Dezem ber 201 2 - 6 1. J a hrg a ng
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KONSTRUKTIVER
INGENIEURBAUWISSEN AUS
BETRIEB & TECHNIKETRIM GESPRÄCH

Leitartik el von Oliver Kraft
ABS/NBS Karlsruh e - Bas el
NBS Wendtingen- Ulm, VDE 8.2

Au sbauprogramm Slowakisch e Republik
Hoch elasti sch e Zwisch enplatten
Schn ellumbau im 2-Schwellen-Takt

Da s Intervi ew mit
Dr. Kari Kap sch,
Kapsch Carri erComETR Austria | WISSEN

Körperschall-/Erschütterungsschutz durch besohlte Schwellen– Wirkung und Grenzen
Elastische Schwellenbesohlungen können eine wirtschaftliche Möglichkeit darstellen, um vor
lästigen Schwingungen aus dem Eisenbahnverkehr zu schützen. Es wird nicht nur der Fahrweg
gleichmäßiger ausgebildet und Hohllagen unterhalb der Schwellen vermieden, auch Körperschall-Immissionen in gleisnahen Gebäuden lassen sich effektiv reduzieren.

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Nachfolgend werden die Einflüssedes Oberbaus auf die Entstehungvon Körperschall sowie die Wirkungsweiseund der Nutzen von Schwellenbesohlungenerläutert.
1. SCHWINGUNGENAUS DEM EISENBAHNVERKEHR
Ein fahrender Zug erzeugt aus dem Rad/
Schiene-Kontakt mechanische Schwingungen. Diese Schwingungen (Emission) breiten
sich durch den Untergrund (Transmission)
wellenförmig aus und werden am Empfänger (Immission) oftmals als störend wahrgenommen. Von Erschütterungen spricht man,wenn diese Einwirkungen für den Menschen
spürbar sind. Die Lebensqualität von Anwohnern kann dadurch in erheblichem Maße
negativ beeinflusst werden. Insbesonderedann, wenn sich in den bewohnten Räumen
die Schwingungen aufgrund von Resonanzeffekten verstärken bzw. abgestrahlter Körperschall als Folge höherfrequenter Anteile
von Schwingungen auftritt. Der abgestrahlte Körperschall, der auch als sekundärer

Luftschall bezeichnet wird, ist meist als ein
dumpfes, grollendes Geräusch zu hören.
Dieses Geräusch kann durch den von außen
kommenden, primären Luftschall, überlagert werden. Die Übertragungswege sind in
Bild 1 dargestellt. Lärm und Erschütterungenstellen eine allgegenwärtige, unerwünschte
Nebenerscheinung unserer Mobilität dar. Die
Erhaltung und Steigerung der Lebensqualität, gerade in stark wachsenden Ballungszentren, verlangt daher nach geeigneten Maßnahmen. Am effektivsten ist es bekanntlich,wenn man zur Reduktion von störenden
Schwingungen direkt an der Quelle der Emission ansetzt.
2. OBERBAUQUALITÄT
ALS EMISSIONSPARAMETERDie Qualität des Eisenbahnoberbaus hateinen erheblichen Einfluss auf die Entstehung von Schwingungen. Je gleichmäßiger
der Oberbau ausgebildet ist, desto geringer
ist die Kraft- und Parameteranregung beiÜberfahrt eines Zuges. Der Gleisrost selbst
ist im Regeloberbau schwimmend gelagert.
BILD 1:
Schwingungsübertragung inder Umgebung
von Schienenverkehrswegen(Quelle aller Bilder:
Autor

Dipl-Ing. Dr. Harald Loy
Forschung & Entwicklung,
Getzner Werkstoffe GmbH
Bludenz/Bürs
harald.loy@getzner.com

