Langzeit-Eigenschaften der Unterschottermatten im Münchner S

Langzeit-Eigenschaften der Unterschottermatten im Münchner
S-Bahntunnel nahe der Philharmonie Am Gasteig
VON
RÜDIGER G. WETTSCHURECK+) - MARKUS HEIM++) - MARKUS TECKLENBURG++)
Einleitung – Laboruntersuchungen – Körperschallmessungen während
Zugvorbeifahrten im S-Bahntunnel – Schlussfolgerungen
1. Einleitung
Anfang der 80er-Jahre wurde in unmittelbarer Nachbarschaft der zentralen
Tunnelstrecke der Münchner S-Bahn
das Kulturzentrum „Am Gasteig“
errichtet, das u.a. den Konzertsaal der
Philharmonie und die städtische Bibliothek beheimatet (Bild 1).
Vor allem der Konzertsaal musste
Bild 1: Draufsicht des Kulturzentrums "Am
Gasteig" in unmittelbarer Nachbarschaft der
zentralen Tunnelstrecke der Münchner
S-Bahn. (1) Philharmonie, (2) städtische
Bibliothek
vor dem Körperschall geschützt werden, der vom Zugbetrieb im S-Bahntunnel mit sehr hoher Verkehrsdichte
ausgeht. Durch geeignete Maßnahmen
war sicherzustellen, dass der Ruhegeräuschpegel im Konzertsaal die vorgegebene Grenze von 25 dB(A) bei
Durchfahrt von Zügen im Tunnel nicht
übersteigt, um somit den Konzertsaal,
wie beabsichtigt, auch für Musikaufzeichnungen nutzen zu können [1].
Messungen auf dem Baugelände und
Berechnungen haben ergeben, dass im
Frequenzbereich von ca. 31 Hz 200 Hz eine beträchtliche Minderung
der Körperschallpegel erzielt werden
musste [2, 3].
Von den zur Diskussion stehenden
Lösungsmöglichkeiten,
wie
eine
„Raum-in-Raum-Konstruktion“,
ein
20 m tiefer, elastisch verfüllter Erdschlitz zwischen dem Gebäude und
dem S-Bahntunnel oder der Einbau von
Unterschottermatten im Tunnel, kam
letztere Lösung zur Bauausführung.
Während nächtlicher Sperrpausen
wurden in beiden Tunnelröhren über
eine Länge von 345 m mittels eines
speziell entwickelten Verfahrens Unterschottermatten des Typs Sylomer
B 851 eingebaut [4]. Diese waren mit
einem Bettungsmodul von 0,02 N/mm³
gemäß [5] für die Beanspruchung
durch den Fahrbetrieb der Münchner SBahn ausgelegt worden.
Der im Tunnel eingebaute Oberbau
ist vom Typ K 54 1667 H, bestehend
aus der Schienenbefestigung K
(Klemmplatte), Schienen des Typs
S 54, Holzschwellen mit einem Abstand von 60 cm.
Die Höhe des
Schotterbetts beträgt in der Regel
ca. 30 cm unter Schwellenunterkante.
Die Regelbelastung des Oberbaus erfolgt durch S-Bahntriebzüge des Typs
ET 420 mit einer Achslast von 160 kN,
die in diesem Tunnelabschnitt mit einer
maximalen
Geschwindigkeit
von
80 km/h verkehren (inzwischen ersetzt
durch die neuen Triebzüge ET 423) .
Körperschallmessungen, die vor
und nach Einbau der Unterschottermatten in den beiden Tunnelröhren und
auf dem Baugelände des Konzertsaales
bei Durchfahrt von S-Bahnzügen
durchgeführt worden waren, ergaben
eine gute Übereinstimmung mit dem
unter Verwendung eines einfachen
Rechenmodells vor dem Einbau berechneten Einfügungsdämmmaß der
Unterschottermatten [6, 7] und zeigten,
dass die Anforderungen gemäß [1] in
vollem Umfang erfüllt wurden. Bislang wurden, wie insbesondere auch in
diesem Beitrag gezeigt werden wird,
keine signifikanten Veränderungen der
Wirksamkeit dieser Körperschallminderungsmaßnahme festgestellt.
In den vergangenen fast zwei Jahrzehnten wurden Unterschottermatten
mit vergleichbar guten Ergebnissen an
vielen Orten, entweder beim Neubau
von Strecken oder, wie in jüngerer
Vergangenheit immer häufiger, nachträglich in bestehenden Strecken eingebaut [8]. Stellvertretend soll hier auf
Das vorliegende Manuskript wurde veröffentlicht in:
Verkehr + Technik 57 (2004), H. 1, S. 3 - 9
die sehr erfolgreichen Maßnahmen im
S-Bahntunnel Köln-Chorweiler [9] und
im Bhf Friedrichstraße der Berliner SBahn [10] hingewiesen werden. Trotz
dieser ausgesprochen positiven Ergebnisse bzw. Erfahrungen mit Unterschottermatten und der zwischenzeitlich gegenüber [5] wesentlich verschärften Prüfbedingungen zur Ermittlung der Gebrauchstauglichkeit
von Unterschottermatten nach [11]
(d.h. der Dauerschwellversuch ist jetzt
mit 12,5⋅106 Lastwechseln, statt wie
früher mit 2⋅106 Lastwechseln,
durchzuführen)1) bringt es der ständig
härter werdende und globale Wettbewerb mit sich, dass von Seiten der
Anwender vermehrt zusätzliche Aussagen über die Langzeit-Gebrauchstauglichkeit der eingebauten Produkte
gewünscht bzw. erwartet werden.
