Bahnschwelle

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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 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[Bearbeiten]

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[Bearbeiten]

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

Stahlschwellen[Bearbeiten]

Stahlschwellen
Y-Stahlschwellen, herkömmliche Stahlschwellen und Holzschwellen

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 Stahlschwellen-Bauart wird heute nicht mehr eingesetzt, da sie nicht mechanisiert verlegt werden kann.

Y-Schwelle[Bearbeiten]

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 2,6 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. Auch die geringe Aufstandsfläche macht ein häufiges aufwändiges Nachregulieren des Gleiskörpers notwendig.

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.

Y-Stahlschwellen werden im Netz der Deutschen Bahn auf sieben Streckenabschnitten verwendet. Aufgrund durchgerosteter Y-Stahlschwellen, die Mitte der 1990er Jahre versuchsweise auf fester Fahrbahn verlegt wurden, musste ein 14 km langer Streckenabschnitt der Bahnstrecke Berlin–Halle zwischen Bitterfeld und Halle am 1. August 2012 für den Zugverkehr gesperrt werden.[1] Die Schäden waren entstanden, weil das Niederschlagswasser wegen des undurchlässigen Untergrundes nicht ablaufen und wegen der zur Schalldämmung abgedeckten Gleisroste auch nicht verdunsten konnte.

Holzschwellen[Bearbeiten]

Die Holzschwellen haben eine Länge von 2,6 m oder mehr und orientieren sich am Querschnittsmaß 26 cm Breite × 16 cm Höhe. Sie werden überwiegend auf Brücken und unter Weichen, aber auch engen Bögen verbaut. Als dämpfender Puffer zwischen Schiene und Brückentragwerk liegend, reduzieren sie das Fahrgeräusch durch geringere Vibrationen und geringere Eigenmasse (samt Befestigung etwa 120 kg) auch die Brückenbelastung. Da Holz sich gut verarbeiten lässt, ist es möglich, kostengünstig individuelle Schwellenlängen sowie Schwellenbohrungen nach Maß herzustellen. Wegen der gegenüber Betonschwellen geringeren Höhe werden Holzschwellen insbesondere dort verlegt, wo die Bettungsstärke begrenzt ist. Das betrifft Brücken, Tunnel und andere Überwerfungsbauwerke.

An gelaschten Schienenstößen und generell an den Stößen von Reichsbahnweichen, auch wenn diese verschweißt werden, werden zwei miteinander verschraubte Holzschwellen (»Stoßschwellen« oder »Kuppelschwellen« genannt), eingebaut. Diese sollten die Stöße besser unterstützen und die Wirkung der Laschen stabilisieren. Sie lassen sich allerdings schlechter stopfen. Sollen derartige Stöße doch verschweißt werden, dann werden bei der Oberbauart K statt der durchgehenden Rippenplatten getrennte eingebaut. Trotzdem ist das aluminothermische Schweißen auf Stoßschwellen aufwändiger und erfordert gesonderte Formen. In nur noch selten neuzuverlegenden Reichsbahnweichen werden sie nur noch verwendet, um die Passung von Ersatzteilen zu gewährleisten. Andere Oberbauformen als K und Ks werden im deutschsprachigen Raum nicht mehr neu verlegt. Offene Unterlagsplatten, Hakenplatten und Schienenbefestigungen ohne Unterlagsplatten gibt es nur noch vereinzelt. Genagelter Oberbau war jahrzehntelang in Nordamerika und Russland bzw. der UdSSR und ihren Nachfolgestaaten üblich.

Mulden oder Sprünge, in denen Wasser stehen bleibt und die Faulung fördert, werden so aufgebohrt oder angeschnitten, dass sie trocknen können. Gegen die Neigung des Holzes, an den Stirnseiten der Schwellen aufzuplatzen, werden Nagelbleche oder Kronenbleche ins Hirnholz eingeschlagen.

Markierungsnägel (Nageno, Nagelschmiede Oberschöna) bezeichnen die Einbaulage von Weichenschwellen. Jahresnägel bezeichnen den Hersteller und das Erzeugungsjahr von Schwellen.