Wiederholte dynamische Belastungen führen
über die Zeit zu Veränderungen der Gleislage, was zusätzliche Beschleunigungen der
Radsätze hervorruft. Die auftretenden Kräfte
beeinflussen aus der Rückkoppelung weiterhin die Lagequalität. Zeitlich bedingte Verschleißerscheinungen auf der Schienenoberfläche und Hohllagen unter den Schwellen
verstärken diese Vorgänge bzw. sind das Resultat daraus. Das System schaukelt sich zunehmend auf, wodurch auch die Emissionen
anwachsen. Durch Stopfen und Richten mussder Oberbau dann wieder in seine Ausgangslage zurückversetzt werden. Der zeitliche
Verlauf einer Verschlechterung wird maßgeblich von der Anfangsqualität des Oberbaus
bestimmt [1]. Das primäre Ziel muss es daher
sein, schon beim Einbau die Voraussetzungenfür einen guten und möglichst formstabilen
Fahrweg zu schaffen. Gleichmäßigkeit undNachgiebigkeit stellen dabei die wichtigsten
Grundvoraussetzungen für ein hochwertiges
Oberbausystem dar. Durch die definierte Anordnung elastischer Elemente, wie Schwellenbesohlungen, kann der Fahrweg diesem
Ziel nähergebracht werden.
3. SCHWELLENBESOHLUNGEN
VERBESSERN DIE GLEISLAGE
Die Verwendung von Schwellenbesohlungenwird in den letzten Jahren bei den Eisenbahngesellschaften aufgrund unterschiedlicher Interessen intensiviert. Vorrangiges
Ziel ist die Verbesserung der Gleislage und

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BILD 2: Hohllagenbildung nur unter unbesohlten Betonschwellen. Solche Hohllagen werden durch Schwellenbesohlungenvermieden, was zu einer gleichmäßigeren Lastabtragung führt

die langfristige Schotterschonung. Durch
die Anordnung des elastischen Materials
unter den Betonschwellen wird eine direkte
Hartauflage auf dem Schotter unterbunden.
Die oberste Schotterlage kann sich in das
Besohlungsmaterial einbetten, wodurch die
Kontaktfläche vergrößert wird (2 – 8 % ohne
Besohlung, auf bis zu 30 – 35 % mit Besohlung). Zu hohe Kontaktspannungen werden
dadurch vermieden. Die größere Schotterkontaktfläche und die gleichmäßigere Bettung führen zu einer höheren Stabilität desSchotterbetts, geringeren Gleissetzungenund zu einem reduzierten Verschleiß an den
wesentlichen Komponenten des Fahrweges.
Diese positiven Wirkungsweisen konnten bei
Schwellenbesohlungen in Theorie und Praxis
nachgewiesen werden: Wie durchgeführte
Laborversuche und Gleismessungen zeigen,
ist der Querverschiebewiderstand von besohlten Schwellen dabei durchwegs höher
als bei herkömmlichen Betonschwellen. Mit
denjenigen Besohlungen, die aufgrund ihrer
spezifischen Materialeigenschaften eine vergleichsweise tiefere Einbettung der Schottersteine zulassen, was somit zu einem größeren Kontaktflächenanteil führt, wurde ein
weiterer Anstieg des Querverschiebewiderstands gemessen [2]. Insbesondere die Tatsache, dass in einem besohlten Schottergleis
die Hohllagenbildung nahezu vollständig
vermieden wird, zeigt, dass die Betonschwellen ein wesentlich positiveres Lageverhalten
aufweisen. Während beispielsweise im Streckennetz der Österreichischen Bundesbah-

