Das System Bahn

2. Auflage Eberhard Jänsch (Hrsg.) Das System Bahn HANDBUCH

2. Auflage Herausgeber Prof. Dr.-Ing. Eberhard Jänsch Autoren Dr. Bernd Asmussen Dr. Kristina Birn Prof. Dr. Karl Georg Degen Dipl.-Ing. Wolfgang Feldwisch Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Fengler Dipl.-Ing. (FH) Peter Forcher Dipl.-Ing. Johannes Gräber Dipl.-Ing. Thomas Groh Dipl.-Ing. Dr. techn. Andreas Haigermoser Prof. Dr.-Ing. Markus Hecht Prof. Dr.-Ing. Hubert Hochbruck Prof. Dr.-Ing. Eberhard Jänsch Prof. Dr.-Ing. Ulrich Kleemann Dr. rer. nat. Werner Krötz Dipl.-Ing. Joachim Mayer Dr.-Ing. Walter Mittmann Prof. Dr.-Ing. Peter Mnich Prof. Dr.-Ing. Jörn Pachl Dr.-Ing. Gero Poetsch Dipl.-Ing. Frank Schäfer Prof. Dr.-Ing. Jürgen Siegmann Dr. Thorsten Tielkes Dr.-Ing. Werner Weigand Das System Bahn HANDBUCH

3 Geleitwort Geleitwort Der Verkehrsträger „Bahn“ steht in hartem Wettbewerb mit anderen Verkehrsträgern. Ungleiche Rahmenbedingungen im Hinblick auf Energieabgaben und Fahrwegkosten beeinflussen die Kostenbilanz negativ und führen zu gravierenden Preisunterschieden zwischen den Verkehrsträgern. Gleichzeitig etablieren sich neue Wettbewerber auf dem Mobilitätsmarkt, deren Bedeutung mit der zunehmenden Digitalisierung der Gesellschaft zunimmt. In dieser Situation muss sich der Schienenverkehr auf seine historischen Stärken besinnen: Sicherheit, Zuverlässigkeit, Qualität und Umweltverträglichkeit. Über Jahrzehnte hinweg hat sich der Verkehrsträger „Schiene“ immer wieder neu erfunden. Beispiele hierfür sind der Übergang zur elektrischen Traktion, der Aufbau eines europäischen Hochgeschwindigkeitsnetzes, die Inbetriebnahme der Neigetechnik und die Einführung von ETCS. Innovationen sind die Voraussetzung für die Zukunftsfähigkeit des Systems Bahn. Die erfolgreiche Weiterentwicklung des Systems setzt aber die Kenntnis der komplexen Wechselwirkung seiner Teilsysteme voraus. Dies ist umso wichtiger, da im Zuge der Liberalisierung des Eisenbahnwesens die Verantwortlichen aus Infrastruktur, Eisenbahnverkehrsunternehmen und Instandhaltung häufig ihren eigenen Zielen folgen. Zuverlässigkeit und Qualität setzen jedoch ein reibungsloses Zusammenwirken aller Teilsysteme voraus. Erfolgreiche Forschung und Entwicklung bedingt Verständnis für das Ganze. Dieses Handbuch soll dazu beitragen, das Wissen um das System Bahn zu erhalten, seine wesentlichen Bestandteile und Schnittstellen zu erklären und so die Voraussetzung für erfolgreiche Innovationen zu schaffen. Hans Peter Lang Vorsitzender der Geschäftsführung DB Systemtechnik GmbH

5 Vorwort Vorwort Die Eisenbahn hat als Verkehrsmittel für den öffentlichen Personen- und Gütertransport eine große Vergangenheit; sie ist im 21. Jahrhundert lebendiger denn je. Innovationen wie der Hochgeschwindigkeitsverkehr, neue Nahverkehrssysteme − automatische U-Bahnen, S-BahnNetze und kundenorientierte Regionalverkehrszüge −, Containertransport, Ganzzüge mit „just in time“ zu liefernden Waren für die Industrie und Schwerlastzüge im Güterverkehr prägen das Bild der Bahn von heute und morgen. Das „System Bahn“ ist ein komplexes Zusammenwirken mehrerer Subsysteme. Dazu gehören die Infrastruktur (Oberbau und Unterbau, Ingenieurbauwerke), Fahrzeuge (Lokomotiven, Triebwagenzüge, Reisezug- und Güterwagen), Leit- und Sicherungssysteme und weitere, mit dem Bahnbetrieb zusammenhängende Bereiche. Forschung und technologische Innovationen verändern das System Bahn unaufhörlich. Das zeigt seine Auswirkungen nicht nur auf die Komponenten der eisenbahntechnischen „Hardware“, wie Werkstoffe für Räder und Schienen, Fahrzeugkonstruktionen und Fahrwegelemente. Die Planung und Anpassung von Gleisanlagen für den prognostizierten Bahnbetrieb sind ebenso betroffen wie die tägliche Betriebsführung, die immer neuen Anforderungen nach höherer Leistung, Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit gerecht werden muss, bei Einhaltung aller Sicherheitsbelange; das ist bei Einführung neuer Komponenten keine leichte Aufgabe. Mit dem Handbuch „Das System Bahn“ soll ein Überblick über die vielfältigen Zusammenhänge dieses Verkehrs- und Transportsystems geboten werden. Es erscheint hiermit in der 2., stark überarbeiteten Auflage. Die Grundkonzeption der 1. Auflage, die unter der Herausgeberschaft von Dipl.-Ing. Dietmar Lübke (1938–2012) im Jahr 2008 erschienen ist, wurde nicht wesentlich geändert. Alle Kapitel sind auf den neuesten Stand gebracht worden; einige wurden gekürzt, andere erweitert, und an der Stelle entfallener Kapitel wurden neue Themen aufgenommen. Mein Dank gilt im Besonderen den Autoren des Buches, dem Verlagsleiter, Herrn Detlev Suchanek, sowie dem Team der Fachbuchabteilung, Frau Dr. Bettina Guiot und Frau Anita Dahlinger, die das Entstehen der 2. Auflage mit großem Engagement begleitet haben. Das Handbuch soll einen hinreichend detaillierten Überblick über das Gesamtsystem Bahn vermitteln. Es soll dazu beitragen, das Fachwissen über die Bahn und ihre systembedingten inneren Zusammenhänge zu erhalten und zu verbreiten. Schöneck, im Januar 2016 Prof. Dr.-Ing. Eberhard Jänsch Herausgeber

