Verminderung der Einwirkungen im Unterbau ... - Gepro Dresden

Verminderung der Einwirkungen 

im Unterbau/Untergrund 

mit elastischen Elementen im Oberbau 

- Ein Erfahrungsbericht - 

Prof.- Dr.-Ing. Ulrike Weisemann 

06.02.2009 7. Tiefbaufachtung des VDEI in Dresden 1

Gliederung 

Gliederung 

1. Problemstellung 

2. Eintragung und Abtragung der Lasten 

3. Ergebnisse des Nachweises der dynamischen 

Gebrauchstauglichkeit 

4. Einbaupositionen und Wirkungsweise von elastischen Elementen 

im Oberbau 

5. Betriebserprobung beim Bauvorhaben Hamburg – Berlin, 2. 

Ausbaustufe 

6. Schlussfolgerungen 


1 Problemstellung 

Bauvorhaben Hamburg – Berlin, 2. Ausbaustufe, Abnahmemessungen 



Beispiel Bauvorhaben Hamburg – Berlin, 2. Ausbaustufe 

• Erhöhung der Betriebsgeschwindigkeit auf v e 

= 230 km/h für eine auf 160 km/h 

bereits ertüchtigte Strecke, 

• ggf. Bestellung der Strecke für Schwerwagenverkehr (25 t Radsatzlast) 

1. Ausbaustufe: 

Mindestanforderungen gemäß DS 836 

2. Ausbaustufe: 

Mindestanforderungen gemäß Ril 836 

Gesamtdicke von PSS / FSS: d = 0,25 m 

Regeldicke der Schutzschicht: 

d = 0,40 m 

Planum: 

E V2 = 50 MN/m² 

Planum: 

E V2 = 80 MN/m² 

D Pr = 0,95 

D Pr = 1,00 

EPL: 

E V2 = 20 MN/m² 

EPL: 

E V2 = 45 MN/m² 

Untergrund: D Pr = 0,93 

bis 0,50 m unter OK EPL 

Untergrund: D Pr = 0,95 

bis 1,50 m unter OK EPL 

→ Höhere Anforderungen an Tragfähigkeit und Verdichtung 

Fragestellung bei Erdbauwerken an Ausbaustrecken: 

Entspricht die vorhandene Substanz den gestiegenen Anforderungen? 



Erhöhung hung der Geschwindigkeit, der Streckenbelegung bzw. der Radsatzlast 

ast 

Höhere Anforderungen an das Gesamtsystem Oberbau / Unterbau / Untergrund 

Fragestellung: 

Welche bautechnischen Maßnahmen müssen m 

durchgeführt hrt werden, um die höheren h heren 

Beanspruchungen schadlos aufnehmen zu können? k 

Erweiterter Ansatz in der Nachweisführung: 

hrung: 

Differenzierte und tiefgehende Betrachtung der Einwirkungen (Vergangenheit / Gegenwart 

/ Zukunft) durch tatsächliche bzw. wirklichkeitsnahe Lastbilder 

Erfassung der tatsächlichen Widerstände des Gesamtsystems, insbesondere des 

Baugrundes 

Untersuchungen zur Beanspruchung und zur Beanspruchungsveränderung, nderung, Beurteilung 

der Auswirkungen auf das Erdbauwerk 

Festlegung von Ertüchtigungsma 

chtigungsmaßnahmen nahmen unter Nutzung von elastischen Elementen 


2 Eintragung und Abtragung der Lasten 

Systematisierung der Einwirkungen 

Beanspruchungsveränderung 

- zukünftiger Zustand - 

Hochgeschwindigkeitsverkehr 

Schwerwagenverkehr 

Hochgeschwindigkeitszug nach technischer 

Spezifikation für Interoperabilität (TSI) 