BILD 3:Einbau von
Betonschwellen
mit Sylomer®Schwellenbesohlungennen an 7 von 10 unbesohlten Betonschwellen
im Laufe der Zeit mehr oder weniger starkausgeprägte Hohllagen zwischen Schwellenunterseite und dem Schotterbett auftraten,
konnte in den gemessenen Abschnitten mit
Besohlung keine Hohllagenbildung mehr
festgestellt werden [3] (vgl. Bild 2). Die Streuung der Gleislage ist in besohlten Bereichen

weit kleiner als in unbesohlten. Diese Eigenschaften haben dazu geführt, dass Schwellenbesohlungen eine deutliche Verbesserungdes klassischen Schotteroberbaus bewirken.
Nicht zuletzt deshalb sind bei den Österreichischen Bundesbahnen besohlte Schwellen
als Regelbauform etabliert. Im Hauptnetz
werden heute bei Gleis- und Weichenneu- »+BIS[FIOUFMBOHF&SGBISVOHJN#SàDLFOCBVo
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lagen standardmäßig Betonschwellen mit
Schwellenbesohlungen verwendet.
4. SYLOMER® UND SYLODYN®
ZUR SCHWINGUNGSISOLIERUNG
Eine Eisenbahnstrecke, die aufgrund vonSchwellenbesohlungen langfristig eineverbesserte Gleislage aufweist, emittiert
durch den ruhigeren Lauf der Züge weniger Lärm und Erschütterungen. Durch
Verwendung hochelastischer Materialienwerden die Emissionen an die Umgebung
zusätzlich verringert, indem das physikalische Prinzip der Schwingungsisolierung
zur Anwendung kommt. Die Wirksamkeit
von eingesetzten elastischen Komponenten im Eisenbahnoberbau ist dabei abhängig von Faktoren wie Masse, Steifigkeit undDämpfung. Es wird ein schwingungsfähiges
System ausgebildet, dessen Eigenfrequenz
idealerweise weit unter den zu isolierenden Anregungsfrequenzen liegt, basierend
auf dem Wirkungsprinzip eines Ein- bzw.
Mehrmassenschwingers. Als wesentliche
Federkomponente zur Reduktion der Emissionen haben sich die technischen Werkstoffe Sylomer® bzw. Sylodyn® bewährt. Den
Anforderungen entsprechend können dieseMaterialien mit einer mehr oder minder ausgeprägten Dämpfungskomponente versehen
sein, insbesondere zur Vermeidung zu starker Resonanzüberhöhungen im Bereich derEigenfrequenz. Mit einer auf den jeweiligen
Anwendungsfall genau abzustimmenden
dynamischen Steifigkeit, können Schwellenbesohlungen somit ihre schwingungsisolierende Wirkung im Gleis zielgerecht entfalten.
Je höher die dynamische Wirksamkeit desgewählten Polyurethan-Werkstoffes (PUR)
ist, desto größer ist in der Regel auch der zu
erreichende Vibrationsschutz. Bild 3 zeigt Betonschwellen mit einer bereits aufgebrachten Besohlung aus dem Werkstoff Sylomer®
kurz vor dem Einbau.

5. GEMESSENE­EINFÜGUNGSDÄMMUNGEN
Die erschütterungsmindernde Wirkungsweise von elastischen Elementen im Einbauzustand wird entsprechend der Normgebung
durch die sogenannte Einfügungsdämmung
quantifiziert [4]. Die Einfügungsdämmung
beschreibt die relative Wirkung einer Minderungsmaßnahme gegenüber einer Referenzsituation. Sie gibt beispielsweise an,wie sich das Terzspektrum des Körperschalls
verändert, wenn etwa Schwellenbesohlungen eingebaut werden. Dabei bleiben idealerweise alle übrigen Emissionseinflüsse unverändert, d. h. es wird das gleiche Fahrzeug,
dieselbe Geschwindigkeit und die identische
Schienenrauhigkeit etc. betrachtet. Da daselastische Element das Gesamtsystem Eisenbahn beeinflusst, können bei geänderten
Oberbauverhältnissen, anderen Untergründen bzw. anderen Fahrzeuggarnituren die
frequenzabhängigen Einfügungsdämmungen abweichen. Bild 4 zeigt eine Reihe vongemessenen Einfügungsdämmungen an
unterschiedlichen Eisenbahnstrecken – mitverschiedenen Schwellenbesohlungen aus
PUR-Material.
Wie aus den gemessenen Einfügungsdämmungen ersichtlich ist, liegen die Eigenfrequenzen der besohlten Oberbauten in derRegel bei etwa 30 – 40 Hz. In dem für den abgestrahlten Körperschall relevanten Bereich
größer als 50 Hz (hier stellt der Sekundärluftschall das maßgebende Kriterium dar) ergibt
sich eine Streuung in der Dämmwirkung vonca. 4 – 14 dB (63 Hz) über alle Besohlungstypen. Mit regulär elastischen Besohlungensind 4 – 7 dB erreichbare Werte. Demgegenüber stehen die im Zusammenhang mit
der Körperschallisolation besonders zu betrachtenden, hochelastischen Schwellenbesohlungen. Sie zeigen beispielhaft das enthaltene Leistungsvermögen auf: Mit einem
derart akustisch optimierten Schotteroberbau können maximale Dämmwirkungen von

