Die Erläuterung der Wirtschaftlichkeit für die Verwendung vom Y-Stahlschwellen bezieht sich auf den Vergleich von Strecken mit Y-Stahlschwellenoberbau (St 98 Y) und dem zurzeit bei der DB AG verwendeten Oberbau mit Betonschwellen B 70W-2,4. Zum Vergleich werden die folgenden Kriterien herangezogen:
Schwellenanzahl
Der Achsabstand der Y-Stahlschwellen beträgt 1245 mm bei einem äquivalenten Auflagerabstand von 600mm. Es werden somit ca. 803 Stück Y-Stahlschwellen je km Gleis benötigt. Beim Querschwellengleis werden 1667 Stück benötigt. Das sind etwa 107% mehr. Aus dem geringeren Schwellenbedarf lassen sich einige Vorteile ableiten: - Schwellenanzahl beim Verlegen
- Schwellenanzahl beim Verspannen
- Schwellenanzahl beim Stopfen
Aus dem Vergleich der Oberbauarten wird deutlich, welche Transportmengen jeweils erforderlich sind. Betrachtet man lediglich die Schwellen (ohne Schienen, Schotter), so kann man auf Spezialwagen 120 Stück Y-Stahlschwellen (=150 m Gleis) transportieren. Betonschwellen passen zwar 128 Stück auf einen Waggon, diese Menge ergibt jedoch lediglich eine Gleislänge von 77 m. In nachstehender Grafik sind einige weitere Transportmengen vergleichend dargestellt, wobei für Y-Stahlschwellen zumeist das Volumen die Schwellenanzahl begrenzt. Betonschwellen limitieren die Transportmenge durch ihr hohes Eigengewicht.
Transportmenge (PDF-Ansicht)
Ein Vergleich der Massen ist ähnlich eindrucksvoll. Bei der Y-Stahlschwelle ergibt sich ein zu transportierendes Gesamtgewicht von ca. 115t/km und bei der Betonquerschwelle ein Gesamtgewicht von ca. 488t/km. In den folgenden Kapiteln werden die Massen der anderen Oberbaustoffe mit einbezogen. Die Tendenz ist ähnlich.
Auch auf die Verlegung der Schwellen hat die Anzahl der Schwellen Einfluss. Besonders in der Einzelschwellenverlegung, aber zunehmend auch in der maschinellen Verlegung von Y-Stahlschwellen hat sich gezeigt, dass sich Vorteile in der Verlegeleistung ergeben. Es sind nur 803 (758) Verlegebewegungen gegenüber 1667 (1539) bei Querschwellengleisen auszuführen.
Ähnlich verhält es sich auch beim zu verspannenden Kleineisen und den zu stopfenden Stützpunkten. Bei Y-Stahlschwellen müssen lediglich 2409 Stützpunkte verschraubt werden, beim Querschwellengleis sind es 3334 Stützpunkte.
Schwellenbedarf berechnen (PDF-Ansicht) Schotterbedarf
Durch die geometrische Gestaltung der Y-Stahlschwelle und die Eigensteifigkeit des Gleisrostes ist der Schotterbedarf vor Kopf erheblich reduzierbar. Zudem ist die Schottermenge beim Y-Stahlschwellengleis geringer im Vergleich zum Querschwellengleis mit Beton- oder Holzschwellen, da sich die geometrischen Maße der Schwellen unterscheiden. Obwohl vor Kopf der Y-Stahlschwellen theoretisch kein Schotter erforderlich wäre, wird ein etwa 30cm breiter Schotterstreifen vorgesehen, um beim Stopfvorgang ein Ausweichen des Randschotters zur Gleisaußenseite hin zu erschweren. Der Schotterbedarf beträgt beim Y-Stahlschwellengleis für eine eingleisige Strecke 1420 m³ und eine zweigleisige 3140 m³ je km Strecke. Das entspricht einer Einsparung von 33% gegenüber dem Oberbau mit Betonschwellen.
Dies bedeutet, dass bei einer Streckensanierung mit Umstellung von alten Holzschwellen auf neue Y-Stahlschwellen, bis zu einem Verschmutzungsgrad von ca. 30% kein Neuschotter in die Baustelle gefahren werden muss, da der nach der Bettungsreinigung verbleibende Schotter für das Y-Stahlschwellengleis vollkommen ausreicht. Dies bringt große Vorteile für die Baustellenlogistik und den Baufortschritt.
Vergleich der Schotterkörper (PDF-Ansicht) Planumsbreite
In den folgenden Querschnitten sind die Mehr-/Minderflächen (Differenzen) bei Anwendung der verschiedenen Oberbauarten skizziert. Die Skizzen verdeutlichen die geringeren Massenbewegungen beim Einbau der Y-Stahlschwelle und die vergleichsweise größeren beim Einbau der Betonschwelle B 70 W-2,4.
