dazu gezielt weiterentwickelt und wird auf Neubaustrecken weltweit eingebaut. Je nach Ausführung wird der Bereich genormter und zugelassener Bauweisen dabei teilweise verlassen.
Die Besonderheiten von Eisenbahnbrücken in integraler Bauweise und Bauarten der Festen Fahrbahn werden im Zusammenhang mit den eisenbahntechnischen Anforderungen und den Technischen Regelwerken dargelegt.
An einem Rahmenbauwerk mit Tiefgründung und schotterlosem Oberbau wird eine Parameterstudie durchgeführt. Auf Grundlage der Berechnung erfolgen die entwurfsplanerische Durchbildung und die Herausarbeitung von Grenzkriterien. Die Ausführungen werden durch eine Eigenwertanalyse als Basis für genauere dynamische Betrachtungen sowie Hinweise für Ausführungsplanung und Realisierung abgerundet.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Integrale Bauweise im Eisenbahnbrückenbau
2.1 Entwicklung und Vorbilder integraler Bauweise
2.2 Konstruktion und Tragverhalten integraler Brücken
2.3 Ausführungsbeispiele
3 Feste Fahrbahn als Eisenbahnoberbau
3.1 Entwicklung und Einsatzgebiete
3.2 Eigenschaften und Abgrenzung zum Schotteroberbau
3.3 Grundsätzlicher Aufbau Fester Fahrbahn
3.4 Eingelagerte FF-Systeme
3.5 FF-Systeme in Fertigteilsysteme
3.6 Aufgelagerte FF-Systeme
3.7 Feste Fahrbahn und Längskraftabtragung auf Brücken
3.8 Feste Fahrbahn auf langen Brücken
3.9 Feste Fahrbahn auf kurzen Brücken
3.10 Direkte Schienenbefestigung auf Massivbrücken
4 Beanspruchung und Ausführung von Übergangsbereichen
4.1 Bewegungen an Übergangsbereichen
4.2 Schienenspannungen und Stützpunktkräfte im Brückenbereich
4.3 Konstruktive Maßnahmen am Übergang Brücke - Erdbauwerk
5 Technische Regelwerke und eisenbahnspezifische Anforderungen
5.1 Technische Baubestimmungen und Bauregellisten
5.2 Eisenbahnspezifische Technische Baubestimmungen und Bauregellisten
5.3 Bauarten außerhalb des Regelwerks
5.3.1 Die Zulassungsinstrumente UiG und ZiE
5.3.2 Zulassungsverfahren für integrale / semi-integrale Eisenbahnbrücken
5.3.3 Integrale Brücken in den Regelungen der BASt
5.3.4 Regelungssituation bei Fester Fahrbahn
6 Tragwerksuntersuchung mit Variation statisch-konstruktiver Parameter
6.1 Methoden und Zielstellung
6.2 Referenzbauwerk
6.3 Tragwerksmodell und Baustoffparameter
6.4 Baugrundparameter
6.5 Lastannahmen
6.5.1 Ständige Lasten
6.5.2 Erddruckansatz
6.5.3 Verkehrslasten und dynamischer Beiwert
6.5.4 Lasten infolge Bremsen und Anfahren
6.5.5 Verkehrslasten Dienstgehweg
6.5.6 Temperatureinwirkungen
6.5.7 Windeinwirkungen
6.5.8 Sonstige Einwirkungen
6.6 Ergebnisschnittgrößen in GZT und GZG
6.6.1 Überlagerungen und Lastfallkombinationen
6.6.2 Berechnungsparameter und FE-Modellierung
6.6.3 Interpretation der wesentlichen Schnittgrößenverläufe
6.6.4 Einfluss der Gründung auf die Berechnungsergebnisse
6.6.5 Schnittgrößen in den Bohrpfählen
6.6.6 Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit / Verformung
6.7 Bemessungsschnittgrößen und konstruktive Durchbildung
6.7.1 Methodik und Abgrenzung
6.7.2 Beanspruchung und Bewehrung der Bohrpfähle
6.7.3 Bewehrung der Platte
6.7.4 Pfahl- und Flächenbewehrung bei kurzen Stützweiten
7 Dynamische Betrachtungen
7.1 Herangehensweise bei der Eigenwertermittlung
7.2 Ermittlung der Eigenformen und Eigenfrequenzen
7.3 Resonanzrisiko bei Eisenbahnbrücken und Ausschlusskriterien
7.4 Bewertung des Resonanzrisikos für vE 200 km/h
7.5 Bewertung des Resonanzrisikos für 200 km/h < vE 300 km/h
7.6 Betrachtung des Grenzfalls 300 km/h
7.7 Ansätze und Grenzen bei der Ermittlung dynamischer Schnittgrößen
7.8 Konstruktive Schlussfolgerungen
8 Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Diese Arbeit untersucht das Tragverhalten und die Ausführung von Eisenbahnbrücken in integraler Bauweise unter Verwendung der Festen Fahrbahn als schotterloser Oberbau. Ziel ist es, durch eine Parameterstudie an einem Rahmenbauwerk mit Tiefgründung die entwurfsplanerische Durchbildung zu optimieren und Grenzkriterien für unterschiedliche Stützweiten sowie das dynamische Resonanzrisiko bei höheren Geschwindigkeiten zu erarbeiten.
