Kunststoff­schwellen

Hybridpolymerschwellen: eine hochfeste, umweltfreundliche Schwelle für Gleise, Brücken, Übergangszonen sowie Weichen und Kreuzungen

Seit dem Beginn der Eisenbahn wurden weltweit Millionen Holzschwellen installiert. Um sie zu erhalten, müssen sie jedoch mit Kreosot behandelt werden, von dem bekannt ist, dass es negative Auswirkungen auf die Umwelt hat, wenn es in Boden und Grundwasser ausläuft. Außerdem ist bekannt, dass es eine krebserregende Wirkungen hat. Aus diesem Grund ist die Verwendung von Kreosot ab 2018 in einer Reihe von Ländern der Europäischen Union verboten. In den Niederlanden ist es bereits seit 2005 verboten. Die Verwendung von tropischem Hartholz, auch bekannt für negative Auswirkungen auf die Umwelt (Waldrodung), bietet keine wirkliche Alternative, da die Verfügbarkeit abnimmt. Es gibt jedoch Schwellen aus 100% recycelten Polymeren, die eine nachhaltige und wartungsfreie Alternative zu Holzschwellen bieten. Diese werden bereits in einer Reihe von Ländern verwendet. Es können also Streckenabschnitte mit Hybridpolymerschwellen entstehen, die die Konsistenz und Haltbarkeit von Betonschwellen mit dem Dämpfungsverhalten von Holzschwellen kombinieren.

© Lankhorst Rail

Das Polymer selbst hat eine Biegesteifigkeit und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der es nicht für den Einsatz als Schwellenmaterial geeignet macht. Dies kann überwunden werden, indem das Material beispielsweise durch ein Hinzufügen von Glasfasern verstärkt wird, wodurch eine glasfaserverstärkte Verbundschwelle entsteht. Sie kann jedoch auch durch das Einbetten diskreter Verstärkungselemente wie Stahl- oder Glasfaserstäbe verstärkt werden - die Schwellen werden dann als Hybridpolymerschwellen bezeichnet, um sie von glasfaserverstärkten Verbundschwellen zu unterscheiden. In den Hybridpolymerschwellen sind vier Stahlstangen in allen Ecken verbaut, die zur Verstärkung dienen.

Der technische Hauptunterschied zwischen Verbundschwellen und Hybridschwellen besteht darin, dass bei der Verstärkung einer Kunststoffschwelle mit Glasfasern - d.h. bei Verbundschwellen - die Schwelle mehr oder weniger in gleichem Maße durchgehend verstärkt und versteift wird, was zu einer hohen Biegesteifigkeit sowie einer hohen Drucksteifigkeit führt. 

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Hybridpolymerschwellen dagegen haben aufgrund ihrer Verstärkungselemente (vier Stahlstangen) keine spröde Konsistenz und brechen oder reißen daher nicht unter Last - dies geschieht nur durch extreme Überlastbiegungen der Schwellen. Im Falle einer glasfaserverstärkten Verbundschwelle kann das Ergebnis aufgrund der Sprödigkeit des Materials abweichen. Daher sind Hybridpolymerschwellen für eine kritische Anwendungen mit hoher Festigkeit und Erschütterungen gut geeignet. Beispiele für Anwendungsgebiete sind Brücken, an denen das Schotterbett keine ausreichende Elastizität bietet, sowie Orte, die sehr hohen horizontalen oder vertikalen Einflüssen ausgesetzt sind.

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Hohe seitliche und vertikale Stabilität von Hybridpolymerschwellen

Hybridpolymer-Hauptgleisschwellen für glatte Schienen bieten aufgrund ihres speziell entwickelten Bodenprofils eine hohe Beständigkeit gegen seitliche und Längsverschiebungen. Darüber hinaus verfügen die Schwellen für eine glatte Fahrbahn über verändertes Design und verbraucht somit bis zu 30% weniger Material als eine feste Schwelle. Dadurch kann die Schwelle vollständig in den Schotter eingebettet werden. Dies sorgt für eine hohe vertikale Stabilität, wodurch die Strecke äußerst fest ist. Diese Schwellenart ist ideal für den Einsatz an Orten, an denen ein großer seitlicher Druck auf die Strecke ausgeübt wird (z. B. in scharfen Kurven) oder wenn vertikale Kräfte auf die Strecke einwirken (z. B. auf Brücken, Viadukten oder Überbrückungen).