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, wie z. B. Muhuhu. 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 in Wohngebieten. Weichenschwellen haben viele unterschiedliche Längen, was dazu geführt hat, dass sich hier Holz als Material lange, auch bei sonst mit Betonschwellen ausgerüsteten Bahnanlagen, gehalten hat. Ein weiterer Vorteil von Holzschwellen ist, dass sie Entgleisungen besser als Beton- und Stahlschwellen verkraften. Deshalb werden sie insbesondere auf Rangierbahnhöfen und in Ablaufanlagen weiterhin eingesetzt.

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

Direkt, also ohne Schotterbett auf den Fahrbahnträgern von Stahlbrücken mit offener Fahrbahn verlegte Holzschwellen werden Brückenbalken genannt. Ihr Querschnitt ist deutlich größer.

Imprägniermittel und Verwendungsbeschränkungen[Bearbeiten]

selbst mit Carbolineum getränkte Schwellen verrotten nach mehr als 30-40 Jahren

Holzschwellen werden mit Imprägnieröl (Carbolineum) getränkt, um sie gegen Pilz-, Bakterien- und Insektenbefall widerstandsfähig zu machen. Diese Imprägnierung ist auch die Ursache für das typische dunkle Aussehen von Holzschwellen.

Es gibt keinen wirksamen Ersatz für Carbolineum. Das Imprägniermittel und die durch Verdampfung daraus entstehenden gasförmigen Kohlenwasserstoffe sind ebenso wie Kupfer-Chrom-Arsenverbindungen gesundheits- und umweltgefährdende Stoffe. Diese Stoffe und damit imprägnierte Holzschwellen unterliegen in Deutschland seit 1991 Verwendungsbeschränkungen, die bis 2002 in der Teerölverordnung, und seit 2002 in der Chemikalien-Verbotsverordnung festgelegt sind.

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, verwendet werden. Dasselbe gilt für Möbel, Spielzeug, auf Spielplätzen oder an Orten, an denen die Schwellen mit Nahrungsmitteln, Nutztieren oder Nutzpflanzen in Berührung kommen. Früher fanden preisgünstig erworbene gebrauchte Holzschwellen häufig im gewerblichen Landschaftsbau und durch Privatpersonen (etwa in Schrebergärten) als Stützmauern, freistehende Sichtschutzwände, Sitzgelegenheiten und ähnliches Verwendung.

Für mit 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 sowie an Orten, an denen die Gefahr häufigen Hautkontakts oder des Kontakts mit Lebensmitteln besteht.

Holzschwellen stellen neben den Imprägniermitteln auch aufgrund von Rückständen aus dem Bahnbetrieb eine Gefahr für Gesundheit und Umwelt dar. Dazu zählen unter anderem Altöl (aus Radlagern, Spurkranzschmieranlagen und sonstigen geschmierten Teilen von Schienenfahrzeugen), an der öligen Oberfläche locker gebundener Staub aus teilweise asbesthaltigem Bremsabrieb, Ruß aus Abgasen sowie bei der Unkrautbekämpfung in den Gleisbereich eingebrachte Pflanzenschutzmittel.

Holzschwellen müssen als gefährlicher Sondermüll betrachtet und entsprechend entsorgt werden, was heute in mit entsprechenden Rauchgasfiltern ausgerüsteten Kraft-Wärmeanlagen problemlos möglich ist.

Gut erhaltene gebrauchte Schwellen können von den Bahnbetreibern oder Dienstleistern aufgearbeitet und in anderen Bahnstrecken weiter verwendet werden.

Betonschwellen[Bearbeiten]

Spannbetonschwellen Typ B 70
Schienenbefestigungssystem mit Spannklemmen

Betonschwellen werden maschinell aus Beton gegossen, wobei auf der Oberfläche bereits die Auflage der Schienen mit seitlichen Nocken gegen Verschiebung und Bohrlöchern für die Schienenhalter geformt werden. In Spanien werden auch traviesas polivalentes, also Betonschwellen mit Vorbereitung sowohl für die iberische Breitspur als auch für die UIC-Normalspur verbaut; damit kann man die Spurweite durch einfaches Umsetzen der Schiene ändern, ohne gleich den ganzen Oberbau auswechseln zu müssen.