BILD 4: Gemessene Einfügungsdämmungen mit verschiedenen Schwellen­besohlungen

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11 – 14 dB erzielt werden (63 Hz)! Die durchgeführten Messungen belegen eine Effizienz
dieser Besohlungstypen, die ursprüngliche
Erwartungen mehr als erfüllte. Zum näheren
Verständnis: 10 dB entsprechen bereits einem
Isoliergrad (Reduktion) von 69 %. Im tiefen
Frequenzbereich kleiner als 50 Hz ergibt sichdabei nahezu keine Verstärkung (-1 bis -3 dB),
unterhalb von 25 Hz wird sogar nochmals eine
Dämmwirkung von bis zu etwa 8 dB deutlich.
Dieser Effekt dürfte im Wesentlichen aus
der besseren Lage der Schwellen im Schotterbett resultieren (satte Einbettung, keine
hohlliegenden Schwellen) bzw. auf positivere
Oberbau-/Fahrzeug-Wechselwirkungen zurückzuführen sein. Im Bereich 100 – 160 Hz ist
teilweise eine Verminderung der Dämmung
vorhanden („Zweimassenschwinger-Effekt“,nur bei weichen Zwischenlagen). Es bleibt
allerdings fast immer bei einer positiven
Wirkung (Minderung), ohne den zu vermeidenden Einbruch (mit einer verstärkenden
Wirkung). Mit den bisherigen Erkenntnissen dürfte die grundsätzliche Eignung vonSchwellenbesohlungen zur Schwingungsisolation nachgewiesen sein! Die Wahl des richtigen Produktes ist aber entscheidend. Dies
gilt sowohl für Schwellenbesohlungen auf
freier Strecke, als auch im Tunnel (s. Bild 5).
6. MÖGLICHKEITEN ZUR PROGNOSE
DER VIBRATIONSDÄMMUNG
Aus den Ergebnissen der bisher gemessenen
Strecken ist die frequenzabhängige Wirkung von Schwellenbesohlungen ersichtlich(Bild 4). Eine verhältnismäßig einfache Möglichkeit für die rechnerische Prognose einersolchen vibrationsmindernden Wirkungsweise stellt das Impedanzmodell dar [4, 5, 6]. Ursprünglich für Unterschottermatten konzipiert, kann dieses Modell prinzipiell auch fürdie Berechnung von Schwellenbesohlungenherangezogen werden. Die Einfügungsdämmung beschreibt hier ebenso die Relation
BILD 5: Schwellenbesohlungen im
Schotteroberbau einer Tunnelröhrezwischen den Schwinggeschwindigkeitsamplituden im Boden ohne eingefügter Elastizität, zu den Amplituden im Boden mit eingefügter Elastizität. Neben Federimpedanz
des elastischen Materials wird auch die Abschlussimpedanz des Untergrundes berücksichtigt, was bei einem weicheren Planum im
Frequenzbereich >125 Hz typischerweise zu
einem abfallenden Verlauf, mit einer geringeren Wirkung im Terzspektrum führen kann.
(vgl. Bild 6: Impedanzmodell – linkes Diagramm) Ein möglicher Einbruch der Dämmwirkung bei 100 – 160 Hz bei vorhandenen
weichen Zwischenlagen ist nicht abzubilden.
Ebenso wenig die bei Messungen oftmals
festgestellte positive Wirkungsweise aufgrund der verbesserten Gleislage mit besohlten Schwellen im Frequenzbereich <25 Hz.
Eine Möglichkeit, das im Gleis gemessene
Verhalten auch mit einer Prognoseberechnung besser wiedergeben zu können, läge
in der Verwendung eines ,semi-empirischen‘
Ansatzes. Ein teilweise auf Erfahrungswerten basierendes Modell mit drei Bereichen
könnte die Realität näher beschreiben (vgl.
Bild 6: ,Semi-empirischer‘ Ansatz – rechtes
Diagramm, Bereich 1: Offset für verbesserte
Gleislagequalität. Bereich 2: Berücksichtigung der abschwächenden Wirkung weicher

