A 20420 E

Zeitschrift für das gesamte System Bahn
März 2022

3Elastizität in Weichen
der nächsten Generation© Deutsche Bahn AG / Volker Emersleben

Elasticity in next-generation turnouts

Laborgroßversuche zur Untersuchungder Beanspruchung eines unsanierten
Unterbaus durch Holz- und Betonschwellen
Large-scale Laboratory Tests for the Investigation of the
Loading of Non-rehabilitated Substructure by Wooden
and Concrete Sleepers

Neue Fahrzeuge für die «Zacke»in Stuttgart – Technische Lösungen für eine
innerstädtische Zahnradbahn – Teil 2
New Vehicles for the “Zacke” Railway Linein Stuttgart – Technical Solutions for an Inner-City Rack
Railway – Part 2

Zum Verhalten von Einzelfehlern der Gleislage
On the Behaviour of Single Failures of Track Geometry© Stadler Rail AG

Frühzeitige Detektion von punktuellen
Instabilitäten an Bahnkörpern inkonventioneller Schotterbauweise
Early Detection of Local Instabilities on Ballasted
Railway Tracks

146. Jahrgang

Organ der DMG

www.zevrail.de146 (2022) 3 MÄRZ68 I INFRASTRUKTUR NETWORKElastizität in Weichen
der nächsten Generation
Elasticity in next-generation turnouts
Dr. Harald Loy, Innsbruck (Österreich), Dipl.-Ing. Michael Kessler, MBA, Ing. Andreas Augustin,Dipl.-Ing. Michael Sehner, Dipl.-Ing. Martin Quirchmair, Bürs (Österreich)

Zusammenfassung

Abstract

Die Anforderungen des modernen Oberbaus sind vielfältig The requirements of the modern superstructure are diverse andund nehmen ständig zu: Steigende Achslasten, längere Züge constantly increasing: At the same time the demands in terms
und höhere Zugfrequenzen führen zu insgesamt immer stärker of failsafe performance and constant availability are right onbelasteten Gleisen. Gleichzeitig stehen die Forderungen nach top of the list of priorities for every operating company. The
Ausfallsicherheit und ständiger Verfügbarkeit ganz oben auf der “maintenance-free superstructure” would be ideal, but is forPrioritätenliste eines jeden Bahnbetreibers. Der „wartungsfreie sure not easily realised. However, one thing from the evidence
Oberbau“ wäre das Optimum, ist aber nicht ohne Weiteres zu of recent decades is demonstrated: defined elasticity seems torealisieren. Über die letzten Jahrzehnte hat sich jedoch eines be a tried and tested way of bringing this ideal scenario withinklar gezeigt: Definierte Elastizität ist ein probates Mittel um sich touching distance. This article highlights the most importantdieser Wunschvorstellung anzunähern. Der Beitrag beleuchtet features of elasticity in turnouts, introduces the ongoing Shiftdie wichtigsten technischen Aspekte elastisch gelagerter Weichen, 2Rail project and provides a preview of track digitalisation using
zeigt das aktuell laufende Shift2Rail Projekt und gibt einen Aus- sensor sleepers from Getzner.
blick auf die Digitalisierung im Gleis mittels Sensorschwellen.

1Einleitung und Ziele

Aufgrund ihrer komplexen Geometriensind der Aufwand und die Instandhaltungskosten für Weichen und Kreuzungen deutlich höher als beim regulären
Gleis. Insbesondere führen konstruktionsbedingte Unterschiede in der Bettungssteifigkeit innerhalb einer Weiche selbstzu einer ungleichmäßigen Lastabtragung
im Oberbau. Dies führt zu zusätzlichen
Belastungen des Fahrweges während derZugüberfahrt.
Durch den Einsatz von elastischen Elementen lassen sich deutliche Verbesserungen hinsichtlich der Lastverteilung
auf den Oberbau und der Schwingungsdämpfung erzielen (Bild 1). Der Schotter