Vergleich der Erdkörperquerschnitte bei Y S 15-Oberbau und B 70 W-2,4-Oberbau
Bei Anwendung der Betonschwelle B 70 W-2,4 wurden die in der Richtlinie 800.0130 (Netzinfrastruktur Technik; Streckenquerschnitte auf Erdkörpern) beschriebenen Streckenquerschnitte zugrunde gelegt.
Auch bei dem Y-Stahlschwellenoberbau sind bezüglich der Planumsbreite die Mindestwerte aus der GUV 5.6 einzuhalten. Für die Geschwindigkeit V = 120 km/h beträgt die halbe Planumsbreite beispielsweise 3,10 m für eine eingleisige Strecke.
Planumsschutzschicht
Eine geringere Planumsbreite fordert entsprechend auch nur eine schmale Planumschutzschicht (PSS), sofern überhaupt notwendig. Durch die Verwendung von Y-Stahlschwellen ist es vielerorts möglich auf eine PSS gänzlich zu verzichten. Wie Höhenverhältnisse auf den nachstehenden Zeichnungen verdeutlichen, kann es bei der Sanierung einer Altstrecke mit Y-Stahlschwellen durchaus dazu kommen, dass der bestehende und gut verfestigte Untergrund gar nicht aufgebrochen werden muss. Entsprechend entfällt die Notwendigkeit der PSS mit allen Kostenersparnissen bezüglich Massentransport und Einbaukosten!
Höhenverhältnisse (PDF-Ansicht)
Einbau
Der Prozess des Einbauens, also die reine Verlegearbeit, von Y-Stahlschwellen ist üblicherweise nicht teurer. Es ist zu bedenken, dass Y-Stahlschwellen teilweise dort eingebaut werden, wo die Steckengeometrie nicht einfach ist. Die Folge sind niedrigere Schichtleistungen und steigende Aufwendungen. Im Falle einfacher Streckengeometrien sind auch mit Y-Stahlschwellen mittlerweile Arbeitsleistungen von über 250m/h zu erreichen. Für die Kalkulationen werden seit erreichen gleicher Leistungen auch gleiche Kosten angesetzt.
Stopfvorgänge
Aufgrund der verminderten Anzahl an Schwellen fallen bei der Y-Stahlschwelle nur 2409 Stopfvorgänge je Gleiskilometer an. Für dieselbe Strecke mit Querschwellen sind 3334 Stopfvorgänge erforderlich. In der Vergangenheit wurden Y-Stahlschwellen mit Weichenstopfmaschinen mit teilweise nur einem Aggregat gestopft. Zum Vergleich wurden für Querschwellengleise Maschinen der neuesten Generation herangezogen.
Mittlerweile ist die technische Ausrüstung für den Y-Stahlschwellenbereich auf den technischen Stand der Zeit. Kontinuierliche Stopfvorgänge mit 4 Stützpunkten gleichzeitig und Vorkopfverdichtung sind praktisch erprobt. Auf Grund der geringeren Stopfvorgänge kann die gleiche oder sogar höhere Leistung als beim Stopfen der Querschwellen problemlos erreicht werden.
Auch hier, wie beim Einbau, wird mittlerweile von Kostenneutralität ausgegangen. Liegedauer
Die jahrzehntelangen Erfahrungen mit Stahltrogschwellen zeigen trotz Abrostung eine Nutzungsdauer von etwa 70 bis 80 Jahren. Bei Betonschwellen fehlen noch Langzeiterfahrungen; man rechnet heute mit einer Nutzungsdauer von etwa 40 Jahren. Nach über 20-jähriger Erfahrung mit der Y-Stahlschwelle kann von einer Liegedauer von mind. 60 Jahren ausgegangen werden.
Entsorgung
Betonschwellen werden nach dem Ende der Nutzungsdauer - sofern sie nicht schadstoffbelastet sind - gebrochen; das Brechgut wird von den Spannstählen befreit und als Mineralersatz z. B. im Straßen- und Wegebau wieder verwendet. Die Entsorgung und Aufarbeitung kostet Geld. Bei der Entsorgung der Y-Stahlschwelle wird der Schrott zu 100% verwertet und als Stahl in den Rohstoffkreislauf zurückgeführt.
