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Bericht 04-03-01033 Rev. 1.00 BAFU - Lärmzunahme bei Schwellenbesohlungen Projekt-Nr.: 14.105.00 Lärmzunahme bei Schwellenbesohlungen PROSE AG Zürcherstrasse 41 CH-8400 Winterthur Schweiz Tel: +41 52 262 74 00 Fax: +41 52 262 74 01 E-mail: [email protected]
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Bericht 04-03-01033 Rev. 1.00
BAFU - Lärmzunahme bei Schwellenbesohlungen
Projekt-Nr.: 14.105.00
Lärmzunahme bei Schwellenbesohlungen
PROSE AG Zürcherstrasse 41
CH-8400 Winterthur Schweiz
Tel: +41 52 262 74 00 Fax: +41 52 262 74 01
E-mail: [email protected]
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Dieses Dokument gibt Kenntnis von Gegenständen, an denen die PROSE AG, 8400 Winterthur (Schweiz), Eige ntumsrechte hat. Weder Erhalt noch Besitz dieses Dokuments verleihen oder übertragen das Recht, sein en Inhalt als Ganzes, einen Teil davon, eine darin enthaltene Information, oder irgendwelche Gegenstän de oder Vorrichtungen zu kopieren oder bekannt zu machen od er irgendwelche Methoden oder Prozesse anzuwenden, ausser nach schriftlicher Genehmigung durch die PRO SE AG, 8400 Winterthur (Schweiz) oder schriftlicher Ve reinbarung mit dieser Firma. Dieses Schreiben wurde maschinell erstellt und ist ohne Unterschrift gültig. 04-03-01033 1.00 -
Name Datum
Erstellt P. Huber 22.10.2015
Geprüft D. Salz 26.10.2015
Freigegeben J. Minx 26.10.2015
Verteiler
Firma / Abteilung / Name Bemerkungen
BAFU, Michael Gerber
BAFU, Fredy Fischer
BAV, Robert Attinger
SBB, Roger Müller
Bericht 04-03-01033 Rev. 1.00 3 / 60
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Revisionsindex
Erstellt Geprüft Freigegeben Datum
04-03-01033 P. Huber D. Salz J. Minx 28.08.2015
Rev. 1.00 P. Huber D. Salz J. Minx 26.10.2015
Rev.
Rev.
Rev.
Rev.
Modifikationen
Revision Beschreibung
1.00 Änderungen aufgrund Rückmeldung BAFU, M. Gerber vom 16.10.2015
Bericht 04-03-01033 Rev. 1.00 4 / 60
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Inhaltsverzeichnis
1 Zusammenfassung 6
2 Ausgangslage 7
3 Grundlagen der Untersuchung 7
4 Überblick Testabschnitte 9
4.1 Testabschnitt Lengnau – Pieterlen 9
4.2 Testabschnitt Bellach – Solothurn 10
4.3 Testabschnitt Pratteln 11
4.4 Testabschnitt Kiesen 12
4.5 Technische Daten Testabschnitte 13
5 Ergebnisse der bisherigen Untersuchungen 14
5.1 Lärmzunahme in den Testabschnitten als Einzahlwert 14
5.2 Zeitliche Entwicklung der Lärmzunahme 16
6 Lärmzunahme bei Schwellenbesohlungen im Frequenzber eich 18
6.1 Einflussparameter auf die Lärmemission 18
6.1.1 Schienenrauheit 18
6.1.2 Gleisabklingrate 21
6.2 Lärmemissionen in Referenz- und Testabschnitten 26
6.2.1 Lärmemissionen im Testabschnitt Lengnau – Pieterlen 26
6.2.2 Lärmemissionen im Testabschnitt Bellach – Solothurn 28
6.2.3 Lärmemissionen im Testabschnitt Pratteln 30
6.2.4 Lärmemissionen im Testabschnitt Kiesen 32
6.3 Lärmzunahme vom Referenz- zum Testabschnitt 33
6.3.1 Lärmzunahme im Testabschnitt Lengnau – Pieterlen 33
6.3.2 Lärmzunahme im Testabschnitt Bellach – Solothurn 37
6.3.3 Lärmzunahme im Testabschnitt Pratteln 41
6.3.4 Lärmzunahme im Testabschnitt Kiesen 43
7 Schienen- und Schwellenschwingungen 46
7.1 Testabschnitt Pratteln 46
7.2 Testabschnitt Lengnau – Pieterlen 48
8 Auswertung von Achslagerbeschleunigungsmessungen PR OSE 50
9 Vergleich Schallmessungen on board mit Aussenlärmme ssungen 53
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10 Hypothesen der Lärmzunahme bei Schwellenbesohlungen 55
10.1 Hypothesen 55
10.1.1 Hypothese 1: Schienenrauheit 55
10.1.2 Hypothese 2: Gleisabklingrate TDR 55
10.1.3 Hypothese 3: Schwellenschwingungen 56
10.2 Kenntnislücken 57
10.3 Ansatzpunkte für Verbesserungen und zukünftige Unte rsuchungen 58
11 Literatur 59
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1 Zusammenfassung
Die bisherigen Untersuchungen, die die Lärmzunahme als Summenpegel in dB(A)
auswiesen, haben bereits für fast alle Fälle mit Schwellenbesohlungen eine Lärmzunahme
nachgewiesen. Diese beträgt in den meisten Fällen 2-4 dB(A) bei mittelsteifen bis weichen
Schwellenbesohlungen, 0-2 dB(A) bei steifen Schwellenbesohlungen.
Die nun durchgeführten Analysen im Frequenzbereich zeigen ebenfalls eine deutliche
Lärmzunahme ab 160 Hz bis über 1000 Hz, meistens mit einem Maximalwert von 5-10 dB
bei 250 Hz. In Lengnau – Pieterlen (inkl. weiche Zwischenlage) erstreckt sich die
Lärmzunahme, trotz deutlich reduzierter Schienenrauheit, von 400 Hz bis 1000 Hz mit einer
markanten Spitze bei 630 Hz und einem Maximalwert bis zu 13 dB in diesem Terzband.
In einigen Fällen, wo zu zwei Zeitpunkten gemessen wurde, stellte man eine weitere
Lärmzunahme über die Zeit fest, welche auch im Frequenzbereich deutlich ersichtlich ist.
Dies dürfte auf ein verstärktes Schienenrauheitswachstum in den Abschnitten mit
Schwellenbesohlung gegenüber der Referenz zurückzuführen sein. Allerdings gibt es auch
Abschnitte mit Schwellenbesohlung, die geringere Rauheiten als die Referenz aufweisen.
Die Entwicklung der Schienenrauheit ist daher bei Abschnitten mit Schwellenbesohlung in
Zukunft weiter zu beobachten. Klar ist aber, dass auch bei gleicher Schienenrauheit im
Referenz- und Schwellenbesohlungsabschnitt trotzdem eine deutliche Lärmzunahme
vorhanden ist.
Hinsichtlich Gleisabklingrate gibt es keine klaren Anzeichen, dass diese durch die
Schwellenbesohlung reduziert wird und damit die Lärmzunahme erklären könnte. Allerdings
fehlen dazu Messdaten, die eine klare Aussage ermöglichen würden.
Schwingungsmessungen an Schiene und Schwelle zeigen, dass die Schwellen mit
Schwellenbesohlung verstärkt schwingen und zwar genau in den Frequenzbereichen, in
denen auch die höchsten Lärmzunahmen festgestellt wurden. Diese Schwingungen und die
daraus resultierende Schallabstrahlung dürften der Hauptgrund für die festgestellten
Lärmzunahmen sein.
Aufgrund dieser Analysen und Resultate wäre es sicherlich wünschenswert, wenn der
Oberbau mit Schwellenbesohlung hinsichtlich Schallabstrahlung optimiert wird, sei es durch
eine optimale Abstimmung der Steifigkeiten der Zwischenlage und USP oder durch
Entwicklung einer akustisch geeigneten Schwelle für Schwellenbesohlung. Zudem sollte
dieser Oberbau eine geringe Schienenrauheit aufweisen.
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2 Ausgangslage
Ziel des Projekts ist, die bei verschiedenen Messungen an unterschiedlichen Standorten
festgestellte Lärmzunahme bei Einsatz von Schwellenbesohlungen (USP) vertieft zu
analysieren, um die Ursache für die Lärmzunahme möglichst identifizieren zu können. Dazu
stehen neben den Messungen vom Abschnitt Lengnau – Pieterlen weitere Messungen in
Kiesen, Pratteln und Bellach – Solothurn mit Auswertungen im relevanten Frequenzbereich
bis etwa 5000 Hz zur Verfügung. Zu klären ist insbesondere, in welchem Frequenzbereich
sich die Lärmzunahme auswirkt und welchen Einfluss die Schwellenbesohlung auf die
Gleisdämpfung und die Schienenrauheit hat. Mittels Analyse und Gegenüberstellung
unterschiedlicher Fahrgeschwindigkeiten und unterschiedlichen Rollmaterials lassen sich
Schlüsse bezüglich Anregung und Schallabstrahlung ziehen. Neben ortsfesten Schall-
emissionsmessungen werden auch on-board Beschleunigungs- und Schallmessungen
analysiert, insbesondere auch die Korrelation zur Schienenrauheit und den ortsfesten
Messungen.
3 Grundlagen der Untersuchung
Die SBB stellte für die Untersuchungen von den Test- und Referenzstrecken in Lengnau-
Pieterlen, Kiesen, Pratteln und Bellach – Solothurn die folgenden Messberichte und Daten
in Form von Excel-Dateien zur Verfügung:
Messberichte: • Planteam GHS AG, Teststrecke Lengnau – Pieterlen, Aussenlärm-Messungen, 27.
Januar 2014
• Müller-BBM Schweiz AG, Schienenrauheitsmessung bei Pieterlen, Bericht Nr.
C89404/01, 16. August 2013
• Müller-BBM Schweiz AG, TDR Messung bei Pieterlen, Bericht Nr. C89403/01, 21.
August 2013
• Gruner AG, Pratteln, Lärm-Emissionsmessungen, 15. Juni 2007
• Scheuchzer SA, Messung der Schienenrauheit in Bellach 23./24. August 2008, 5.
