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Die Erfindung betrifft einen Brückenträger mit aufliegender Schienenfahrbahn, welche mindestens eine durchgehend verschweißte Fahrschiene aufweist, die auf einer Mehrzahl von starr mit dem Brückenträger verbundenen Querschwellen und in Schienenlängsrichtung verschiebbar gelagert ist, mit mindestens einem Mittel zur Übertragung von bei Schienenbruch frei werdenden Temperaturlängskräften auf ein fest mit dem Erdboden in Verbindung stehendes Widerlager.
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Bei auf Brücken verlegten lückenlos verschweißten Schienenfahrbahnen sind besondere konstruktive Maßnahmen zur Gewährleistung freier und unbehinderter Ausgleichsbewegungen des Brückenbauwerkes erforderlich, welche zum Abbau der durch die Umgebungstemperatur im Brückenbauwerk induzierten Spannungen unabdingbar sind. Dies gilt insbesondere bei Brücken mit Brückenschwellen ohne Schotterbett, da bei diesen die Ausgleichsmöglichkeiten eines zwischen Schiene bzw. Gleisrost und Brückenträger angeordneten Schotterbettes nicht vorhanden sind und somit ein unmittelbarer konstruktiver Kontakt zwischen Schiene und Brückenträger gegeben ist. Deshalb ist die Schienenfahrbahn eines lückenlosen Gleises in derartigen Fällen längsbeweglich einzubauen, so dass eine freie Relativbewegung zwischen Schienenfahrbahn und Brückenträger möglich bleibt. Dies kann beispielsweise durch längsbewegliche Schienenstützpunkte auf längsfesten Querschwellen realisiert werden. Als zusätzliche Randbedingung ist bei solchen Konstruktionen die Länge der längsbeweglichen Schienenfahrbahn auf einen Maximalwert begrenzt, um im Falle eines ungewollten Schienenbruches bei gegenüber der Verspann- bzw. Verschweißtemperatur der Schienen niedrigeren Umgebungstemperaturen (beispielsweise bei starkem Frost) die sich dann einstellende Bruchlücke auf einen maximal tolerierbaren Wert zu begrenzen. Das in Deutschland geltende Regelwerk begrenzt beispielsweise die Länge des lückenlosen Gleises mit längsbeweglicher Lagerung auf einen Maximalwert von 100 Metern. Bei Überschreitung der Grenzmaße sind gemäß dieses Regelwerkes Schienenauszugsvorrichtungen einzubauen. Diese sind jedoch in der Anschaffung kostenintensiv, unterhaltungsaufwendig und besitzen negative dynamische Eigenschaften bei Befahrung durch Schienenfahrzeuge.
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Zur Lösung einer hierzu sehr ähnlichen Problematik ist aus dem Stand der Technik die
DE 496 838 A bekannt, welche ein Schienentragwerk für Hängeschwebebahnen mit durchgehend verschweißten Schienen offenbart, bei denen die Fahrschiene an in Abschnitte segmentierten Trägern befestigt ist und dabei durch gelenkig bewegliche Anschlussglieder an die Enden eines jeden Hauptträgerabschnittes angeschlossen ist. Bei gewöhnlichen Temperaturen bzw. Übertemperaturen besteht ein Zwischenraum zwischen jedem Anschlussglied und einem mit dem Trägerabschnitt starr verbundenen Widerlager. Bei der größten zu erwartenden Untertemperatur hingegen gelangt jedes Anschlussglied zur Anlage an das jeweils zugehörige Widerlager. Auf diese Weise wird im Falle eines Schienenbruches die Größe der in der Schiene entstehenden Bruchlücke begrenzt. Allerdings ist die technische Lehre der
DE 496 838 A auf den Einsatz bei Hängebahnen beschränkt. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, dieses bekannte Konzept zur Bruchlückenbegrenzung für den Einsatz bei herkömmlichen Eisenbahnen weiterzuentwickeln.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 dadurch gelöst, dass das mindestens eine Übertragungsmittel als eine steife, am Fuß der Fahrschiene in Schienenlängsrichtung unverrückbar befestigte und zur Kraftübertragung auf das Wiederlager ausgelegte Klemme ausgeführt ist, wobei der Abstand zwischen Klemme und Widerlager derart bemessen ist, dass die Klemme bei minimaler Untertemperatur der Umgebungsluft am Widerlager anliegt. Auf diese Weise ist es möglich, auch bei Brücken mit größeren Tragweiten auf eine in Längsrichtung feste Verspannung der Schienen zu verzichten. Eine solchermaßen durchgängig längsbewegliche Lagerung der Schiene über die gesamte Tragweite des Brückenträgers hinweg ermöglicht eine vollständige Entkopplung von Schienenoberbau und Brückenbauwerk, so dass ein freies und ungehindertes Schrumpfen bzw. Ausdehnen des Brückenträgers bei Unter- bzw. Übertemperaturen möglich ist. Die Schiene stützt sich erfindungsgemäß erst im Falle eines Schienenbruches mit Hilfe der Klemmkonstruktion gegen das Widerlager ab. Es ist für den Fachmann in diesem Zusammenhang selbstverständlich, dass die konkrete Ausführung und Dimensionierung dieser Klemmverbindung von der Art und Höhe der zu übertragenden Kräfte abhängt.