Einsatzgebiete 

Neben einem geraden Gleis können Hybridpolymerschwellen hier genutzt werden: 

·      Brücken 

·      Übergangszonen 

·      Weichen und Kreuzungen 

·      Streckenabschnitte, in denen Gleisverunreinigungen häufig ein Problem sind (bspw. Wüsten, Minen, Industriegebiete) 

sowie auch urbane Gebiete und solche mit extremen warmen oder kalten Wetterbedingungen. 

Brücken

Hybridpolymerschwellen zeichnen sich durch sehr günstige Dämpfungseigenschaften aus, so dass sie für Anwendungen in Bereichen geeignet sind, in denen der Schotter keine ausreichende Elastizität bietet, wie z.B. bei einer geringeren Schotterdicke oder wenn überhaupt kein Schotter vorhanden ist, z.B. auf Stahlträgerbrücken.

Im Idealfall sollte bei Stahlträgerbrücken die Laststrukturablenkung im Brückenteil der Schiene im Schotterbereich ähnlich sein. Da jedoch auf Stahlträgerbrücken kein Schotter vorhanden ist, fehlt diese Durchbiegung und aufgrund der resultierenden hohen Spursteifigkeit sind die Schwellen und die darunterliegende Struktur einer hohen Stoßbelastung ausgesetzt. Um das Fehlen der Schotterkompression zu kompensieren, muss daher eine Schwelle verwendet werden, die eine hohe Kompressionsflexibilität bietet, wodurch sichergestellt wird, dass die Spursteifigkeit auf dem Brückenteil die gleiche ist wie auf dem Schotterabschnitt. Aufgrund der Steifheit und Sprödigkeit des Materials, ist die Verwendung von Betonschwellen möglicherweise nicht geeignet. In solchen Situationen könnten Hybridpolymerschwellen eine Lösung bieten. Diese können so gestaltet werden, dass sie die erforderliche spezifische Steifigkeit der Spur erzeugen. Diese können für folgendes verwendet werden:

·      Stahlträgerbrücken, bei denen sich der Brückenträger direkt unter der Schiene befindet: In diesem Fall ist die Drucksteifigkeit der bestimmende Parameter.

·      Stahlträgerbrücken mit Versatz zwischen Schiene und Brückenträger: In diesem Fall können hohe Biegemomente in der Schwelle / Verbindung auftreten und somit sind sowohl die Biegesteifigkeit als auch die Drucksteifigkeit die bestimmenden Parameter. Üblicherweise werden bei solchen Brücken Hartholzschwellen mit beträchtlichen Abmessungen verwendet. Wie bereits erwähnt, nimmt jedoch die Verfügbarkeit von Hartholz ab und daher ist eine alternative Lösung erforderlich, die Hybridschwimmerschichten bieten könnten, da sie eine hohe Festigkeit und günstige Steifigkeitseigenschaften aufweisen. Sie bieten auch doppelte Sicherheit, indem die Stahlstabverstärkung nicht für zusätzliche Festigkeit, sondern für zusätzliche Steifigkeit hinzugefügt wird. Obwohl das Polymer selbst stark genug ist, um als Schwellenmaterial verwendet zu werden, besitzt es nicht die erforderliche Biegesteifigkeit, und daher werden die Stahlstangen hinzugefügt. Da sowohl die Stahlstverstärkung als auch das Polymer von sich aus stark genug sind, um die gewünschte Produktsicherheit zu gewährleisten, führt das Versagen eines dieser Elemente nicht zu einem Versagen der Schwellen (doppelte Sicherheit), sondern nur zu einer Erhöhung der Biegung. Wie bereits erwähnt, haben Hybridpolymerschwellen keine spröde Materialkonsistenz; Daher brechen oder reißen sie nicht, wenn sie einer hohen Belastung ausgesetzt werden.

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In beiden Fällen könnte die Verwendung flexibler Schienenkissen auch die erforderliche Spursteifigkeit bieten. Es ist jedoch bekannt, dass bei Verwendung flexibler Schienenkissen die Geräuschemission von der Schiene zunehmen kann, da die Drehfixierung der Schiene begrenzt ist. Bei der Verwendung von hybriden Polymerschwellen wird diese Drehfixierung beibehalten, während gleichzeitig die erforderliche Spursteifigkeit erreicht wird. Messungen, die an einer Stahlträgerbrücke in den Niederlanden durchgeführt wurden, ergaben eine Geräuschreduzierung von 3 bis 5 dB, nachdem Holzschwellen mit Hybridpolymerschwellen ersetzt wurden.

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Übergangszonen

 

In Übergangszonen kann es zu Änderungen der Spursteifigkeit und damit zu einer Differenz der Lastverteilung auf die Schwellen kommen. In Fig. 6 wird die Radlastverteilung im Allgemeinen gezeigt, wobei das Rad über der Schwelle 0 liegt - wie beobachtet werden kann, werden etwa 30-35% der Last auf diese Schwellen gleich verteilt. 