Januar 2009
• Grolimund & Partner AG, Lärm-Messungen SBB Schwellenbesohlung Bellach –
Solothurn West, A2714 / 8. August 2006
• Grolimund & Partner AG, Schwellenbesohlung Bellach – Solothurn West
Lärmmessungen 2008 , A3056 / 2. September 2008
• Grolimund & Partner AG, Lärm-Emissionsmessungen SBB Oberbau Bahnhofbereich
Kiesen, A2551 / 8. November 2005
• DB Systemtechnik, Schallmesswagenfahrten auf der Strecke von Bern nach Thun
(Schweiz) mit unterschiedlichen Schwellenbesohlungen in Kiesen, 07-P-7135-TZF12.1,
10.09.2007
• DB Systemtechnik, Luftschallmessungen zur Ermittlung der Wirkung von
Schwellenbesohlungen auf die Schallabstrahlung in Kiesen (CH), 06-I-6333-TZF12.1,
02.11.2006
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• UIC, Under Sleeper Pads, Work Package WP 3, DB Systemtechnik, 06-I-6333-TZF12,
2007 July 13th
• SBB, Einfluss von Schwellenbesohlungen auf die Direktschallemissionen des
Zugverkehrs, 31. März 2009
• SBB, Analyse USP und Lärmzunahme bei Versuchsstrecken SBB, Version 12.7.14
• SBB Mess- und Diagnosetechnik, USP Teststrecke Lengnau-Pieterlen, Einsenkungs-,
Setzungs-, Querverschiebewiderstands- und Schwingungsmessung, MD_0733,
24.07.2013
• SBB Mess- und Diagnosetechnik, Fahrbahndynamische Messungen Pratteln
2006/2007, MD_0121 Pratteln, 29.02.2008
Digitale Daten: • Lengnau – Pieterlen: Spektren Schall, Rauheit und TDR, on-board Messungen (Schall +
Achslager) PROSE
• Bellach – Solothurn: Spektren Schall 2006 / 2008 und Rauheit 2008, on-board
Messungen (Schall + Achslager) PROSE
• Pratteln: Spektren Schall 2006 / 2007
• Kiesen: Spektren Schall 2005 (Grolimund & Partner AG), on-board Messungen (Schall
+ Achslager) PROSE
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4 Überblick Testabschnitte
4.1 Testabschnitt Lengnau – Pieterlen
Die Strecke Lengnau – Pieterlen ist eine Doppelspurstrecke. Der Testabschnitt liegt auf
dem südlichen Gleis und wurde im Herbst 2011 mit Schwellenbesohlungen von drei
unterschiedlichen Lieferanten (CDM, Getzner, Tiflex) ausgerüstet. Die drei
unterschiedlichen Schwellenbesohlungen wurden jeweils sowohl in der Geraden (G1 bis G3
in Abbildung 4-1) als auch in der Kurve (K1 bis K3 in Abbildung 4-1) eingebaut. Die drei
Referenzstandorte (R1 bis R3 in Abbildung 4-1) liegen in der Geraden. Der Testabschnitt
wurde 2013 messtechnisch untersucht.
Im Gegensatz zu den Referenzstandorten liegen die Abschnitte mit Schwellenbesohlung,
insbesondere die Geraden-Abschnitte, in Dammlage (SOK bis 3.35 m über OK Terrain in
7.5 m Distanz zum Gleis). Der Bodeneffekt wurde simuliert und ergibt rechnerisch 0.3 dB(A)
höhere Lärmemissionswerte am Messpunkt beim Referenzstandort ([5]).
Die eingebauten Schwellenbesohlungen sind weich mit statischen Bettungsziffern um 0.12
N/mm3. Der Oberbau im Testabschnitt unterscheidet sich gegenüber dem Standardoberbau
SBB (Referenzstandort: Schotter, Betonschwellen B91, harte Zwischenlagen Zw 661-6,
Schiene 60 E1) allerdings nicht nur durch weiche Schwellenbesohlungen sondern auch
durch weiche Zwischenlagen (Zw 700a). Allfällige Unterschiede bei den Messungen der
Lärmemission, der Rauheit, der Track Decay Rate (TDR) und der Schwingungen von
Oberbau und Achslager stehen daher immer im Zusammenhang mit dem Einfügen der
weichen Schwellenbesohlung wie auch der weichen Zwischenlage. Es ist damit nicht
möglich, den Effekt des Einfügens der weichen Schwellenbesohlung alleine festzustellen.
Gemessen wurde der Regelbetrieb mit IC Zügen (hauptsächlich ICN) bis 140 km/h,
Güterzüge 75-105 km/h und Regionalzüge (Typ 1: Flirt; Typ 2: NPZ Domino) ca. 110 km/h.
Abbildung 4-1: Situationsplan Lengnau - Pieterlen
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4.2 Testabschnitt Bellach – Solothurn
Die Strecke Bellach – Solothurn ist eine Doppelspurstrecke. Der Testabschnitt liegt auf dem
nördlichen Gleis (Gleis „Jura“) in der Geraden und wurde im Jahr 2005 mit drei
unterschiedlichen Schwellenbesohlungen (USP 1, 2 und 6) ausgerüstet. Der
Referenzquerschnitt liegt zwischen zwei Abschnitten mit Schwellenbesohlungen (USP2 und
USP6, siehe Abbildung 4-2). Der Testabschnitt wurde 2006 und 2008 messtechnisch
untersucht.
Die eingebauten Schwellenbesohlungen sind mittelsteif (USP6) bis steif (USP1 und USP2)
mit statischen Bettungsziffern um 0.17 N/mm3 bzw. 0.30 N/mm3. Der Oberbau im
Testabschnitt mit Schwellenbesohlungen unterscheidet sich gegenüber dem Standard-
oberbau SBB (Referenzstandort: Schotter, Betonschwellen B91, harte Zwischenlagen Zw
661-6, Schiene 60 E1) im Referenzquerschnitt nur durch die zusätzlich eingefügten
Schwellenbesohlungen. Gemessen wurde der Regelbetrieb mit ICN Zügen bis 155 km/h,
Güterzügen 40-115 km/h und Regionalzügen NPZ 74 bis 123 km/h. Zu beachten ist dass
die Vorbeifahrgeschwindigkeiten an den verschiedenen Messquerschnitten nicht konstant
waren. ICN und Güterzüge reduzierten die Geschwindigkeit kontinuierlich von USP2 über
Referenz, USP6 zu USP1, bei den NPZ ist es umgekehrt.
Abbildung 4-2: Situationsplan Bellach - Solothurn
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4.3 Testabschnitt Pratteln
Die Strecke Pratteln – Kaiseraugst ist eine Doppelspurstrecke. Der Testabschnitt liegt auf
dem nordwestlichen Gleis Seite Fabrikgebäude in der Geraden und wurde Ende 2006 mit
einer weichen Schwellenbesohlung ausgerüstet. Dies geschah im Rahmen einer
Oberbauerneuerung, die auch den Referenzquerschnitt betraf. Der Testabschnitt wurde im
November 2006 (vor Oberbauerneuerung), im Februar 2007 (kurz nach
Oberbauerneuerung und Einbau USP) und im Mai 2007(ein halbes Jahr nach
Oberbauerneuerung und Einbau USP) messtechnisch untersucht.
Die eingebaute Schwellenbesohlung ist weich mit statischer Bettungsziffer um 0.10 N/mm3.
Der Oberbau im Testabschnitt mit Schwellenbesohlung (MQ2 in Abbildung 4-3)
unterscheidet sich gegenüber dem Standardoberbau SBB (Referenzstandort: Schotter,
Betonschwellen B91, harte Zwischenlagen Zw 661-6, Schiene 60 E1) im
Referenzquerschnitt (MQ1 in Abbildung 4-3) nur durch die zusätzlich eingefügte
Schwellenbesohlung. Gemessen wurde der Regelbetrieb mit IC Zügen bis 120 km/h,
Güterzüge um 90 km/h und Regio-S-Bahn-Züge bis 120 km/h. Während der
Messkampagne im Februar 2007 fuhren alle Züge wegen einer Baustelle um 80 km/h.
Abbildung 4-3: Situationsplan Pratteln
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4.4 Testabschnitt Kiesen
Die Bahnlinie Bern - Thun ist eine Doppelspurstrecke. Der Testabschnitt liegt im
Bahnhofbereich Kiesen auf beiden Gleisen in der Geraden und wurde im Rahmen einer
Oberbausanierung im Frühjahr 2005 mit fünf unterschiedlichen Schwellenbesohlungen
(USP 1 - 5) ausgerüstet. Der Referenzquerschnitt liegt auf dem Gleis 418 (siehe Abbildung
4-4) unmittelbar vor dem Bahnhof Kiesen. Der Testabschnitt wurde im Oktober 2005 und
2006 messtechnisch untersucht. Dabei wurden auch erhebliche Unterschiede der
Schienenrauheit in den einzelnen Abschnitten festgestellt. Die gesamte Teststrecke wurde
daher im Mai 2007 erneut geschliffen und kurz darauf mit dem Schallmesswagen nochmals
untersucht.
Die eingebauten Schwellenbesohlungen sind weich (USP5), mittelsteif (USP4) oder steif
(USP1, USP2 und USP3) mit statischen Bettungsziffern von 0.12 N/mm3, 0.20 N/mm3 bzw.
0.30 N/mm3. Der Oberbau im Testabschnitt mit Schwellenbesohlungen unterscheidet sich
gegenüber dem Standardoberbau SBB (Referenzstandort: Schotter, Betonschwellen B91,
harte Zwischenlagen Zw 661-6, Schiene 60 E1) im Referenzquerschnitt nur durch die
zusätzlich eingefügten Schwellenbesohlungen. Gemessen wurde der Regelbetrieb mit IC
Zügen um 150 km/h und Güterzügen um 100 km/h. Die Regionalzüge wurden nicht erfasst,
da sie im Bahnhofbereich bremsen und beschleunigen.
Abbildung 4-4: Situationsplan Bahnhof Kiesen
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4.5 Technische Daten Testabschnitte
Die folgende Tabelle fasst die wichtigsten Daten zu den Testabschnitten zusammen und
beinhaltet insbesondere die Luftschall-Messungen, die für die Beurteilung der
Lärmzunahme im Rahmen der vorliegenden Untersuchung berücksichtigt wurden.
