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Zur mechanischen Modellierung des Oberbaus für spurgebundene Systeme mit maßgeblicher Güterverkehrsbelastung

Pötzsch, Jan

Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Modellierung eines Fahrweges für spurgebundene Strecken mit maßgeblicher Güterverkehrsbelastung. Der Fahrweg bzw. das Bauwerk ist inhomogen, insbesondere die Schotter-, Trag- sowie Schutzschichten, und lässt sich analytisch nicht exakt bestimmen, sodass die Modellierung mithilfe der Finiten-Elemente-Methode (FEM) erfolgt, um die elasto-plastische Eigenschaft des Fahrweges darstellen zu können. Dabei wird der Fahrweg in Schotteroberbauweise modelliert. Der Fahrweg in der Variante „Feste Fahrbahn“ wird dabei grundsätzlich nicht betrachtet.
Für die Modellierung des Fahrweges wird der Fokus der Betrachtung auf den Oberbau gelegt, allerdings werden der Unterbau und der Untergrund in der Modellierung nicht vernachlässigt. Für jedes Konstruktionselement des Fahrweges werden sowohl die jeweiligen Material-Modelle als auch die Oberbaubestandteile betrachtet. Des Weiteren erfolgt eine Ermittlung der Belastungen, die durch den Güterverkehr auftreten. Mögliche Umwelteinflüsse, wie z.B. Temperaturen oder Verunreinigung bzw. Abnutzung des Schotters im Oberbau, werden bei der Belastungsermittlung berücksichtigt.
Mit einer Ergebnisvalidierung des Fahrwegmodells und der damit einhergehenden Fehlerbestimmung, die aus dem numerisch idealisierten Modell hervorgehen, werden die Spannungsverläufe betrachtet und bewertet. Darüber hinaus wird auch die Modellierung bzw. die numerische Umsetzung beurteilt.
Die Analyse der Lastabtragung durch das Fahrwegmodell bzw. durch den Oberbau soll Aufschluss geben, inwieweit der Oberbau optimiert werden kann. Bei der Analyse werden hauptsächlich die Spannungsverläufe der Spannbetonschwellen und des Schotterbettes betrachtet. Verbesserungen im Hinblick auf die Abstimmung der Komponenten im Fahrweg, verlängern die technische und damit auch die wirtschaftliche Nutzbarkeit des Fahrweges. Eine Steigerung der wirtschaftlichen Nutzbarkeit führt zu einem kostengünstigen Oberbau.

This dissertation deals with the modelling of a roadway for railway traffic with significant freight traffic load. The railway track or structure is inhomogeneous - especially the ballast, base and protective layers - and cannot be exactly determined analytically. Therefore, the modelling is carried out with the aid of the Finite-Element-Method (FEM) in order to be able to represent the elasto-plastic property of the railway track. The track is modelled using a ballast superstructure. The "ballastless track" variant is not considered in principle.
For the modelling of the track, the focus of consideration is on the superstructure but the substructure and the subsoil are not neglected in the modelling. For each construction element of the track, both the respective material models and the superstructure elements are examined. Furthermore, the loads caused by freight traffic are being determined. Possible environmental influences, e.g. temperature or contamination or wear of the ballast in the superstructure, are included in the load determination.
The stress curves are examined and evaluated by validating the results of the track model and the associated error identification resulting from the numerically idealized model. In addition, modelling and numerical implementation are also assessed.
The load transfer mainly takes place during stress progressions in the prestressed concrete sleepers and the ballast bed. Analysing the load transfer caused by the track model or by the superstructure should provide information on the extent to which the superstructure can be optimised. Improvements, with regard to the coordination of the components in the track, extend the track’s technical, and hence also the economic, usability. An increase in economic usability leads to a cost-effective superstructure.

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