3. Aktuelle Fragen:

3.1 Schäden an Brückenbauwerken

Hier ist zunächst zwischen Stahlbrücken und Stahlbeton-Brücken zu unterscheiden:

Bei Stahlbrücken wird die Intensität des abgestrahlten Körperschalls dadurch bestimmt, ob das Schotterbett durchgehend ist oder aber die Lagerung der Schwellen unmittelbar auf der Stahlkonstruktion erfolgte. Ist eine Schotterbettung vorhanden, wird der Körperschall vorwiegend über die den Schotter tragenden Brückenbleche abgestrahlt. Bei älteren Bauwerken wurden die Schwellen oftmals direkt auf der Konstruktion verlegt, was zu einer entsprechend hohen Schwingungsanregung und zu sehr hohen Schallemmissionen führt. Auftretende Schäden befinden sich in der Regel im Umfeld der Stoßverbindungen der Konstruktion: Der Schutzanstrich löst sich und muß erneuert werden. Da die Bauwerke erheblich überdimensioniert sind, halten sich die Schäden in Grenzen und können im Rahmen der turnusmäßigen Anstricherneuerungen behoben werden.

Stahlbetonbrücken haben eine erheblich höhere Masse, entsprechend geringer ist der abgestrahlte Körperschall. Zu beachten ist die zeitabhängig auftretende Gefügeveränderung: Da der Stahl im Beton anders schwingt als der Beton selbst. Dies ist bei den Spannstählen der Spannbetonbrücken anders zu bewerten als bei der schlaffen Bewehrung von Stahlbetonbrücken. Die Spanndrähte sind in der Regel mit einer geringeren Betondicke ummantelt. Gerade bei Spannbetonbauwerken aus den ersten Nachkriegsjahren treten zunehmend Korrosionsschäden an den tragenden Stahlkonstruktionen auf. Durch feine Risse im Beton dringt Regenwasser ein, welches nicht mehr entweichen kann und am ungeschützten Stahl diese Korrosionsschäden verursacht. Die Schwingungen der Brücke führen im Laufe der Zeit immer auch zu einer Baugrundverdichtung und in deren Folge zu Setzungen. Dies gilt auch für die Bebauungen im Bereich des Brückenbauwerkes, da sie von den Erschütterungen ebenfalls erfaßt werden. Es liegt auf der Hand, daß eine Verminderung der Erschütterungen auch die Lebensdauer der betroffenen Bauwerke erhöht.

Grundsätzlich kann gesagt werden, daß die Beeinträchtigungen umso höher sind, je geringer die Masse des Bauwerkes ist.

3.2 Erhöhter Verschleiß von Rädern und Fahrbahn bei Hochgeschwingigkeitszügen

Untersuchungen des Berliner Bahn-Umwelt-Zentrums haben ergeben, daß glatte Schienen und bessere Bremsen die Lärmimmissionen von Güterzügen um ca. 10 Dezibel senken würden. Das entspräche einer Halbierung des wahrgenomenen Lärmpegels. Güterwagen besitzen nach wie vor gußeiserne Bremsklötze, welche Riefen in den Laufflächen verursachen. Eine Umrüstung auf leisere Scheibenbremsen kommt aber aus Kosten- und Gewichtsgründen nicht in Betracht. Zur Zeit wird mit bescheidenem Erfolg versucht, Bremsklötze und Laufräder zu modifizieren und Kunststoffe einzusetzen. Die Firma Talbot entwickelte z. B. lärmabsorbierende Schürzen, welche in Verbindung mit niedrigeren Schallschutzwänden den Schienenlärm reduzieren können. Dadurch steigt jedoch das Gewicht der Waggons um mehrere Tonnen.

All diese Maßnahmen lösen jedoch nicht die Verschleißprobleme an Rädern und Schienen. Neue Werkstoffe haben sich als nicht ausreichend belastbar erwiesen.

3.2.1. Verriffelung der Schienen

Die Verriffelung von Rad/Schiene ist in den Ursachen so komplex und vielfältig wie die Schwingungsanregung im Rad-/Schiene-System. Im wesentlichen wird die Verriffelung durch das gegenläufige Schwingen von Rad und Schiene in Abhängigkeit von der Häufigkeit der Zugfahrten und der Geschwindigkeit und dem sich im Schwingungssystem ergebenden Kontaktverlust des Rades auf der Schiene verursacht. Um dem zu begegnen, müssen die Anregungsursachen beeinflußt werden. Dies erfordert für die unabgefederte Achsfahrmasse eine wirksame Entkoppelung vom Fahrzeugaufbau - dem Wagenkasten - mit einer breitbandig wirkenden Federung wie z.B. einer Luftfederung. Soweit mir bekannt, sind die bisherigen Federungen zwischen der von unabgefederten Achsfahrmasse und dem Fahrzeugaufbau nur auf eine engbegrenzte Frequenzbreite um 50 - 65 Hz abgestimmt.