Tabelle 1: Technische Daten Testabschnitte
Strecke Gleis USP Zw Mess-QS
Gleis km
Datum LS-Messung
Lengnau – Pieterlen 589/52 - hart Ref 89.4 15.4.2013
589/52 TR1 86GF / weich weich G1 88.7 15.4.2013
589/52 CDM H400 / weich weich G2 88.8 15.4.2013
589/52 SLN 1510G / weich weich G3 88.9 15.4.2013
Bellach – Solothurn 675 RST M01 / steif hart USP2 77.05 2006 / 2008
675 - hart Ref 76.84 2006 / 2008
675 SLS 1707G / mittel hart USP6 76.72 2006 / 2008
675 SLB 3007 G / steif hart USP1 76.09 2006 / 2008
Pratteln Nord - hart MQ 1 78.36 Feb / Mai 2007
Nord SLS 1010G / weich hart MQ 2 78.46 Feb / Mai 2007
Kiesen 318 SLB 3007G / steif hart USP1 128.06 2005 / 2006 / 2007
318 RST M01 / steif hart USP2 128.37 2007
318 S 01 / steif hart USP3 128.47 2005 / 2006 / 2007
418 Sateba PRA / mittel hart USP4 128.09 2005 / 2006 / 2007
418 TR1 85M / weich hart USP5 128.38 2006 / 2007
418 - hart Ref 128.47 2005 / 2006 / 2007
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5 Ergebnisse der bisherigen Untersuchungen
5.1 Lärmzunahme in den Testabschnitten als Einzahlw ert
In den Messberichten zu Luftschallemissionsmessungen vorbeifahrender Züge an den
Testabschnitten, die uns zur Verfügung gestellt wurden (siehe Kap. 3 Grundlagen der
Untersuchung), wurden die Lärmzunahmen in USP-Abschnitten relativ zu einem
Referenzabschnitt als Einzahlwerte in dB(A) ermittelt. In Kiesen wurden die Schall-
emissionen zusätzlich mit dem Schallmesswagen (SMW) gemessen. Die Resultate sind in
folgender Tabelle zusammengefasst.
Tabelle 2: Abweichung Abschnitte USP – Referenz in dB (A) ; positive Werte = Zunahme durch USP
Strecke Mess-QS
USP Zw IC NPZ FLIRT GZ Messung
Lengnau – Pieterlen G1 weich weich 4.1 5.7 4.7 4.4 2013
G2 weich weich 1.5 5.4 1.4 4.0 2013
G3 weich weich 0.6 5.5 -0.6 3.2 2013
K1 weich weich 2.4 5.4 2.0 3.4 2013
K2 weich weich 2.8 5.5 2.1 4.0 2013
K3 weich weich 2.2 5.1 2.0 3.5 2013
Bellach – Solothurn USP2 steif hart 3.5 1.8 0.9 2006
USP2 steif hart 3.3 1.9 1.8 2008
USP6 mittel hart 0.5 2.7 2.3 2006
USP6 mittel hart 2.0 3.3 2.5 2008
USP1 steif hart 1.5 1.1 3.5 2006
USP1 steif hart 3.3 2.0 2.1 2008
Pratteln MQ 2 weich hart 1.7 0.7 1.6 3.0 Feb 2007
MQ 2 weich hart 4.1 2.7 2.9 4.0 Mai 2007
Kiesen USP1 steif hart 0.8 -1.2 2005
USP1 steif hart 3.1 0.8 2006
USP1 steif hart 0.2 2007 (SMW)
USP2 steif hart 0.6 2007 (SMW)
USP3 steif hart 4.9 0.2 2005
USP3 steif hart 5.3 0.3 2006
USP3 steif hart 0.2 2007 (SMW)
USP4 mittel hart 4.3 2.1 2005
USP4 mittel hart 10.3 3.7 2006
USP4 mittel hart 2.3 2007 (SMW)
USP5 weich hart 2.1 2.7 2006
USP5 weich hart 2.3 2007 (SMW)
In Lengnau – Pieterlen wurden bei der Lärmzunahme deutliche Unterschiede zwischen den
Zugtypen festgestellt. Bei NPZ und Güterzügen liegt die Lärmzunahme bei 3-6 dB(A), bei
ICN und FLIRT in den Abschnitten G2 und G3 ist die Lärmzu- bzw. abnahme geringer mit
-0.6 bis 1.5 dB(A). Geringere Radrauheiten der Zugtypen ICN und FLIRT in Kombination
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mit den reduzierten Schienenrauheiten insbesondere in den Geradenabschnitten mit USP
(siehe Kap. 6.1.1) können in diesem Fall die reduzierte Lärmzunahme erklären.
In Bellach – Solothurn stellte man 2008, zwei Jahre nach dem Einbau eine Lärmzunahme
von 1.8-3.3 dB(A) fest.
In Pratteln zeigte sich mit der weichen USP insbesondere bei den Messungen im Mai 2007
eine markante Lärmzunahme von 2.7-4.1 dB(A).
Die festgestellten Lärmzunahmen in den verschiedenen USP-Abschnitten in Kiesen waren
sehr unterschiedlich. Teilweise, insbesondere bei steifen USP, gab es nur geringfügige
Erhöhungen der gemessenen Lärmemissionen, aber es wurden auch Lärmzunahmen bis
10.3 dB(A) im Abschnitt USP4 festgestellt. Der Hauptgrund für diese hohen Werte war eine
hohe Schienenrauheit in den Abschnitten USP2 – USP4. Da die Teststrecke im
Bahnhofsbereich liegt, könnten diese unterschiedlichen Schienenrauheiten im
Zusammenhang mit unterschiedlicher Belastung durch Bremsen und Anfahren stehen. Die
Schienen wurden im Testabschnitt deshalb nachträglich geschliffen und kurz darauf mit
dem Schallmesswagen nochmals gemessen. Die Lärmzunahme nach dem Schleifen,
gemessen mit dem Schallmesswagen, lag dann bei 0.2-0.6 dB(A) bei steifen USP, bei
mittelsteifen bis weichen USP (USP4, USP5) lag sie bei 2.3 dB(A).
In folgender Tabelle 3 sind die Lärmzunahmen in dB(A) nach Oberbautyp
zusammengefasst.
Tabelle 3: Abweichung nach Oberbautyp USP (ohne Kurvenabschnitte) – Referenz in dB (A) ; positive Werte = Zunahme durch USP; in Klammern Ausreisser
USP Zw Anzahl Messungen
IC NPZ FLIRT GZ
weich weich 3 0.6 – 1.5 (4.1) 5.4 - 5.7 -0.6 – 1.4 (4.7) 3.2 - 4.4
weich hart 4 1.7 – 4.1 0.7 – 2.7 1.6 – 2.9 2.7 – 4.0
mittel hart 5 0.5 – 4.3 (10.3) 2.7 – 3.3 - 2.1 – 2.5 (3.7)
steif hart 11 0.2 – 3.5 (5.3) 1.1 – 2.0 - -1.2 – 2.1 (3.5)
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Die Werte aus Tabelle 2 sind folgend graphisch in Funktion der statischen Steifigkeit der
Schwellenbesohlung dargestellt. Da die Lärmzunahme in Lengnau – Pieterlen auch durch
das Einfügen der weichen Zwischenlage beeinflusst sein kann, sind diese Werte im
Diagramm nicht dargestellt, ebenso wie die durch hohe Schienenrauheiten verursachten
hohen Lärmzunahmen in Kiesen.
Abbildung 5-1 zeigt, dass Lärmzunahmen von 2-4 dB(A) hauptsächlich bei mittleren bis
weichen Schwellenbesohlungen, Lärmzunahmen von 0-2 dB(A) hauptsächlich bei steifen
Schwellenbesohlungen festgestellt wurden. Alle untersuchten Fälle bis auf eine Ausnahme
zeigen eine Lärmzunahme durch das Einfügen der Schwellenbesohlung.
Abbildung 5-1: Lärmzunahme mit Schwellenbesohlung (ohne Kiesen USP 3,4 ; ohne Lengnau – Pieterlen)
5.2 Zeitliche Entwicklung der Lärmzunahme
In Bellach – Solothurn, Kiesen und Pratteln wurden die Schallemissionsmessungen zu
einem späteren Zeitpunkt wiederholt. Oft wurde dabei ein weiterer Anstieg der
Lärmzunahme festgestellt.
In Bellach – Solothurn erhöhte sich die Lärmzunahme 2008 gegenüber dem Zustand 2006
um weitere 1-1.5 dB(A) bei Personenzügen bei USP1 und USP6. Bei USP2 blieb die
Lärmzunahme unverändert. Bei den Güterzügen wurde keine klare Tendenz festgestellt.
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In Kiesen, insbesondere bei USP 1 und USP4, stellt man beim Vergleich der
Lärmzunahmen 2005 und 2006 fest, dass die Lärmzunahme mit der Zeit ansteigt.
Auch in Pratteln stieg die Lärmzunahme weiter an, teilweise um über 2 dB(A) obwohl die
zwei Messzeitpunkte nur drei Monate auseinander lagen.
Abbildung 5-2: Vergleich Lärmzunahme bei Wiederholung der Messung zu späterem Zeitpunkt
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6 Lärmzunahme bei Schwellenbesohlungen im Frequenzb ereich
6.1 Einflussparameter auf die Lärmemission
Das Rollgeräusch als massgebliche Grösse für Lärmemission von Schienenfahrzeugen im
Geschwindigkeitsbereich 60-250 km/h hängt von verschiedenen Parametern ab. Wenn das
Einfügen der Schwellenbesohlung die Lärmemission verändert, bedeutet dies auch, dass
sich ein wesentlicher Einflussparameter auf die Lärmemission verändert hat. Im Bereich
des Gleisoberbaus, welcher durch die Schwellenbesohlung verändert wird, sind dies
hauptsächlich die Schienenrauheit und die Gleisabklingrate (TDR). Auch das Fahrzeug
selbst beeinflusst natürlich die Lärmemission, ist zwar dasselbe beim Vergleich zwischen
Referenz und Testabschnitt, aber es wirkt sich auf die Grösse des Einflusses von
Schienenrauheit und TDR aus. Ein sehr raues Rad führt z.B. dazu, dass der Einfluss der
Schienenrauheit vernachlässigt werden kann. Bei einem Intercity Zug mit glatten Rädern
führt gem. Berechnung sonRAIL eine Veränderung der Schienenrauheit um 1 dB
(Einzahlwert) zu einer Veränderung der Lärmemission um 0.7 dB(A).
6.1.1 Schienenrauheit
Die Schienenrauheiten wurden in Lengnau – Pieterlen 2013, Bellach – Solothurn 2008 und
Kiesen 2006 in den Referenz- und Testabschnitten direkt gemessen. Die Resultate sind in
den folgenden Abbildungen zusammengestellt.
In Lengnau – Pieterlen sind die Schienenrauheiten im langwelligen Bereich ab 25 mm sehr
unterschiedlich. Der Referenzabschnitt in der Geraden (Standardoberbau SBB mit harter
Zw) weist eindeutig die höchste Schienenrauheit auf. Sehr geringe Schienenrauheiten
wurden in den Testabschnitten G2 und G3 (weiche Zw, weiche USP) gemessen. Zwischen
diesen Extremen liegen die Testabschnitte G1 und K1 bis K3 (Kurve).