_______________________________
1)
Hinweis: alle Unterschottermatten des derzeitigen Lieferprogramms von Getzner Werkstoffe GmbH wurden bereits seit Mitte der
90er-Jahre nach den sich schon damals abzeichnenden verschärften Prüfbedingungen
untersucht!
Bild 2: Ausbau der oberen Schicht der Unterschottermatte am äußeren Schwellenfachende
1
Bild 3: Exponierter Bereich: sichtbar ist die untere Schicht der Unterschottermatte Sylomer B 851
Mit dem S-Bahntunnel nahe der
Philharmonie Am Gasteig in München,
der mit einer täglichen Belastung von
derzeit ca. 150.000 Lasttonnen Teil
einer der am stärksten frequentierten SBahnstrecke in Deutschland ist, bot
sich nun die Gelegenheit, die Langzeiteigenschaften von Sylomer-Unterschottermatten am Beispiel der Unterschottermatte des Typs B 851 zu untersuchen. Das Produkt war seit dem Einbau Anfang des Jahres 1983 einer Belastung von mehr als 760⋅106 Lasttonnen ausgesetzt. Bei einer Achslast
von 160 kN (Triebzug ET 420) bedeutet dies eine Schwellbelastung von
mehr als 45⋅106 Lastwechsel und entspricht damit fast dem 4-fachen des
Wertes, der nach [11] als Voraussetzung für die Zulassung zum Einbau in
Betriebsgleisen der Deutschen Bahn
AG zu erfüllen ist.
Im vorliegenden Beitrag wird über
Ergebnisse von Untersuchungen berichtet, die zur Bestimmung von statischen und dynamischen Kennwerten
an ausgebauten Proben der Unterschottermatte des Typs Sylomer
B 851 im Labor, sowie zur Ermittlung
der Langzeitwirksamkeit der Unterschottermatte während des Zugbetriebes im Münchner S-Bahntunnel durchgeführt wurden.
2. Laboruntersuchungen
Im Dezember 1999, also nach ca. 17jähriger Betriebsbelastung, wurde auf
Veranlassung von Getzner Werkstoffe
GmbH und unter Aufsicht der Deutschen Bahn AG an zwei definierten
Gleisbereichen je eine Probe der Unterschottermatten des Typs Sylomer
2
B 851 aus dem Münchner S-Bahntunnel nahe der Philharmonie „Am Gasteig“ entnommen, um die Langzeiteigenschaften dieses Produktes zu untersuchen.
Die Proben wurden aus folgenden
Gleisbereichen entnommen:
- Bereich 1: normale Schotterhöhe (ca.
30 cm unter Schwellenunterkante),
Gleisbogen;
- Bereich 2: niedrige Schotterhöhe
(≤ 20 cm unter Schwellenunterkante), gerades Gleis.
Die Probenentnahme erfolgte jeweils
von Mitte zu Mitte zweier benachbarter
Schwellenfächer und vom Beginn des
Lastkegels am Schwellenkopf bis
Schwellenmitte in den Abmessungen
600 x 1200 mm² (Bilder 2 und 3).
Eine optische / visuelle Beurteilung
der ausgebauten Proben sowie die Ermittlung der statischen Steifigkeit und
deren Vergleich mit den Werten, die
anlässlich des Einbaus der im Jahr
1983 durchgeführten Güteüberwachung ermittelt worden waren, erfolgte
durch das Prüfamt für Bau von Landverkehrswegen
der
Technischen
Universität München [12].
Die Untersuchungen zur Ermittlung
der dynamischen Steifigkeit wurden an
einem Prüfstand bei Müller-BBM
GmbH, Planegg bei München, durchgeführt [13].
2.1 Optische Prüfung
Da die Unterschottermatten in beiden
Ausbaubereichen am Tunnelboden im
Wasser lagen (Bild 4) mussten die
Proben vor der Prüfung zunächst getrocknet werden, um vergleichbare
Bild 4: Ansicht des Bereichs der Probenentnahme: man erkennt Wasser auf der Tunnelsohle, in dem die Unterschottermatten lagen
Prüfbedingungen zu jenen anlässlich
der vor dem Einbau der Matten im
Jahre 1983 durchgeführten Prüfungen
zu erzielen.
Wie in [12] ausgeführt, sind die
durch die Schottersteine verursachten
Abdrücke deutlich an der Oberfläche
der Unterschottermatten sichtbar. In
sehr gutem Zustand befindet sich die
Lastverteilungsschicht (Schutzschicht
im Kontaktbereich zum Schotter); sie
weist zwar geringfügige plastische
Schotterkorneindrücke, jedoch keine
Beschädigungen (z.B. Perforationen)
auf.
