• passive Schallschutzmaßnahmen, also Schallschutzwände und -dämme, schalldämmende Fenster
• aktive Schallschutzmaßnahmen, d. h. Maßnahmen an Schienenfahrzeug oder Fahrbahnaufbau
  (Schiene, Auflager, Schwelle, Schotterbett bzw. absorbierende Betonbeläge und Asphalt)

2.2 Nachteile und Grenzen der Wirksamkeit bisheriger Maßnahmen und Produkte

Elastizität des Bahndamms selbst

Der sog. Unter- und Oberbau, die Schwellen, die Lagerung der Schienen und die Spurführung des Gleises war schon immer sicherheitsrelevant. Gleisbauer hatten zunächst nur die Wahl zwischen einem Kies- oder Schotterbett und starren Schienen-Auflagern.

Die Kiesbettung vermittelte zwar wegen ihrer höheren Elastizität das angenehmere Fahrgefühl, wegen zunehmender Achslasten und Geschwindigkeiten war es aber nötig, dem tragfähigeren Schotterbett den Vorrang einzuräumen. Da Schotter weniger elastisch - also steifer - ist, reduzierte sich die Elastizität der Schienenfahrbahn auf die des Unterbaues, dem Dammaufbau. Auf diese Weise wurde - bis heute - der Fahrbahn die notwendige Elastizität entzogen. Es ist zu vermuten, daß dieser Umstand die Betriebssicherheit im Schienenverkehr vermindert hat.

Als aktuelles Beispiel für die fehlende Elastizität des Bahndammes und der Schienenlagerung ist der Ausbau des ICE-Netzes zu nennen. Da es sich vorwiegend um Tunnel- und Brückenbauwerke sowie hochverfestigte Dammaufbauten handelt, mußte der Schotter höher verdichtet werden, um die sich aus den höheren Geschwindigkeiten ergebenden stärkeren dynamischen Belastungen aufnehmen zu können. Da es für ein Schienenfahrzeug aber nicht von Bedeutung ist, ob sich der Fahrbahnaufbau oder aber die Lagerung der Schienen elastisch verhält, wurden ersatzweise bedingt elastische Schienen-Auflager eingesetzt. Auf anderen Streckenabschnitte reduzierte man auch ganz einfach die zulässige Geschwindigkeit.

"Bedingt elastisch" deshalb, weil diese Auflager nur zu einer geringen Erhöhung der Elastizität führen können, mitunter diese aber sogar verringern. Der Grund ist folgender: Die Elastizität des konventionellen Schotteroberbaus bewegt sich um c = 18 - 20 kN/mm. Für das Elastomer - das ist eine Hartgummi-Zwischenlage - wurde eine Federsteife gewählt, die der umgerechneten Elastizität des hochverdichteten Schotteroberbaues mit wenig elastischer Unterfütterung entspricht (c = 20 - 25 kN/mm). Berücksichtigt man jedoch die montagebedingte und die achslastabhängige Vorspannung bei diesem Puffer, so ergibt sich eine Federsteife von ca. 30 kN/mm, welche damit noch über der des hochverdichteten Schotterbettes liegt.

Der Presse war zu entnehmen, daß sich die Wartungsintervalle der Fahrzeuge aufgrund erhöhter Riffelbildung halbiert haben. Die Unterhaltung und teilweise Erneuerung des Schotteroberbaues wird auf Hochgeschwindigkeitstrassen bereits nach 5 - 6 Jahren Betriebsbelastung erforderlich, was ebenfalls einer Halbierung der Unterhaltungszyklen entspricht. Die Ursache liegt in Walkvorgängen beim Abrollen des Rades und in nicht abgefederten Schwingungsspitzen. Da einer solchen mit einer dynamischen Belastung gekoppelten Schwingungsanregung aber nur elastisch zu begegnen ist, fordern Experten immer wieder eine Erhöhung der Fahrbahnelastizität. Dieses Ziel ist aber aus vorstehenden Gründen mit bedingt elastischen Auflagern und elastischen Zwischenlagen nicht zu erreichen.

