schutz durch besohlte Schwellen - Tinobaab.net

ETR Austria | WISSENKörperschall-/Erschütterungsschutzdurch besohlte Schwellen– Wirkung und GrenzenElastische Schwellenbesohlungen können eine wirtschaftliche Möglichkeit darstellen, um vorlästigen Schwingungen aus dem Eisenbahnverkehr zu schützen. Es wird nicht nur der Fahrweggleichmäßiger ausgebildet und Hohllagen unterhalb der Schwellen vermieden, auch Körperschall-Immissionenin gleisnahen Gebäuden lassen sich effektiv reduzieren.>Nachfolgend werden die Einflüssedes Oberbaus auf die Entstehungvon Körperschall sowie die Wirkungsweiseund der Nutzen von Schwellenbesohlungenerläutert.1. SCHWINGUNGENAUS DEM EISENBAHNVERKEHREin fahrender Zug erzeugt aus dem Rad/Schiene-Kontakt mechanische Schwingungen.Diese Schwingungen (Emission) breitensich durch den Untergrund (Transmission)wellenförmig aus und werden am Empfänger(Immission) oftmals als störend wahrgenommen.Von Erschütterungen spricht man,wenn diese Einwirkungen für den Menschenspürbar sind. Die Lebensqualität von Anwohnernkann dadurch in erheblichem Maßenegativ beeinflusst werden. Insbesonderedann, wenn sich in den bewohnten Räumendie Schwingungen aufgrund von Resonanzeffektenverstärken bzw. abgestrahlter Körperschallals Folge höherfrequenter Anteilevon Schwingungen auftritt. Der abgestrahlteKörperschall, der auch als sekundärerLuftschall bezeichnet wird, ist meist als eindumpfes, grollendes Geräusch zu hören.Dieses Geräusch kann durch den von außenkommenden, primären Luftschall, überlagertwerden. Die Übertragungswege sind inBild 1 dargestellt. Lärm und Erschütterungenstellen eine allgegenwärtige, unerwünschteNebenerscheinung unserer Mobilität dar. DieErhaltung und Steigerung der Lebensqualität,gerade in stark wachsenden Ballungszentren,verlangt daher nach geeigneten Maßnahmen.Am effektivsten ist es bekanntlich,wenn man zur Reduktion von störendenSchwingungen direkt an der Quelle der Emissionansetzt.2. OBERBAUQUALITÄTALS EMISSIONSPARAMETERDie Qualität des Eisenbahnoberbaus hateinen erheblichen Einfluss auf die Entstehungvon Schwingungen. Je gleichmäßigerder Oberbau ausgebildet ist, desto geringerist die Kraft- und Parameteranregung beiÜberfahrt eines Zuges. Der Gleisrost selbstist im Regeloberbau schwimmend gelagert.BILD 1:Schwingungsübertragunginder Umgebungvon Schienenverkehrswegen(Quelle aller Bilder:AutorDipl-Ing. Dr. Harald LoyForschung & Entwicklung,Getzner Werkstoffe GmbHBludenz/Bürsharald.loy@getzner.comWiederholte dynamische Belastungen führenüber die Zeit zu Veränderungen der Gleislage,was zusätzliche Beschleunigungen derRadsätze hervorruft. Die auftretenden Kräftebeeinflussen aus der Rückkoppelung weiterhindie Lagequalität. Zeitlich bedingte Verschleißerscheinungenauf der Schienenoberflächeund Hohllagen unter den Schwellenverstärken diese Vorgänge bzw. sind das Resultatdaraus. Das System schaukelt sich zunehmendauf, wodurch auch die Emissionenanwachsen. Durch Stopfen und Richten mussder Oberbau dann wieder in seine Ausgangslagezurückversetzt werden. Der zeitlicheVerlauf einer Verschlechterung wird maßgeblichvon der Anfangsqualität des Oberbausbestimmt [1]. Das primäre Ziel muss es dahersein, schon beim Einbau die Voraussetzungenfür einen guten und möglichst formstabilenFahrweg zu schaffen. Gleichmäßigkeit undNachgiebigkeit stellen dabei die wichtigstenGrundvoraussetzungen für ein hochwertigesOberbausystem dar. Durch die definierte Anordnungelastischer Elemente, wie Schwellenbesohlungen,kann der Fahrweg diesemZiel nähergebracht werden.3. SCHWELLENBESOHLUNGENVERBESSERN DIE GLEISLAGEDie Verwendung von Schwellenbesohlungenwird in den letzten Jahren bei den Eisenbahngesellschaftenaufgrund unterschiedlicherInteressen intensiviert. VorrangigesZiel ist die Verbesserung der Gleislage und66 ETR | DEZEMBER 2012 | NR. 12

