– EISENBAHNTECHNISCHE RUNDSCHAU
2013 | Heft 12 Dezember

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12|2013

EISENBAHNTECHNISCHE RUNDSCHAU

Dezember 2013 – 62. Jahrgang
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IMPULSGEBER FÜR DAS SYSTEM BAHNINFRASTRUKTUR
UND OBERBAUWISSEN AUS
BETRIEB & TECHNIKETRIM GESPRÄCH

3-i-Strategie, Schwellenbesohlungen,
Weichenschwellen aus Kunstholz,
Multifunktions-Messfahrzeuge

Nachweis der dynamischen Stabilität
Gleislagefehler
Instandsetzung von Unfallfahrzeugen

Das Interview mit
Karsten Lemmer,
Braunschweig

Der Standard der Bettungsreinigung

THEMA | INFRASTRUKTUR UND OBERBAU

Innovative Schwellenbesoh­
lungen zur Schotterschonung
für hochbelastete Strecken
Die Steigerung von Achslasten und Frachttonnen erhöht die Nachfrage nach moderner Eisen­bahninfrastruktur mit qualitativ hochwertigen Komponenten. Speziell entwickelte Schwellenbe­
sohlungen mit gleichzeitig elastischen und plastischen Eigenschaften erfüllen die Ansprüche
der Nachhaltigkeit des Schienenfahrweges durch ihre einzigartige Performance.

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Speziell im Schwerlastverkehr trifft
der Schotteroberbau an seine Gren­zen. Hohe Achslasten und hohe Frachtton­
nen führen zu einer überproportional star­
ken Beanspruchung. Qualitativ hochwertige
Oberbaukomponenten sind daher notwen­
dig, um die Verfügbarkeit der Strecken durchgeringe Instandhaltungsaufwendungen zu
gewährleisten.
1. EINFÜHRUNG
Nach der Verwendung hochwertiger Schie­
nenstähle und Schwellen aus vorge­spanntem Beton bildet der Schotter das

schwächste Glied im Eisenbahnfahrweg.
Es ist bekannt, dass durch den Einsatz vonSchwellenbesohlungen der Schotter maß­geblich geschont wird. Dies geschieht im
Wesentlichen durch eine Vergrößerung der
Kontaktfläche zwischen Schwellenunterseite
und oberster Schotterlage. Hierfür sind plas­tische Schwellenbesohlungen gefordert, dieeine möglichst schonende Einbettung der
Schotterkörner ermöglichen. Für eine ideale
Lastverteilung im Gleis durch eine Vergröße­
rung der Biegelinie sind dagegen hochelasti­sche Schwellenbesohlungen notwendig, dieihre Dauerelastizität auch bei jahrzehntelan­
ger Beanspruchung nicht verlieren. Dauere­
lastische Schwellenbesohlungen, die durch

BILD 1: Schwerlastverkehr verursacht eine hohe Beanspruchung des Schot­
teroberbaus
(Quelle: Thames Rail, www.thames-rail.co.uk,
Freightliner 66603.jpg, Monthly Archives: 31.07.2005)

