Schwellen im Gleisbau: Materialien, Schäden und Lösungen

Ursachen von Schäden und Lebensdauer von Holzschwellen

Mechanische Beanspruchung

Die Hauptursachen für Schäden sind mechanische Beanspruchung. Die Schiene wird auf einer Fläche von 182 cm² durch die Schwelle unterstützt, wobei ein Druck von 90 kp/cm² einer Belastung von X Tonnen entspricht. In Kurven nimmt der Druck zu, da die Schwelle seitlichen Kräften ausgesetzt ist und die Spannungsverteilung unter dem Schienenfuß ungleichmäßig ist. Zudem wirken Kräfte vom Schienenfuß, der von der horizontalen Achse beansprucht wird, gegen die Wände der Kerbe, die sich verbreitert. Der Schienenfuß wirkt auf die Schrauben, wodurch ovale Löcher entstehen. Ohne Grundplatte erleidet der Schienenfuß Verformungen geringer Amplitude, was zum Verschleiß der Aussparung führt, in der der Schienenfuß sitzt. Für eine korrekte Befestigung werden Flansche für eine wirksame Klemmung benötigt. In einigen Fällen muss die Schwelle nachgearbeitet werden, was zu einem Dickenverlust führt und sie innerhalb weniger Arbeitsgänge unbrauchbar macht. Um dies zu vermeiden, werden Metallplatten oder elastische Unterlagen zwischen Schienenfuß und Schwelle eingelegt.

Rissbildung

Risse entstehen hauptsächlich aus zwei Gründen: Erstens aufgrund der anisotropen Struktur des Holzes und zweitens durch seine hygroskopische Tendenz, ein Gleichgewicht mit der Umgebung herzustellen. Feuchtigkeitsänderungen können zu Dimensionsänderungen im Holz und zu Spannungen führen, die die Kohäsionsfestigkeit der Fasern überschreiten und somit Risse verursachen.

Biologischer Angriff

Ungeschütztes Holz wird von biologischen Agenzien (Pilzen) angegriffen. Dieser Angriff wird durch das Vorhandensein von Rissen im Holz begünstigt und kann zur vollständigen Zerstörung der Schwelle führen. Besonders empfindlich ist das Kernholz der Eiche, wenn es der Witterung ausgesetzt ist.

Chemischer Angriff

Chemischer Angriff auf Schwellen äußert sich in Bereichen, in denen der Holzzerfall durch Stahlteile begünstigt wird.

Lebensdauer von Holzschwellen

Die Lebensdauer einer unbehandelten Holzschwelle beträgt etwa 5 Jahre. Durch Imprägnierung kann die Lebensdauer auf etwa 20 Jahre geschätzt werden.

Vorteile von Betonschwellen gegenüber Holzschwellen

• Hohe Lebensdauer: 2- bis 3-mal länger als Holzschwellen (bis zu 50 Jahre).
• Homogene elastische Eigenschaften: Das Material behält seine physikalischen und elastischen Eigenschaften über die gesamte Nutzungsdauer bei (Homogenität der elastischen Eigenschaften des Trägers unter der Schiene).
• Hohe Gleislagestabilität: Aufgrund ihres höheren Gewichts (ca. 300 kg gegenüber 80 kg bei Holzschwellen).
  • Längsrichtung: Fördert die Verwendung von langen, geschweißten Schienen.
  • Querrichtung: Reduziert die Gefahr des Gleisverwerfens.
• Anpassungsfähigkeit der Konstruktion: Ihre Form ist gut geeignet, um die meisten Beanspruchungen im Betrieb aufzunehmen.

Nachteile von Betonschwellen

• Höhere Kosten: Sie sind teurer in der Anschaffung.
• Isolationsprobleme: Sie erschweren die elektrische Isolation der Schienen.
• Höheres Gewicht: Unbequem im Handling und Transport.
• Höherer Elastizitätsmodul: Beton hat einen höheren Elastizitätsmodul als Holz, was zu einer größeren Steifigkeit des Gleises führt. Die Auswirkungen von Materialüberschuss und dessen Schwankungen sind jedoch nicht signifikant.

