Handbuch Eisenbahninfrastruktur

Frontmatter

1. Das Zusammenwirken von Fahrzeug und Gleis

Zusammenfassung

Die Klarstellung der Kraft- und Bewegungsverhältnisse zwischen Fahrzeug und Fahrweg, später detaillierter zwischen Rad und Schiene war bereits im 19. Jahrhundert Gegenstand wissenschaftlicher Bemühungen. Entsprechend den damaligen Möglichkeiten spielten vor allem experimentelle Erkenntnisse eine bedeutende Rolle, deren mathematische Formulierung einerseits wesentliche Vereinfachungen enthielten, aber andererseits bis heute nachwirken. Einige der in diesem Beitrag aufgezeigten „Kriterien“ haben sich über die Zeit durch ihre Anwendbarkeit qualifiziert, auch wenn gelegentlich Kritik von akademischer Seite geäußert wird.

Die Darstellungen in diesem Beitrag sollen ein Grundverständnis des Systems Eisenbahn und einen Einblick in die den Kontakt Rad-Schiene beschreibenden Modelle liefern, wie z. B. den Begriff der äquivalenten Konizität, den Sinuslauf oder den Vogelplan. Insbesondere das Verfahren nach Heumann (im Anhang 3) für die Ermittlung der Bogenlaufkräfte bei mäßigen Geschwindigkeiten erlaubt eine schnelle Überprüfung der Ergebnisse von heute modernen rechentechnischen Simulationen der Lauftechnik.

Die kegelartige Kontur der Radlaufflächen spielt für die Selbstzentrierung und den Bogenlauf sowie die Verteilung der Verschleiße über die Berührbreite eine wichtige Rolle und sollte durch Erfahrung an die jeweiligen Einsatzbedingungen der Fahrzeuge adaptiert werden.

Die Interaktion von Radsatz und Gleis ist bei moderaten Fahrgeschwindigkeiten zunächst von den „klassischen“ Gleisfehlern, wie Längshöhenfehler, Seitenfehler und Verwindung, dominiert.

Bei höheren Geschwindigkeiten gewinnt die Kontaktgeometrie zwischen Gleis, charakterisiert durch Spurweite und Schienenprofil mit Schieneneinbauneigung, und Radsatz, ausgedrückt durch Radprofil und entsprechende Abmessungen, an Bedeutung und schließlich Dominanz. Sehr kleine Abweichungen können zu unverhältnismäßig großen Reaktionen führen. Die erreichbare Geschwindigkeit eines Eisenbahnfahrzeuges wird durch seinen Lauf ohne eigenerregte seitliche Kraftspitzen bestimmt, die von der Rad-Schiene Kontaktgeometrie maßgebend abhängen.

Die Bemühungen um einen „gesamteuropäischen Eisenbahnraum“ haben auch im Vorschriftenwesen ihren Niederschlag gefunden. Schrittweise wurden in den Jahren 2000 bis 2005 in sich schlüssige Vorschriften für alle Bahnen der Europäischen Union erstellt, die auch für die Schweiz, das Vereinigte Königreich und Norwegen Geltung haben. Die Normenfamilie EN 14363 „Bahnanwendungen (Fahrtechnische Prüfung für die fahrtechnische Zulassung von Eisenbahnfahrzeugen/Prüfung des Fahrverhaltens und statische Versuche)“, herausgegeben vom C.E.N., dem Centre Europeen de Normalisation, Brüssel, definiert detailliert die statischen und die dynamischen Bedingungen für die Zulassung von Eisenbahnfahrzeugen für den allgemeinen Verkehr auf Strecken innerhalb der Union und enthält

• Spezifikationen von Gleisgeometrien für den Nachweis der Entgleisungssicherheit in Gleisverwindungen und deren Beurteilung in Rechnung und Experiment.
• Prüfung des Wankverhaltens der Fahrzeuge
• Prüfung der Ausdrehwiderstände der Drehgestelle unter den Wagenkästen
• Spezifikation der Qualität der Gleisabschnitte, die für eine lauftechnische Untersuchung geeignet sind
• Festlegung der maximal zulässigen äquivalenten Konizität in Abhängigkeit von der angestrebten maximalen Fahrgeschwindigkeit
• Zulässige Werte für Kräfte und Beschleunigungen bei Probefahrten in Hinsicht auf den Fahrkomfort
• Art und Weise der Beurteilung

Abschließend wird der Hoffnung Ausdruck gegeben, dass dieser Beitrag die Wichtigkeit eines guten Zusammenwirkens von Radsatz und Gleis für alle Sparten des Eisenbahnwesens deutlich macht. Im Gegensatz zu der manchmal geäußerten Ansicht, dass sich der Radaufstandspunkt jeweils am „äußersten Rand“ der Wissensgebiete Gleisbau und Fahrzeugbau befindet – und daher nur eine unwesentliche Rolle spiele – kommt ihm für ein problemloses, kostengünstiges und störungsfreies Funktionieren der Eisenbahn die entscheidende Bedeutung zu.

Klaus Riessberger

2. Auslegung des Eisenbahnoberbaus

Zusammenfassung

Das Ziel der Auslegung des Eisenbahnoberbaus besteht in der Minimierung der durch ihn verursachten Gesamtkosten, welche sich aus den gegenläufigen Erneuerungs- und Instandhaltungskosten zusammensetzen, bei gleichzeitiger Bereitstellung eines hochverfügbaren Fahrwegs. Zur Unterstützung der Auslegung liefert der Ausrüstungsstandard der DB AG Empfehlungen zur Auswahl der Komponenten des Eisenbahnoberbaus (Schienen, Schienenbefestigungen, Schwellen, Bettung) in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit und der jährlich akkumulierten Verkehrsmasse, ohne auf die Ursachen dieser Empfehlungen einzugehen.

