Eisenbahnschwelle

Gleis mit aufeinander folgenden Stahl-, Holz- und Betonschwellen

Bei der Bahnschwelle handelt es sich um den Teil des Eisenbahnoberbaus, der die Schienen trägt und deren Belastungen auf den Gleis-Unterbau überträgt und verteilt.

Es ist weiterhin die Aufgabe der Schwelle, die darauf befestigte Schiene in ihrer Lage zu fixieren und somit die Einhaltung der Spurweite sicherzustellen. Ende 2003 hatte das Schienennetz der Deutschen Bahn AG eine Länge von rund 35.600 km, darin verbaut sind rund 54 Millionen Bahnschwellen.

Man unterscheidet zwischen Längsschwellen (historisch belegt) und Querschwellen (heute vorherrschend).

Anforderungen

Eisenbahnschwellen müssen diversen Anforderungen gerecht werden; so müssen sie der Witterung widerstehen, Lasten gut verteilen können, ausreichend maßhaltig und nicht zuletzt günstig in der Instandhaltung sein.

Material

Im Laufe der Entwicklung von Eisenbahnschwellen sind verschiedene Materialien verwendet worden oder werden auch heute noch verwendet. Zu diesen Materialien zählen:

• Stahl (Querschwelle)
• Stahl (Bauform Y)
• Weichholz (Kiefer und Lärche)
• Hartholz (Buche und Eiche)
• Spannbeton
• Kunststoff

Stahlschwellen

Stahlschwellen

Y-Stahlschwellen und herkömmliche Stahlschwellen

Vor dem Aufkommen der Spannbetonschwellen wurden beim Bau von Gleiskörpern häufig auch Stahlschwellen verwendet. Sie sind langlebiger als Holzschwellen und müssen nicht mit Steinkohlenteeröl imprägniert werden. Die ursprüngliche trogförmige Stahlschwellenbauart wird heute nicht mehr eingesetzt, da sie nicht mechanisiert verlegt werden kann.

Eine besondere Form der Eisenbahnschwelle ist die Y-Stahlschwelle, bei der paarweise geschwungen geformte Stahlprofile zusammengefügt werden und so eine Y-förmige Schwelle ergeben. Im Gleis wird diese Schwelle mit jeweils einem Befestigungspunkt an der einen und zwei Befestigungspunkten an der gegenüberliegenden Schiene und in der Abfolge jeweils wechselweise um 180° gedreht im Schotterbett platziert.

Vorteile der Y-Stahlschwelle sind die geringe Bauhöhe, die hohe Gleislagestabilität auch bei engen Kurvenradien, das schmale Schotterbett (nur 2,60 m an der Schotterbettoberkante, Vorkopfschotter eingerechnet) und die weitgehende Unempfindlichkeit gegen Entgleisungsfolgen im Rangierbetrieb. Die Y-Stahlschwelle weist einen hohen Querverschiebewiderstand auf und ist elastischer als Betonschwellen. Nachteilig sind die Kosten je einzelner Schwelle aufgrund der hohen Stahlpreise. Dies wird jedoch weitestgehend dadurch kompensiert, dass man lediglich halb so viele Y-Stahlschwellen je Gleiskilometer benötigt, wie bei anderen Schwellensystemen (803 Y-Stahlschwellen statt 1667 Querschwellen).

Mittlerweile eignen sich diese Schwellen für alle Umbautechnologien und erlauben die gleichen Geschwindigkeiten bei der maschinellen Durcharbeitung wie in Querschwellengleisen. Bei ihrer üblichen Verwendung werden Streckenhöchstgeschwindigkeiten von bis zu 120 km/h zugelassen. Es sind aber auch schon wesentlich schneller befahrene Strecken mit Y-Schwellen in Betrieb gegangen.

Vielfach wird auf Strecken, die mit Y-Schwellen ausgerüstet sind, eine verstärkte Neigung zur Riffelbildung beobachtet, die zu erhöhten Schallemissionen führt. Sie werden daher nicht verwendet, wenn schalltechnische Anforderungen zur Vermeidung von Lärm zu erfüllen sind. Es wird jedoch von anderer Seite von gegenteiligen Erfahrungen berichtet ^[1]

Holzschwellen

Die Holzschwellen orientieren sich an den Querschnittsmaßen 0,26 x 0,16 m und haben eine Länge von 2,60 m oder mehr. Holzschwellen werden überwiegend auf Brücken und unter Weichen verbaut. Bei Brücken verhindern sie Resonanzen, unter Weichen werden sie benötigt, weil nur Holz in derart vielen verschiedenen Fertigungslängen wirtschaftlich zur Verfügung steht.

Holzschwellen werden mit Carbolineum (Steinkohlenteeröl) getränkt, um sie gegen schädliche Umwelteinflüsse wie Pilz- und Insektenbefall haltbarer zu machen. Diese Imprägnierung ist auch die Ursache für den typischen Geruch von Holzschwellen. Da die Verwendung carbolineumimprägnierter Hölzer in Innenräumen in der Chemikalien-Verbotsverordnung verboten ist, gibt es für U-Bahnen auch geruchlose Holzschwellen, die mit wasserunlöslichen Kupfer-Chrom-Arsenverbindungen imprägniert wurden.

