Software zur Vermeidung von Gleisverwerfungen für die Eisenbahninfrastruktur

Extreme Sommertemperaturen setzen lückenlos verschweißte Gleise einer starken thermischen Längsausdehnung aus. Dies zwingt Infrastrukturbetreiber dazu, Entgleisungsrisiken gegen netzweite Geschwindigkeitsbeschränkungen abzuwägen. Um seitliche Gleisverwerfungen ohne pauschale betriebliche Verlangsamungen zu mindern, hat Vossloh die Software Track Stability entwickelt, um thermische Spannungsgrenzwerte zu quantifizieren und gezielte bautechnische Eingriffe entlang von Bahnkorridoren zu priorisieren.

Mechanik der thermischen Ausdehnung und Gleisverwerfung
Unter direkter Sonneneinstrahlung übersteigen die Schienentemperaturen die Umgebungsluftwerte regelmäßig um bis zu 20 °C. In lückenlos verschweißten Gleisanlagen erzeugt diese thermische Differenz erhebliche Längsdruckkräfte. Analysen des Transportation Safety Board of Canada zeigen, dass ein Temperaturanstieg von einem halben Grad Celsius eine zusätzliche Druckkraft von etwa einer Tonne in Längsrichtung induzieren kann. Bei 15,5 °C über der festgelegten spannungsfreien Schienenneutraltemperatur können die Druckbelastungen 28 Tonnen pro Schiene erreichen.

Wenn die Längsdruckkräfte den Querverschiebewiderstand des Gleises übersteigen – welcher durch die Schotterflanke, Schwellen und Befestigungssysteme bereitgestellt wird –, verformen sich die Schienen nach außen, was zu plötzlichen seitlichen Verwerfungen führt. Während hohe thermische Spannungen die Grundvoraussetzung für Verformungen schaffen, wirken die dynamischen Radsatzlasten und Querschwingungen vorbeifahrender Züge häufig als finaler mechanischer Auslöser.

Strukturelle Anfälligkeit und Betriebsstörungen im Feld
Sommerliche Witterungsbedingungen haben in internationalen Schienennetzen bereits zu zahlreichen hitzebedingten Gleisfehlern geführt. In der Nähe von Lewes in Südengland entgleiste der Personenzug 1F34, nachdem er einen Gleisabschnitt befahren hatte, der zuvor thermisch bedingte Geometrieunregelmäßigkeiten über tonreichem Untergrund aufwies. Dies forderte 30 verletzte Fahrgäste und führte zu einer mehrwöchigen Streckensperrung, bei der Network Rail 500 Meter Gleis und 850 Schwellen austauschen musste. In Schweden führte der Infrastrukturbetreiber Trafikverket eine Güterzugentgleisung in Bollebygd auf eine Gleisverwerfung zurück, während bei der Canadian National Railway nahe Repentigny (Quebec) 46 Wagen eines 172-Wagen-Güterzugs entgleisten; die anschließende Untersuchung ergab fehlende oder versetzte Schienenanker.

Digitale Bewertung des Querverschiebewiderstands
Vossloh hat die Software Track Stability konzipiert, um Schwachstellen im Schienennetz durch die Verknüpfung des physischen Oberbaus mit betrieblichen Variablen zu bewerten. Das Berechnungsmodell integriert 30 bis 40 standortspezifische Parameter, darunter Schotterkonsolidierung, Stabilität des Unterbaus, Schwellentyp, Elastizität der Befestigungen, Achslasten, Betriebsgeschwindigkeiten sowie bei regelmäßigen Inspektionsfahrten erfasste Verschleißmesswerte.