Sobald der praktisch tätige Ingenieur eine Auslegung unter Bedingungen vornehmen soll, die außerhalb des Einsatzspektrums der DB AG liegen (einschließlich abweichender Radkräfte, wie sie im Falle des Schwerlastverkehrs oder des ausschließlichen Personenverkehrs auftreten können), wird er auf die Anwendung der klassischen Oberbaumechanik angewiesen sein, welche im vorliegenden Kapitel in ihren Grundzügen behandelt wird.

Ulf Gerber, Ferdinand Pospischil

3. Schienen und Schienenschweißen

Zusammenfassung

Das Kapitel „Schienen und Schienenschweißen“ behandelt die zentralen Themen der Schienenwerkstoffe, der Schienenherstellung, des Schweißens von Schienen sowie deren Inspektion und Instandhaltung im Gleis.

Zunächst werden die Anforderungen an die Schiene für einen sicheren Bahnbetrieb erläutert, gefolgt von einer Beschreibung des gängigen Werkstoffkonzepts und einem Ausblick auf aktuelle Werkstoffentwicklungen. Daraufhin wird ausführlich auf die Stahl- und Schienenherstellung eingegangen.

Im anschließenden Teil bietet das Kapitel eine Einführung in die Besonderheiten des Schienenschweißens inklusive einer Beschreibung der gängigen Schweißverfahren und ihrer Vor- und Nachteile sowie einer Auflistung häufiger Fehler.

Abschließend werden die Aspekte der Schieneninspektion und -instandhaltung diskutiert. Die gängigsten Mess- und Prüfverfahren für die Beurteilung des Schienenzustands werden vorgestellt und dabei besonders auf Rollkontaktermüdungsschäden, wie Head Checks aber auch Squats, eingegangen. Zum Schluss werden die unterschiedlichen Schleif- und Fräsverfahren besprochen.

Die Beschreibungen sind durchwegs in enger Anlehnung an die jeweiligen geltenden Europäischen Normen abgehalten.

Sören Röhrig, Alexander Zlatnik, Jürgen Reinhardt

4. Weichen

Zusammenfassung

Eisenbahnweichen sind essenzielle Komponenten des Schienennetzes, die es Zügen ermöglichen, von einem Gleis auf ein anderes zu wechseln. Sie sind zentrale Elemente in Bahnhöfen, Rangierbahnhöfen und an Gleisverbindungen von Eisenbahnstrecken. Eine Weiche besteht aus mehreren wichtigen Teilen: den Weichenzungen, dem Herzstück und den Backenschienen. Die Weichenzungen sind bewegliche Schienen, die durch einen Stellmechanismus umgestellt werden können, um den Fahrweg des Zuges zu bestimmen. Das Herzstück ist der Punkt, an dem sich die beiden Gleisstränge kreuzen und hohe dynamische Kräfte hohe mechanische Beanspruchungen im Rad-Schienenkontakt und Schotter verursachen.

Weichen werden durch verschiedene Mechanismen gestellt, entweder manuell, elektrisch oder hydraulisch, und sind mit Sicherheitssystemen verbunden, um einen störungsfreien und sicheren Bahnbetrieb zu ermöglichen. Darüber hinaus gibt es spezielle Hochgeschwindigkeitsweichen, die für den Einsatz auf Schnellfahrstrecken entwickelt wurden und Zügen ermöglichen, Weichen auch bei hohen Geschwindigkeiten im abzweigenden Ast zu befahren.

Die regelmäßige Wartung und Inspektion von Weichen ist entscheidend, um die Zuverlässigkeit und Sicherheit des Eisenbahnbetriebs zu gewährleisten und eine hohe Lebensdauer der einzelnen Komponenten zu erreichen. Verschleiß und Materialermüdung können die Funktionalität beeinträchtigen und müssen frühzeitig erkannt und behoben werden. Eisenbahnweichen sind somit nicht nur technische Wunderwerke, sondern auch wesentliche Bestandteile für den reibungslosen Ablauf des Eisenbahnverkehrs.

Ekkehard Lay, Reinhold Rensing, Uwe Ossberger

5. Unterbau, Eisenbahndämme und Einschnitte

Zusammenfassung

Der Unterbau beziehungsweise der Bahnkörper von Gleisanlagen wird neben Brücken und Tunneln primär von geotechnischen Bauwerken gebildet. Zu letzteren zählen insbesondere die eigentlichen Erdbauwerke. Erdbauwerke wie Eisenbahndämme, Ein- und Anschnitte bestehen überwiegend nur aus meist vor Ort gewonnenen, natürlichen Stoffen. Diese Bauwerke zeichnen sich in der Regel durch ihre hohe Langlebigkeit und Dauerhaftigkeit sowie durch ihre naturverträglichen Eigenschaften zur Umwelt aus. Neben diesen Bauwerken sind auch Durchlässe oder Querungen sowie Stützbauwerke und auch Entwässerungsanlagen des Bahnkörpers zu den geotechnischen Bauwerken, die den Unterbau von Gleisanlagen bilden, zu rechnen. Für den Bau ist die Kenntnis der Baugrundverhältnisse und der Eigenschaften der verwendeten natürlichen Baustoffe von ausschlaggebender Bedeutung, die eine ausreichende Erkundung im Vorfeld notwendig machen. Alle genannten Bauwerke werden im Laufe ihrer Nutzung durch unterschiedliche Faktoren, wie Witterung und Verkehrsbelastung beeinflusst, die ihre Lebensdauer begrenzen und Instandhaltungsmaßnahmen erfordern. Die geotechnischen Bauwerke, ihre Planung, Herstellung und Qualitätssicherung sowie Instandhaltung werden im Kapitel beschrieben. Themenstellungen über Untergrunderkundungen an bestehenden Eisenbahnstrecken, Tragschichten des Bahnkörpers, Baugrubensicherungen im Gleisbereich, Inspektion und Instandsetzung sowie Fallbeispiele aus dem Bereich der Geotechnik runden das Kapitel ab. Unterschiede bei den drei DACH-Bahnen DB InfraGO AG (bis 31.12.2023 DB Netz AG), ÖBB-Infrastruktur AG und SBB werden angesprochen.