Dr. Harald Loy

Forschung & Entwicklung
Getzner Werkstoffe GmbH
harald.loy@getzner.com

Ing. Andreas Augustin
Geschäftsleitung F&E
Getzner Werkstoffe GmbH

andreas.augustin@getzner.com

einen anteiligen Grad an Plastizität auch der
Schottereinbettung gerecht werden, stel­len hohe Anforderungen an die heutigen
Werkstoffwissenschaften. Die beachtlichen
Beanspruchungen aus dem Schwerlastver­
kehr sind hierbei als eine besondere Heraus­
forderung zu verstehen. Bisher gab es kein
Produkt, das diese Eigenschaften vollum­
fänglich erfüllen konnte. Elastische Eigen­schaften mit plastischen Eigenschaften zu
kombinieren ist kein Widerspruch, wie neue
Entwicklungsansätze für höchste Beanspru­
chungen beweisen.
2. SCHWERLASTVERKEHR BEANSPRUCHT GLEISKOMPONENTEN
Schwerlastverkehr definiert sich einerseitsüber eine Beanspruchung von größer gleich
40 Millionen Lasttonnen pro Jahr hinsicht­
lich des jeweils betrachteten Streckenab­
schnittes. Dieses Kriterium ist unabhängig
von der Art des Verkehrs zu sehen, ob Passa­
gier-, Güter- oder gemischter Verkehr. Ande­rerseits spricht man bezogen auf Achslasten
von Schwerlastverkehr ab 32.5 t Achslast [1].

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BILD 2: Weiße Stellen zeigen die Schotterzerstörung unter Betonschwellen (Bild links). Spannklemmenbrüche (Mitte) und
Schwellenrisse (rechts) resultieren aus zu hohen dynamischen Belastungen

Während hochfrequentierter Personenzug­verkehr weltweit vor allem in den dichter
besiedelten Ballungsräumen konzentriert
ist, finden sich typische Schwerlaststrecken
des Güterfernverkehrs überwiegend in Län­
dern wie den USA, Kanada, China, Australien
und Südafrika. Diese Länder haben in unter­schiedlichem Ausmaß bereits umfangreiche
Erfahrungen mit dem Thema der nachhalti­
gen Konstruktion von Schienenfahrwegengesammelt. Es ist der Trend abzusehen, dassdie gewonnenen Erkenntnisse auch für an­dere stark wachsende Infrastrukturen ein­flussnehmend sind, wie z. B. den projektier­ten Schienenfrachtkorridoren (DedicatedFreight Corridors) einzelner Länder oder bei
den teils enormen Streckenlängen von pri­vaten Minengesellschaften. Eine angestreb­te Anhebung der Achslasten und zuneh­
mende Lasttonnen auf Schwerlaststrecken
stellen höhere Anforderungen an die Schie­neninfrastruktur und ihre Komponenten.
Neben den Brüchen von Spannklemmen ist
dabei die Schotterzerstörung, ausgehendvon der Kontaktfläche zwischen Schwel­
le und Schotter, einer der ersten Faktoren,
die die Lebensdauer von Eisenbahnanlagen
verkürzen. Bild 2 zeigt exemplarisch die

Problematik im Übergangsbereich von derfreien Strecke auf eine Brückenkonstrukti­
on. Derartige Unstetigkeitsstellen in einem
generell möglichst gleichmäßig auszubil­
denden Gleis führen zu einer besonders
intensiven Lasteinwirkung mit Bruch und
Pulverisierung der Schotterkörner. Die wei­ßen Stellen sind ein eindeutiges Merkmal.
Folge der Zerstörung ist eine stetige Ver­schlechterung der Gleislagequalität. Durch
hochwertige Schwellenbesohlungen, oft in
Verbindung mit geeigneten Zwischenlagen,kann solchen negativen Effekten entgegen­»gewirkt werden.

Elastische Lösungen fürden Eisenbahnoberbau
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THEMA | INFRASTRUKTUR UND OBERBAU
3. SCHWELLENBESOHLUNGENAUS SYLOMER®
Schwellenbesohlungen stellen eine nachgie­
bige Federschicht unterhalb der Schwellendar, die abhängig von den Randbedingungen
die Kontaktfläche zum Schotter von 2 – 8 %(unbesohlt) auf über 30 % erhöht (besohlt).
Es ist bereits vielfach nachgewiesen, dasseine höhere Kontaktfläche zu einer besseren
Lasteinleitung in das Schotterbett mit ei­
ner geringeren Beanspruchung des Planums
führt. Das Brechen von Schotterkörnern auf­
grund von Überbelastungen wird verhindert
und die Setzungen werden geringer. Der Bil­dung von Hohllagen wird positiv entgegnet.
Um den generellen Langzeiteffekt von be­
sohlten Schwellen zu quantifizieren wurden
bereits seit dem Jahr 2001 umfangreiche Stu­
dien im eingebauten Zustand durchgeführt[2], bei denen die Gleisverschlechterungsra­
te gemessen wurde. Die untersuchten Ab­
schnitte belegen eindrucksvoll die positiven
Einflüsse auf den Oberbau bei unterschiedli­