wird weniger beansprucht und die Stopfintervalle werden verlängert. Auch Schädigungsbilder an den Schwellen, überlastete Spannklemmen, Schlupfwellen undverschlissene Zwischenlagen können vermieden werden. Auf diese Weise werden
die Lebenszykluskosten (LCC) einer Weiche deutlich reduziert [3, 5, 6, 7, 9].
Um das System der elastisch gelagerten
Weiche im Schotteroberbau auf die nächste Stufe heben zu können, müssen die
Anforderungen an die Elastizität und dasVerhalten des Oberbaus bei Zugüberfahrt
bestmöglich berücksichtigt und diskutiert
werden (Bild 2).
Um den gestellten Anforderung gerecht
zu werden, wurde ein nichtlineares Berechnungsmodell auf Basis der Finite-Elemente-Methode (FEM) entwickelt(Bild 3). Getzner Werkstoffe hat mit diesem FEM-Modell die Möglichkeit, in den
verschiedenen Bereichen der Weiche elastische Polyurethan-Elemente (PUR) vom
Typ Sylomer® oder Sylodyn® zu platzieren, um große Steifigkeitsunterschiededes Systems zu reduzieren.

2Ansatz undHerangehensweise

In den letzten Jahren wurden die Standardweichen der Österreichischen Bundesbahnen (ÖBB) mit ersten Versionen einer maßgeschneiderten Steifigkeitsverteilung speziell entwickelter Sylomer®-Schwellensohlen
zum Schutz des Schotters als auch der146 (2022) 3 MÄRZspezifischen Weichenbauteile ausgestattet.
Das im Shift2Rail Projekt [2] weiter verbesserte FEM-Modell ermöglicht durchseine Parametrisierung die Berücksichtigung der geometrischen Randbedingungen, der Bodensteifigkeit und der Achslasten. Für nahezu jede Anforderungkann somit eine optimierte Lösung entwickelt werden.

NETWORK INFRASTRUKTUR I 69

Bild 1: Weichen können durch definiert eingebrachte Elastizitäten verbessert werden

Bild 2: Bedarfsgerechte PUR-Elemente aus Sylomer® und Sylodyn® zur Oberbauoptimierung

Bild 3: FEM-Weichenmodell zur Bettungsoptimierung

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Bild 4: Konstruktionsoptimierung durch verbreiterte Schwellenenden in kritischen Bereichen

me entwickelt, die durch hochelastischeZwischenplatten aus Sylodyn® zu weiteren Verbesserungen im Hinblick auf dieReduktion der Lasten innerhalb der Weiche führen sollen (Bild 4).

3

Bild 5: Schotterkontaktpressung ohne USP (und Standard-Weichenschwellen)

Computersimulationen und validierendeIn-situ-Untersuchungen zeigen außergewöhnliche Vorteile gegenüber nicht elastisch gelagerter Weichen.
Stützpunktkräfte werden reduziert undSchotterpressungen können deutlich verringert werden. In kritischen Bereichen mit
hohen Pressungen wurden bei diesem Projekt die Schwellen zusätzlich geometrischverbreitert, um die Schotterbeanspruchungin diesen Zonen weiter zu vermindern.