Zwischenlagen. Bereich 3: Optionaler abfallender Verlauf zur Berücksichtigung der abmindernden Wirkung des Planums). Es ist zu
bedenken, dass die Anwendung einer solchen
empirischen Berechnungsmethode unter
Umständen nach mehr in situ-Messungenverlangt, um zukünftig treffendere Aussagenüber die Wirkungsweise von Schwellenbesohlungen zur Schwingungsisolation machen zu können. Es soll an dieser Stelle nur
ein Denkanstoß sein – die Genauigkeit einer
Prognose bei Schwellenbesohlungen könnte
mit einer hohen Wahrscheinlichkeit durch
die Empire aber verbessert werden.
7. AUSWIRKUNGEN AUF DIE PRIMÄRELUFTSCHALLABSTRAHLUNG
Wie bisherige Messungen im Gleis gezeigt
haben, hat der Einbau von Schwellenbesohlungen keinen signifikanten Einfluss auf die
primäre Luftschallabstrahlung des Eisenbahnoberbaus. Unmittelbar nach dem Einbau kann im Frequenzbereich von 50 – 100 Hz
zwar mit einer Verbesserung von etwa max.
5 dB gerechnet werden, demgegenüber steht
aber eine Verschlechterung des primären
Luftschalls von ebenfalls bis zu 5 dB im darü-

ber liegenden Frequenzspektrum über 100 Hz[7]. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass sich i. d. R. in unbesohlten Strecken
die Gleislage vergleichsweise viel rascher
verschlechtert und gleichzeitig lokale Einzelfehler (z. B. hohlliegende Schwellen) bzw.
Oberflächenfehler an der Schiene (z. B. Riffelbildung der Innenschienen in engen Bögen)entstehen. Solche Verschlechterungen derGleisqualität können eine enorme Erhöhung
des Luftschalls verursachen. Veriffelte Schienen können bei Zugüberfahrt beispielsweise
zu einer Schallpegelerhöhung von mehr als+15 dB führen. Die verbesserte Langzeitqualität von Gleisen mit Schwellenbesohlungen
ist nachgewiesen. Ein kurzzeitiger direkter
Einfluss auf die primäre Luftschallabstrahlung scheint vernachlässigbar. Zu diesem
Thema müssen aber noch weitere Messungen erfolgen.
8. TECHNISCH OPTIMIERTE­SCHWELLENBESOHLUNGEN
Schwellenbesohlungen, die vorrangig zur
Verbesserung der Gleislage und Schotterschonung eingesetzt werden, bestehen idealerweise aus einem widerstandsfähigen »Europäische Bahnen '12 '13
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ETR Austria | WISSEN

BILD 6: Modellansätze zur Prognose der Einfügungsdämmung von Schwellenbesohlungen

