INTERNATIONALE FACHZEITSCHRIFT
FÜR SCHIENENVERKEHR & TECHNIKEuro 27,30 | November 202011 | 20

Güterverkehr –Fertigstellung desBözbergtunnels
Instandhaltung –Sanierung desHauenstein-Basistunnels
Feste Fahrbahn –Einsatz des Betonierzuges
auf der NBS Wendlingen – Ulm
ETCS –Wie mathematische Modelle
den Roll-out optimieren
Hochgeschwindigkeitsverkehr –Kritische Betrachtungdes Hyperloop-Systems

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3. Gleisbauforum
12. November 2020
in Leverkusen

HERAUSGEBER
VERBAND DEUTSCHER
EISENBAHN-INGENIEURE E.V.

FAHRWEG

Isolierstöße – Vom Verschleißverhalten
zu Optimierungspotenzialen
Isolierstöße sind sicherungstechnisch notwendige, in Bezug auf die Gleislageaber kritische Oberbausituationen, welchen vermehrt Aufmerksamkeit
geschenkt werden muss.

MICHAEL FELLINGER | STEFAN VONBUN

Schienenstöße stellen kritische Bereiche im
Eisenbahnoberbau dar. Obwohl aus sicherungstechnischen Gesichtspunkten unbedingt notwendig, stellen sie Infrastrukturbetreiber vor besondere Herausforderungen.
Signalstörungen und aufwändige Stoßpflege
sind weltweit unliebsame Nebenwirkungender Unstetigkeitsstelle „Isolierstoß“. Dasdurch deskriptive Modelle beschreibbar gemachte kritische Verhalten im Laufe der Zeitkann durch mehr Elastizität im Oberbau ausgeglichen werden, womit Verschleiß- und Folgeerscheinungen minimiert werden können.
Einleitung und Ausgangssituation
Isolierstöße sind aus signaltechnischen sowie
betrieblichen Gründen notwendige Bestandteile der Eisenbahninfrastruktur. Am Isolierstoß findet eine Unterbrechung der Schienen
durch ein isolierendes Material statt (Abb. 1),
wodurch das Gleisnetz sicherungstechnischin Abschnitte variabler Länge unterteilbar ist.
Isolierstöße stellen dadurch allerdings auch
Unstetigkeiten dar, die sich negativ auf den
Fahrzeuglauf und das Verschleißverhalten desOberbaus auswirken [1]. Als Folge ist meist
mit einer raschen Verschlechterung der Gleislage in diesen Bereichen zu rechnen [2], welche allerdings mit den konventionellen Gleismessdaten nur sehr schwer nachzuweisen ist.
Hauptursache dafür sind ungenügend genau
positionierte Messsignale des Gleismesswagens. Im Kernnetz der Österreichischen Bundesbahnen sind ca. 25 000 Isolierstöße verbaut, dies verdeutlicht den allgegenwertigen
Einfluss dieser Gleiskomponente. Ebenfalls
spricht ein sehr kurzes Inspektionsintervall
von sechs Monaten für die kritische Untersuchung dieser Oberbausituationen.
Als Auslöser von Signalstörungen stehen Isolierstöße schon lange im Fokus, als Auslöser
einer schlechten Gleislage erst in den letzten
Jahren. Die Unstetigkeiten im Bereich der Lasteintragung zwischen Rad und Schiene führen als Einzelfehler zu hohen dynamischen
Zusatzbelastungen, welche eine rasche Verschlechterung der Gleislage begünstigen [3].
Durch die Last der Schienenfahrzeuge wird derIsolierstoß hauptsächlich auf Biegung beansprucht. Da es sich um keine starre, vollflächige Verbindung handelt, tritt eine Unstetigkeit
innerhalb der Fahrfläche auf, welche zusätzlich
dynamische Lasteinträge in den Oberbau mit
sich bringt. Ungleichmäßige Setzungen sowie
im weiteren Verlauf Schotterzerstörung sinddie schwerwiegenden Folgen [4]. Die angeführten Erkenntnisse lassen lediglich einen
Schluss zu: Es müssen konstruktive Optimierungspotentiale gefunden werden. Ziel musses sein, die nachteiligen Einflüsse von Isolierstößen in Bezug auf das Verschleißverhalten
des Oberbaus zu reduzieren.
Messdatenbasierte Beschreibung und
Charakterisierung von Isolierstößen
Um Optimierungspotentiale ableiten zu können, ist zuerst die Kenntnis des aktuellen Zustandes sowie des Verhaltens im Laufe derZeit notwendig. Deshalb wird in einem ersten
Schritt auf deskriptive Modelle, basierend auf
Gleismessdaten, zurückgegriffen. Im Eisenbahnwesen haben sich die Messdaten desGleismesswagens als verlässliche Datenquelle etabliert. Diesem Gedanken folgend stützen sich die nachfolgenden Auswertungenauf diese Gleismessdaten. Die Daten wurden
speziell aufbereitet, um sie für den vorgesehenen Zweck einsetzen zu können.
Nachstationierungsalgorithmus
für Gleismesswagendaten
Wie bereits erwähnt, ist die Qualität der
Messdaten sehr entscheidend für den Erfolg