Die Schwellen im Kreuzungsbereich wurden außen auf 350 mm vergrößert (innenbeträgt die Trägerbreite noch 300 mm).
Die gleiche Verbreiterung wurde auchfür die Kurzschwellen nach der letzten
durchgehenden Schwelle, hier nur innen, vorgenommen. Die Schwellensohlen wurden entsprechend angepasst. Darüber hinaus wurden insbesondere fürden mittleren Kreuzungsbereich (Herzstück) neue Schienenbefestigungssyste-Berechnungsergebnisse
und EntwicklungenDurchgeführte Vergleichssimulationen
zeigen zunächst die mittlere Schotterkontaktpressung über den gesamten Weichenbereich, einmal im elastisch ungelagerten Zustand (ohne USP) und einmal
mit den implementierten elastischen Verbesserungen (mit USP), Bild 5 und Bild 6.
Um die Lastabtragung auf der Ebene derSchienenbefestigungssysteme weiter zu
optimieren, wurde in Zusammenarbeit
zwischen Voestalpine vaRS und Getzner
Werkstoffe das neue Befestigungssystem
vom Typ ERL NG entwickelt.
Das Schienenbefestigungssystem ERL NG
mit Rippenplatte und hochelastischerSylodyn®-Zwischenplatte besteht auseinem innenliegend beweglichen System,sowie den beiden fest montierten Führungsstücken (Bild 7).
Durch diese Führungsstücke werden
die Rippenplatte und die hochelastische
Sylodyn®-Zwischenplatte longitudinal
und lateral formschlüssig zur Schwelle146 (2022) 3 MÄRZfixiert. Die kraftschlüssige Befestigung
der Führungsstücke an der Betonschwelle
erfolgt durch Federringe, die mit Schwellenschrauben an die Schwelle geklemmt
werden. Als Verankerung für jede Schraubenachse dient ein eingegossener Dübel
in der Betonschwelle. In die Führungsstücke eingesetzte Elastomerfedern ermöglichen eine einwandfreie Klemmung amTräger über den gesamten Steifigkeitsbereich, sowie eine elastische Abfederung bei abhebenden Kräften, wodurchein „Schlagen“ des Stützpunktes vermieden wird [4].
Die elastische Zwischenplatte von Getzner
Werkstoffe aus geschäumtem Sylodyn®
hat eine variable nominale Nennsteifigkeit
von 25 kN/mm unter dem Weichenherz
beziehungsweise 60 kN/mm unter den
Radlenkerstützpunkten. Die Rippenplatte
wird als Lastaufnahme- und Verteilungsmittel über der elastischen Zwischenplattemontiert.
Die Befestigung der Schiene an der Grundplatte erfolgt entweder mit verschraubten
Klemmelementen, wie Klemmschelle, Hakenschraube, Mutter und Unterlegscheibe, oder mittels eingestecktem Klemmelement, wie E-Clip, Fast-Clip oder SKL.
Der vertikale Relativbewegungsbereich
von 1 mm bis 4 mm der Rippenpatte zu
den Führungsstücken bzw. zur Schwelle wird entsprechend der Federsteifigkeit
der elastischen Sylodyn®-Zwischenplattevorgegeben.
Eine dünne Unterlagsplatte (Bild 8) dientals Ausgleichsschicht für Unebenheiten zur
Schwelle und gleichzeitig als elektrischer
Isolator zwischen den elektrisch leitfähigen
Bauteilen und der Betonschwelle.
Die offiziellen Zulassungstests wurden
an der Technischen Universität München

NETWORK INFRASTRUKTUR I 71

Bild 6: Schotterkontaktpressung mit USP (und verbreiterten Weichenschwellen)

Bild 7: Schienenbefestigungssystem ERL NG [4] mit hochelastischen Sylodyn®-Zwischenplatten

Bild 8: ERL NG [4] mit aufeinander abgestimmten PUR-Elastomeren (Herzstückbereich – beispielhafte Ausführung mit zwei Schienen undKlemmplatte)

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durchgeführt – am Lehrstuhl und Prüfamt
für Verkehrswegebau (Straßen-, Eisenbahnund Flugplatzbau).
Alle Nachweise für die erforderlichen
Prüfungen innerhalb der Normenreihe
EN 13146 – Prüfverfahren für Schienenbefestigungssysteme – wie Durchschubprüfung, Ermüdungsprüfung, elektrischer Widerstand oder Einwirkung von
Umwelteinflüssen wurden erfolgreich bestanden (Bild 9).