Vmax = 100 km/h 

Faalns 151 

Faalns 151 

25 t 25 t 25 t 25 t 25 t 25 t 25 t 25 t 25 t 25 t 25 t 25 t 

1,825 1,70 1,70 4,60 1,70 1,70 3,65 1,70 1,70 4,60 1,70 1,70 1,825 

15,05 m 15,05 m 

Lastbild für Schwerwagen Faalns 151 

Lastbild des ICE-T 



Idealisierte Belastung: statische Ersatzlast inklusive Erhöhungsfaktoren 

− Radkraftverlagerung bei Bogenfahrt 

− Radkrafterhöhung in Abhängigkeit von Gleislagequalität / 

Oberbauzustand und Fahrgeschwindigkeit 

Tatsächliche Belastung: dynamische bzw. zeitabhängige Beanspruchung 

− 

− 

quasistatische Beanspruchung infolge geometrischer Abstände der Achslasten eines 

Fahrzeugs 

zusätzliche dynamische Beanspruchung durch Unebenheiten des Rades und im 

Fahrweg 



Tatsächliche Belastung = zeitabhängige Belastung 

Sie resultiert aus der Achsfolge der Fahrzeuge sowie der Abstände von Unebenheiten 

des Fahrzeuges und des Fahrweges unter Berücksichtigung der Fahrgeschwindigkeit. 

Einwirkungen 

Niederfrequente 


Hochfrequente 


Werden charakterisiert durch: 

→ die jeweiligen Radsatzlasten der 

überfahrenden Züge 

→ die Fahrgeschwindigkeit sowie 

→ typische Wagen-, Achs- und 

Drehgestellabstände 

Ergeben sich durch: 

→ Wechselwirkung von Fahrzeug und 

Fahrweg, z.B. durch Unebenheiten 

im Fahrweg (Gleislagefehler, Riffel) 

oder im Fahrzeug 

(Radunrundheiten) 

Belastung des Gesamtsystems 



Beanspruchungen des Gesamtsystems 

= Summe aus niederfrequenter und hochfrequenter Beanspruchung 

→ Darstellung im Zeitbereich 

0,000 0,128 0,256 0,384 0,512 t [s] 0,640 0,768 0,896 1,024 

-40 

Gesamtbeanspruchung [kN/m²] 

0 

40 

80 

120 

160 

200 

240 

UK Schwelle 

OK Planum 


3 Nachweisführung beim Bauvorhaben Hamburg - Berlin 

Probleme im Unterbau/Untergrund 

Bei zu großen Schwingwegen, Schwinggeschwindigkeiten und/oder zu großen 

Schwingbeschleunigungen 

→ 

→ 

negative Auswirkungen für Oberbau und Unterbau 

und Untergrund, z.B.: 

• Kornumlagerungen, Kornzertrümmerungen 

• Erhöhung des Porenwasserüberdruckes, Bodenverflüssigungen 

• Nachverdichtungen, Setzungen 

• Instabilitäten an Schichtgrenzen 

• verändertes Elastizitätsverhalten 

kritische Bereiche von Unterbau und Untergrund bei dynamischer 

Einwirkung 

• Gleisnahe Bodenschichten 

• Dämme aus verlagerungsempfindlichen Sanden 

• Weichschichten im Untergrund 

• Instabilitäten an Schichtgrenzen 

• Übergangsbereiche bei Brücken, Durchlässen, Bahnübergängen 



→ 

Aufgabenstellung: 

