Untersuchungen zur Ausführung Fester Fahrbahnen auf Eisenbahnbrücken in integraler Bauweise

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

9 Anhang und Schrifttum.
9.1 Verzeichnis der Abkürzungen
9.2 Verzeichnis der verwendeten Formelzeichen und Symbole
9.3 Verzeichnis der Abbildungen
9.4 Verzeichnis der Tabellen
9.5 Verzeichnis der Anlagen
9.6 Literatur- und Quellenverzeichnis

Anlagen

1 Einleitung

Die integrale Bauweise, bei der auf Lager und Fugen verzichtet wird, erlebt im Brückenbau eine Renaissance. Im Bereich der Eisenbahnbrücken sind kurze Rahmenbauwerke bewährter Stand der Technik und auf den Neubaustrecken der DB Netz wurde mit langen lager- und fugenlosen Brückenbauwerken das Potenzial integraler und semi-integraler Bauweise aufgezeigt. Die Feste Fahrbahn ohne Schotter wurde parallel dazu gezielt weiterentwickelt und wird weltweit auf Neubaustrecken eingebaut. Je nach Ausführung wird der Bereich genormter und zugelassener Bauweisen dabei teilweise verlassen.

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. Ergänzt werden die Ausführungen durch eine Eigenwertanalyse als Basis für genauere dynamische Betrachtungen sowie Hinweise für Ausführungsplanung und Realisierung.

2 Integrale Bauweise im Eisenbahnbrückenbau

2.1 Entwicklung und Vorbilder integraler Bauweise

Der Eisenbahnbau in Deutschland im 19. Jahrhundert erstreckte sich über große Entfernungen und durch topographisch markant geprägte Landschaften. Für die notwendige Überwindung von Tälern und Gewässern wurden die ersten Großbrücken errichtet. Regional verfügbare Materialien wie Naturstein oder gebrannte Ziegel, die in großen Mengen herstellbar sind, waren bei den begrenzten logistischen Möglichkeiten die Baustoffe der ersten Wahl. Gemauerte Gewölbebrücken zeugen bis heute von der Ingenieurbaukunst der damaligen Zeit, beispielsweise auf den Erzgebirgsstrecken oder der 1851 in Betrieb genommenen Bahnstrecke zwischen Leipzig und Hof. Neben den sehr bekannten Vertretern Göltzschtalbrücke und Elstertalbrücke im sächsischen Vogtland sind in der Region Werdau weitere Viadukte in Ziegelbauweise errichtet worden, die z. T. bis heute in ihrer ursprünglichen Form erhalten und in Betrieb sind[1]. Diese Brücken sind ohne Lager und Fugen errichtet. Überbau, Pfeiler und Gründungsbauteile stellen ein integrales Tragwerk dar, was im Falle einer Nachrechnung nur komplett betrachtet werden kann.

Mit dem industriellen Fortschritt in Deutschland gegen Ende des 19. Jahrhunderts veränderte sich die Konstruktion der Eisenbahnbrücken zugunsten der Stahlbauweise. Der Werkstoff Stahl und die im Vergleich mit den Massivbauwerken größeren Auswirkungen der Temperatur auf die Konstruktion brachte es mit sich, dass die Überbauten möglichst zwängungsfrei gelagert wurden. Eine oft umgesetzte Bauart ist der auf Rollen gelagerte einfeldrige Überbau als unechter Bogen, als Fachwerk oder als Gitterträger[2].

Aus heutiger Sicht sind gelagerte Überbauten wegen ihrer Wartungsintensität für kurze Stützweiten oft unwirtschaftlich. Im modernen Brückenbau ist Wirtschaftlichkeit jedoch ein maßgebendes Kriterium, sodass integrale Bauwerke in Stahlbetonbauweise mit kurzen und mittleren Spannweiten Stand der Technik geworden sind. Im Gegensatz zu statisch bestimmter Lagerung des Brückenüberbaus liegt ein interaktives Tragverhalten zwischen Überbau, Pfeiler- bzw. Widerlagerbereichen und der Gründungsbauteile samt Baugrund vor und separate Berechnung der Bauteile ist nicht zielführend. Für die Schnittgrößenermittlung und Bemessung wird für das gesamte Bauwerk ein Rechenmodell erstellt, das Überbau, Widerlagerbereiche und Baugrund einbezieht. Mit leistungsfähiger FEM-Software lassen sich hochgradig unbestimmte Flächen- und Stabtragwerke abbilden und mit vertretbarem Aufwand berechnen, sodass sich die Vorteile integraler Bauweise auch bei kleinen Überführungsbauwerken herauskristallisiert haben. Im Vergleich zur Bauzeit der historischen Steinbogenbrücken lassen sich mit heutigen Berechnungsverfahren Bauwerksparameter gezielt steuern und die Tragwerksgeometrie entsprechend optimieren.

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 ( l) aus Temperaturbeanspruchung ( T) im Brückenüberbau sind direkt proportional zu dessen Querschnittsfläche (A), jedoch unabhängig von der Überbaulänge. Die folgende Herleitung macht das deutlich.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

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.

Vorteile der integralen Bauweise sind:

- Entfall der Kosten für Einbau und Instandhaltung von Brückenlagern
- Entfall der Kosten für aufwändige Fugenübergangskonstruktionen
- Traglastreserven durch statische Unbestimmtheit (Redundanz)
- Verringerung der Bauteilabmessungen möglich
- Einschub des Tragwerks in Endlage nach Herstellung vor Ort möglich

(v. a. bei Rahmentragwerken mit kurzen Stützweiten)

Eine Tatsache, die gegen die integrale bzw. semi-integrale Bauweise sprechen kann, besteht darin, dass der Überbau nicht ohne weiteres separat unter Erhaltung der Pfeiler und Widerlager erneuert werden kann. Stattdessen ist das Tragwerk nur unter erhöhtem Aufwand erneuerbar. Aufgrund der Vorteile in Tragverhalten und Ausführung wird das jedoch akzeptiert, was der Bau markanter Großbrücken in integraler Bauweise gezeigt hat. Die Interaktion Boden-Bauwerk ist in ihrer Berechnung beherrschbar, jedoch erfordert sie gründliche bodenmechanische Untersuchungen, um realistische Bodenparameter ansetzen zu können.

Die Mehrzahl integraler Brücken im Netz der Deutschen Bahn sind Rahmen- und Halbrahmenbauwerke kleiner und mittlerer Stützweiten mit Flach- oder Pfahlgründung.

2.3 Ausführungsbeispiele

Mit der Planung und Realisierung der Neu- und Ausbaustrecken des Verkehrsprojektes Deutsche Einheit Nr. 8 (VDE 8) ist der Gedanke der integralen bzw. semi-integralen Bauweise für große Eisenbahnbrücken in den Fokus gerückt. Für einzelne lange Eisenbahnbrücken mit fester Fahrbahn als Oberbauart wurden die Grenzen der Machbarkeit integraler Bauweise hinsichtlich Ausführung und Zulassung untersucht. Ziel im Entwurf war es stets, ein wartungsarmes Bauwerk und einen instandhaltungsarmen Oberbau optimal zu kombinieren. Ergebnis waren schlank und ästhetisch ansprechend erscheinende Bauwerke, die dennoch tragfähig, gebrauchstauglich und dauerhaft entsprechend dem Stand der Technik sind.

Bei den integralen und semi-integralen Bauwerken auf der Neubaustrecke VDE 8.2 handelt es sich Bauwerke, die individuell an Geländetopographie und Beanspruchung angepasst wurden. In den Entwürfen, die als Sondervorschlag eingereicht wurden[7], wurden die ursprünglichen Pfeilerabstände des Ausschreibungsentwurfs beibehalten. Großer Wert wurde auf transparente Erscheinung der Tragwerke gelegt, um den Charakter der Landschaft beizubehalten.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Abbildung 2.1: Systemprinzipien integraler Brücken[3]

Wesentliche Herausforderungen im Entwurf der Talbrücken sind die Ableitung der Längskräfte aus der Bremswirkung, die Beherrschung der temperaturbedingten Verformungen und die Begrenzung der Schienenspannungen. Mit spezifischer Wahl der Festpunktes und gezielter Anordnung der Überbaufugen wurde diesen Randbedingungen auf verschiedene Weise begegnet.

