Sonderdruck ausETR
EISENBAHNTECHNISCHE RUNDSCHAUIMPULSGEBER FÜR DAS SYSTEM BAHN
Heft 9 · September 2014
DVV Media Group GmbH · Hamburg

Dipl.-Ing. Mirko DoldDI Dr. Günther Achs
Ing. Michael Göbl
DI Dr. Michael Mach

Innovative Messfahrten im
Lainzer Tunnel – Vorgehen,
Durchführung und Ergebnis

INFRASTRUKTUR & BAU | Messfahrten Lainzer Tunnel

Innovative Messfahrten im
Lainzer Tunnel – Vorgehen,
Durchführung und Ergebnis
Im Rahmen der Inbetriebnahme der Neubaustrecke Wien - St. Pölten konnten die Auswirkungenvon unterschiedlichen Masse-Feder-Systemen bei Zugüberfahrt im Rahmen der sogenannten
Innovationsmessfahrten untersucht werden.

 Die messtechnische Erfassung im Bereichdes Lainzer Tunnels erfolgte im Auftrag derÖBB-Infrastruktur AG und der Getzner Werkstoffe GmbH durch das Ingenieurbüro FCP
ZT GmbH.
Ziel der Messungen war es, zusätzlicheErkenntnisse über das Verhalten von MasseFeder-Systemen (MFS) während der Zugüberfahrt zu gewinnen und die rechnerischermittelten Prognosewerte und somit auchdas verwendete Rechenmodell zu verifizieren [Achs, 2014].

1. HERSTELLUNG/BAUABLAUF
Die Herstellung des Schweren Masse-FederSystems (S-MFS) muss in mehreren Schritten
vorgenommen werden. Auch wenn dieseBauart mittlerweile eine hohe Verbreitung– besonders bei Neubaustrecken – findet,stellt sie immer noch einen hohen Anspruch
an die Qualität bei der Bauausführung. Sosind beispielsweise die Auflagerflächen und-höhen der Einzellager vor dem Betonieren
der Tragplatte einzumessen, und die geforderten Höhen für die Lagersockel mit einerToleranz von +/-  1 mm mittels schwindar-BILD 1: Messquerschnitt (MQ) km 3,700 (Baukilometer) – MFS 8,6 t/m, Gl. 9, ü = 103 mm, r =1416 m

DI Dr. Günther Achs
Prokurist
Fritsch, Chiari & Partner ZT GmbHachs@fcp.at

Ing. Michael Göbl
Abteilung Akustik, Baudynamik
und Messtechnik
Fritsch, Chiari & Partner ZT GmbHmgoebl@fcp.at

Dipl.-Ing. Mirko Dold
Produktmanagement
Getzner Werkstoffe GmbHmirko.dold@getzner.com

DI Dr. Michael Mach
Integriertes Streckenmanagement, Integration Technik CenterAnlagen, ÖBB-Infrastruktur AG
michael.mach@oebb.atmem, hochfestem Ausgleichsmörtel herzustellen. Das Fahrbahnsystem besteht aus
Gleistragplatten der Bauart ÖBB/PORR inkl.
Vergussbeton, Schienenbefestigung undSchienen. Es bildet nach dem Justieren derGleislage (SOK) den Abschluss des MasseFeder-Systems.
Flächenlager (vollflächige elastische Lagerung) bieten den großen Vorteil, dass bei
der Herstellung der Festen Fahrbahn mit einem Masse-Feder-System nur ein Zwischenschritt – das Verlegen der elastischen Matten– nötig ist. Auf die verlegten ElastomerFlächenlager kann direkt betoniert werden.
Bei der vollflächigen Lagerung muss darauf

2ETR  |  SEPTEMBER  2014  |  NR. 9

www.eurailpress.de/etr

INFRASTRUKTUR & BAU | Messfahrten Lainzer Tunnel

geachtet werden, dass alle stumpfen Stöße
mit Klebeband abgedeckt werden, um dasEindringen von Zementschlämmen zuverlässig zu vermeiden. Damit werden Schallbrücken vermieden, die zu einer Minderung
der Funktion des Masse-Feder-Systems führen würden.