Wie aus Fig. 7 ersichtlich ist, werden in der Übergangszone, in der 0 die erste Schwelle auf der Brücke ist, etwa 60% der Last auf diese Schwelle verteilt und es gibt eine ungleichmäßige Lastverteilung auf die Schwellen - dies ist auf die mangelnde Elastizität zurückzuführen, die der Schotter sonst bietet. Eine so große Änderung der Spursteifigkeit soll vermieden werden. Hybridpolymerschwellen, die so konstruiert werden können, dass sie die erforderliche spezifische Spursteifigkeit erzeugen, können in solchen Situationen eine Lösung bieten.

 

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Weichen & Kreuzungen 

In Weichen und Kreuzungen können Schwellen hohen Querbeschleunigungen und Aufprallkräften ausgesetzt sein. In Abb. 8 sind die unterschiedlichen Auswirkungen der Stoßbelastung auf Beton, Holz (Eiche) und Polymerschwellen dargestellt.

Wie aus Fig. 8 ersichtlich ist, verteilt sich der Einfluss der Stoßbelastung bei Holzschwellen im Laufe der Zeit stärker als bei Betonschwellen / Holzschwellen günstigere Dämpfungseigenschaften von Holz und Polymer, während Beton ein ziemlich starres Material ist.

Die Verwendung von Hybridpolymerschwellen, die aufgrund der hohen Elastizität des duktilen Polymermaterials, aus dem sie bestehen, gute Dämpfungseigenschaften bieten, könnten eine sehr geeignete Alternative für den Einsatz in Weichen und Kreuzungen darstellen, da sie leicht eingebaut werden können. Im Gegensatz zu Betonschwellen können sie gebohrt und gefräst werden wie Holz. Bei Betonschwellen muss jedes Bolzenloch werkseitig vorgeformt werden. Darüber hinaus sind Hybridpolymerschwellen in einer speziell entwickelten, verbindbaren Version erhältlich, die es ermöglicht, sie zu einer Langschwelle (bis zu 10,40 m) zusammenzufügen, die leicht an Orten mit begrenztem Arbeitsraum installiert werden kann, ohne dass ein Graben tiefer Löcher erforderlich ist. Einmal installiert, bieten diese eine konstante Steifigkeit über die gesamte Länge.

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Schotterverunreinigung durch Sand in Wüstengebieten 

Wie bereits erwähnt, sind Schwellen aus Beton ziemlich starr. In einer Schotterbahn kompensiert die durch das Schotterbett bereitgestellte Elastizität diese Steifigkeit. Wenn der Schotter jedoch beispielsweise durch Kohlenstaub oder Sand verschmutzt wird, verringert sich diese Elastizität. Das kann zu großen Unterschieden in der Bettung der Schiene führen. Daher führt in einer betonbedeckten Fahrbahn, wo nahezu alle Elastizität durch das Schotterbett bereitgestellt wird, jeder Elastizitätsverlust aufgrund von Schotterverschmutzung zu einer erheblichen Erhöhung der Erschütterungsbelastung, was zu einem vorzeitigen Versagen der Betonschwelle führen kann. Bei hybriden Polymer- oder Holzschwellen kann es auch zu einem gewissen Elastizitätsverlust kommen, der zu einer Erhöhung der Erschütterungsbelastung führen würde, jedoch aufgrund ihrer günstigen Drucksteifigkeit nicht in einem Ausmaß, das zum Versagen der Schwellen führen würde.

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In Wüstengebieten kann die Verwendung von Betonschwellen auch anderen Problemen gegenüberstehen. In einigen Fällen können in den ersten Monaten nach der Installation Mikrorisse und Brüche auftreten. Das im Sand enthaltene Salz kann in die Stahl-Verstärkung der Betonschwelle eindringen und diese korrodieren lassen, was wiederum zu Rissen im Beton und sogar zu Brüchen führen kann. Dadurch wird ein vorzeitiges Versagen der Betonschwelle verursacht. Hybridpolymerschwellen haben dieses Problem nicht aufgrund ihrer Materialkonsistenz und hohen Beständigkeit gegen Feuchtigkeit, Säuren und Salze. Darüber hinaus können sie so gestaltet werden, dass ihre Geometrie den Prozess der Sandansammlung zwischen den Schienen verlangsamen würde, wie es in Fig. 10 gezeigt wird.

In freundlicher Zusammenarbeit mit Lankhorst Rail.