Zu den bekanntesten integralen bzw. semi-integralen Eisenbahnüberführungen mit Fester Fahrbahn zählen die folgenden, von welchen vier näher charakterisiert werden:

- Unstruttalbrücke
- Stöbnitztalbrücke
- Gänsebachtalbrücke
- Scherkondetalbrücke
- Grubentalbrücke

Die Unstruttalbrücke überführt die Neubausstrecke Erfurt-Leipzig/Halle im Bereich einer breiten Talebene mit einer maximalen Höhe von ca. 49 m. Das Bauwerk an sich wurde 2011 fertiggestellt und besteht aus vier integralen Spannbetonbrücken von je 580 m Länge, bei denen der Überbau jeweils als zehnfeldriger durchlaufender Hohlkasten biegesteif an die Pfeiler angeschlossen ist. In den beiden Endbereichen befindet sich ein dreifeldriger Durchlaufträger gleicher Bauart von je 178 m Länge[4]. An den beiden Widerlagern wird der Überbau mit Kalottenlagern aufgelegt. Der Festpunkt in Längsrichtung ist bei den vier langen Einzelbauwerken jeweils auf halber Länge angeordnet und als sprengwerkförmiger Bogen zur Aufnahme der Bremskräfte ausgeführt. Die Pfeiler im Abstand von 58 m steifen das Bauwerk als Scheibe in Querrichtung aus und sind in Längsrichtung relativ schlank ausgeführt. Mit Anordnung des Festpunktes als Bremsbock in Überbaumitte verringert sich die temperaturbedingte Längsverformung an den Überbauenden der einzelnen Brückenabschnitte. An den Fugenbereichen ist auf einem Trennpfeiler die Dehnfuge zum angrenzenden Mehrfeldträger angeordnet. Der gabelförmig in zwei 60 cm starke Scheiben aufgelöste Trennpfeiler nimmt die Längsverformung aus dem Überbau auf. Als Oberbau wird das System Porr auf der Brücke eingebaut.

Die Stöbnitztalbrücke überführt als zweistegiger vorgespannter Plattenbalken die Neubaustrecke VDE 8.2 westlich von Merseburg in rund 15 m über eine flache Talaue. Das Bauwerk wurde 2012 fertiggestellt und besteht aus zwei Zweifeldrahmen an den Endabschnitten und zwei Fünffeldträgern bei einer Gesamtlänge von 297 m[5]. In den Pfeilerachsen wird der Überbau von je zwei Stahlbetonrundstützen getragen. Die sind biegesteif mit den Stegen des Plattenbalkens und dem Unterbau aus einer gemeinsamen Pfahlkopfplatte und aus je vier tief gegründeten Bohrpfählen verbunden. Die Widerlager nehmen Bremskräfte aus den Randfeldern auf. Die weiteren Festpunkte zur Abtragung der Bremskräfte werden an den zwei mittleren Pfeilerachsen der Fünffeldträger angeordnet, deren Abstand in Längsrichtung auf 6,50 m verringert ist. Die beiden Pfahlreihen mit den vier Rundstützen sind auf einem gemeinsamen Pfahlrost gegründet, wodurch horizontale Einwirkungen in Längs- und

Querrichtung abgetragen werden. An den drei Fugen der Mehrfeldträger sind gabelförmig aufgelöste Trennpfeiler angeordnet, die weniger biegesteif sind und Verformungen aus Längenänderung des Überbaus aufnehmen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Abbildung 2.2: Abschnitt der Stöbnitztalbrücke[5]

Ein Alternativentwurf zur Rahmenplanung ist auch die Grundlage zur Realisierung der integralen Gänsebachtalbrücke gewesen. Bei einer Gesamtlänge von 1001 m besteht das Bauwerk aus acht Fünffeldträgern á 112 m. Die Endabschnitte von 52,5 m sind zweifeldrige Rahmen. Der Überbau wird je Pfeilerachse von zwei Rundstützen getragen, die auf einer Pfahlreihe gegründet und mit dem zweistegigen Plattenbalken biegesteif verbunden sind. Den Festpunkt in Längsrichtung bilden die mittleren zwei Pfeilerachsen der fünffeldrigen Abschnitte. Scheibenartige Ausfachungen zwischen den zwei Achsen und eine Gründung als Pfahlrost generieren zusätzliche Steifigkeit des Rahmens. In den Pfeilerachsen am Ende der Durchlaufträgerabschnitte wird die Verformungsfähigkeit in Längsrichtung durch eine nachgiebigere Gründung mit einer verringerten Anzahl Bohrpfähle erreicht. In Anlehnung an die Bremsböcke werden Stützen jeder Pfeilerachse am Ende der fünffeldrigen Abschnitte scheibenartig verbunden und zur Queraussteifung herangezogen[6].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Abbildung 2.3: Abschnitt der Gänsebachtalbrücke[6]

Die zweigleisige Scherkondetalbrücke auf der NBS Leipzig-Erfurt hat Einzelstützweiten von maximal 44 m bei einer Gesamtlänge zwischen den Widerlagern von 576,50 m. Die Pfeilerscheiben mit maximal 1,35 m Stärke sind in Brückenlängsrichtung sehr schlank ausgeführt. Elf der Pfeiler sind in den Überbau eingespannt, der mit einem der beiden Widerlager ebenfalls biegesteif verbunden ist. Am zweiten Widerlager und auf den beiden angrenzenden Pfeilern ist die Überbauplatte zwängungsfrei gelagert, um ihre Längsverformungen bei dem großen Abstand vom festen Widerlager zu beherrschen. Große Bedeutung für die Zwangskräfte im Tragwerk und die sich rechnerisch einstellende Verformung der Pfeiler kam neben dem statischen System der Betonauswahl, dem Vorspannkonzept, gewissen Vorverformungen und der Herstellrichtung des Überbaus zu. Das Bauwerk als solches ist 2011 fertiggestellt worden. Als Oberbau kommt wie auf dem gesamten Streckenabschnitt das System Porr zum Einsatz. Ansatz und Ausführungsdetails zum Bau der Scherkondetalbrücke sind u. a. in[7]beschrieben.

Bemerkenswert ist der zusätzliche Aufwand, der betrieben wurde, um die beschriebenen Eisenbahnbrücken trotz Abweichung von der „Rahmenplanung Talbrücken“ der DB Netz verwirklichen zu können. Mit der integralen Bauweise wurde der Erfahrungsbereich der bewährten Bauarten für lange Eisenbahnbrücken verlassen. Als Nachweis der Gleichwertigkeit mit den Regelbauarten war deshalb seitens des Eisenbahnbundesamtes eine Zustimmung im Einzelfall (ZiE) notwendig, die auf Grundlage erweiterter Versuche und Untersuchungen erteilt wurde [u.a. 5, 6]. Das umfasste u.a. Nachweise des dynamischen und des Resonanzverhaltens, Nachweise der Überbauverformungen und gesonderte Berechnung der Schienenspannungen sowie detaillierte Nachweise der biegesteifen Knoten. Zur Abschätzung von Streuungseinflüssen wurden Baustoff- und Gründungsparameter in Voruntersuchungen variiert und während der Ausführung zusätzlich kontrolliert. Mit einzelnen Modellknoten wurde die Ausführbarkeit der Bewehrungsführung in Anschlussdetails zwischen Überbau und Pfeilern an Probekörpern nachgewiesen. Die Ausführung wurde messtechnisch begleitet, um die planerischen Annahmen und Ergebnisse am Bauwerk zu verifizieren. Ausführlich werden die Bauwerke, ihr Planungshintergrund und ihr Bauprozess in der Literatur [3, 4, 5, 6, 7, 8] beschrieben.