4Bild 9: Stützpunktsystem ERL NG – Testaufbau im Schrägversuch
entsprechend der EN 13146-4 [4]Umsetzung der Bettungsoptimierung im Weichendemonstrator Shift2Rail

Die neu umgesetzten Entwicklungen sollen die Weichenbettung gegenüber demheutigen Stand der Technik deutlich verbessern. Die Übersicht in Bild 10 zeigt

Bild 10: ÖBB-Weichenplan mit Möglichkeiten zur Bettungsoptimierung (Demonstratorweiche Shift2Rail-Projekt)

Bild 11: Umsetzungsfotos Herzbereich inklusive Radlenker

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den Lageplan mit den unterschiedlichen
Elastizitätsbereichen der sogenannten Demonstratorweiche im Shift2Rail Projekt(Bild 10, Bild 11).
Durch die elastischen Elemente sollen folgende Wirkungsweisen erreicht
werden:− Vergrößerung der Biegelinie (Lastverteilung auf mehrere Weichenschwellen)− Vergrößerung der Schotterkontaktfläche (reduziert hohe Schotterkontaktpressung)− Stabilisierung der obersten Schotterlage(Verzahnungseffekt im Elastomer)
Dies führt zu folgenden Vorteilen:− Gleichmäßigere Belastung der Weichenkomponenten− Weniger Schotterzerstörung
− Weniger Setzung des Schotteroberbaus− Höhere laterale Stabilität der Weichenschwellen

5Sensorschwellen
Neuentwicklung

Wie trägt der Schotteroberbau die Lasten
ab? Diese Fragestellung lässt sich nicht
immer leicht beantworten. Hier eröffnen
technische Innovationen neue Möglichkeiten. Durch die Ausstattung von Produkten mit Sensoren können EchtzeitDaten aus dem Feld gemessen, gespeichert und weiterverarbeitet werden. Ein
neuentwickeltes Beispiel stellt die Sensorschwelle von Getzner Werkstoffe dar(„Getzner Sensor Sleeper“). Sie schafft dieMöglichkeit, direkt an der Schwellenunterseite die Kontaktdrücke zum Schotter

Bild 12: Drucksensoren erfassen positionsabhängig die Lastabtragung im Oberbau

positionsabhängig zu erfassen. Flächige
Sensoren messen die auftretenden Belastungen bei Zugüberfahrt, die in einer
Cloud verarbeitet und gespeichert werden können (Bild 12).
Erste Prototypen wurden erstmals imNetz der ÖBB im Jahr 2017 verbaut. Mehrere Streckenschwellen vom Typ L2 undvom Typ L17 wurden ausgerüstet (teilflächig und vollflächig besohlt) [8]. Die
Diagramme in Bild 13 zeigen mögliche
Darstellungsvarianten am Beispiel gemessener Kontaktflächen und Schwellenpressungen.
Aufgrund der erfolgreichen Erstmessungen wird diese neue Technologie weiterverfolgt werden. Innerhalb des Shift2Rail
Projektes bot sich die Möglichkeit einer
innovativen Weiterentwicklung und dererstmalige Einsatz in Referenz- und Demonstratorweichen. Aktuell wurden erst-

Bild 13: Gemessene Kontaktflächen (links) und Schotterpressungen (rechts) [8]malig insgesamt vier Weichen mit weiterentwickelten Versionen der „Getzner Sensor Sleeper“ ausgestattet. (Bild 14)
Die Messungen werden in den nächsten
Jahren kontinuierlich erfolgen, um Langzeiterfahrungen zu sammeln und zur Verfügung zu stellen.
Der mögliche Anwendungszweck kanngenerell folgendermaßen beschrieben
werden:− Wirksamkeitsnachweis (Evaluierungvon Oberbaumaßnahmen; Sensoren
werden mit dem Produkt mitgeliefert)− Neue Forschungsergebnisse (zur Verbesserung der Oberbauprodukte Zw,ZWP, Befestigung, Schwelle, Schwellensohle u. dgl.)− Vorausschauende Instandhaltung (Predictive Maintenance; Probleme werdenbehoben bevor sie auftreten)

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Bild 14: Einbauzustand und Messung im Shift2Rail Projekt

Bild 15: Messkette für Datenerfassung und Auswertung von jedem beliebigen Standort aus− Überwachung des Lastkollektiv (Wieviele Züge mit welcher Last fahren auf
einer Strecke?)− Sicherheitsüberwachung (Überwachung der Schwellenauflage im Schotterbett; Hohllagen, Gleisverwerfungenan Hotspots wie Übergängen, starke
Setzungen u. dgl.)
Der Datenzugriff kann dabei remote überdie Cloud erfolgen, von jedem beliebigen
Standort aus. Die Übersicht in Bild 15
symbolisiert die Messkette.