Aufgrund des Musters der vom
Schotter verursachten Abdrücke ist
erkennbar, dass die Schottersteine in
der Oberfläche der Unterschottermatte
gut eingebettet sind. Die beiden Federschichten sind ebenfalls vollständig
intakt.
2.2 Statische Steifigkeit
Es wurde die statische Federkennlinie
im Lastbereich bis ca. 0,25 N/mm² bei
einer Prüfgeschwindigkeit von 0,16
kN/s von je einer Probe der beiden
Ausbauorte ermittelt [12]. Die Proben
hatten jeweils die Abmessungen
300 x 300 mm². Gemäß den speziellen
(von den Vorschriften in [5] abweichenden) Vorgaben, die anlässlich der
Einbaumaßnahme im Jahr 1983 in den
Ausschreibungsbedingungen festgelegt
worden waren, wurde aus der Federkennlinie für die beiden Proben ein
Bettungsmodul cist ermittelt und mit der
in den Ausschreibungsbedingungen
festgelegten Sollvorgabe csoll ± 12,5 %
verglichen.
Rüdiger G. Wettschureck et al. in: Verkehr + Technik 57 (2004), H. 1
Die Prüfung ergab, dass der aus den
Messungen an beiden Proben gebildete
Mittelwert des Bettungsmoduls bei
cist = csoll + 10 % liegt, d.h. die Sollvorgabe der Ausschreibung ist nach
17jähriger hoher Betriebsbelastung der
Unterschottermatten nach wie vor eingehalten.
2.3 Dynamische Steifigkeit
Die dynamische Steifigkeit wurde an
einer Mattenprobe nach der sogenannten direkten Methode gemäß ISO
10846-2 [14] unter den in [5] und [15]
festgelegten Randbedingungen ermittelt. Die Durchführung der Messungen
und die erzielten Ergebnisse sind in
[16] dargestellt. Bild 5 zeigt schematisch den verwendeten Prüfaufbau, in
und außerdem bei der Güteüberwachung im Rahmen der Lieferung von
Unterschottermatten ohnehin Abweichungen von ± 15 % um einen vorgegebenen Sollwert zulässig sind.
Insgesamt kann zum Ergebnis nach
Bild 7 festgestellt werden, dass bezüglich der dynamischen Federeigenschaften der Unterschottermatte Sylomer B 851 nach 17 Jahren extremer
0.10
Dynamische Steifigkeit s'' [N/mm³]
Bild 5: Schematische Darstellung des Prüfaufbaus für dynamische Messungen an Federelementen nach ISO 10846-2 [14]
Bild 6 ist der entsprechende Prüfstand
bei Müller-BBM abgebildet.
Die Probe (4) wird über die Kraftmessplattform (5) und die hydraulisch
verfahrbare Traverse (2) mit der Vorlasteinheit (3) auf die jeweils geforderte statische Belastung vorgespannt.
Die Einleitung der Wechselkraft erfolgt
durch
einen
elektrodynamischen
Schwingerreger (1). Aus der Übertragungsfunktion, die durch die an der
Oberseite des Prüflings gemessenen
Schwingschnelle und die ins Fundament (6, 7) eingeleitete Wechselkraft
bestimmt ist, wird die dynamische
Steifigkeit des Prüflings ermittelt.
In Bild 7 ist beispielhaft das Ergebnis einer Messung nach [16] dargestellt, die bei der für S-Bahnen charakteristischen Vorlast von 0,06 N/mm²
[15] durchgeführt wurde. Der verwendete Prüfling hatte eine Fläche von
200 x 200 mm². Zum Vergleich sind in
Bild 7 außerdem Ergebnisse von Messungen angegeben, die im Jahr 1983 im
Rahmen der Bauüberwachung an 3
Proben aus der Lieferung der zum
Einbau kommenden Unterschottermatte durchgeführt worden waren [17].
Zunächst fällt auf, dass die jetzt
gemessenen Steifigkeitswerte geringfügig über denen liegen, die zum Zeitpunkt des Einbaus der Unterschottermatte ermittelt worden waren. Dabei
ist jedoch zu beachten, dass die ausgebauten Probestücke aus Gründen des
erforderlichen Aufwandes (bahnbetriebliche Randbedingungen im Tunnel, Kosten, etc.) nur an zwei sehr begrenzten Stellen entnommen wurden
0.08
0.06
0.04
0.02
0.00
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Frequenz [Hz]
Probe 1, vor demEinbau
Probe 2, vor demEinbau
Probe 3, vor demEinbau
Ausgebaute Probe, 17 Jahre nach demEinbau
Bild 7: Dynamische Steifigkeit der Unterschottermatte Sylomer B 851: Messungen an verschiedenen Proben vor dem Einbau im Münchner S-Bahntunnel im Jahr 1983 und an einer
Probe, die nach 17 Jahren aus der Südröhre des
Tunnels ausgebaut wurde. Statische Vorlast
(bei der Messung): 0,06 N/mm²
Betriebsbelastung keine wesentliche
Veränderung eingetreten ist, wobei
offenkundig auch der Umstand, dass
die Matten auf der Tunnelsohle im
Wasser lagen keinen negativen Einfluss hatte (siehe oben und Bild 4).