Unterschottermatten, Masse-Feder-Systeme, Federsteife des Puffers

Um den gestiegenen Anforderungen des Immissionsschutzes zu entsprechen und die Belastungen der tangierten bzw. untertunnelten Bebauung zu senken, wurden bereits um 1970 zur Reduzierung der Steifigkeit des Schotteroberbaues auf betoniertem Unterbau Unterschottermatten eingesetzt. Man erhoffte sich so die Erschütterungen und den Körperschall zu dämpfen, hatte zunächst aber nur mäßigen Erfolg. In besonders sensiblen Bereichen konnte mit sog. "Masse-Feder-Systemen" eine deutlich höhere Dämpfung erreicht werden. Dazu wurde die mitschwingende Masse mit einem Betontrog zur Aufnahme des Schotterbettes erhöht und abgestimmt auf die Eigenfrequenz von ca. 12 Hz vollflächig oder auf elastischen Stützpunkten gelagert. Wegen der hohen Baukosten ist diese Konstruktion ist nur in absoluten Einzelfällen zu vertreten. (Bild MaFe)

Dem Wirkungsgrad - dem sog. Dämpfungsprofil - bekannter Systeme wie bedingt elastischen Schienen-Auflagern bzw. Unterschotter-Matten sind aus physikalischen Gründen Grenzen gesetzt: Wegen des gewählten Wirkungsprinzips - sie zielen vorrangig auf die Dämpfung des angeregten Pegels im Körperschallbereich ab - wird die Dämpfungsleistung durch die gewählte Federsteife des Puffers in Abhängigkeit zur Einfederung bestimmt. Für den Puffer müssen bei begrenzter Einferderung Federsteifen zwischen 20 - 25 kN/mm gewählt werden, welche sich montagebedingt auf 25 - 30 kN/mm erhöhen (durch das Gewicht des darauf liegenden Schotterbettes und der Schienen). Dies entspricht aber etwa der Federsteife eines Schotteroberbau mit hoch verdichtetem Unterbau. Messungen ergaben, daß im breitbandig angeregten Schwingungspegel des Frequenzbereichs um 60 - 65 Hz nur Dämpfungen zwischen 8 - 18 dBv erreicht wurden, wobei der Nulldurchgang (Beginn der Dämpfung) zwischen 35 - 45 Hz lag.

Im Bereich der Erschütterungen sowie im oberen Körperschallbereich wurde keine Dämpfung erzielt.

Der Einsatz der Matten führte in Abhängigkeit von Federsteife, Volumen und Einfederung vielmehr dazu, daß im niederfrequenten Bereich sog. Resonanzüberhöhungen auftraten. Diese wurden bereits meßtechnisch nachgewiesen und haben einfache physikalische Ursachen: Da die Schwingungen von Rad und Schiene nicht synchron abzustimmen sind, fkommt eszu einem Kontaktverlust zwischen Rad und Schiene und schließlichzur in jüngster Zeit thematisierten Verriffelung von Rad und Schiene, aus der sich Pegelerhöhungen von 10 - 15 dBv ergeben. Allein diese zusätzlichen Immissionen stellen stellt den Einsatz von Puffern mit geringer Dämpfung in Frage. Sie führen zur vermeidbaren Erhöhung der Unterhaltungskosten bei Rad und Schiene und letztlich auch im Fahrbahnaufbau.