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Gemäß einer ersten Ausführungsvariante ist die zur Klemme nächstliegende Querschwelle als Widerlager ausgeführt. Im normalen, ungestörten Betriebszustand ist die Klemme dabei im Schwellenfach zwischen zwei Querschwellen angeordnet. Dies ermöglicht eine besonders einfache konstruktive Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Brückenträgers, sofern die Querschwellen starr und unverrückbar mit dem Brückenträger verbunden sind. Für die hier im Vordergrund stehenden Brücken mit Brückenschwellen ohne Schotterbett ist dies gegeben.
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Eine besonders einfache Ausführungsform sieht vor, dass die die Klemme in Form einer Konsole aus Profilstahl ausgeführt ist.
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Gemäß einer hierzu alternativen Ausführungsvariante ist die Klemme als eine Kopplungsplatte ausgeführt, welche einen zusätzlichen Stützpunkt für eine zweite, zur Fahrschiene parallel ausgerichtete Führungsschiene aufweist, wobei die Lagerung der Führungsschiene im zusätzlichen Stützpunkt in Schienenlängsrichtung bewegbar ausgeführt ist, sowie das Widerlager als eine zweite steife, am Fuß der Führungsschiene in Schienenlängsrichtung unverrückbar befestigte Klemme ausgeführt ist. Es sei an dieser Stelle auch darauf hingewiesen, dass die Erfindung im Hinblick auf das an der Führungsschiene zur Anwendung kommende Befestigungsprinzip nicht auf Klemmverbindungen beschränkt ist. Im Gegensatz zu den Fahrschienen können an den Führungsschienen beispielsweise auch Schraub- und Schweißverbindungen zur Anwendung kommen. Die Führungsschiene als solche ist dammseitig fest mit dem Erdboden verbunden und auf dem Brückenträger längsbeweglich gelagert. Dabei erfolgt die dammseitige Fixierung der Führungsschiene entweder durch deren feste Fixierung (z.B. mittels Verschraubung) auf den dammseitigen Querschwellen der Schienenfahrbahn oder durch erneute Rückkopplung der Führungsschiene zur Fahrschiene mit denselben erfindungsgemäßen Kopplungsplatten. Auch bei dieser Ausführungsvariante ist die Klemme im Schwellenfach zwischen zwei Querschwellen angeordnet, so dass im normalen, ungestörten Betriebszustand keine wechselseitige Beeinflussung von Fahrschiene und Führungsschiene auftritt.
