Beschreibung
P 1033 – Ermüdungsnachweis von Schienen auf Basis bruchmechanischer Kriterien
Im vorliegenden Forschungsvorhaben werden Ansätze zur bruchmechanischen Beschreibung des Risswachstums im Schienenfuß erarbeitet. Hierzu wird mittels Finite-Elemente-Simulationen gezeigt, wie sich die Spannungen aus Eigenspannungen, Temperatur, Zugüberfahrt und Bauwerksverformung im Schienenfuß verteilen. Die Größe der anzusetzenden Lasten aus Bauwerksverformung wird dabei ermittelt. Es kann gezeigt werden, dass die Spannungsanteile sich ihrer Verteilung im Schienenfuß nach in drei Gruppen einteilen lassen, welche sich im Anschluss auch in der Ermittlung der K-Faktoren wiederfinden lassen. Schließlich wird der Zusammenhang von Verdrehung und Verschiebung des Brückenkopfes näher untersucht.
Die Eigenspannungen der Schienen experimentell ermittelt. Es zeigt sich, dass die zu erwartenden Druck-Eigenspannungen am Schienenfußrand auch in Realität anzutreffen sind. In Schienenfußmitte herrschen Zug-Eigenspannungen. Die Ausprägung der ZugEigenspannungen variierte jedoch je nach untersuchter Schienengüte stark. Die bruchmechanischen Großversuche an gekerbten Schienen zeigen, dass gekerbte Schienen gleicher Güte sich ähnlich verhalten und somit bruchmechanische Konzepte, welche auf Rissen im Schienenfuß aufbauen, prinzipiell das Reißen von Schienen
beschreiben können. Es wird jedoch auch festgestellt, dass die Großversuche keinen Rückschluss auf die tatsächliche Lebenserwartung einer Eisenbahnschiene im Gleis zulassen. Durch den eingebrachten Kerb werden die Probekörper so modifiziert, dass die mit ihnen gewonnenen Ergebnisse Rückschlüsse auf das anzuwendende bruchmechanische Modell zulassen. Ein Rückschluss auf den Widerstand gegen die Rissinitiierung der einzelnen Probekörper ist nicht möglich.
In bruchmechanischen Kleinversuchen werden die Bruchzähigkeiten der Schienenstähle jeweils an den Entnahmeorten „Schienenfußmitte“ und „Schienenfußrand“ ermittelt. Es zeigt sich, dass eine rein elastische Auswertung der Versuche nicht zielführend ist. Es wird eine Auswertung für elastisch-plastische Materialien notwendig. Es kann nicht abschließend geklärt werden, ob diese Notwendigkeit alleine in den Materialeigenschaften des Schienenstahls, oder auch in den sehr schmalen Proben begründet ist. Zur Darstellung des Risswachstums mit bruchmechanischen Methoden werden
verschiedene Ansätze gezeigt und die Möglichkeit zur Simulation saisonaler Abhängigkeiten und der Interaktion verschiedener Belastungen wird dargestellt. Es zeigt sich, dass die Simulation einzelner Risse sehr gut dazu geeignet ist, den Einfluss einzelner Parameter auf das Risswachstum aufzuzeigen.
Veröffentlichung:
Januar 2021
Autoren:
Prof. Dr.-Ing. M. Mensinger, M.Sc. S. Pessel, Prof. Dr.-Ing. S. Freudenstein, Dr.-Ing. Ch. Simon, Prof. Dr.-Ing. O. Fischer, M.Sc. N. Schramm, Prof. Dr.-Ing. P. Langenberg