Lösungsansätze für Probleme bei Betonschwellen

Monoblock-Lösungen

Ein Problem war die mangelnde Dauerhaftigkeit der Verankerung von Befestigungselementen. Die erste Lösung bestand darin, Holzschrauben, wie sie bei Holzschwellen verwendet werden, in einbetonierte Holzklötze zu schrauben. Dies führte jedoch zu keinen guten Ergebnissen, da die Verbindung aufgrund der Feuchtigkeitseinwirkung auf das Holz weder starr noch dauerhaft war. Zur Verbesserung dieser Lösung wurde ein Holzgewinde in einer Metallspirale in den Beton eingelegt. Eine bessere Lösung ist die Verwendung einer Schlaufenverankerung, bei der eine Öse für die Zugschraube vorgesehen ist. Alternativ kann ein Gewindeeinsatz, der zum Zeitpunkt der Schwellenherstellung in den Beton eingebettet wird, verwendet werden. Dies ist jedoch teuer und erfordert eine sehr präzise Fertigung. Dies hat den Nachteil, dass sie nur eine Zwischenstellung bezüglich der plastischen Eigenschaften einnimmt. Teer wurde für diesen Zweck verwendet, aber ein Mörtelstaub war sehr schwer und die Schrauben konnten bei Kälte nicht leicht auf der elastischen Unterlagsplatte korrigiert werden. Dieser Nachteil konnte durch eine Klemmbefestigung korrigiert werden, bei der der Schienenfuß mittels einer Gewindemutter auf einer Schraube befestigt wird. Diese Lösung bietet den Vorteil, dass eine einzige Schwellenform für unterschiedliche Spurweiten verwendet werden kann (Anpassung an die Abmessungen des Wagens). Das Nachziehen der Mutter dient der Korrektur der allmählichen Zerstörung der elastischen Unterlagsplatte, ist aber keine endgültige Lösung, da diese Nachjustierung regelmäßig erfolgen muss.

Gemischte Lösungen

Eine angewandte Lösung ist die Verwendung von seitlichen Aussparungen in der Schwelle, die zu einer Gabelbrücke führen. Diese Aussparungen haben eine elliptische Form, in die Schrauben eingeführt und dann um eine Vierteldrehung gedreht werden, sodass sie nicht entweichen können. Mit der mitgelieferten Mutter wird der Schraubenkopf festgezogen, wodurch die Befestigung alle von der Schiene erzeugten Kräfte aufnimmt.

Schäden an einfachen Stahlbetonschwellen

Da die Form der Schwelle der von Holzschwellen nachempfunden ist, führen die starren, stoßartigen Lasten der Zugfahrten zu einer Verdrängung des Schotters unter den Schienen und einer Konzentration in der Mitte der Schwelle. Im Laufe der Zeit entsteht ein großes negatives Biegemoment in der Schwelle, was bedeutet, dass der Beton in der Mitte auf Zug beansprucht wird.

Typische Mängel und Schäden

• Risse im Mittelteil der Schwelle: Die Zugbeanspruchung führt zu Ermüdung, der Beton hat hier nur eine geringe Festigkeit. Zuerst löst sich die Bewehrung, wenn die Zugspannung eine bestimmte Grenze erreicht, und dann entstehen Risse. Diese Risse nehmen mit der Verkehrsdichte zu und erreichen die Bewehrung, die dann zu rosten beginnt. Diese Korrosion schwächt die Verbindung zum Beton, was zur Zerstörung der Schwelle bei maximaler Wirkung der Schubspannungen führt. Diese Verbindungen erzeugen geringe Schubspannungen und können Lasten aufnehmen, die an die Schwelle weitergeleitet werden.