Abb. 1: Explosionsdarstellung Isolierstoß

späterer Analysen. Die gängigen Auswertemethoden für das freie Streckengleis basieren auf der Standardabweichung der Längshöhe, welche über eine Einflusslänge vonteilweise 200 m gleitend berechnet wird.
Für den eigentlich vorgesehenen Zweck ist
diese Vorgehensweise nachvollziehbar. Da
allerdings eine Aussage über lokal stark begrenzte Bereiche, wie Isolierstöße, getroffen
werden soll, muss im Vorfeld ein Datenaufbereitungsprozess etabliert werden. Um
detaillierte und vor allem örtlich exakt zuordenbare Messsignale zu erhalten, wurde derNachstationierungsalgorithmus CoMPAcT(Condition Monitoring and Prediction Analytics for Turnouts) entwickelt [5]. Diese Systematik ermöglicht es, einerseits Weichen
und somit andere Bereiche exakt zu identifizieren und andererseits die Synchronität unterschiedlicher Messsignale sicherzustellen.
Die Methodik beruht dabei, entgegen weit
verbreiteter peak-to-peak-Verschiebungen,auf der mathematischen Klassifizierung derÄhnlichkeit von Messsignalen. Es handelt
sich um eine Kalkulation von notwendigen
Verschiebungen, um eine bestmögliche Korrelation über einen gewissen Einflussbereich
sicherzustellen. In Abb. 2 sind die Eingangsdaten sowie die aufbereiteten Messdaten
exemplarisch anhand von Längshöhenmessungen über eine Länge von 200 m visualisiert, im oberen Bereich (a) die Rohdaten,
welche vom Gleismesswagen aufgezeichnet wurden, und im unteren Bereich (b) die
nachstationierten Messdaten.

Quelle: Getzner

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Abb. 2: Längshöhenmessung (a) Qualität der Eingangsdaten, (b) Datenqualität nach CoMPAcTQuelle: TU Graz

Abb. 3: Gegenüberstellung der Verschlechterungsraten verschiedenster Weichenbereiche fürunterschiedliche WeichenQuelle: TU Graz

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Analyse der Gleislage im Bereichvon Isolierstößen
Aufbauend auf der Datenqualität der Messdaten ist es möglich, Analysen über die Veränderung der Gleislage im Laufe der Zeit im Bereichvon Isolierstößen zu erstellen. Da in Österreichkeine zentrale Datenbank über die geografische Situierung von Isolierstößen vorhanden
ist, wurden in einem ersten Schritt Weichenbereiche analysiert, da in den meisten Fällen am
Beginn oder am Ende einer Weiche ein Isolierstoß angeordnet ist. Zu diesem Zweck wurden
16 Weichen einer detaillierteren Betrachtung
unterzogen. Die Weichen wurden dabei, aufgrund konstruktiver Eigenheiten sowie derdamit einhergehenden veränderlichen Eigenschaften, in fünf Abschnitte unterteilt:
Bereich 1: 10 m vor dem Weichenanfang (jener Bereich, wo oft ein Isolierstoß situiert ist)
Bereich 2: Vom Weichenanfang bis zum ersten Schweißstoß innerhalb der WeicheBereich 3: Vom ersten Schweißstoß bis zum
zweiten Schweißstoß
Bereich 4: Vom zweiten Schweißstoß bis zum
WeichenendeBereich 5: Vom Weichenende bis 10 m hinterdem Weichenende.
Für jeden dieser Bereiche wurden die Längshöhenmessungen extrahiert, die Standardabweichung dieser Messdaten über die gesamte Länge hinweg berechnet und auf die
Länge der unterschiedlichen Bereiche hin
normiert, um eine Vergleichbarkeit zu gewährleisten.
Die Ergebnisse sind in Abb. 3 dargestellt. Es
fällt auf, dass die Bereiche 1 und 4 die höchsten
Verschlechterungsraten aufweisen. Im Bereich
4 befindet sich das Herzstück, weshalb die
hohe Verschlechterung der Standardabweichung relativ klar erklärbar ist.
Bereich 1 weist im Gegensatz zu den restlichen Abschnitten in manchen Fällen eine
extrem hohe Verschlechterungsrate auf. Die
Weichen 1, 7, 12, 13 und 16 besitzen in diesem Bereich einen Isolierstoß. Es ist deutlicherkennbar, dass dieser Isolierstoß für die hohen Verschlechterungswerte verantwortlich
ist. Zusammenfassend kann somit festgehalten werden, dass die Verschlechterungsrate
der Standardabweichung der Längshöhe im
Bereich von Isolierstößen teilweise über jener im Herzbereich von Weichen liegt unddass es sich somit bei Isolierstößen um sehr
kritische Bereiche in Bezug auf eine Gleislageveränderung handelt. Um eine weitere
Verifizierung dieser Ergebnisse zu erreichen
und den Einfluss anderer Unstetigkeiten in
Weichen gänzlich ausschließen zu können,
wurden zusätzlich Stoßlückengleise untersucht. Natürlich können Stoßlücken nicht
mit Isolierstößen gleichgesetzt werden, deren qualitatives Verhalten kann allerdings als
vergleichbar angesehen werden. Zusätzlich
sind Stoßlückengleise in Österreich deutlichleichter zu lokalisieren als verbaute Isolierstöße. Die diesbezüglichen Auswertungen sind

