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Juni 2014

06|14

EI

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EISENBAHN
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FAHRWEG

Langzeitqualität vonUnterschottermatten nach 30 Jahren
Ermittlung der Langzeiteigenschaften von Unterschottermatten: Selbst nach 30 Jahren
im Einsatz ist die körperschalltechnische Wirksamkeit gegeben.
Wolfgang Daiminger
Mirko DoldIn nächtlichen Sperrpausen wurden im Jahr
1983 in beiden Tunnelröhren über eine Länge von jeweils 345 m mittels eines speziell
entwickelten Verfahrens [1] Unterschottermatten aus Sylomer* der Fa. Getzner
Werkstoffe GmbH eingebaut bzw. nachgerüstet. Gemäß Ausschreibung wurde ein
statischer Bettungsmodul der Matten von
0,008 +/– 0,001 N/mm3 gefordert.
Der im Tunnel eingebaute Oberbau besteht
aus einem Standard-Schotteroberbau mit
Schienen vom Typ S 54 und Holzschwellen
im Abstand von 60 cm. Die Höhe des Schotterbetts beträgt in der Regel ca. 30 cm unter
Schwellenunterkante. Die Regelbelastungdes Oberbaus erfolgte bis ca. 2001 hauptsächlich durch S-Bahntriebzüge des Typs
ET 420 mit einer Achslast von 160 kN, diein diesem Tunnelabschnitt mit einer maximalen Geschwindigkeit von 80 km/h verkehren. Seit 2000 wurden die Triebzüge sukzessive durch Züge des Typs ET 423 ersetzt.
Mittlerweile verkehren nur noch Triebzüge
des Typs ET 423.
Körperschallmessungen, die vor und nachdem Einbau der Unterschottermatten im
Jahr 1983 in den beiden Tunnelröhren und
auf dem Baugelände des Konzertsaales bei
Durchfahrt von S-Bahnzügen durchgeführt* Sylomer ist eine eingetragene Marke.

worden waren, ergaben eine gute Übereinstimmung mit dem berechneten Einfügungsdämmmaß der Unterschottermatten [6, 7]. Die Ergebnisse zeigen, dass die
Anforderungen in vollem Umfang erfüllt
wurden. Bislang konnten keine signifikanten Veränderungen der Wirksamkeit dieser
Körperschallminderungsmaßnahme festgestellt werden.
Im Folgenden soll auf die Ergebnisse derumfangreichen Untersuchungen des ausgebauten Materials sowie der Messungen im
Tunnel unter Zugbetrieb zur Ermittlung derLangzeiteigenschaften der Unterschottermatten näher eingegangen werden.

Laboruntersuchungen
Um die Langzeiteigenschaften der Unterschottermatten des Typs Sylomer B 851 zu
untersuchen, wurde im August 2012, alsonach 29-jähriger Betriebsbelastung, auf
Veranlassung von Getzner Werkstoffe undunter Aufsicht der Deutschen Bahn AG,
im Münchner S-Bahntunnel nahe der Philharmonie „Am Gasteig“ eine Probe dieses
Produkts entnommen. Die Entnahme erfolgte an einem definierten Gleisbereich:km 2+560, niedrige Schotterhöhe (ca. 18 cm
Schotter unter Schwellenunterkante, im tiefliegenden Bereich). Die Probenentnahme
erfolgte in den Abmessungen von ca. 1200 x
1200 mm2 (Abb. 1 und 2).
Eine optische/visuelle Beurteilung der ausgebauten Proben (entsprechend der heutegültigen DIN 45673-5 nach erfolgtem Dau-

Abb. 1 und 2: freigelegte Unterschottermatte, Wasser auf den Matten deutlich erkennbar

20

EI-Eisenbahningenieur | Juni 2014

erschwellversuch) führte das Prüfamt für Bau
von Landverkehrswegen der Technischen
Universität München durch. Zudem ermittelte es die statische Steifigkeit der Proben undverglich sie mit den Werten, die im Rahmen
der Güteüberwachung beim Einbau im Jahr
1983 und beim Ausbau im Jahr 2001 ermittelt
worden waren [16]. Die einzelnen Ergebnissesind in einem separaten Bericht dokumentiert[2]. Die Untersuchungen zur Ermittlung der
dynamischen Steifigkeit wurden auf einem
Prüfstand bei Müller-BBM GmbH, Planegg
bei München, durchgeführt [3].