Die Software berechnet eine lokale Sicherheitsmarge gegen Verwerfungen, ausgedrückt als zulässige Temperaturdifferenz in Kelvin, wobei ein Kelvin einer Spanne von einem Grad Celsius entspricht. Visualisiert auf einer digitalen, farbcodierten Streckenkarte identifiziert die Plattform Gleisabschnitte mit beeinträchtigtem Querverschiebewiderstand und markiert Zonen, die Stopfarbeiten, die Installation von Schienenankern, Nachrüstungen der Befestigungen oder spezielle Schienenbeschichtungen erfordern.

Technische Simulationen und gezieltes Geschwindigkeitsmanagement
Anstatt bei Hitzewellen pauschale, netzweite Langsamfahrstellen anzuordnen, können Betreiber die Software nutzen, um konkrete Instandhaltungsmaßnahmen vor dem Einsatz der Gleisbautrupps zu simulieren. Die Basissimulation einer älteren Befestigungskonfiguration auf Holzschwellen ergibt beispielsweise eine rechnerische Sicherheitsmarge von 81 Kelvin. Die Simulation einer Modernisierung auf zeitgemäße Befestigungssysteme auf Betonschwellen erhöht den Querverschiebewiderstand um 45 Kelvin, was die Gesamtsicherheitsmarge auf 126 Kelvin anhebt – eine Steigerung von mehr als 50 Prozent bei identischen Bogengeometrien.

Diese vorausschauenden Simulationen ermöglichen es Infrastrukturbetreibern, reaktive Notfall-Langsamfahrstellen durch lokales Geschwindigkeitsmanagement zu ersetzen. Geringere Geschwindigkeiten reduzieren die dynamischen Querkräfte auf gefährdeten Abschnitten, sichern die Fahrplanstabilität des Gesamtkorridors und lenken Instandhaltungsressourcen präzise dorthin, wo akute Verwerfungsrisiken bestehen.

Zusätzlicher Kontext
Dieser Abschnitt beschreibt technische Spezifikationen und Wettbewerbsvergleiche, die nicht in der ursprünglichen Produktankündigung enthalten waren.

Die Stabilität von lückenlos verschweißten Gleisen beruht auf der Herstellung und Einhaltung einer bautechnisch definierten Schienenneutraltemperatur (der spannungsfreien Temperatur), die nach Normen wie der EN 13231 und den AREMA-Richtlinien typischerweise zwischen 21 °C und 32 °C liegt. Wenn Umgebungsluft und Sonneneinstrahlung die Schienentemperatur weit über diese Montageschwelle treiben, wird der Querverschiebewiderstand des Gleises zum entscheidenden Kriterium gegen nichtlineare Gleisverwerfungen. Der Querverschiebewiderstand des Schotters, der standardmäßig mittels Einzelschwellen-Verschiebeversuch (Single Tie Push Testing) überprüft wird, muss zwischen 10 und 15 Kilonewton Haltekraft pro Schwellenende liefern, um den Gleisbewegungen durch Temperatureinfluss sowie dynamischen Sinuslauf-Kräften der Schienenfahrzeuge standzuhalten.

Das traditionelle Anlagenmanagement stützte sich historisch auf statische Nachschlagetabellen, empirische Temperaturdiagramme und feste Schwellenwerte der Umgebungstemperatur, um saisonale Geschwindigkeitsbeschränkungen über ganze Streckenabschnitte zu verhängen. Dagegen nutzen moderne, multivariable Softwaremodelle dynamische, nichtlineare Berechnungsansätze der Gleisstabilität als Benchmark. Durch die Simulation von Gleisroststeifigkeit, Schotterkonsolidierungsindizes und den dynamischen Wechselwirkungen zwischen Fahrzeug und Gleis in einem einheitlichen digitalen Modell bieten algorithmische Stabilitätsplattformen eine Alternative zu manuellen Inspektionsaudits und unterstützen Infrastrukturbetreiber dabei, strukturelle Risikoprofile zu bewerten, bevor thermische Stabilitätsgrenzen erreicht werden.

Herausgegeben von Romila DSilva, Redakteurin bei Induportals, mit KI-Unterstützung.