FAHRWEG

Abb. 4: Standardabweichung der Längshöhe von Stoßlücken und Referenzabschnitte

Quelle: TU Graz

in Abb. 4 visualisiert. Hier wurde wiederum
die Standardabweichung der Längshöhe als
repräsentativer Wert für die Gleislage betrachtet. Um einen Vergleich zu ermöglichen,wurden nicht nur Bereiche einer Stoßlücke
ausgewertet, sondern im Zuge dessen auch
Referenzbereiche. Es ist sehr deutlich erkennbar, dass sich die Standardabweichungim Bereich der Stoßlücke deutlich schneller
verschlechtert als innerhalb der Referenzabschnitte, was wiederum den Schluss nahelegt, dass es sich bei Stoßlücken und ähnlichauch bei Isolierstößen um kritische Bereichein Bezug auf die Gleislage handelt. Zusammenfassend kann also anhand der deskriptiven Analyse von Isolierstößen, basierend
auf Messdaten des Gleismesswagens, festgehalten werden, dass es sich bei Isolierstößen
um besonders zu beachtende Störstellen im
Eisenbahnoberbau handelt.

nentes Beispiel ist die Spannbetonschwelle:
die mangelnde Verfügbarkeit von hochwertigen und haltbaren Hölzern, gepaart mit der
Problematik einer kurzen Lebensdauer vonHolzschwellen, wurde durch eine moderne, industriell herstellbare Lösung kompensiert. Klare Vorteile wie lange Lebensdauer, weltweite
Verfügbarkeit, stabile Gleislage und geringere
Kosten stehen einem nicht zu unterschätzenden Nachteil einer kritischen Materialpaarung(Schotter mit Beton) gegenüber. Diese Materialpaarung führte dazu, dass der Schotter zum
schwächsten Element im Oberbau wurde, die
Betonschwelle zermalmt bei hohen Belastungen den Schotter geradezu. Dies führte in
der Folge zu erhöhten Stopf- und Instandhaltungsmaßnahmen.
Frei nach dem Motto „der Klügere gibt nach“
haben sich smarte Lösungen in Kombination
mit hochwertigen Elastomeren in den letz-

ten Jahrzehnten zunehmend etabliert undbewährt. Speziell die Schwellensohle (kurz:
SL, von ursprünglich „Schwellenlager“) kannin Verbindung mit der Spannbetonschwelle als eine sehr sinnvolle und wirtschaftliche
Ergänzung im Oberbau angesehen werden.
Bahnbetreiber weltweit haben das Einsparungspotenzial mittlerweile erkannt und setzen in hochbeanspruchten „Hot Spots“ (z. B.
Weichen, Brücken, Übergänge) auf besohlte
Betonschwellen.
Das Wirkprinzip aller Lösungen mit Schwellensohlen basiert auf einer Kombination aus der
Verlängerung der Biegelinie der Schiene, derVervielfachung der Kontaktfläche und damit
einer signifikanten Reduktion der Schotterkontaktpressung und nicht zuletzt einer Fixierung
der obersten Schotterschicht, die mit weniger
Vibrationen und einer verbesserten Gleislage
einhergeht. Messungen von Gleismesswagen