3.2.2. Verschleiß der Radkränze

Der Verschleiß begründet sich einerseits im Kraft-Last-Abrieb und andererseits in den aufeinanderfolgenden Walkvorgängen im Radumlauf, der nie absolut rund ist. Zudem bewegt sich das Rad mit der Achse im sogenannten Sinuslauf im Spurkanal und aus dieser Bewegung ergibt sich ein ständiges Anlaufen des Spurkranzes an die Schiene. Da Rad und Schiene gegeneinander schwingen, die Schiene mit der unabgefederten Achsfahrmasse aber um die Rauigkeiten von Rad/Schiene auszugleichen wenig elastisch gelagert ist, führt der walkende Umlauf des Rades zu einer Veränderung der Oberflächenstruktur. Um die so auftretende Verriffelung auszugleichen, muß das Rad neu profiliert werden, was immer auch zu einem Materialverlust führt. Obwohl die Geometrie von Schiene und Radkranz weitgehend aufeinander abgestimmt sind, kann mangels fehlender Elastizität im Rad/Schiene-System kaum von einer Optimierung hierdurch gesprochen werden. Es ist erwiesen, daß eine elastische Lagerung der Schiene den Kontakt zwischen Rad und Schiene erhöht und so die Reibungsverluste, die Verriffelung und letztlich auch den Stromverbrauch reduziert.

3.2.3. Zertrümmerung des Schotterbettes

Das Schotterbett darf im komplexen Schwingungssystem nicht nur als last-aufnehmende und last-verteilende Schicht gesehen werden: Insbesondere nicht angesichts der erhöhten dynamischen Belastung und Schwingungsanregung.

Last und Schwingungen werden von den Schwellen auf den Schotter und den Unterbau übertragen, wobei es zur Anregung auch der Eigenfrequenz des Schotters und zu einer Resonanz des Unterbaues kommt. Je intensiver diese Anregung ist, um so größer ist in Verbindung mit der Lastabtragung die Reibung des Schotters. Da es sich hierbei um ein Schüttgut handelt, kommt es zu Schotterkornumlagerungen, die Verkeilung des Schotters löst sich, wobei sich die Einfederung, der Federweg der Fahrbahn (Schwellen und Schienen) erhöht. Das ist die Hauptursache für die Zertrümmerung des Schotters. Um dem zu begegnen, ist das Gewicht der Fahrbahn (Schwellen und Schienen) auf die erhöhte Geschwindigkeit abzustimmen und ein elastisches Schienen-Auflager aufzubauen, das in der Lage ist, eine Entkoppelung der Schwingungen zwischen der Lagerung der Schienen sowie den Schwellen, Schotter und Unterbau zu erzielen. Dies wird mit den bekannten bedingt elastischen Auflagern nicht erreicht. Da einerseits die Resonanz der Betonschwellen und des Unterbaues im Erschütterungsbereich (um 20 Hz) und die des Schotters im Bereich von 80 - 100 Hz liegen, muß die Dämpfung bereits unter 20 Hz beginnen, um eine hohe Dämpfung im höher frequenten Bereich gewährleisten und ein insgesamt niedriges Pegelniveau erzielen zu können.

3.4 Mögliche Ursachen der ICE-Entgleisung bei Eschede

Wenn die Rede von Sicherheit des Schienenverkehrs ist, wird zumeist von "Betriebssicherheit "gesprochen. Genaugenommen ist aber zwischen der "signaltechnischen Sicherheit" und den Anforderungen an die konstruktive Sicherheit der Anlagenauslegung - der "Betriebssicherheit -" zu unterscheiden.

Die Betriebssicherheit eines Schienen-Verkehrssystems wird im Wesentlichen durch die Anlagenauslegung und die gefahrene Geschwindigkeit determiniert. Dazu gehören noch: Wahl der Trassierungselemente, Radien - besonders der Weichen -, Überhöhungen, Sicherung der Konfliktpunkte, Durchrutschwege, Freiräume, Profileinschränkungen etc...