Inhaltsverzeichnis 7 Geleitwort.................................................................................................... 3 Vorwort........................................................................................................ 5 1 Grundelemente des Systems Bahn und Konsequenzen für die Systemgestaltung. ........................... 17 1.1 Systembestandteile und Wirkungsmechanismen...............................................17 1.2 Interdependenzen der Teilsysteme......................................................................19 1.2.1 Kontaktpunkt Rad/Schiene. ....................................................................................19 1.2.2 Zugbildung und Infrastruktur....................................................................................20 1.2.3 Sicherheit................................................................................................................21 1.2.4 Fahrplan und Betriebsführung.................................................................................22 1.3 Systemelemente und Schnittstellen.....................................................................22 1.3.1 Regelungsnotwendigkeit.........................................................................................22 1.3.2 Zuständigkeiten.......................................................................................................24 1.3.3 Maßgebende Gesetze.............................................................................................25 1.3.4 Ausführungsbestimmungen der EVU/EIU ...............................................................25 2 Die Entwicklung der Bahn in Deutschland.................................. 26 2.1 Die Wurzeln in England und Deutschland............................................................26 2.2 Eisenbahnen in Deutschland bis 1914.................................................................27 2.3 Die Zeit 1914−1945. .............................................................................................31 2.4 Entwicklungen 1945−1993...................................................................................34 2.4.1 Die Aufteilung der Bahn in Deutschland...................................................................34 2.4.2 Die Deutsche Reichsbahn der DDR.........................................................................34 2.4.3 Die Deutsche Bundesbahn und ihr Umfeld..............................................................35 2.5 Von der Dampfeisenbahn zum InterCity-System.................................................36 2.6 F&E für die Rad/Schiene-Technologie.................................................................38 2.7 Netzausbau (NBS/ABS) und Hochgeschwindigkeitsverkehr..............................41 2.8 Die Deutsche Bahn AG entsteht...........................................................................42 2.8.1 Bahnreform und Wiedervereinigung.........................................................................42 2.8.2 Die zweite Stufe der Bahnreform.............................................................................44 Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis 8 2.9 Weitere Entwicklung in Deutschland....................................................................44 2.10 Rationalisierung und Verkehrserfolge; Statistischer Überblick...........................47 3 Systemeigenschaften der Eisenbahn und Vergleich mit dem System Straße......................................... 55 3.1 Systemtechnische Aspekte von Bahnen.............................................................55 3.2 Systemeigenschaften der Eisenbahn im Vergleich. ............................................58 3.2.1 Führen und Fahren; Kapazität der Verkehrswege.....................................................58 3.2.2 Traktion, Energieverbrauch und Nachhaltigkeit........................................................60 3.2.3 Fahrdynamik. ..........................................................................................................61 3.2.4 Trassierung und Anpassung an das Gelände...........................................................63 3.2.5 Geschwindigkeit und Sicherheit...............................................................................66 3.2.6 Lärm: Vergleich Schiene/Straße...............................................................................67 4 Regelungen im Bahnsystem......................................................... 68 4.1 Regelungsgrundsätze...........................................................................................68 4.1.1 Regelungsbedarf.....................................................................................................68 4.1.2 Struktur der Regelungen. ........................................................................................69 4.1.3 Verantwortung für das Einhalten der Regelungen.....................................................72 4.2 Europäische Gesetzgebung und Regelwerke für die Eisenbahnen....................73 4.3 Internationale Übereinkommen und Vereinbarungen..........................................78 4.4 Eisenbahngesetzgebung und Regelungen in Deutschland................................78 4.4.1 AEG und EBO.........................................................................................................78 4.4.2 Zuständigkeiten des EBA .......................................................................................80 4.4.3 Sonstige Regelwerke...............................................................................................80 5 Verkehrsmärkte............................................................................. 82 5.1 Personenverkehr...................................................................................................82 5.1.1 Aufgaben der Marktforschung.................................................................................82 5.1.2 Erhebung von Marktdaten.......................................................................................82 5.1.3 Hauptdeterminanten der Verkehrsnachfrage............................................................83 5.1.4 Modellierung der Verkehrsmärkte............................................................................84 5.1.5 Die Potenziale in Deutschland und Europa. .............................................................96 5.1.6 Angebotsstrategien für den Schienenpersonenverkehr..........................................100 5.1.7 Datenquellen zum Verkehrsverhalten.....................................................................101