3 Feste Fahrbahn als Eisenbahnoberbau

3.1 Entwicklung und Einsatzgebiete

Feste Fahrbahn bezeichnet eine Alternative zum Schotteroberbau, bei der der Gleisrost aus Schienen und Schwellen auf einer tragenden Schicht aus Beton oder Asphalt aufgelagert ist. Für den schienengebundenen Verkehr hat sich dieser Oberbau als Stand der Technik etabliert. Ursprünglich wurde die Feste Fahrbahn vorwiegend auf Tunnelstrecken eingebaut, wo durch Auflagern des Gleisrostes auf der Sohlplatte Bauhöhe eingespart werden kann. Das betrifft Großprojekte wie den Eurotunnel sowie verschiedene Alpenstrecken. Im deutschen Eisenbahnnetz wurde die Feste Fahrbahn außerhalb von Tunnelstrecken erstmals in den siebziger Jahren im Bahnhof Rheda-Wiedenbrück eingebaut. Seitdem wurden mit der Einführung des Hochgeschwindigkeitsverkehrs und für den Bau von Neubaustrecken verschiedene Bauarten entwickelt und die Feste Fahrbahn zunehmend auch auf Brücken und auf freier Strecke eingesetzt. Auf Neubaustrecken der Deutschen Bahn, wie Köln- Rhein/Main oder Nürnberg-Ingolstadt, wurde das Konzept der Festen Fahrbahn umgesetzt und ihre Vorteile gezielt genutzt und weiterentwickelt [9, 10].

3.2 Eigenschaften und Abgrenzung zum Schotteroberbau

Die Feste Fahrbahn (FF) weist verschiedene Vorteile zum Schotteroberbau auf. Das sind im Allgemeinen höhere Lagestabilität, geringer Instandhaltungsaufwand und breitere Trassierungsmöglichkeiten[17].

Während die Gleislageabweichungen bei konventionellem Fahrbahnaufbau durch ausreichende Einschotterung der Schwellen zu vermeiden sind, wird die Lagesicherheit bei Fester Fahrbahn durch die massive Tragschicht gewährleistet. Die erhöhte Lagesicherheit ermöglicht kleinere Horizontalradien, kleinere Ausrundungsradien und die Ausführung größerer Gleisüberhöhungen. Im Vergleich zu Schotteroberbau ermöglicht das wiederum eine bessere Bündelung der Verkehrswege, indem Neubaustrecken der Bahn mit größeren Steigungen gebaut und entlang bestehender Verkehrswege wie Autobahnen geführt werden können. Auswirkungen wie Neuversiegelung, Lärmbelästigung und Kosten für Grundflächenerwerb können geringer ausfallen, ebenso wie der technische und finanzielle Aufwand für Einschnitte und Ingenieurbauwerke. Weiterhin zeichnen sich Strecken mit Fester Fahrbahn durch größere Verfügbarkeit und weniger Sperrzeiten aus. Zeitintensive Arbeitsgänge der Instandhaltung wie Stopfen, Reinigen und Austauschen von Schotter entfallen bauartbedingt, was bei stark befahrenen Eisenbahnstrecken ein wesentliches Argument für die Feste Fahrbahn sein kann. Die Konstruktion der Festen Fahrbahn macht Reparaturen und Korrekturen an Strecken jedoch deutlich aufwändiger, da Gleisrost und Unterbau monolithisch verbunden sind. Maßnahmen im Vorfeld des Streckenbaus wie Voruntersuchungen des Untergrundes, aufwändige Bodenverbesserung und Vermessungsarbeiten haben einen umso höheren Stellenwert. Das Resultat sind deutlich höhere Baukosten der Festen Fahrbahn im Vergleich zum Schotteroberbau.

3.3 Grundsätzlicher Aufbau Fester Fahrbahn

Der Unterbau Fester Fahrbahn besteht auf Erdbauwerken analog zum Schotteroberbau aus verbessertem bzw. verdichtetem Boden und einer Frostschutzschicht (FSS) aus grobkörnigem Material gemäß Ril 836 „Erdbauwerke“[11]. Darauf folgt in der Regel eine hydraulisch gebundene Tragschicht (HGT). Die Feste-Fahrbahn-Konstruktion selbst beginnt mit einer festen Tragschicht, die den Gleisrost aufnimmt. In Anlehnung an Fahrbahnen auf Autobahnen und Flughäfen wird die Tragschicht für den Oberbau in Asphalt oder Beton ausgeführt. Auf der Tragschicht sind die Schwellen fixiert und je nach Bauart in den Schwellenfächern mit Beton vergossen. Auf Massivbrücken beginnt der Oberbau an sich über der Schutzbetonschicht. Einen umfangreichen Überblick über die Systeme Fester Fahrbahn gibt die Literatur [12, 13]. Aufgrund der geringeren Elastizität im Vergleich zum Schotteroberbau sind die Schienen auf speziellen elastischen Zwischenlagen gebettet.

Ein Unterschied zum konventionellen Oberbau besteht in der Lastausbreitung von Schienenunterkante bis Systemachse bei Massivbrücken. Bei Fester Fahrbahn erfolgt diese ab Schienenunterkante unter 45°.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Abbildung 3.1: Lastausbreitung bei Fester Fahrbahn und Schotterbett (nach Ril 804.9040)

Es existieren Feste-Fahrbahn-Systeme mit

- kontinuierlicher Schienenauflagerung auf einer Tragschicht,
- Stützpunktauflagerung der Schienen auf Schwellen (aufgelagerte Systeme),
- Stützpunktauflagerung der Schienen auf Schwellen mit betonierten Zwischenräumen (eingelagerte Systeme) sowie
- Schienenauflagerung auf Gleistragplatten in Fertigteilbauweise.

Ausgewählte Bauarten werden in den Abschnitten 3.4 ff. charakterisiert. Schwerpunkt bilden Bauarten auf einer Betontragschicht sowie Systeme mit Fertigteilen. Vorgefertigte Gleistragplatten vereinfachen die lokale Instandsetzung der Fahrbahn und werden von Regelwerk der Deutschen Bahn für die Ausführung fester Fahrbahn auf Brücken allgemein empfohlen[14].

3.4 Eingelagerte FF-Systeme

Als schotterloser Oberbau auf Neu- und Ausbaustrecken haben sich Systeme mit in Beton eingelagerten Gleisschwellen etabliert. Die konstruktive Durchbildung ist kontinuierlich weiterentwickelt worden.

Stand der Technik und Grundprinzip vieler modifizierter Formen der Festen Fahrbahn ist die Bauart Rheda, die 1972 erstmals im Bahnhof Rheda-Wiedenbrück eingebaut wurde. Auf einer unbewehrten hydraulisch gebunden Tragschicht (HGT) ist eine bewehrte Betontragschicht (BTS) aufgebracht. Diese wiederum nimmt den Gleiskörper mit vorgespannten Einblock-Betonschwellen auf. Im Anschluss an das Ausrichten der Schwellen werden die Schwellenfächer bewehrt und ausbetoniert, sodass der Gleisrost unmittelbarer Bestandteil der Fahrbahnplatte wird[14]. Die Tragschicht der Bauart „ Rheda classic “ ist längs und quer bewehrt, um eine gleichmäßige Rissbildung im Beton und eine hohe Gebrauchstauglichkeit zu gewährleisten. Für die Verbundwirkung mit der Betonfüllung ist die Tragplatte im Bereich der Schwellenfächer mit bügelförmiger Anschlussbewehrung versehen. Für die Längsbewehrung sind Aussparungen in den Schwellen vorhanden[15], durch welche die Stäbe mit relativ hohem Verlegeaufwand gefädelt werden. Der längs und quer bewehrte Füllbeton wird zwischen die Monoblockschwellen eingebaut. Unter den Schienen befindet sich eine dämpfende elastische Schicht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Abbildung 3.2: Feste Fahrbahn Rheda classic mit Monoblockschwellen[16]

Eine Vielzahl Oberbausysteme mit Fester Fahrbahn hat sich seit der ersten Anwendung in Deutschland aus der Rheda-Bauart entwickelt. Spezifische örtliche Anforderungen und das Streben nach wirtschaftlicher Bauausführung führten zu verschiedenen erprobten und gebauten FF-Systemen. Einen Überblick über die Systeme der Festen Fahrbahn gibt u.a. Darr/Fiebig[17]. Einzelne übliche Baurten werden nachfolgend charakterisiert.