Daher war aufgrund der Laborergebnisse zu erwarten, dass die im Jahr
1983 gemessene körperschalltechnische Wirksamkeit der Maßnahme bei
vergleichbaren Randbedingungen im
S-Bahntunnel (Fahrzeuge, Schienenfahrflächen, Oberbausteifigkeit etc.)
auch weiterhin nachweisbar sein
würde.
3. Körperschallmessungen
während Zugvorbeifahrten im S-Bahntunnel
Bild 6: Prüfstand für dynamische Messungen an Federelementen nach ISO 10846-2 [14]. Dargestellt ist ein Aufbau zur Prüfung von Unterschottermatten (Foto: P. Hofmann, Müller-BBM GmbH)
Rüdiger G. Wettschureck et al. in: Verkehr + Technik 57 (2004), H. 1
Als wichtiger Bestandteil der Untersuchungen zu den Langzeiteigenschaften
der
Unterschottermatte
Sylomer
B 851 war vorgesehen, im Anschluss
an die Laboruntersuchungen, Körperschallmessungen im Münchner SBahntunnel während des Zugbetriebes
an „historischen Messpunkten“ aus
dem Jahr 1983 durchzuführen. Durch
Vergleich der Messergebnisse mit
3
Bild 8: Beispiel ausgeprägter Ausbrüche in
der Schienenfahrfläche im Bereich des Messpunkts Mp 11 in der Südröhre des Münchner
S-Bahntunnels, vor dem Austausch und dem
Schleifen der Schienen
Bild 9: Typische Schlupfwellen auf der
Schienenfahrfläche im Bereich des Messpunkts Mp 12 in der Südröhre des Münchner
S-Bahntunnels, vor dem Austausch und dem
Schleifen der Schienen
denen, die aus Messungen unmittelbar
vor/nach dem Einbau der Unterschottermatten im Jahr 1983 gewonnen worden waren, kann die schalltechnische
Wirksamkeit der Unterschottermatten
nach hoher Langzeitbelastung im Betriebsgleis ermittelt werden.
Einflusses von Fahrflächenfehlern der
Schienen auf die Körperschall-Emission durchgeführt worden waren, haben ergeben [19], dass Schlupfwellen
der beobachteten Ausprägung in dem
durch Wellenlänge und Fahrgeschwindigkeit bestimmten Frequenzbereich
um ca. 200 Hz eine Anhebung des
Körperschallpegels von bis zu 20 dB
verursachen können (siehe Bild 10),
die damit von der gleichen Größenordnung ist, wie die durch die Unterschottermatten erzielte Minderung des
Körperschallpegels (siehe z.B. [2]).
Eine Beurteilung des sehr schlechten Zustandes der Schienenfahrflächen
durch die zuständige Dienststelle der
Deutschen Bahn AG ergab, dass die
vorhandenen Fahrflächenfehler nicht
mehr durch Schienenschleifen beseitigt
werden konnten und somit schon aus
Gründen der Fahrdynamik (Fahrzeug/Oberbau-Beanspruchung), aber insbesondere auch im Hinblick auf die Reduzierung der vom Zugbetrieb ausgehenden Körperschallemissionen ein
Schienenwechsel notwendig wurde.
3.1 Randbedingungen bei den
Körperschallmessungen
Eine wesentliche Voraussetzung dafür,
dass bei derartigen Untersuchungen
zuverlässige und aussagefähige Ergebnisse erzielt werden können, ist es, dass
alle für die Körperschallentstehung
maßgeblichen Parameter bei den Messungen
Vorher/nachher
konstant
gehalten werden bzw. im Rahmen des
technisch Möglichen vergleichbar sind.
Dazu gehört in besonderem Maße die
Schienenrauhigkeit bzw. der Zustand
der Schienenfahrflächen.
Zur Vorbereitung der geplanten
Messungen fand im Sommer 2000 im
Beisein von Vertretern der Deutschen
Bahn AG eine Tunnelbegehung zwecks
Inspektion des Schienenzustandes im
betroffenen Streckenabschnitt statt.
Dabei wurde festgestellt, dass die
Schienenfahrflächen in einem sehr
schlechten Zustand waren, so dass eine
Durchführung der Messungen zunächst
nicht in Frage kam. In größeren Streckenabschnitten, so insbesondere in
dem bergwärts führenden Gleisbogen
der Südröhre des Tunnels wurden, wie
Bild 8 beispielhaft zeigt, ausgeprägte
Ausbrüche in der Schienenfahrfläche
oder, entsprechend Bild 9, typische
Schlupfwellen festgestellt (Einzelheiten zu typischen Schienenfahrflächenfehlern siehe z.B. [18]). Messungen,
die Mitte der 80er-Jahre in diesem
Tunnelabschnitt zur Untersuchung des
4
Bild 11 beispielhaft veranschaulicht
werden.
Im Bild erkennt man den „glatten
Fahrspiegel“ im Bereich der Schienenfahrfläche, während an der Außenseite
des Schienenkopfes, außerhalb der
Fahrfläche, noch deutlich die Spuren
der rotierenden Schleifscheiben des
Schienenschleifzuges zu erkennen sind
(Schleifriefen).