Material mit einer visko-plastischen Eigenschaft, die sich positiv auf die Schottereinbettung auswirkt. Schwellenbesohlungenhingegen, die primär zur Schwingungsisolierung eingesetzt werden, benötigen ein eher
weiches, dynamisch hochelastisches Material mit geringer Dämpfung. Wie die Erläuterungen dieses Artikels zeigen, sind für eineneffektiven Immissionsschutz aber beide Ansätze wichtig. Um sowohl die Entstehung derstörenden Schwingungen durch eine stabile
und sichere Gleislage, als auch deren Übertragung durch das physikalische Prinzip der
Schwingungsisolierung zu reduzieren, bietet
sich daher eine Kombination verschiedenerMaterialien an. Bild 7 zeigt eine Schwellenbesohlung im Sandwich-Aufbau mit mehreren funktionalen Schichten. Die weiche und
akustisch hochwirksame Federschicht aus
Sylodyn® ist dabei schützend eingebettet
zwischen einem Anbindemedium aus Polyamid zur Schwellenbetonseite und einer
visko-plastischen Schicht zur Schotterseite. Eine derartige Funktionstrennung deckt

mehrere Aspekte ab und kann damit auchkombinierten Anforderungen gerecht werden.
9. SCHLUSSFOLGERUNG
Fahrende Züge erzeugen mechanische
Schwingungen, die entweder als Körperschall über das Erdreich oder als Luftschallübertragen werden. Mit geeigneten Schwellenbesohlungen aus Sylomer® bzw. Sylodyn®
lassen sich nach heutigem Kenntnisstanddie Schwingungen im für den Körperschall
relevanten Frequenzbereich um mehr als
10 dB vermindern. Ein signifikanter Einfluss
auf den primären Luftschall konnte bisher
nicht nachgewiesen werden. Technisch optimierte Schwellenbesohlungen können eine
wirtschaftliche Verbesserung des klassischen
Schotteroberbaus darstellen, es kommt allerdings auf das verwendete Produkt an. Die
bisherigen Erkenntnisse beim Einsatz vonSchwellenbesohlungen zur Schwingungs-

BILD 7: Schwellenbesohlungen im ‚Sandwich-Aufbau‘ mit mehreren funktionalen­Schichten

isolation sind äußerst vielversprechend, die
Forschungen auf diesem Gebiet werden weitergeführt. <Literatur[1] Veit, P.; Marschnig, S.: Towards a more sustainable track.
Railway Gazette International, January 2011, S. 42-44[2] Iliev, D.: Versuche mit elastisch besohlten Schwellen –Elastizität, Kontaktspannungen, Querverschiebewiderstand. Getzner Bahnfachtagung Schwarzenberg/Vorarlberg, Oktober 2011[3] Auer, F.: Einfluss von elastischen Komponenten auf dasGleisverhalten. ÖVG Tagung Salzburg, Band 104, S. 53-55[4] DIN V 45673-4 (2008): Mechanische Schwingungen – Elastische Elemente des Oberbaus von Schienenfahrwegen –Teil 4: Rechnerische Ermittlung der Einfügungsdämmung
im eingebauten Zustand[5] Wettschureck, R. G.; Kurze, U. J.: Einfügungsdämm-Maß
von Unterschottermatten. ACUSTICA, 58, 1985, S. 177-182[6] Müller, G.; Möser, M.: Taschenbuch der Technischen Akustik. 3. Auflage, 2003, S. 545[7] Behr, W.: Wirkung unterschiedlicher Schwellenbesohlungen - Resultate des Innovationsprojektes „Leiser Zug auf
realem Gleis (LZarG)“. Getzner Bahnfachtagung Schwarzenberg/Vorarlberg, Oktober 2011

SUMMARY
Combating structure-borne noise andvibrations by putting pads on sleepers– their effect and limitations
The authors show that elastic sleeper pads arecapable of being an economic measure for providing protection against disturbing vibrations
due to railway traffic. It is possible to achieve
reductions of better than 10 dB in the effects
occurring in the frequency range relevant forstructure-borne noise. To date, no negative
impact has been ascertained on the primary
air-borne noise. The measurements made so
far on sleeper pads fitted to reduce noise are
extremely encouraging, and research in thisarea is continuing.

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