Optische Prüfung
Da die Unterschottermatten beim Ausbau
am Tunnelboden im Wasser lagen (siehez. B. Abb. 3), mussten die Proben vor derPrüfung zunächst getrocknet werden, um
vergleichbare Prüfbedingungen in Bezug
auf die Messungen 1983 und 2001 zu erzielen. Wie unter [2] ausgeführt, sind die durch
die Schottersteine verursachten Abdrücke
deutlich an der Oberfläche der Unterschottermatten sichtbar.
Die Lastverteilungsschicht (Schutzschicht
im Kontaktbereich zum Schotter) befindet
sich in einem sehr guten Zustand; sie weist
zwar geringfügige plastische Schotterkorneindrücke, jedoch keine Beschädigungen(z. B. Perforationen) auf (Abb. 4).
Aufgrund des Musters der vom Schotter
verursachten Abdrücke ist erkennbar, dassdie Schottersteine in die Oberfläche der Unterschottermatte gut eingebettet sind. Durch

Abb. 3: Wasser auf der Tunnelsohle

die Vergrößerung der Kontaktfläche wird
die Schotterpressung zwischen Schotter undTunnelsohle minimiert. Die beiden darunter liegenden Federschichten sind ebenfalls
vollständig intakt.

Statische Steifigkeit
Die Messungen der statischen Steifigkeit
erfolgten beim Prüfamt der Technischen
Universität München. Die statische Federkennlinie im Lastbereich bis ca. 0,25 N/mm2
bei einer Prüfgeschwindigkeit von 0,16 kN/s
wurde an der ausgebauten Probe ermittelt. Die Probe hatte die Abmessung 200 x
200 mm2. Gemäß den speziellen (von den
Vorschriften in [5] abweichenden) Vorgaben, die anlässlich der Einbaumaßnahme im
Jahr 1983 in den Ausschreibungsbedingungen festgelegt worden waren, wurde aus derFederkennlinie für die Probe ein Bettungsmodul cist ermittelt und mit der in den damaligen Ausschreibungsbedingungen vorgegebenen Sollvorgabe csoll verglichen.
Die Prüfung ergab, dass der aus den Messungen an der Probe ermittelte Wert des Bettungsmoduls bei cist = csoll + 0,001 N/ mm3
liegt, d. h. der in der Ausschreibung vorgegebene Sollwert wird trotz der extremen
Betriebsbelastung mit rund 1300 x 106 Mio.
Lasttonnen über 29 Jahre hinweg nach wie
vor eingehalten.

Abb. 4: Abdrücke der Schottersteine auf der Lastverteilungsschicht

Insgesamt zeigt das Ergebnis, dass bezüglich der dynamischen Federeigenschaften
der Unterschottermatte Sylomer B 851 nach
29 Jahren extremer Betriebsbelastung keine
wesentliche Veränderung eingetreten ist.
Selbst der Umstand, dass die Matten auf
der Tunnelsohle im Wasser lagen, hatte keinen negativen Einfluss (Abb. 3). Daher war
aufgrund der Laborergebnisse zu erwarten,
dass die im Jahr 1983 gemessene körperschalltechnische Wirksamkeit der Maßnahme bei vergleichbaren Randbedingungenim S-Bahntunnel (Fahrzeuge, Schienenfahrflächen, Oberbausteifigkeit etc.) auchweiterhin gegeben ist.

Körperschallmessungen während
Zugvorbeifahrten im S-Bahntunnel
Um die Langzeiteigenschaften, die bereitsim Labor bestimmt wurden, auch unter „realer“ Belastung durch den Zugverkehr beurteilen zu können, war es notwendig, Körperschallmessungen im Tunnel an den seit 1983
vorhandenen Messpunkten durchzuführen.
Die schalltechnische Wirksamkeit der Unterschottermatten nach einer derart hohen
Langzeitbelastung im Betriebsgleis kanndurch den Vergleich dieser Messergebnisse
mit jenen, die unmittelbar vor / nach dem
Einbau der Unterschottermatten im Jahr
1983 gewonnen worden waren, ermittelt
und beurteilt werden.