chen Randbedingungen. Alle besohlten Gleis­
bereiche zeigen eine signifikant reduzierte
Verschlechterungsrate. Sogar in Abschnitten
mit einer geringen Schotterhöhe konnte das
Stopfintervall mindestens verdoppelt wer­
den. Je höher die Gleisbelastung ist, desto
effizienter ist dabei die Wirkungsweise derBesohlungen. Schwellenbesohlungen sorgenfür eine deutliche Reduktion des Wartungs­
aufwands und der Lebenszykluskosten einer
Eisenbahnstrecke [3]. Quintessenz ist die hö­here Verfügbarkeit dieser Streckenbereiche.
Schwellenbesohlungen werden heute in wei­terer Konsequenz bei folgenden Anwendun­
gen eingesetzt:>> Reduktion von Setzungen in allen Konst­
ruktionen des Schotteroberbaus;>> Verminderung der Riffel-/Schlupfwellen­bildung von Schienen in engen Bögen;>> Anpassung der Gleissteifigkeit in Ab­
schnitten mit verminderter Schotterhö­he;>> Ausbildung von Übergangsbereichen
BILD 3:
PUR-Besohlun­
gen unterhalb
der Schwellenschonen den
Schotterzwischen verschiedenen Oberbausyste­men;>> Verminderung von Schwingungsemissio­
nen;>> Vermeidung von Schwellenhohllagen;>> Optimierung geometrisch bedingter Bet­
tungsunterschiede in Weichen.
Nicht alle Werkstoffe sind für die Erfüllung
dieser Aufgaben gleichermaßen geeignet. Als
extrem widerstandsfähig und langlebig hat
sich der Werkstoff Sylomer® hervorgetan, deraus speziellem Polyurethan (PUR) hergestellt
wird. Bei der PUR-Herstellung kann durch
die Vermengung reaktiver Ausgangsstoffe
entsprechend den gewünschten Anforderun­gen ein vielfältiges Eigenschaftsspektrum
eingestellt werden. Dabei bilden Polyol und
Isocyanat anteilsmäßig die Hauptkompo­
nenten, die über das Mengenverhältnis einen
wesentlichen Einfluss auf die mechanischen
Eigenschaften und die vergleichsweise hohe
Reißfestigkeit der Endprodukte ausüben. Bei
der Entwicklung von PUR-Schwellenbesoh­
lungen zur Schotterschonung ist ein opti­
miertes Mischungsverhältnis und der rich­tige Herstellungsprozeß entscheidend, um
elastische und plastische Eigenschaften in
ein ausgewogenes Verhältnis zu stellen. Als
Ergebnis mehrjähriger Entwicklungen kannheute eine neuartige Schwellenbesohlung
vorgestellt werden, die auch Höchstbelastun­
gen aus dem Schwerlastverkehr kompensiert
und mit einer beeindruckenden technischen
Performance aufwartet, wie nachfolgende
Ausführungen zeigen.
4. DAUERFESTIGKEIT IM
LABORVERSUCH

BILD 4: Simulation der Schwerlastbeanspruchungen im Schotterkasten des Groß­prüfstandes (links).
Nach Versuchsende bleiben die Schotterkörner im speziellen PUR-Besohlungsma­
terial haften (rechts)