Mit dem Ziel einer wirtschaftlicheren Bauausführung und besserer Dauerhaftigkeit wurde die Bauart in ihren Komponenten weiterentwickelt. So wurde auf der Neubaustrecke Köln-Rhein/Main die Betontragschicht als Trog mit seitlichen Aufkantungen ausgebildet, die als verlorene Schalung für den Füllbeton dient (Abbildung 3.3). Die Einblockschwellen der Bauart “Rheda classic” sind ersetzt durch schlaff bewehrte Zweiblockschwellen [9]. Die Bewehrung zwischen beiden Schwellenblöcken bestand zunächst aus einzelnen Stäben, wurde jedoch zu einem Gitterträger mit insgesamt kleineren Stabdurchmessern weiterentwickelt, der werkseitig nur teilweise in den Schwellenblock einbetoniert ist (Abbildung 3.4). Das baustellenseitige Bewehren in Gleisrichtung ist besser ausführbar, die Rissbildung im Füllbeton stellt sich gleichmäßiger ein und der Verbund mit der Schwelle wird verbessert. Unter „Rheda Berlin“ ist diese Bauweise mit wannenförmiger Tragschicht und Zweiblockschwellen geläufig. Als Bauart “Rheda Berlin HGV” ist diese Bauart auf der Neubaustrecke Köln-Rhein/Main eingesetzt worden. Die Ausführung der Schalung sowie die Gewährleistung einer zuverlässigen Entwässerung sind bei der Trogbauweise mit gewissem Mehraufwand verbunden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Abbildung 3.3: FF Bauart Rheda mit Zweiblockschwelle[16]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Abbildung 3.4: FF Bauart Rheda Berlin HGV mit Zweiblockschwelle und Gitterträger[16]

Der gegenwärtige Stand der Technik ist die Bauart Rheda 2000®, die z. B. auf der Neubaustrecke Nürnberg-Ingolstadt[18] eingebaut wurde. Bei Herstellung der schlaff bewehrten Zweiblockschwellen im Fertigteilwerk wird die gitterförmige Bewehrung ebenfalls nur mit der Oberseite in die Schwellenblöcke einbetoniert. Nach Herstellung des Unterbaus auf der Baustelle werden die Tragschichtbewehrung eingebaut und die Zweiblockschwellen mit Gitterträger darin integriert und vertikal sowie horizontal mit Montageschienen ausgerichtet. Mit jedem Betoniertakt wird gleichzeitig die Tragplatte hergestellt, die Schwellen vollständig untergossen und die Schwellenfächer verfüllt, was den Arbeitsaufwand zum Einbringen des Ortbetons vermindert. Mit der homogenen Tragplatte wird ein verbesserter Verbund sowie eine hohe Gebrauchstauglichkeit mit gleichmäßiger Rissbildung erreicht. Darüber hinaus ist der Schalaufwand im Vergleich zur Trogbauweise geringer.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Abbildung 3.5: Bauart Rheda 2000®[16]

Ein anderer Bauablauf kennzeichnet die Feste Fahrbahn Bauart „Züblin“. Dabei werden Betontragschicht und Füllbeton vor dem Auflegen der Schwellen in einem Arbeitsschritt hergestellt. Die Schalung für die Betontragschicht dient als Fahrweg für ein spezielles Schwellen-Verlegegerät. Damit werden die Schwellen auf den frischen Beton der Fahrbahnplatte aufgelegt und durch Rütteln in ihre endgültige Position gebracht. Für den maßgenauen Einbau der Einblock- oder Zweiblockschwellen in den noch verformbaren Beton ist vor Ort ein erhöhter Vermessungsaufwand notwendig.

Ein Vertreter der schwellenlosen Festen Fahrbahn ist die Bauart Züblin mit Einzelstützpunkten (BTE). Nach dem Herstellen und Aushärten der Betontragplatte werden die Schienen mit Bolzen direkt auf kleinen Erhöhungen befestigt. Gleislagekorrekturen bei der Montage sind möglich, indem diese Erhöhungen teilweise abgefräst werden können[19].

3.5 FF-Systeme in Fertigteilsysteme

Große Bedeutung beim Bau Fester Fahrbahn haben Fertigteilsysteme, die bei den jüngsten Neubaustrecken zunehmend eingesetzt werden. Das System der Firma Max Bögl kam sowohl auf Neubaustrecken der Deutschen Bahn als auch im weitaus längeren, chinesischen Hochgeschwindigkeitsnetz zum Einsatz[20], wo die Strecken überwiegend auf Brücken verlaufen. Bei dieser Fertigteilbauweise kommen in Querrichtung vorgespannte Gleistragplatten mit einer Systemlänge von 6,50 m und einer Plattendicke von 20 cm zum Einsatz, die für Streckengeschwindigkeiten bis 350 km/h ausgelegt sind. Im Bereich der Schienenauflagerung befinden sich je Seite zehn Höcker zur Aufnahme der im Werk vormontierten Befestigungsmittel. Auf der Baustelle werden die Platten bei Erdbauwerken auf die hydraulisch gebundene Tragschicht aufgelegt, entsprechend der trassierten Endlage ausgerichtet und kraftschlüssig durch Untergießen mit Bitumen-Zement-Verguss mit dem Unterbau verbunden. Vor dem Vergießen der Koppelfugen werden Platten in Längsrichtung gekoppelt, indem die längs einbetonierten Gewindestähle mit Spannschlössern verbunden und gespannt werden.

Eine weitere Variante von Fertigteilen für Feste Fahrbahn ist das System ÖBB-Porr. Hauptelement dieses Systems ist eine vorgefertigte schlaff bewehrte Tragplatte mit Maßen von 2,40 m Breite und einer Bauteildicke von 16 cm. Auf 5,16 m Länge sind je Seite acht höckerförmige Schienenstützpunkte vorhanden. Jede Platte weist zwei Vergussöffnungen zur Aufnahme einer Querkraftbewehrung auf. Der Einbau erfolgt auf einer Betontragschicht mit vorbereiteter Bewehrung für die Vergussschicht. Nach Einbau der Platten und Bewehren der Vergussöffnungen wird mit Ortbeton der Verbund mit dem Unterbau hergestellt. Eine Längsverspannung der Fertigteilplatten an den Fugen findet nicht statt. Das Oberbausystem ÖBB-Porr hat sich als Standard für Feste Fahrbahn in Österreich etabliert und kommt wie die Bauart Bögl auf den Neubaustrecken des VDE 8 zum Einsatz[21].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Abbildung 3.6: Feste Fahrbahn Porr in Fertigteilbauweise, Schnitt Vergussöffnung[22]

3.6 Aufgelagerte FF-Systeme

Unter aufgelagerten Bauarten versteht man Feste-Fahrbahn-Systeme ohne Füllbeton in den Schwellenfächern. Die Längskraftübertragung und der Verbund mit der Tragplatte werden stattdessen mit Ankern realisiert, mit denen die vorgebohrten Betonschwellen auf der ausgehärteten Tragschicht befestigt werden. Bei aufgelagerten Systemen kann die Tragplatte als Beton- oder Asphalttragschicht ausgeführt werden. Für die Befestigung kommen Klebe- bzw. Injektionsanker zum Einsatz, die über eine Europäische Technische Zulassung verfügen und deren Eignung zur Verwendung in Bauarten der Festen Fahrbahn mittels Zulassung des Eisenbahnbundesamtes bestätigt ist. Aufgelagerte Varianten der Festen Fahrbahn sind mit weniger insgesamt Arbeitsschritten auf der Baustelle herstellbar als eingelagerte Systeme. So entfällt die Herstellung des Füllbetons und damit auch der entsprechende Schalungs- und Bewehrungsaufwand. Ein wesentlicher Vorteil ist der geringere Aufwand im Fall von Schwellenaustausch oder lokaler Reparaturen.

3.7 Feste Fahrbahn und Längskraftabtragung auf Brücken

Die Randbedingungen beim Einsatz von Oberbausystemen der Festen Fahrbahn auf Brücken unterscheiden sich von der freien Strecke. Brücken stellen für den Oberbau einen vorwiegend setzungsfreien Untergrund dar. Die Bauwerke als solche unterliegen im Gegensatz zu Erdbauwerken jedoch größeren Verformungen infolge Temperaturbeanspruchungen, Verkehrslasten und Betonkriechen. Die Frosteinwirkung ist aufgrund der Exposition bei Brückenüberbauten ebenfalls intensiver. Grundsätzlich muss die Brückenabdichtung funktionstüchtig bleiben und insbesondere bei langen Eisenbahnbrücken eine lokale Instandsetzung des Oberbaus nach außergewöhnlichen Ereignissen wie Unfällen kurzfristig möglich sein.