Weitere Mängel

• Mangelnde Widerstandsfähigkeit gegen lokale Beanspruchungen: Diese Schwellen zeigten aufgrund ihrer Sprödigkeit einen Mangel an Widerstandsfähigkeit gegen lokalisierte Beanspruchungen unter plötzlich aufgebrachten Lasten. Im Bereich der Befestigungsmittel brach der Beton und führte zu einem nahezu vollständigen Zerfall.

Lösungsansätze zur Momentenaufnahme

Um die Rissbildung aufgrund von Zugspannungen im Mittelteil durch negative Biegemomente, die die Zugfestigkeit des Betons überschreiten, zu vermeiden, wurden mehrere Lösungen entwickelt, die Biegemomente in der Mitte (und unter den Schienen) aufnehmen können:

Verstärkung der Bewehrung

Durch Verstärkung der Bewehrung, um Rissbildung und Zerfall zu verhindern. Nachteil: Überbewehrung.

Reduzierung des Biegemoments im Querschnitt

Maßnahmen am Schotterbett

Aussparung des Mittelbereichs, damit die Schwelle diesen Bereich nicht berührt. Nachteil: Die Aussparung füllt sich durch Verdrängung des angrenzenden Schotters. Dies führt zu erhöhten Wartungskosten.

Maßnahmen an der Schwelle

Aussparung der Schwelle, um den Mittelteil zu verschlanken. Nachteile: Der Platz für die Befestigung wird knapp, und die Bewehrung ist aufgrund der komplizierten Verteilung schwierig zu konstruieren.

Verschlankung des Mittelbereichs

Verschlankung des zentralen Teils der Schwelle in der Breite, wodurch das Biegemoment (Mf) im Mittelteil reduziert wird, was das angestrebte Ziel ist. Dieser Abschnitt muss ausreichen, um dieses Biegemoment aufzunehmen. Eine Möglichkeit der Verschlankung des Mittelbereichs ist ein dreieckiger Querschnitt mit offener Oberseite.

Weitere Lösungen: Verschiedene Schwellentypen

Zweiteilige Schwellen

Die Verwendung von Gelenken (Tótulas) bei Betonschwellen war ein indirekter Versuch, Risse im Mittelteil zu beseitigen, indem das Biegemoment in diesem Bereich reduziert wurde. Nachteile: Unfähigkeit, die Spurweite zu halten, übermäßiger Schotterabbau unter den Schwellen und kurze Lebensdauer.

Unabhängige oder Halbschwellen

Hierbei werden die Schienen durch Betonwürfel unterstützt, die paarweise auf gleicher Höhe, aber ohne Verbindung zueinander angeordnet sind. Ihr Design ist sehr einfach, da sie nur Biegemomente (+) aufnehmen müssen. Nachteile: Probleme mit der Gleislage, etc.

Ökonomische Schwellen (Zwei Blöcke)

Der Mittelteil wird durch einen Stahlträger ersetzt, dessen Profil steif genug ist, um die Spurweite und die Neigung der Schienen zu gewährleisten, und gleichzeitig elastisch genug, um Torsionen oder Biegungen aufzunehmen, die durch ungleichmäßige Gleislage unter den Schienenköpfen oder durch Unebenheiten entstehen. Nachteile: Hoher Stahlverbrauch, schlechte Spurhaltung (bei niedrigen Geschwindigkeiten), Korrosion der Klammern, Fehlverhalten bei Entgleisungen, gebrochene Klammern, etc.

Vagneux-Schwellen

Diese starren Schwellen aus Stahl und Beton bestehen aus zwei Betonblöcken, die in der Mitte durch einen geklebten Doppel-T-Träger verbunden sind.

Vorteile von Spannbetonschwellen

• Bessere Widerstandsfähigkeit gegen wechselnde Beanspruchungen, da der Beton stets unter Druck steht.
• Reduzierte Schwellendicke.
• Geringerer Stahlverbrauch.