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Die Erfindung betrifft eine Tragkonstruktion, insbesondere für Oberleitungen, welche zwischen zwei aufeinanderfolgenden Masten od. dgl. angeordnet ist
Die Tragkonstruktion kann auch als Tragwerkskonstruktion in Art eines Fachwerks ausgebildet sein. Der Begriff Oberleitungen ist in seinem weitesten Sinne zu verstehen und schliesst sowohl Oberleitungen zur Stromversorgung von Schienenfahrzeugen als auch Leitungen für die Energieversorgung von Industrieanlagen und anderen Verbraucherstellen als auch für den Informationstransport ein.
Üblicherweise werden Oberleitungen für elektrische Fahrzeuge, wie z. B. Elektrische Eisenbahnen zwischen Masten aufgehängt. Um eine zu hohe Durchbiegung der Leitung zu vermeiden, werden in bestimmten Abständen Spannstationen angeordnet, welche die Oberleitung spannen.
Dadurch können temperaturbedingte Ausdehnungsunterschiede der Leitungen ausgeglichen werden. Insbesondere bei den heute erreichten hohen Geschwindigkeiten der Züge dürfen die Durchbiegungen der Oberleitungen nur mehr geringe Masse annehmen. Aus diesem Grund sind die Distanzen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Masten relativ gering, was einerseits einen erhöhten Installations- und Wartungsaufwand andererseits einen grösseren Eingriff in das Landschaftsbild bedeutet. Darüber hinaus sind teure und wartungsintensive Spannstationen mit jeweils geringerem Abstand zueinander notwendig.
Auf dem Gebiet der Oberleitungen ist beispielsweise aus der EP 164 284 A1 ein Tragarm für Oberleitungen bekannt, welcher aus Verbundwerkstoffen und Verstärkungsfasern besteht. Die AT 396 912 B zeigt einen in Richtung seiner Langsachse auf Zug beanspruchbaren Bauteil aus einer Kunststoffmatrix mit darin eingebetteten Verstärkungsfasern, der bei Fahrdrahtabspannungen eingesetzt werden kann. Schliesslich wird in der GB 2 201 133 A eine Oberleitungskonstruktion für elektrische Eisenbahnen offenbart, welche für die Anordnung in einem Tunnel besonders platzsparend ausgeführt ist und thermisch bedingte Ausdehnungen automatisch kompensiert
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Tragkonstruktion, mit der möglichst grosse Spannweiten überbrückt werden können, wobei die Durchbiegung möglichst gering sein soll.
Für eine praktische Anwendbarkeit soll die Tragkonstruktion möglichst kostengünstig herstellbar und möglichst einfach installierbar sein Die Nachteile bekannter Tragkonstruktionen für vergleichbare Anwendungen sollen vermieden oder zumindest reduziert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Tragkonstruktion aus mindestens einem, vorzugsweise aus mehreren aufeinanderfolgend angeordneten und miteinander verbundenen Rahmen besteht, wobei der oder jeder Rahmen in einer im wesentlichen vertikalen und in der durch die Masten od. dgl. festgelegten Richtung orientierten Ebene angeordnet sind, und der oder jeder Rahmen aus miteinander verbundenen oder einstückig hergestellten Profilteilen aufgebaut ist, und zumindest einzelne, vorzugsweise alle Profilteile (2,2', 2") aus Verbundwerkstoff bestehen. Durch den Aufbau der Tragkonstruktion und das hauptsächlich bzw. ausschliesslich verwendete Material, nämlich Verbundwerkstoff, können sehr grosse Strecken, beispielsweise zwischen zwei Masten überbrückt werden, ohne dass die Durchbiegung der Tragkonstruktion sehr gross ist.
Dies resultiert einerseits aus der hohen Festigkeit von Verbundwerkstoffen, andererseits aus deren niedrigem Gewicht und niedrigen Ausdehnungskoeffizient dieser Materialien. Dadurch können im Fall von Oberleitungen die Masten in grösseren Abständen zueinander errichtet werden, was einerseits den Herstellungsaufwand verringert und andererseits in einer gefälligeren Optik und dadurch besseren Umweltverträglichkeit resultiert. Neben einem gewissen Prozentsatz an sonst üblichen Masten können darüberhinaus die normalerweise notwendigen Spannstationen und der durch deren Montage verbundene Arbeitsaufwand entfallen. Die Einwirkung von Traglasten, Eigengewicht, Wärmedehnung, Schnee- Wind- und Aussenlasten können ohne Spannstationen in der selbsttragenden Konstruktion aufgenommen werden.