Inhaltsverzeichnis 10 5.2 Güterverkehrsmärkte..........................................................................................102 5.2.1 Prognosen im Güterverkehr...................................................................................102 5.2.2 Verkehrserzeugung und -verflechtung. ..................................................................104 5.2.3 Verkehrsteilung (Verkehrsmittelwahl, Modal Split)...................................................107 5.2.4 Verkehrsumlegung.................................................................................................110 5.2.5 Datenquellen.........................................................................................................114 6 Anforderungen an das System Bahn und Konsequenzen für die Strategie. ........................................ 117 6.1 Anforderungen an das System Bahn.................................................................117 6.2 Anforderungen an die Sub- und Teilsysteme.....................................................119 6.3 Anforderungen an die Schnittstellen des Systems Bahn..................................122 6.4 Konsequenzen für die Strategien der Bahnen...................................................125 6.5 Entwicklung des Systems Bahn: Themen der Zukunft. ....................................128 7 Grundlagen des Rad/Schiene-Systems und Wirkungsmechanismen ...................................................... 131 7.1 Spurführungstechnik...........................................................................................131 7.1.1 Kräfte zwischen Rad und Schiene.........................................................................131 7.1.2 Spurführungsprinzip Radsatz.................................................................................143 7.1.3 Stabilitätsverhalten des Radsatzes........................................................................149 7.1.4 Bogenlaufverhalten des Radsatzes........................................................................153 7.1.5 Spurführungsprinzip Losrad. .................................................................................160 7.1.6 Verhalten von Fahrzeugen.....................................................................................161 7.1.7 Bogenlaufverhalten................................................................................................169 7.1.8 Fahrtechnische Prüfung zur Zulassung von Schienenfahrzeugen...........................173 7.2 Fahrdynamik........................................................................................................175 7.2.1 Einleitung. .............................................................................................................175 7.2.2 Mechanische Modellbildung und Einflussgrößen....................................................176 7.2.3 Methodische Ansätze............................................................................................176 7.2.4 Anwendungsbeispiel: Energiesparende Fahrweise (ESF)........................................177 7.2.5 Anwendungsbeispiel: Grenzlasten.........................................................................179 7.3 Bremsen. .............................................................................................................181 7.3.1 Aufgaben und Randbedingungen..........................................................................181 7.3.2 UIC-Druckluftbremse – Wirkprinzip........................................................................182 7.3.3 Bremsbetrieb. .......................................................................................................184

Inhaltsverzeichnis 11 7.3.4 Zugdynamik..........................................................................................................187 7.3.5 Bremsprobe..........................................................................................................189 7.3.6 Regelwerke und Normen.......................................................................................190 7.4 Die Fahrbahn und ihre Komponenten................................................................193 7.4.1 Schienen...............................................................................................................193 7.4.2 Schienenbefestigungen (Stützpunkte)....................................................................201 7.4.3 Schwellen .............................................................................................................204 7.4.4 Schotteroberbau als Standard...............................................................................206 7.4.5 Feste Fahrbahn.....................................................................................................207 7.4.6 Fahrzeug-Fahrweg-Wechselwirkung......................................................................210 7.4.7 Weichen................................................................................................................211 7.5 Bahnenergieversorgung. ....................................................................................216 7.5.1 Nutzung der elektrischen Energie zur Fortbewegung.............................................217 7.5.2 Warum 16,7 Hz?...................................................................................................218 7.5.3 Zentrale und dezentrale Energieversorgung...........................................................220 7.5.4 Spannungen für Bahnanwendungen. ....................................................................223 7.5.5 Bahnstromleitungen 110 kV/16,7 Hz.....................................................................225 7.5.6 Automatisierung der Betriebsführung.....................................................................228 7.5.7 Regulierung und Entflechtung des Bahnstromnetzes aufgrund der Liberalisierung von Energie- und Eisenbahnmärkten.........................230 7.6 Oberleitung und Stromabnehmer.......................................................................232 7.6.1 Anforderungen an das System Stromabnehmer-Oberleitung.................................232 7.6.2 Kontaktkraft. .........................................................................................................234 7.6.3 Fahrleitungs- und Stromabnehmermaterial............................................................236 7.6.4 Geometrische Anforderungen an die Stromabnehmerwippe..................................237 7.6.5 Oberleitungsgeometrie und Fahrdrahtlage.............................................................241 7.6.6 Fazit......................................................................................................................243 7.7 Aerodynamik. ......................................................................................................243 7.7.1 Aerodynamik der Freien Strecke............................................................................243 7.7.2 Tunnelaerodynamik. ..............................................................................................248 7.8 Luftschall und Erschütterungen aus dem Schienenverkehr.............................252 7.8.1 Rollgeräusche und Rad/Schiene-Dynamik.............................................................254 7.8.2 Maßnahmen an der Quelle. ...................................................................................256 7.8.3 Maßnahmen am Ausbreitungsweg........................................................................260 7.8.4 Akustische Effekte bei schnellfahrenden Zügen.....................................................262 7.8.5 Akustische Auswirkung von Mikrodruckwellenerscheinungen im Tunnel. ...............263 7.8.6 Sonstige Quellen...................................................................................................265 7.8.7 Ausblick................................................................................................................265