In Bellach – Solothurn dagegen weisen der Referenzabschnitt und USP6 (Steifigkeit mittel)
die geringsten Schienenrauheiten auf. In den Abschnitten USP1 und insbesondere USP2
sind die Rauheiten deutlich höher.
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Abbildung 6-1: Schienenrauheiten in Lengnau – Pieterlen und Bellach – Solothurn mit und ohne Schwellenbesohlung
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Abbildung 6-2: Schienenrauheiten in Kiesen 2006 mit und ohne Schwellenbesohlung
In Kiesen sind die Schienenrauheiten in den meisten Testabschnitten sehr hoch, am
höchsten im Abschnitt USP4. Die Lärmzunahme gegenüber der Referenz war 2006 dann
auch entsprechend mit 10.3 dB(A) für IC-Züge und 3.7 dB(A) für Güterzüge gem. Tabelle 2.
Dieses Beispiel zeigt auch deutlich den Einfluss des Fahrzeugtyps bzw. der Radrauheit auf
die Lärmzunahme. Da sich der Testabschnitt Kiesen im Bahnhofsbereich befindet, liegt die
Vermutung nahe, dass der Betrieb bzw. Brems- und Anfahrkräfte der Regionalzüge die
hohen Schienenrauheiten verursachen.
Die Schienenrauheiten in Kiesen zeigen, dass ein Zusammenhang zwischen USP und
Schienenrauheit nicht erkennbar ist. Eine weiche USP (USP5) ergibt in Kiesen die tiefste,
eine mittelsteife USP (USP4) die höchste Schienenrauheit, steife USP (USP1-USP3) und
die Referenz liegen dazwischen. Auch in Bellach – Solothurn sind die Unterschiede bei den
Schienenrauheiten nicht durch Unterschiede bei den USP zu erklären. In Lengnau –
Pieterlen führt ein hochelastischer Oberbau mit weicher Zw und weichen USP zu tiefen
Schienenrauheiten. Es zeigt sich hier auch, dass die Linienführung einen Einfluss hat, die
Rauheiten in der Kurve sind bei vergleichbarem Oberbau deutlich höher als in der Geraden.
Zusammenfassend kann man festhalten, dass zumindest weiche USP, wie in Kiesen und
Lengnau – Pieterlen (in Kombination mit weicher Zw) getestet, keinen negativen, eher einen
positiven Einfluss auf die Schienenrauheit haben und damit die Lärmzunahme nicht erklärt
werden kann. Diese Aussage kann auch gestützt werden mit der Tatsache, dass Güterzüge
mit bekanntlich hohen Radrauheiten, damit sozusagen unabhängig von der
Schienenrauheit, in vielen Fällen zu vergleichbaren Lärmzunahmen führen wie
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Personenzüge mit glatten Rädern, wie Abbildung 5-1 zeigt. Es muss also eine andere
Erklärung geben, weshalb USP zu einer Lärmzunahme führen.
6.1.2 Gleisabklingrate
Die Gleisabklingrate (TDR) horizontal und vertikal ist ein Mass für die Dämpfung der
Schwingungsamplitude der Schiene. Wie das schwingende Rad strahlt auch eine
schwingende Schiene Schall ab. Je geringer die Gleisabklingrate, umso weniger ist die
Schwingung der Schiene gedämpft, das bedeutet, umso mehr strahlt die Schiene ab. Die
Gleisabklingrate wird erhöht, indem möglichst viel Schwingungsenergie vernichtet (z.B. mit
Schienenstegdämpfern) oder möglichst direkt (z.B. mit harten Zw) in den Schotter geleitet
wird. Grosse ungedämpfte Räder in Kombination mit kleinen Schienenprofilen und hoher
Gleisabklingrate führen dazu, dass das Rollgeräusch hauptsächlich vom Fahrzeug
abgestrahlt wird. Im umgekehrten Fall dominiert der Fahrweg das Rollgeräusch.
Um der Lärmzunahme infolge USP auf die Spur zu kommen, stellt sich nun die Frage, ob
die USP einen negativen Einfluss auf die TDR hat, d.h. die Gleisabklingrate reduziert.
Der Verlauf der Gleisabklingrate in Funktion der Frequenz wird durch verschiedene
charakteristische Eigenfrequenzen des Oberbaus bestimmt. Diese lassen sich nach [4]
anhand eines Einmassenschwinger-Modells berechnen. Die folgende Abbildung zeigt die
Lage der Eigenfrequenzen in Bezug auf den Verlauf der TDR vertikal. Analoges gilt auch für
die TDR horizontal. Bei den ersten drei Eigenfrequenzen fc1, f2 und fc2 ergibt sich eine hohe
TDR, weil die Schwingungsenergie der Schiene entzogen und in Schwelle und Schotter
abgeleitet wird, bei der pinned-pinned Frequenz fpp breitet sich die Schwingungsenergie
praktisch ungedämpft in der Schiene aus.
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Abbildung 6-3: TDR vertikal und Oberbau-Eigenfrequenzen nach Ch. Gramowski [4]
Für den Betonschwellen-Oberbau (B91) mit weichen oder harten Zw sowie mit und ohne
USP wurden diese Eigenfrequenzen berechnet, um den Einfluss von weichen USP auf die
Eigenfrequenzen bzw. die TDR zu bestimmen. Wie die Abbildung 6-4 zeigt, beschränkt sich
der Einfluss einer weichen USP auf fc1, die anderen Oberbau-Eigenfrequenzen bleiben
praktisch unverändert. Im akustisch relevanten Frequenzbereich ab ca. 200 Hz bewirkt also
eine weiche USP kaum eine Frequenzverschiebung der TDR. Dies im Gegensatz zur Zw
weich gegenüber Zw hart, wo man bei f2 und fc2 durch das Einfügen einer weichen Zw eine
deutliche Verschiebung zu tieferen Frequenzen feststellt.
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Abbildung 6-4: Oberbau-Eigenfrequenzen mit Zw hart / weich und mit / ohne USP weich
Im Rahmen dieser Untersuchung standen Messdaten der Gleisabklingraten der
verschiedenen Testabschnitte in Lengnau – Pieterlen mit und ohne USP zur Verfügung mit
den folgenden Resultaten:
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Abbildung 6-5: TDR horizontal und vertikal, gemessen in Lengnau – Pieterlen in der Geraden
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Der Unterschied in den gemessenen Gleisabklingraten in Lengnau – Pieterlen zwischen
Referenz und USP-Abschnitten mit weicher Zw ist sehr gross. Wie die Berechnungen mit
dem Einmassenschwinger-Modell gezeigt haben, erkennt man auch aus den Messdaten,
dass sich gewisse Eigenfrequenzen durch das Einfügen von weicher Zw und USP
verschieben (f2 und fc2), andere nicht (fpp). Diese Verschiebung ist aber, wie oben erwähnt,
hauptsächlich verursacht durch die weiche Zw.
Basierend auf einer grösseren Menge an TDR Messdaten verschiedener SBB-
Oberbautypen hat die SBB die Betonschwellen-Oberbauten (ohne USP) nach Zw-Steifigkeit
gruppiert. Die folgende Abbildung zeigt die TDR-Messdaten, gruppiert in weiche (blaugrüne
Kurven) und sehr weiche Zw (rot), und den TDR-Messdaten von Lengnau – Pieterlen
(hellgrün) gegenübergestellt. Die TDR Lengnau – Pieterlen liegt meist zwischen TDR weich
und sehr weich, ist oft deutlich tiefer als die TDR weich. Andererseits liegt sie meist auch
oberhalb der TDR sehr weich, was bedeutet, dass es auf dem SBB Streckennetz
Betonschwellen-Oberbauten ohne USP gibt mit tieferer TDR als in Lengnau – Pieterlen. Die
Zw in Lengnau – Pieterlen (Vossloh Zw 700a) wird zwar als weich bezeichnet aufgrund
ihrer statischen Steifigkeit, es ist aber durchaus möglich, dass es sich hierbei um eine Zw
handelt, die sich dynamisch und in der TDR eher wie eine sehr weiche Zw verhält.
Genauere Angaben, um welche Typen von Zw es sich bei den gemessenen weichen und
sehr weichen Zw handelt, um die in Lengnau – Pieterlen eingebaute Zw zuzuordnen,
konnten leider nicht in Erfahrung gebracht werden. Damit bleibt vorerst unklar, ob die
weiche USP einen Einfluss auf die TDR hat.
Abbildung 6-6: TDR Messdaten der SBB, gruppiert in weich und sehr weich, im Vergleich zu Lengnau – Pieterlen Abschnitte G1 –K3 (Quelle: SBB)
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6.2 Lärmemissionen in Referenz- und Testabschnitten
Um die Lärmzunahme im Frequenzbereich, dargestellt im folgenden Kapitel 6.3, richtig
bewerten zu können, ist es entscheidend, die A-bewerteten Terzspektren der
Zugvorbeifahrten zu kennen. Damit die Lärmzunahme relevant wird, muss sie in einem
Frequenzbereich auftreten, wo die Lärmemission bereits hoch ist, i.d.R. bei
Schienenverkehr also im Frequenzbereich von ca. 300 – 3‘000 Hz.
6.2.1 Lärmemissionen im Testabschnitt Lengnau – Pie terlen
Die Spektren der ICN-, Regio- und Güterzüge zeigen in Abbildung 6-7 im Referenzabschnitt
ein typisches Maximum bei 1250 Hz, unabhängig von der Vorbeifahrgeschwindigkeit. Somit
handelt es sich im vorliegenden Fall um eine Eigenfrequenz und da die Fahrzeuge
unterschiedlich sind, dürfte es sich um eine Oberbaueigenfrequenz handeln. Die TDR
horizontal und vertikal in Abbildung 6-5 deutet darauf hin, dass es sich um eine
Schieneneigenfrequenz handelt. Die stark zunehmende Gleisabklingrate zu tieferen
Frequenzen im Referenzabschnitt zeigt sich auch in den Schallemissionsspektren mit
deutlich abnehmenden Pegeln unterhalb 1250 Hz. Die Testabschnitte in der Geraden mit
weicher Zw und weicher USP (G1-G3) führen in den Schallemissionsspektren zu einer
Frequenzverschiebung zu tieferen Frequenzen, meistens auch zu höheren Maximalwerten.