Um diesen konträren Wirkungen zu begegnen und die Dämpfungsleistung zu erhöhen wurde bei den Weiterentwicklungen die Federsteife reduziert. Dazu mußte das Volumen des Elastomers erhöht werden, womit aber auch die Einfederung zunahm. Die Folge dieser Bewegungen ist eine höhere Schotterkornumlagerung und -reibung. Im Laufe der Zeit wird das Schotterbett zertrümmert. Bei den bekannten Schienen-Auflagern war letztlich die Stabilität von Schienenneigung zu Schienenkopfauslenkung nicht mehr gewährleistet. Da nicht die Ursache der Schwingungsanregung - die starre Stützpunktlagerung - beeinflußt wurde, blieben die Probleme ungelöst.

konventionelle Auflager mit elastischen Zwischenlagen wie z. B. "ioarv 300"

Es liegt also nahe, daß man mit der Verlagerung des Puffers in das Schienen-Auflager der Problemlösung näher kommt. Dieses Vorhaben scheiterte bisher aber an den Vorgaben hinsichtlich der wählbaren Steifigkeit des Pufferelastomers. Aus betrieblichen Anforderungen müssen elastische Schienen-Auflager

• in der Einfederung begrenzt sein,
• die Stabilität der vorgegebenen Schienenneigung sicherstellen,
• zur Vermeidung von Entgleisungen das Spurmaß halten und
• bei festen Fahrbahnen eine nachträgliche Korrigierbarkeit des Schienen-Auflagers erlauben (im Schotteroberbau kann die Gleislage auch mit Schotter-Stopfmaschinen korrigiert werden).

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden wurde bei geringerem Volumen und lastabhängig umlaufend frei ausformbarer Lagerung des Elastomers die Federsteife des Puffers wieder vergleichbar der Federsteife des erhöht verdichteten Schotteroberbaues gewählt (c = 20 - 25 kN/mm).

Da aber die wirksam mitschwingende Masse des Schotters fehlte, erreichte man - ebenfalls auf den Bereich um 60 - 65 Hz bezogen - nur eine Dämpfung von ca. 8 - 12 dBv. Auch hier zeigten sich verstärkt Resonanzüberhöhungen. Der sekundär angeregte Luftschall, bestimmt durch die Membranwirkungen von Schienen und Rädern nahm zu. Folglich stellte sich auch hier eine erhöhte Verriffelung der Schienen sowie der Fahrzeugräder ein. Diese Verriffelung führt bekanntermaßen - neben Kosten für Abschleifen und Austausch der Radkränze dazu, daß der Pegel bei Erschütterungen und Luftschall um ca. 10 - 15 dBv ansteigt. Mit dem Einsatz dieser bedingt elastischen Auflager kann also weder eine Senkung der Immissionen noch des Verschleißes und damit der Betriebskosten erreicht werden!

Ungeachtet dieser technischen und wissenschaftlichen Erkenntnisse entwickelte die Bahn AG ein kostengünstiges - bedingt elastisches - Schienen-Auflager, was vermehrt zum Einsatz kam ("ioarv 300"). Die statische Steifigkeit des Elastomers beträgt ca. 22,5 kN/mm. Diesen Wert nimmt die Deutsche Bahn AG als Vorgabe zur Schienenlagerung bei festen Fahrbahnen. Der dadurch höhere Luftschall soll durch einen zusätzlichen absorbierenden Belag um 5 - 8 dB(A) gedämpft werden.

Der so ausschließlich unter statischen Gesichtspunkten geschaffene Standard bestimmt bisher die wählbare Steifigkeit und die Preisbasis für Wettbewerbsprodukte. Eine kontinuierliche Weiterentwicklung und Optimierung dieses Auflagers und ein objektiver Vergleich von Leistungsfähigkeit und Preis mit anderen Entwicklungen (wie z. B. den nachfolgend beschriebenen) erfolgte nicht.

Ein Schienen-Auflager als sicherheitsrelevantes Bauteil muß natürlich einem unabhängigen mechanischen und schwingungstechnischen Prüfverfahren und einer betrieblicher Praxiserprobung unterzogen werden. Offensichtlich besteht aber kein Interesse an der Entwicklung von Alternativlösungen, denn man war nicht bereit war, damit verbundene Entwicklungskosten - auch nicht für Prüfungen und Zulassungen durch die Bahn AG selbst - zu übernehmen, obwohl zuvor die Prüf- und Versuchsanstalten extra zur Prüfung von Neuentwicklungen ausgestattet wurden.