- Nachweis der Gebrauchstauglichkeit für die Erdbauwerke bzw. Unterbau / 

Untergrund auf ca. 260 km Streckenlänge für 230 km/h (Dynamische Stabilität), 

- Nachweis der Tragfähigkeit (Standsicherheit) für die Erdbauwerke 

Methodik der Nachweisführung 

Betrachtung und Bewertung der dynamischen Lastausbreitung in maßgebenden Frequenzen 

und Schwinggeschwindigkeiten 

Oberbau 

Unterbau 

Gleisdynamische Berechnungen 

FE- Berechnungen 

0,000 0,128 0,256 0,384 0,512 t [s] 0,640 0,768 0,896 1,024 

-40 


0 

40 

80 

120 

160 

200 

240 

UK Schwelle 

OK Planum 



Ergebnisse - Vertikalspannungen im Unterbau 

60 

maximale Flächenlasten Oberkante Planum 

auf einer Verteilungsbreite von 2,60 m 

maßgebend für Erdkörper und Stützbauwerke 

60,0 

60,0 

50 

47,2 

51,6 

statischer Anteil 

dynamischer Anteil mittlere RU 

Gesamt mittlere RU 

Flächenlasten [kN/m²] 

40 

30 

20 

19,6 

29,9 

34,1 33,6 

26,1 26,1 

10 

0 

10,3 10,3 

7,5 

4,4 

0,0 

Lastbild D4 90 km/h ICE-T 160 km/h TSI 230 km/h TSI 230 km/h Bemessungsgrundlage 

Zw 687a Zw 687a Zw 687a Zw 700 RIL 836 

Anmerkung: Bemessungsgrundlage RIL 836 = Ebene Unterkante Schwelle 



Ergebnisse - effektive Schwinggeschwindigkeiten im Unterbau 

effektive Schwinggeschwindigkeit [mm/s] 

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 

0,00 

-0,20 

Tiefe unter OK Schwelle [m] 

-0,40 

-0,60 

-0,80 

-1,00 

-1,20 

-1,40 

-1,60 

-1,80 

-2,00 

Lastbild D4 Zw 687a MRU 

Lastbild ICT Zw 687a MRU 

Lastbild TSI Zw 687a MRU 

Lastbild TSI Zw 700 MRU 



Vergleich der kritischen und effektiven Schwinggeschwindigkeiten 








4 Einbaupositionen und Wirkungsweise von elastischen Elementen im Oberbau 

Mögliche Positionen von elastischen Elementen 

Quelle: DB AG 

Schiene 

Zwischenlage 

Schwelle 

Schwellensohle 

Schotter 


4 Einbaupositionen und Wirkungsweise von elastischen Elementen im Oberbau 

Beeinflussung des Schwingungsverhaltens durch Wirkung als: 

Federelement 

→ höhere Einsenkung 

→ flachere Biegelinie 

→ Verminderung der Schotterpressung 

und der Bodendruckspannung 

Dämpfungselement 

→ Verminderung der Schwingungsanregung 

→ Abbau von Schwinggeschwindigkeiten 

→ Dämpfung im mittleren und 

höheren Frequenzbereich 

Schotterspannung [kN/m²] 

Weg der Überfahrt x [m] 

-3,00 -2,00 -1,00 0,00 1,00 2,00 3,00 

-25 

0 

25 

50 

75 

100 

125 

150 

175 

200 

225 

250 

Zw 687a ideal rund 

Zw 687a unrund 

Zw 700 ideal rund 

Zw 700 unrund 

E 14 ideal rund 

E 14 unrund 

Biegemoment der Schiene 

[kNm] 

20,0 

15,0 

10,0 

5,0 

0,0 

-5,0 

-10,0 

-15,0 

-20,0 

dynamische Zusatzbeanspruchung durch Radunrundheit 

Zw 687a 

Zw 700 

E 14 

-3,00 -2,00 -1,00 0,00 1,00 2,00 3,00 

Weg der Überfahrt x [m] 

Schotterspannungen infolge ideal runder und extrem 

unrunder Räder 

Biegemomente der Schiene infolge ideal runder und extrem 

unrunder Räder 


4 Betriebserprobung 

Betriebserprobung beim Bauvorhaben Hamburg – Berlin, 2. Ausbaustufe 

bei Neustadt (Dosse) - km 76,300 - km 76,800: 

Hamburg 

Berlin 

Ausgangssituation: 