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Der Erfindungsgedanke wird in nachfolgendem Ausführungsbeispiel verdeutlicht. Es zeigen:
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1 schematische Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Brückenträgers im ungestörten Zustand (d.h. vor Schienenbruch)
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2 schematische Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Brückenträgers im gestörten Zustand (d.h. nach Schienenbruch)
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3 schematische Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Brückenträgers im gestörten Zustand (d.h. nach Schienenbruch), mit Kopplungsplatte gemäß zweitem Ausführungsbeispiel
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4 Schnittdarstellung einer Klemme (9)
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5 Draufsicht auf ein Paar von Kopplungsplatten gemäß zweitem Ausführungsbeispiel
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1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Brückenträgers (1) mit aufliegender Schienenfahrbahn, welche ein Paar durchgehend verschweißter Fahrschienen (2) sowie eine Mehrzahl von (ebenfalls nicht dargestellten) Querschwellen umfasst. Der Brückenträger weist ein Festlager (3) sowie drei längsbewegliche Lager (4, 5, 6) auf, wovon zwei als Widerlager (5, 6) zur Abstützung der beiden längsseitigen Enden des Brückenträgers ausgeführt sind. Durch das Festlager ist der Brückenträger in zwei Bereiche (A, B) jeweils beiderseits des Festlagers aufgeteilt. Ferner erstreckt sich parallel zu mindestens einer der beiden Fahrschienen (2) eine Führungsschiene (7), die im Nahbereich des ersten Widerlagers (5) fest mit dem Erdboden (8) verbunden ist. Die Führungsschiene ist auf denselben Querschwellen gelagert wie die beiden Fahrschienen. Dabei sind sowohl die Fahrschiene als auch die Führungsschiene über die gesamte Länge (C) des Brückenträgers hinweg in Schienenlängsrichtung verschiebbar gelagert. Der dem zweiten Widerlager (6) zugewandten Bereich (B) des Brückenträgers weist mindesten eine Klemme (9) in Form einer aus Profilstahl gefertigten Konsole auf, welche in jeweils einem Schwellenfach zwischen zwei Querschwellen in Schienenlängsrichtung unverrückbar am Fuß der Fahrschiene befestigt ist. Die konkrete Anzahl derartiger Klemmen ist abhängig von deren konkretem Kraftübertragungsvermögen, d.h. also im Wesentlichen von der konstruktiven Ausgestaltung und Dimensionierung der einzelnen Klemme. Die Positionierung der Klemmen (9) entlang der Schienenlängsachse erfolgt dort, wo unter Normalbedingungen (d.h. also bei nicht-gebrochener Fahrschiene) die durch Temperaturschwankung der Umgebungsluft induzierte Relativbewegung zwischen Schiene und Brückenträger die kleinsten Absolutwerte aufweist. Die Fahrschienen als – theoretisch endlos – verschweißter Strang sind in den dammseitigen Bereichen vor und hinter der Brücke über die Schienenbefestigungsmittel und die im Schotterbett gelagerten Querschwellen jeweils fest mit dem Damm verbunden. Unter Temperaturschwankung erfahren sie eine Zwangsbeanspruchung durch innere Spannungsänderungen, jedoch keine Absolutbewegung. Als Temperaturschwankung gilt dabei die Abweichung von der Verspanntemperatur der Schiene. Nach den anerkannten Regeln der Technik liegt diese zwischen 20°C und 26°C. Die anvisierte minimale Relativverschiebung zwischen Fahrschiene und Brückenträger infolge Temperaturschwankung entsteht somit im Bereich des Festlagers (3) der Brücke. Somit werden die Klemmen (9) möglichst nahe zum Festlager (3) angeordnet.
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2 zeigt dieselbe Anordnung, bei der zusätzlich ein Schienenbruch (10) im Bereich einer der beiden auf dem Brückenträger längsbeweglich gelagerten Fahrschienen (2) eingetreten ist. Sofern dieser Schienenbruch (10) bei einer geringeren Temperatur als der Verspanntemperatur der Schiene eingetreten ist, wird sich jedes der beiden Bruch-Enden in Richtung der zugehörigen dammseitigen Verspannung der Fahrschiene bewegen. Würde dieser Kontraktionsbewegung der nunmehr (d.h. nach Bruch) zwei Schienenteile nicht entgegengewirkt, so ergäbe sich eine wie folgt bestimmbare Bruchlücke zwischen den Bruchenden: Für jedes Bruchende wird die Bewegung gemäß der Formel ∆l = αt·∆T·Li (I) bestimmt, wobei
- αt
- = linearer Temperatur-Ausdehnungskoeffizient
- ∆T
- = Temperaturunterschied zur Verspanntemperatur der Schiene
- Li
- = L1 bzw. L2 = Abstand Bruch-Ende (bzw. Bruch-Ufer) zur dammseitigen Verspannnung
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Die Werte L1 und L2 für die beiden Bruch-Enden werden zu einem Gesamtwert addiert. Zusätzlich wird noch ein Korrekturfaktor ∆lSt addiert, der abhängig von der Nachgiebigkeit der Verspannung der Fahrschiene auf dem Damm ist. Dieser Korrekturfaktor kann der einschlägigen Fachliteratur entnommen werden.