Inhaltsverzeichnis 12 8 Produktions-, Angebots- und Kapazitätsplanung..................... 267 8.1 Begriffe, Ziele..................................................................................................... 267 8.1.1 Produktionsplanung..............................................................................................267 8.1.2 Betriebsplanung....................................................................................................267 8.1.3 Fahrplan................................................................................................................268 8.1.4 Ziele der Angebotsplanung....................................................................................269 8.1.5 Die Kapazitätsplanung ..........................................................................................270 8.2 Angebotsplanung im Schienenpersonenverkehr...............................................271 8.2.1 Die Anforderungen des Marktes an die Angebotserstellung...................................271 8.2.2 Die Planungsschritte..............................................................................................274 8.2.3 Prognosen als Datenbasis.....................................................................................274 8.2.4 Planung von Netzen für den Schienenpersonenverkehr.........................................274 8.2.5 Die Planung des Angebotsnetzes im Fernverkehr..................................................276 8.2.6 Die Linienplanung..................................................................................................278 8.2.7 Fahrpläne für Nahverkehrslinien.............................................................................280 8.2.8 Systematische und nicht systematische Bedienungssysteme................................280 8.2.9 Der Integrale Taktfahrplan (ITF). .............................................................................283 8.2.10 Fahrplanoptimierung..............................................................................................286 8.2.11 Die Kapazität von Zugsystemen und die Anpassung an schwankende Nachfrage....290 8.2.12 Die Fahrzeugeinsatzplanung..................................................................................291 8.3 Angebotssysteme im Eisenbahngüterverkehr...................................................292 8.3.1 Formen des Eisenbahngüterverkehrs.....................................................................292 8.3.2 Der Einzelwagenverkehr........................................................................................294 8.3.3 Der Kombinierte Verkehr........................................................................................299 8.4 Netzfahrplan........................................................................................................302 8.4.1 Rechtliche Rahmenbedingungen...........................................................................302 8.4.2 Der Prozess der Netzfahrplanerstellung.................................................................302 8.4.3 Fahrplanbearbeitung, Koordinierungs- und Entscheidungsverfahren......................303 8.4.4 Trassenbestellung..................................................................................................304 8.5 Die Technik der Fahrplanerstellung....................................................................305 8.5.1 Fahrplankonstruktion.............................................................................................305 8.5.2 Fahrzeitermittlung..................................................................................................306 8.5.3 Zeitanteile im Fahrplan...........................................................................................309 8.5.4 Planmäßige Wartezeiten und Synchronisationszeiten.............................................311 8.5.5 Fahrplan und Leistungsfähigkeit von Strecken und Knoten....................................312 8.5.6 Fahrplanleistung und Fahrplanqualität....................................................................314 8.6 Darstellungsformen des Fahrplans....................................................................315

Inhaltsverzeichnis 13 8.7 Kapazitätsplanung..............................................................................................318 8.7.1 Langfristfahrplan − die verkehrlichen und betrieblichen Anforderungen an die Infrastruktur. ...............................................................................................318 8.7.2 Kundenwünsche und Systematisierung im Schienengüterverkehr..........................320 8.7.3 Leistungsfähigkeitsuntersuchungen und Robustheitsprüfungen.............................323 8.7.4 Grundlagen der eisenbahnbetriebswissenschaftlichen Verfahren...........................327 8.7.5 Verfahrensfamilien und Methoden..........................................................................329 8.7.6 Betrachtung einzelner Netzelemente – die Strecke................................................334 8.7.7 Betrachtung einzelner Netzelemente – der Knoten................................................337 8.7.8 Betrachtung einzelner Netzelemente − Dimensionierung von Gleisgruppen...........340 8.7.9 Netz......................................................................................................................342 8.7.10 Die eisenbahnbetriebswissenschaftlichen Untersuchungen in den Planungsphasen.........................................................................................343 9 Infrastruktur................................................................................. 345 9.1 Entwurfsgrundlagen............................................................................................345 9.1.1 Querschnittsgestaltung..........................................................................................345 9.1.2 Linienführung. .......................................................................................................359 9.2 Bahnanlagen. ......................................................................................................364 9.2.1 Bahnanlagen und Betriebsstellen...........................................................................364 9.2.2 Streckengestaltung nach Verkehrsaufkommen und Verkehrsarten.........................365 9.2.3 Netzspezialisierung................................................................................................372 9.2.4 Gestaltung der Bahnhöfe.......................................................................................385 9.2.5 Personenbahnhöfe................................................................................................396 9.2.6 Knoten des Güterverkehrs ....................................................................................401 9.3 Planung, Bau und Inbetriebnahme von Infrastrukturprojekten.........................414 9.3.1 Planungsrechtliche Vorschriften für Bau und Änderung von Betriebsanlagen der Eisenbahnen...................................................................................................414 9.3.2 Bauaufsicht...........................................................................................................416 9.3.3 Baumaßnahmen im interoperablen Netz................................................................418 9.4 Instandhaltung. ...................................................................................................423 9.4.1 Grundlagen...........................................................................................................423 9.4.2 Gleisinstandhaltung...............................................................................................426 9.4.3 Instandhaltung von Brücken und Tunneln..............................................................433 9.4.4 Instandhaltung der Erdbauwerke...........................................................................435 9.4.5 Instandhaltung der Anlagen der Leit- und Sicherungstechnik (LST)........................436 9.4.6 Instandhaltung der Oberleitungsanlagen................................................................439 9.4.7 Fahren und Bauen – Baubetriebsplanung..............................................................442

