Variierende Fahrwegsetzung entlang von Schottergleisen ist ein entscheidender Grund, dass Instandhaltungsarbeiten durchgeführt werden müssen.
Die Elastizität der Bahnschwelle spielt bei der Übertragung der Rad-Schiene Kräfte in den Untergrund eine wichtige Rolle und beeinflusst dadurch das Setzungsverhalten des Schotterbettes aufgrund der sich einstellenden lokalen Druckverteilung.
Ein tieferes, physikalisches Verständnis über die Interaktion zwischen Bahnschwelle und Schotter kann dazu beitragen, Verbesserungen am System vorzunehmen und damit den Wartungsaufwand deutlich zu reduzieren. Aufgrund des diskreten Charakters des Gleisschotters gilt die Diskrete Elemente Methode (DEM) als geeigneter und weit verbreiteter numerischer Ansatz, um Einblicke in die physikalischen Phänomene auf Partikelebene zu erlangen und um das Schüttgutverhalten des Schotters zu simulieren. In bisherigen DEM Simulationen des Schienenoberbaus wurde die Schwelle entweder als starrer Körper modelliert, aus Bonded-Particles aufgebaut oder durch komplexe Co-Simulationen implementiert. Da die Schwellenelastizität die dynamische Wechselwirkung zwischen Schwelle und Schotter maßgeblich beeinflusst, sind effiziente DEM-Simulationen mit einer präzisen Abbildung von elastischen Schwellen unerlässlich. In dieser Arbeit wird eine Methode präsentiert, die das Particle Facet Modell (PFM) verwendet, um eine elastisch verformbare Bahnschwelle zu modellieren. Die PFM verwendet so genannte Nodes, Cylinder und PFacets um Objekte aufzubauen und wurde ursprünglich verwendet um elastische Wurzeln, Gitter und Membranen mit glatter Oberfläche darzustellen. Dieses Modell wurde angepasst, um eine elastische Schwelle zu modellieren, ohne auf Co-Simulationen zurückgreifen zu müssen. Dadurch können Simulationen des Bahnoberbaus durchgeführt werden, die die Effekte der Schwellenelastizität auf diskretem Schotter realitätsnahe berücksichtigen.
Es wurden DEM Simulationen von Schotter-Box-Tests durchgeführt, in denen die elastische PFM Schwelle auf einem verdichteten Schotterbett platziert und im Anschluss zyklisch belastet wurde.
Die berechnete Druckverteilung an der Schwelle-Schotter Grenzfläche, die Biegelinie der Schwelle und die Fahrwegsetzung stimmen qualitativ mit Daten aus der Literatur überein.
Im Gegensatz zu starren Schwellenmodellen und numerischen Ansätzen, die den Schotter als Kontinuum betrachten, zeigen die Simulationen, dass die zuvor erwähnten Ergebnisse stark von der Ausgangskonfiguration des Schotterbettes abhängen.
Die präsentierte Methode ermöglicht eine realitätsnahe Integration von elastischen Bahnschwellen in DEM-Simulationen des Schotteroberbaus und verbessert dadurch das Verständnis für die durch Schwellenelastizität resultierenden physikalischen Effekte.
Numerische Untersuchungen von komplexen Fahrwegsabschnitten, in denen die mechanischen Eigenschaften der Schwelle entscheidend sind, wie in Bögen und im Weichenbereich, können dadurch ermöglicht werden.