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Unter der Voraussetzung, dass sich zwischen einem Bruch-Ufer und der zugehörigen dammseitigen Verspannung des Bruch-Endes das Festlager (3) des Brückenträgers befindet und an dieser Stelle der Fahrschiene die erfindungsgemäßen Klemmen (9) befestigt sind, dann würde dieses Bruch-Ende an einer weitergehenden Kontraktionsbewegung gehindert. Die verbleibende Bewegung des Bruch-Ufers berechnet sich ebenfalls nach der Formel (I), wobei Li = L3 jetzt nur noch den Abstand zwischen Bruch-Ufer und dem Festlager (3) darstellt. Da dieser Abstand auf jeden Fall geringer als der o.g. Abstand zwischen Bruch-Ufer und dammseitiger Verspannung ist, ergibt sich bei bloßer Betrachtung der Schienendehnung eine auf jeden Fall geringere Bruchlücke.
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Für die Ermittlung der Gesamtbruchlücke ist weiterhin zu berücksichtigen, dass das Festlager des Brückenträgers nicht unendlich starr ist, sondern eine gewisse Nachgiebigkeit besitzt. Außerdem werden die Klemmen fertigungstechnisch nicht kraftschlüssig vor die nächstliegende Querschwelle montiert, so dass beim Auftreten des Schienenbruches erst einmal ein Schlupf zu überwinden ist, bevor die Klemme Kraft übertragen kann. Die Kraft, die jetzt von der Klemme auf das Festlager (3) des Brückenträgers übertragen werden muss, bestimmt sich aus der verhinderten Dehnung der Fahrschiene. Dabei beträgt der verhinderte Dehnweg: lverh = (αt·∆T·Lred2) – Lelast (II) wobei
- Lred2
- = Abstand zwischen Festpunkt und dammseitiger Verspannung der Schiene
wobei: - Lelast
- = trotz Behinderung möglicher Dehnungsanteil (Schlupf bzw. Nachgiebigkeit des Festpunktes)
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Die verhinderte Dehnung beträgt: ε = lverh/Lred2
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Die daraus resultierende Kraft beträgt: F = ε·E·ASchiene, (III) wobei:
- E
- = Elastizitätsmodul des Schienenstahls
- ASchiene
- = Querschnittsfläche der Schiene
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Es ist für den Fachmann problemlos ersichtlich, dass das erfinderische Prinzip nicht auf Brücken mit nur einem Brückenträger begrenzt ist, sondern auch auf Brücken mit einer Mehrzahl von Brückenträgern übertragbar ist. Das bis hierher beschriebene Ausführungsbeispiel zeigt, wie auch im Falle eines Schienenbruches die Relativbewegung zwischen Fahrschiene und Brückenfestpunkt minimal gehalten wird. Durch Reduzierung der für die Bruchlücke maßgeblichen Dehnlänge der Fahrschiene von L auf Lred1 wird gleichermaßen die Bruchlücke reduziert.
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Die Wirkungsweise der Klemme nach Patentanspruch 2 wurde dabei nur bei einem der beiden Bruchenden L2 zum Einsatz gebracht. Das andere Bruchende L1, in dessen Bereich sich kein Brückenfestpunkt befindet, erfährt immer noch die komplette Temperaturdehnung. Bei entsprechender Länge von Lred1 kann auch die verbleibende Bruchlücke noch das maximal tolerierbare Maß übersteigen. Das Bruchende über L1 hat eine dem Brückenträger entgegengesetzte Bewegungsrichtung. In 3 ist dargestellt, daa damit die Bewegung des Bruchendes ebenfalls durch Klemmen (9‘) entsprechend Patentanspruch 2 verhindert werden kann. Dazu werden ausschließlich mit Wirkrichtung in Richtung zum Widerlager (5) wirksame Klemmen (9‘) über den Bereich A verteilt, wobei der Abstand so gewählt wird, dass zum einen die in der Schiene aus der verhinderten Dehnung entstehende Kraft übertragen werden kann und zum anderen die verbleibende freie Dehnlänge so klein ist, dass die Gesamtbruchlücke das vorgegebene Höchstmaß nicht überschreitet.
