Die Betonschwelle im Gleisbau ist ein Produkt, das eher für Kontinuität als für Innovation steht. Dabei tut sich hier Einiges. Im Interview erzählt uns Wolfgang Hölzl - Engineering, Design & R&D Sleeper bei voestalpine Railway Systems - warum Schwellen mehr als nur ein einfaches Stück Beton sind und wie die Schwelle der Zukunft bei der voestalpine Railway Systems aussieht.
Die Schwelle ist das zentrale Verbindungselement zwischen Schiene, Befestigungssystem und Schotter. Ihre wichtigste Aufgabe ist es, die vertikalen Lasten aus dem Zugverkehr sicher nach unten in den Schotter abzuleiten. Eine zweite grundlegende Aufgabe ist die laterale Stabilität des Gleises. Bei Temperaturschwankungen - besonders im Sommer- entstehen Spannungen, die das Gleis seitlich ausknicken lassen können. Die Schwelle sorgt mit ihrem Querverschiebewiderstand dafür, dass das Gleis stabil bleibt, sich nicht verformt und der Zug nicht entgleisen kann. Damit ist sie ein sicherheitsrelevantes Bauteil, das Gleis und Schiene in ihrer Position hält.
Im Vergleich zu Holz, Stahl oder Kunststoff hat sich Beton als das langlebigste und nachhaltigste Material für Schwellen etabliert. Betonschwellen erreichen eine Lebensdauer bis zu 50 Jahren und sind sehr widerstandsfähig gegenüber Umwelteinflüssen. Zudem haben sie eine geringe Wärmeausdehnung, was für die Stabilität des Gleises von Vorteil ist.
Holzschwellen dagegen müssen imprägniert werden, damit sie lange haltbar bleiben. Dabei kamen früher Stoffe zum Einsatz, die als gesundheitsschädlich gelten und in der EU verboten wurden. Außerdem wurden häufig Tropenhölzer verwendet, was aus Klimaschutzgründen heute nicht mehr akzeptabel ist.
Stahlschwellen werden vor allem in Industriebereichen eingesetzt, haben aber eine schlechtere CO2-Bilanz und erreichen nicht die gleiche Stabilität wie Beton. Die Kunststoffschwelle ist ein Nischenprodukt, das vor allem dort eingesetzt wird, wo geringes Gewicht wichtig ist – etwa auf Brücken. Die Lebensdauer ist ähnlich wie bei Beton, aber das Recycling gestaltet sich hier schwierig.
Die zentralen Herausforderungen sind die vertikale Lastübertragung und die laterale Gleisstabilität. Wenn Züge über das Gleis fahren, wirken dynamische Kräfte von den Rädern auf die Schiene, die über Befestigung und Schwelle in den Schotter eingeleitet werden. Dort führen sie zu Verschleiß und Zerstörung einzelner Schotterkörner – ein zentraler Kostentreiber im Bahnbetrieb, weil Schotter regelmäßig gereinigt oder ausgetauscht werden muss. Größere Auflageflächen könnten den Druck besser verteilen und somit den Verschleiß reduzieren.
Allerdings gibt es Einschränkungen im Schwellendesign. Die Abmessungen müssen zu den vorhandenen Gleisbaumaschinen passen, insbesondere zu Stopfmaschinen, die den Schotter unter die Schwelle verdichten. Diese Maschinen arbeiten mit fest definierten Schwellenabständen und Mehrfachstopfaggregaten. Würde man den Schwellen-Abstand zu stark verändern, könnten sie nicht mehr effizient eingesetzt werden. Deshalb besteht die Herausforderung darin, innerhalb dieser technischen Grenzen eine möglichst große Auflagefläche und damit eine optimale Lastverteilung zu erreichen.
Ein wichtiger Aspekt ist die Wahl des Zements. Klassischer Portlandzement ist in der Herstellung sehr energieintensiv und verursacht hohe CO2-Emissionen. Heute lassen sich große Teile davon durch Hüttensand ersetzen, der auch bei der Stahlproduktion als Abfallprodukt entsteht. So entsteht eine deutlich CO2-ärmere Rezeptur, die wir auch im Gleis bei der voestalpine Railway Systems einsetzen. Da haben wir einen wesentlichen Schritt in Richtung Umweltschutz gemacht.
Bis 2040 soll sich das Verkehrsaufkommen auf bestehenden Strecken etwa verdoppeln. Gleichzeitig lassen sich Sperrpausen und Wartungsfenster kaum noch ausweiten. Deshalb muss die Lebensdauer des gesamten Gleissystems deutlich erhöht werden. Vor diesem Hintergrund hat voestalpine Railway Systems ein neues, innovatives Schwellen- und Befestigungssystem entwickelt.
Dabei wurde vor allem die Schwellenform optimiert. Sie ist im Bereich des Schienensitzes deutlich breiter ausgeführt und verfügt über eine größere Auflagefläche. So wird die Schotterpressung reduziert und der Verschleiß verringert. Gleichzeitig sorgt die spezielle Form für einen höheren Querschiebewiderstand und damit für eine bessere Gleislagestabilität als bei Standardstreckenschwellen. Der Schienensitz ist wesentlich größer verarbeitet, sodass pro Schiene bis zu vier Befestigungssysteme möglich sind. In geraden Strecken, wo die Belastungen geringer sind, kann das System einfacher bestückt werden. In engen Bögen oder besonders beanspruchten Bereichen lässt sich die Befestigung doppelt ausführen.
In Deutschland traten beim klassischen Herstellverfahren mit Direktverbund vermehrt Längsrisse in Schwellen auf. Die Deutsche Bahn stellt deshalb auf ein Verfahren mit endverankerten Schwellen um, bei dem die Spanndrähte nicht vor, sondern erst nach dem Erhärten gespannt werden. voestalpine Railway Systems hat dafür ein innovatives Verfahren entwickelt, das sich auch für die Langbettproduktion eignet. Im Bereich der Gleisschwellen wird dieses Verfahren bereits von der Deutschen Bahn eingesetzt. Bei Weichenschwellen ist die Umstellung zwischen 2028 und 2030 geplant.
Wolfgang Hölzl ist seit 25 Jahren bei der voestalpine tätig und verantwortet seit 2015 den Bereich Research & Development sowie Engineering für Schwellen und feste Fahrbahn. Was ihn besonders fasziniert? Die Möglichkeit, mit strukturierter und zielorientierter Forschung einen wesentlichen Beitrag zum Gesamtsystem Bahn zu leisten – insbesondere bei oft unterschätzten Komponenten wie der Schwelle.