Inhaltsverzeichnis 14 9.5 Brücken und Tunnel auf Neubaustrecken..........................................................446 9.5.1 Brücken................................................................................................................446 9.5.2 Tunnel...................................................................................................................454 9.5.3 Brücken und Tunnel auf der Neubaustrecke VDE 8 . .............................................457 9.6 Bahnübergänge...................................................................................................469 10 Schienenfahrzeuge..................................................................... 475 10.1 Anforderungen.....................................................................................................475 10.1.1 Nutzeranforderungen.............................................................................................475 10.1.2 Leistungsvermögen...............................................................................................476 10.1.3 Passive Sicherheit (Crash-Verhalten)......................................................................479 10.2 Kennzeichen moderner Schienenfahrzeuge......................................................480 10.2.1 Triebfahrzeuge.......................................................................................................480 10.2.2 Reisezugwagen.....................................................................................................485 10.2.3 Güterwagen..........................................................................................................486 10.3 Fahrzeugkomponenten.......................................................................................487 10.3.1 Fahrwerke.............................................................................................................487 10.3.2 Zug- und Stoßeinrichtungen..................................................................................493 10.3.3 Bremsen. ..............................................................................................................500 10.3.4 Klimaanlage...........................................................................................................513 10.3.5 „Geschlossene“ Toilettensysteme .........................................................................516 10.3.6 Einstiegstüren........................................................................................................518 10.4 Ausgewählte Fahrzeugbeispiele.........................................................................522 10.4.1 TRAXX-Lokomotiv-Familie.....................................................................................522 10.4.2 Rangier- und Streckendiesellok Gravita 10 BB.......................................................531 10.4.3 Güterwagen..........................................................................................................532 10.4.4 Schwerlastbahnen.................................................................................................535 10.5 Hochgeschwindigkeitsfahrzeuge.......................................................................537 10.5.1 Von Marienfelde bis zum RS/VD ...........................................................................537 10.5.2 Die ICE-Serienzüge...............................................................................................540 10.5.3 Der ICE 3 – Plattform für „Velaro“-Züge (Siemens).................................................546 10.5.4 Zefiro-Züge und Talgo-Triebköpfe von Bombardier................................................548 10.5.5 ICE 4, eine neue Zugbaureihe für die DB...............................................................550 10.6 Straßenbahnen und automatische U-Bahnen...................................................553 10.6.1 Straßenbahnen......................................................................................................553 10.6.2 Schienenfahrzeuge für den BOStrab/EBO-Mischbetrieb........................................559 10.6.3 U-Bahnen..............................................................................................................562

Inhaltsverzeichnis 15 10.7 Fahrzeugzugang zur Eisenbahninfrastruktur.....................................................564 10.7.1 Warum Zugangsregelungen?.................................................................................564 10.7.2 Technische Zugangsvoraussetzungen...................................................................565 10.7.3 Abnahme von Fahrzeugen oder Komponenten......................................................566 10.7.4 Feststellung der Kompatibilität...............................................................................567 10.7.5 Bekanntgabe der Anforderungen...........................................................................570 10.7.6 Infrastrukturzugang auf dem Netz der DB AG........................................................572 10.7.7 Verfahrensabläufe..................................................................................................574 11 Betriebsführung, Leit- und Sicherungstechnik.......................... 575 11.1 Regelung und Sicherung der Zugfolge..............................................................575 11.1.1 Abstandsregelung bei Führung der Züge durch ortsfeste Signale..........................576 11.1.2 Abstandsregelung bei Führung der Züge durch Führerraumanzeigen. ...................584 11.1.3 Zugfolgesicherung.................................................................................................586 11.2 Fahrwegsicherung...............................................................................................594 11.2.1 Begriff der Fahrstraße............................................................................................594 11.2.2 Verschließen der Fahrwegelemente.......................................................................595 11.2.3 Fahrstraßenausschlüsse........................................................................................597 11.2.4 Flankenschutz.......................................................................................................598 11.2.5 Sicherung der Durchrutschwege...........................................................................599 11.2.6 Stellwerksbauformen.............................................................................................601 11.3 Zugbeeinflussung................................................................................................603 11.3.1 Punktförmige Zugbeeinflussung. ...........................................................................603 11.3.2 Linienförmige Zugbeeinflussung. ...........................................................................605 11.3.3 ETCS....................................................................................................................607 11.4 Betriebsverfahren................................................................................................612 11.4.1 Einteilung der Betriebsverfahren nach der Art der Erteilung der Zustimmung zur Zugfahrt...........................................................................................................612 11.4.2 Einteilung der Betriebsverfahren nach der Struktur der Fahrdienstleitung...............612 11.4.3 Rückfallebenen......................................................................................................614 11.4.4 Besonderheiten.....................................................................................................617 11.4.5 Durchführen von Rangierfahrten............................................................................618 11.5 Betriebsleittechnik..............................................................................................619 11.5.1 Zuglaufverfolgung..................................................................................................619 11.5.2 Zuglenkung...........................................................................................................621 11.5.3 Betriebszentralen. .................................................................................................623 12 Sicherheit.................................................................................... 627

