FEM-Simulation der Schienenform

Rechnerisch simuliert: Die Grafik zeigt die hochskalierte Verformung der Schiene auf den Betonschwellen. (Bild: HEIG-VD)

Schienenschwelle mit Rail Pads
Die grauen, elastischen Rail Pads schützen die Schwellen vor hohen Belastungen. (Bild: HEIG-VD)

Wie kann man den Bahnlärm für Anwohner reduzieren – ohne die üblichen Lärmschutzwände, optimierte Radsysteme oder Bremsen? Dieser Frage sind Forscher der Empa und der Hochschule für Wirtschaft und Ingenieurwissenschaften des Kantons Waadt unter Federführung der ETH Lausanne nachgegangen. Die Antwort darauf ist ein eher unauffälliges Bestandteil des Schienensystems, die sogenannten „Rail Pads“. Sie bestehen aus elastischem Kunststoff und stecken zwischen Schienen und Betonschwellen.

Die Bauteile 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.

Welche Rolle spielt das Material für die Lärmbelastung?

Rail Pads bestehen 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), dessen Dämpfung präzise auf den Frequenzbereich von etwa 200 bis 2.000 Hz abgestimmt ist, in dem die Schwingungen besonders geräuschintensiv sind.

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

FEM-Simulation berechnet Ergebnisse für längere Strecken

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: die Basis, um das Verhalten schließlich auf eine längere Bahnstrecke hochzurechnen. Mit diesem Handwerkszeug nahmen die Forscher 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, erklärt 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.

Prototypen des Rail Pad
Prototypen des Rail Pad. (Bild: HEIG-VD)

Sind Testversuche in realer Umgebung geplant?

Drei-Schwellen-Einheitszelle
Drei-Schwellen-Einheitszelle. (Bild: Prototypen des Rail Pad)

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. Auf der 100 Meter langen Strecke werden wir fast 400 Stück brauchen“, sagt van Damme. Deshalb ist ein Unternehmen an Bord, das die Herstellung der bereits patentierten Bauteile übernimmt.

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

Im Forscherteam herrscht jedenfalls Optimismus. „Die im Projekt entwickelten Modelle erlauben eine gezielte Optimierung der teilweise widersprüchlichen Anforderungen“, sagt 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.“

Quelle: Empa

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