Um zu verstehen, was passiert, wenn eine Eisenbahnschiene sich erhitzt, muss man die Formel für die Längsdehnung eines auf Zug oder Druck beanspruchten Stabs betrachten. Die Längsdehnung setzt sich aus zwei Anteilen zusammen: einerseits der Dehnung oder Stauchung infolge Zug-, respektive Druckkraft, und andererseits der thermischen Dehnung oder Kontraktion infolge Temperaturänderung.
Eine lückenlos verschweisste Schiene kann sich nun aber nicht ausdehnen. Die Summe der beiden Anteile der Längsdehnung ist demzufolge 0. Ist der thermische Anteil durch Erhitzung positiv, muss der Anteil aus der Längskraft negativ sein. In der Schiene herrscht damit eine Druckkraft. Diese wird über die Reibungskräfte zwischen Schwellen und Schotter in den Untergrund geleitet.
Werden lange Stäbe auf Druck beansprucht, ist die grösste Gefahr nicht das Brechen des Materials, sondern das Ausknicken. Dieses Risiko besteht auch, wenn Schienen sich zu stark erhitzen und damit die inneren Druckkräfte die Knicklast übersteigen. In einem solchen Fall knickt natürlich nicht eine einzelne Schiene aus, sondern es entsteht eine Gleisverwerfung, bei der der gesamte Gleisrost seitlich ausknickt. Hierbei spielen neben den Druckkräften in den Schienen viele weitere Faktoren eine Rolle: der Schwellentyp, die Befestigung der Schienen an den Schwellen, der Querverschiebewiderstand des Schotters, Bogenradien, etc.
Um die Wahrscheinlichkeit von solchen Gleisverwerfungen zu verringern, werden in Italien beispielsweise die Schienen weiss angemalt. Helles Material reflektiert das Sonnenlicht besser als dunkles Material. Dementsprechend erhitzt sich das helle Material auch weniger stark auf (das gleiche gilt für helle und dunkle Autos auf einem Parkplatz). In der weiss gestrichenen Schiene baut sich damit weniger Druckspannung auf, womit die Gefahr von Gleisverwerfungen reduziert wird.
Durch die Druckkräfte findet infolge der Querdehnung des Stahls zwar auch eine Ausdehnung der Schiene in Quer- und Vertikalrichtung statt. Diese ist jedoch sehr klein und spielt in der Praxis kaum eine Rolle. Wirklich relevant sind die erwähnten Druckkräfte.
Gestern an der Bahnbaustelle Mecher - Drauffelt hat ein Kollege mir folgende Frage gestellt:
Bei Hitze dehnen die Schienen sich aus, aber dies werden über mehrere Km weit zusammen geschweißt, was geschieht jetzt mit der Ausdehnung der Schienen, wie wirkt diese sich aus?
Auf diesem Teilstück von Mecher Tunnel bis kurz vor Wilwerwiltz sind keine Weichen verbaut, Länge der Strecke ca 6 Km.
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