2. ANFORDERUNGEN AN DIE LAGERDie Elastomerlager müssen in der Lage sein,
die auftretenden Kräfte im Fahrweg über einen langen Zeitraum zuverlässig abtragen
zu können. Außerdem müssen die Kennwerte bzgl. statischer und dynamischer Steifigkeit, die bei der Dimensionierung des MFS
festgelegt wurden, dauerhaft eingehalten
werden.
Dazu werden im Vorfeld zuerst die durch
den Zugbetrieb verursachten Kräfte undjene aus der ruhenden Last (Stahlbetontrog) ermittelt und – je nach Anforderungen
an die Schwingungsisolierung – die dafürnotwendigen Eigenschaften (statische unddynamische Federsteifigkeit, Verlustfaktor,Schubsteifigkeit etc.) vom planenden Ingenieurbüro festgelegt. Auch die Anordnung
der Lager (Abstände der Lager in Gleislängsrichtung sowie quer zur Gleisachse, Übergangsbereiche etc.) muss festgelegt werden,
damit die Statik und somit der Anteil derBewehrung des Stahlbetontrogs bestimmt
werden kann.

BILD 2: MQ km 5,850 (Baukilometer) – MFS 7,9 t/m, Gl. 9, ü = 0 mm, r = ∞ und MQ km 6,550(Baukilometer) – MFS 4,2 t/m, Gl. 9, ü = 0 mm, r = ∞3. QUALITÄTSSICHERUNGUm die Qualität der Lager laufend sicher zu
stellen, werden die geforderten Werte in einem Quality Control Plan (QCP) festgelegt,
der von allen Beteiligten anerkannt und verifiziert wird (Hersteller, fremdüberwachende
Stelle, Planer und Auftraggeber).
Bei aus PUR gefertigten Lagern kann die
Prüfmenge gegenüber einzeln hergestellten
Lagern deutlich reduziert werden, was Vorteile bzgl. Kosten und Zeitaufwand mit sichbringt. Der Grund hierfür liegt im kontinuierlichen Fertigungsverfahren, bei dem mit
nur einer Mischung Flächen von ca. 2000 m²hergestellt werden. Die Abmessungen derLager werden dann im Anschluss durch Konfektionierung des flächigen Materials hergestellt.

4. UNTERSUCHTEMESSQUERSCHNITTEIn Absprache mit allen Beteiligten wurden
vorab drei geeignete Messquerschnitte
ausgewählt. Diese unterscheiden sich hinsichtlich Abstimmfrequenzen und Art derLagerung der ausgeführten Masse-FederSysteme. Zwei Messquerschnitte liegen in
www.eurailpress.de/etr

BILD 3: MQ km 6,550 (Baukilometer) – MFS 4,2 t/m, Gl. 9, ü = 0 mm, r = ∞einer Geraden, der dritte Querschnitt befindet sich in einem Radius. Dadurch ergibt
sich eine Überhöhung im kurvenäußeren
Bereich.

5. MESSUNGEN IM GLEIS
Der bedeutendste Vorteil der dynamischen
Gleismessungen ist, dass die Elemente inihrer realen Einbausituation belastet werden können. Durch die Durchführung vonMessungen kann aufgrund der je nach Zug
verschiedenen Belastungen und Randbedingungen (unterschiedliche Messquer-schnitte) eine Vielzahl von Schwingungsund Kraftgrößen erfasst werden.
Im Rahmen der Untersuchung wurdenalle während der Innovationsmessfahrtenerfolgten Zugpassagen sowie drei spezielle
Messserien mit folgenden Testfahrzeugen
ausgewertet:>> ICE-S (lang/2 Triebköpfe, 2+5 Mittelwagen, 93 80 5410 102-8 D-DB)>> railjet (doppelt/2 x 7 teilig, 1116 159-3)>> Mustergüterzug (Länge 429 m) mit 19Wagen und zwei Triebfahrzeugen»ETR  |  SEPTEMBER  2014  |  NR. 93

