Simulation: Was geht im Gleisbett vor?

Ingenieure der französischen Bahngesellschaft SNCF nutzen schon länger mathematische Modelle, um das dynamische Verhalten von Schienenwegen zu simulieren. Diese Modelle gelangten jedoch an Grenzen, ging es darum, das Gleisbett zu modellieren,  also die Schotterschicht unter den Gleisen. Darum hat die Forschungsabteilung des SNCF Spezialisten um Hilfe gebeten, die sich mit der Ausbreitung von Wellen in verschiedenen Medien und Größenordnungen auskennen: Forscher von CNRS und INSA Straßburg [1]. Gemeinsam haben sie zeigen könnten, dass ein Großteil der Energie eines passierenden Zuges vom Gleisbett geschluckt wird.

Die Arbeit, erschienen in der November-Ausgabe von Computational Mechanics, zeigt, dass dieses Phänomen, das sehr stark von der Fahrtgeschwindigkeit abhängt, eine beschleunigte Zersetzung des Gleisbetts auslösen könnte.

Den SNCF-Ingenieuren stehen derzeit zwei Möglichkeiten offen, das Gleisbett in die Gleisberechnung einzubeziehen, wenn ein Zug passiert. Die eine besteht in einer detaillierten Modellierung der Interaktion zwischen allen „Körnern“, die andere, einfachere, repräsentiert das Gleisbett als homogenes und kontinuierliches Ganzes. Obwohl die Berechnung der Interaktionen zwischen den Körnern die Abnutzungsmechanismen auf lokaler Ebene aufzeigen kann, wird sie zu komplex bei der Anwendung auf das gesamte Gleis und die Passage des gesamten Zuges.

Im Gegensatz dazu lassen sich die einfachen Modelle zwar für große Gleisabschnitte einsetzen, erlauben aber keine Einblicke in die granulare Ebene. Darüber hinaus haben Vibrationsmessungen in der Umgebung des Gleises wesentlich niedrigere Werte ergeben, als es die Berechnungen vorher erwarten ließen. Das wirft die Frage auf, wie ein kompletter vorbeifahrender Zug auf vielen Metern oder gar Kilometern zusammen mit den mechanischen Besonderheiten des Gleisbetts zu modellieren ist.

In der Modellierung fehlte etwas, um den Einfluss des passierenden Zugs auf die unmittelbare Umgebung des Gleises beschreiben zu können. Die Forscher haben neue Mechanismen ins Spiel gebracht, die erklären helfen sollen, warum die Vibrationen mit wachsender Entfernung vom Gleiskörper geringer als vorhergesagt ausfallen. Sie betrachteten das Gleisbett nicht mehr als homogenes, sondern vielmehr als heterogenes Medium. Diesmal stimmte das mathematische Modell mit den Messungen vor Ort überein: Es ließ sich zeigen, dass ein Großteil der Energie vom passierenden Zug von einer heterogenen Schotterschicht eingefangen wird.  Dieses Phänomen, das sehr stark von der Fahrtgeschwindigkeit abhängt, kann das Gleisbetts zersetzen, weil die vom Zug bereitgestellte Energie in Reibung zwischen den Körnern umgewandelt wird.

Die Arbeit soll daher ein breiteres Verständnis davon vermitteln, wie sich Schienenwege beim Passieren von Zügen verhalten. Wenn klar wird, wo das Gleisbett den größten Teil der Energie einfängt, ergeben sich neue Perspektiven, was eine längere Lebensdauer oder sinkende Unterhaltskosten für Schienenwege betrifft.

[1] Die involvierten Institute sind: Laboratoire de Mécanique des Sols, Structures et Matériaux (CNRS/CentraleSupélec) und Laboratoire des Sciences de l’Ingénieur, de l’Informatique et de l’Imagerie (CNRS/Université de Strasbourg/INSA Strasbourg/ENGEES Strasbourg).

Literatur: Randomly-fluctuating heterogeneous continuum model of a ballasted railway track. Lucio de Abreu Corrêa, Juan Carlos Quezada, Régis Cottereau, Sofia Costa d’Aguiar, Charles Voivret. 60(5), pp.~845-861, 2017, Computational Mechanics. DOI : 10.1007/s00466-017-1446-8.

Bild oben: Gleisbett. Credit: Baldrik Faure, SNCF