Die Zulassung der nachfolgend beschriebenen Entwicklung meines Vaters Heinz Fischer (Grundform 1) für den Nahverkehr liegt vor, die Praxiserprobung verlief bislang mängelfrei.

Eine Zulassung der Grundform 2 für Bundesbahnstrecken wäre reine (allerdings kostspielige) Formsache. Aufgrund des bereits bewährten Konstruktionsprinzips ließe sich das zu erwartende Ergebnis eines Prüf- und Zulassungsverfahrens für Bundesbahnstrecken von vornherein abschätzen.

Im Anforderungs-Katalog der Bahn AG zum Aufbau fester Fahrbahnen wird die Federsteife für das Auflager bei geringem Elastomervolumen mit c = 20 - 25 kN/mm angegeben. Montagebedingt und in Abhängigkeit von der Achslast erhöht es sich auf ca. 30 - 35 kN/mm. Um die Einfederung des bisher favorisierten "Ioarv 300" zu begrenzen, mußte letztlich der Schwellenabstand reduziert - also die Anzahl der Auflager/Stützpunkte pro Schienenmeter - erhöht werden. Da man weiß, daß die statische Federsteife eines hochverdichteten Schotters auf felsigem oder aber betoniertem Unterbau um den Faktor 2 - 3 zunimmt, kann von einer reduzierten Steifigkeit in der Lagerung der Schienen oder aber dem Fahrbahnaufbau keine Rede sein.

Berücksichtigt man ferner, daß die dynamische Belastung der Fahrbahn nur bis etwa 120 km/h konstant ist und darüber hinaus nicht nur stetig zunimmt, nimmt auch die konträre Wirkung aus der gewählten Auflagerform zu. Da so nur eine zu vernachlässigende Dämpfung erreicht wird, ist nicht zu verstehen, wieso dieser Auflagertyp für die Neubautrassen im ICE-Netz eingesetzt wird.

Es liegt auf der Hand, daß die Zunahme der dynamischen Belastung sowie die hiermit zu verbindenden Resonanzüberhöhungen nicht ohne nachteilige Wirkungen geblieben sind: Sie führten zu einer überhöhten Schotterkornreibung, einer Schotterkornzertrümmerung und Schotterkornumlagerung sowie einer erhöhten Riffelbildung bei Rad und Schiene und verminderten den Fahrkomfort.

Auf diese Weise wird leider dem Immissionsschutz entgegengewirkt. Über die Inanspruchnahme von Subventionen, Zuschüssen und die gesundheitlichen Beeinträchtigungen durch Schienenlärm entstehen laufend volkswirtschaftliche Schäden. Dabei handelt es sich um externe Effekte, Kosten in Milliardenhöhe, die von der Bahn AG auf den Benutzer bzw. die Allgemeinheit verlagert werden.

2.3 Hochelastische Schienenlager nach Patenten von Heinz Fischer

Es ist bekannt, daß sich mittels Vorspannung die lastabhängige Einfederung eines Puffers reduzieren läßt. So kann im Rahmen der zulässigen technischen Daten die Dämpfung erhöht werden.

Hierbei handelt es sich um eine Optimierungsaufgabe, da die Vorspannung eines Elastomers auf verschiedene Weise möglich ist und die Erhöhung der statischen Steifigkeit auch zu Nachteilen führen könnte.

Bei den bisher verwendeten Systemen wird ausschließlich die achslastabhängige Vorspannung und Einfederung bei umlaufend freier Ausdehnungmöglichkeit des homogenen Elastomers gewählt. Bei zelligen Strukturen dagegen wird die Einfederung auf die innere Verformung begrenzt.

Eine Vorspannung erfolgt am einfachsten mittels Druckbelastung, wobei der Bereich konstanter Elastizität des Elastomers nicht überschritten werden darf. Um bei dieser Form der Vorspannung die statischen und dynamischen Belastungen aufnehmen zu können, muß das Volumen des Auflager-Elastomers erhöht, die Federsteife reduziert und das Elastomer kraftschlüssig gelagert werden.