Randbedingungen bei den
KörperschallmessungenDamit die Untersuchungen belegbare undaussagefähige Ergebnisse erzielen, müssen
alle für die Körperschallentstehung relevanten Randparameter möglichst konstant gehalten werden. Da dies für viele Parameterin der Praxis so gut wie unmöglich ist (Einflüsse aus Konsolidierung, Wasser, Qualität
der Schwellen und Schienenbefestigungetc.), wurde besonderes Augenmerk auf
die Schienenrauhigkeit bzw. den Zustandder Schienenfahrflächen gelegt. Der Schienenzustand hat für die Vergleichbarkeit der
Messungen entscheidenden Einfluss. Untersuchungen haben ergeben, dass der Körperschallpegel durch Schlupfwellen im Bereich
von 200 Hz um bis zu 20 dB ansteigen kann.
Eine Untersuchung des Schienenzustandes
konnte entfallen, da im Sommer 2012 ohnehin der Schienenaustausch in Teilbereichen

Dynamische Steifigkeit
Die dynamische Steifigkeit wurde an einer
Mattenprobe nach der sogenannten direkten Methode gemäß ISO 10846-2 [7] unterden in [5] und [8] festgelegten Randbedingungen ermittelt. Die Durchführung der
Messungen und die erzielten Ergebnissesind unter [3] dargestellt.
Der jetzt gemessene dynamische Steifigkeitswert liegt geringfügig unter dem von2001. Dabei ist zu beachten, dass bei der Güteüberwachung im Rahmen der Lieferung
von Unterschottermatten Abweichungenvon 15 % um den vorgegebenen Sollwert
zulässig sind.

Abb. 5: Schienenzustand am Messpunkt 5
zum Zeitpunkt der
Messung
EI-Eisenbahningenieur | Juni 201421

FAHRWEG

Messungen im Zuge des Einbaus der Unterschottermatten 1983 kamen im Münchener
S-Bahnsystem ausschließlich Fahrzeuge desTyps ET420 zum Einsatz. Bei den Messungen 2001 waren bereits vereinzelt Fahrzeuge
des Typs ET423 in Betrieb. Diese Zugfahrten
wurden 2001 miterfasst, flossen aber damals
nicht in die Bewertung mit ein. Ab 2003 war
der gesamte S-Bahnbetrieb in München auf
den Fahrzeugtyp ET423 umgestellt, sodass
die Bewertung nach 30-jähriger Betriebsbelastung nur noch auf Fahrten mit diesem
Fahrzeugtyp abgestellt werden kann.

Durchführung der MessungenAbb. 6: Lage der Messpunkte im Tunnel. Insgesamt wurden 34 Zugfahrten messtechnisch erfasst.
1

Cstat [N/mm2]
2
C dyn

2012
0,00900,0392

2000
0,00870,0396

1983
0,0083
0,0388

1 Ausgewertet als Sekantenmodul zwischen 0,01 und 0,02 N/mm3, 3. Belastung, gem. Ausschreibung
2 Vorlast: 0,03 N/mm2, Frequenz 20 Hz

Tab. 1: Vergleich der statischen / dynamischen Kennwerte

der Stammstrecke mit anschließendem
Schienenschleifen vorgesehen war (im Bereich der Messpunkte wurden die Schienen
lediglich geschliffen, nicht ausgetauscht).
In Abb. 5 erkennt man den „glatten Fahrspiegel“ im Bereich der Schienenfahrfläche,während an der Außenseite des Schienen-