Die Rahmen können, je nach Anwendungsfall verschiedene Gestalt aufweisen und beispielsweise rechteckig, quadratisch, trapezförmig oder dreieckig sein Die Rahmen bieten in ihrer Verbindung einen kompakten modularen Aufbau, durch welchen der Ernchtungsaufwand, die Instandhaltung und die Wartung sowohl bei oberirdischen Leitungen als auch bei Leitungen im Tunnel gegenüber den bekannten Tragkonstruktionen wesentlich reduziert wird.
Vorteilhafterweise besteht der Verbundwerkstoff aus hochfesten Fasern, z. B. Glasfasern, Kohlenstoffasern od. dgl., welche durch eine thermo- oder duroplastische Kunststoffmatrix miteinander verbunden sind. Neben dem niedrigen Gewicht und der hohen Festigkeit weisen die Glasfaser-
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oder Kohlenstoffaserverbundwerkstoffe einen sehr niedrigen Ausdehnungskoeffizient auf.
Besondere Vorteile ergeben sich, wenn der oder jeder Rahmen Rechteckform besitzt, dessen Längsseite in der durch die Masten festgelegten Längsrichtung der Tragkonstruktion orientiert ist Diese Form zeigt gegenüber anderen Formen, wie Dreieck oder Trapez der Rahmen, etc. bei entsprechend hohem Verhältnis der Längen zueinander eine minimale Anzahl von Profilteilen auf, wodurch der optische Eindruck weiter verbessert und Material und Gewicht eingespart werden kann. Bei Verwendung dreieckförmiger Rahmen würde eine Art Dreiecksfachwerk entstehen, bei dem die Anzahl der Profilteile höher als notwendig wäre.
Um Material und somit Gewicht einzusparen, sind zumindest einzelne, vorzugsweise alle Profilteile durch Hohlprofile gebildet. Die Gestalt der Hohlprofile wird dabei an die jeweiligen Anforderungen und den Herstellungsprozess angepasst werden. Im einfachsten Fall wird es sich bei den Hohlprofilen um ein rohrförmiges Profil handeln, es können aber auch Profile mit mehreren Hohlräumen bestimmte Vorteile aufweisen.
Gemäss einem weiteren Erfindungsmerkmal weisen zumindest einzelne, vorzugsweise alle Profilteile elliptischen, ovalen od. ähnlichen Querschnitt auf, wobei die grösste Querschnittsausdehnung vorzugsweise horizontal orientiert ist. Durch diese Profilgestaltung können bessere Stabilitätseigenschaften erzielt werden. Durch eine im wesentlichen horizontale Orientierung der grösseren Querschnittsausdehnung kann der Einfluss von Seitenwind auf die Tragkonstruktion verringert werden, da die Angriffsfläche reduziert wird. Die Profilteile können auch tropfenförmig oder ähnlich dem Querschnitt einer Tragfläche von Flugzeugen geformt sein.
Darüberhinaus ist eine nichtebene obere Fläche der im wesentlichen horizontalen Profilteile vorteilhaft, da sich darauf kein Wasser ansammeln kann, das bei tiefen Temperatur zu Eis frieren kann und das Gewicht der Tragkonstruktion und damit deren Durchbiegung wesentlich erhöht. Dasselbe gilt für Schnee, der bei gewölbten oder geneigten Oberflächen leichter abfallen oder abrutschen kann.