Jürgen Stern, Ralph Fischer

6. Eisenbahnbrücken, Tunnel und Ingenieurbauwerke

Zusammenfassung

Das Kapitel gibt einen Überblick über den Konstruktiven Ingenieurbau und den Tunnelbau. Vorweggestellt wird mit einem historischen Teil ein Einblick über die Entwicklung der verschiedenen Epochen und Baustoffe gegeben. Im Folgenden sind konstruktive Regeln sowie die Zusammenstellung über die erforderlichen Ausrüstungselemente zur Planung einer Eisenbahnbrücke ebenso Bestandteil wie die wichtigsten Lastansätze und Beanspruchungen. Auch der Tunnelbau wird kurz umrissen und dargestellt.

Denn die im Wissen der hier niedergeschriebenen Hinweise und Empfehlungen geplanten Ingenieurbauwerke dienen einzig dem Zweck, den Fahrweg immer dort unter Einhaltung der zulässigen Trassierungsparameter über Bäche, Täler, andere Verkehrswege oder auch durch Tunnel zu führen, wo ein Bahndamm allein nicht ausreicht.

Tristan Mölter, Michael Fiedler

7. Bahnübergänge

Zusammenfassung

Bahnübergänge stellen besondere Kreuzungssituationen dar, an denen sich zwei Verkehrssysteme mit grundlegend verschiedenen Eigenschaften begegnen. Dies führt zu speziellen Anforderungen an die Sicherheit, die vom allgemeinen Eisenbahn- und Straßenverkehr abweichen.

Das Kap. 7 befasst sich zunächst mit Grundlagen, wobei Definitionen, Anforderungen und Rechtsnormen dargelegt werden. Anschließend steht die bautechnische Gestaltung mit Bahnübergangsbelägen und Entwässerung im Fokus. Den Schwerpunkt des Kapitels bilden die Sicherungsmaßnahmen, wobei zunächst die Technologien und Grundprinzipien überblicksmäßig erläutert und danach die einzelnen nichttechnischen und technischen Sicherungsarten detailliert behandelt werden. Abschließend konzentriert sich das Kapitel auf die Rolle der Bahnübergänge als Gemeinschaftsanlage von Bahn und Straße und liefert Lösungsansätze für komplexe Verkehrssituationen. In sämtlichen Abschnitten werden aktuelle Erkenntnisse aus Forschung und Praxis berücksichtigt.

Eric Schöne

8. Begrenzungslinien, Lichträume und Querschnittsgestaltung der Bahnanlagen

Zusammenfassung

Alle Eisenbahnfahrzeuge benötigen für ihre behinderungsfreie Fahrt einen von festen Gegenständen freigehaltenen lichten Raum. Für Fahrzeuge und Infrastruktur gelten gemeinsame Bezugslinien, so nach EN 15273 die Profile G1, G2 und das große Profil GC für Neubaustrecken. Ein Teil der Fahrzeugbewegungen auf dem Gleis wird fahrzeugseitig berücksichtigt, wie die Sehnenstellung des Fahrzeugs im Gleisbogen und ein Teil des Wankens. Die Infrastrukturseite berücksichtigt weitere Auswirkungen von planmäßigen und zufälligen kinematischen Phänomenen, ausgehend von der Bezugslinie und mit pauschalierten Ansätzen für Fahrzeugbewegungen und Gleislageunregelmäßigkeiten. Hieraus ergeben sich Mindestlichträume und Gleisabstände, berechnet entweder nach der älteren statischen Methode oder nach der neueren, kinematischen Methode gemäß EBO von 1991.

Bei Streckenquerschnitten berücksichtigt man u. a. die Aerodynamik vorbeifahrender Züge, Sicherheitsräume neben dem Gleis und Randwege. Bei Bahnsteiganlagen bestimmen Sicherheit und Funktionalität an der Schnittstelle Infrastruktur/Eisenbahnzug die Dimensionierung.

Eberhard Jänsch

9. Trassierung und Gleisplangestaltung

Fabian Walf

10. Betriebliche Infrastrukturplanung und Infrastrukturgestaltung

Fabian Walf, Andreas Heppe

11. Betriebsführung der Infrastruktur

Zusammenfassung

Die Betriebsgrundsätze der europäischen Eisenbahnen sind noch immer stark national orientiert und weichen in einzelnen Ländern erheblich voneinander ab. Die nachfolgenden Ausführungen beschränken sich daher auf die Situation in Deutschland, Österreich und der Schweiz. Vergleichbare Regeln gelten auch bei vielen osteuropäischen Bahnen. Bei westeuropäischen Bahnen sind mit Ausnahme der sich stark an den deutschen Grundsätzen orientierenden Luxemburgischen Eisenbahn größere Abweichungen anzutreffen.

Das Kapitel stellt die grundlegenden Definitionen für Betriebsstellen und Fahrten mit Eisenbahnfahrzeugen unter Berücksichtigung der Rolle des Fahrplan vor. Die Signalisierung von Zug- und Rangierfahrten wird vergleichend gegenüber gestellt. Es wird auf Fragen des Flankenschutzes, auf die betrieblichen Maßnahmen zum Bauen im Betrieb und auf die Behandlung von Störfällen an Sicherungsanlagen eingegangen.