kopfes, außerhalb der Fahrfläche, nochdeutlich die Spuren der rotierenden Schleifscheiben des Schienenschleifzuges zu erkennen sind (Schleifriefen). Eine wesentlicheÄnderung der Randbedingungen ergab sichjedoch durch den Austausch des gesamten Fahrzeugmaterials. Zum Zeitpunkt derNach dem durchgeführten Schienenschleifen Ende Januar 2013 wurden die Messungen im Mai 2013 durchgeführt. Diese sindvergleichbar mit den Messungen unmittelbar
vor / nach dem Einbau der Unterschottermatten im Jahr 1983, bei denen ein optimaler
Schienenzustand mit glatten Schienenfahrflächen vorlag. Dies veranschaulicht Abb. 5
beispielhaft. Die messtechnischen Untersuchungen wurden an insgesamt vier Tunnelmesspunkten durchgeführt. Diese vier Messpunkte stellen eine Auswahl der historischen
Messpunkte im Bereich der nördlichen Tunnelröhre dar. Als Messpunkte wurden jene
mit den historischen Bezeichnungen 1, 2, 5
und 6 gewählt. Der Messpunkt 6 ist dabei ein
Referenzmesspunkt außerhalb der Mattenstrecke. Die Messwertaufnehmer konnten
an den originalen, noch aus dem Jahr 1983
vorhandenen
Befestigungsvorrichtungen(auf die Tunnelwand aufgeklebte Aluminiumplatten) montiert werden.

Auswertung der Messungenund Ergebnisse

Abb. 7: Messungen vor und nach Einbau der Matten und Ergebnisse für 2001 und 2013

22

EI-Eisenbahningenieur | Juni 2014

Die einzelnen Zugfahrten wurden in Formvon Max-Hold-Terzspektren (rms, Zeitkonstante „Slow“ 1 Sekunde) ausgewertet. Die
Auswertung entsprach damit exakt jenen
der früheren Untersuchungen. Aus den Ergebnissen der einzeln ausgewerteten Zugfahrten wurden je Messpunkt energetische
Mittelwerte der Max-Hold-Terzspektren
berechnet. Die Schnellepegel-Terzspektren
werden im Frequenzbereich zwischen 4 Hz
und 315 Hz dargestellt.
Beispielhaft werden alle Ergebnisse für den
Messpunkt 2 gegenübergestellt: vor undnach Einbau der Unterschottermatten sowie
die Langzeitmessungen von 2001 und 2013.
Die Wirksamkeit (Einfügungsdämmung)der durchgeführten Maßnahme lässt sichanhand der Schnellepegeldifferenzen darstellen – sie errechnen sich aus der Differenz
der Ergebnisse vor und nach dem Umbau.
Für einen Vergleich der Messergebnisse untereinander wurden für die untersuchten
Messpunkte folgende Schnellepegeldifferenzen gebildet:• Ergebnisse vor Umbau minus Ergebnisse
nach Umbau 1983,

• Ergebnisse vor Umbau minus Ergebnisse
nach 18-jähriger Betriebsbelastung 2001und• Ergebnisse vor Umbau minus Ergebnisse
nach 30-jähriger Betriebsbelastung 2013.
Für die auch 2001 und 2013 untersuchten
Messpunkte 1, 2 und 5 wurden die Schnellepegeldifferenzen arithmetisch gemittelt undvergleichend gegenübergestellt.
Positive Werte zeigen dabei eine Verminderung, negative Werte eine Erhöhung
der Körperschallpegel im Vergleich zu den
ursprünglichen Messungen im Jahr 1983
vor dem Einbau der Unterschottermatten.
Bei der Interpretation dieser Ergebnisse
ist zu beachten, dass die Messungen aus
den Jahren 1983 und 2001 mit den Triebzügen ET 420, die Messungen 2013 jedoch
mit den Triebzügen ET423 durchgeführt
wurden. Einige vereinzelte Fahrten mit
den Triebzügen ET 423 konnten allerdings
bereits 2001 erfasst werden. Die Erschütterungsmessergebnisse an der Tunnelwand
zeigten bei den Messungen 2001 für die
Fahrten mit dem Typ ET 423 geringere Pegel im Frequenzbereich < der 63 Hz Terz,im höheren Frequenzbereich > der 63 Hz
Terz etwas höhere Pegel als für Fahrten
des Typs ET 420. Es wurden daher für die
untersuchten Messpunkte 1, 2, 5 und den
Referenzmesspunkt 6 aus dem Jahr 2001
die Pegeldifferenzen zwischen den Messergebnissen der Fahrten mit den Triebzügen
ET 420 und ET 423 gebildet und arithmetisch gemittelt. Abbildung 9 zeigt die gemittelte Pegeldifferenz der beiden Zugtypen an
den untersuchten Messpunkten.
Mit dieser fahrzeugbezogenen Pegeldifferenz wurde das Ergebnis der Messungen2013 korrigiert und im Vergleich zu den
früheren Untersuchungen dargestellt.