6binieren und dem Konsumenten als gebündelte Lösung präsentiert werden (Goedkoop et al., 1999, [1]).
Getzner Werkstoffe hat es sich zur Aufgabe gemacht zukünftig die eigene Kernkompetenz im Bereich der Elastomer-Lösungen mit den neu entwickelten technischen Möglichkeiten der Sensorik zu erweitern, um einen größtmöglichen Kundennutzen zu erzielen – im Gleis und inder Weiche.

[1]

[2]

[3]
[4]

#801_A2[5]

Ausblick – Smart PSS

Product-Service Systems (PSS) sind Marktangebote, die Produkte und Services kom-Literatur(Bildnachweis: 1 bis 15, Verfasser bzw. gemäß Bildunterschrift)

Kessler, M.: Smartes Produkt-Service System
auf Basis von zelligen Polyurethan-Elastomeren im Eisenbahnoberbau. Masterthesis
Universität Lichtenstein, Juli 2021.
European Shift2Rail Project, In 2Track2 : Enhancing and optimising the switch & crossings and track systems in order to ensure
the optimal line usage and capacity – Enhancements to switch and crossing systemdemonstrated, Deliverable D1.1, 2021.
Loy, H.: Bedding optimisation in turnouts. In:ERR European Railway Review, Volume 13,Issue 6, 2007, p. 80-83.
Marx, M.; Schmock, M.: Technische Beschreibung – Entwicklung System ERL. Dokumenten-Nr.: FE-2020-20-0-TB, Voestalpine, Turnout Technology Germany GmbH, Brandenburg, 2020, S. 1-10.
Loy, H.; Augustin, A.: Pushing the limits ofballasted heavy-haul railway track by means of high strength under-sleeper pads
made of a specially developed PUR. In: RailEngineering International, England, Edition 4, December 2015, p. 3-6.

146 (2022) 3 MÄRZNETWORK INFRASTRUKTUR I 75

[6]Quirchmair, M.; Loy, H.: Managing track stiffness in transition zones. In: Railway GazetteInternational, August 2015, p. 34-37.
[7] Loy, H.; Augustin, A.; Tschann, L. : Reduction of Vibration Emissions and Secondary
Airborne Noise with Under-Sleeper Pads,Effectiveness and Experiences. In: Springer Notes on Numerical Fluid Mechanics
and Multidisciplinary Design, Noise andVibration Mitigation for Rail Transportation
Systems, Proceedings of the 12th International Workshop on Railway Noise, Terrigal,Australia, Volume 139, p. 595-605.
[8] Sehner, M.; Heim, M.; Quirchmair, M.;
Graß, W.; Loy, H.: Sensorschwellen – Messung der Pressungen unter Spannbetonschwellen L2 und L17, Getzner Werkstoffe
Intern, Bericht Nr. 2019-26, Mai 2019.
[9] Loy, H.: Under Sleeper Pads: improving track
quality while reducing operational costs. In:ERR European Railway Review, Volume 14,Issue 4, 2008, p. 46-51.