Jörn Pachl

12. Leit- und Sicherungstechnik

Zusammenfassung

Der Schienenverkehr ist eines der sichersten Verkehrsmittel. Dies liegt einerseits an der zwangsweisen Spurführung, die bei Einhaltung aller Randbedingungen ein Verlassen des Fahrwegs verhindert. Andererseits werden aber auch viele Prozesse wie z. B. die Fahrwegsicherung technisch mit hoher Zuverlässigkeit gesteuert. Um das zu erreichen, bedarf es ausgefeilter Verfahren und Techniken, die die Anforderungen des Bahnbetriebs mit Mitteln der Automatisierungstechnik unter Beachtung der Sicherheitswissenschaft realisieren. Durch die Komponenten und Systeme der Leit- und Sicherungstechnik werden die Zug- und Rangierfahrten mit den Technologien „Fahrstraße“ und „Blockinformation“ gesichert.

Ulrich Maschek

13. Funktionale Sicherheit

Zusammenfassung

Programmierbare elektronische Systeme spielen in modernen Eisenbahn-Automatisierungssystemen eine wichtige Rolle. Viele dieser Systeme sind sicherheitsrelevant, sie schützen z. B. direkt das Leben von Passagieren oder Personal. Manche führen relativ einfache Aufgaben aus wie z. B. die Zwangsbremse eines Zuges nach Überfahren eines Haltsignals, während andere relativ komplexe Aufgaben ausführen wie den fahrerlosen Betrieb einer U-Bahn. Daher ist das Sicherstellen der korrekten Funktion des Eisenbahn-Automatisierungssystems eine Schlüsselaufgabe der Sicherheitsarbeit, die als Funktionale Sicherheit bezeichnet wird.

Obwohl eisenbahnspezifische Normen und Regelwerke schon vor über zwei Jahrzehnten eingeführt wurden, wird die Funktionale Sicherheit oft als komplexe und kostenintensive Aufgabe angesehen, selbst von Fachleuten. Dies liegt u. a. darin begründet, dass Normen und Regelwerke nur Minimalanforderungen festlegen, aber wichtige Themen wie Methoden oder Sicherheitsziele nicht normativ vorgegeben werden.

Dieses Kapitel stellt eine strukturierte und gradlinige Einführung in die Funktionale Sicherheit von Eisenbahn-Automatisierungssystemen dar. Insbesondere werden Zusammenhänge und Empfehlungen dargestellt, die über die reine Erfüllung von Normen und Gesetzen hinausgehen. Dazu werden auch zahlreiche zusätzliche Themen wie z. B. Unfallursachenanalyse, risikoorientierte Bewertung von Produktsicherheitsmängeln oder strukturierte Sicherheitsargumentation einbezogen.

Jens Braband

14. Cybersecurity

Zusammenfassung

Eisenbahnsysteme sind eines der sichersten Verkehrsmittel und verfügen über ein hohes Maß an Resilienz. Der Fokus liegt hierbei auf der funktionalen Sicherheit (Safety). Aufgrund der zunehmenden Digitalisierung müssen auch Aspekte der Cybersecurity berücksichtigt werden. Das vorliegende Kapitel ordnet das Thema Cybersecurity in den Kontext des Entwicklungsprozesses und des Betriebs von Eisenbahninfrastrukturen ein. Es werden die wesentlichen Begriffe und regulatorischen Vorgaben erläutert, sowie Neuerungen in der Gesetzeslage und bei technischen Vorschriften angerissen. Die Unterschiede aber auch Wechselwirkungen der Cybersecurity und der funktionalen Sicherheit werden erläutert. Neben aktuellen Herausforderungen der Cybersecurity im Umfeld der Eisenbahninfrastruktur werden anhand von Best-Practice-Ansätzen konkrete Lösungen zur angemessenen Umsetzung von Cybersecurity beschrieben. Es wird aufgezeigt, wie im statischen Umfeld des Systems Bahn die dynamischen Prozesse der Cybersecurity implementiert werden können inkl. der Zulassungsprozesse. Die Wechselwirkungen der Cybersecurity auf den Eisenbahnbetrieb werden auszugsweise erläutert. Zum Abschuss werden technologische Trends im Umfeld von Eisenbahninfrastrukturen und deren Bedeutung für die Cybersecurity beschrieben.

Matthias Drodt, Carsten Sattler

15. Elektromagnetische Verträglichkeit

Zusammenfassung

Das Themengebiet „Elektromagnetische Verträglichkeit im Bahnbereich“ lässt sich anhand der zu erfüllenden Schutzziele in mehrere Teilbereiche untergliedern:

• Verträglichkeit der Komponenten und Geräte eines Fahrzeuges untereinander, so dass das Fahrzeug bestimmungsgemäß eingesetzt werden kann (Abschn. 15.2, Schlagwort „EN 50121“)
• Verträglichkeit der Komponenten, Geräte und Anlagen der Infrastruktur untereinander, so dass die Infrastruktur bestimmungsgemäß arbeiten kann (Abschn. 15.2, 15.3, Schlagworte „EN 50121“, „Beeinflussung von LST-Anlagen durch Bahnstrom“)
• Begrenzung der Störaussendung von Fahrzeugen in die Außenwelt (Abschn. 15.2, Schlagwort „EN 50121“, „Regelung EMV 06“)
• Begrenzung der Störaussendung der Eisenbahn-Infrastruktur in die Außenwelt (Abschn. 15.2, Schlagwort „EN 50121“)
• Sicheres und hochverfügbares Zusammenwirken von Fahrzeugen mit der Bahn-Infrastruktur (Abschn. 15.4, Schlagwort „Beeinflussung von Gleisfreimeldeeinrichtungen“)
• Begrenzung der Beeinflussung anderer Infrastrukturen wie z. B. Telekommunikations- oder Rohrleitungen durch die Bahn (Abschn. 15.3, Schlagwort „Beeinflussung durch Bahnstrom“).