Wenn gemäss einer speziellen Konstruktion zumindest ein Rahmen (R) durch zumindest einen, vorzugsweise zwei spiegelbildlich zueinander angeordnete Abschnitte in Form eines Dreiecks gebildet ist, wobei die längste Seite des Dreiecks gegenüber der Horizontalen schräg nach unten geneigt angeordnet ist, kann erreicht werden, dass bei niedrigen Temperaturen eine negative Durchbiegung in vertikaler Richtung auftritt. Dies wird durch die schräg nach unten geneigte Seite der dreieckigen Abschnitte erzielt, welche gegenüber den kürzeren Seiten bei negativen Temperaturen mehr verkürzt wird und somit ein Anheben der Konstruktion bewirkt. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit einer zusätzlichen Durchbiegung der Tragkonstruktion durch Eis oder Schnee vernngert, da das Eis oder der Schnee durch das geringfügige Aufbiegen mit höherer Wahrscheinlichkeit abfällt.
Vorzugsweise sind die dreieckigen Abschnitte durch rechtwinkelige Dreiecke gebildet, deren eine Kathete im wesentlichen horizontal, deren andere Kathete im wesentlichen vertikal und deren Hypotenuse schräg nach unten verlaufend angeordnet ist.
Zur Erhöhung der Festigkeit kann an die zwei dreieckigen Abschnitte des oder jedes Rahmens aussen jeweils ein rechteckiger Abschnitt angrenzen, und in den rechteckigen Abschnitten allenfalls diagonale Abspannelemente angeordnet sein.
Zur Überbrückung grösserer Spannweiten ist es zweckmässig, dass zumindest die ersten an den Mast anschliessenden Rahmen mit Hilfe von Seilen od. dgl. an dem Mast oder einem daran anschliessenden Ausleger aufgehängt sind, wobei die Seile mit der Vertikalen einen Winkel einschlie- #en, der vorzugsweise grösser als 0 ist. Durch diese Aufhängungsart ist eine weitere Verbesserung der Durchbiegung der Tragkonstruktion in vertikaler Richtung verbunden. Je nach Länge der Tragkonstruktion können mehrere Seile od. Stangen in verschiedenen Abständen an den Rahmen befestigt werden und an dem Mast bzw. einem an den Mast anschliessenden Ausleger aufgehängt werden.
Um der Tragkonstruktion auch seitliche Stabilität zu verleihen sind die Seile in horizontaler Richtung zu beiden Seiten der Rahmen angeordnet und schliessen diese in horizontaler Richtung mit der durch die Masten od. dgl. festgelegten Längsrichtung der Tragkonstruktion einen Winkel ein, der grösser als 0 ist. Damit erfährt die Tragkonstruktion auch eine seitliche Verspannung, d.h in horizontaler Richtung, wodurch die Durchbiegung in horizontaler Richtung, welche beispielsweise durch Seitenwind hervorgerufen werden kann, verringert wird.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist eine elektrische Leitung durch Leitungsstücke aus leitfähigem Material, vorzugsweise Kupfer, gebildet, und sind die Leitungsstücke in den im
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wesentlichen horizontal orientierten unteren Profilteilen der Rahmen angeordnet und miteinander leitend verbunden. Die Kupferstäbe können beispielsweise an den unteren Profilteilen der Rahmen durch Schnappverschlüsse od. dgl. befestigt werden, oder in Nuten eingeschoben werden, sodass der Herstellungsaufwand weiter reduziert werden kann, da mit der Installation der Tragkonstruktion gleichzeitig die Oberleitung installiert wird Die Verbindung zwischen den Kupferstaben kann mit flexiblen Leitungen erfolgen. Dieser modulare Aufbau erleichtert auch den Austausch einzelner Segmente oder Streckenabschnitte.
Die Merkmale der Erfindung werden anhand der beigefügten Abbildungen näher erläutert
Dann zeigen
Fig. 1 ein Schema einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Tragkonstruktion fur die
Oberleitung einer elektrischen Eisenbahn in Seitenansicht,
Fig. 2 eine Draufsicht auf die Tragkonstruktion gemäss Fig. 1,
Fig. 3 einen Schnitt durch ein Profilteil entlang der Schnittlinie 3-3 aus Fig. 1, und
Fig. 4 eine spezielle Ausführungsform eines Rahmens der Tragkonstruktion.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Tragkonstruktion T für die Oberleitung einer elektrischen Eisenbahn. Es handelt sich bei der Darstellung nur um ein Schema, die Dimensionsverhältnisse stimmen mit der Realität nicht überein. Die Tragkonstruktion T besteht aus fünf rechteckförmigen Rahmen R, welche aufeinanderfolgend angeordnet sind. Die jeweils äussersten Rahmen R sind jeweils mit einem Mast 1, 1' od. dgl. verbunden oder an diesem aufgehängt. Die einzelnen Rahmen R bestehen aus miteinander verbundenen Profilteilen 2,2', 2" aus Verbundwerkstoffen. Die Profilteile 2,2', 2" können beliebigen Querschnitt haben, wobei Hohlprofile aufgrund des geringeren Gewichts massiven Profilen vorzuziehen sind.