Die konstruktive Sicherheit in der Auslegung der Anlagen (Fahrbahn, Weichen, Fahrwerk) ergibt sich aus deren Überdimensionierung in Relation auf Belastungen aus einer Geschwindigkeit von ca. 120 km/h. Wird aber die Geschwindigkeit wesentlich erhöht, steigen auch die wirksam werdenden Kräfte und die Auslegung der Anlage und deren Konstruktion sind neu zu gewichten. Kurz gesagt: Es werden die Regularien der signaltechnischen Sicherheit durch die zulässige Höchstgeschwindigkeit beziehungsweise einen möglichen Konfliktpunkt im Fahrweg bestimmt..

Entspricht die Anlagenauslegung im Fahrweg nicht den Forderungen der signaltechnischen Sicherheit, hat dies immer eine Geschwindigkeitsbeschränkung zur Folge, Kompromisse sind hier ausgeschlossen.

Diese Stringenz findet sich bei der Bewertung zur Betriebssicherheit nicht. Deutlich wird die bestehende Kompromißbereitschaft z. B. im gewählten Mischsystem - der Einbindung des Hochgeschwindigkeitsverkehrs in das bestehende Verkehrsnetz mit seinen bestehenden Gleis- und Weichenanlagen, Einbauten, Bebauungen, Brückendurchfahrten, den Profileinschränkungen, etc.

Selbstverständlich ist jedem Gleisbauer bekannt, daß eine spitz befahrene Weiche, insbesondere bei vorliegendem Verschleiß an den Zungen und Radkränzen, bei einem Radbruch ein hohes Entgleisungsrisiko darstellt und bei hoher Geschwindigkeit immer auch zur Zugtrennung führen wird, wenn sich das entgleiste Fahrzeug in den abzweigenden Strang der Weiche bewegt. Wird die entgleiste und die getrennte Zugeinheit zudem noch in der Fortbewegung durch eine Profileinschränkung behindert, sind Katastrophen unausweichlich.

Solange Planer oder Manager bei ihren Entscheidungen dieses Szenario nicht vor Augen haben, werden sie nicht verstehen, welche anderen Risiken durch eine vermeindliche Kostenersparnis eingegangen werden.

Das Rad- und Achsbrüche im Eisenbahnsystem vorkommen ist bekannt. Man kennt auch deren Ursachen und weiß, daß sie nicht nur auf Materialfehlern beruhen. Durch das Wechselspiel von Rad und Schiene und die Tatsache, daß der Radumlauf nie ganz rund ist, sondern durch eine Aneinanderreihung von Walkvorgängen bestimmt wird, entstehen Gefügeveränderungen und wellenförmige Riffel. Dieser walkende Umlauf wirkt sich bei einem Vollrad natürlich anders aus als wie bei einem mehrschichtig aufgebauten Rad. Werden im Schichtaufbau des Rades zudem unterschiedliche Materialien wie elastische Einlagen verwendet, erhöht sich die Materialbelastung noch. Wird dann aus Ersparnisgründen ein unwuchtiger oder verriffelter Radreifen neu profiliert (abgedreht) und so die Überdimensionierung verringert, muß bei einer sich geschwindigkeitsabhängig erhöhenden dynamische Belastung des Rades einkalkuliert werden, daß Schwingungsspitzen zum Materialbruch des Radreifens führen können.

Trotz Kenntnis dieser Zusammenhänge und verfügbarer Meßtechnik erfolgte keine turnusmäßige Materialprüfung.

Diesen Risiken aus der dynamischen Belastung der Räder kann nur durch elastische Lagerung begegnet werden. Aus für mich nicht nachvollziehbaren Gründen wurde aber nur eine primitive und noch dazu wirkungslose Lagerung der Schienen mit elastischen Zwischenlagen gewählt. Obwohl diese Zwischenlagen nachträglich noch ausgewechselt wurden, konnten die dynamischen Belastungen nicht verringert werden. Im Gegenteil: diese Lagerung weist eine höhere Federsteife auf als die Lagerung der Fahrbahn im konventionellen Oberbau.

Auf den gezeigten Bildern des Unglücks in Eschede ist erkennbar, daß dort die Lagerung der Schienen auf starren Schienen-Auflagern beibehalten wurde. Unter anderem aus diesem Grunde war die zulässige Höchstgeschwindigkeit auf 200 km/h reduziert, ein Indiz dafür, daß der Deutschen Bahn AG die Problematik aus der erhöhten dynamischen Belastung und Schwingungsanregung bekannt war.