Auf Brücken gibt es drei übergeordnete Arten für die Auflagerung der Fahrbahnplatte:

1) kontinuierliche schwimmende Lagerung, über Fugen hinweg
2) kontinuierliche schwimmende Lagerung, über Fugen unterbrochen
3) kurze Fahrbahnplatten, über Fugen und auf Überbau unterbrochen

Es lässt sich allgemein zwischen Fester Fahrbahn auf langen Brücken und auf kurzen Brücken unterscheiden. Kurze Brücken betreffen im Zuge von Strecken mit schotterlosem Oberbau vor allem integrale Bauwerke wie Halbrahmen und Rahmen. Gegenstand der Betrachtung sind ausschließlich Massivbrücken.

Die Unterscheidung nach Brückenlänge ist unter dem Gesichtspunkt der Längskraftabtragung von Bedeutung. Bei Überbauten kurzer Stützweite bzw. Ausgleichslängen bis 25 m können die Längskräfte aus dem Überbau vom Oberbau aufgenommen werden, ohne dass die zulässigen Spannungen in den lückenlos verschweißten Schienen überschritten werden. Größere Brückenlängen erfordern oberbauseitig eine gewisse Längsverschieblichkeit, um temperaturbedingte Längskräfte aus dem Überbau zu kompensieren und Schienenspannungen auf den zulässigen Bereich zu reduzieren. Die Nachgiebigkeit des Oberbaus in Längsrichtung wird auf langen Brücken durch eine modifizierte Schienenbefestigung gewährleistet. Dabei ist die Niederhaltekraft auf 9 kN je Stützpunkt bzw. 14 kN je m Schiene begrenzt und der Durchschubwiderstand reduziert wird [14, 23].

Die Längskräfte aus Bremsen/Anfahren werden bei kurzen Brücken von den Schienen und der gleitend gelagerten Oberbauplatte anteilig aufgenommen und weitergeleitet. Bei langen Überbauten mit größeren Lasten aus Anfahren und Bremsen ist die FF kraftschlüssig über Höcker mit Überbau verbunden. Über die Höcker werden die Horizontalkräfte in den Brückenüberbau eingetragen, sodass der Oberbau und damit die Schienen nur gering beansprucht werden.

3.8 Feste Fahrbahn auf langen Brücken

Das Grundsystem der Festen Fahrbahn auf langen Brücken ist statisch-konstruktiv bedingt die Segmentbauweise mit vorgefertigten Gleistragplatten. Auf mögliche Setzungen des Bauwerks im Bereich Pfeiler oder Widerlager reagiert der Oberbau unempfindlicher als in Form einer steifen durchlaufenden Platte, da zwischen Oberbau und Überbau gewisse Relativverschiebungen zulässig sind. Während auf Erdbauwerken Haftung und Reibung ausreichen, muss die Oberbauplatte auf Brücken zur Gewährleistung der Lagesicherheit Längskräfte aus Verkehr sicher aufnehmen und in den Überbau weiterleiten.

Den Übergang von Brückenbauwerk zum Oberbau stellt bei Massivbrücken die Schutzbetonschicht von 11 cm[14]mit Anschlussbewehrung dar. Auf dieser Schicht wird eine Höckerplatte mit Mindestdicke von 15 cm und mit rechteckigen Aussparungen betoniert. Vorgefertigte Gleistragplatten von etwa 30 cm Dicke greifen mit Schubnocken an der Unterseite in die Aussparungen der Höckerplatte ein. Damit werden Längskräfte aus Verkehr in die Festpunkte der Brücken abgetragen und ein Verschieben des Gleisrostes in Längs- und Querrichtung verhindert. Diese schwimmende Lagerung der Oberbauplatten ohne monolithischen Verbund mit dem Unterbau verringert zudem die Zwangskräfte infolge von Temperaturunterschieden. Die einzelnen Systeme unterliegen in der Regel Schutzrechten und können sich deshalb in den Details unterscheiden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Abbildung 3.7: Prinzip Fester Fahrbahn auf langen Eisenbahnbrücken[14]

Eisenbahnbrücken großer Länge haben mit Ausnahme integraler Bauwerke Lager und Fugen, die Wartung und Instandhaltung erfordern. Nach den Angaben der Rahmenplanung Talbrücken in Richtlinie 804.9020 Kap.15 werden an den Brückenfugen nach Möglichkeit auch die Stöße der Oberbauplatten angeordnet. Im Fall eines Lageraustausches lässt sich nach Lösen einzelner Schienenbefestigungen der Brückenüberbau mit Pressen um die gewünschte Höhe anheben.

3.9 Feste Fahrbahn auf kurzen Brücken

Auf kurzen Eisenbahnüberführungen mit einer Ausgleichslänge bis 25 m [14] zwischen Festpunkt und beweglichem Lager wird die Feste Fahrbahn in gleicher Bauart wie auf den angrenzenden Erdbauwerken ausgeführt. Damit ist eine kontinuierliche und damit ökonomische Herstellung des Oberbaus ohne Wechsel der Bauart möglich. Kurze Brücken können allgemein in Rahmenbrücken und gelagerte Brücken unterteilt werden.

Als zugelassenes System kann die Bauart Rheda (Abschnitt 3.4) mit trogförmiger Betontragschicht eingebaut werden. Auf den Schutzbeton des Brückenüberbaus wird zur Verminderung der Frostauswirkung eine Hartschaumplatte oder ein Leichtbeton von 5 cm Stärke aufgebracht. Der Betontrog wird auf einer elastischen Trennlage hergestellt. In den Trog wird der Gleisrost aus Mono- oder Zweiblockschwellen und der Zusatzbewehrung vorbereitet und ausgerichtet. Anschließend wird der Trog um die Schwellen ausbetoniert. In Querrichtung sichern einzelne Höcker die Stabilität des Oberbaus. Diese werden für Kräfte in Querrichtung wie Fliehkraft und Seitenstoß bemessen und seitlich der Betontragplatte auf den Schutzbeton betoniert. Eine Entkopplung von Oberbau und Betonüberbau wird durch eine Gleitschicht gewährleistet. Dafür wird unter der Betontragschicht eine Folie oder Bitumenlage eingebaut. Das lässt voneinander unabhängige temperaturbedingte Längsverformungen in der Fahrbahn und im Betonüberbau zu. Der Oberbau ist damit in Längsrichtung der Brücke verschieblich gelagert[24].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Abbildung 3.8: Feste Fahrbahn Bauart Rheda auf kurzen Brücken[25]

3.10 Direkte Schienenbefestigung auf Massivbrücken

Kontinuierlich gelagerte Systeme ermöglichen bei Bahnbrücken kleine Bauhöhen des Überbaus. Bei Massivbrücken werden dafür die Schienen unmittelbar auf der Betonplatte des Überbaus befestigt. Gewisse Wechselwirkungen sollten dafür beachtet werden. Bei Mehrfeldträgern und Rahmensystemen befindet sich die Plattenoberseite teilweise in der Zugzone. Gerissener Beton erfordert geeignete Verbindungsmittel, um ausreichenden Verbund zwischen Dübel und Beton und damit eine dauerhafte Schienenbefestigung zu gewährleisten. Weiterhin kann die Gleislage unmittelbar durch die Verformungen des Brückenüberbaus infolge Kriechen und Schwinden beeinträchtigt sein, sodass Lagekorrekturen nur über geeignete Schienenbefestigungen möglich sind. Höhere Ermüdungsbeanspruchung im Brückentragwerk und in den Verbindungsmitteln ist bei schwellenloser Bauart mit direkter Befestigung und geringer Dämpfung nicht ausgeschlossen.

Direkt aufgelagerte Schienen ohne Tragplatten oder Schwellen stellen keine allgemein zugelassene Standardbauart dar. Realisiert wurde die direkte Schienenbefestigung beispielweise auf der Eisenbahnüberführung „Alzkanal“ in Burghausen zur Anwendung bei Überfahrtgeschwindigkeiten von 25 km/h[37]. Eine Erprobung dieser Bauart unter Randbedingungen, wie sie auf untergeordneten Strecken herrschen, mit entsprechender bauaufsichtlicher Begleitung und Bewertung ist ein Gedanke, der weiterverfolgt werden könnte.

4 Beanspruchung und Ausführung von Übergangsbereichen

4.1 Bewegungen an Übergangsbereichen

Fugen zwischen einzelnen Brückenüberbauten und Übergänge von Überbau zu Erdbauwerk sind Bereiche mit erhöhten Beanspruchungen der Schienen und der Schienenbefestigungen.