Unter Belastung versucht ein Elastomer sich senkrecht zur Belastungsrichtung auszudehnen, was bei dieser Konstruktion ausgeschlossen ist. Es kann sich daher nur innerlich verformen, was wiederum durch die Form und Anordnung der Aussparungen im Inneren des Elastomers begrenzt wird.

Die Umsetzung der gewonnenen Erkenntnis in eine geeignete Konstruktion hat zu zwei Grundformen geführt. Weiterentwicklungen bis einschließlich einer Weichenlagerung waren ohne weiteres möglich.

Bei den Entwicklungen wurde auch eine kostengünstige Erneuerungsmöglichkeit des Auflager-Elastomers gefunden. Dazu ist eine Grundform vorhanden, die einen einzelnen Austausch von Auflagern ermöglicht, womit alle Auflagerkomponenten einzeln austauschbar sind. Hierdurch wird auch eine komplette Erneuerung des Auflagers nach der Versprödung* des Elastomers vermieden und auch in diesem Zusammenhang werden die Unterhaltungskosten minimiert *(nach den bisher vorliegenden Erfahrungen ist die Lebensdauer von permanent vorgespannten Elastomeren mit geringer Federsteife deutlich höher anzunehmen als von solchen Elastomeren mit relativ hohem Federweg oder aber Elastomeren mit hoher Federsteife).

2.3.1 Grundform 1 (für Stadt- und U-Bahnen)

Die Grundform 1 wurde durch die TU-Berlin für den U-Bahnbau geprüft und 1991 in zwei Erprobungsabschnitten als feste Fahrbahn beim U-Bahnbau in Frankfurt am Main in der Station "Habsburgerallee" eingebaut. Sie ist bis heute mängelfrei geblieben.

Die in situ durchgeführten Schwingungsmessungen haben die angestrebte Dämpfung von > 20 - 25 dBv im gesamten relevanten Frequenzbereich von 15 - 250 Hz und darüber bestätigt, und das bei einer Einfederung von < 1,00 mm.

Es kann angenommen werden, daß bei einer höheren Einfederung - max. 2,00 mm sind vorgesehen - eine noch höhere Dämpfung erzielt wird.

Es wurde ein in eine Einblock-Schwelle versenktes und im Volumen erhöhtes Auflager-Elastomer mit einer Federsteife von < 10 kN/mm konstruiert.

Das Auflager-Elastomer ist fest an die Rippenunterlagsplatte anvulkanisiert und wird durch zwei außenliegende Kopfplatten fixiert. Durch die neuentwickelten Spannklemmen Skl "F" werden die Kopfplatten niedergehalten und das Elastomer mit ca. 6,5 kN/Skl vorgespannt. Unter Last spannt sich das Elastomer je nach Achslast weiter vor. Durch die begrenzte Einfederung ist ein vorzeitiger Verschleiß des Elastomers ausgeschlossen.

Obwohl schon die Konstruktion erwarten läßt, daß das Auflager auch sich horizontal ausbreitende Schwingungen dämpft, wurden zur Erprobung Einblock-Schwellen gewählt. So konnte die Dämpfungsleistung des Auflagers eindeuitig ermittelt werden und die Meßergebnisse wurden nicht durch Einflüsse aus der Achsanregung beider Auflager bzw. dem Fahrbahnaufbau verfälscht.

Um die Gleismontage bei der Einzel-Stützpunkt-Lagerung zu erleichtern, wird die Montage des Auflagers auf einer Zwei- bzw. Mono-Block-Schwelle empfohlen. Auf diese Weise wird auch die Oberfläche der festen Fahrbahn strukturiert, wodurch eine weitere Absorbtion des Luftschalls durch Verwirbelungen erreicht werden kann.