Gleis mit Holzschwellen und Gleis mit Betonschwellen

Holzschwellen bestehen aus Hartholz, in Europa Buchen- und Eichenholz. In tropischen Ländern dagegen verwendet man abhängig von der örtlichen Verfügbarkeit das widerstandsfähige Teakholz sowie andere harte und resistente Hölzer. Hartholzschwellen werden sowohl auf freier Strecke als auch im Bereich von Brücken und Weichen eingebaut. Sie erreichen eine Lebensdauer von bis zu 35 Jahren. Holzschwellen übertragen Vibrationen weit weniger als andere Materialien, deshalb sind sie das bevorzugte Material für Brücken im bewohnten Bereich. Schwellen unter Weichen haben viele verschiedene Längen, was dazu geführt hat, dass sich Holz als Material für Weichenschwellen lange sogar bei sonst mit Betonschwellen ausgerüsteten Bahnanlagen gehalten hat.

Für Straßenbahngleise werden auch Weichholzschwellen aus Kiefern- und Lärchenholz verwendet.

Verwendungsbeschränkungen von Holzschwellen

Holzschwellen sind durch die Imprägniermittel und durch Rückstände aus dem Bahnbetrieb eine Gefahr für Gesundheit und Umwelt. Sie müssen daher als gefährlicher Sondermüll betrachtet und entsprechend entsorgt werden. Seit 1991 unterliegen sie entsprechenden gesetzlichen Vorschriften und Verwendungsbeschränkungen. Mit der Festlegung dieser Beschränkungen wurde unter anderem auch die bis dahin häufige Verwendung preisgünstig erworbener gebrauchter Holzschwellen im gewerblichen Landschaftsbau und durch Privatpersonen (etwa in Schrebergärten) unterbunden, wo Schwellen als Stützmauern, freistehende Sichtschutzwände, Sitzgelegenheiten und ähnliches verwendet wurden.

Imprägniermittel

Es gibt keinen wirksamen Ersatz für Carbolineum. Das Imprägniermittel Carbolineum und die durch Verdampfung daraus entstehenden gasförmigen Kohlenwasserstoffe sind ebenso wie Kupfer-Chrom-Arsenverbindungen gesundheits- und umweltgefährdende Stoffe, und unterliegen in Deutschland Verwendungsbeschränkungen, die bis 2002 in der Teerölverordnung, und seit 2002 in der Chemikalien-Verbotsverordnung festgelegt sind. Diese Beschränkungen gelten auch für die mit diesen Stoffen imprägnierten Holzschwellen.

Die Beschränkungen für carbolineumimprägnierte Holzschwellen sind im §1 und im Abschnitt 17 des Anhangs der Chemikalien-Verbotsverordnung festgelegt. Zum Beispiel dürfen solche Schwellen nicht in Innenräumen, in Gärten, in der Landwirtschaft, oder an Orten, an denen häufiger Hautkontakt mit dem imprägnierten Holz stattfinden kann, für Möbel, Spielzeug oder auf Spielplätzen verwendet werden, und nicht mit Nahrungsmitteln, Nutztieren oder Nutzpflanzen in Berührung kommen.

Für Kupfer-Chrom-Arsen-imprägnierte Holzschwellen sind Verwendungsbeschränkungen im Abschnitt 10 des Anhangs der Chemikalien-Verbotsverordnung festgelegt. Diese verbieten unter anderem eine Verwendung in Wohngebäuden, in Meeresgewässern, in der Landwirtschaft und an Orten, an denen die Gefahr häufigen Hautkontakts oder des Kontakts mit Lebensmitteln besteht.

Rückstände aus dem Bahnbetrieb

Gebrauchte Schwellen aller Art sind zusätzlich mit gefährlichen Rückständen wie Altöl (aus Radlagern, Spurkranzschmieranlagen und sonstigen geschmierten Teilen von Schienenfahrzeugen), an der öligen Oberfläche locker gebundenem Staub aus teilweise asbesthaltigem Bremsabrieb und Ruß aus Abgasen sowie durch die Unkrautbekämpfung in den Gleisbereich eingebrachten Pflanzenschutzmitteln belastet.

Betonschwellen

Spannbetonschwellen Typ B 70

Schienenhalter mit falsch montierter Vossloh-Federklemme.

Einblockschwellen

Wesentliche Vorteile von Schwellen aus Spannbeton, gegenüber Holz- und Stahlschwellen, sind eine bessere Lagestabilität durch größeres Gewicht und eine lange Nutzungsdauer von ungefähr 40 Jahren. Beim Regeloberbau der Deutschen Bahn werden Spannbetonschwellen des Typs B 70 mit einem Schwellenabstand von 60 cm verwendet.