Die Rahmenplanung Talbrücken behandelt die Bewegungen an Trennfugen allgemein in Ril 804.9020 Kapitel 9. Dabei werden vier Fälle unterschieden[26]:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Bei lager- und fugenlosen kurzen Massivbrücken in integraler Bauweise mit biegesteifen Rahmenecken zwischen Überbau und Widerlager beschränken sich die beschriebenen Fälle im Wesentlichen auf den Vertikalversprung V am Übergang zur Hinterfüllung.

Die Ursache der Verdrehung bei integralen Massivbrücken sind Verformungen des Riegels und des Widerlagers infolge von Verkehrslasten und Langzeiteinwirkungen. Ein Vertikalversatz kann bei Rahmenbauwerken als Folge von Setzungen in der Widerlagerhinterfüllung auftreten.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Abbildung 4.1: Beanspruchung der Schienenstützpunkte in Übergangsbereichen (Schema)[26]

Die Kräfte in den Schienenstützpunkten verteilen sich bei einer Überbauverdrehung auf mehrere Befestigungspunkte, während bei einem Vertikalversatz die Kraftabtragung vorwiegend über die unmittelbar angrenzenden Schienenbefestigungspunkte erfolgt.

4.2 Schienenspannungen und Stützpunktkräfte im Brückenbereich

Eine Randbedingung beim Entwurf von Eisenbahnbrücken sind die vorhandenen Schienenspannungen. Ursache sind Längskräfte im Überbau aus Temperatur und Anfahr-/Bremskräften und die Verformungsbehinderung im lückenlos verschweißten Gleis. Während zu hohe Zugspannungen besonders bei niedrigen Temperaturen Schienenbruch hervorrufen können, führen betragsmäßig zu hohe Druckspannungen zu Gleisverwerfungen. Bei schotterlosem Oberbau mit steifer Unterkonstruktion ist die Lagestabilität der Schienen deutlich höher. Basierend auf Ermüdungsbetrachtungen mit Wöhlerversuchen für das Schienenprofil UIC 60[27] sind in DIN EN 1991-2 sowie Ril 804 und Ril 820 die folgenden Werte festgelegt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Auf einen Nachweis der Schienenspannungen kann bei Brücken bis 30 m Überbaulänge verzichtet werden. Sind die Verformungsnachweise nach Richtlinie 804.3401 eingehalten, ist keine Überbeanspruchung der Schienen zu erwarten. Der Grenzwert für die maximale horizontale Verschiebung der Schienen gegenüber dem Überbau beträgt 4 mm für den Lastfall Bremsen und Anfahren. Maßnahmen für die Begrenzung der Schienenspannungen sind im Wesentlichen

- die Begrenzung der fugenfreien Überbaulänge,
- der Einbau von Schienenauszügen sowie
- die Verringerung der Anspannkraft an Schienenstützpunkten.

Die normative Ermittlung der Anfahrkräfte mit Qlak = 33 [kNm] * lak [m] und der Bremslasten mit Qlbk = 20 [kNm] * lbk [m] zeigt, dass sich die einwirkende Längskräfte proportional zur Überbaulänge verringern lassen.

Beim Verzicht auf Schienenauszüge muss die erhöhte Längskraft in den Schienen durch höhere Nachgiebigkeit der Schienen auf den Tragplatten bzw. Schwellen ausgeglichen werden. Dafür werden bei Brückenüberbauten mittlerer und größerer fugenloser Länge die Spannkraft der Schienenbefestigung und damit der Durchschubwiderstand verringert. Die Schiene ist nach Ril 804.3401 mit einer reduzierten Spannkraft von max. 9 kN je Stützpunkt zu befestigen. Der Verschiebewiderstand eines Gleises in Längsrichtung ergibt sich aus dem Durchschubwiderstand der Schienenbefestigung und dem Längsverschiebewiderstand der Schwellen. Bei Schotteroberbau wird zuerst der geringere Verschiebwiderstand der Schwellen im Schotter aktiviert, während bei fester Fahrbahn nur der Durchschubwiderstand der Befestigung wirksam wird.

4.3 Konstruktive Maßnahmen am Übergang Brücke - Erdbauwerk

Am Übergang vom relativ starren Brückenbauwerk zum elastischeren Erdbauwerk treten unter Lasteinwirkung Verformungsdifferenzen auf. Daraus resultierende mögliche Überbeanspruchung im Oberbau lässt sich durch konstruktive Maßnahmen vermeiden.

Bei voneinander getrennten Überbau und Widerlager lassen sich an den Brückenfugen durch den Einbau von Ausgleichsplatten Schienenspannungen und Stützpunktkräfte begrenzen. Sie überführend das Gleis über die Fuge und als einfeldriges, frei drehbares Bauteil, z. B. aus Stahlbeton, in Gleisrichtung verschieblich und in Querrichtung fest eingebaut[28].

Abhebende Kräfte in den Schienenstützpunkten werden verringert, indem der Endtangentendrehwinkel am Überbauende auf zwei kleinere Winkel an den Enden der Ausgleichsplatte aufgeteilt wird. Vertikale Differenzverformungen werden über die Länge der Ausgleichsplatte verteilt und zwei Verdrehwinkel gebildet, deren Größe umgekehrt proportional zur Plattenlänge ist. Gleichzeitig werden die erhöhten Stützpunktkräfte in Abhängigkeit der Plattenlänge auf mehrere Befestigungen verteilt. Bei durchgehender Schiene über längsbeweglichen Fugen verteilt eine Ausgleichsplatte die Längenänderung auf zwei Fugen. Scherkräfte in den Befestigungsmitteln werden damit über mehrere Schienenstützpunkte abgetragen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Abbildung 4.2: Prinzip der Ausgleichsplatte an einer

Fuge mit Vertikalversatz (Ril 804.5202) Bei integralen Brücken ohne Fugen, wie Rahmen, liegt das Augenmerk dagegen auf dem Bettungssprung und möglichen Setzungen am Übergang zum Erdbauwerk. Für das Angleichen der Bettungen zwischen Brücke und Erdbauwerk und ggf. zwischen Fester Fahrbahn und Schotteroberbau gibt es verschiedene Möglichkeiten.

- Einbau verformungsarmer Hinterfüllung nach Ril 836.0504
- Einbau einer Schleppplatte
- oberbauseitige Anpassungen

Für die Hinterfüllung von Brückenwiderlagern ist eine setzungsarme Bauart die Regelausführung. Nach Ril 836 „Erdbauwerke“ Teil 0504 ist diese zementverfestigt als Magerbetonkeil oder durch Einbau verdichteter Sand-Kies-Gemische herzustellen, abhängig davon, ob die Brücke an neu zu errichtenden oder an bestehenden Strecken errichtet wird.

Eine Schleppplatte wird als eine Art Rampe zwischen Erdbauwerk und Widerlagerwand eingebaut. Bei massiven Rahmenbauwerken ist sie ebenfalls in Stahlbeton ausgebildet und liegt bauwerksseitig elastisch auf einer Konsole sowie auf dem angrenzenden Baugrund auf. Über die Plattenlänge wird der Bettungsunterschied kontinuierlich abgebaut, geringe setzungsbedingte Höhenunterschiede ausgeglichen und die Hinterfüllung unmittelbar hinter dem Widerlager entlastet. Zum Einsatz kommt eine Schleppplatte bei sehr großen Bettungssprüngen, z. B. bei Schotterfahrbahn auf Erdbauwerk und direkter Schienenbefestigung auf der Stahlbetonplatte einer Brücke. Gleiche Oberbauart auf der Brücke und außerhalb und eine verfestigte Hinterfüllung machen eine Schleppplatte für den Bettungsangleich bei Eisenbahnbrücken in den meisten Fällen entbehrlich.

Mit oberbauseitigen Maßnahmen wie Schotterverklebung oder Beischienen kann Bettungsunterschieden an Übergängen zwischen Fester Fahrbahn und Schotterbett begegnet werden. Hinweise dazu gibt der Anforderungskatalog Feste Fahrbahn[14] in Abschnitt 2.11.