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Die Dauerfestigkeit der neu entwickelten
Schwellenbesohlung wurde im Großprüf­
stand der Getzner Werkstoffe GmbH in An­
lehnung an vorhandene Normen und Regu­
lative nachgewiesen [4, 5]. Dieser Prüfstand,
der in Bild 4 dargestellt ist, erlaubt die Simu­
lation von maximalen Betriebsbelastungenaus dem Schwerlastverkehr. Zuschläge aus
Radkraftverlagerung bei Bogenfahrt, sowie
die Gleislagequalität und der resultierende
Geschwindigkeitseinfluß bei Güterzügen
sind hier berücksichtigt und sorgen für eine
dynamische Erhöhung: Die angesetzte stati­sche Achslast für die Lastermittlung war im
Versuch 36 t und wurde entsprechend den
Dynamikzuschlägen um den Faktor 1,52 ver­größert.
Für solche Dauerschwellversuche wird die
zu prüfende Schwellenbesohlung an derUnterseite eines Probekörpers aus Beton
mit den Abmessungen 300 mm x 300 mm
angebracht, der die Betonschwelle repräsen­tiert. Der Langzeitversuch wurde auf vorver­
dichtetem Schotter mit einer Schotterhöhe
von 30 cm durchgeführt. Entsprechend denVorgaben lief der Versuch in zwei Laststu­
fen bei einer Prüffrequenz von 5 Hz ab. Last­
stufe I über 5 Mio. Lastwechsel und dannnochmal eine Erhöhung um 30 % auf Last­
stufe II mit weiteren 3 Mio. Lastwechseln.
Insgesamt wurde die Schwellenbesohlung
mit 8 Mio. Lastwechseln etwa 3,5 Wochen
durchgehend beansprucht. Der Verlauf derSchwingweite ist in Bild 5 dargestellt. Gegen
Ende des Versuches wurde noch immer eine
Schwingweite von 1,2 mm gemessen, unddas trotz dieser enormen Dauerbelastung.
Nach Versuchsende war festzustellen, dasstrotz höchster Schwerlastbeanspruchung die
Besohlung keinerlei Zerstörung durch Risse,
Perforationen oder Durchstoßungen aufwies.
Die Schotterkörner hatten sich ideal bis auf
eine maximale Tiefe von ca. 80 % der Besoh­lungsdicke eingebettet, mit einer sehr guten
Verzahnung zum Besohlungsmaterial. Insge­
samt bleibt festzuhalten, dass die Schwellen­besohlung den Dauerschwellversuch durch
die Eigenschaften des speziellen PUR-Materi­als hervorragend gemeistert hat.
5. KONTAKTFLÄCHE BEEINFLUSSTSCHOTTERKONTAKTPRESSUNG
Die Plastizität der Schwellenbesohlung ist
der Grund dafür, dass sich die oberste Schot­

BILD 5: Aufgezeichneter Schwingweitenverlauf aus dem Dauerschwellversuch im
Schotterkasten

terlage in das Besohlungsmaterial einbetten
kann. Dies ist ein sehr wichtiger sicherheits­
relevanter Effekt, der vor allem für den Quer­verschiebewiderstand im Gleis eine wichtige
Rolle spielt. Wie Untersuchungen gezeigt
haben, ist der Querverschiebewiderstandmit Besohlungen deutlich höher als ohne
diese Einbettungsmöglichkeit [6]. Auf der si­
cheren Seite liegend wurde klar festgestellt,
dass durch elastisch besohlte Schwellen die
Gleislagestabilität nicht negativ beeinflusst
wird [7].
Die Nachgiebigkeit des Besohlungsmaterials

hat aber vor allem zur Folge, dass die Kräfte
homogener in den Schotteroberbau eingelei­
tet werden. Getzner hat eine eigene Metho­
dik entwickelt die Kontaktfläche schnell undhochpräzise zu quantifizieren; Bild 6 zeigt die
zugehörige digitale Analyse. Die wirksame
Kontaktfläche zum Schotter wurde nach Ver­suchsende für die Schwerlast-Besohlungenmit einem Anteil im Bereich von 25 – 33 % be­
stimmt (diverse Versuche).
Ohne die plastischen Eigenschaften des PURMaterials sind die dauerhaften Kontaktflä­»chen in der Regel weitaus geringer.

