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Kunststoff macht Gleise leise

Mit Rail Pads aus Kunststoff zwischen den Betonschwellen und den Gleisen wollen Schweizer Forschende die Lärmbelastung durch den Schienenverkehr reduzieren. Foto: Pxhere

Ein unscheinbares Kunststoffbauteil unter den Gleisen ist für ein Schweizer Forscherteam ein Hoffnungsträger für leiseren Schienenverkehr.

Um die Lärmbelastung durch den Schienenverkehr zu reduzieren, setzen Schweizer Forschende auf ein unscheinbares Kunststoffbauteil mit einer harten Schale und einen weichen Kern, das zwischen die Schienen und die Betonschwellen eingebaut wird.

„Rail Pads“ nennen sich diese von der Empa und der Hochschule für Wirtschaft und Ingenieurwissenschaften des Kantons Waadt unter Federführung der ETH Lausanne entwickelten Kunststoffbauteile aus elastischem Kunststoff, die zwischen Schienen und Betonschwellen eingebaut werden. Sie dienen dazu, den hochbelasteten Fahrweg aus verdichtetem Schotter und Betonschwellen zu schonen, indem sie den Schienen minimale Bewegungen erlauben – wie bei einer Gitarrensaite, die an mehreren Stellen zugleich auf das Griffbrett gedrückt wird. Doch gerade diese Schwingungsfreiheit lässt die Schiene stärker klingen – und dieser Lärm ist bei häufigen Geschwindigkeiten zwischen 60 und 160 km/h der entscheidende Faktor.

Verbundwerkstoff mit harter Schale und weichem Kern

Die grauen, elastischen Rail Pads schützen durch ihre harte Schale und den weichen Kern die Schwellen vor hohen Belastungen und reduzieren die Geräuschentwicklung, machen also die Gleise leise. Foto: HEIG-VD

Rail Pads bestehen derzeit in der Schweiz meist aus dem harten Kunststoff Ethylenvinylacetat (EVA). Zwar würde ein weicheres Material den Fahrweg noch besser schonen – aber zum Preis einer höheren Lärmbelastung. Eine Zwickmühle also, die das Team im Auftrag des Bundesamtes für Umwelt (BAFU) mit einem Verbundmaterial lösen will. Die Idee: harte Schale, weicher Kern. Genauer: eine Hülle aus EVA und ein Kern aus dem weichen Werkstoff Polyisobutylen (PIB). Die Dämpfung ist dabei präzise auf den Frequenzbereich von etwa 200 bis 2.000 Hertz abgestimmt, in dem die Schwingungen besonders geräuschintensiv sind.

Neuland also. Deshalb entwarfen die Fachleute Dutzende Varianten: Sandwich-Strukturen aus flachen Schichten – mit und ohne Deckel aus EVA. Zick-zack-geformte PIB-Füllungen, Oberflächen mit Einschnitten und allerlei mehr. Doch um im Labor zu erkunden, wie sich welche Bauart auswirkt, waren aufwändige Vorarbeiten nötig.

Komplexes Zusammenspiel zwischen Schienen, Schwellen und Schotter

Die Simulation zeigt die hochskalierte Verformung der Schiene auf den Betonschwellen. Foto: HEIG-VD

Das komplexe Zusammenspiel zwischen Schienen, Schwellen und Schotter simulierte eine „Drei-Schwellen-Einheitszelle“: ein Stückchen Fahrweg, knapp 2 m lang, versehen mit einem „Shaker“, der definierte Frequenzen erzeugt, und einer Sonde, die die Schallintensität misst. Diese Messzelle bildet zwar nicht das reale Verhalten einer Bahnstrecke ab, erlaubt aber präzise Vergleiche unter unterschiedlichen Bedingungen.

Zugleich entwickelten Forscher um Bart van Damme von der Empa-Abteilung Akustik / Lärmminderung eine Simulation des Systems mittels Finite-Elemente-Methoden, die mit den Resultaten der Experimente gut übereinstimmte. Dies bildete die Basis, um das Verhalten schließlich auf eine längere Bahnstrecke hochzurechnen.

Rail Pads machen die Gleise leise und schonen das Gleisbett

Mit diesem Handwerkszeug nahmen die Forschenden ihre Rail-Pad-Designs unter die Lupe. Resultate: Um das Gleisbett zu schonen und zugleich Lärm zu mindern, waren Sandwich-Strukturen, die sich dank Einkerbungen leicht biegen lassen, ungeeignet, so van Damme. Auch die zick-zack-geformte Füllung aus PIB brachte keine Vorteile. Als beste Lösung erwies sich ein PIB-Anteil von über 50 %, eingelegt in eine Schale aus dem härteren EVA-Kunststoff.

Dämpfungselemente ab März im realen Test

Eine einfache Struktur also – mit Vorteilen für Tests, die ab kommendem März auf einer Bahnstrecke in Nottwil stattfinden werden. „Diese Rail Pads lassen sich leicht herstellen“, sagt van Damme. Angesichts der benötigten Stückzahlen ein klarer Vorteil. Denn allein für die 100 m lange Teststrecke werden fast 400 Stück benötigt. Deshalb ist auch ein Unternehmen an Bord, das die Herstellung der bereits patentierten Bauteile übernimmt.

Mit den Messungen von Lärm, Vibrationen, Verformungen und anderen Kenndaten wird sich zeigen, wie sich die Rail Pads in der Praxis bewähren. „Wir hoffen, dass sie hörbar weniger Lärm verursachen und gleichzeitig den Schotter besser schützen als die herkömmlichen harten Zwischenlagen“, so van Damme.

Bedeutender Beitrag zur Reduzierung des Bahnlärms

Im Forscherteam herrscht jedenfalls Optimismus. „Die im Projekt entwickelten Modelle erlauben eine gezielte Optimierung der teilweise widersprüchlichen Anforderungen“, erklärt Empa-Abteilungsleiter Jean-Marc Wunderli. Und: „Da für die Herstellung der Zwischenlagen keine nennenswerten Mehrkosten erwartet werden, erhoffe ich mir einen großflächigen Einsatz und damit einen bedeutenden Beitrag zur Reduktion des Bahnlärms.“

gk

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