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Die
Erfindung betrifft eine Fahrbahn gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
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Die
Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Fahrbahn für den Schienenverkehr.
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Eine
erste Art von Fahrbahnen wird als Schotterfahrbahn bezeichnet und
besteht aus Schienen, die auf Schwellen verlegt bzw. befestigt sind, ferner
einem Schotterbett sowie einer Planumschutzschicht, z.B. aus gut
verdichtetem Kiessand, zum Schutz des Unterbaues gegen Sickerwasser
und Frosteinwirkung. Hierbei ist der Unterbau das Fundament für den Oberbau.
Der Gleisrahmen wird hierbei bis etwa Mitte Oberkante der Schwellen
unter Vermeidung von Hohllagen gut verdichtet eingeschottert. Die
Schotterbettdicke beträgt
mindestens 0,3 Meter unter Schwellenunterkante. Das Schotterbett dient
hierbei in Verbindung mit Planum und Untergrund zur elastischen
Gleislagerung und zum Schutz gegen Erschütterungen sowie für ausreichenden Fahrkomfort.
Das Schotterbett bietet weiterhin gegenüber den Schwellen und damit
dem Gleisrost einen ausreichenden Widerstand gegen Quer- und Längsverschiebung
und soll die durch Betriebsbelastung auf das Gleis einwirkenden
statischen/dynamischen Kräfte
möglichst
gleichmäßig auf
den Unterbau verteilen. Durch das Schotterbett wird somit zwischen
der Schwelle und dem Unterboden eine elastische Lagerung erreicht.
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Eine
zweite Bauart von Fahrbahnen ohne Schotterbett wird als Feste Fahrbahn
bezeichnet, bei welcher der Gleisrost in eine Betonplatte bzw. einen Betontrog
integriert ist. Vorgespannte Betonschwellen werden hierbei in vorgefertigten
Ausnehmungen der Betonplatte bzw. des Betontroges eingelassen und
mittels Beton zu einer Festen Einheit mit der Betonplatte vergossen.
Durch weich-elastische Zwischenplatten zwischen Schienen und Schwellen
wird hierbei die erforderliche Elastizität erreicht, d.h. die Schienen
liegen über
elastische Einzelauflagerungen auf der Betonplatte auf. Bei einer
derartigen Festen Fahrbahn stützen
sich die Schienen über
weich-elastische Zwischenplatten auf einem vergleichsweise steifen
Unterbau, bestehend aus einem starren Verbund von Tragplatte und
Schwelle, ab. Dies hat zur Folge, dass die Schienen in dem für die Schallabstrahlung
maßgebenden
Frequenzbereich oberhalb etwa 250 bis 300 Hz völlig entkoppelt, d.h. losgelöst von jeder
Bindung an den Unterbau, schwingen können. Die bei Zugbetrieb in
die Umgebung abgestrahlte Schallemission liegt dementsprechend um
5 bis 6 dB über
dem Schallpegel einer Schotterfahrbahn, wobei der vom Gleis allein,
d.h. ohne Radanteil, abgestrahlte Schallemissionsanteil den des
Schottergleises um 10 dB und mehr übersteigt.
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Eine
weitere Bauart von Fahrbahnen beschreibt
DE 38 02 676 . Bei dieser Fahrbahn
ist eine elastische Schicht nicht – wie bei der Fahrbahn der zweiten
Art – zwischen
Schiene und Schwelle sondern nur zwischen den Schwellen und einer
festen Tragschicht angeordnet. Diese elastische Schicht soll die
Last der Schwelle gleichmäßig auf
der festen Tragschicht verteilen, eine nachträgliche Lagekorrektur ermöglichen
und zusätzlich
schall- und schwingungsdämpfend
wirken. In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, dass durch die (teilweise)
Entkopplung von Schwelle und der festen Tragschicht durch die elastische
Schicht nur eine Schall und Schwingungsdämmung, d.h. eine Reflexion
der Schall und Schwingungsenergie, jedoch keine Schall- und Schwingungsdämpfung,
d.h. eine Dissipation der Schall und Schwingungsenergie, verursacht
wird. Nachteil dieser Fahrbahn ist somit, dass sie zu keiner Reduktion der
Schall- und Schwingungsemission der Fahrbahn führt.