In Deutschland begann die Erprobung von Betonschwellen in den 1920er Jahren. Im Bereich der Deutschen Bundesbahn wurden sie in größerem Umfang erstmals 1949 eingebaut. Bis 1974 wurden im DB-Netz 25 Millionen Betonschwellen verlegt.^[2]

Spannbetonschwellen vom Typ B 70 haben eine Länge von 2,60 m bei maximalen Querschnittsabmessungen von 0,30 m x 0,21 m und zirka 300 kg Gewicht pro Stück. Das Gewicht der Schwellen macht den Einsatz von Maschinen für den Einbau zwingend erforderlich.

Zweiblockschwellen

In der Schweiz und Frankreich ist die Zweiblockschwelle weit verbreitet. Diese besteht aus zwei Betonblöcken, die mit einem Spurhalter aus einem L- oder T-förmigen Stahlprofil miteinander verbunden sind. Durch das Auflösen der Schwelle in zwei Blöcke wird der Seitenverschiebewiderstand vergrößert. Die Zweiblockschwelle kommt in Deutschland zur Befestigung der Schiene bei der Festen Fahrbahn in Anwendung.

Kunststoffschwellen

Besonders zum Ersatz von Holzschwellen, wo aus verschiedenen Gründen keine Betonschwellen gelegt werden können (zum Beispiel bei der Schwellenerneuerung in Weichen) kommen in letzter Zeit Kunststoffschwellen im Einsatz. In Japan wird dieses Material bereits seit den frühen 1980er Jahren verwendet.

Aktuelle Kunststoffschwellen bestehen aus glasfaserverstärktem Polyurethan. Sie sind langlebiger und witterungsbeständiger als Holzschwellen, lassen sich aber genau wie diese sägen und bohren.

Besohlung

Um die Elastizität der Bettung und damit die lastverteilende Wirkung der Schiene zu vergrößern, kann die Unterseite der Schwellen mit einer elastischen Schwellensohle überzogen werden. Dies verringert den Instandhaltungsaufwand teils beträchtlich.^[3]

Schienenbefestigung

Die Schienen wurden anfangs mit Schienenstühlen und Nägeln auf den Stein- oder Holzschwellen fixiert. Später wurden Schrauben und dann zusätzliche Federelemente verwendet. Diese nehmen die Schwingungen der Schiene bei Belastung und ihre Dehnung bei Temperaturschwankung auf, ohne abzubrechen. Die verschiedenen Gesamtsysteme normierter Kleinteile, die zur Schienenbefestigung dienen, werden als Oberbauarten bezeichnet; in Deutschland dominieren auf Betonschwellen der Oberbau W und auf Holzschwellen der Oberbau K mit Varianten.

Alternativen zur Bahnschwelle

Zweiblockschwelle für Feste Fahrbahn

Mitte der 1990er Jahre wurden verschiedene neuartige Oberbausysteme entwickelt. Die Feste Fahrbahn kommt ohne Schotteroberbau und klassische Bahnschwellen aus. Je nach Ausführung werden die Schwellen dabei zu kleinen Betonsockeln reduziert, auf denen die Schienen montiert werden, bzw. die Schienen werden direkt auf der Betonfahrbahn montiert. Insbesondere auf Hochgeschwindigkeitsstrecken und bei unterirdischen Stadtbahnen wird die feste Fahrbahn wegen der stabileren Gleislage und den geringeren Unterhaltungskosten eingesetzt.

Ein Kompromiss zwischen Schwellenoberbau und fester Fahrbahn ist das Rahmen-Schwellen-Gleis.

Literatur

• August Haarmann: Das Eisenbahn-Geleise. Geschichtlicher Teil, Leipzig, Engelmann 1891 - XL, 852 S. m. zahlr. Abb. Das Standardwerk zum Thema.
• Herbert Lachmayer, Peter Plica (Hrsg.): Über die Schwelle, Wien, Böhlau 2003, ISBN 3-205-77090-0 – 333 S. m. zahlr. Abb. Ein prächtig ausgestatteter Band zur Technik- und Kulturgeschichte der Bahnschwelle.
• Gerhard Hempel: Spannbetonschwellen - ein immerwährendes Problem?, Berlin, Ernst & Sohn 2001, Bautechnik 78, S. 421 - 429.

Einzelnachweise

1. ↑ Oberbauhandbuch
2. ↑ Meldung 25 Millionen Betonschwellen in 25 Jahren verlegt. In: Eisenbahntechnische Rundschau. August 1974, S. 533.
3. ↑ Leykauf, Günther und Walter Stahl: Untersuchungen und Erfahrungen mit besohlten Schwellen. In: EI - Eisenbahningenieur (55) 6/2004, S. 8-16.

Weblinks

• Studiengesellschaft Holzschwellenoberbau e.V.
• http://www.gleisbau-welt.de/site/gleisbau/gleisbau.htm
• http://www.oberbauhandbuch.de