INFRASTRUKTUR & BAU | Messfahrten Lainzer Tunnel

Aus der zeitsynchronen Überlagerung derEinsenkungsmessungen zwischen Schieneund Gleistragplatte, Gleistragplatte und Trogsowie Trog und Unterbeton können Gesamteinsenkungen des Systems ermittelt werden.
In Bild 6 sind diese Gesamteinsenkungen fürden MQ km 3,700 – MFS 8,6 t/m dargestellt.
Aus dieser Darstellung ist erkennbar, dassinsgesamt maximale Einsenkungen in derHöhe von ca. 4 mm auftraten (zulässige Einsenkungen: w = 10 mm), wobei diese Einsenkungen nahezu geschwindigkeitsunabhängig waren.
BILD 4: Exemplarische Darstellung der Instrumentierung an den Messquerschnitten

Insgesamt konnten 52 Überfahrten des ICE-S,
9 Überfahrten des Mustergüterzuges und35 Überfahrten des ÖBB railjet zur Auswertung herangezogen werden. Die Fahrgeschwindigkeiten lagen zwischen 30 km/h
und maximal 160 km/h, was der zulässigen
Höchstgeschwindigkeit auf dem untersuchten Streckenabschnitt entspricht. Im Zuge
der Messserien wurden zudem auch ergänzende statische Messungen durchgeführt.

5.1. RANDBEDINGUNGENDie Messungen wurden im Rahmen der Innovationsmessfahrten 2012 durchgeführt.
Im Zuge dieser langfristig geplanten Testfahrten war eine problemlose Instrumentierung der Messquerschnitte im Tunnelbereich über mehrere Tage hinweg möglich.
Die Planung selbst erfolgte bereits mehrere
Monate zuvor. Die Messfahrten wurden füreine repräsentative Anzahl an gleichartigen
Testfahrzeugen bei verschiedenen Fahrgeschwindigkeiten durchgeführt. Dadurch
konnte die Varianz der Messwerte minimiert
und zuverlässige Werte ermittelt werden.
Instrumentiert und ausgewertet wurden
unter anderem die vertikalen und horizontalen Bewegungen der Gleistragplatte unddes Trogs, die vertikalen Bewegungen derSchwelle und Schiene, sowie die Schwinggeschwindigkeiten und Schwingbeschleunigungen an Trog, Sohle und Tunnelwand. Auf
Basis der gemessenen Einsenkungen wurden zudem die Trog- und Schienenverkippungen berechnet. Die Schienenspannung
wurde zusätzlich mit Hilfe von Dehnmessstreifen ermittelt.

5.2. DURCHFÜHRUNG
Der Aufbau der Messeinrichtungen erfolgte
im August 2012 und dauerte fünf Tage. Besonderes Augenmerk musste dabei auf diesichere Verkabelung der Messinstrumentegelegt werden, da geplant war, viele Züge
mit teilweise hohen Geschwindigkeiten passieren zu lassen (Bild 4).
Eine Kontrolle der Messdaten und Sensoren vor Ort wurde in regelmäßigen Abständen zwischen den Messtagen durchgeführt.
Zusätzliche Sensoren wurden während
ausgewählter Zeiträume an der Oberflächeüber den sich im Tunnel befindlichen Messquerschnitten positioniert. Dadurch konnte
ermittelt werden, in wie weit sich die durch
die Züge verursachten Erschütterungen auf
das Überdeckungsmaterial oberhalb desTunnels bis zur Oberfläche übertragen.

6. ERGEBNISSE
6.1. EINSENKUNGENDie Einsenkungen des Trogs bei dynamischer Belastung sind in Bild 5 ersichtlich. Im
Bereich der Querfesthaltungen im MQ km
3,700 (im Bogen, mit Überhöhung) liegen
die Einsenkungen tendenziell ca. 20 % unter den Einsenkungen des Trogs mittig zwischen den Querfesthaltungen (Bild 6). Die
geringere Einsenkung ist auf die zusätzliche
Steifigkeit der Horizontallager zurückzuführen, die bei Einsenkung des Trogs einen Teilder Kräfte durch Schub abtragen. Die Einsenkungen der Gleistragplatte relativ zum
Trog liegen bei ca. 0,30 bis 0,40 mm.