- Integrale Bauweise und deren Vorteile im Eisenbahnbrückenbau.
- Konstruktion und Systematik der Festen Fahrbahn auf Brückenbauwerken.
- Parameterstudie zum Tragverhalten bei Variation der Stützweite und des Baugrunds.
- Dynamische Betrachtungen und Resonanzanalyse für Geschwindigkeiten bis 300 km/h.
- Konstruktive Schlussfolgerungen für die Ausführungsplanung.
Auszug aus dem Buch
2.2 Konstruktion und Tragverhalten integraler Brücken
Bei integralen Brückenbauwerken wird der Überbau biegesteif mit dem Unterbau verbunden und ohne Lager und Fugen ausgeführt. Vor allem der Verzicht auf Lager und ein damit geringerer Instandhaltungsaufwand sprechen für die integrale Bauweise. Darüber hinaus lässt sich im Überbau wie auch in den Pfeilern eine größere Schlankheit realisieren, indem Bauteile wie Widerlager oder Gründung angepasst und ihre Steifigkeit mit dem Überbau abgestimmt werden. Die Querschnittsfläche des Überbaus wirkt sich auf die Längskräfte und bei statisch unbestimmter Lagerung auf die Zwangsbeanspruchung aus. Insbesondere mehrfeldrige Brücken mit hohen Zwischenpfeilern sind davon betroffen.
Längskräfte (N) infolge Längenänderung (Δl) aus Temperaturbeanspruchung (ΔT) im Brückenüberbau sind direkt proportional zu dessen Querschnittsfläche (A), jedoch unabhängig von der Überbaulänge. Die folgende Herleitung macht das deutlich.
Die Längskräfte aus dem Überbau treten als Druck- oder Zugkräfte in Erscheinung. Kräfte aus Temperaturdehnung werden bei integralen Brücken in monolithisch angeschlossene Pfeiler eingeleitet. Ein kleiner Überbauquerschnitt ruft geringere Normalkräfte im Balken und damit geringere Biegemomente in den Pfeilern hervor. Ein Beton mit verringertem E-Modul erhöht die Verformbarkeit der Pfeiler im Fall einer Überbauverkürzung oder -verlängerung.
Besondere Aufmerksamkeit verdient die Ausbildung der Knotenpunkte zur Aufnahme der notwendigen Bewehrung am Übergang von Überbau zu Pfeiler bzw. zu Widerlager. Aufgrund der statischen Unbestimmtheit führen Beanspruchungen aus Temperatur und aus Verformung des Überbaus oder des Baugrunds zu Zwangsschnittgrößen, die unter Beibehaltung ausreichender Rotationsfähigkeit in der Planung zu berücksichtigen sind. Die Erhöhung der Steifigkeit erfolgt für Halbrahmen beispielsweise durch Vouten am Übergang zum Widerlager und durch die Anordnung gleisparalleler oder schräger Flügelwände.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Die Einleitung erläutert die Renaissance der integralen Bauweise und das Potenzial der Festen Fahrbahn als wartungsarme Alternative im modernen Eisenbahnbrückenbau.