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In
US 4 113 177 werden Schwellen
genannt, die aus einem geschlossenen Hohlkörper bestehen, innerhalb dessen
sich Sand als Dämpfungsmaterial befinden
kann. Wesentlicher Nachteil der in
US
4 113 177 genannten Lösung
der Schall- und Schwingungsdämpfung
mit Hilfe von losem oder auch vorverdichtetem Schüttgut, insbesondere
Sand oder Kies, als Dämpfungsmaterial
ist, dass deren Dämpfungseigenschaften
nur sehr unzureichend vorhergesagt werden können. Insbesondere ist die
Langzeitwirkung der Dämpfungseigenschaften
von Schüttgut als
Dämpfungsmaterial
sehr unbefriedigend, da es sich aufgrund von Setzungserscheinungen
verdichtet und seine dämpfende
Wirkung, die im Wesentlichen auf einem Tilgereffekt der schwingenden
Bestandteile des Schüttgutes
(der Sandkörner
oder Kieselsteine) sowie zusätzlich überlagernd
dazu auf Reibung zwischen den Bestandteilen des Schüttgutes
beruht, mit der Zeit nahezu vollständig einbüßt. Eine schall- und schwingungsmindernde
Wirkung besteht daraufhin nur noch aufgrund der Masse des Schüttgutes, die
die Eigenfrequenzen der Schwelle zu tieferen Frequenzen hin verschiebt,
also nicht mehr aufgrund einer Dämpfung/Dissipation.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fahrbahn zu schaffen,
bei der eine Dämpfung der
Schwelle zur Vermeidung einer hohen Schallemission ohne Verwendung
eines Schotterbettes erreicht wird.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung schafft eine Fahrbahn, die eine Art einer Kombination
von Fester Fahrbahn mit Schotterfahrbahn darstellt, wobei die Dämpfung der Schwelle
jedoch nicht durch ein Schotterbett, sondern durch eine Sandwichbauweise
der Schwelle erreicht wird. Gemäß der Erfindung
weist die Fahrbahn eine bedämpfte
Schwelle auf, die weich gelagert ist, und starr an die Schwellen
angekoppelte Schienen. Hierbei sind die Schwellen auf dem Untergrund
elastisch gelagert, wodurch die Schwellen schwingen können. Die
Schienen sind mit hoher Steifigkeit auf den Schwellen befestigt.
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Gemäß der Erfindung
sind die Schwellen bzw. Querschwellen bedämpft und dienen bei der erfindungsgemäßen schotterlosen
Fahrbahn als Absorber zur Verminderung des Schienenkörperschalles
auf Werte, die entweder etwa gleich oder sogar niedriger sind als
die von Fahrbahnen mit Schotteroberbau bekannten Werte. Zur Gewährleistung
der Schwelle als Absorber wird eine möglichst steife Ankopplung der
Schienen an der Schwelle im üblichen oder
auch mit geringerem Schwellenabstand (kleiner gleich 60 cm) erreicht.
Damit wirkt die Schwelle zusätzlich
als Spurhalter.
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Um
die Absorberfunktion der Schwelle zu erfüllen, ist eine weich-elastische
Lagerung der Schwellen auf der Tragplatte vorgesehen. Das Steifeverhältnis von
ankoppelnder Zwischenlage (Schiene – Schwelle) und weich-elastischer
Tragplatte soll hierbei den Wert 30 nicht unterschreiten.
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Im
folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Fahrbahn
anhand der Zeichnung zur Erläuterung
weiterer Merkmale beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
Schnittansicht durch den Oberbau und einen Teil des Unterbaus der
erfindungsgemäßen Fahrbahn,
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2 eine
Draufsicht auf eine Schwelle der erfindungsgemäßen Fahrbahn zur Erläuterung
der Befestigung der Schienen,
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3 eine
gegenüber 2 abgewandelte Ausführungsform
der Schwellenbefestigung,
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4 eine
Schnittansicht durch eine gegenüber 1 ab
gewandelte Ausführungsform
einer Schwelle,
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5 eine
um 90° gegenüber 4 gezeigte
Schnittansicht durch eine Schwelle,
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6 eine
Draufsicht auf eine Schwelle gemäß 4 und 5 zur
Erläuterung
der Befestigung der Schienen,
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7 eine
Schnittansicht durch eine weiter abgewandelte Ausführungsform
einer Schwelle, und
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8 eine
gegenüber 7 um
90° gezeigte
Schnittansicht der erfindungsgemäßen Schwelle.