Ein weiteres Schutzziel ist der Personenschutz. Auswirkungen des 16,7-Hz-Bahnstromes auf Personen sind im Abschn. 15.3 aufgeführt.

Nicht alle Themen können an dieser Stelle umfassend dargestellt werden, es kann hier nur auf die ganz wesentlichen Grundlagen eingegangen werden.

Wilhelm Baldauf, Stefan Jäger

16. Energieversorgung elektrischer Bahnen

Zusammenfassung

In der Einführung zu diesem Kapitel werden die Aufgaben und Strukturen von Bahnenergieversorgungssystemen erläutert und die in Europa üblichen Bahnstromsysteme vorgestellt. Dabei nehmen die historische und technische Entwicklung sowie die Verbreitung der jeweiligen Bahnstromsysteme einen entsprechenden Raum ein. Insbesondere die Frage nach den Gründen für das in Deutschland, Österreich, der Schweiz, Norwegen und Schweden übliche Einphasenwechselstromsystems mit 16 \(2/3\,\mathrm{Hz}\), \(15\,\mathrm{kV}\) wird beantwortet. In einem weiteren Abschnitt wird der Stand der heutigen 16,7-Hz-Bahnenergieversorgung der DB AG in ihrer Gesamtstruktur und in ihren Teilsystemen beschrieben.

Im Abschnitt „Fahrleitungen“ werden die in Deutschland üblichen Oberleitungs- und Stromschienenbauarten vorgestellt. Dabei beschränkt sich die Darstellung der Oberleitungsbauarten aus Platzgründen im Wesentlichen auf die DB AG. In diesem Abschnitt soll dem Leser ein Überblickswissen zum konstruktiven Aufbau der Regeloberleitungen Re 100 bis Re 330 vermittelt werden. Dabei werden die einzelnen Baugruppen (wie z. B. Längskettenwerke, Quertrageinrichtungen, Maste und Gründungen) vorgestellt. Durch eine große Anzahl von Tabellen und Abbildungen wird eine Schnittstellenbetrachtung der Oberleitung zu anderen Gewerken der Eisenbahninfrastruktur, wie z. B. Oberbau, Leit- und Sicherungstechnik, Brücken, Bahnübergängen, bis hin zum Stromabnehmer elektrischer Triebfahrzeuge erleichtert. In diesem Zusammenhang sind auch die Ausführungen zur Rückstromführung, Bahnerdung und Potentialausgleich zu sehen.

Am Schluss des Kapitels werden die Schutzabstände von Personen und von Baumaschinen bei Arbeiten in der Nähe spannungsführender Ober- und Bahnenergieleitungen aufgezeigt.

Ein Anhang zu diesem Kapitel enthält eine Zusammenstellung der wesentlichen Regelzeichen für Oberleitungslagepläne.

Bernd-Wolfgang Zweig, Arnd Stephan

17. Stromversorgung der Infrastruktur

Zusammenfassung

Neben dem Energieverbrauch für die Traktion von Zügen gibt es bei den Eisenbahnen zahlreiche, stationäre Energieverbraucher der Infrastruktur. Mit der weiteren Entwicklung der Technik und der immer höher werdenden Komplexität werden diese immer intensiver zur Anwendung von Elektroenergie übergehen und zunehmend an Bedeutung gewinnen.

Normalerweise werden die Energieverbraucher aus bahneigenen Starkstromnetzen (3AC 400 V 50 Hz oder 3AC 6/12/20/30 kV 50 Hz) versorgt, die aus den anliegenden Netzen der regionalen Energieversorgung gespeist werden. In den Knotenpunkten nehmen diese zum Teil bedeutende Ausmaße an. Der komplexe Aufbau und die Sicherheitsstruktur hinter den ESTW und DSTW wird anhand von Beispielen gezeigt.

Ferdinand Pospischil, Gerhard Wolff

18. Kabelanlagen

Zusammenfassung

Kabel unterscheiden sich von Leitungen durch ihren Aufbau und ihre Verwendung.

Kabel sind gegen Umgebungseinflüsse besser geschützt und eignen sich für eine feste Installation sowie für Verlegung

• in Luft,
• im Erdreich (auch ungeschützt),
• im Wasser,
• in Kabelkanälen, z. B. Betonkabelkanäle im Gleisbereich,
• in Schutzrohren,
• in Formsteinen,
• in Beton,
• auf Kabelpritschen, Kabelbahnen (Abb. 18.1 und 18.2) oder
• in Kabelrinnen.

Leitungen eignen sich für geschützte Verlegungen und insbesondere für ortsveränderliche Betriebsmittel. Außerdem finden sie Verwendung als Aderleitungen in Steuerungen, Schienenfahrzeugen und in der Bahnstromversorgung, z. B. als Rückleitungsverbinder im Gleisbereich.

Leitungen müssen durch ihre Verlegungsart vor mechanischer, thermischer und chemischer Beschädigung geschützt werden, da derartige Beanspruchungen je nach Intensität eine Schädigung oder auch eine vorzeitige Alterung der Isolier- und Mantelwerkstoffe verursachen.

Die Leiter von Kabeln und Leitungen bestehen aus blankem oder metallumhülltem Zinn oder Zinnlegierung, weichgeglühtem Kupfer oder aus Aluminium bzw. aus Aluminiumlegierungen. Aluminiumleiter haben gegenüber Kupfer bei gleichem Gewicht das 3,3-fache Volumen. Der leitwertgleiche Querschnitt beträgt das 1,5-fache im Vergleich zu Kupfer. Das leitwertgleiche Gewicht beträgt nur die Hälfte von Kupfer. Damit sind Kabel mit Aluminiumleiter deutlich leichter.