3.5 Warum werden Hochelastische Schienenlager bisher kaum eingesetzt?

Die Bezeichnung "hochelastisch" setzt voraus, daß mit dem Auflager eine Entkoppelung von der Resonanz des Unterbaues (Schwellen und Untergrund) erzielt wird. Nur so können eine Lagerung der Schienen vergleichbar der eines endlosen elastischen Balkens erreicht und die unterschiedlichen Steifigkeiten von Stützpunktfeld und Stützpunkt-Auflager angeglichen werden. Der Schwingungspegel und auch die dynamische Belastung reduzieren sich erheblich und der Kontakt von Rad und Schiene sowie der Rundlauf des Rades werden verbessert. Der erhöhte Kontakt führt wiederum zur Minderung der stochastischen Anregung, welche durch die Rauhigkeiten von Rad und Schiene, der Walkung im Radumlauf, den unterschiedlichen Steifigkeiten, aber auch das Gegeneinanderschwingen von Rad und Schiene hervorgerufen wird.

Um dieser Vielzahl von Kriterien zu entsprechen, muß die Steifigkeit des Elastomers reduziert und dessen Volumen erhöht werden. Andernfalls wäre es unmöglich lastabhängig einen Dämpfungsbeginn unter 20 Hz zu erzielen. Da die Resonanzfrequenz von Schwelle und Unterbau im niedrigen Frequenzbereich um 25 Hz liegt, ist nur so eine Entkoppelung zu erreichen. Wird ein weicheres Elastomer mit einer Federsteife von > 10 kN/mm verwendet, kommt es lastabhängig zu nicht zulässig hohen Einfederungen.

Mir sind nur drei Grundformen bekannt, die als "hochelastisch" bezeichnet werden können. Es handelt sich dabei um die beiden vorstehend beschriebenen Entwicklungen meines Vaters und um ein Auflager eines österreichischen Unternehmens:

Dieses Unternehmen hat, um die vorstehenden Anforderungen zu erfüllen, ein hochelastisches Auflager mit einem geschlossen-zelligen Elastomer entwickelt, das sich umlaufend frei ausdehnen kann. Die Befestigung erfolgt mit 4 Stück Stehbolzen verankert ist, mit welchen das Auflager auf insgesamt ca. 12 kN vorgespannt wird. Nach vorliegenden Prüfergebnissen muß jedoch der Schwellenabstand reduziert werden, um die zulässige Einfederung nicht zu überschreiten.

Die beiden schon vorher von meinem Vater entwickelten Grundformen haben wegen ihrer kraftschlüssigen Lagerung und der Verwendung eines homogenen Elastomers nicht diese Nachteile und ermöglichen eine höhere Vorspannung, wodurch zudem die real wirksame Stützpunktlast reduziert wird.

Die Deutsche Bahn AG scheint der grundsätzlichen Auffassung zu sein, daß ihre Probleme vom Markt zu lösen sind. Die Auftragsvergabe der einzeln ausgeschriebenen Gewerke erfolgt aber jeweils an den Mindestbietenden, sofern die Lagerung der Gleise entsprechend den Vorgaben vorgesehen ist. Wie kann man dann noch erwarten, daß innovative Unternehmen auf eigene Kosten neue Lösungen entwicken, wo doch von vornherein abzusehen ist, daß diese bei einer solchen Ausschreibungspolitik chancenlos sein werden?
Die ausgeschriebenen Gewerke sollten stattdessen ganzheitlich - d. h. unter Berücksichtigung aller zusätzlich nötigen Maßnahmen wir passivem Lärmschutz, damit verbundener Nachteile wie erhöhter Wartung, Verschleiß und der Folgekosten - kalkuliert werden, und nichtstur nach einzelnen Komponenten, gerade so, als ob die Lagerung der Schiene und die Art des Untergrundes nichts mit Schienenlärm, Verschleiß, Verriffelung, Betriebssicherheit oder zulässigen Geschwindigkeiten zu tun hätte.


Obgleich die feste Fahrbahn keinesfalls kostengünstiger und wirtschaftlicher als ein Schotteroberbau mit hochelastischen Schienen-Auflagern ist, wird derzeit diese Oberbauform favorisiert. Um die sich hierbei ergebende erhöhte Luftschallanregung zumindest teilweise zu absorbieren, wird zusätzlich ein Belag erforderlich, welcher den erhöhten Luftschall aber nur halbieren kann. Das ist betriebswirtschaftlich absurd und verstößt gleichzeitig gegen das Immissionsschutzgesetz, wonach vermeidbare Pegelerhöhungen unzulässig sind.