Inhaltsverzeichnis 16 13 Interoperabilität des Transeuropäischen Bahnsystems............ 635 13.1 Begriffsbestimmung............................................................................................635 13.2 160 Jahre interoperabler Bahnbetrieb in Europa...............................................635 13.3 Interoperabler Hochgeschwindigkeitsverkehr...................................................638 13.4 Eisenbahnnetze für Europa. ...............................................................................644 13.5 Das Europäische Vertragswerk; TEN und Interoperabilität...............................647 13.6 Richtlinie Interoperabilität und TSI.....................................................................649 13.7 Erstellung der TSI ...............................................................................................653 13.8 Konformitäts- und Gebrauchstauglichkeitsbewertung ....................................654 13.9 Normen................................................................................................................657 13.10 Eine neue Bahnwelt entsteht..............................................................................657 14 Instandhaltung von Fahrzeugen................................................. 659 14.1 Grundlagen und Regelungen..............................................................................659 14.2 Fahrzeuginstandhaltung bei der DB AG............................................................660 15 Bahnen besonderer Bauart........................................................ 669 15.1 S-Bahn-Systeme in Deutschland.......................................................................669 15.1.1 Entstehungsgeschichte.........................................................................................669 15.1.2 Systemeigenschaften der S-Bahn.........................................................................672 15.1.3 Tarife, Verkehrsverbünde und Finanzierung............................................................675 15.1.4 Weitere S-Bahn-Systeme in Deutschland .............................................................677 15.2 Magnetschwebebahnen.....................................................................................681 15.2.1 Die frühen Jahre: Ideen, Systeme und Entwicklungen ...........................................681 15.2.2 Magnetschwebetechnik im Nahverkehr.................................................................686 15.2.3 Das Transrapid-System.........................................................................................688 15.2.4 Supraleitung in Japan............................................................................................693 15.2.5 Fazit......................................................................................................................696 Stichwortverzeichnis...........................................................................................699 Herausgeber und Autoren. .................................................................................715 Inserentenverzeichnis.........................................................................................719

17 1.1 Systembestandteile und Wirkungsmechanismen 1 Grundelemente des Systems Bahn und Konsequenzen für die Systemgestaltung Jürgen Siegmann 1.1 Systembestandteile und Wirkungsmechanismen Unter Bahnen werden Transportwege verstanden, auf denen Fahrzeuge oder Fahrzeuggruppen (Züge) spurgeführt betrieben werden. Die Spurführung erfolgt bei Eisenbahnen durch stählerne Leitwege (Schienen) und entsprechend geformte Räder, die ebenfalls aus Stahl sind. Man spricht deshalb auch vom Rad/Schiene-System. Die Bahnen gewinnen ihren wichtigsten Systemvorteil aus der geringen Rollreibung zwischen Stahlrad und Stahlschiene. Daraus resultiert ein relativ niedriger spezifischer Energieverbrauch. Die im Rad/Schiene-Kontaktpunkt übertragbaren Längskräfte sind begrenzt. Der Quotient aus übertragbarer Längskraft zu Vertikalkraft (der Kraftschluss-Beiwert) liegt beim Anfahren im Regelfall unter 0,35 und beim Bremsen im Höchstfall bei 0,25, im Regelfall bei 0,15. Das hat entsprechende Auswirkungen auf die Fahr- und Bremsdynamik. In engen Gleisbögen ist zur Spurhaltung eine formschlüssige Führung über den Spurkranz erforderlich. Der zumeist starre Radsatz wird auf zwei Schienen geführt, die auf Querschwellen oder Einzelstützpunkten gelagert sind und so einen definierten Abstand voneinander haben, die sogenannte Spurweite, siehe Abb. 1.1.1. Zu den schienengeführten Transportsystemen nach diesem Prinzip zählen die Eisenbahnen (mit unterschiedlichen Spurweiten, Normalspur in Mitteleuropa: 1435 mm), die Bergbahnen ohne Luftseilbahnen sowie die Straßen-, Stadt- und U-Bahnen. Einige Systeme, z. B. Magnetbahnen, werden berührungsfrei mithilfe von magnetischen Kraftfeldern geführt. H-Bahnen und weitere Sonderlösungen zählen ebenfalls zu den spurgeführten Systemen. Letztlich sind auch Fahrtreppen und Fahrstühle spurgeführte Transportsysteme. Bei schnell fahrenden Zügen ist der Bremsweg auf der Schiene größer als die Sichtweite des Triebfahrzeugführers. Um sicher vor einem Gefahrenpunkt zum Halten zu kommen, braucht der Triebfahrzeugführer daher rechtzeitig eine klare Anweisung. Diese gibt ihm der Fahrdienstleiter, und zwar durch Signale. Die Sicherung der Zugfahrten gegen Auffahren (Abstandshaltung der Züge) und gegen Fahrwegkonflikte und Flankenfahrten geschieht beim Eisenbahnsystem von außen, also durch ein ortsfestes Betriebsleit- und -sicherungssystem. Abb. 1.1.1: Radsatz und Schienen