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BILD 6: Digitale Analyse der Oberflächenstruktur mit Schottereindrückungen

Bild 7 zeigt vergleichend die Kontaktflächen
ohne Besohlung, mit EVA-Besohlung und
PUR-Besohlung (gleicher Steifigkeit). Wie
dieser Relativvergleich zeigt, ist die Kon­
taktfläche bei unbesohlten Schwellen er­
wartungsgemäß am geringsten (nach Dau­erschwellversuch im Test 1.4 %, i.d.R. < 5 %),das EVA-Besohlungsmaterial liegt im etwas
höheren Bereich (im Test 5.9 %), während
das PUR-Material die größte Kontaktfläche(mit 27.8 %) aufweist (selber Versuch, glei­cher nominale Bettungsmodul der Mate­rialien). Der wichtigste Parameter, der die
Kontaktpressungen beeinflusst ist die wirk­

same Schotterkontaktfläche. Je größer die
Kontaktfläche ist, desto gleichmäßiger ist
die Lasteinleitung und desto geringer ist diesich ergebende Schotterkontaktpressung im
Gleis.
6. SETZUNGEN IM GLEIS WERDENVERRINGERT
Bei der Planung neuer Schienenfrachtkorrido­
re (Dedicated Freight Corridors) kann der Ein­satz besohlter Schwellen einen erheblichen
Nutzen stiften. Der Effekt der Schwellenbe­
BILD 7:
Mittlere Schotter­kontaktpres­sungen unter
Betonblock, derdie Schwelle
repräsentiert.
Vergleich vonBetonschwelle‚unbesohlt‘, mit‚EVA‘ und ‚PUR‘.
Der Hauptein­flussfaktor, derdie Schotterkon­
taktpressung
reduziert ist dievergrößerte Kon­
taktfläche

BILD 8: Gemessene Setzungsverläufe mit und ohne Schwellenbesohlungen nacheiner Testphase von 377 Tagensohlungstechnologie aus Sylomer® wurde
bei verschiedenen Teststrecken evaluiert[8]. Hierfür wurden einzelne Abschnitte u. a.
mit speziellen PUR-Schwellenbesohlungenausgerüstet. Testabschnitte ohne Schwellen­besohlungen wurden ebenfalls eingebaut,um die Unterschiede im Langzeitverhalten
der Gleise zu erhalten. Das Setzungsverhal­ten der Gleise wurde mittels Präzisionsni­
vellement erfasst. Bild 8 zeigt exemplarischdie gemittelten Setzungsverläufe. Nach 377
Tagen waren die Trends bereits deutlich er­
kennbar. Die mittlere Gleissetzung hatte im
besohlten Bereich einen Wert von 7,5 mm
erreicht, beim Oberbau ohne Schwellenbe­
sohlungen war die Gleissetzung hingegenbereits bei einem Durchschnittswert von
12,5 mm angelangt. Die Setzung des klassi­
schen Schotteroberbaus war also mehr als
65 % größer als im Bereich mit Schwellen­besohlungen, was trotz des relativ kurzen
Betrachtungszeitraums durchaus auch die
Erfahrungen aus anderen Einbausituationen
widerspiegelt.
Die Teststrecken mit Schwellenbesohlun­
gen zeigten eine weit homogenere Gleisla­gequalität, die unter Umständen selbst mit
bloßem Auge erkennbar sein kann, wie Bild 9
verdeutlicht.
Für derart hoch belastete Strecken können
weitere Entwicklungen in Richtung ‚semi­
plastische Besohlungen‘ einen noch höheren
Nutzen stiften.
7. FAZIT
Insbesondere bei hoch belasteten Strecken
stellt der Oberbauschotter den limitieren­den Faktor dar. Mit Schwellenbesohlungenaus Sylomer® kann der Schotter geschontwerden. Neue Entwicklungen zeigen die
Möglichkeit auf, elastische und plastische
Eigenschaften im Materialverhalten ideal zu
kombinieren. Damit wird sowohl die Last­verteilung im Gleis verbessert, als auch die
Kontaktpressungen zwischen Schwelle undoberster Schotterlage reduziert. Diese Besoh­lungstypen aus Polyurethan überstehen den
Dauerschwellversuch im Labor ohne jegliche
Schäden, zeigen hinsichtlich der Schwing­
weite eine außergewöhnliche Performanceund ein Höchstmaß an Kontaktflächenwir­kung. Eine Reduktion der Setzungen bei hö­herer Gleislagequalität ist die Folge. Der Nut­zen für den Infrastrukturbetreiber liegt im
reduzierten Instandhaltungsaufwand und ei­
ner höheren Verfügbarkeit der Strecken. Die
Konstruktion des klassischen Schotterober­baus wird durch solche innovativen Entwick­lungen nachhaltig verbessert. <Literatur[1] Barresi, F.; Kinscher, W.; Lorenz, G.: Design and Mainte­
nance Experience for Heavy Haul Turnouts including feed­back on the use of Austenitic Manganese Steel for Fixed20

