Das Schienennetz der DB Netz AG ist ein zentraler Bestandteil der deutschen Mobilität und soll bis 2030 ein deutlich höheres Verkehrsaufkommen bewältigen. Um dieses Ziel zu erreichen, muss die bestehende Infrastruktur für höhere Geschwindigkeiten und Lasten ausgebaut werden. Ein solcher Ausbau erfordert jedoch eine Neubewertung der Standsicherheit nach aktuellen Normen. Diese „Neubeurteilung“ führt jedoch häufig zu der paradoxen Situation, dass der rechnerische Nachweis der Standsicherheit für einige, seit Jahrzehnten bestehende (und offensichtlich standsichere), Bahndämme selbst für den aktuellen Zustand nicht erbracht werden kann. Sollen die Strecken dennoch ausgebaut werden, verlieren die Dämme ihren Bestandsschutz und müssen aufwendig saniert werden – was hohe Kosten und einen oft unnötigen Ressourcenverbrauch zur Folge hat.

Projekthintergrund und Zielsetzung

Die Diskrepanz zwischen rechnerischer und tatsächlicher Standsicherheit von Bahndämmen liegt oft in stark vereinfachten Berechnungsmodellen. Herkömmliche Methoden vernachlässigen – unter anderem – die natürliche Streuung standsicherheitsrelevanter Bodeneigenschaften wie z.B. des Reibungswinkels oder der Kohäsion. Ziel dieses Projektes war es daher, mit der Random Finite Element Method (RFEM) die Anwendung einer fortschrittlichen Methode zu untersuchen, die genau diese Variabilität berücksichtigt.

Methodik und Durchführung

Als Grundlage diente ein repräsentativer Dammquerschnitt einer realen Baumaßnahme der DB Netz AG. Zunächst wurden aus den Ergebnissen von Felduntersuchungen statistische Verteilungen der relevanten Bodenparameter abgeleitet. Um diese natürliche Variabilität realitätsnah abzubilden, wurden sie in räumliche Zufallsfelder überführt.

Für die Erstellung dieser komplexen Zufallsfelder entwickelte das Institut für Geotechnik eine eigene Softwarelösung. Dieses Tool kann nicht nur die räumliche Streuung, sondern auch die Kreuzkorrelation, also die wechselseitigen Abhängigkeiten von Bodenkennwerten, (z. B. zwischen Reibungswinkel und Kohäsion) abbilden. Beispielhaft sind sechs so erstellte Zufallsfelder für den Reibungswinkel in Abbildung 1 visualisiert.

Die so erzeugten, „realistischeren“ Baugrundmodelle wurden anschließend in die Finite-Elemente-Software Optum G2 importiert und die Standsicherheit des Systems mittels einer φ-c – Reduktion ermittelt. Ein für diese Untersuchungen typischer Versagensmechanismus ist in Abbildung 2 dargestellt.

Da die Nachrechnung des repräsentativen Querschnitts mit einzelnen Zufallsfeldern keine Aussagen über Versagenswahrscheinlichkeiten zulassen, wurden Monte-Carlo-Simulationen durchgeführt. Diese ermöglichten die Ermittlung der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion des Sicherheitsfaktors (Factor of Safety, FoS).

Auf Grundlage der so ermittelten statistischen Verteilung des FoS konnte eine probabilistische Bewertung der Standsicherheit des untersuchten Dammquerschnitts vorgenommen werden.

Ergebnis und Ausblick

Die Ergebnisse zeigen, dass die RFEM eine realistischere, probabilistische Bewertung der Standsicherheit ermöglicht. Dieser Ansatz hat das Potenzial, die Effizienz im Umgang mit Bestandsinfrastruktur zu steigern, da unnötige und kostspielige Sanierungen reduziert werden können. Mit der zukünftigen Verankerung probabilistischer Nachweise im neuen Eurocode gewinnt diese Methode weiter an Bedeutung.