Die Anordnung der je Richtungsgleis
in der nördlichen und der südlichen
Tunnelröhre eingerichteten Messpunkte (Mp) ist in Bild 12 dargestellt.
Demnach waren an der Tunnelwand, in einer Höhe von ca. 1,5 m über
Schienenoberkante, je Fahrtrichtung
vier Messpunkte an “Original-Messorten” eingerichtet, die bereits bei den
Messungen vor/nach Einbau der Unterschottermatten im Jahr 1983 installiert
waren. Jeweils drei Messpunkte be-
Bild 10: Einfluss von Schlupfwellen (Wellenlänge ca. 8-10 cm) auf der bogeninneren
Schiene eines engen Gleisbogens (r ≈ 420 m)
auf den Schnellepegel an der Tunnelwand bei
Vorbeifahrt von Triebzügen ET 420 mit einer
Geschwindigkeit von ca. 60 km/h [19].
 Differenz vor/nach Schienenschleifen
------ Differenz 15 Monate nach / unmittelbar
nach Schienenschleifen
3.2 Durchführung der Messungen
Nach dem Schienenwechsel wurden im
April 2001 die fabrikneuen Schienen,
wie üblich, zwecks Entfernung der so
genannten Walzhaut und zur Herstellung eines optimalen Schienenkopfprofils geschliffen (siehe z.B. auch [18]:
„vorbeugendes Schleifen“), so dass
nach einer Einfahrzeit von ca. drei
Wochen für die Körperschallmessungen im betroffenen Tunnelabschnitt,
wie anlässlich der Messungen unmittelbar vor/nach Einbau der Unterschottermatten im Jahr 1983, ein optimaler
Schienenzustand mit glatten Schienenfahrflächen vorlag.
Dies soll mit
Bild 11: Glatte Schienenfahrfläche, z.B. im
Bereich des Messpunkts Mp 12 in der Südröhre des Münchner S-Bahntunnels, nach dem
Schleifen der neuen Schienen im April 2001
Rüdiger G. Wettschureck et al. in: Verkehr + Technik 57 (2004), H. 1
fanden sich im Bereich mit Unterschottermatten, während je ein Messpunkt außerhalb dieses Bereiches lag
(siehe Mp 6 und Mp 7).
Als Messwertaufnehmer dienten
piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer, die an den noch vorhandenen
und intakten Originalvorrichtungen (an
die Tunnelwand geklebte Aluminiumplättchen) montiert wurden.
Von den derzeit im Münchner SBahnnetz verkehrenden Triebzügen der
Typen ET 420 (alt) und ET 423 (neu)
wurden zunächst alle Vorbeifahrten
messtechnisch erfasst. Zur weiteren
Auswertung wurden jedoch nur die
Vorbeifahrten des ET 420 herangezogen, da nur dieser Fahrzeugtyp Vergleiche mit den früheren Messergebnissen möglicht.
3.3 Auswertung der Messungen
und Ergebnisse
Bild 12: Lage der Messpunkte (Mp) an der Tunnelwand der nördlichen und südlichen Tunnelröhre
der Münchner S-Bahn nahe der Philharmonie “Am Gasteig”
Die Auswertung der in [16] detailliert
beschriebenen Messungen erfolgte in
gleicher Weise wie bei den Untersuchungen im Jahr 1983. Danach wurde
je Einzelmessung und Messpunkt mittels eines speziellen Algorithmus ein
Zeitfenster von 4 s Dauer um das Maximum der Zugvorbeifahrt gelegt. Die
Signale innerhalb dieses Zeitfensters
wurden mittels digitaler Terzfilter mit
der Zeitbewertung „SLOW“ gefiltert
und zur Schwingschnelle integriert.
Die dann je Zugvorbeifahrt vorliegenden Schnellepegel-Terzspektren (sogenannte MAX-HOLD-Spektren) werden
im Frequenzbereich von 4 Hz – 315 Hz
als Funktion der Terzmittenfrequenz
dargestellt. Gestörte Messfahrten (z.B.
Flachstellen an Rädern, etc.) werden
hierbei erkannt und von der weiteren
Auswertung ausgeschieden. Aus den
vorliegenden Spektren für Einzelfahrten wurde sodann jeweils der energetische Mittelwert des SchnellepegelTerzspektrums für alle Zugvorbeifahrten je Messpunkt ermittelt und den
korrespondierenden Spektren der Messungen unmittelbar vor/nach Einbau
der Unterschottermatten aus dem Jahr
1983 gegenübergestellt.
Bild 13a zeigt diese Gegenüberstellung zunächst beispielhaft für einen
Messpunkt außerhalb des Bereiches
mit Unterschottermatten. In Bild 13b
bzw. Bild 13c sind die entsprechenden
Ergebnisse für je einen Messpunkt im
Bereich mit Unterschottermatten in der
nördlichen bzw. in der südlichen Tunnelröhre dargestellt.
Unabhängig von den Ergebnissen
der weiteren Auswertung wird bereits
aus den dargestellten Diagrammen
deutlich, dass sich gegenüber den Messungen unmittelbar nach dem Einbau
der Unterschottermatten keine signifikanten Veränderungen ergeben haben,
woraus man auch nach 18 Jahren hoher
Betriebsbelastung auf eine uneingeschränkte Wirksamkeit der Unterschottermatte schließen kann.