Der Klügere gibt nach:
Höhere Elastizität als Lösungsansatz
Immer wenn Verschleißerscheinungen an Bauteilen auftreten, gibt es zwei Hauptlösungsansätze: die Komponenten können verbessert,
meist verstärkt, werden oder die Belastungkann reduziert werden. Der Weg einer Verstärkung der Komponenten mündet in einer
Art „Wettrüsten“ der Infrastruktur gegen die
immer weiter steigenden Beanspruchungen,die durch höhere Zugfrequenzen und steigende Achslasten zustande kommen. Diese
Optimierungen werden seit Anbeginn der Eisenbahnära oft inkrementell, manchmal aberauch disruptiv umgesetzt und resultieren
bereits in einer Verlängerung der Lebensdauer der Komponenten. Erst in den letzten drei
Jahrzehnten fand ein gewisser Sinneswandel
statt: anstelle die Bauteile immer stärker, härter und dicker zu machen, gewinnt das Thema„Elastizität im Oberbau“ mehr und mehr an
Bedeutung. Denn manchmal erkauft man sich
mit einer Innovation zwar viele Vorteile, mussaber auch mit Nachteilen rechnen. Ein promi-

Abb. 5: Weiße Stelle durch Schotterzerstörung bei Isolierstoß

Quelle: TU Graz

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stetigkeitsstelle normalisiert, sprich optimiert
wird. Eine überschlägige Wirtschaftlichkeitsbetrachtung fällt sehr positiv aus, soll aber inweitergehenden Untersuchungen noch im
Detail betrachtet und veröffentlicht werden.

Abb. 6: Finite Elemente-Modell eines Gleisrostes mit IsolierstößenQuelle: Getzner

Zusammenfassung
Mittels deskriptiver Analyse von Isolierstößen
und Stoßlücken konnte, basierend auf Messdaten des Gleismesswagens, gezeigt werden,
dass es sich bei Isolierstößen um besonders kritische Bereiche im Eisenbahnoberbau handelt.
Signalstörungen und aufwändige Stoßpflege
sind weltweit unliebsame Nebenwirkungendieser Unstetigkeitsstellen. Durch zusätzliche,
definierte Elastizität im Oberbau - die durch
Schwellensohlen eingebracht wird - können
die Steifigkeitssprünge an diesen Störstellen
geglättet werden, womit Verschleiß- und Folgeerscheinungen minimiert werden können. 
QUELLEN

Abb. 7: Schematische Darstellung: Schieneneinsenkung unter Isolierstoß mit/ohne Schwellensohlen (kurz: SL)Quelle: Getzner

beweisen eindrücklich, wie die Gleislagequalität in besohlten Gleisabschnitten im Vergleich
zu herkömmlichen Oberbauformen länger auf
einem hohen Niveau erhalten bleibt. Eine Verlängerung von Stopfzyklen um den Faktor 2,75
ist, als konservative Abschätzung, die Regel. In
hochbelasteten Strecken kann diese Zahl sogar
weit höher ausfallen: Verlängerungsfaktoren
von fünf und mehr sind keine Seltenheit [6].
Um den hohen Ansprüchen eines modernen
Oberbaus mit Planlebensdauern von 30 undmehr Jahren gerecht zu werden, ist die Wahleines geeigneten Schwellensohlenmaterials
von sehr hoher Bedeutung. Denn nur wenndas elastische Material mindestens mit der
Nutzungsdauer der Schwelle mithalten kann,wird die eingesetzte Lösung einer Lebenskostenbetrachtung standhalten und als nachhaltig betrachtet werden können. Weltweit habensich in den letzten Jahrzehnten Schwellensohlen aus hochwertigen Polyurethanwerkstoffen
als eine ausgezeichnete Lösung für alle Artenvon Einsatzfällen erwiesen [7] [8] [9].
Glättung der Überfahrt –Reduktion der Belastung
Die eingangs beschriebenen Gleisverschlechterungsraten sind das Symptom, die Unstetigkeiten und dadurch sehr hohen dynamischen
Kräfte, die durch Isolierstöße entstehen, sinddas eigentlich zugrundeliegende Problem.
Die hohen Kräfte bringen den Gleisschotter
schnell an seine Belastungsgrenzen, die Folge
ist eine schnelle Schotterzerstörung und damit eine sich rasch verschlechternde Gleislage(Abb. 5). Die Schotterzerstörung ist als sog.
„weiße Stelle“ oft mit bloßem Auge sichtbar.
Der Effekt wirkt selbstverstärkend, da durch die
anfängliche Zerstörung größere Amplituden
ermöglicht werden, die wiederum zu höheren