Die Verbindung der Profilteile 2,2', 2" kann durch Kleben erfolgen, wobei zur Verstarkung schalen- oder manschettenartige Bauteile an den Verbindungsstellen eingesetzt werden können (nicht dargestellt). Die Verbindung kann aber auch durch Verbindungselemente, wie Schrauben od. dgl. erfolgen. Darüberhinaus ist es möglich, den Rahmen R einstückig oder aus vielen Einzelteilen, welche entsprechend verbunden werden, herzustellen. Es wird eine möglichst grosse Distanz zwischen zwei Masten 1, 1' od. dgl. angestrebt, da dadurch die Anzahl der Masten 1, 1' od. dgl reduziert werden kann, wodurch der Installations- und Wartungsaufwand reduziert und das Landschaftsbild weniger beeinträchtigt wird. Je länger die Tragkonstruktion T, desto höher dessen Eigengewicht und somit die Durchbiegung D1 in vertikaler Richtung.
Gerade bei Oberleitungen für Schienenfahrzeuge darf die vertikale Durchbiegung D1 nicht zu gross werden, da der Stromabnehmer einer elektrischen Lokomotive nicht in der Lage ist, zu grosse Höhenschwankungen zwischen dem Dach der Lokomotive und der Oberleitung auszugleichen. Es ist daher notwendig, einen Kompromiss zwischen der zu überbrückenden Länge L und der Durchbiegung D, einzugehen. Die einzelnen Rahmen R sind miteinander über ihre vertikalen Profilteile 2' verbunden, wobei diese Verbindungen wiederum verschiedenartig, beispielsweise durch Kleben oder mit Hilfe von Manschetten od. dgl. erfolgen kann.
Die Oberleitung kann entweder in gewohnter Weise in Form eines Drahtes vorliegen, welcher an den unteren im wesentlichen horizontalen Profilteilen 2" aufgehängt oder andersartig befestigt ist Ebenso können in den unteren Profilteilen 2" jedes Rahmens R Elemente aus leitfähigem Material, wie zum Beispiel Kupfer für den Energietransport vorgesehen sein, an denen der Stromabnehmer der elektrischen Lokomotive schleift. Die Kupferelemente müssen von Rahmen R zu Rahmen R miteinander elektrisch verbunden werden. Bei grösseren Längen L kann die Tragkonstruktion T durch Seile 4 unterstützt werden. Anstelle der Seile 4 können auch Stangen od. ähnliche Einrichtungen verwendet werden Die Seile 4 schliessen mit der Vertikalen einen Winkel # bzw. #' ein und werden zwischen dem Mast 1, 1' und dem unteren Profilteil 2" des oder der Rahmen R gespannt.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, wird die Verspannung der Tragkonstruktion T mit den Seilen 4 od. dgl. vorzugsweise so durchgeführt, dass die Seile 4 od. dgl. mit der Längsrichtung der Tragkonstruktion einen gewissen Winkel a bzw. a' einschliessen. Dies wird dadurch erreicht, dass an dem Mast 1, 1' in bekannter Weise ein Ausleger 3,3' befestigt wird, an dem die Seile 4 befestigt werden Diese Verstrebungsart verleiht der Tragkonstruktion T eine gewisse Seitenspannung, durch welche die Durchbiegung D2 in horizontaler Richtung geringer gehalten werden kann. Eine seitliche Durchbiegung D2 der Tragkonstruktion T wird beispielsweise durch Seitenwind verursacht.