Die
Erwartungen, die aus den sehr positiven Ergebnissen der Prüfstandsuntersuchungen abgeleitet werden konnten,
können somit als erfüllt angesehen
werden.
Um die Wirksamkeit der Unterschottermatten nach langer Belastung
im Betriebsgleis (Langzeitwirksamkeit)
direkt mit der vergleichen zu können,
die unmittelbar nach Einbau der Matten im Jahr 1983 ermittelt worden war,
wurden nun je Messpunkt aus den
mittleren Schnellepegelspektren für die
Situationen vor Einbau und 18 Jahre
nach Einbau Terzpegel-Differenzen
ermittelt, aus denen sodann der arithmetische Mittelwert über die jeweils
drei Messpunkte je Fahrtrichtung
(nördliche bzw. südliche Tunnelröhre)
berechnet wurde. Dieser Mittelwert
der Terz-Schnellepegeldifferenz für die
Situation 18 Jahre nach dem Einbau
der Unterschottermatten, wurde als
Funktion der Terzmittenfrequenz grafisch dargestellt und zum Vergleich
dem korrespondierenden Mittelwert für
die Situation im Juni 1983, also unmittelbar nach dem Einbau der Unterschottermatten, gegenübergestellt.
In Bild 14a und 14b ist diese Gegenüberstellung getrennt für die nördliche und die südliche Tunnelröhre dar-
Rüdiger G. Wettschureck et al. in: Verkehr + Technik 57 (2004), H. 1
gestellt (im weiteren Verlauf dieses
Beitrags wird nicht vom Einfügungsdämmaß der Unterschottermatte sondern, korrekter Weise und der Darstellung in den Bild 14a und 14b entsprechend, von einer Pegelminderung bzw.
Pegeldifferenz gesprochen. Dies deshalb, weil die Pegelunterschiede, die
jeweils an den Messpunkten außerhalb
des Mattenabschnittes beobachtet wurden, aus diversen praktischen Gründen
jetzt nicht als Korrekturgröße verwendet wurden, wie dies bei der Ermittlung
des Einfügungsdämmßes der Unterschottermatte im Jahr 1983 der Fall
war).
Zunächst zeigen diese Darstellungen, dass nach 18 Jahren extremer
Betriebsbelastung hinsichtlich der
Wirksamkeit der Unterschottermatte
Sylomer B 851 keine signifikante
Einbuße im Vergleich zum Zustand
unmittelbar nach dem Einbau zu verzeichnen ist.
In Bild 14a ist ein geringfügiger
Anstieg der Systemresonanzfrequenz
zu erkennen (Bereich negativer Pegeldifferenz), verbunden mit einer ebenso
geringfügig niedrigeren Pegeldifferenz
im Bereich höherer Frequenzen, woraus man auf eine gewisse Zunahme der
sich im Zusammenwirken mit dem
Schotter einstellenden Steifigkeit der
Unterschottermatte im Gleis schließen
kann. Diese Steifigkeitszunahme ist
jedoch nicht, wie bereits oben bei der
Kommentierung der Prüfstandsergebnisse ausgeführt wurde, der Unterschottermatte alleine zuzuschreiben.
Vielmehr kann infolge von Abrieb der
Schottersteine, sowie sonstiger Verun5
Bild 13: Schnellepegel-Terzspektren, gemessen an der Tunnelwand der Münchner S-Bahn, nahe der Philharmonie “Am Gasteig”, während der
Vorbeifahrt von Triebzügen ET 420 mit einer Geschwindigkeit von 60 km/h, vor/nach Einbau der Unterschottermatten des Typs Sylomer B 851.
(a) Messpunkt Mp 7: ausserhalb des Bereiches mit Unterschottermatten in der südlichen Tunnelröhre
(b) Messpunkt Mp 1: innerhalb des Bereiches mit Unterschottermatten in der nördlichen Tunnelröhre
(c) Messpunkt Mp 8: innerhalb des Bereiches mit Unterschottermatten in der südlichen Tunnelröhre
(effektiven) Steife der Unterschottermatte sM nach der Beziehung
∆L ≈ 10 lg 1 + s s / s M
Bild 14: Mittlere Schnellepegel-Differenz aus Messungen an jeweils 3 Messpunkten an der
Tunnelwand der Münchner S-Bahn nahe der Philharmonie „Am Gasteig“, während der
Vorbeifahrt von Triebzügen ET 420 mit einer Geschwindigkeit von 60 km/h, nach dem Einbau
der Unterschottermatte des Typs Sylomer B 851, jeweils bezogen auf die Situation vor dem
Einbau.
(a) Nördliche Tunnelröhre
(b) Südliche Tunnelröhre
reinigungen und damit verbundener
Umlagerungen im Schotterbett, die effektiv belastete Mattenfläche je
Schwelle und damit die effektiv wirksame dynamische Steife der Matte
zugenommen haben (Einzelheiten
hierzu, insbesondere zu den formelmäßigen Zusammenhängen der beschriebenen Effekte siehe z.B. [6], [7]).