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Beschleunigungen führen. An Isolierstößen
führen diese Phänomene zu weiteren Problemen: die Stoßzwischenlagen werden schneller
zerstört, Überwalzungen an der Schienenoberfläche führen zu Kurzschlüssen, Signalstörungen sind die Folge. Die Gesamtheit dieser
komplexen Problemstellung kann mit Hilfe einer optimierten Steifigkeitsverteilung effektiv
bekämpft werden. Mittels eines ausgefeilten
FEM-Modelles können unter Berücksichtigung
der im Gleis herrschenden Randbedingungen
die Verformungen des Gleisrostes simuliert
werden (Abb. 6). Durch das gezielte Einbringen von definierter Elastizität, sowohl direkt
unter dem Isolierstoß als auch unter den angrenzenden Schwellen zu beiden Seiten desStoßes hin, kann die Überfahrt über die Unstetigkeit „Isolierstoß“ geglättet werden [10](Abb. 7). Mit Schwellensohlen unterschiedlicher Steifigkeit wird auf diese Weise das Einsenkungsverhalten der Schwellen, die sich um
den Isolierstoß befinden, positiv beeinflusst.
Die Vorteile liegen auf der Hand: deutliche Reduktion der dynamischen Beanspruchung undsomit ein langsamerer Verschleiß des Schotters und dadurch eine gleichbleibend hohe
Gleislagequalität. Zur Verifikation des theoretischen Ansatzes wurden bereits verschiedene
Isolierstöße mit Schwellensohlen ausgestattet.
Die Erkenntnisse aus Labor und Simulation
wurden in Teststrecken, u. a. in Nordamerika
mittels Einsenkungsmessungen überprüftund bestätigt [10]. Die Glättung der Überfahrt
und damit die Reduktion der Belastung auf die
Isolierstoßkomponenten konnte auch unterrealen Bedingungen nachgewiesen werden[11]. Bereits erfolgreich erprobte Lösungenumfassen insgesamt mindestens 20 besohlte
Schwellen: zehn Schwellen auf jeder Seite desStoßes. So wird gewährleistet, dass die Un-[1] Maschek, U.: Leit- und Sicherungstechnik. In: Lothar Fendrich undWolfgang Fengler (Hg.): Handbuch Eisenbahninfrastruktur. Berlin,
Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2013, S. 495–551[2] Eisenmann, J.; Leykauf, G.: Isolierstoß, Stör- und Schwachstelle im Gleis.
In: Verband Deutscher Eisenbahn-Ingenieure (Hg.): Der Eisenbahningenieur
36. Darmstadt: Tetzlaff Verlag GmbH, 1985, S. 99-107[3] Kipper, R.; Lieberenz, K.: Zum Einfluss des Unterbaues und desTragsystems auf die Gleislage. Eisenbahningenieur 60 - 9, 2009, S. 18–24[4] Lichtberger, B. (2010): Handbuch Gleis. Unterbau, Oberbau, Instandhaltung, Wirtschaftlichkeit. 3., komplett überarbeitete Neuauflage. Hamburg:
Eurailpress[5] Fellinger, M.; Wilfling, P. A.; Marschnig, S. (2020): Datenbasierte
Zustandsbeschreibung und Prognose des Weichenverhaltens. ZEVrail, 144(03), S. 80-86[6] Huiding, D.; Pospischil, F.; Loy, H.: Heavy-haul in China: Investigating
durable elasticity for superstructure , Global Railway Review, 05/2019, S.
56-59[7] Loy, H.: Under Sleeper Pads: improving track quality while reducing operational costs, European Railway Review, 04/2008, Sonderdruck, S. 1-8[8] Veit, P.; Vonbun, S.: Elastic elements in track influencing total track costs
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2018, S. 71-76[9] Auer, F.; Schilder, R.: Technische und wirtschaftliche Aspekte zum Thema
Schwellenbesohlung, , ZEV Rail, 2009, S. 180-193[10] Quirchmair, M.; Frohberg, E.; Loy, H.: Insulated rail joints: a solution to
improve lifetime and performance at high maintenance track sections, Global
Railway Review, 01/2019, S. 58-61[11] Quirchmair, M., Loy, H., Bell, C.: Improving the lifespan of insulated joints,
Track and Signal, 03/2019, S. 66-67

Dipl.-Ing. Dr. techn. Michael Fellinger
UniversitätsprojektassistentInstitut für Eisenbahnwesen undVerkehrswirtschaft
Technische Universität Graz, AT-Grazmichael.fellinger@tugraz.at

Dipl.-Ing. Stefan Vonbun
Produktmanager
Getzner Werkstoffe GmbH, AT-Bürs
stefan.vonbun@getzner.com