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1 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform
einer Schwelle 1, die auf einer elastischen Schicht 2 aufliegt,
wonach in bekannter Weise eine Beton- oder Asphaltplatte 3 folgt.
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Die
Schwelle 1 besteht aus einem Verbund von tragendem Unterteil 1a und
einem Oberteil 1b. Das Unterteil 1a ist über eine
vorzugsweise stark haftende, dünne
Dämpfungsschicht 4,
beispielsweise aus visko-elastischem Kunststoff, mit dem Oberteil 1b verbunden.
Das Unterteil 1a und das Oberteil 1b stellen damit
separate Teile der Schwelle 1 dar.
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Die
Schiene ist in 1 mit 6 bezeichnet und ist
durch Befestigungsmittel 7a, 7b in an sich bekannter
Weise an der Schwelle 1 befestigt. Zur Befestigung und
Lagerung der Schienen 6 weist jede Schwelle 1 einen
mit 8 bezeichneten Aufsatz auf, d.h. eine Erhöhung gegenüber dem
Unterteil 1a, die etwa quaderförmig ausgebildet ist und die
starr mit dem Unterteil verbunden bzw. aus einem Stück mit dem Unterteil 1a gebildet
ist. Auf diese Weise wird ein direkter Kraftfluß Schiene 6 – Schwelle 1 – Elastomer-Tragplatte
(elastische Schicht 2) vom Schwellen-oberteil und der weich-elastischen
Dämpfungsschicht
(Schicht 4) ferngehalten.
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Zur
Durchführung
des Aufsatzes 8 ist das Oberteil 1b mit einer Öffnung bzw.
Durchführung
versehen, die in 2 mit 11 bezeichnet
ist.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird zwischen Oberteil und Unterteil ein Dickenverhältnis von
1:1 eingehalten, welches bei Verwendung von gleichen Materialien
für Oberteil 1b und 1a eine
optimale Dämpfungswirkung
liefert. Bei unterschiedlichen Materialien, d.h. unterschiedlichem E-Modul,
bzw. unterschiedlicher Dichte verschiebt sich das optimale Dikenverhältnis entsprechend.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Dicke des Unterteils 1a und die Dicke des Oberteils 1b jeweils
100 mm und die Dicke der Schicht 4 beträgt etwa 0,5 bis 3 mm.
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2 zeigt
eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Schwelle mit Schiene 6 und
der Schienenbefestigung in Form von Spannklemmen 7a, 7b,
wobei pro Schwelle 1 jeweils ein Paar von Befestigungselementen 7a, 7b vorgesehen
ist.
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Die
Oberfläche
des Aufsatzes 8 schließt
gemäß 1 weitgehend
bündig
mit der Oberfläche des
Oberteils 1b ab. Zwischen der Schiene 6 und der Schwelle 1 wird
wie bei Schotterfahrbahnen oder Festen Fahrbahnen eine harte Zwischenlage 9 aus Kunststoff
oder dergleichen verwendet.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der in 1 und 2 gezeigten Schwelle für die erfindungsgemäße Fahrbahn
ist vorgesehen, dass das Oberfeil 1b durch ein Stahlblechoberteil
gebildet ist, welches auf einem Unterteil 1a in Form eines
Spannbetonunterteiles angeordnet wird. Das optimale Dickenverhältnis vermindert
sich dabei je nach Dämpfungsmaterial
auf Werte von etwa 1:10 (Oberteil 1b/Unterteil 1a).
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Die
erforderliche Schwellendämpfung
im Temperaturbereich von etwa minus 20°C bis plus 40°C wird dadurch
sichergestellt, dass je nach dem Arbeitsbereich der Dämpfungsmaterialien
gegebenenfalls mehrere Materialtypen eingesetzt werden. Die Dämpfungsschicht 4 besteht
in diesem Falle aus aufeinander oder nebeneinander liegenden Teilschichten
aus unterschiedlichem Material.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung besteht das Oberteil 1b aus einem mehrschichtigen
Verbund mit Zwischenschichten aus unterschiedlichen Dämpfungsmatenial,
um die erforderliche Schwellendämpfung
in dem vorgenannten Temperaturbereich zu gewährleisten.