Im Ergebnis für die südliche Tunnelröhre nach Bild 14b scheinen die
soeben angesprochenen Effekte auf den
ersten Blick noch deutlicher zu Tage zu
treten. Beachtet man jedoch, dass hier
in Relation zum Zustand nach dem
Matteneinbau im Jahr 1983 keine Verschiebung der maßgeblich durch die
unabgefederte Radsatzmasse der Fahrzeuge M und die (effektive) Steife der
6
Unterschottermatte sM
Systemresonanzfrequenz
bestimmten
f1 ≈ 1 / 2π s M / M
[6], [7] eingetreten ist, dann ist die in
Bild 14b im Frequenzbereich oberhalb
ca. 63 Hz zu beobachtende, jetzt etwas
niedrigere Pegeldifferenz nicht einer
Versteifung der Unterschottermatte
zuzuschreiben. Nach den üblichen und
vielfach validierten Modellen zur
schwingungstechnischen Beschreibung
des Systems Fahrzeug/Oberbau (siehe
z.B. [6], [20}], [21], [22]) ist die durch
eine Unterschottermatte zu erzielende
Pegelminderung ∆L in diesem Bereich
höherer Frequenzen maßgeblich durch
das Verhältnis von Schottersteife ss zur
bestimmt. Wenn also eine Versteifung
der Unterschottermatte aus den vorgenannten Gründen als Ursache für die
gegenüber 1983 jetzt etwas geringere
Pegeldifferenz ausscheidet, dann könnte der beobachtete Effekt durch eine
zwischenzeitliche Abnahme der Steifigkeit des Schotterbetts erklärt werden.
Aus Bild 14b geht ebenfalls hervor,
dass die Resonanzfrequenz f0 des Systems Fahrzeug/Schotteroberbau ohne
Unterschottermatte, die nach der Beziehung
f 0 ≈ 1/ 2π ss / M
(exakte Beziehung siehe [6], [19])
hauptsächlich von der Schottersteife ss
und der unabgefederten Radsatzmasse
M bestimmt ist und hier bei
f 0 ≈ 63 Hz liegt, nach 18 Jahren
Betriebsbelastung ebenfalls keine Verschiebung erfahren hat. Das heißt aber,
dass die beobachtete Abnahme der
Pegeldifferenz im Frequenzbereich
oberhalb von ca. 63 Hz von Einflüssen
verursacht worden sein muss, die nicht
durch die genannten und üblicherweise
angewandten schwingungstechnischen
Parameter erfasst werden.
4. Schlussfolgerungen
Die Ergebnisse der hier beschriebenen
Untersuchungen zeigen, dass die Unterschottermatte Sylomer B 851 die
außergewöhnlich hohen Betriebsbe-
Rüdiger G. Wettschureck et al. in: Verkehr + Technik 57 (2004), H. 1
lastungen von mehr als 760⋅106 Lasttonnen in einem Zeitraum von ca. 18
Jahren hervorragend bewältigt hat. Die
zum Zeitpunkt des Einbaus der Matten
hinsichtlich der Körperschallisolation
gestellten hohen Anforderungen sind
nach wie vor erfüllt. Auch die Lagerung im Wasser, wie sie in den Bereichen des Ausbaus von Mattenproben
festgestellt wurde, hat sich insgesamt
nicht negativ auf die Wirksamkeit der
Unterschottermatte ausgewirkt.
Durch die Untersuchungen, die gewissermaßen als praxisnaher Langzeitversuch für Sylomer-Unterschottermatten gewertet werden können, wird
deutlich, dass beim Einsatz dieses Produktes eine dauerhaft hohe Wirksamkeit gewährleistet werden kann, was
insbesondere, wie erfolgreiche Projekte
aus jüngerer Vergangenheit belegen
(siehe z.B. [9], [10]), im Falle des
nachträglich erforderlichen Einbaus
von großem Interesse sein kann.
Abschließend wird eine Beurteilung wiedergegeben, mit der die Ergebnisse der Untersuchungen an den
ausgebauten Proben in [12] wie folgt
zusammengefasst werden: “...... Aufgrund der vorliegenden Ergebnisse ist
zu erwarten, dass die Unterschottermatten bei gleichbleibend hohen Belastungen noch mindestens 30 Jahre
voll funktionsfähig bleiben werden. Es
wird ein erneuter Ausbau von Proben
nach ca. 10 Jahren bzw. ca. 500 Millionen Lasttonnen empfohlen.”
Es ist beabsichtigt, die zuletzt ausgesprochene Empfehlung etwa im Jahr
2010 umzusetzen, indem Untersuchungen der hier beschriebenen Art wiederholt werden.
[5] DB-TL 918071 „Technische Lieferbedingungen
Unterschottermatten“,
Deutsche Bundesbahn, Ausgabe 1988.
(Jetzt: BN 918071, Deutsche Bahn AG,
Ausgabe September 2000, siehe [11]).
LITERATUR:
[14] ISO 10846-2: „Acoustics and vibration –
Laboratory measurement of vibro-acoustic transfer properties of resilient elements – Part 2: Dynamic stiffness of
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[1] Müller H.A.,
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from the tubes of a subway into a building for a concert hall“, Proceedings Inter-Noise `80, Miami, 1980, Vol. II, pp.