Der Verlauf der Spektren ist bei den Maximalwerten breitbandiger mit hohen Pegeln
zwischen 630 Hz und 1250 Hz. Insgesamt ist somit die Lärmzunahme durch weiche Zw und
weiche USP in einem relevanten Frequenzbereich und äussert sich auch entsprechend im
Gesamtpegel, wie Tabelle 2 zeigt. Dagegen wirkt sich die Lärmabnahme unterhalb 400 Hz
nicht auf den Gesamtpegel aus, da diese Werte 10-20 dB(A) tiefer liegen als die Maxima.
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Abbildung 6-7: Terzspektren Lärmemissionen in Lengnau – Pieterlen, Vergleich Referenz- (gestrichelt) zu Testabschnitten in der Geraden für verschiedene Zugtypen
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6.2.2 Lärmemissionen im Testabschnitt Bellach – Sol othurn
Die Lärmemissionen im Testabschnitt Bellach – Solothurn wurden nicht entsprechend der
Norm in 7.5 m sondern in 11.3 m Distanz zur Gleisachse gemessen. Daher sind diese
Werte nicht direkt vergleichbar mit den Messwerten an den anderen Messorten. Zudem
sind die Geschwindigkeiten der Züge über die vier Messquerschnitte nicht konstant. ICN
reduzierten die Geschwindigkeit, NPZ beschleunigten von MP1 zu MP4, die Güterzüge
fuhren mit mehr oder weniger konstanter Geschwindigkeit über die Messquerschnitte. Die
Schallmessungen fanden 2006 kurz nach Einbau der USP und 2008 statt.
Die Schallmessungen 2006, wie in Abbildung 6-8 anhand dreier Zugvorbeifahrten
dargestellt, zeigen beim Referenzquerschnitt unterschiedliche Maxima in den Terzen von
1‘250 Hz – 2000 Hz. Bei den Messpunkten MP1, MP3 und MP4 mit eingebauten
Schwellenbesohlungen verschieben sich die Schallemissionsspektren zu tieferen
Frequenzen und werden breitbandiger. Auch hier ist die Lärmzunahme in einem relevanten
Frequenzbereich. Ein Frequenzbereich mit erkennbarerer Lärmabnahme gegenüber der
Referenz ist nicht zu erkennen.
Abbildung 6-8: Terzspektren Lärmemissionen in Bellach – Solothurn, Vergleich Referenz- (gestrichelt) zu Testabschnitten in der Geraden für verschiedene Zugtypen, Messung 2006
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2008 sehen die Messungen ähnlich aus. Wiederum führen die USP zu mehr Lärm über
einen grossen Frequenzbereich ab ca. 100 Hz und die Lärmzunahme ist damit in einem
relevanten Frequenzbereich.
Abbildung 6-9: Terzspektren Lärmemissionen in Bellach – Solothurn, Vergleich Referenz- (gestrichelt) zu Testabschnitten in der Geraden für verschiedene Zugtypen, Messung 2008
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6.2.3 Lärmemissionen im Testabschnitt Pratteln
Auf der Strecke Kaiseraugst – Pratteln wurden Ende 2006 in einem Testabschnitt weiche
USP eingebaut. Die Schallmessungen danach fanden im Februar 2007 und Mai 2007 statt.
Wegen einer Baustelle war zum Zeitpunkt der Messung im Februar die Geschwindigkeit auf
der Strecke limitiert auf 80 km/h. Abbildung 6-10 zeigt typische Schallemissionsspektren
von einem Intercity-, S-Bahn- und Güterzug im Referenz und Testabschnitt. Da alle Züge
mit fast gleicher Geschwindigkeit die zwei Messquerschnitte passierten, ist der Einfluss des
Rollmaterials auf die Lärmemission deutlich zu erkennen.
Die Lärmzunahme ist wiederum in einem relevanten Frequenzbereich, die Maxima im USP-
Abschnitt liegen für alle drei Zugtypen höher als beim Referenzabschnitt. Eine
Lärmabnahme ist ebenfalls unterhalb 160 Hz zu erkennen, ist aber für den Gesamtpegel
nicht relevant, da die Werte über 10 dB(A) unterhalb der Maximalwerte liegen.
Abbildung 6-10: Terzspektren Lärmemissionen in Pratteln, Vergleich Referenz- (gestrichelt) zu Testabschnitt in der Geraden für verschiedene Zugtypen, Messung Februar 2007
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Bei den Schallmessungen im Mai 2007 passierten die Züge mit Regelgeschwindigkeit. Die
Lärmzunahme ist auch in diesem Fall in einem relevanten Frequenzbereich, die Maxima im
USP-Abschnitt liegen für alle drei Zugtypen höher als beim Referenzabschnitt. Eine
Lärmabnahme ist ebenfalls unterhalb 160 Hz zu erkennen, ist aber für den Gesamtpegel
nicht relevant, da die Werte über 10 dB(A) unterhalb der Maximalwerte liegen.
Abbildung 6-11: Terzspektren Lärmemissionen in Pratteln, Vergleich Referenz- (gestrichelt) zu Testabschnitt in der Geraden für verschiedene Zugtypen, Messung Mai 2007
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6.2.4 Lärmemissionen im Testabschnitt Kiesen
Digitale Daten der Schallmessungen in Kiesen lagen leider nur von den Schallmessungen
2005 vor ([12]). Die Schallemissionen der vorbeifahrenden Züge auf der Doppelspurstrecke
wurden zudem nur einseitig gemessen, so dass die Emissionen der Züge auf den zwei
Gleisen in unterschiedlichen Distanzen gemessen wurden und damit nicht vergleichbar
sind. Dargestellt in der folgenden Abbildung 6-12 sind daher nur die Messwerte für das
nahe Gleis in 7.5 m Distanz mit Referenz- und USP4-Abschnitt für einen Intercity- und
einen Güterzug.
Wie sich bei den späteren Messungen 2006 gezeigt hat, ist der Abschnitt USP4 derjenige
mit der höchsten Schienenrauheit, der Summenpegel der Schienenrauheit lag 2006 11.2 dB
höher als im Referenzabschnitt. Es ist anzunehmen, aufgrund der Emissionsspektren in
Abbildung 6-12, dass bereits 2005 die Schienenrauheiten unterschiedlich waren, da die
Lärmzunahme bei IC-Zügen deutlich höher ist als bei den Güterzügen, siehe auch Tabelle
2.
Die Lärmzunahme erstreckt sich für diesen Fall USP4 über den gesamten
Frequenzbereich. Auch die im Bericht [15] ausgewiesenen Lärmzunahmen, gemessen
2006, zeigen für alle USP-Abschnitte und alle Zugtypen Lärmzunahmen im relevanten
Frequenzbereich mindestens von 315 – 1‘000 Hz.
Abbildung 6-12: Terzspektren Lärmemissionen in Kiesen, Vergleich Referenz- (gestrichelt) zu Testabschnitt in der Geraden für verschiedene Zugtypen, Messung 2005
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6.3 Lärmzunahme vom Referenz- zum Testabschnitt
Die Lärmzunahmen durch USP sind folgend dargestellt als Differenzspektren Testabschnitt
minus Referenz. Es wurden jeweils pro Zugtyp mehrere Vorbeifahrten gemittelt und damit
eine mittlere Lärmzunahme berechnet. Wie in Kapitel 6.2 generell festgestellt wurde, ist die
Lärmzunahme frequenzabhängig und liegt in einem Frequenzbereich mit massgeblichen
Anteilen auf den Summenpegel der Schallemission. Dagegen ist die Lärmabnahme durch
USP tieffrequent und praktisch ohne Einfluss auf den Summenpegel, zumindest in einer
Distanz von 7.5m zum Gleis bei Schallausbreitung im Freifeld.
6.3.1 Lärmzunahme im Testabschnitt Lengnau – Pieter len
Die Lärmzunahme für die Testabschnitte G1, G2 und G3 auf der Strecke Lengnau –
Pieterlen gegenüber den Referenzabschnitten in der Geraden ist in Abbildung 6-13 und
Abbildung 6-14 für die drei Zugtypen ICN, NPZ und Güterzug mit den entsprechenden
Geschwindigkeitsbereichen dargestellt. In allen neun Fällen zeigt sich eine deutliche
Lärmzunahme im Frequenzbereich 400 – 1000 Hz mit Spitze bei 630 Hz. Die Unterschiede
in der Lärmzunahme zwischen den unterschiedlichen USP-Typen in den Abschnitten G1 -
G3 ist gering, allerdings sind auch die dynamischen Steifigkeiten der drei verwendeten
USP-Typen sehr ähnlich.
Die Lärmzunahme im Frequenzbereich 400 – 1000 Hz deckt sich weitgehend mit grossen
Unterschieden in der TDR vertikal, siehe Abbildung 6-5. Der akustisch positive Effekt der
reduzierten Schienenrauheiten in den USP-Abschnitten zeigt sich beim ICN gegenüber
NPZ und Güterzügen z.B. im Terzband 630 Hz mit 4 -5 dB reduzierten Pegeln.
Der charakteristische geschwindigkeitsunabhängige Peak bei 630 Hz hat einerseits mit sehr
hoher TDR und dementsprechend stark reduzierten Schallpegeln im Referenzabschnitt zu
tun (siehe Abbildung 6-7), andererseits wurden auch speziell hohe
Schwellenbeschleunigungen in den USP-Abschnitten in diesem Terzband gemessen (siehe
Abbildung 7-2).
Die tieffrequente Lärmreduktion < 400 Hz kann mit reduzierter Schienenrauheit (zumindest
ab 200 Hz) und reduzierten Achslagerschwingungen ab 40 Hz (Abbildung 8-1 und
Abbildung 8-2) erklärt werden.
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Abbildung 6-13: Lärmzunahme in Lengnau – Pieterlen Abschnitte G1 – G3 zu Referenz für Zugtypen ICN und NPZ
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Abbildung 6-14: Lärmzunahme in Lengnau – Pieterlen Abschnitte G1 – G3 zu Referenz für Güterzüge
Da in Lengnau – Pieterlen im Gegensatz zu den anderen Testabschnitten nicht nur eine
weiche USP eingebaut wurde, sondern diese in Kombination mit einer weichen Zw, stellt
sich die Frage, ob die weiche Zw alleine ohne weiche USP bereits eine solche
Lärmzunahme verursacht. Dazu wurde auf der BLS Strecke Kerzers – Müntschemier eine
Vergleichsmessung harte zu weiche Zw durchgeführt (Bericht [21]). Die Lärmzunahme für
den Lötschberger (gegenüber ICN) und für einen Güterzug ist in folgender Abbildung 6-15
(blaue Linie bezeichnet mit „weiche Zw“) im Vergleich zu den gemessenen Lärmzunahmen
in Lengnau – Pieterlen dargestellt.