• Dammbereich mit verlagerungsempfindlichen Sanden und geringer 

Lagerungsdichte 

• Gleislagefehler 



Betriebserprobung beim Bauvorhaben Hamburg – Berlin, 2. Ausbaustufe 

• 5 Messquerschnitte 

• Messungen: 

→ Schwingbeschleunigung 

→ Verformungsmessungen 

→ Schwellenhohllagemessungen 

→ Schienendurchbiegungsmessungen 

E14-Stützpunkt (Gleis Berlin - Hamburg), statische 

Stützpunktsteifigkeit k stat,E14 = 27,5 kN/mm 

Schwellenbesohlung (Gleis Hamburg - Berlin), statische 

Stützpunktsteifigkeit k Ges = 27,3 kN/mm (mit ZW 700) 



Anordnung der Messaufnehmer 

SOK 

11N 

12N 

13W 14W 15W 

21F 

22F 

Beschleunigungsaufnehmer 

Laser-Waage 

16P 

17P 

0,85 m 

PSS 

18B 

2,00 m 

Messpunkte 

in Bohrloch 

eingebaut, 

eingesandet 

19B 

20B 

3,50 m 

5,00 m 

Quelle: imb-dynamik 



Messergebnisse der 

Betriebserprobung – 

elastische Einsenkungen 

(ICE-T-Triebwagen mit 

ca. 190 km/h) 

Tiefe unter SOK [m] 

Elastische Einsenkungen [mm] 

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 

0,0 

1,0 

2,0 

3,0 

ICE-Triebwagen; E14-Stützpunkte 

4,0 

ICE-Triebwagen; besohlte Schwellen 

5,0 

ICE-Triebwagen; Referenz 

Messpunkt 

Tiefe 

unter SO 

ICE-T-Triebwagen / ca. 14 t Radsatzlast / v ≈ 190 km/h 

E14-Stützpunkt besohlte Schwellen Referenz 

Schiene 0,16 m 1,19 1,00 0,95 

Schwelle 0,20 m 0,58 0,77 0,63 

Planum 0,85 m 0,40 0,39 0,42 

-2,0 m 2,00 m 0,37 0,31 0,35 

-3,0 m 3,00 m - - 0,29 

-3,5 m 3,50 m 0,21 0,24 - 

-5,0 m 5,00 m 0,15 0,14 - 



Messergebnisse der Betriebserprobung – Verteilung der Elastizität 

30% 

E14-Stützpunkte 

35% 

besohlte Schwellen 

25% 

10% 60% 

0% 

10% 

30% 

Zwischenlage Schwellensohle Schotter Unterbau- und Untergrund 


50% 

elastischer Oberbau 

(Zw 700, Schwellen B70, UIC 60) 

30% 

65% 

klassischer Oberbau *) 

(Zw 687a, Schwellen B70, UIC 60) 

10% 0% 

25% 

0% 

20% 



*) vor Umbau 



Messergebnisse der Betriebserprobung 

Quasistatischer Anteil der maximalen Schwinggeschwindigkeit (≤ 25 Hz) 

• Maximale Schwinggeschwindigkeit 2 m unter Schienenoberkante: 

• beim E 14- Stützpunkt um 30 % geringer als bei der Referenz 

• bei der besohlten Schwelle um 20 % geringer als bei der Referenz 

0,0 

quasistatischer Anteil der Schwinggeschwindigkeiten (0,25 - 25 Hz) [mm/s] 

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 

1,0 

Tiefe unter SO [m] 

2,0 

3,0 

4,0 

5,0 

Reduzierung um 20% … 30% 

ICE-T Triebwagen; E14-Stützpunkte v ~ 190 km/h; 4. Messkampagne 

ICE-T Triebwagen; besohlte Schwelle v ~ 190 km/h; 4. Messkampagne 

ICE-T Triebwagen; Referenz v ~ 190 km/h; 4. Messkampagne 



Messergebnisse der Betriebserprobung - Zusätzlicher dynamischer 

Anteil der maximalen Schwinggeschwindigkeit (25 Hz … 1000 Hz) 