Für das Recycling der Betonschwellen kann mit 3,20 €/Stück gerechnet werden, wo hingegen bei Rückführung der gebrauchten Y-Stahlschwellen in den Schrottkreislauf eine Gutschrift von 15,00 €/Stück erreicht wird. Neben den Schwankungen am Rohstoffmarkt, sind auch die entsprechenden Transportkosten mit zu berücksichtigen. Stahlschrott wird überall entgegen genommen. Verwertungsanlagen für Beton- und Holzschwellen sind entsprechend weit entfernt anzufahren. Einbau in engen Radien
Y-Stahlschwellengleise benötigen aufgrund ihrer hohen Gleislagestabilität keine zusätzlichen Gleislagesicherungsmaßnahmen. Bei der Verwendung von Querschwellen in engen Radien werden Sicherungskappen notwendig und das Gleis in seiner Position festzulegen. Diese Art des Gleisbaus ist sehr kostenintensiv. Es kommen mehrere Faktoren zusammen: - Die Sicherungskappe an sich kostet Geld
- Die Montage an der Querschwelle kostet Geld
- Zur Durcharbeitung eines Gleises mit Sicherungskappen müssen die Sicherungskappen gelöst werden, dies bedeutet Mehraufwand
Einbau im Tunnelbereich
Der Einbau der Y-Stahlschwelle in Tunnelbereichen hat ebenfalls Vorteile gegenüber dem Oberbau mit Spannbetonschwellen. Auswirkungen auf den Tunnelquerschnitt oberhalb der Schienenoberkanten sind bei Neubauten nicht zu vermeiden, da dessen Bemessung auf der Grundlage des Lichtraumprofiles sowie der Bestimmungen des Arbeitsschutzes und des Rettungswesens erfolgt. Es treten wiederum Schotterersparnisse und verminderter Tunnelausbruch im Sohlbereich auf. Im nachfolgenden Bild ist der Oberbau mit Spannbetonschwellen B 70 dargestellt wobei der Schotterbedarf 4,08 m³/m Tunnel beträgt.
Oberbau mit Spannbetonschwellen im Tunnelbereich
Gegenüber dem Y-Stahlschwellenoberbau ist dies ein Mehrbedarf von 0,64 m³/m Tunnel. Bei Anwendung der Y-Stahlschwelle im Schotterbett liegt die Tunnelsohle 12 cm höher, so dass bei Tunnelbauten der Ausbruch im Sohlbereich um ca. 1 m³/m Tunnel verringert werden kann. Bei bestehenden Anlagen mit Schotterunterbau ist somit auch eine Gradientenabsenkung um 12 cm möglich, ohne dass aufwändige Anpassungen am Bauwerk erforderlich werden.
Oberbau mit Y-Stahlschwellen im Tunnelbereich
Des Weiteren besteht die Möglichkeit, die Feste Fahrbahn Y-Stahlschwelle auf Asphaltragschicht in Tunnel anzuwenden. Auf Grund der vorhandenen, tragfähigen Tunnelsohle (Beton, Festgestein) ist der Einbau einer 15 cm dicken, mehrlagigen Asphaltragschicht (ATS) ausreichend. Die Konstruktionshöhe dieser Festen Fahrbahn einschließlich ATS beträgt bei Verwendung der Schiene UIC 60 nur 463 mm, so dass gegenüber dem Schotteroberbau insgesamt 2,1 m³/m Ausbruch im Bereich der Tunnelsohle eingespart wird.
Feste Fahrbahn mit Y-Stahlschwellen
Tunnelquerschnitt
Einbau auf Brücken
Im Bereich von Brücken kann die Bauhöhe (Abstand SO - Bauwerksunterkante) beim Einsatz der Y-Stahlschwelle um etwa 10cm gegenüber der Beton- oder Holzschwelle reduziert werden. Damit können zum Beispiel Gradientenänderungen vermieden werden, wenn beim Neubau einer Brücke eine größere Konstruktionshöhe erforderlich ist. Die Vergrößerung der Bauhöhe kann auch dadurch aufgefangen werden, indem Y-Stahlschwellen mit dem Stützpunkt A8 unmittelbar auf der Brückenplatte montiert werden. Bei Trogbrücken aus dem Altbestand kann durch den Ersatz der bestehenden Schwellen (Beton oder Holz) ca. 10cm zusätzlicher Raum unterhalb der Schwellenunterkante gewonnen werden. Hier kann durch zusätzlichen Schotter oder das Einbringen von elastischen Unterlagen eine erhebliche Schwingungsreduktion erzielt werden. Dies führt zu einer Senkung der Schallemissionen und schont das Bauwerk.
Bei offenen Brücken mit Holzbalken empfiehlt sich die Y-Stahlschwelle nicht. Hier können StahlBrückenSchwellen (SBS) anstelle der Holzbrückenschwellen eingesetzt werden. Die SBS ist ebenfalls eine Entwicklung aus dem Hause ThyssenKrupp GfT Gleistechnik GmbH. Der wesentliche Vorteil entsteht durch die Verwendung verschleißarmer Bauteile mit hoher Nutzungsdauer, die sich im Bereich der Schallausbreitung und Kostenentwicklung positiv auswirken, was bereits nachgewiesen werden konnte.
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