18 1 Grundelemente des Systems Bahn und Konsequenzen für die Systemgestaltung Das System Bahn besteht aus –– der Infrastruktur (Fahrweg, Bahnhöfe und Betriebsgebäude), –– der Suprastruktur (Signale und Gleisschaltmittel, Stellwerke und Leitzentralen, Energieversorgung und Oberleitung), –– den Fahrzeugen (Triebfahrzeuge einschließlich Triebwagen und Wagen) und –– der verkehrlichen und betrieblichen Organisation einschließlich des Personals. Die Infrastruktur besteht aus Strecken und Bahnhöfen. Ein Bahnhof ist nach der Eisenbahnbau- und Betriebsordnung (EBO) eine Bahnanlage mit mindestens einer Weiche, in der Züge halten, beginnen, enden oder wenden können. Strecken können ein- oder mehrgleisig sein. Abb. 1.1.2 zeigt einen typischen Streckenquerschnitt in Deutschland. Abb. 1.1.2: Streckenquerschnitt in der Geraden für Geschwindigkeiten bis 200 km/h (für ICE bis 230 km/h) Quelle: Ril 800.0130, Anhang 3, DB Netz AG 1997 Die Infrastruktur wird von sogenannten Eisenbahninfrastrukturunternehmen (EIU) betrieben. Bahnanlagen des öffentlichen Verkehrs müssen allen Nutzern zu gleichen Bedingungen offen stehen, im Regelfall gegen Entgelt. Um Konflikte zwischen Infrastruktur und Fahrzeugen auszuschließen, müssen die Nutzer – die Eisenbahnverkehrsunternehmer (EVU) – gewisse Randbedingungen einhalten. Die wichtigsten davon sind die Begrenzungslinien der Fahrzeuge und die zulässigen Radsatzlasten. Die Produktionseinheit im Eisenbahnsystem ist der Zug. Dies begründet sich in dem Systemvorteil der geringen Rollreibung zwischen Stahlrad und Stahlschiene, der es erlaubt, große Massen mit wenig Energie zu bewegen. Ein Zug besteht aus angetriebenen Einheiten (Triebfahrzeugen, Tfz) und nicht angetriebenen Wagen. Die Wagen und Tfz sind mechanisch gekuppelt, so dass Zug- und Druckkräfte im Zugverband übertragen werden können. Die Zugkräfte

19 1.2 Interdependenzen der Teilsysteme werden zumeist über Zughaken und Ösen übertragen, die Druckkräfte über Seitenpuffer. Letztere sind Federelemente, die Stöße dämpfen. Daneben gibt es auch Mittelpufferkupplungen bei modernen Zügen im Fern- und Nahverkehr oder z. B. auch in Zugsystemen in den Vereinigten Staaten und Russland. Da jede Kupplung Beschränkungen in den maximal aufzunehmenden Zug- und Druckkräften unterliegt, resultiert daraus auch eine Beschränkung der maximalen Zuglasten. Jedem Streckenabschnitt ist eine Streckenhöchstgeschwindigkeit zugeordnet. Aus der Bauart der Triebfahrzeuge und Wagen sowie aus der Zugkonfiguration, insbesondere dem Bremsvermögen, können sich weitere Einschränkungen in der zulässigen Geschwindigkeit für die Züge ergeben. Über die Kupplungen werden auch die Druckluft zum Bremsen und ggf. auch Strom und Informationen übertragen. Eisenbahnverkehrsunternehmen (EVU) betreiben ihre Züge mit eigenem Personal und führen daneben alle kundenrelevanten Aktivitäten durch, von der Marktanalyse über das Marketing, der Angebotsplanung, den Verkaufs- und Preissystemen bis hin zu den sonstigen Dienstleistungen. Auch die tägliche Wartung und die Instandhaltung der Züge gehören mit zu den Aufgaben der Zugbetreiber. Betrieb von Schienenbahnen ist die operative Durchführung der im Fahrplan angebotenen Zugfahrten einschließlich der dazu notwendigen Prozesse wie Zugbildung und Abstellung. Dem Infrastrukturbetreiber obliegt die Steuerung und Sicherung der Zugfahrten und die Instandhaltung der ortsfesten Anlagen. Er organisiert auch das Zusammenwirken von Zugfahrten und Baubetrieb bei Baustellen im Gleisbereich mithilfe der sogenannten Baubetriebsplanung. Eine der Hauptaufgaben des Betriebes ist die sichere und zuverlässige Abwicklung der Zugfahrten auch bei kleinen und großen Unregelmäßigkeiten innerhalb noch tolerierbarer Verspätungen. Ein Schlüsselbegriff des Betriebes ist daher die Pünktlichkeit, also das Einhalten der im Fahrplan angebotenen Abfahrts- und Ankunftszeiten. Die dort ausgewiesenen Fahrzeiten sind das Ergebnis einer Summenbildung aus den fahrdynamischen Mindestfahrzeiten und bestimmten Fahrzeitreserven zum Abfangen von Unregelmäßigkeiten. 1.2 Interdependenzen der Teilsysteme 1.2.1 Kontaktpunkt Rad/Schiene Infrastruktur und Fahrzeuge zeigen vielfältige Wechselwirkungen. Im Kontaktpunkt Rad/Schiene müssen die Geometrien und Toleranzen abgestimmt werden. Infolge der sehr hohen Kräfte und Spannungen sind auch die Materialpaarungen wichtig. 22,5 t statische Radsatzlast bedeuten eine Vertikalkraft von etwa 120 kN je Radaufstandspunkt. Die mittlere vertikale Spannung beträgt bei einer Kontaktfläche von 4 cm² – so groß wie ein Daumennagel – 300 N/mm². Ein zu hartes Material auf der einen Seite wird zu starkem Verschleiß auf der anderen Seite führen. Antriebs-, Brems- und Führungskräfte werden ebenfalls über diesen Kontaktpunkt übertragen und müssen vom Oberbau sicher und verschleißarm aufgenommen werden.