Andreas Boldt

19. Lärm und Erschütterungen

Zusammenfassung

Die Emissionen von Lärm und Erschütterungen aus dem Schienenverkehr zählen zu den im Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG) genannten Immissionen, die geeignet sind, Gefahren oder erhebliche Belästigungen in der Umgebung von Eisenbahninfrastruktur herbeizuführen. In diesem Kapitel werden die Entstehungsmechanismen für Lärm und Erschütterungen erläutert und die wichtigsten technischen Möglichkeiten zu deren Begrenzung durch Maßnahmen an der Eisenbahninfrastruktur beschrieben. Die wichtigsten Messmethoden und Messgrößen für Erschütterungen werden erläutert. Zum Schutz vor Lärm dienen insbesondere Schallschutzwände und das Schleifen der Schienenoberflächen. Zum Schutz vor Erschütterungen werden meist elastische Elemente in den Oberbau eingebracht. Beim Neubau oder einer wesentlichen Änderung eines Schienenweges sind Maßnahmen zum Schall- und Erschütterungsschutz bereits im Planungsstadium zu berücksichtigen. Dazu ist eine Prognose des zu erwartenden Primär- und Sekundärluftschalls und der zu erwartenden Auswirkungen auf die Erschütterungen zu erstellen. Die Grundsätze der Prognosen einschließlich der relevanten gesetzlichen Grundlagen werden erläutert und Hinweise zum Planungsverfahren gegeben.

Bernd Asmussen, Christian Frank

20. Vegetationsmanagement

Zusammenfassung

Ziel des Vegetationsmanagements entlang von Bahnstrecken ist es, die Betriebssicherheit zu gewährleisten und die Verfügbarkeit des Fahrwegs zu erhalten. Dabei werden die Ansprüche aller Stakeholder (z. B. Anwohner, Naturschutz) bewertet und beachtet.

Im direkten Gleisbereich sorgen hauptsächlich chemische Verfahren für die notwendige Unkrautfreiheit. An alternativen Verfahren (mechanisch, thermisch, elektrisch) und alternativen Wirkstoffen forscht die DB in enger Netzoperation mit Nachbarbahnen und Wissenschaft.

Außerhalb des Gleisbereichs kommen ausschließlich mechanische und motormanuelle Verfahren der Vegetationskontrolle zum Einsatz. Jährliche gleisnahe Rückschnitte stellen die notwendigen Sichtachsen und Abstände zu Bahnanlagen sicher. Die Stand- und Bruchsicherheit von Bäumen wird regelmäßig von Fachleuten bewertet und forstliche Leitbilder sorgen für Resilienz der Baumbestände gegenüber den Auswirkungen des Klimawandels.

Felix Gerhardt, Michael Below

21. Schutz von Natur und Landschaft, Strahlenschutz, Trinkwasserhygiene in Trinkwasser-Befüllungsanlagen

Zusammenfassung

Bau und Betrieb von Eisenbahnanlagen können Auswirkungen auf die Umwelt haben. Die strengen Vorschriften auf europäischer und nationaler Ebene z. B. zum Arten- und Biotopschutz verlangen daher, dass bereits in frühen Planungsphasen betrachtet wird, welche Auswirkungen zu erwarten sind und wie diese vermieden oder kompensiert werden können.

Im DB Konzern wird auch mit ionisierender Strahlung umgegangen. Zur Einhaltung der rechtlichen Vorgaben und Sicherstellung des Schutzes von Mensch, Tier und Umwelt wurde eine Strahlenschutzorganisation mit Strahlenschutzverantwortlicher Person, Strahlenschutzbevollmächtigtem und Strahlenschutzbeauftragten etabliert. Als Beispiele für den Umgang mit ionisierender Strahlung kann man den Einsatz von Röntgeneinrichtungen oder Störstrahlern und den Einsatz von Isotopensonden anführen.

In Deutschland wird in den Zügen das Wasser den Kunden und Kundinnen in Trinkwasserqualität bereitgestellt. Dies wird durch die Trinkwasserverordnung gesetzlich verpflichtet und im Bereich der bundeseigenen Bahnen durch das Eisenbahn-Bundesamt behördlich überwacht. Dabei müssen die Anlagen zur Befüllung eine Reihe an gesetzlichen und normativen Anforderungen erfüllen, um so Wasser in Trinkwasserqualität zu gewährleisten.

Martina Lüttmann, Holger Tobergte, Samantha Tlustowski

22. Entsorgung von Abfällen und Einbau von mineralischen Ersatzbaustoffen bei Bau und Instandhaltung

Zusammenfassung

In jedem Bauvorhaben der DB InfraGO AG fallen Abfälle an, die ordnungsgemäß und schadlos verwertet oder gemeinwohlverträglich beseitigt werden müssen. Dies wird durch umfangreiche, über viele Jahre weiterentwickelte, abfallrechtliche Vorgaben reguliert, kontrolliert und dokumentiert. In zunehmendem Maß werden Abfälle als Sekundärrohstoffe angesehen, die Primärrohstoffe ersetzen können. Diese Möglichkeit besteht insbesondere bei mineralischen Bauabfällen, den mit jährlich 240 Mio. t größten Abfallstrom in Deutschland. Allein bei der DB AG fallen jährlich 10 Mio. t Boden, Bauschutt, Gleisschotter und Betongleisschwellen an. Mit der am 01.08.2023 in Kraft getretenen Ersatzbaustoffverordnung (EBV) wird der Einsatz von mineralischen Ersatzbaustoffen (mEB) in technischen Bauwerken rechtsverbindlich und bundeseinheitlich geregelt, womit ein wichtiger Beitrag zum ressourcenschonenden Einsatz von mineralischen Materialen geleistet wird.

Dirk Melchert

23. Asset Management Fahrweg

Zusammenfassung

Asset Management dient der Optimierung des Fahrwegs. Dabei gilt: Asset Management = Life Cycle Management. Drei Fragen müssen dabei beantwortet werden: Welche Komponenten sind wo einzubauen (Investitionsstrategie). Ebenso spezifische Instandhaltungsstrategien auszuarbeiten. Schließlich muss die wirtschaftliche Nutzungsdauer bestimmt werden.