5 Technische Regelwerke und eisenbahnspezifische Anforderungen

5.1 Technische Baubestimmungen und Bauregellisten

Für die Planung, Bemessung und Konstruktion baulicher Anlagen gelten in Deutschland Regelwerke entsprechend der Liste der Technischen Baubestimmungen, die von jedem Bundesland im Amtsblatt bekannt gemacht werden. Das umfasst Bemessungsnormen wie die Eurocodes samt Nationalen Anhängen, Normen für bauphysikalische Bemessung und ergänzende Anwendungsnormen für Bauprodukte und Bauarten.

Das Deutsche Institut für Bautechnik (DIBt) ist die nationale Zulassungs- bzw. Bewertungsstelle für Bauarten und Bauprodukte zur Verwendung in Deutschland. Es ist Herausgeber der ständig fortgeschriebenen Bauregellisten (BRL), mit denen die maßgebenden technischen Regeln bekannt gemacht werden. Nach Landesbauordnung (LBO) müssen Bauprodukte und Bauarten diesen allgemein anerkannten Regeln der Technik entsprechen, um sie für Bauwerke anwenden zu können. Der Nachweis der Verwendbarkeit wird dabei durch Übereinstimmung des Produktes mit den allgemein anerkannten Regeln der Technik nachgewiesen.

Bauregelliste A enthält in Teil 1 Normen für Bauprodukte, die für die Sicherheit baulicher Anlagen von erheblicher Bedeutung sind. Der Nachweis der Verwendbarkeit wird mit dem Übereinstimmungs(Ü)-Zeichen bestätigt. Teil 2 der BRL A betrifft nicht geregelte Bauprodukte und Teil 3 gilt für nicht geregelte Bauarten. Für diese Bauprodukte bzw. Bauarten gibt es entweder keine allgemein anerkannten Regeln der Technik oder es gibt sie nicht für alle Eigenschaften.

Anstelle einer technischen Regel und Ü-Zeichen gibt es als Verwendbarkeitsnachweis ein bauaufsichtliches Prüfzeugnis. Im Gegensatz zu den in Liste A geführten Produkten sind nicht geregelte Bauprodukte für die Sicherheit baulicher Anlagen von untergeordneter Bedeutung[29].

Bauregelliste Teil B enthält Bauprodukte, die nach dem Bauproduktengesetz in Verkehr gebracht werden und für die europäische harmonisierte Normen gelten. Sie tragen das CE-Zeichen. Um Verwendbarkeit in Deutschland zu gewährleisten, gibt es nationale Anwendungsnormen. Bei wesentlichen Abweichungen von den technischen Regeln kann vom DIBt eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung (abZ) oder eine objektspezifische Zustimmung im Einzelfall (ZiE) als Verwendungsnachweis erteilt werden (§17 MBO[30]). Darüber hinaus gibt es bei Abweichung von den Regelwerken der Bauregelliste B Europäische Technische Zulassungen.

Produkte der Bauregelliste Teil C haben nur untergeordnete bauordnungsrechtliche Relevanz.

5.2 Eisenbahnspezifische Technische Baubestimmungen und Bauregellisten

Für öffentliche Bahnen in Regelspurweite gelten die Allgemeinen Anforderungen der Eisenbahn-Bau- und Betriebsordnung (EBO) als Gegenstück zu den Landesbauordnungen. Darin heißt es:

„ Bahnanlagen und Fahrzeuge müssen so beschaffen sein, dass sie den Anforderungen der Sicherheit und Ordnung genügen. Diese Anforderungen gelten als erfüllt, wenn die Bahnanlagen ( … ) den

( … ) anerkannten Regeln der Technik entsprechen. “ EBO §2 (1)[31]

Das Eisenbahnbundesamt (EBA) als Bauaufsichtsbehörde im Eisenbahnbereich veröffentlicht die anerkannten Regeln der Technik in Form der eisenbahnspezifischen Liste technischer Baubestimmungen (ELTB)[32]. Darin sind Normen für Planung, Bemessung und Konstruktion baulicher Anlagen enthalten. Neben Regelwerken für Bemessung, Brandschutz, bauphysikalische Anforderungen, Gesundheits- und Bautenschutz etc. umfasst die Liste eine Reihe bahnspezifischer Richtlinien.

Darüber hinaus veröffentlicht das EBA als Ergänzung zur Bauregelliste die eisenbahnspezifischen Bauregellisten (EBRL). Die Struktur in Form der Listen E A, E B und Liste C ist an die Dokumente des DIBt angelehnt. Inhaltlich werden die Besonderheiten für Eisenbahninfrastruktur, Energieversorgung und Streckenbetrieb durch die Ergänzung eisenbahntechnischer Bestimmungen und Verwendungsbedingungen berücksichtigt. Die Bauregelliste EA umfasst Technische Regeln für geregelte Bauprodukte (Teil 1), für ungeregelte Bauprodukte (Teil 2) sowie für geregelte und ungeregelte Bauarten (Teil 3). Es handelt sich dabei überwiegend um bahnspezifische Richtlinien. In den übrigen Spalten ist die Form der notwendigen Verwendbarkeitsnachweise aufgeführt[33].

Tabelle 5.1: Übersicht Bauregellisten nach LBO und EBO

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

5.3 Bauarten außerhalb des Regelwerks

5.3.1 Die Zulassungsinstrumente UiG und ZiE

Bauarten, die sich langjährig bewährt haben, haben als Standardbauart Eingang in die bahnspezifischen Regelwerke gefunden. Zu nennen sind insbesondere die Rahmenplanungen mit den Richtzeichnungen und Entwurfsdetails, nach welchen der Großteil der Eisenbahnbrücken geplant und ausgeführt wird. Die wichtigsten Regelwerke als allgemein anerkannte Regeln der Technik im Bereich Infrastrukturbau Bahn sind:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Bei Abweichung vom Regelwerk fordert die Eisenbahnbetriebsordnung:

„ (2) Von den anerkannten Regeln der Technik darf abgewichen werden, wenn mindestens die gleiche Sicherheit wie bei Beachtung dieser Regeln nachgewiesen ist “ (EBO § 2).

Abhängig davon, in welchem Umfang sicherheitsrelevante Belange berührt werden, ist eine Unternehmensinterne Genehmigung (UiG) oder zusätzlich eine Zustimmung im Einzelfall (ZiE) zur Validierung einer Bauart notwendig. Die Unterschiede stellt die folgende Übersicht dar[23]^{1 2}

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Die Unternehmensinterne Genehmigung (UiG) wird gefordert, um beispielsweise Erfahrungen mit Bau- und Berechnungsverfahren zu sammeln oder auf Probleme bei der Anwendung bestimmter Verfahren hinzuweisen. Es werden in erster Linie wirtschaftliche Belange des Infrastrukturbetreibers berührt, sodass diesem (z. B. DB Netz) auch das Ausstellen einer UiG obliegt.

Eine Zustimmung im Einzelfall (ZiE) berührt Sicherheitsbelange und wird vom Eisenbahnbundesamt als zuständige Aufsichtsbehörde auf Grundlage einer UiG erteilt.

5.3.2 Zulassungsverfahren für integrale / semi-integrale Eisenbahnbrücken

Im Vorfeld der Erlangung einer ZiE wird die von den Standards abweichende Bauart intensiv verifiziert. Besonders umfangreich wurde das bei den integralen und semiintegralen Großbrücken im Hochgeschwindigkeitsnetz der Deutschen Bahn vollzogen. Sie weichen als Pilotprojekte von der Rahmenplanung Talbrücken ab, in der als ein Entwurfsgrundsatz die zwängungsfreie Lagerung des Überbaus vorgesehen ist. Voraussetzungen für eine Zustimmung waren Untersuchungen zur Interaktion Bauwerk - Baugrund dynamische Berechnung und Überprüfung des Resonanzverhaltens Nachweis der Schienenspannungen und Bauwerksverformungen Ermüdungsbetrachtungen Untersuchung der tatsächlich vorhandenen Baustoffeigenschaften Überprüfung der Ausführbarkeit anhand bewehrter Modellknoten umfangreiche messtechnische Begleitung bei der Ausführung Rahmenbauwerke kurzer und mittlerer Stützweiten benötigen im Allgemeinen keine separate Zustimmung. Sie sind bewährter Stand der Technik, sodass die Nachweise nicht den o. g. Umfang erfordern.