Beim Vergleich ICN zu Lötschberger in Kerzers zeigen sich Lärmzunahmen in ähnlicher
Grössenordnung, wobei die Lärmzunahme in Kerzers ca. um ein Terzband höherfrequent
verläuft. Unter Berücksichtigung der A-Bewertung ist in diesem Fall die Lärmzunahme in
Kerzers mit weicher Zw aber ohne USP höher. Zudem ist keine vergleichbare, tieffrequente
Lärmabnahme in Kerzers zu erkennen. Beim Vergleich von Güterzügen ist die
Lärmzunahme unterhalb 1000 Hz bis 200 Hz in Kerzers deutlich geringer.
Aufgrund von vertikalen Schwingungsmessungen an der Schiene in Kerzers ist die
Lärmzunahme auf stärkere Schienenschwingungen zurückzuführen. Die Lärmabnahme
zwischen 200 und 400 Hz deutet auf geringere Schwellenschwingungen hin, da die weiche
Zw schwingungstechnisch die Schiene von der Schwelle entkoppelt und die Schwelle in
diesem Frequenzbereich massgeblich Schall abstrahlt.
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Abbildung 6-15: Lärmzunahme in Lengnau – Pieterlen im Vergleich zu Kerzers mit weicher Zw, aber ohne USP
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6.3.2 Lärmzunahme im Testabschnitt Bellach – Soloth urn
Wie bereits in Kapitel 6.2.2 erwähnt, waren die Vorbeifahrgeschwindigkeiten bei den
Messquerschnitten unterschiedlich. Die ICN reduzierten die Geschwindigkeit, die NPZ
beschleunigten von USP2 über Referenz, USP6 zu USP1, die Güterzüge fuhren mit mehr
oder weniger konstanter Geschwindigkeit über die Messquerschnitte. Im Abschnitt USP2
wurde 2008 zudem eine erhöhte Schienenrauheit gemessen. Da sich also gleich mehrere
Parameter ändern, ist es schwierig, hier eindeutige Aussagen bzgl. des Einflusses USP auf
den Lärm zu machen.
Am besten lässt sich USP6 mit der Referenz vergleichen, da diese zwei Abschnitte sehr
ähnliche Schienenrauheiten aufweisen und auch nur in einer Distanz von ca. 100 m
auseinander liegen mit dementsprechend vergleichbaren Geschwindigkeiten.
Die maximale Lärmzunahme bei USP6 liegt in allen sechs dargestellten Fällen (siehe
Abbildung 6-16 bis Abbildung 6-19) im Terzband von 250 Hz mit einem Wert von 6 - 10 dB.
Beim NPZ sind diese Maximalwerte bei 250 Hz am höchsten, beim ICN am tiefsten. Die
Lärmzunahme erstreckt sich über einen weiten Frequenzbereich von 160 Hz bis
mindestens 1000 Hz. Gegenüber USP1 ist die Lärmzunahme im Abschnitt mit USP6 meist
höher. Dies könnte an der unterschiedlichen Steifigkeit der USP liegen (USP6 mittelsteif;
USP1 steif).
Die Lärmzunahmen aufgrund der Messungen 2006 und 2008 sind ähnlich. Im Gesamtpegel
(siehe Tabelle 2) zeigt sich allerdings für die meisten Fälle eine weitere Lärmzunahme mit
der Zeit.
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Abbildung 6-16: Lärmzunahme in Bellach – Solothurn USP2, USP6, USP1 zu Referenz für die Zugtypen ICN und NPZ, Messung 2006
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Abbildung 6-17: Lärmzunahme in Bellach – Solothurn USP2, USP6, USP1 zu Referenz für Güterzüge, Messung 2006
Abbildung 6-18: Lärmzunahme in Bellach – Solothurn USP2, USP6, USP1 zu Referenz für Güterzüge, Messung 2008
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Abbildung 6-19: Lärmzunahme in Bellach – Solothurn USP2, USP6, USP1 zu Referenz für die Zugtypen ICN und NPZ, Messung 2008
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6.3.3 Lärmzunahme im Testabschnitt Pratteln
Obwohl die USP in Pratteln im Gegensatz zu Bellach – Solothurn weich ist (sogar weicher
als in Lengnau – Pieterlen) sieht der Verlauf der Lärmzunahme in Abbildung 6-20 und
Abbildung 6-21 spektral ähnlich aus wie in Bellach – Solothurn. Die maximale
Lärmzunahme mit 6 – 7 dB gemessen im Februar 2007 liegt wiederum im Terzband von
250 Hz. Abbildung 7-1 zeigt, dass für diesen Unterschied in der Schallemission zwischen
USP und Referenz einzig die im USP-Bereich deutlich erhöhten Schwellenschwingungen
verantwortlich sind. Offenbar handelt es sich um eine Schwelleneigenfrequenz, die zudem
unabhängig von der USP-Steifigkeit ist, da sie auch in Bellach – Solothurn mit mittelsteifen
und steifen USP auftritt.
Der Verlauf der Lärmzunahmen in Pratteln (Abbildung 6-20 und Abbildung 6-21) zeigt im
Februar 2007 nur geringe Unterschiede zwischen den Zugtypen. Erstaunlich ist allerdings
die weitere Lärmzunahme gemessen im Mai 2007 gegenüber Februar 2007. Diese ist auch
hochfrequent oberhalb 1000 Hz noch vorhanden mit Werten von 2 – 5 dB. Die weitere
Lärmzunahme ist bei IC-Zügen etwas höher als bei Güterzügen, was darauf hindeutet, dass
sich die Schienenrauheiten verändert haben.
Abbildung 6-20: Lärmzunahme in Pratteln USP zu Referenz für Güterzüge, Messungen Feb / Mai 2007
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Abbildung 6-21: Lärmzunahme in Pratteln USP zu Referenz für IC-Züge und S-Bahn, Messungen Feb / Mai 2007
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6.3.4 Lärmzunahme im Testabschnitt Kiesen
In Abbildung 6-22 und Abbildung 6-23 sind die Lärmzunahmen der verschiedenen USP in
Kiesen aufgrund der Schallemissionsmessungen 2006 dargestellt. Die Schienenrauheiten,
dargestellt in Abbildung 6-2, wurden zwei Wochen später gemessen. Die festgestellten
rauen Schienen, insbesondere in den Abschnitten USP2, USP3 und USP4 zeigen sich auch
in entsprechender Lärmzunahme (wobei USP2 nicht gemessen wurde), insbesondere bei
den IC-Zügen. Bei USP1 und USP5 sind die Rauheitsunterschiede zur Referenz gering. Die
Lärmzunahme USP5 (weich) ist vergleichbar zu Pratteln mit Maximalwerten um 8 dB bei
250 Hz, gefolgt von einer stetigen Reduktion der Lärmzunahme auf 0 dB bei 1600 - 2500
Hz. Die steife USP1 dagegen zeigt eine geringere Lärmzunahme mit Maximalwerten um
5 dB bei 315 – 500 Hz. Im Vergleich steife USP1 zur weichen USP5 scheint in diesem Fall
die Steifigkeit der USP auf die Lärmzunahme einen Einfluss zu haben.
Abbildung 6-22: Lärmzunahme in Kiesen USP zu Referenz für IC Züge, Messungen 2006
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Abbildung 6-23: Lärmzunahme in Kiesen USP zu Referenz für Güterzüge, Messungen 2006
Die Lärmzunahme USP4 zu Referenz wurde sowohl 2005 als auch 2006 gemessen. Der
Summenpegel der Rauheit lag 2006 bei USP4 11,2 dB höher als bei der Referenz. 2005
wurde die Schienenrauheit nicht gemessen. In folgender Abbildung 6-24 sind die
Lärmzunahmen für diese zwei Zeitpunkte dargestellt. Es ist klar ersichtlich, dass sich die
Lärmzunahme von 2005 zu 2006 erhöhte. Aufgrund der unterschiedlichen weiteren
Lärmzunahme zwischen IC- und Güterzügen kann man davon ausgehen, dass die
Schienenrauheit von 2005 bis 2006 zugenommen hat.
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Abbildung 6-24: Lärmzunahme in Kiesen USP4 zu Referenz für zwei Zugtypen, Messungen 2005 (dunkelgrün) / 2006 (hellgrün)
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7 Schienen- und Schwellenschwingungen
7.1 Testabschnitt Pratteln
In Pratteln wurden neben den Schallmessungen auch fahrbahndynamische Messungen [19]
durchgeführt. Unter anderem wurden im Referenz- und USP-Abschnitt Schienen- (je 2
Beschleunigungssensoren im Schwellenfach) und Schwellenschwingungen (je 2
Beschleunigungssensoren Schwellenmitte) von Schnellzügen gemessen. Die Unterschiede
der Schwinggeschwindigkeiten zwischen USP- und Referenzabschnitt sind in Abbildung 7-1
oben dargestellt. Überraschend stellt man dabei fest, dass die Schienenschwingungen im
Februar 2007 im USP-Abschnitt gegenüber Referenz kaum höher liegen. Die
Lärmzunahme kann damit nicht auf erhöhte Schienenschwingungen und eine reduzierte
TDR zurückgeführt werden. Im Februar sind einzig die Schwellenschwingungen deutlich
höher mit der charakteristischen Spitze bei 250 Hz. Die Zunahme der
Schwellenschwingungen korreliert im Frequenzbereich 160 – 2000 Hz mit der
Lärmzunahme für Februar 2007. Die Lärmzunahme ist somit auf die Zunahme der
Schwellenschwingungen zurückzuführen. Im Mai 2007 nehmen dann auch die
Schienenschwingungen im USP-Abschnitt deutlich zu und führen zu einer weiteren
Lärmzunahme.
Die Zunahme der Schienenschwingungen von Februar auf Mai 2007 deutet auf eine
zunehmende Schienenrauheit hin.