Anfang 2001 kündigte die schwedische Banverket an, 3,2 Millionen zwischen 1992 und 1996 gelieferte Betonschwellen für insgesamt mindestens 100 Millionen DM auszutauschen. Die Schwellen verwitterten aufgrund einer zu hohen Aushärtetemperatur vorzeitig.[2]

Einblockschwellen[Bearbeiten]

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 Schwellen aus Beton in den 1920er Jahren.[3] Größere Verbreitung fanden sie, nachdem die Vorspannung ermöglichte, größere Zugkräfte aufzunehmen.[4] Im Bereich der Deutschen Bundesbahn wurden sie in größerem Umfang erstmals 1949 eingebaut. Bis 1974 wurden im Netz der Deutschen Bundesbahn 25 Millionen Betonschwellen verlegt.[3]

Spannbetonschwellen vom Typ B 70 – benannt nach dem verwendeten Betontyp und dem Einführungsjahr[4] – haben eine Länge von 2,6 m bei maximalen Querschnittsabmessungen von 0,30 m × 0,21 m und ca. 300 kg Gewicht pro Stück. Das Gewicht der Schwellen macht den Einsatz von Maschinen für den Einbau zwingend erforderlich.

Zweiblockschwellen[Bearbeiten]

In Frankreich und in der Schweiz (war) 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.

Kunstholzschwellen[Bearbeiten]

Die japanische Eisenbahn (JR) stellte in den 1970er Jahren fest, dass mehr als 70 % der von ihr verwendeten Holzschwellen aufgrund von Verwitterung eine sehr kurze Lebenserwartung hatten. Sie suchte ein Unternehmen, mit dem eine Kunststoffschwelle mit ähnlichen Eigenschaften wie die Holzschwelle entwickelt werden sollte. Im Jahre 1978 wurde FFU-Kunstholz in Zusammenarbeit zwischen der japanischen Eisenbahn und dem Unternehmen SEKISUI entwickelt. Im Jahre 1980 fanden die ersten Feldversuche an einem Brücken- und einem Tunnelprojekt statt. RTRI (Railway Technical Research Institute) testete 1985 diese Schwellen und JR setzte aufgrund der Untersuchungsergebnisse FFU-Kunstholz als Standardschwelle im Bereich von Brücken, Weichen, Sonderprojekten in jeder Art von Oberbau ein. Im Jahre 2011 wurden wiederum Schwellen des Feldversuches aus dem Jahr 1980 vom RTRI ausgebaut und getestet. Als Ergebnis informierte RTRI das japanische Eisenbahnunternehmen, dass diese Schwellen weitere 20 Jahre eingesetzt bleiben können.

FFU-Kunstholz wird hauptsächlich im Bereich von Eisenbahnbrücken, Weichenanlagen, Sonderprojekten, Schwellen mit geringer Bauhöhe eingesetzt. Bis 2012 sind mehr als 1.200 km Gleis mit FFU-Kunstholz ausgerüstet worden. Die Bearbeitung erfolgt so wie bei Holz, es werden jedoch zur Bearbeitung von Stahl geeignete Werkzeug bzw. Werkzeuge mit Hartmetallschneiden empfohlen. UV-Licht hat keinen Einfluss auf die technische Qualität der Schwelle. FFU-Kunstholzschwellen sind am Ende ihrer Lebenserwartung zu 100 % wiederverwertbar.

Besohlung[Bearbeiten]

Schwellensohlen bezeichnen eine unterseitig an Bahnschwellen angeordnete elastische Schicht, die so genannte Schwellenbesohlung (engl. Undersleeperpad, Abk. USP). Diese unterseitigen Beschichtungen können im Fertigungsverfahren beim Betonieren im Frischbeton aufgelegt oder nachträglich an den Unterseiten von Bahnschwellen aufgeklebt werden.

In einigen technischen Parametern konnte die Betonschwelle bisher nicht die Vorteile der Holzschwelle aufwiegen. Mit unterseitigen elastischen Kunststoffbeschichtungen von Betonschwellen sind jedoch in der Kontaktfläche zwischen Schwelle und Schotter Lagerqualitäten der Holzschwelle erreichbar.

Bei allen Materialien von unterseitigen Schwellenbeschichtungen ist eine Oberflächenfestigkeit der Materialien erforderlich, die ein Eindringen der Schotterspitzen in diese Besohlung ausschließt.

Für Schwellenbesohlungen werden international von den Bahngesellschaften unterschiedliche technische Anforderungen definiert. Neben diesen Vorgaben der Gebrauchstauglichkeit werden Anforderungen an die Systemredundanz, die Betriebsfestigkeit und gem. KrW-/AbfG auch an das Recycling der Sohlenmaterialien und an die Recyclingfähigkeit des verbleibenden Betonkörpers der Schwellen gestellt.