5.3.3 Integrale Brücken in den Regelungen der BASt

Die Renaissance Integraler und semi-integraler Bauwerke spiegelt sich auch in den Regelwerken der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) wider. Neben den Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen für Ingenieurbauwerke (ZTV-ING) werden die Richtlinien für den Entwurf und die Ausführung von Ingenieurbauwerken (RE-ING) herausgegeben. Der Entwurf zu Teil XX[35]beinhaltet u. a. Angaben zu Schwierigkeitsklassen, Bearbeitungstiefe und konstruktiven Ansätzen bei lager- und fugenlosen Brücken. Darüber hinaus wird die Bedeutung der Boden-Bauwerks- Interaktion hervorgehoben und Hinweise für die Berücksichtigung von Zwangsschnittgrößen und Steifigkeitseinflüssen sowie zur Ausbildung der Übergänge gegeben. Die Richtlinie gilt für Straßen- und Wegbrücken, die genannten Konstruktionshinweise und Berechnungsansätze lassen sich jedoch in ihren Grundsätzen auf integrale Eisenbahnbrücken, wie Rahmenbauwerke kurzer und mittlerer Spannweite, übertragen.

5.3.4 Regelungssituation bei Fester Fahrbahn

Vor der Aufnahme einer Bauart der Festen Fahrbahn in das Regelwerk der Deutschen Bahn muss die Oberbauart ein langwieriges Zulassungsverfahren durchlaufen. Im Vordergrund steht stets die Sicherheit des Bahnbetriebes. Darüber hinaus ist für den Infrastrukturbetreiber ein System von Interesse, das langlebig und gebrauchstauglich ist, sich bei Bedarf in relativ kurzen Zeiträumen warten und reparieren lässt und wirtschaftlich ausführbar ist.

Grundlage für den Einbau Fester Fahrbahn auf bundeseigenen Strecken ist eine Zulassung des Eisenbahnbundesamtes (EBA) in Form einer „Zulassung zur Betriebserprobung“ oder einer „Allgemeinen Bauartzulassung“ Nach einer erfolgreichen Eignungsprüfung im Labor wird auf der Basis umfangreicher Typzeichnungen, Prüfergebnisse und Dokumentationen zur Herstellung eine Zulassung zur Betriebserprobung erteilt. Über einen Zeitraum von fünf Jahren wird das Verhalten des Systems unter realen Betriebs- und Witterungsbedingungen auf freier Strecke getestet, sodass sich Schwachstellen herauskristallisieren können[14]. Für die Erlangung einer allgemeinen Zulassung seitens des EBA werden die Ergebnisse des Probebetriebs detailliert ausgewertet. Bei Nachweis der technischen Eignung und eines minimalen prognostizierten Instandhaltungsaufwands kann eine Freigabe als Regelbauart erfolgen. Zwei oft eingesetzte Systeme Fester Fahrbahn mit allgemeiner Zulassung sind Bauart Bögl auf langen Brücken System „Rheda 2000 ohne durchgehende Bewehrung“[36]

Zentrales Regelwerk ist der „Anforderungskatalog zum Bau der Festen Fahrbahn“ in der 4. Auflage von 2002. Darin sind neben oberbautechnischen Anforderungen auf Erd- und Ingenieurbauwerken spezifische Hinweise zu Elektrotechnik und Streckenausrüstung aufgeführt. Es ist zu erwarten, dass die Inhalte des Anforderungskataloges „Feste Fahrbahn“ in Zukunft in die Richtlinie 804 Modul 54xx „Feste Fahrbahn auf Brücken“ und Modul 9020 „Rahmenplanung Talbrücken“ sowie in die Richtlinie 820 „Grundlagen des Oberbaus“ integriert werden.

6 Tragwerksuntersuchung mit Variation statisch-konstruktiver Parameter

6.1 Methoden und Zielstellung

Integrale Brücken wie Halbrahmen und Vollrahmen sind für kurze und mittlere Spannweiten Standardbauart bei der Deutschen Bahn. Der Oberbau wird i. d. R. in gleicher Bauart wie außerhalb der Ingenieurbauwerke ausgeführt, meistens mit Schotterbett. Die Feste Fahrbahn ist auf diesen kurzen Rahmenbauwerken die Ausnahme - von einzelnen Schnellfahrstrecken abgesehen.

Anhand eines ausgeführten Rahmenbauwerkes mit Pfahlgründung und schotterlosem Oberbau wird eine Parameterstudie zum Tragverhalten für Entwurfsgeschwindigkeiten bis 200 km/h durchgeführt. Das umfasst die Ermittlung der Beanspruchungen sowie der Bewehrungsmengen in relevanten Bauwerksbereichen. Entsprechend der Aufgabenstellung werden Abgrenzungskriterien für unterschiedliche Stützweiten erarbeitet. Darüber hinaus wird in Kapitel 0 ff. das Resonanzrisiko für Entwurfsgeschwindigkeiten von über 200 km/h bis 300 km/h untersucht.

Aufgrund der unmittelbaren Auswirkung von Baugrundeigenschaften auf das Tragwerksverhalten werden verschiedene Bodenkennwerte angesetzt und deren Auswirkung auf Tragverhalten und konstruktive Ausführung beurteilt.

6.2 Referenzbauwerk

Grundlage für die Untersuchungen bildet die eingleisige Eisenbahnüberführung „Alzkanal“ in Burghausen im bayerischen Chemiedreieck. Zur Verbesserung der örtlichen Verkehrsinfrastruktur wird in Nachbarschaft der ansässigen Chemieindustrie ein Umschlagterminal für den kombinierten Verkehr Straße-Schiene errichtet. Für das Zuführungsgleis und die damit erforderliche Querung des Alzkanals wurde ein Stahlbetonrahmenbauwerk mit Bohrpfahlgründung geplant und errichtet[37].

Topografie und Trassierung setzten Grenzen hinsichtlich der Überbauhöhe und Bauwerksgeometrie. Als wesentliche Zwangspunkte sind die Schienenoberkante (SO) und der Höchstwasserstand des Kanals zu nennen. Ein konventioneller Schotteroberbau einer Fahrbahnhöhe von mindestens 0,60 m kam daher nicht in Betracht. Das ausgeführte schiefwinklige Rahmenbauwerk besteht aus einer in Ortbeton ausgeführten schlaff bewehrten Platte mit 110 cm Dicke, die an den integralen Widerlagerbereichen zur Einbindung der Gründungspfähle als 170 cm starke Pfahlkopfplatte ausgeführt ist. Die Stützweite beträgt 24,90 m.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Abbildung 6.1: Längsschnitt der EÜ Alzkanal, nicht maßstäblich,[37]

Der schiefwinklige Überbau quert den Alzkanal mit einem Winkel von rund 68 gon. Die Stützweite beträgt 24,90 m zwischen den Systemachsen der zwei mittleren Bohrpfähle. Senkrecht zum Wasserlauf beträgt die lichte Weite 19,50 m zwischen den Pfahlkopfplatten. Die Gründung besteht je Seite aus fünf Bohrpfählen in mitteldicht gelagerten Kiesen mit 80 cm Durchmesser und 12 m Länge[38]. In den Widerlagerbereichen wird die Steifigkeit zusätzlich infolge der hinteren Bohrpfahlreihe erhöht. Das kommt einer hohen Schlankheit im Überbau entgegen, weil sich damit wesentliche Schnittgrößen im Feld wie das Moment mxx verringern lassen. Mit der Anordnung der hinteren Pfähle wird weiterhin der Schnittgrößenkonzentration an den stumpfen Ecken Rechnung getragen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Abbildung 6.2: EÜ Alzkanal: Bauwerksgeometrie und Pfahlanordnung in der Draufsicht,[37]

Das Anschlussgleis ist für eine zulässige Geschwindigkeit von 25 km/h ausgelegt. Als Oberbau wurde eine schwellenlose Bauart gewählt. Dabei sind die Schienen UIC 60 in Aussparungen direkt auf der Betonplatte befestigt, sodass die Schienenoberkante (SO) der OK Platte entspricht. Eine weitere Besonderheit ist, dass der Oberbau vor und nach der Brücke konventionell mit Schotterbett ausgeführt ist. Mit einer Schleppplatte aus Stahlbeton werden die Bettungsunterschiede zwischen Brücke und Erdbauwerk bzw. zwischen den Oberbauarten kompensiert.

[...]

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¹ Definition nach Ril 804.0001 A06

² s.a. Ril 804.0101A01