Natürlich werden die Seile 4 od dgl. beiderseits der Tragkonstruktion T angeordnet, sodass die
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Durchbiegung D2 in beide Richtungen verringert wird. Die Seile 4 od. dgl. können direkt mit den Profilteilen 2" oder über einen Querträger 5 mit den Rahmen R verbunden werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist ein Rahmen R eine Länge LR=13m und eine Höhe HR=0,4m auf, sodass mit fünf Rahmen R eine Länge L von 65m zwischen zwei Masten 1, 1' überbrückt werden kann. Das Gewicht eines Rahmens R beträgt etwa 100kg bis 120kg bzw. 150kg bis 200kg mit der Oberleitung in Form einer an den unteren Profilteilen 2" der Rahmen R angeordneten Kupferschiene. Berechnungen zufolge resultiert eine Durchbiegung in vertikaler Richtung von D,=25mm und eine horizontale Durchbiegung von D2=250mm. Aufgrund der geringen Höhe HR der Rahmen R und somit der gesamten Tragkonstruktion T ist diese optischer weniger auffällig als eine grössere Anzahl von Masten samt Oberleitung, Spannseilen und Spannstationen. Die Erfindung trägt daher wesentlich dazu bei, das Landschaftsbild weniger zu stören.
Darüberhinaus wird der Montage- und Wartungsaufwand durch die Verringerung der Mastanzahl und das Fehlen von Spannstationen deutlich reduziert.
Die Fig. 3,3' und 3" zeigen einige Querschnittsvarianten der Profilteile 2 bzw. 2', 2" der Rahmen R. In Fig. 3 ist ein besonders vorteilhafter Querschnitt in Form einer Ellipse dargestellt. Durch einen elliptischen, ovalen oder tropfenförmigen Querschnitt kann der Einfluss von Seitenwind auf die Tragkonstruktion T verringert werden. Dabei ist die grosse Achse der Ellipse od. die grösste Querschnittsausdehnung im wesentlichen horizontal orientiert, sodass die Tragkonstruktion T dem Seitenwind weniger Angriffsfläche bietet.
Wenn die obere Fläche der Profilteile 2 seitlich nach aussen hin abfallend gestaltet ist, wie dies beim elliptischen, ovalen oder runden Querschnitt (Fig. 3') der Fall ist, kann auch allfälliger Regen oder Schnee besser abrinnen bzw. abrutschen wodurch eine Gewichtserhöhung der Tragkonstruktion T und somit eine Erhöhung der vertikalen Durchbiegung D1 reduziert werden kann. Die Querschnittsform der Profilteile 2,2', 2' kann auch ähnlich dem Querschnitt einer Flugzeugtragfläche gestaltet werden. In Fig. 3" ist schliesslich noch ein quadratischer Querschnitt des Profilteiles 2 dargestellt. Anstelle der Hohlprofile können auch massive Teile vorliegen, was allerdings aufgrund des erhöhten Eigengewichts Nachteile mit sich bringt.
Fig. 4 zeigt eine spezielle Ausführungsform eines Rahmens R der Tragkonstruktion T, welcher im wesentlichen aus zwei äusseren Elementen in Rechteckform und zwei inneren Elementen in Dreiecksform besteht. Die äusseren Elemente in Rechteckform bestehen aus den horizontalen Profilteilen 2,2" und den beiden vertikalen Profilteilen 2', welche wie oben beschrieben, miteinander verbunden oder einstückig hergestellt sind. Diagonal kann ein Abspannelement 6 vorgesehen sein, welches üblicherweise schwächer als die Profilteile 2,2', 2" ausgeführt ist. Die beiden nebeneinanderliegenden Elemente in Dreieckform sind durch jeweils ein horizontales Profilteil 2", ein vertikales Profilteil 2' und ein schräg zur Mitte des Rahmens R verlaufendes Profilteil 2 ausgebildet.
Durch diese Konstruktion wird bei tiefen Temperaturen eine negative vertikale Durchbiegung -D1 erreicht, was durch die strichlierte Zeichnung angedeutet ist. Durch die negative Durchbiegung -D1 kann eine allfällige durch Schnee oder Eis hervorgerufene Durchbiegung D1 kompensiert werden. Auch kann sich auf den schrägen Profilteilen 2 der dreieckigen Abschnitte weniger leicht Schnee oder Wasser ansammeln.
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