Überprüfung und Anpassung der Anpralllasten aus dem Eisenbahnverkehr

Sicherheit ist ein zentrales Anliegen im Schienenverkehr und umfasst nicht nur präventive Maßnahmen, sondern auch die kontinuierliche Überprüfung und Anpassung bestehender Regelwerke. Obwohl die Wahrscheinlichkeit einer Entgleisung mit anschließendem Anprall eines Schienenfahrzeugs an nahegelegene Bauwerke gering ist, muss dieses Risiko in der Tragwerksplanung angemessen berücksichtigt werden. Die aktuellen Bemessungsregeln für Anpralllasten aus dem Schienenverkehr sind im Eurocode 1, Teil 1-7, und dessen nationalem Anhang festgelegt. Der Hintergrund der darin enthaltenen Bemessungswerte war jedoch nicht mehr vollständig nachvollziehbar, und es bestanden Unsicherheiten hinsichtlich der Berücksichtigung aller relevanten Einflussfaktoren. ... mehrAus diesem Grund initiierte das Deutsche Zentrum für Schienenverkehrsforschung (DZSF) beim Eisenbahn-Bundesamt (EBA) ein Forschungsprojekt zur Überprüfung und Aktualisierung dieser Anpralllasten.
Diese Arbeit leistet hierzu einen Beitrag, indem sie das komplexe Phänomen des Zug-Bauwerks-Anpralls untersucht. Zunächst wurden die Randbedingungen und maßgebenden Einflussparameter durch Literaturrecherche identifiziert. Dabei zeigte sich, dass insbesondere die Anprallgeschwindigkeit, die Fahrzeugmasse und die Fahrzeugsteifigkeit dominierende Faktoren darstellen, während Anprallwinkel, Reibung und Dämpfung je nach Entgleisungsverlauf ebenfalls eine bedeutende Rolle spielen.
Zur Berechnung der Anpralllasten und Durchführung einer umfassenden Parameterstudie wurden zwei sich ergänzende Fahrzeugmodelle entwickelt. Das erste Modell ist ein Finite-Elemente-Modell (FE-Modell), das sich am Wagenkastenquerschnitt eines ICE-1-Mittelwagens orientiert und für detaillierte Anprallsimulationen in ABAQUS verwendet wurde. Das zweite Modell ist ein diskretes Feder-Masse-Dämpfer-System, das eine flexible Anpassung an andere Fahrzeugtypen ermöglicht, sobald neue Eingangsdaten vorliegen. Für beide Anprallkonfigurationen (frontalen und den seitlichen Anprall) zeigte sich, dass die Steifigkeit der angestoßenen Wand zwar kaum Einfluss auf die maximale Anprallkraft hat, wohl aber auf deren Verformung und Schadensausmaß. Die Ergebnisse bestätigten den entscheidenden Einfluss von Anprallwinkel, Geschwindigkeit, Masse und Fahrzeugsteifigkeit auf die resultierenden Kräfte. Ein Vergleich der Simulationsergebnisse mit dem in DIN EN 1991-1-7/NA beschriebenen Ansatz der statischen Ersatzlasten zeigte eine gute Übereinstimmung.
Darüber hinaus wurden Schutzmaßnahmen im Schienenverkehr untersucht, einschließlich werkstofflicher, technischer und baulich-konstruktiver Ansätze. Besonderes Augenmerk galt der sogenannten Zerschellschicht, die gemäß aktuellem Regelwerk mit einer Mindestdicke von 10 cm zusätzlich zum tragenden Betonquerschnitt auszuführen ist. Durch detaillierte Modellierung der Bewehrung in Stahlbetonwänden wurden verschiedene Bewehrungsführungen und Parameterstudien durchgeführt, wobei sich insbesondere für den Anprall am Wandkopf der positive Einfluss einer Zerschellschicht bestätigte.
Abschließend wurde ein probabilistisches Risikomodell entwickelt, um die Eintrittswahrscheinlichkeit eines Anprallereignisses abzuschätzen. Hierzu wurde eine Fehlerbaumanalyse nach DIN EN 61025 erstellt. Aufgrund begrenzter statistischer Daten zu Entgleisungen wurde ein in der Literatur vorhandener Ansatz adaptiert und anhand von Parametern des deutschen Schienennetzes kalibriert. Die daraus resultierenden Entgleisungsraten wurden mit den Angaben des UIC-Merkblatts 777-2 verglichen und erwiesen sich als konservativ. Anhand einer Beispielsituation konnte gezeigt werden, wie sich Parameteränderungen auf das Gesamtrisiko auswirken.
Insgesamt liefert die Arbeit ein vertieftes Verständnis der Mechanismen und Einflussfaktoren von Anpralllasten aus dem Eisenbahnverkehr und trägt zur Weiterentwicklung von Bemessungsregeln und Sicherheitsmaßnahmen im Eisenbahnbau bei.

Safety is a central concern in railway transport, encompassing not only preventive measures but also the continuous evaluation and adaptation of existing standards. Although the probability of derailment leading to the impact of a railway vehicle with nearby structures is extremely low, the risk must be adequately considered in structural design. Current design rules for impact loads from railway traffic are given in Eurocode 1, Part 1-7, and its National Annex. However, the background of the prescribed design values was no longer fully traceable, and uncertainties remained regarding the inclusion of all relevant influencing factors. ... mehrFor this reason, the German Centre for Rail Transport Research (DZSF) at the Federal Railway Authority (EBA) initiated a research project to reassess and update these impact loads.
This work contributes to that effort by investigating the complex phenomenon of train-structure impacts. First, the boundary conditions and main influencing parameters were identified through literature review. The analysis showed that impact velocity, vehicle mass, and stiffness are the dominant factors, while impact angle, friction, and damping also play significant roles depending on the derailment path.
Two complementary vehicle models were developed to calculate impact loads and perform a comprehensive parametric study. The first, a finite element (FE) model based on the cross-section of an ICE-1 intermediate car, was used for detailed impact simulations in ABAQUS. The second, a discrete spring-mass-damper model, allows for flexible adaptation to other vehicle types when new data become available. For both impact configurations, such as head-on and side impact, it was found that while the wall’s structural stiffness generally does not affect the peak impact force, it does influence wall deformation and damage. The results confirmed that impact angle, velocity, mass, and vehicle stiffness have a decisive effect on the resulting forces. A comparison between the simulation outcomes and the static equivalent load approach prescribed in DIN EN 1991-1-7/NA demonstrated good agreement.
The study further examined protective measures in railway applications, including material-based, technical, and structural design approaches. Special attention was given to the sacrificial layer, which according to current standards must have a minimum thickness of 10 cm. Through detailed reinforcement modeling in concrete walls, different reinforcement layouts and parameter variations were analyzed, confirming the beneficial effect of a sacrificial layer, particularly for impacts at the wall edge.
Finally, a probabilistic risk model was developed using fault tree analysis in accordance with DIN EN 61025 to estimate the likelihood of an impact event. Due to limited statistical data on derailments, an approach from the literature was adapted with parameters calibrated to the German railway network. The resulting derailment rates were compared to those from UIC Leaflet 777-2 and found to be conservative. The example application of the fault tree illustrated how parameter variations influence overall risk.
Overall, the results provide an improved understanding of the mechanisms and influencing factors of train-structure impacts and contribute to the ongoing refinement of design rules and safety measures in railway engineering.