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[2] Wettschureck R.G.,
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[3] Wettschureck R.G.:
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Structure-Borne Noise Insulation by
means of Cellular Polyurethane (PUR)
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[4] Spindler J.: „Schallschutzmaßnahmen in
einem Münchner S-Bahntunnel. Einbau
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und Schotterbett“, Der Nahverkehr
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[6] Wettschureck R.G., Kurze U.J.: “Einfügungsdämmaß von Unterschottermatten”,
Acustica 58 (1985), S. 177 – 182.
[7] Wettschureck R.G.: “Ballast Mats in
Tunnels – Analytical Model and Measurements”, Proceedings Inter-Noise ´85,
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[8] Tecklenburg M.: „Unterschottermatten
für leise Bahnen - Nachträglicher Einbau
von erschütterungsmindernden Maßnahmen im Eisenbahnoberbau“, Der Eisenbahningenieur 52 (2001) Nr. 11, S. 20 –
22.
B 851 der Firma Getzner”, Müller-BBM
Bericht Nr. 9697/1, im Auftrag der Stadt
München, Februar 1983.
[18] Schöch W.: „Rail maintenance as a
contribution to railway track optimisation“, Rail Engineering International,
Edition 2001, No. 1, pp. 11 – 13.
[19] Wettschureck R.G., Hauck G.: “Geräusche und Erschütterungen aus dem
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M. Heckl und H. A. Müller (Hrsg),
Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg,
New York, 2. Auflage, 1994.
[20] Remington P.J.:
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Acoustical Society of America, Volume
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[9] Wettschureck R.G., Breuer F., Tecklenburg M., Widmann H.: „Installation of
highly effective vibration mitigation
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[21] Diehl R.J., Görlich R., Hölzl G.: ”Acoustic optimisation of railroad track using
computer aided methods”, Proceedings
WCRR97 – World Congress on Railway
Research, Florence, 1997, Vol. E, pp.
421 – 427.
[10] Wettschureck R.G.,
Daiminger W.:
„Installation of high-performance ballast
mats in an urban railway tunnel in the
city of Berlin“, Proceedings Euro-Noise
´01 (CD-ROM), Patras, Greece, 2001.
[22] Diehl R.J., Hölzl G.: “Prediction of
wheel/rail noise and vibration - validation
of RIM“, Proceedings Euro-Noise ´98,
München, 1998, pp. 271 – 276.
[11] BN 918 071-1
“Technische Lieferbedingungen Unterschottermatten, Teil
1: Unterschottermatten zur Minderung
der Schotterbeanspruchung”, Deutsche
Bahn AG (Hrsg), September 2000
[12] „Ermittlung der statischen Steifigkeit an
ausgebauten Unterschottermatten aus
dem S-Bahntunnel München“.
Prüfzeugnis GÜ-60-00/Lie der Technischen
Universität München - Prüfamt für Bau
von Landverkehrswegen, im Auftrag von
Getzner Werkstoffe GmbH, Oktober
2000.
[13] „Bestimmung des dynamischen Bettungsmoduls einer Unterschottermattenprobe des Typs Sylomer B 851 nach
17jähriger Gebrauchsdauer im Tunnel
Kulturzentrum Am Gasteig / Philharmonie, München“. Müller-BBM Bericht Nr.
44 953/7, im Auftrag von Getzner Werkstoffe GmbH, August 2000.
Dieser Beitrag basiert auf einem Artikel in
englischer Sprache, veröffentlicht in: Rail
Engineering International, Edition 2002,
No. 4, pp. 6 – 11.
+)
Dr.-Ing. habil. Rüdiger G. Wettschureck,
Beratender Ing. für Technische Akustik,
Gstädtstraße 36, D-82439 Großweil,
Telefon: +49 (8851) 61 46 19,
Telefax: +49 (8851) 61 46 20,
Email: post@wettschureck-acoustics.eu
Web: www.wettschureck-acoustics.eu
[Bis Oktober 2004: Leiter Technische
Akustik, Getzner Werkstoffe GmbH,
Grünwald b. München]
++)
Dipl.-Ing. Markus Heim und Dipl.-Ing.
Markus Tecklenburg, Getzner Werkstoffe
GmbH, Bürs/Bludenz, Österreich
[15] DIN 45673-1 „Mechanische Schwingungen, Elastische Elemente des Oberbaus von Schienenfahrwegen, Teil 1:
Ermittlung statischer und dynamischer
Kennwerte im Labor“, Mai 2000.
[16] „Unterschottermatten im S-Bahntunnel
unterhalb des Kulturzentrums Am Gasteig in München – Messungen nach
18jähriger Betriebsbelastung“, MüllerBBM Bericht Nr. 45 667/3, im Auftrag
von Getzner Werkstoffe GmbH, Juli
2001.
[17] “Kulturzentrum Am Gasteig, Einbau von
Unterschottermatten in den S-Bahnröhren, Bauüberwachung – Kurzbericht über
Messungen der dynamischen Steifigkeit
an Proben der Unterschottermatte, Typ
Rüdiger G. Wettschureck et al. in: Verkehr + Technik 57 (2004), H. 1
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