• Maximale Schwinggeschwindigkeit (mittlere Radunrundheiten) 2 m unter Schienenoberkante: 

• beim E 14- Stützpunkt um 40 % geringer als bei der Referenz 

• bei der besohlten Schwelle um 20 % geringer als bei der Referenz 

0,0 

dynamischer Anteil der Schwinggeschwindigkeiten (25 - 1000 Hz); 

mittlere Radunrundheiten [mm/s] 

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 

1,0 


2,0 

3,0 

4,0 

5,0 

Reduzierung um 20% … 40% 

ICE-T Triebwagen; E14-Stützpunkte v ~ 190 km/h; 4. Messkampagne 

ICE-T Triebwagen; besohlte Schwelle v ~ 190 km/h; 4. Messkampagne 

ICE-T Triebwagen; Referenz v ~ 190 km/h; 4. Messkampagne 



Messergebnisse der Betriebserprobung - quasistatische und zusätzliche 

dynamischen Beanspruchung infolge ICE-T-Triebwagen mit v = 190 km/h im 

Frequenzbereich 

10,000 

Schwinggeschwindigkeiten - 

Terzanalyse 1 - 250 Hz 

quasistatisch: Reduzierung 

ICE-T; E14-Stützpunkte; energ. Mittel; Pl. 

ICE-T; besohlte Schwellen; energ. Mittel; Pl. 

ICE-T; Referenz; energ. Mittel; Pl. 

v [mm/s] 

1,000 

dynamisch: 

deutliche Reduzierung, 

Verschiebung des Frequenzbereiches 

0,100 

1 1,6 2,5 4 6,3 10 16 25 40 62,5 100 160 250 

Frequenz [1/s] 

Wagenabstand 

Drehgestellabstand 

Achsabstand 

Radunrundheiten 



Numerische Simulation 

Vergleich der Messergebnisse mit der FE- Berechnung 

E14-Stützpunkte; maximale Schwinggeschwindigkeiten [mm/s] 

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 40,0 

0,00 

1,00 


2,00 

3,00 

4,00 

5,00 

6,00 

IC-Lokomotiven 190 km/h, Messergebnisse mittlere RU 

IC-Lokomotiven 190 km/h, Messergebnisse extreme RU 

IC-Wagen 190 km/h, Messergebnisse, mittlere RU 

IC-Wagen 190 km/h, Messergebnisse, extreme RU 

ICE-T-Triebwagen 190 km/h, Messergebnisse, mittlere RU 

ICE-T-Triebwagen 190 km/h, Messergebnisse, extreme RU 

IC-Lokomotiven 190 km/h, FE-Berechnungsergebnisse 

IC-Wagen 190 km/h, FE-Berechnungsergebnisse 

ICE-T-Triebwagen 190 km/h, FE-Berechnungsergebnisse 



Beurteilung der Gleisgeometrie 

Entwicklung des Längshöhenfehlers 

Gleislageparameter LH, Gleis 1 

Beurteilungsmaßstäbe 50 % SR A , 75 % SR A und SR 100 erreicht bzw. überschritten, 

Summe linke und rechte Schiene 

Gleislageparameter LH, Gleis 2 

Beurteilungsmaßstäbe 50 % SR A , 75 % SR A und SR 100 erreicht bzw. überschritten, 