Dr. Harald Loy (47). Bauingenieurstudium an der Technischen Universität München, später Promotion an
der Universität Innsbruck
mit Auszeichnung. Ab 2000
Technischer Berater in München. Seit 2005 Entwicklungsingenieur bei Getzner Werkstoffe GmbH im Bereich Forschung& Entwicklung. Von 2007 bis 2011 paralleleAnstellung als Wissenschaftlicher Mitarbeiterder Universität Innsbruck und derzeit Postdoc
am Institut für Infrastruktur, Arbeitsbereich Intelligente Verkehrssysteme. Schwerpunkte inden Bereichen Simulation, Laborprüftechnik
und In-Situ-Messungen. 2014 Nominierung fürden Staatspreis für Innovation, Übernahme derVerantwortung als Leiter Team Systementwicklung. Seit 2018 Head of R&D Railway Division.
Anschriften: Getzner Werkstoffe GmbH, Herrenau 5, 6706 Bürs, Österreich | Universität Innsbruck, Institut für Infrastruktur, Intelligente
Verkehrssysteme, Technikerstr. 13, 6020 Innsbruck, Österreich.
E-Mail: harald.loy@getzner.com

Dipl.-Ing.
Michael Kessler, MBA (34).
Studium der Kunststofftechnik an der Montanuniversität Leoben. MBA für Technologie und Innovation an derUniversität Liechtenstein.
Ab 2014 Entwicklungsingenieur bei Getzner Werkstoffe GmbH in Bürs. 2018 Produktionsleiter beiGetzner USA, Inc. in Decatur, Illinois. Von 2018bis 2020 Verfahrenstechniker im Bereich Produktion Engineering bei Getzner Werkstoffe in Bürs mit Fokus auf die Herstellung vonElastomerprodukten für Bahn. Seit 2021 Produktmanager für Schwellenlager in der Railway Division.
Anschrift: Getzner Werkstoffe GmbH, Herrenau 5, 6706 Bürs, Österreich.
E-Mail: michael.kessler@getzner.com

Ing. Andreas Augustin (45).
Besuch der Höheren Technischen Bundeslehranstalt
für Maschinenbau und Automatisierungstechnik inBregenz. Später berufsbegleitender Studiengang derIntegrierten Produktentwicklung IPD an der Fachhochschule Dornbirn. Seit 1997 Tätigkeit als
Konstrukteur im Maschinenbau. Ab 2000 Qualitätsingenieur in Forschung & Entwicklung.
Nachfolgend verschiedene Führungspositionen im Qualitätswesen, der Entwicklung undder Geschäftsleitung bei der Getzner Werkstoffe GmbH. Seit 2018 in der Unternehmensentwicklung.
Anschrift: Getzner Werkstoffe GmbH, Herrenau 5, 6780 Bürs, Österreich.
E-Mail: andreas.augustin@getzner.com

Dipl.-Ing. Michael Sehner (32).
Physikstudium an der Universität Innsbruck mit Master in Experimentalphysik
im Feld der Quantenoptik.
Seit 2016 arbeitet er als Entwicklungsingenieur bei derGetzner Werkstoffe GmbH,seit 2018 an der Sensorschwellentechnologie. Derzeit ist er verantwortlicher Ingenieur für die Weiterentwicklung
der Sensorschwelle im Rahmen der Produktdigitalisierung bei Getzner Werkstoffe.
Anschrift: Getzner Werkstoffe GmbH, Herrenau 5, 6706 Bürs, ÖsterreichE-Mail: michael.sehner@getzner.com

Dipl.-Ing. Martin Quirchmair(38). Studium der Technischen Physik an der Technischen Universität Wien. Seit
2013 Entwicklungsingenieur bei Getzner Werkstoffe GmbH mit Schwerpunkt
Oberbauoptimierung undSchwingungsreduktion imEisenbahnoberbau mittels Elastomeren. Von
2015 bis 2017 Projektmanager Railway für Getzner USA Inc. in Charlotte, North Carolina. Seit
2018 Entwicklungsingenieur in der Railway Division und u. a. Verantwortlicher für internationale Forschungsprojekte (z. B. Horizon 2020 Shift2Rail), Fahrweg-Simulationen, Messungenim Gleis, Koordinator von Laboruntersuchungen und die Produktgruppe Schwellenlager.
Anschrift: Getzner Werkstoffe GmbH, Herrenau 5, 6706 Bürs, Österreich.
E-Mail: martin.quirchmair@getzner.com