BILD 2: Hohllagenbildung nur unter unbesohlten Betonschwellen. Solche Hohllagen werden durch Schwellenbesohlungenvermieden, was zu einer gleichmäßigeren Lastabtragung führtdie langfristige Schotterschonung. Durchdie Anordnung des elastischen Materialsunter den Betonschwellen wird eine direkteHartauflage auf dem Schotter unterbunden.Die oberste Schotterlage kann sich in dasBesohlungsmaterial einbetten, wodurch dieKontaktfläche vergrößert wird (2 – 8 % ohneBesohlung, auf bis zu 30 – 35 % mit Besohlung).Zu hohe Kontaktspannungen werdendadurch vermieden. Die größere Schotterkontaktflächeund die gleichmäßigere Bettungführen zu einer höheren Stabilität desSchotterbetts, geringeren Gleissetzungenund zu einem reduzierten Verschleiß an denwesentlichen Komponenten des Fahrweges.Diese positiven Wirkungsweisen konnten beiSchwellenbesohlungen in Theorie und Praxisnachgewiesen werden: Wie durchgeführteLaborversuche und Gleismessungen zeigen,ist der Querverschiebewiderstand von besohltenSchwellen dabei durchwegs höherals bei herkömmlichen Betonschwellen. Mitdenjenigen Besohlungen, die aufgrund ihrerspezifischen Materialeigenschaften eine vergleichsweisetiefere Einbettung der Schottersteinezulassen, was somit zu einem größerenKontaktflächenanteil führt, wurde einweiterer Anstieg des Querverschiebewiderstandsgemessen [2]. Insbesondere die Tatsache,dass in einem besohlten Schottergleisdie Hohllagenbildung nahezu vollständigvermieden wird, zeigt, dass die Betonschwellenein wesentlich positiveres Lageverhaltenaufweisen. Während beispielsweise im Streckennetzder Österreichischen Bundesbahnenan 7 von 10 unbesohlten Betonschwellenim Laufe der Zeit mehr oder weniger starkausgeprägte Hohllagen zwischen Schwellenunterseiteund dem Schotterbett auftraten,konnte in den gemessenen Abschnitten mitBesohlung keine Hohllagenbildung mehrfestgestellt werden [3] (vgl. Bild 2). Die Streuungder Gleislage ist in besohlten BereichenBILD 3:Einbau vonBetonschwellenmit Sylomer ® -Schwellenbesohlungenweit kleiner als in unbesohlten. Diese Eigenschaftenhaben dazu geführt, dass Schwellenbesohlungeneine deutliche Verbesserungdes klassischen Schotteroberbaus bewirken.Nicht zuletzt deshalb sind bei den ÖsterreichischenBundesbahnen besohlte Schwellenals Regelbauform etabliert. Im Hauptnetzwerden heute bei Gleis- und Weichenneu-»

ETR Austria | WISSENlagen standardmäßig Betonschwellen mitSchwellenbesohlungen verwendet.4. SYLOMER ® UND SYLODYN ®ZUR SCHWINGUNGSISOLIERUNGEine Eisenbahnstrecke, die aufgrund vonSchwellenbesohlungen langfristig eineverbesserte Gleislage aufweist, emittiertdurch den ruhigeren Lauf der Züge wenigerLärm und Erschütterungen. DurchVerwendung hochelastischer Materialienwerden die Emissionen an die Umgebungzusätzlich verringert, indem das physikalischePrinzip der Schwingungsisolierungzur Anwendung kommt. Die Wirksamkeitvon eingesetzten elastischen Komponentenim Eisenbahnoberbau ist dabei abhängigvon Faktoren wie Masse, Steifigkeit undDämpfung. Es wird ein schwingungsfähigesSystem ausgebildet, dessen Eigenfrequenzidealerweise weit unter den zu isolierendenAnregungsfrequenzen liegt, basierendauf dem Wirkungsprinzip eines Ein- bzw.Mehrmassenschwingers. Als wesentlicheFederkomponente zur Reduktion der Emissionenhaben sich