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4 zeigt eine zur Längsachse der Fahrschiene (2) orthogonale Schnittdarstellung mit einer erfindungsgemäßen Klemme (9). Die Klemme ist gebildet aus einer den Schienenfuß (11) untergreifenden Konsole (12), welche auf beiden Seiten der Schiene mittels jeweils einer Klemmplatte (13), einer die Materialstärke des Schienenfußes ausgleichenden Futterplatte (14) sowie einer gekonterten Passschraubverbindung (15) gegen den Schienenfuß der Fahrschiene (2) verspannt ist. Aus der in 3 gezeigten Draufsicht ist ersichtlich, dass jede der beiden Fahrschienen (2‘) der Schienenfahrbahn an einer in x-Koordinaten-Richtung identischen Position mit einer solchen Klemme (9) ausgerüstet ist. Dabei weist jedes Klemmenpaar (9) einen Abstand in Abhängigkeit der Temperatur der Umgebungsluft zur nächstliegenden Querschwelle (16) auf. Der Abstand zum Zeitpunkt der Montage muss aus dem Temperaturunterschied zwischen Temperatur zu diesem Zeitpunkt und der minimal angenommen Temperatur und dem Abstand zum Festlager bestimmt werden.
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Aus 3 ist aber ferner auch erkennbar, dass beim Auftreten einer Bruchlücke in Nähe des Widerlagers (5) die Länge L1 für die Ermittlung der Bruchlücke keine Rolle mehr spielt. Der Bereich L3 jedoch hat beim Schienenbruch die gleiche Bewegungsrichtung wie der Brückenträger. Das bedeutet, dass im Falle des Schienenbruches nur eine kleine oder gar keine Relativbewegung zwischen Schiene und Brückenträger in diesem Bereich stattfindet. Die Anwendung der Klemme gemäß des Patentanspruches 2 bleibt demzufolge für diesen Bereich wirkungslos. Da die Führungsschiene ihre feste Verbindung mit dem Erdboden im Bereich hinter dem Brückenwiderlager (5) hat, findet eine entgegengesetzte Bewegung zwischen der Führungsschiene und dem Bruchende der Fahrschiene im Bereich L3 statt. Die erfindungsgemäße Ausführungsvariante gemäß Patentanspruch 4 stellt einen hierfür geeigneten Lösungsansatz bereit. 5 zeigt hierfür eine mögliche konstruktive Umsetzung. Eine Kopplungsplatte (17) ist mittels einer längsbeweglichen Befestigung (18) auf der Fahrschiene (2) abgestützt und zugleich mittels einer festen Verspannung (19) mit der Führungsschiene (7) verbunden. Zur Erhöhung der Stabilität und Verbesserung der Kraftübertragung auf die Kopplungsplatte untergreift die Klemme (9) zusätzlich die Führungsschiene und ist mit dieser längsbeweglich verbunden. Kopplungsplatte und Klemme weisen einen solchen Abstand zueinander als Einstellmaß bei Normaltemperatur der Umgebungsluft auf, dass sie bei minimaler Untertemperatur der Umgebungsluft aneinander anliegen. Für den Abstand zwischen Kopplungsplatte und Klemme gelten die gleichen Prinzipien wie oben für den Abstand zwischen Klemme und Brückenschwelle. Ebenso gelten für die Ermittlung der verbleibenden Bruchlücke die gleichen Prinzipien wie oben genannt. Zusätzlich ist zu beachten, dass die Führungsschiene in dem Bereich zwischen Kopplungsstelle und dammseitiger Verankerung eine Nachgiebigkeit in Abhängigkeit der Länge L1 und der Querschnittsfläche der Führungsschiene hat. Diese Nachgiebigkeit lässt sich bestimmen über die Kraftänderung in der Fahrschiene. ∆F = F·L1/Lred1 Dabei ist
- F
- = infolge verhinderter Dehnung in der Fahrschiene auftretende Kraft
- ∆F
- = Kraftänderung in der Fahrschiene
F1 = F – ∆F Lel =(F1·L3)/(E·ASchiene) - Lel
- = für die Gesamtbruchlücke zu berücksichtigende Anteil aus der Dehnung der gekoppelten Führungsschiene
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brückenträger
- 2
- Fahrschiene
- 3
- Festlager
- 4
- längsbewegliches Lager
- 5
- längsbewegliches Lager
- 6
- längsbewegliches Lager
- 7
- Führungsschiene
- 8
- Erdboden
- 9
- Klemme
- 10
- Schienenbruch
- 11
- Schienenfuß
- 12
- Konsole
- 13
- Klemmplatte
- 14
- Futterplatte
- 15
- Pass-Schraubverbindung
- 16
- Querschwelle
- 17
- Kopplungsplatte
- 18
- längsbewegliche Befestigung
- 19
- feste Verspannung
- A, B
- Teilbereiche des Brückenträgers (1) links bzw. rechts vom Festlager (3)
- C
- Gesamtlänge des Brückenträgers (1)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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