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Abbildung 7-1: Zunahme der Schienen- und Schwellenschwingungen im USP-Abschnitt gegenüber Referenz in Pratteln (Diagramm oben) im Vergleich zur Lärmzunahme (unten)
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7.2 Testabschnitt Lengnau – Pieterlen
Auch im Testabschnitt Lengnau – Pieterlen wurden von der SBB fahrbahndynamische
Messungen durchgeführt [18]. Allerdings wurden hier nur Schwellenschwingungen
gemessen mit je 4 Beschleunigungssensoren in Schwellenmitte und Schwellenende pro
Abschnitt. Abbildung 7-2 zeigt den Mittelwert (über die 8 Messpunkte) der
Schwellenbeschleunigung für den Referenzabschnitt (Abschnitt 11) und USP G2 (Abschnitt
14). Im Referenzabschnitt treten die höchsten Beschleunigungen in den Terzbändern
1250 Hz und 1600 Hz auf, im USP Abschnitt G2 (wie auch bei G1 und G3) im Terzband
630 Hz.
Abbildung 7-2: Terzspektren der Schwellenbeschleunigung im Abschnitt Referenz und USP G2, [18] S.31/32
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Vergleicht man diese Schwellenbeschleunigungsspektren mit den Schallemissionsspektren
für eine vergleichbare Zugvorbeifahrt, so erkennt man die Spitzen wiederum in den gleichen
Terzbändern 630 Hz resp. 1250 Hz. Wie stark sich diese Schwellenschwingungen auf die
Schallemission auswirken, ist nicht ganz klar, da die Schienenschwingungen nicht
gemessen wurden. Aus den TDR- und Schienenrauheitsmessungen in diesen Abschnitten
kann man allerdings folgern, dass die Schienenschwingungen für ICN bei 140 km/h bei
630 Hz für Referenz- und USP-Abschnitte wahrscheinlich etwa vergleichbar sind, da die
USP-Abschnitte zwar ca. 10 dB tiefere TDR, aber auch ca. 10 dB tiefere Schienenrauheit
aufweisen. Somit lässt sich die Spitze in der Schallemission bei 630 Hz in USP-Abschnitten
auf die erhöhte Schwellenschwingung zurückführen.
Abbildung 7-3: Schallemissionsspektren ICN 141 km/h im Abschnitt Referenz und USP G1-G3
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8 Auswertung von Achslagerbeschleunigungsmessungen PROSE
Die Strecke Lengnau – Pieterlen wurde 2013 zusätzlich mit dem PROSE Messwagen mit
80 km/h befahren. Der Messwagen war ausgerüstet mit Beschleunigungssensoren am
Achslager und war mit neuen Messradsätzen (ungebremst) mit sehr glatten Rädern
bestückt. Die Messungen und Messresultate sind im Bericht [22] dokumentiert.
Grundsätzlich kann mit einem Fahrzeug mit sehr glatten Rädern indirekt über die
Achslagerbeschleunigungen auf die Schienenrauheit geschlossen werden. Dazu braucht es
einzig noch eine Referenz mit bekannter direkt gemessener Schienenrauheit und
dynamisch vergleichbarem Oberbau. Im vorliegenden Fall in Lengnau – Pieterlen handelt
es sich allerdings mit dem Referenzoberbau und den USP-Abschnitten mit weicher Zw um
dynamisch komplett unterschiedliche Oberbautypen, wie auch die TDR-Messungen gezeigt
haben (siehe Abbildung 6-5). Die Unterschiede zwischen USP- und Referenzabschnitten
bei den Rauheits- und Achslagerbeschleunigungspegeln sind in Abbildung 8-1 für Geraden-
und Kurvenabschnitte frequenzabhängig dargestellt. Die Wellenlängen der Rauheit wurden
dabei mit der Fahrgeschwindigkeit des PROSE Messwagens von 80 km/h in eine Frequenz
umgerechnet. Es zeigt sich, dass das Achslager in den USP-Abschnitten deutlich stärker
schwingt, als man es aufgrund der Schienenrauheit eigentlich erwarten würde,
insbesondere von 500 – 1000 Hz. Unterhalb 500 Hz verlaufen die Pegeldifferenzen ähnlich.
Im Vergleich der Achslagerbeschleunigungen zwischen USP und Referenz in der Geraden
stellt man deutlich erhöhte Pegel bei 800 Hz und 1000 Hz fest, was auch einer
entsprechend erhöhten dynamischen Anregung des Oberbaus entspricht.
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Abbildung 8-1: Zunahme der Achslagerbeschleunigungen und Schienenrauheit USP gegenüber Referenz in Lengnau – Pieterlen für die Gerade (Diagramm oben) und die Kurve (unten)
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In Lengnau – Pieterlen wurde auch hinsichtlich Erschütterungen die Einfügedämmung des
Oberbaus mit weicher Zw und weicher USP gegenüber der Referenz messtechnisch
untersucht. Diese kann ebenfalls der Änderung der Achslagerbeschleunigung von Referenz
zu USP im Frequenzbereich ≤ 250 Hz gegenübergestellt werden. Den Vergleich zeigt die
folgende Abbildung 8-2. Tatsächlich zeigen auch die Achslagerbeschleunigungen wie die
Erschütterungen eine Dämmung in den USP-Abschnitten ab 50 Hz mit maximaler
Dämmung von 15 – 20 dB. Ab 200 Hz bis 400 Hz folgen die Unterschiede in den
Achslagerbeschleunigungen den Unterschieden in der Schienenrauheit zwischen USP- und
Referenzabschnitten (siehe Abbildung 8-1).
Abbildung 8-2: Differenz der Achslagerbeschleunigungen und Erschütterungen USP gegenüber Referenz in Lengnau – Pieterlen
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9 Vergleich Schallmessungen on board mit Aussenlärm messungen
In folgender Abbildung 9-1 sind die on board Achslager- und Schall-Differenzspektren USP
- Referenz der Lärmzunahme beim Schallemissionsmesspunkt in 7.5 m Abstand zum Gleis
gegenübergestellt. Für die on board Messungen wurde der PROSE Messwagen verwendet,
der die Strecke Lengnau – Pieterlen mit 80 km/h passierte. Zu diesem Zeitpunkt fanden
allerdings keine Schallemissionsmessungen im Freifeld in 7.5 m Abstand zum Gleis statt.
Deshalb ist in Abbildung 9-1 zum Vergleich die Lärmzunahme für einen ICN mit 110 km/h
dargestellt. Die ausgewiesenen Lärmzunahmen in Abbildung 6-13 und Abbildung 6-14
haben gezeigt, dass die Lärmzunahmen in Lengnau – Pieterlen wenig
geschwindigkeitsabhängig sind, sondern massgeblich von der Radrauheit abhängen. Daher
wird für diesen Vergleich ein ICN mit bekanntlich glatten Rädern herangezogen, der
gegenüber der Regelgeschwindigkeit relativ langsam unterwegs war.
Abbildung 9-1 zeigt, dass sich die Lärmzunahme im vorliegenden Fall ab 800 Hz mit on
board Achslager- oder Schallmessungen einigermassen erfassen lässt, unterhalb 800 Hz
besteht allerdings eine grössere Differenz. Die Schwingungsmessungen auf der Schwelle
haben gezeigt, dass insbesondere bei 630 Hz, die Lärmzunahme massgeblich von der
Schwelle kommt (siehe Abbildung 7-2). Die Achslagerbeschleunigungen zeigen in diesem
Terzband kaum Unterschiede zwischen Referenz und USP-Abschnitten, was darauf
hindeutet, dass auch die Schwelle im Bereich der Schienenbefestigung nicht verstärkt
schwingt, nur bei den Messpunkten in Schwellenmitte und am Schwellenende. Die
Schallmessungen on-board mit einem Mikrofon im Drehgestell erfassen diese
Lärmzunahme schon besser als die Achslagerbeschleunigungen, aber auch nicht
vollständig. Ein Grund für die Differenz in den tiefen Frequenzen könnte die
unterschiedliche TDR sein. Die sehr tiefe TDR in den tiefen Frequenzen in den USP-
Abschnitten im Vergleich zur Referenz führt dazu, dass das Gleis über eine grosse Länge
verstärkt schwingt und Schall abstrahlt. On-board werden davon allerdings nur die
drehgestellnahen Schallanteile erfasst im Gegensatz zum Freifeldmesspunkt in 7.5 m
Abstand zum Gleis.
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Abbildung 9-1: Differenz der Achslagerbeschleunigungen (oben), Schallmessungen on board (unten) im Vergleich zu Differenz Schallemission Freifeld USP gegenüber Referenz in Lengnau – Pieterlen
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10 Hypothesen der Lärmzunahme bei Schwellenbesohlun gen
10.1 Hypothesen
10.1.1 Hypothese 1: Schienenrauheit
In Pratteln, Bellach – Solothurn und Kiesen wurden die Schallemissionen jeweils zu zwei
Zeitpunkten nacheinander gemessen. In allen Fällen resultierte eine weitere Lärmzunahme,
obwohl am Oberbau an sich nichts verändert wurde. Bekannt ist, dass die Schienenrauheit
ein wichtiger Einflussparameter auf den Lärm ist, der sich über die Zeit verändern kann. Die
Lärmzunahmen in Tabelle 2 zeigen in fast allen Fällen, dass die weitere Lärmzunahme über
die Zeit bei IC-Zügen höher ist als bei Güterzügen, was ein klares Indiz ist, dass sich die
Schienenrauheit im Vergleich zur Referenz verschlechtert hat.
Die Schienenrauheitsmessungen an sich, wie in Kapitel 6.1.1 dokumentiert, zeigen aber
auch ein anderes Bild. So ist die Schienenrauheit in Lengnau – Pieterlen mit weicher USP
(allerdings auch mit weicher Zw) wesentlich tiefer als bei der Referenz. Auch in Kiesen
wurde die tiefste Schienenrauheit in einem Abschnitt mit weicher USP gemessen.
Allerdings handelt es sich nur um einmalige Messungen, es fehlen
Schienenrauheitsmessungen über die Zeit, die die Entwicklung zeigen.
Klar ist allerdings, dass auch bei vergleichbarerer Schienenrauheit von Referenz und USP-
Abschnitt eine Lärmzunahme eintritt. Dies gilt z.B. für Pratteln (Messung Feb 2007), Kiesen
(USP1, USP5) und Bellach – Solothurn (USP6). Dies bedeutet, dass die Schienenrauheit
nur einen Teil der Lärmzunahmen erklären kann. Es braucht auf jeden Fall weitere Effekte,
die die Lärmzunahme schlüssig erklären können.