die technischen WerkstoffeSylomer ® bzw. Sylodyn ® bewährt. DenAnforderungen entsprechend können dieseMaterialien mit einer mehr oder minder ausgeprägtenDämpfungskomponente versehensein, insbesondere zur Vermeidung zu starkerResonanzüberhöhungen im Bereich derEigenfrequenz. Mit einer auf den jeweiligenAnwendungsfall genau abzustimmendendynamischen Steifigkeit, können Schwellenbesohlungensomit ihre schwingungsisolierendeWirkung im Gleis zielgerecht entfalten.Je höher die dynamische Wirksamkeit desgewählten Polyurethan-Werkstoffes (PUR)ist, desto größer ist in der Regel auch der zuerreichende Vibrationsschutz. Bild 3 zeigt Betonschwellenmit einer bereits aufgebrachtenBesohlung aus dem Werkstoff Sylomer ®kurz vor dem Einbau.5. GEMESSENEEINFÜGUNGSDÄMMUNGENDie erschütterungsmindernde Wirkungsweisevon elastischen Elementen im Einbauzustandwird entsprechend der Normgebungdurch die sogenannte Einfügungsdämmungquantifiziert [4]. Die Einfügungsdämmungbeschreibt die relative Wirkung einer Minderungsmaßnahmegegenüber einer Referenzsituation.Sie gibt beispielsweise an,wie sich das Terzspektrum des Körperschallsverändert, wenn etwa Schwellenbesohlungeneingebaut werden. Dabei bleiben idealerweisealle übrigen Emissionseinflüsse unverändert,d. h. es wird das gleiche Fahrzeug,dieselbe Geschwindigkeit und die identischeSchienenrauhigkeit etc. betrachtet. Da daselastische Element das Gesamtsystem Eisenbahnbeeinflusst, können bei geändertenOberbauverhältnissen, anderen Untergründenbzw. anderen Fahrzeuggarnituren diefrequenzabhängigen Einfügungsdämmungenabweichen. Bild 4 zeigt eine Reihe vongemessenen Einfügungsdämmungen anunterschiedlichen Eisenbahnstrecken – mitverschiedenen Schwellenbesohlungen ausPUR-Material.Wie aus den gemessenen Einfügungsdämmungenersichtlich ist, liegen die Eigenfrequenzender besohlten Oberbauten in derRegel bei etwa 30 – 40 Hz. In dem für den abgestrahltenKörperschall relevanten Bereichgrößer als 50 Hz (hier stellt der Sekundärluftschalldas maßgebende Kriterium dar) ergibtsich eine Streuung in der Dämmwirkung vonca. 4 – 14 dB (63 Hz) über alle Besohlungstypen.Mit regulär elastischen Besohlungensind 4 – 7 dB erreichbare Werte. Demgegenüberstehen die im Zusammenhang mitder Körperschallisolation besonders zu betrachtenden,hochelastischen Schwellenbesohlungen.Sie zeigen beispielhaft das enthalteneLeistungsvermögen auf: Mit einemderart akustisch optimierten Schotteroberbaukönnen maximale Dämmwirkungen von11 – 14 dB erzielt werden (63 Hz)! Die durchgeführtenMessungen belegen eine Effizienzdieser Besohlungstypen, die ursprünglicheErwartungen mehr als erfüllte. Zum näherenVerständnis: 10 dB entsprechen bereits einemIsoliergrad (Reduktion) von 69 %. Im tiefenFrequenzbereich kleiner als 50 Hz ergibt sichdabei nahezu keine Verstärkung (-1 bis -3 dB),unterhalb von 25 Hz wird sogar nochmals eineDämmwirkung von bis zu etwa 8 dB deutlich.Dieser Effekt dürfte im Wesentlichen ausder besseren Lage der Schwellen im Schotterbettresultieren (satte Einbettung, keinehohlliegenden Schwellen) bzw. auf positivereOberbau-/Fahrzeug-Wechselwirkungen zurückzuführensein. Im Bereich 100 – 160 Hz istteilweise eine Verminderung der Dämmungvorhanden („Zweimassenschwinger-Effekt“,nur bei weichen Zwischenlagen). Es bleibtallerdings fast immer bei einer positivenWirkung (Minderung), ohne den zu vermeidendenEinbruch (mit einer verstärkendenWirkung). Mit den bisherigen Erkenntnissendürfte die grundsätzliche Eignung vonSchwellenbesohlungen zur Schwingungsisolationnachgewiesen sein! Die Wahl