Besohlte Schwellen reduzieren infolge der geringeren Schotterbeanspruchung die Wartungszyklen von Gleisen und Weichen bis auf etwa 25 %, mindern die Körperschallemission von Gleisanlagen und ermöglichen eine Reduzierung der Schotterstärke.[5][6]

Schienenbefestigung[Bearbeiten]

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 sowie 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 und KS mit Varianten.

Alternativen zur Bahnschwelle[Bearbeiten]

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 Stadt- und U-Bahnen in Tunneln wird die feste Fahrbahn wegen der stabileren Gleislage und der geringeren Unterhaltungskosten eingesetzt.

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

Handhabung[Bearbeiten]

Auf Baustellen händisch manipuliert werden insbesondere die leichteren Holzschwellen traditionell von 2 oder mehr sehr kräftigen Personen durch beidseitiges Umfassen mit Greifzangen. Diese sind so lang, dass sie breitbeiniges über der Schwelle gegrätschtes, weitgehend aufrechtes Stehen zum Heben derselben erlauben.

Wenn diese Zange zum Transport über der Schulter zusammengeklappt ist, stossen die rechteckigen Griffringe flach aneinander. Fassen die rechtwinkelig einwärts gebogenen Enden der Zangengreifarme unter die Schwellenunterseite oder klemmen sie - etwas ins Holz eindringend - die Schwelle am Querschnitt seitlich, so stehen die Griffe 50–100 cm auseinander. Schon Ziehen oder Heben mit den ja schulterbreit angelenkten Menschenarmen bewirkt da ein meist ausreichendes Greifmoment am Zangengelenk, um mit den kürzeren Greifschenkeln die Schwelle gut zu klemmen.

Um eine beschädigte Schwelle zu tauschen, wird sie mit Krampen und Zinkenschaufeln vom seitlich umgebenden Gleisschotter befreit, von den Schienen losgeschraubt und seitlich aus dem Gleisbett gezogen. Das Positionieren der neu eingehobenen erfolg mit Hammerschlag auf die Stirnseite und durch rückendes Hebeln. Das Anlegen einer Kabelquerung unterhalb des groben Gleisschotters kann Schwellenausbau nötig machen, Züge können – langsamer – dennoch passieren.

Literatur[Bearbeiten]

  • August Haarmann: Das Eisenbahn-Geleise. Geschichtlicher Teil, Engelmann, Leipzig 1891. XL, 852 S. Das Standardwerk zum Thema
  • Herbert Lachmayer, Peter Plica (Hrsg.): Über die Schwelle, Böhlau, Wien 2003, ISBN 3-205-77090-0. 333 S. m. zahlr. Abb. Prächtig ausgestatteter Band zur Technik- und Kulturgeschichte der Bahnschwelle.
  • Gerhard Hempel: Spannbetonschwellen – ein immerwährendes Problem? Ernst & Sohn, Berlin 2001, Bautechnik 78, S. 421–429
  • Railway Technical Research Institute, Follow-up Survey on FFU Synthetic Sleeper after 30 years in Service; Report June, 2011

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Eisenbahnschwellen – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
 Wiktionary: Bahnschwelle – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Alexander Schierholz, Kai Gauselmann: Rost frisst Schwellen auf. In: Mitteldeutsche Zeitung, 3. August 2012, S. 2, 4.
  2. Meldung Aktuelles in Kürze. In: Eisenbahn-Revue International, Heft 5/2001, ISSN 1421-2811, S. 224
  3. a b Meldung 25 Millionen Betonschwellen in 25 Jahren verlegt. In: Eisenbahntechnische Rundschau. August 1974, S. 533
  4. a b Heins Schultheiß: Dreißig Jahre Betonschwellen bei der Deutschen Bundesbahn. In: Die Bundesbahn. Jg. 57, Nr. 10, 1981, ISSN 0007-5876, S. 841–846
  5. Günther Leykauf, Walter Stahl: Untersuchungen und Erfahrungen mit besohlten Schwellen. In: EI - Eisenbahningenieur (55) 6/2004, S. 8–16
  6. Frank H. Müller-Borrutau: Betonschwellen mit elastischer Sohle. Erfahrungen und Erkenntnisse mit einem neuen Bauteil. Abgerufen am 9. Juli 2010 (PDF; 351 kB).