Für diese Aufgaben eignet sich die Methode der Standardelemente, und zwar sowohl für das strategische als auch das operative Asset Management. Dabei wird die jeweilige technische Beschreibung des Fahrwegs ebenso in ihren Kosten abgebildet und mittels dynamischer Investitionsrechnungen bewertet.

Life Cycle Management zielt auf einen nachhaltigen und kostenoptimierten Fahrweg. Alle bisherigen Analysen zeigen, dass dies neben den weitgehend vorliegenden Messdaten vor allem eine Weiterentwicklung der Messdatenanalysen erfordert, um mittels Zeitreihen stabile Prognosen zu erarbeiten.

Es zeigt sich, dass ein noch nachhaltigerer Fahrweg weitere Qualitätssteigerungen bedarf. Qualität bezieht sich dabei auf die Ausgangsqualität sowie die erforderliche Instandhaltung. Kurzfristeinsparungen hingegen führen zu massiven Kostensteigerungen und konterkarieren die Nachhaltigkeit.

Peter Veit, Stefan Marschnig

24. Ökobilanzierung der Eisenbahninfrastruktur

Zusammenfassung

Die Betrachtung der Nachhaltigkeit in Hinblick auf Eisenbahninfrastruktur ist von großer Bedeutung, da der Verkehrssektor insgesamt einen erheblichen Einfluss auf die Umwelt, die Wirtschaft und die soziale Lebensqualität hat. Dabei gilt es, ökologische, soziale und wirtschaftliche Aspekte zu berücksichtigen, um langfristige Vorteile für die Gesellschaft zu gewährleisten. Die Ökobilanzierung von Eisenbahninfrastruktur ermöglicht die Berücksichtigung ökologischer Parameter über den gesamten Lebenszyklus einer Anlage. Damit kann die langfristige Ressourceneffizienz der bereits heute nachhaltigsten Form motorisierter Mobilität weiter optimiert werden. In diesem Kapitel wird die methodische Herangehensweise erläutert sowie durch bereits durchgeführte Berechnungsbeispiele untermauert. Dabei wird aufgezeigt, wie Umweltwirkungen in den Phasen der Planung, Beschaffung und Instandhaltung von Eisenbahninfrastruktur berücksichtigt werden können. Darüber hinaus wird die mögliche Schonung von Ressourcen sowie die Verringerung von Treibhausgasemissionen durch die Implementierung von Kreislaufwirtschaft aufgezeigt.

Matthias Landgraf

25. Die Beanspruchung des Fahrwegs

Zusammenfassung

Die Beanspruchung des Fahrwegs und die damit verbundenen Instandsetzungsaufwendungen lassen sich gut mit Hilfe von Gesamtbruttotonnen abschätzen, solange die Randbedingungen gleichbleiben. Bei Änderungen im Verkehrskollektiv, der Betriebsgeschwindigkeit und den eingesetzten Fahrzeugen greift dieser Ansatz jedoch zu kurz. Es bedarf spezifischerer Betrachtungen der Komponentenschädigungen und deren Beschreibung anhand von Schädigungstermen. Solche Schädigungsgesetze existieren bereits, die Forschung arbeitet daran, diese empirisch zu belegen und gegebenenfalls anzupassen. Die Sichtbarkeit der Auswirkungen unterschiedlicher Fahrzeugkonzepte im Instandhaltungsregime ist oft limitiert, da sich viele Faktoren zeitgleich und laufend ändern. Steigende Zugzahlen und damit Fahrwegbeanspruchungen führen jedoch jedenfalls zu höheren Instandsetzungsaufwänden. Es ist daher wichtig, die Fahrwegschädigung durch technische Innovation möglichst gering zu halten. Dies erfordert Anstrengungen sowohl auf Seiten der Infrastruktur als auch der Fahrzeugindustrie. Letztlich ist das bestmögliche Zusammenwirken von Fahrzeug und Fahrweg der Schlüssel für ein wirtschaftlich gut performendes Bahnsystem.

Stefan Marschnig, Ursula Ehrhart

26. Netzzugang

Zusammenfassung

Die wesentlichen Funktionen, die ein Mitgliedstaat unabhängig zu erbringen hat, sind in Artikel 7 der „Richtlinie 2012/34/EU des Europäischen Parlaments und des Rates (vom 21. November 2012) zur Schaffung eines einheitlichen europäischen Eisenbahnraums“ [1] festgelegt. Dabei handelt es sich erstens um die Entscheidungen über die Zugtrassenzuweisung, einschließlich der Beurteilung zur Verfügbarkeit und zweitens um die Entscheidung über die Wegeentgelte, einschließlich ihrer Festlegung und Erhebung.

Die Mitgliedstaaten haben sicher zu stellen, dass diese beiden wesentlichen Funktionen, die für einen gerechten und nichtdiskriminierenden Zugang zur Infrastruktur ausschlaggebend sind, an von Eisenbahnverkehrsleistungen unabhängige Stellen oder Unternehmen zu übertragen sind.

Als Grundlage für die Wahrnehmung dieser Zugangsrechte sind seitens des Infrastrukturbetreibers Schienennetz-Nutzungsbedingungen zu erstellen und zu veröffentlichen, welche die dafür notwendigen Informationen zum Infrastrukturangebot (Fahrwegkapazität, angeschlossene Serviceeinrichtungen, Zusatz- und Nebenleistungen) sowie umfassende Zugangsbedingungen enthalten.

Welche konkreten operativen Aufgaben für den Netzzugang daraus resultieren, welche Entwicklungen bisher stattgefunden haben, welche Ziele zu verfolgen und welche Herausforderungen in Zukunft zu meistern sind, werden im Kapitel „Netzzugang“ dargelegt.