2 Integrale Bauweise im Eisenbahnbrückenbau: Dieses Kapitel beschreibt die historische Entwicklung und die konstruktiven Vorteile integraler Bauwerke, insbesondere den Verzicht auf Lager und Fugen zur Instandhaltungsreduktion.
3 Feste Fahrbahn als Eisenbahnoberbau: Hier werden die verschiedenen Systeme der Festen Fahrbahn sowie deren Einsatzgebiete und Besonderheiten auf Brückenbauwerken im Vergleich zum Schotteroberbau vorgestellt.
4 Beanspruchung und Ausführung von Übergangsbereichen: Das Kapitel behandelt die kritischen Schnittstellen zwischen Brücke und Erdbauwerk sowie die konstruktiven Lösungen zur Beherrschung von Verformungen.
5 Technische Regelwerke und eisenbahnspezifische Anforderungen: Es erfolgt eine Darstellung der nationalen und bahnspezifischen Zulassungsverfahren sowie der relevanten Regelwerke für Bauarten abseits des Standards.
6 Tragwerksuntersuchung mit Variation statisch-konstruktiver Parameter: Ein zentrales Kapitel, das anhand eines Referenzbauwerks eine Parameterstudie zu Tragverhalten, Gründungseinflüssen und Bemessungsgrößen durchführt.
7 Dynamische Betrachtungen: Dieses Kapitel analysiert das Schwingungsverhalten und das Resonanzrisiko bei höheren Geschwindigkeiten sowie Ansätze zur dynamischen Tragwerksantwort.
8 Zusammenfassung und Ausblick: Das Fazit fasst die Ergebnisse zusammen und bewertet das Potenzial der untersuchten Bauweisen für zukünftige Projekte.
Schlüsselwörter
Integrale Bauweise, Eisenbahnbrücke, Feste Fahrbahn, Tragverhalten, Parameterstudie, Bohrpfahlgründung, Dynamik, Eigenfrequenz, Resonanzrisiko, Schienenspannungen, Stahlbeton, FEM-Analyse, Bemessung, Instandhaltung, Übergangsbereich.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der technischen Analyse und Optimierung von Eisenbahnbrücken, die in integraler Bauweise ausgeführt sind und einen schotterlosen Oberbau (Feste Fahrbahn) nutzen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Zentrale Themen sind die statisch-konstruktive Interaktion zwischen Überbau, Gründung und Baugrund, die Anforderungen an die Feste Fahrbahn auf Brücken sowie die dynamischen Auswirkungen bei Hochgeschwindigkeitsverkehr.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Ziel ist es, Grenzkriterien für die integrale Bauweise bei unterschiedlichen Stützweiten zu definieren und Ansätze für die konstruktive Durchbildung und Optimierung des Tragwerks zu liefern.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird eine umfangreiche Parameterstudie unter Verwendung der Finite-Elemente-Methode (FEM) durchgeführt, ergänzt durch eine dynamische Analyse der Eigenwerte und Resonanzrisiken.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretischen Grundlagen des Brückenbaus, die Regelwerkskonformität, die detaillierte FE-Berechnung mit Variation von Baugrund und Stützweite sowie eine fundierte dynamische Untersuchung.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die wichtigsten Schlagworte sind Integrale Bauweise, Eisenbahnbrücke, Feste Fahrbahn, FE-Analyse, Dynamik, Eigenfrequenz und Resonanzrisiko.
Wie beeinflusst die Stützweite das dynamische Verhalten der Brücke?
Mit zunehmender Überbaustützweite sinkt die Eigenfrequenz des Bauwerks, was bei höheren Geschwindigkeiten das Risiko für Resonanzeffekte durch Zugüberfahrten deutlich erhöht.
Welche Bedeutung hat der Baugrund für das Tragwerk?
Der Baugrund beeinflusst die Steifigkeit der Gründungspfähle maßgeblich. Ein weicherer, toniger Baugrund führt im Vergleich zu kiesigem Boden zu einer höheren Verformungsanfälligkeit und zu größeren Feldmomenten im Überbau.
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- Benjamin Wolf (Author), 2014, Untersuchungen zur Ausführung Fester Fahrbahnen auf Eisenbahnbrücken in integraler Bauweise, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/294332