Die angestrebte und erzielte Wirkung des Auflagers wird auch künftig unerreicht bleiben, selbst wenn Betreiber von Stadtbahnstrecken durch Verminderung der technischen Anforderungen an Schienenlager die zulässige Schienenkopfauslenkung und Einfederung wesentlich über 2,00 mm erhöhen, z.B.um in Ausschreibungen Wettbewerbsprodukte berücksichtigen zu können. Durch solche Zugeständnissse sinkt natürlich auch die Lebensdauer eines Auflagers!

2.3.2 Grundform 2 (für Bundesbahnstrecken)

Um den Forderungen der Deutschen Bahn AG nach einer Höhen- und Lagekorrektur der Schiene problemlos entsprechen zu können, wurde dieser zerlegbare Typ entwickelt. So können die Kosten des Auflagers für den Neubau und die Unterhaltung/Auswechslung des Auflager-Elastomers reduziert werden.

Es ist entweder wie die Grundform 1 versenkt in einer Betonausnehmung oder aber als Rahmen-Schienen-Auflager für ebene Unterbauten auszuführen. Der Rahmen des Auflagers ist mittels Schwellenschrauben vorzumontieren.

Für die Niederhaltung und Vorspannung des Auflagers sind jedoch von 4 Stück Stehbolzen mit zugehöriger Spiralfeder vorgesehen. Die dynamische Spannkraft ist mit 3 - 5 kN/Feder anzunehmen. Bei hohen Geschwindigkeiten und Achslasten wird eine Auflagervorspannung von ca. 18 - 20 KN empfohlen.

Auf eine Anvulkanisierung des Auflager-Elastomers kann verzichtet werden, wodurch sich eine erhebliche Kostenersparnis ergibt. So beschränkt sich die Unterhaltung des Gleises auf eine Erneuerung des Auflager-Elastomers.

Die Federsteife des Elastomers bleibt wählbar und sollte entsprechend den gewonnenen Erkenntnissen etwas weniger als 10 kN/mm betragen. Das Elastomer ist leicht konisch ausgebildet und wird kraftschlüssig zu den Umschließungen montiert. Die Ausnehmungen im Elastomer sind dabei auf die Begrenzung der inneren Verformung und die wirksame Horizontalkraft abzustimmen.

Bei Anordnung des Auflagers im Aufbau einer festen Fahrbahn erfolgt die Lagekorrektur der Schiene durch die Austausch der Rippenplatte gegen eine Rippenplatte mit korrigiertem Schienenauflager ( + 5,00 mm) . Höhenkorrekturen erfolgen durch die Verwendung von Zwischenlagen unter der Rippenplatte ( + 25 mm). Das Auflager ermöglicht in seiner Rahmenausführung auch eine elastische Lagerung von Weichen .

Obwohl die Bahnbetriebe bei der Anordnung hochelastischer Schienenauflager noch zurückhaltend sind und die an eine optimierte Lagerung der Schiene zu stellenden Anforderungen zurücknehmen, ist doch erkennbar, daß insbesondere in diffizilen Bereichen und bei hohen Geschwindigkeiten ein Einsatz unverzichtbar wird, gerade wenn der Luftschallpegel reduziert werden muß und den Erschütterungen durch passive Schallschutzmaßnahmen (Schallschutzwände etc.) nicht zu begegnen ist.

Durch die von der Deutschen Bahn AG angestrebten hohen Fahrbahnsteifigkeiten verschärft sich der Verschleiß an Fahrbahn und Fahrzeugen (Verriffelung, vorzeitige Zertrümmerung des Schotterbetts). Damit geht eine Zunahme des Schienenlärms sowie der Erschütterungen einher. Es ist daher nicht verwunderlich, daß sich Einsprüche Betroffener häufen. Angesichts hier beschriebener und auch verfügbarer neuer Auflagertechnologien werden Vertreter der Deutschen Bahn AG in Anhörungsverfahren zunehmend in Argumentationsnot geraten.

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