Schlussfolgerungen
Die Ergebnisse der hier beschriebenen
Untersuchungen zeigen, dass die Unterschottermatte des Typs Sylomer B 851 die
außergewöhnlich hohen Betriebsbelastun-

Abb. 8: Gemessene Einfügungsdämmungen der Jahre 1983, 2001 und 2013
aus Zugbetrieb

Abb. 9: Gemessene Pegeldifferenz Triebzug ET 420 minus ET 423, Vergleich
2001 zu 2013

gen von mehr als 1300 x 106 Mio. Lasttonnen in einem Zeitraum von 30 Jahren
hervorragend bewältigt hat. Die zum Zeitpunkt des Einbaus der Matten hinsichtlich der Körperschallisolation gestellten
hohen Anforderungen sind nach wie vor

erfüllt. Auch Wasser, wie es in den Bereichen, an denen die Mattenprobe ausgebaut
wurde, vorkam, hatte keinen Einfluss auf
die Wirksamkeit der Unterschottermatte.
Ebenso hatten die geringe Schotterüberdeckung (minimal 18 cm in den Bereichen

EI-Eisenbahningenieur | Juni 201423

des Schwellenkopfes durch Überhöhung
der Gleise), die damit verbundene höhere
Pressung und die mechanische Beanspruchung offensichtlich keine negativen Auswirkungen.
Die Untersuchungen machen deutlich, dassbeim Einsatz von Unterschottermatten aus
Sylomer® eine dauerhaft hohe Wirksamkeit gewährleistet ist. Unter Zugrundelegung der Ergebnisse dieser Untersuchungund der Erkenntnisse anderer Langzeituntersuchungen [14] kann davon ausgegangen werden, dass die Unterschottermatten über einen Zeitraum von mindestensweiteren 30 Jahren voll funktionsfähig
bleiben werden. Neben der Reduktion vonErschütterungen und Körperschall haben
Unterschottermatten auch einen positiven
Einfluss auf die Life Cycle Costs. Ohne die
Unterschottermatten wären durch eine
häufigere Durcharbeitung der Gleise höhere Betriebskosten entstanden und voraussichtlich auch ein Austausch des kompletten Oberbaues fällig gewesen.
Als Grundlage für diesen Fachartikel diente der Beitrag„Langzeit-Eigenschaften der Unterschottermatten im
Münchner S-Bahntunnel nahe der Philharmonie Am
Gasteig“ von Dr.-Ing. Rüdiger G. Wettschureck, Dipl.-Ing.
Markus Heim und Dipl.-Ing. Markus Tecklenburg [16].