des richtigenProduktes ist aber entscheidend. Diesgilt sowohl für Schwellenbesohlungen auffreier Strecke, als auch im Tunnel (s. Bild 5).6. MÖGLICHKEITEN ZUR PROGNOSEDER VIBRATIONSDÄMMUNGAus den Ergebnissen der bisher gemessenenStrecken ist die frequenzabhängige Wirkungvon Schwellenbesohlungen ersichtlich(Bild 4). Eine verhältnismäßig einfache Möglichkeitfür die rechnerische Prognose einersolchen vibrationsmindernden Wirkungsweisestellt das Impedanzmodell dar [4, 5, 6]. Ursprünglichfür Unterschottermatten konzipiert,kann dieses Modell prinzipiell auch fürdie Berechnung von Schwellenbesohlungenherangezogen werden. Die Einfügungsdämmungbeschreibt hier ebenso die RelationBILD 4: Gemessene Einfügungsdämmungen mit verschiedenen SchwellenbesohlungenBILD 5: Schwellenbesohlungen imSchotteroberbau einer Tunnelröhre68 ETR | DEZEMBER 2012 | NR. 12

zwischen den Schwinggeschwindigkeitsamplitudenim Boden ohne eingefügter Elastizität,zu den Amplituden im Boden mit eingefügterElastizität. Neben Federimpedanzdes elastischen Materials wird auch die Abschlussimpedanzdes Untergrundes berücksichtigt,was bei einem weicheren Planum imFrequenzbereich >125 Hz typischerweise zueinem abfallenden Verlauf, mit einer geringerenWirkung im Terzspektrum führen kann.(vgl. Bild 6: Impedanzmodell – linkes Diagramm)Ein möglicher Einbruch der Dämmwirkungbei 100 – 160 Hz bei vorhandenenweichen Zwischenlagen ist nicht abzubilden.Ebenso wenig die bei Messungen oftmalsfestgestellte positive Wirkungsweise aufgrundder verbesserten Gleislage mit besohltenSchwellen im Frequenzbereich

ETR Austria | WISSENBILD 6: Modellansätze zur Prognose der Einfügungsdämmung von SchwellenbesohlungenMaterial mit einer visko-plastischen Eigenschaft,die sich positiv auf die Schottereinbettungauswirkt. Schwellenbesohlungenhingegen, die primär zur Schwingungsisolierungeingesetzt werden, benötigen ein eherweiches, dynamisch hochelastisches Materialmit geringer Dämpfung. Wie die Erläuterungendieses Artikels zeigen, sind für eineneffektiven Immissionsschutz aber beide Ansätzewichtig. Um sowohl die Entstehung derstörenden Schwingungen durch eine stabileund sichere Gleislage, als auch deren Übertragungdurch das physikalische Prinzip derSchwingungsisolierung zu reduzieren, bietetsich daher eine Kombination verschiedenerMaterialien an. Bild 7 zeigt eine Schwellenbesohlungim Sandwich-Aufbau mit mehrerenfunktionalen Schichten. Die weiche undakustisch hochwirksame Federschicht ausSylodyn® ist dabei schützend eingebettetzwischen einem Anbindemedium aus Polyamidzur Schwellenbetonseite und einervisko-plastischen Schicht zur Schotterseite.Eine derartige Funktionstrennung decktmehrere Aspekte ab und kann damit auchkombinierten Anforderungen gerecht werden.9. SCHLUSSFOLGERUNGFahrende Züge erzeugen mechanischeSchwingungen, die entweder als Körperschallüber das Erdreich oder als Luftschallübertragen werden. Mit geeigneten Schwellenbesohlungenaus Sylomer ® bzw. Sylodyn ®lassen sich nach heutigem Kenntnisstanddie Schwingungen im für den Körperschallrelevanten Frequenzbereich um mehr als10 dB vermindern. Ein signifikanter Einflussauf den primären Luftschall konnte bishernicht nachgewiesen werden. Technisch optimierteSchwellenbesohlungen können einewirtschaftliche Verbesserung des klassischenSchotteroberbaus darstellen, es kommt allerdingsauf das verwendete Produkt an. Diebisherigen Erkenntnisse beim Einsatz vonSchwellenbesohlungen zur Schwingungs-isolation sind äußerst vielversprechend, dieForschungen auf diesem Gebiet werden weitergeführt.