Bei einer objektiven Untersuchung des Unglücks in Eschede würde man zu der Erkenntnis gelangen, daß die Hauptursache in betriebswirtschaftlichen wie sicherheitstechnischen Fehlentscheidungen und -einschätzungen begründet ist: Es ist der Deutschen Bahn AG bislang weder gelungen, die mit dem komplexen Schwingungssystem Rad/Schiene verbundenen Probleme zu lösen noch den erhöhten Anforderungen des Hochgeschwindigkeitsbetriebs zu entsprechen. Anstatt innovative Lösungen zu fördern und zu erproben wurde und wird versucht, den Durchbruch einer seit Jahren verfügbaren und überlegenen Technologie der Hochelastischen Schienenlagerung möglichst lange zu verzögern und mit konventionellem Eisenbahnbau Fakten zu schaffen. Warum dies schon aus physikalischen Gründen unverantwortlich ist, habe ich in den vorstehenden Kapiteln detailliert begründet.

Bedauerlicherweise sind inzwischen neben dem volkswirtschaftlichen Schaden nun auch noch Menschenleben zu beklagen.

Es ist richtig, daß mit der internen Reorganisation im Zuge der Privatisierung bei der Bahn AG ein Umdenken eingesetzt hat. Leider können nach einer 150jährigen Monopolstellung, in der wie in einem rechtsfreien Raum die Selbstbestimmung geltender technischer Normen möglich war, geprägte Strukturen nicht schnell genug aufgebrochen werden. War die Umsetzung einer technischen Erkenntnis zu kostenintensiv oder aufwendig, so wurde über Dienstvorschriften einfach die Verantwortung dem Fahrdienstleiter oder aber dem Lokführer übertragen.

Als vom Gesetzgeber der Immissionsschutz manifestiert wurde, versuchte sich das Managment der Bahn wegen eigener offenkundiger Versäumnisse in Abwiegelung und Verzögerung, anstatt die schon lange bestehende Herausforderung proaktiv anzugehen. Noch vor etwa zwei Jahren wurde Forderungen zur Minderung des Schienenlärms mit dem Hinweis begegnet, es "würden ja nur einige Betroffene klagen, ansonsten hätte man sich daran gewöhnt".

Nachdem dieser Standpunkt nicht mehr haltbar war, forderte man die Bereitstellung von zusätzlichen Mitteln für passiven Lärmschutz, um die Lärmschutzforderungen erfüllen zu können. Eine ursächliche Bekämpfung des Schienenlärms durch eine Optimierung des Schwingungssystems Rad/Schiene wurde gar nicht erst erwogen.

Inzwischen wird zur Abwehr von Einreden Betroffener auf fehlende europäische Normen hingewiesen, ohne daß hier ein Zusammenhang erkennbar wäre. Eine Optimierung des Rad/Schiene-Systems muß schon aus betriebswirtschaftlichen Gründen und Gründen der Betriebssicherheit erfolgen.

Dieser - zugegeben sehr umfangreiche - Aufsatz soll dazu dienen, Entscheidungsträger, Mitarbeiter, Unternehmer aber auch Betroffene umfassend zu informieren und den Weg für Innovationen im Bereich des Schienenwegebaus zu bereiten. Gleichzeitig bieten wir hier die Möglichkeit im Rahmen einer Diskussionsrunde kurze Fachbeiträge, Kritik oder Anregungen einzubringen.

Verantwortlich für den Inhalt ist Carsten Fischer.

Nachwort

Bei den hier empfohlenen Auflagern Finno HDSA "M" bzw. "R" handelt es sich um patentrechtlich geschützte Entwicklungen meines Vaters Heinz Fischer, von deren Wirkungsweise und Nutzen in ökologischer und volkswirtschaftlicher Hinsicht ich überzeugt bin. Angesichts der Monopolstellung der Deutschen Bahn AG im Bereich des Betriebs und Neubaus von Eisenbahntrassen in Deutschland erscheint es mir als legitim, das Informationsmedium Internet dazu zu benutzen, umfassende Hintergrundinformationen zu aktuellen Problemen zu veröffentlichen, welche in diesem Umfang so nicht anderswo verfügbar sind.

Ich bin mir der Tatsache bewußt, daß diese Darstellung kontroverse Reaktionen auslösen wird. Die Beschreibung der Sachverhalte und technischen Zusammenhänge erfolgte nach umfangreicher Recherche auf Basis eigener Erfahrungen und nach bestem Wissen unter Beachtung journalistischer Grundregeln.

Carsten P. Fischer, Hannover den 10. August 1998



















































































































































































































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