LITERATUR[1] Spindler, J.: Schallschutzmaßnahmen in einem Münchner
S-Bahntunnel – Einbau elastischer Matten zwischen
Tunnelsohle und Schotterbett, Der Nahverkehr 2/1986, S.
63–66[2] Ermittlung des statischen Bettungsmoduls einer
ausgebauten Unterschottermatte aus Sylomer B 851 aus
dem S-Bahntunnel München Gasteig, TU München-Prüfamt
für den Bau von Landverkehrswegen, Bericht 2975 im Auftrag
der Getzner Werkstoffe GmbH, Februar 2013[3] Bestimmung des dynamischen Bettungsmoduls einer
Unterschottermatte des Typs B 851 nach 29-jähriger
Gebrauchsdauer im S-Bahntunnel München Bereich
Philharmonie/Gasteig, Müller BBM, Bericht Nr. M104603/01,
November 2012[4] Tecklenburg, M.: Unterschottermatten für leise Bahnen –nachträglicher Einbau von erschütterungsmindernden
Maßnahmen im Eisenbahnoberbau, EI 11/2001, S. 20–22[5] DB-TL 918071: Technische Lieferbedingungen Unterschottermatten, Deutsche Bundesbahn, Ausgabe 1988 (Jetzt:
DBS 918071, Deutsche Bahn AG, Ausgabe 2010, siehe [11])[6] Wettschureck, R. G.; Kurze, U. J.: Einfügungsdämmmaßvon Unterschottermatten, Acustica 58 (1985), S. 177–182[7] Wettschureck, R. G.: Ballast Mats in Tunnels – Analytical
Model and Measurements, Proceedings Inter-Noise ´85,
München, 1985, S. 721–724[8] ISO 10846-2: Acoustics and vibration – Laboratory
measurement of vibro-acoustic transfer properties of resilient
elements – Part 2: Dynamic stiffness of elastic supports fortranslatory motion – direct method, October 1997
[9] DIN 45673-1: Mechanische Schwingungen – Elastische
Elemente des Oberbaus von Schienenfahrwegen, Teil 1:
Ermittlung statischer und dynamischer Kennwerte im Labor,
Mai 2000[10] Ermittlung der statischen Steifigkeit an ausgebauten
Unterschottermatten aus dem S- Bahntunnel München,Prüfzeugnis GÜ-60-00/Lie der Technischen Universität
München – Prüfamt für Bau von Landverkehrswegen, im
Auftrag von Getzner Werkstoffe GmbH, Oktober 2000
[11] DBS 918 071: Technische Lieferbedingungen Unterschottermatten, Teil 1: Unterschottermatten zur Minderung
der Schotterbeanspruchung, Deutsche Bahn AG (Hrsg.),
Ausgabe 2010[12] Bestimmung des dynamischen Bettungsmoduls einer
Unterschottermattenprobe des Typs Sylomer B 851 nach
17jähriger Gebrauchsdauer im Tunnel Kulturzentrum Am
Gasteig / Philharmonie, München, Müller-BBM Bericht Nr. 44
953/7, im Auftrag von Getzner Werkstoffe GmbH, August 2000

Abb. 10: Korrigierte
Einfügungsdämmungnach 30-jähriger
Betriebsbelastung[13] Unterschottermatten im S-Bahntunnel unterhalb desKulturzentrums Am Gasteig in München – Messungen nach
18-jähriger Betriebsbelastung“, Müller-BBM Bericht Nr. 45
667/3, im Auftrag von Getzner Werkstoffe GmbH, Juli 2001[14] Dold, M.; Potocan, S.: Langzeitverhalten von Unterschottermatten aus Sylomer, EI 11/2012, S. 31–33[15] Kulturzentrum Am Gasteig, Einbau von Unterschottermatten in den S-Bahnröhren /Bauüberwachung – Kurzberichtüber Messungen der dynamischen Steifigkeit an Proben derUnterschottermatte, Typ B 851 der Firma Getzner,
Müller-BBM Bericht Nr. 9697/1, im Auftrag der Stadt
München, Februar 1983[16] Wettschureck R. G.; Heim M.; Tecklenburg M.:
Langzeit-Eigenschaften der Unterschottermatten im
Münchner S-Bahntunnel nahe der Philharmonie Am Gasteig,
Verkehr + Technik 57 (2004), H. 1, S. 3–9

Dipl.-Geologe Wolfgang Daiminger
Leiter der akkreditierten Prüflabore Schall und SchwingungenMüller-BBM GmbH, Planegg bei
Münchenwolfgang.daiminger@mbbm.com

Dipl.-Ing. Mirko Dold
Produktmanager im Bereich Bahn
Getzner Werkstoffe GmbH, A-Bürs
mirko.dold@getzner.com

SummaryLong-term quality of sub-ballast matsafter 30 years
In order to protect the cultural centre“Gasteig” in Munich, which was still underconstruction in 1983, from structure-borne
noise emissions from the nearby railway tunnel, Sylomer B 851 sub-ballast mats werebuilt in. After 30 years of service life and under the extreme operational load of 1,300 x
106 million load-tonnes, extensive investigations in the laboratory and on the track
were carried out to determine their long-term
effectiveness.
The investigations proved that the high requirements regarding structure-borne noise
insulation which were established at thetime of the installation of the mats are still
fulfilled. The measured parameters (static/
dynamic) demonstrated that there are only
marginal changes compared to the values
at the time of installation, so that it can be
expected that the effectiveness will be maintained for another period of 30 years.

EI-Eisenbahningenieur | Juni 201425