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and Swing-Nose Crossings. Proceedings of 10th Internati­
onal Heavy Haul Association Conference New Delhi, India,
Feb. 2013, S. 3 – 11
[2] Schilder, R.: Schwellenbesohlungen. Getzner Bahnfachta­gung Schwarzenberg / Vorarlberg, Nov. 2007, S. 26 – 33
[3] Veit, P.; Marschnig S.: Making a case for Under Slee­
per Pads. International Railway Journal IRJ, Jan. 1, 2011,
S. 27 – 29
[4] DIN 45673-6: Mechanische Schwingungen – Elastische
Elemente des Oberbaus von Schienenfahrwegen – Teil 6:
Labor-Prüfverfahren für Besohlungen von Betonschwel­len, 2010[5] Loy, H.: Determination of Long Term Fatigue Strength of
USP for Heavy Haul Applications. Getzner Werkstoffe Re­
port Nr. 2012-55, Dez. 2012[6] Iliev, D.: Die horizontale Gleislagestabilität des Schot­
teroberbaus mit konventionellen und elastisch besohlten
Schwellen. Dissertation. Technische Universität München,
2012[7] Freudenstein, S.; Iliev, D.; Stahl, W.: Querverschiebewider­standsmessungen an un- und besohlten Schwellen. EIEisenbahningenieur, Juli 2013, S. 20 – 26
[8] Loy, H.; Heim, M.: Measurements of Track Settlement for
IR – Trials of Sleepers with Under Sleeper Pads (USP). Getz­
ner Werkstoffe Report, SE03, Okt. 2013

BILD 9: Die unterschiedliche Qualität vergleichbarer Gleisabschnitte ist offensicht­
lich, mit Schwellenbesohlungen (links), ohne Schwellenbesohlungen (rechts)

SUMMARY
Innovative sleeper pads for reducing ballast wear on heavily trafficked lines
Increasing axle loads and freight tonnes are intensifying the demand for modern railway infrastructure with high-quality components. Specially developed
sleeper pads with a combination of elastic and plastic properties satisfy the demands for the sustainability of the permanent way thanks to their uniqueperformance. The main factor reducing the wear on the ballast is an enlarged contact surface between the sleeper and the ballast. The fatigue strength of the
newly developed sleeper pad was demonstrated on a large test rig applying existing standards and rules. The effect was subsequently evaluated on various
part-sections of railway lines. The benefits for the infrastructure manager lie in the reduced outlay on maintenance and a higher availability of the line.

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