BILD 5: Einsenkungen des Trogs bei dynamischer Belastung4

MQ km 3,700 - MFS 8,6 t/m

MQ km 5,850 - MFS 7,9 t/m

MQ km 6,550 - MFS 4,2 t/m

ca. 1,50 bis 2,10 mm

ca. 0,80 bis 1,30 mm

ca. 0,70 bis 1,00 mm

ETR  |  SEPTEMBER  2014  |  NR. 9

6.2. QUERVERSCHIEBUNG, VERDREHUNGUND VERKIPPUNG
Die horizontalen Verschiebungen des Trogs
am MQ mit überhöhtem Bogen liegen bei
der Querfesthaltung bei max. 0,4 mm undim Bereich zwischen den Querfesthaltungenbei max. 0,80 mm. Die größten Horizontalverschiebungen treten bei der railjet- undICE-S-Garnitur bei v = 160 km/h auf.
Die Verdrehungen des Trogs am Messquerschnitt im überhöhten Bogenbereichliegen bei ca. 0,02° und somit 30 % unter den
zulässigen Grenzwerten. Bei den übrigenMessquerschnitten bei ca. 0,01°. Die Schienenverdrehungen erreichen beim Befahren
durch den Mustergüterzug mit bis zu 1,2°
nach außen die höchsten Werte.
Der Vergleich zwischen den Verdrehungen des MQ km 3,700 – MFS 8,6 t/m im Bereich mit und ohne Querfesthaltungen ist
Bild 7 dargestellt.
6.3. EIGENFREQUENZIm Zuge der Kontrolle der ordnungsgemäßen
Bauausführung wurden auf den fertiggestellten Abschnitten baubegleitende Messungender Eigenfrequenzen durchgeführt. Dies
diente einerseits der frühzeitigen Feststellung
allfälliger Fehler in der Bauphase und andererseits der Steigerung des Qualitätsbewusstseins auf der gesamten Baustelle. Die Messung der Eigenfrequenzen erfolgte mittels
Beschleunigungsaufnehmern, die auf den
Masse-Feder-Systemen aufgestellt wurden.
Angeregt wurde das System durch transiente
Impulse (Fallgewicht, Hammerschläge). Die
Messung erfolgte unter dem Eigengewicht
des Masse-Feder-Systems ­inklusive der Masse des Testzugs. Folgende Eigenfrequenzen
konnten abgelesen werden:>> MQ km 3,700 LT Gleis 9 –MFS mit Einzellager(8,6 t/m):
f0,Messung = 8,5 Hz>> MQ km 5,850 LT Gleis 9 –MFS mit Flächenlager(7,9 t/m):
f0,Messung = 15,1 Hz
www.eurailpress.de/etr

INFRASTRUKTUR & BAU | Messfahrten Lainzer Tunnel

BILD 6:
Vertikale Einsenkung
des Trogs sowie Gesamteinsenkung desMasse-Feder-Systemsbei km 3,700 – MFS 8,6t/m bei der Befahrung
mit unterschiedlichen
Zugtypen

BILD 7:
Horizontale Verschiebungen und Verdrehungen des Trogs desMasse-Feder-Systems
auf km 3,700 – MFS 8,6t/m beim Befahren mit
den Zug­typen ICE undrailjet>> MQ km 6,550 LT Gleis 9 –MFS mit Flächenlager(4,2 t/m):
f0,Messung = 22,5 Hz

BILD 8: Gegenüberstellung der gemessenen Eigenfrequenzen der Masse-Feder-Systeme undder BerechnungenBereichf0,Messung [Hz]f0,Rechnung [Hz]Lagerart

Der Vergleich der gemessenen Eigenfrequenzen der Masse-Feder-Systeme mit
den Berechnungen hat gezeigt, dass diegemessenen Eigenfrequenzen sehr gut
mit den Berechnungen übereinstimmen(Bild 8).