Robert Prinz, Ulrich Rührnößl, Katja Skodacsek, Roland Pavel, Wolfgang Strehn, Alfred Pitnik

27. Werkzeuge zur Anlagenbewirtschaftung des Fahrwegs

Zusammenfassung

Die Anforderungen an die Eisenbahninfrastruktur und Bewirtschaftung dieser haben sich in den letzten Jahren erheblich verändert. So ist modernes Anlagenmanagement ohne digitale Tools und Systeme kaum mehr möglich, da sich die Komplexität des Systems und Anzahl der zu bewirtschaftenden Anlagen merklich erhöht haben. Die Anforderungen an das System Bahn sind nicht zuletzt aufgrund der zunehmenden Zugzahlen, bei nahezu gleichbleibenden Strecken- und Gleiskilometern, gestiegen. Das hat zur Folge, dass immer mehr Systeme eingesetzt werden, die zur Bewältigung der notwendigen Kapazitätssteigerung notwendig sind und aufeinander abgestimmt werden müssen. Die zum Einsatz kommenden Systeme lassen sich aus einer High-Level-Sicht grob in Hardware (inkl. Firmware, die zum Betreiben der Hardware notwendig ist) und Software unterscheiden, wobei erstere vordergründig für die Zustandserfassung und Bewertung des Fahrwegs eingesetzt werden und letztere einerseits in Datenbanksysteme, die zur Verwaltung von Anlagendaten eingesetzt werden, oft auch als Infrastrukturmanagementsysteme bezeichnet, und andererseits Diagnosesysteme (Monitoringsysteme), die insbesondere den Fokus auf die Analytik legen, eingeteilt werden können.

Die Aufgabenstellungen von Infrastrukturbetreibern und -managern gehen weit über das Verwalten von Anlagedaten und Anzeigen von Messwerten hinaus. In der Praxis hat sich gezeigt, dass insbesondere die Verwaltung von Massen- und Anlagendaten im Bereich Eisenbahninfrastruktur ein häufig unterschätztes Problem darstellt, da es eine Vielzahl an System gibt, die mitunter auch nicht besonders gut gewartet sind miteinander kaum kommunizieren. Ziel der (Software) Industrie ist es naturgemäß, Standardlösungen für die Erfassung des Zustandes als auch für sogenannte Infrastrukturmanagementsysteme bereitzustellen, die für einen breiten Anwenderkreis nutzbar sind und somit auch einen großen Absatzmarkt sichern.

Der Versuch diese Standardlösungen an die Gegebenheiten der Eisenbahninfrastruktur anzupassen, scheitert spätestens dann, wenn Inspektionsdaten zu linearen Objekten wie Gleise, Oberleitungen, Weichen usw. zu verwalten sind.

Ivan Vidovic, Ulrich Erdmann

28. Modellbildung als wichtiger Baustein für Gesamtsystemverständnis und Virtuelle Zulassung

Zusammenfassung

Die Interaktion zwischen Fahrzeug und Fahrweg sowie deren Auswirkungen auf bestimmte Schadensformen sind komplex und werden von einer Vielzahl von Einflussgrößen bestimmt. Simulationsmodelle können dabei wesentlich zum Systemverständnis beitragen, wobei es wichtig ist, das für die konkrete Fragestellung passende Modellsetup festzulegen. Im Kapitel wird dies anhand eines Beispiels, der Weiche, skizziert. Langzeiteffekte wie z. B. die Veränderung der vertikalen Gleisgeometrie, die Profilveränderungen am Herzstück und an der Zungenschiene werden mithilfe eines physik-basierten Modellierungsansatzes beschrieben. Dabei werden verschiedene Submodelle miteinander verknüpft und in mehreren Berechnungsschleifen durchlaufen. Die Zwischenergebnisse aus den Submodellen werden als Input für die nächste Berechnungsschleife bereitgestellt. Auf diese Weise ist es möglich, die Komplexität der relevanten Interaktionen abzubilden und die kontinuierliche Degradation von Komponenten zu beschreiben. Werden Messdaten aus dem Betrieb in die Simulation mit aufgenommen kann mit dieser Modellierungsmethodik das Verhalten von Komponenten zuverlässig prognostiziert werden.

Klaus Six, Stephan Scheriau

29. Building Information Modeling (BIM)

Zusammenfassung

Building Information Modeling (BIM) ist eine Arbeitsmethodik, die seit einigen Jahren verstärkt im Infrastrukturbereich und damit auch im Eisenbahninfrastrukturbereich zum Einsatz kommt. Basis der Methodik ist die kollaborative Zusammenarbeit aller Beteiligter mit Hilfe zentral bereitgestellter digitaler Bauwerksinformationen in Form virtueller Bauwerksmodelle. Dadurch sollen allen involvierten Stakeholdern die für sie relevanten Daten verfügbar gemacht werden, um Entscheidungen zielgerichteter und Prozesse effizienter gestalten zu können. Dadurch sollen Zeit und Kosten gespart sowie Ressourcen geschont werden.

Die BIM-Methodik kommt aktuell in immer mehr Infrastrukturprojekten zum Einsatz. Historisch bedingt wurde die BIM-Implementierung in Deutschland im Bereich der Planung begonnen. Mittlerweile wird der Einsatz auch verstärkt bei der Bauausführung vorangetrieben. Ziel ist es jedoch, die BIM-Methodik auch in der Betriebsphase und damit über den gesamten Lebenszyklus der Infrastrukturanlagen zu etablieren. Das Kapitel gibt einen Überblick über die bisherige Entwicklung und den aktuellen Stand der BIM-Implementierung im Eisenbahninfrastrukturbereich in Deutschland und wagt einen Ausblick in die Zukunft.

Steffen Scharun, Anne Schacherl

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