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Das
Oberteil 1b ist zusätzlich
zu dem aus akustischen Gründen
erforderlichen und durch das Dämpfungsmaterial
gewährleisteten
Haftverbund mechanisch zu sichern, z.B. durch Verschrauben, Umklammern
oder dergleichen.
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Die
Wirkung der Dämpfungsschicht 4 besteht
darin, dass bei Biegeschwingungen zwischen dem Oberteil 1b und
dem Unterteil 1b diese Teile 1a, 1b gegeneinander
bewegt werden, wodurch periodische Scherverformungen hervorgerufen
werden. Infolge der hohen inneren Reibung der Dämpfungsschicht 4 in
Form vorzugsweise eines viskoelastischen Kunststoffes wird hierbei
Schwingungsenergie in Wärme
umgewandelt. Die dadurch hervorgerufene Schwingungsdämpfung der
Schwelle 1 führt
zu einer spürbaren
Minderung der Körperschallamplituden. Eine
derartige Schicht 4 aus viskoelastischem Material hat eine
haftende bzw. klebende Eigenschaft, wodurch ein Verbund zwischen
Unterteil 1c und Oberfeil 1b geschaffen wird.
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3 zeigt
eine gegenüber 2 abgewandelte
Ausführungsform,
bei welcher die Schiene 6 durch zwei Paare von Befestigungsmitteln 7a, 7b bzw. 7a', 7b' an der Schwelle 1 fixiert
ist.
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Anstelle
der Verwendung einer Betonschwelle lassen sich auch Schwellen aus
Holz oder Stahl verwenden.
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4 zeigt
eine gegenüber
der Schwelle nach 1 abgewandelte Ausführungsform.
Die Schwelle nach 4 ist eine Stahlschwelle, vorzugsweise
mit Doppel-T-Profil,
wie dies aus 5 ersichtlich ist. Demzufolge
weist die Schwelle 1, 2 durch eine Wand 15 getrennte,
nach außen
offene Kammern 16, 17 auf, wobei die Kammern 16, 17 quer
zur Schiene 6 verlaufen. Die Schiene 6 ist auf
der oberen Seite der Schwelle 1 in der Weise befestigt,
wie dies vorstehend in Verbindung mit den 1 bis 3 beschrieben
ist. Die Kammern 16, 17 sind durch Schichten 18, 19, 20 bzw. 21, 22, 23 ausgekleidet und
auf diesen Schichten befinden sich wiederum Bleche bzw. Konterbleche 25, 26, 27 bzw. 29, 30, 31, die
beispielsweise durch eine Klebewirkung der Schichten 18, 19 usw.
fest verbunden sind.
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7 und 8 zeigen
eine weitere Ausführungsform
einer Schwelle, vorzugsweise nach Art einer Stahl-Beton-Verbundschwelle 1.
Die Schwelle 1 hat dabei im wesentlichen die Form eines
nach unten offenen U und ist an ihrer nach innen weisenden Fläche mit
einer Dämpfungsschicht 35,
vorzugsweise aus visko-elastischem Kunststoff, versehen. Der verbleibende
Hohlraum ist bei dieser Ausführungsform mit
einem Material, beispielsweise einem vorgefertigten Betonbalken 36,
ausgefüllt.
Die Befestigung der Schiene 6 auf der Schwelle 1 erfolgt
in der bereits vorstehend beschriebenen Weise.
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Aus
vorstehender Beschreibung ergibt sich, dass bei Verwendung von Stahlschwellen
verschiedenartige Profile verwendbar sind, wobei die Bedämpfung der
Schwelle 1 durch die Auskleidung mittels einer dämpfenden
Schicht, vorzugsweise in Form von visko-elastischem Kunststoff erfolgen
kann und der verbleibende Hohlraum durch eine Masse wie Beton ausgefüllt werden
kann. Die Verwendung von visko-elastischem Material hat zudem den
Vorteil, dass dessen selbsthaftende Eigenschaft die Verwendung von
zusätzlichen
Klebematerial oder dergleichen überflüssig macht
und den Verbund mit den benachbarten Flächen praktisch automatisch
herstellt.
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Bei
Einsatz von Stahlschwellen kann es zweckmäßig sein, zur Verbesserung
der Torsionssteifigkeit der Schwellen Versteifungsrippen vorzusehen.
Eine derartige, unter der Schiene 6 liegende Versteifungsrippe 38 ist
bezüglich
der Doppel-T-Schwelle in 4 gezeigt.