MQ km 3,7008,58,5punktförmig

MQ km 5,850

15,115,3

vollflächig

MQ km 6,550

22,524,4

vollflächig

6.4. SCHIENENFUSSMITTENSPANNUNGEN
Mit Hilfe von Dehnmessstreifen wurden die
www.eurailpress.de/etr

maximalen Spannungen der instrumentierten Schiene während der Zugpassage ermittelt.
Die Schienenfußmittenspannungen lie-gen am MQ km 3,700 und MQ km 6,550
bei den niedrigen Fahrgeschwindigkeiten
bei ca. 52 bis 57 N/mm². Am MQ km 5,850
treten an der Schienenfußunterseite deut- »ETR  |  SEPTEMBER  2014  |  NR. 95

INFRASTRUKTUR & BAU | Messfahrten Lainzer Tunnellich niedrigere Spannungen von ca. 35 bis
37 N/mm² auf.
6.5. OBERFLÄCHENMESSPUNKTEAn den Oberflächenmesspunkten im freien
Feld liegen die durch das Vorbeifahren derZüge verursachten Erschütterungen deutlich unter oder im Bereich der ortsüblichen
Umgebungserschütterungen, wie sie z. B.
aus dem Straßenverkehr resultieren. In den
untersuchten Bereichen kann daher aufgrund einer Unterschreitung der subjektiven
Fühlschwelle gemäß ÖN S 9012 von keiner
nennenswerten erschütterungstechnischen
Belastung ausgegangen werden.

7. SCHLUSSFOLGERUNGENDie Messergebnisse zeigen, dass alle ermittelten Parameter im Bereich der berechneten und erwarteten Größenordnung liegen.
Konkret wurde festgestellt, dass die Gesamteinsenkungen des Masse-Feder-Systems mit maximal w = 4 mm weit unter den
gemäß der vorgegebenen Richtlinien zulässigen Einsenkungen von w = 10 mm liegen.

6ETR  |  SEPTEMBER  2014  |  NR. 9

Auf Basis dieses Ergebnisses wären grundsätzlich auch tiefere Abstimmfrequenzen
möglich.
Die Verdrehungen bzw. Verwindungendes Systems in den untersuchten Bogenbereichen lagen beim Befahren durch dieTestzüge ca. 30 % unter den zulässigen
Grenzwerten. Die konstruktive Ausführung
dieser Masse-Feder-Systeme in den Bogenbereichen mit Längs- und Querfesthaltungen erfüllt die Zielwerte der Eigenfrequenz
und damit die erschütterungstechnischen
Anforderungen des Systems.
Die gemessenen Einsenkungen und aufgezeichneten Schwinggeschwindigkeiten
zeigen für den Mustergüterzug größere Werte verglichen mit den Messgrößen des railjets und der ICE-Garnitur. Bezüglich der Horizontalverschiebung und der Verdrehung derGleiströge wurden beim Mustergüterzug
geringere Werte gemessen.
Die durchgeführten Messungen bestätigen das Dimensionierungs- und Berechnungsverfahren der Masse-Feder-Systeme.
Die Untersuchungen zeigen, dass die Funktionalität der Systeme und die erschütterungstechnische Wirksamkeit vollumfänglich gegeben sind. Literatur––Achs, G.; 2014: Erschütterungen durch Hochgeschwindigkeitsverkehr im Lainzer Tunnel; ETR Spezial Erkenntnisse aus den Innovationsmessfahrten 2012, ISBN 9783-7771-0467-6, Seite 31-33.
Achs, G., Pichler, D., Göbl. M.; 2013: Masse-Feder-Systeme im Lainzer Tunnel; Messtechnische Untersuchungen, Bericht

 SUM MARY
Innovative train-based measurements in Lainzer Tunnel – procedure,
execution and result
Numerous measurements from moving
trains were made at three representative
cross-sections, each one with a different
Mass-Spring System (point bearings, fullsurface and weight) as part of an innovative campaign of tests. Three different train
compositions were used (Railjet, ICE anda sample freight train). Some 90 measurement runs were evaluated. All the resulting
values fall within the computed andexpected order of magnitude and someare very significantly below the permittedlimits. In engineering terms, all the systems
were found to be fully effective in damping
vibrations.

www.eurailpress.de/etr