Summe linke und rechte Schiene 

20 

20 

Beurteilungsmaßstab erreicht 

bzw. überschritten 

18 

16 

14 

12 

10 

8 

6 

4 

2 

0 

G 1, 23.08.2005 

0 

G 1, 24.0 8.2006 

0 

0 

G 1, 02.05.2007 

2 

0 

G 1, 19.0 2.2008 

3 

2 

Messdatum 

6 

2 

SR100 

3 

3 

2 

SRA 

75 % SRA 

50 % SRA 

SR100 SRA 

75 % SRA 50 % SRA 

Beurteilungsmaßstab erreicht 

bzw. überschritten 

18 

16 

14 

12 

10 

8 

6 

4 

2 

0 

G 2, 25.08.2005 

0 

G 2, 2 5.08.2006 

0 

0 

G 2, 0 2.05.2007 

0 

0 

G 2, 19.02.2008 

Messdatum 

4 4 

2 3 

SR100 

4 

4 

2 

SRA 

75 % SRA 

50 % SRA 

SR100 SRA 

75 % SRA 50 % SRA 

E14-Stützpunkt (Gleis Berlin – Hamburg) 

Schwellenbesohlung (Gleis Hamburg – Berlin) 


5 Schlussfolgerung 

Schlussfolgerung 

→ 

Erforderlich: Betrachtung des Systemverhaltens 

- Fahrzeug – Fahrweg 

- Oberbau/Unterbau/Untergrund 

v Zug 

2,0 • π • L 

Q 

Schotter 

Damm 

1,5 • π •L 

Weichschicht 

dyn. Kennwerte c p , c s , ρ, D 


Untergrund 

0,000 0,128 0,256 0,384 0,512 t [s] 0,640 0,768 0,896 1,024 

-40 

0 

40 

80 

120 

160 

200 

240 

UK Schwelle 

OK Planum 

Tiefe unter OK Schwelle [m] 

0,0 

0,5 

1,0 

1,5 

2,0 

2,5 

3,0 

3,5 

4,0 

4,5 

5,0 

5,5 

6,0 

6,5 

7,0 

7,5 

8,0 

8,5 

9,0 

9,5 

10,0 

Scherdehnungen [-] 

0,0E+0 

0 1,0E-05 2,0E-05 3,0E-05 4,0E-05 5,0E-05 6,0E-05 7,0E-05 8,0E-05 9,0E-05 1,0E-04 1,1E-04 1,2E-04 1,3E-04 1,4E-04 1,5E-04 

Schotter 

Tragschicht (mit Geogitter) 

Damm 

Weichschicht 

Untergrund 

Scherdehnungsgrenze 

γ tv,u = 5 E-05 

Scherdehnungsgrenze 

γ tv,u = 8 E-05 

Güterzug 90 km/h mit Lastbild D 4 

Reisezug 120 km/h mit Lok BR 232 






→ Strategie der Ertüchtigung 

- Reduzierung der Einwirkungen durch elastische Elemente 

→ Verminderung der elastischen Einsenkungen und Spannungen, 

→ Reduzierung der dynamischen Beanspruchungen 

→ Veränderung ihres Frequenzbereiches 

- Ertüchtigung vorwiegend durch gleisnahe Tragsysteme 

- Aufwendige Untergrundsanierungen nur noch partiell bei extrem 

ungünstigen Baugrundverhältnissen 

() 




→ 

Einsatzmöglichkeiten 

1. Freie Strecke: 

• Verringerung der Untergrundbeanspruchung bei kritischen 

Baugrundverhältnissen und gleich bleibender Belastung 

• Kompensation der Belastungserhöhung (Geschwindigkeit, 

Radsatzlast) 

2. Hoch liegende Durchlässe 

• Verringerung der Beanspruchung im Durchlassquerschnitt 

3. Übergangsbereich Eisenbahnüberführungen / Erdkörper 

SO 

OK Schw 

h ü =0,75m 

Durchlass 

l w =0,57m 

l H = 0,50 m 


Verminderung der Einwirkungen 

im Unterbau/Untergrund 

mit elastischen Elementen im Oberbau 

- Ein Erfahrungsbericht - 

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Verminderung der Einwirkungen im Unterbau ... - Gepro Dresden

Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.

Template löschen?

Als Template speichern?