20 1 Grundelemente des Systems Bahn und Konsequenzen für die Systemgestaltung 1.2.2 Zugbildung und Infrastruktur Die Nutzlängen der Gleise und Bahnsteige werden auf die Zuglängen abgestimmt. Jedes Fahrzeug muss unter allen Umständen in das Mindestlichtraumprofil passen. Dazu wird zu jedem Lichtraumprofil auch ein maximaler Fahrzeugumriss definiert. Die Freiräume zwischen Fahrzeugbegrenzung und Lichtraum sind gemäß spezieller Rechenregeln für geometrische Verschiebungen bei Fahrt im Gleisbogen, für kinematische Bewegungen bei Fahrt mit einer nicht ausgeglichenen Seitenbeschleunigung und für dynamische Fahrzeugbewegungen bei Fahrt auf einem Gleis mit den üblichen Gleislage-Unregelmäßigkeiten vorzuhalten. Die „kinematische Berechnungsmethode“ teilt mithilfe einer Bezugslinie diese Freiräume in zwei Verantwortungsbereiche (Fahrzeugtechnik und Infrastruktur) auf, siehe Abb. 1.2.1. Abb. 1.2.1: Zusammenhang Fahrzeugbegrenzung – Bezugslinie – Lichtraum Quelle: EN 15273-1 (2013) (A) Fahrzeugbegrenzungslinie (B) Bezugslinie für die kinematische Berechnung (C) Mindestlichtraumprofil (Grenzlinie für feste Gegenstände) (1) Zuschläge seitens der Infrastruktur (Ausladungen, Wanken, Toleranzen) (2) Einschränkungen Ei oder Ea für die Fahrzeugbegrenzung (3) Summe (1) + (2) (4) Feste Gegenstände (5) Fahrzeug Im unteren Bereich wird der Lichtraum durch den Raumbedarf von Radlenkern (das sind Elemente der Weichen und Kreuzungen), Gleisschaltmitteln und anderen Elementen der Leit- und Sicherungstechnik begrenzt. Der obere Bereich des Lichtraumprofils ist meistens abgeschrägt, ein Überbleibsel aus der Frühzeit der Eisenbahnen, in der Brücken und Tunnel meist Gewölbeform aufwiesen. Diese Schrägen behindern heute insbesondere den Huckepack- und Containerverkehr. Bei allen größeren Umbauten wendet die DB Netz AG deshalb das Profil GC an, was diese Restriktionen beseitigt.

1.2 Interdependenzen der Teilsysteme 1.2.3 Sicherheit Bevor eine Zugfahrt stattfinden darf, muss der Fahrweg als frei und befahrbar überprüft sein. Die Gleisfreimeldung kann auf unterschiedliche Art erfolgen: per Augenschein, mithilfe von Zugeinwirkung über elektromechanische Gleisschaltmittel (z. B. Druckkontakte) in Verbindung mit entsprechender Stellwerkstechnik, durch Gleisstromkreise (Gleichstrom niederer Spannung oder Tonfrequenz-Gleisstromkreise), durch Achszähleinrichtungen oder durch Balisen im Gleis. Die Fahr- oder Haltbefehle werden entweder über ortsfeste Signale optisch an den Tfz-Führer übermittelt oder direkt in den Führerraum des Triebfahrzeugs übertragen. Im letztgenannten Fall kann der kontinuierliche Informationsaustausch über die Schienen mithilfe codierter Gleisstromkreise erfolgen (französisches System TVM), über ein spezielles Linienleiterkabel im Gleis (deutsches System LZB) oder über Funk (europäisches System ETCS). Im überwiegenden Teil des Streckennetzes der DB AG kann der Triebfahrzeugführer außerdem über Funk erreicht werden (Funksystem GSM-R). Das Sicherungskonzept beruht in der Regel auf dem Prinzip des Fahrens im festen Raumblock. Die Gleise für Zugfahrten (Strecken- und Hauptgleise der Bahnhöfe) werden in Blöcke unterteilt, die von Hauptsignalen begrenzt sind. In einen Block darf nur dann ein Zug einfahren, wenn dieser Block frei und gegenüber anderen Zugfahrten abgesichert ist. Ist das nicht der Fall, muss ein Zug vor diesem Block bzw. vor dem Hauptsignal abbremsen und anhalwww.nexans.de info.nd@nexans.com EISENBAHN-INFRASTRUKTUR DIE LEISTUNG BEGINNT BEREITS BEIM KABEL. INNOVATIVE KABELLÖSUNGEN FÜR EINEN SICHEREN SCHIENENVERKEHR. Unsere Kabel erfüllen die höchsten Leistungsanforderungen und wurden für eine lange Nutzungsdauer konzipiert. Als weltweit agierender Konzern ist Nexans in der Lage, ein weites Spektrum an Produkten und Dienstleistungen für die Eisenbahn-Infrastruktur anzubieten, die für einen sicheren und wirtschaftlichen Bahnbetrieb erforderlich sind: • Signal-, Balisen- und PZB-Kabel • Streckenfernmeldekabel in Papier und Kunststoff • Nieder- und Mittelspannungskabel, unter anderem auch in brandsicherer Ausführung • Kabelschuhe und Verbinder in Press- oder Schraubtechnik • Mittelspannungsgarnituren in Aufschieb- oder Warmschrumpftechnik Unsere jahrelange, weltweite Erfahrung ermöglicht es uns, technisch anspruchsvolle Speziallösungen anzubieten, wie z. B. RHEYRAIL, die diebstahlsichere Kabellösung für Erdungen und die DC-Rückleitung oder DuoTrack®, die kostengünstige All-inOne-Systemlösung für das Regionalnetz. Globale Kompetenz in Kabeln und Kabelsystemen NEX_Anz_Railways_140x100_feb16.indd 1 09.02.16 09:06

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