10.1.2 Hypothese 2: Gleisabklingrate TDR
In Lengnau – Pieterlen wurde in den USP-Abschnitten eine sehr geringe TDR festgestellt,
die sicherlich zu einem wesentlichen Teil für die Lärmzunahme (trotz niedrigerer
Schienenrauheit) verantwortlich ist. Ob die USP allerdings einen Einfluss hat auf die TDR
ist unklar. Es ist durchaus möglich, dass die weiche (oder sehr weiche) Zw alleine zu einer
solchen TDR führt. Weitere TDR-Messungen in Kiesen, Pratteln und Bellach – Solothurn
fehlen leider, die den alleinigen Einfluss der USP auf die TDR zeigen würden. Ein Indiz gibt
es allerdings noch, nämlich die Schienenschwingungsmessungen in Pratteln. Geht man
davon aus, dass die Schienenrauheit im Februar 2007, kurz nach der Oberbauerneuerung
mit neuen Schienen und Neulagenschliff, im Referenz- und USP-Abschnitt vergleichbar ist,
was durchaus wahrscheinlich ist, dann wäre ein Unterschied in den Schienenschwingungen
primär auf eine unterschiedliche TDR zurückzuführen. Die Schienenschwingungen sind im
Referenz- und USP-Abschnitt im Februar 2007 allerdings sehr ähnlich. Die
Schlussfolgerung daraus ist (unter obigen Annahmen), dass sich die TDR nicht wesentlich
verändert, auch wenn eine weiche USP eingebaut wird. Diese Aussage basiert allerdings
nur auf einer einzigen Messung mit gewissen Annahmen. Zudem bezieht sich diese
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Folgerung nur auf die TDR vertikal, da in Pratteln auch nur die vertikalen
Schienenschwingungen gemessen wurden.
Alles in allem fehlen zurzeit Argumente, die belegen würden, dass eine USP die TDR
negativ beeinflusst und damit die Lärmzunahme erklären würde.
10.1.3 Hypothese 3: Schwellenschwingungen
Neben Rad und Schiene ist die Schwelle ein wesentliches schallabstrahlendes Element.
Dies zeigt Abbildung 10-1, die die Schallemission eines Güterzuges bei weicher Zw im
Frequenzbereich, aufgeteilt in diese drei Elemente, darstellt. Die Schwelle strahlt
hauptsächlich im Frequenzbereich von ca. 100 – 1000 Hz Schall ab. Abbildung 10-1 zeigt,
dass bei weicher Zw der Gesamtpegel bis ca. 400 Hz massgeblich von der Schwelle
beeinflusst wird.
Beim Standardoberbau ist die Schwelle im Schotter eingebettet, die Schwingungen werden
gedämpft über Reibung in den Kontaktflächen Schwelle – Schotter, zwischen den
Schotterkörnern und in den Schotter und den Unterbau geleitet.
Mit einer Schwellenbesohlung werden diese Schwingungen zum Teil reflektiert, verbleiben
damit in der Schwelle, womit die Dämpfung erheblich reduziert wird. Zudem ist die
Steifigkeit der Lagerung der Schwelle mit USP deutlich reduziert, was ebenfalls zu höheren
Schwingamplituden führt.
Abbildung 10-1: Schallanteile von Rad, Schiene und Schwelle bei einem Güterzug 100 km/h (Oberbau weiche Zw), berechnet mit TWINS [1]
Die Schwingungsmessungen in Pratteln im Februar 2007 zeigen eindeutig, dass die
Schwelle massgeblich die Lärmzunahme verursacht, da eine verstärkt vertikal schwingende
Schiene als mögliche Ursache entfällt. Denkbar ist allenfalls, dass eine verstärkt horizontal
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schwingende Schiene zur Lärmzunahme beiträgt. Messungen, die das belegen könnten,
fehlen allerdings. Die Tatsache, dass die Schwellenschwingungen im USP-Abschnitt in
Pratteln deutlich stärker zunehmen als die vertikalen Schienenschwingungen lässt darauf
schliessen, dass die Schwelle zwischen und ausserhalb der Schienenbefestigungspunkte
schwingt.
Auch Lengnau – Pieterlen zeigt klare Indizien aufgrund der Schwellenschwingungs-
messungen im Vergleich zur Schallemission, dass Schwellenschwingungen (neben der
deutlich reduzierten TDR) einen Teil der Lärmzunahme verursachen.
Vergleicht man die Lärmzunahmen bei den Oberbauten mit harter und weicher Zw, stellt
man zudem fest, dass die Lärmzunahme bei harter Zw mit USP tieffrequent bis 400 Hz
deutlich höher ist, da Schiene und Schwelle mit harter Zw in diesem Frequenzbereich
schwingungstechnisch gekoppelt sind im Gegensatz zur weichen Zw, die die Schwelle ab
ca. 250 Hz von der Schiene entkoppelt. Dies ist ein weiteres Indiz, dass die Schwelle
wesentlich zur Lärmzunahme beiträgt.
Denkbar ist auch, dass sich die Bettung der Schwelle im Schotter über die Zeit mit bzw.
ohne Besohlung unterschiedlich entwickelt, und sich damit das dynamische Verhalten der
Schwelle verändert. Dies wäre eine weitere mögliche Erklärung für die Lärmzunahme über
die Zeit in Pratteln, Kiesen und Bellach – Solothurn.
10.2 Kenntnislücken
Um die Hypothesen bestätigen zu können und offene Fragen zu klären, wären weitere
Messungen erforderlich:
• Entwicklung der Schienenrauheit: Schienenrauheitsmessungen in bestimmten
zeitlichen Abständen, ausgehend von einem definierten Zustand, z.B. nach
Schienenschleifen. Vergleich der Schienenrauheitsentwicklung bei Referenz- und
USP-Oberbau. Interessant sind auch die Unterschiede verschiedener
Kombinationen von harter / weicher Zw mit steifer / weicher USP.
• TDR Messungen für die verschiedenen Kombinationen von harter / weicher Zw mit
steifer / weicher USP. Abgesehen vom Oberbau ohne USP mit harter / weicher Zw
ist zurzeit nur die TDR bei weicher Zw mit weicher USP bekannt.
• Schwingungsmessungen Schiene vertikal / horizontal, Schwelle vertikal in
Schwellenmitte / Schwellenende.
• Mobilität der Schwelle, Vergleich mit / ohne USP, Eigenfrequenzen und Eigenformen
der Schwelle
• Oberbaukombination weiche Zw mit steifer USP wurde im Rahmen dieses Auftrages
nicht im Detail untersucht, wäre aber aus Sicht der Instandhaltung sicherlich eine
interessante Kombination. Ein Messbericht zu so einem Oberbau wurde
nachgereicht [20]. Er zeigt eine stark ansteigende Mobilität der Schwelle mit USP ab
100 Hz aufwärts im Vergleich zur Schwelle ohne Besohlung. Dieses Resultat deckt
sich mit den Schwellenschwingungsmessungen in Pratteln. Die Aussenschallpegel
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waren allerdings durch die Besohlung nur um 0.2 dB erhöht (gegenüber Referenz
mit gleicher Zw).
• Für Oberbau mit Schwellenbesohlung müsste die TDR Messung ergänzt werden mit
weiteren Messpunkten auf den Schwellen in unterschiedlichen Abständen zur
Anregung, um zusätzlich zum Abklingverhalten der Schienen auch das
Abklingverhalten der Schwellen besser zu kennen.
• Um die Schwingungen der Schwelle gut bewerten zu können, wäre es sinnvoll auch
die Auflagerung der besohlten Schwelle im Schotter bzw. die standortspezifischen
Eigenschaften des Schotters aufzunehmen. Diese Eigenschaften des Oberbaus
können das Schwingverhalten der Schwelle beeinflussen und sich mit der Zeit durch
Veränderung der Kontaktfläche zwischen Schwelle und Schotter verändern.
10.3 Ansatzpunkte für Verbesserungen und zukünftige Untersuchungen
Sinnvolle zukünftige Untersuchungen sind im vorhergehenden Kapitel aufgeführt.
Diese Untersuchungen, insbesondere der Schwellenschwingungen, geben möglichweise
Ansatzpunkte, wie eine Schwelle mit Schwellenbesohlung optimiert werden müsste, damit
sie einerseits weniger oder anders schwingt und andererseits weniger Schall abstrahlt. Mit
weicher Zw wird die Schwelle zudem weniger zu Schwingungen angeregt, allerdings mit
dem Nebeneffekt, dass die Schiene dafür mehr schwingt und Schall abstrahlt. Generell ist
für eine Lärmreduktion an allen Bauteilen des Oberbaus höhere Dämpfung erforderlich
(Schiene, Schwelle, Zw, USP). Bei der Zw und USP ist in diese Richtung sicherlich noch
einiges möglich, auch bei Betonschwellen müsste eine höhere Dämpfung technisch
machbar sein. Da jedes Bauteil eine gewisse Abstrahlcharakteristik hat, wäre ein weiterer
Ansatzpunkt, die Schwingungen so zu steuern, dass die Bauteile nur in Frequenzbereichen
stark schwingen, in denen sie wenig abstrahlen. Die bisherigen Untersuchungen zeigen
zumindest bei einem Oberbautyp einen positiven akustischen Aspekt, nämlich die niedrige
Schienenrauheit in Lengnau – Pieterlen mit weicher Zw und weicher USP. Darauf
aufbauend könnte man versuchen, die Schwellenschwingung bei 630 Hz zu eliminieren und
die TDR, z.B. mit mehr Dämpfung in der Zw, zu erhöhen.
Grundsätzlich gilt es das Gesamtsystem Oberbau akustisch zu optimieren, d.h. die
Steifigkeiten Zw, USP sowie die Geometrie von Schienen und Schwelle zu variieren, bis
das Minimum an Schallabstrahlung gefunden ist. Dafür eignen sich FE-Tools mit der
Möglichkeit zur Berechnung der Schallabstrahlung mittels Fluid-Struktur Interaktion (FSI).
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11 Literatur
[1] Railway Noise and Vibration
David Thompson, Elsevier, 2009
[2] Bahnakustik Fachtagung 2014
diverse Autoren, Müller BBM GmbH, 2014
[3] sonRAIL Projektdokumentation
Drangu Sehu et al., Schweizerische Eidgenossenschaft, 26. Mai 2010
[4] Gleisseitige Schallemission – Experimentelle Quantifizierung und Bewertung
konstruktiver Massnahmen
Dissertation Ch. Gramowski, TU Berlin, 8. Februar 2013
[5] Teststrecke Lengnau – Pieterlen, Aussenlärm-Messungen
Planteam GHS AG, 27. Januar 2014
[6] Schienenrauheitsmessung bei Pieterlen
Müller-BBM Schweiz AG, Bericht Nr. C89404/01, 16. August 2013
[7] TDR Messung bei Pieterlen
Müller-BBM Schweiz AG, , Bericht Nr. C89403/01, 21. August 2013
[8] Pratteln, Lärm-Emissionsmessungen
Gruner AG, 15. Juni 2007
[9] Messung der Schienenrauheit in Bellach 23./24. August 2008
Scheuchzer SA, 5. Januar 2009
[10] Lärm-Messungen SBB Schwellenbesohlung Bellach – Solothurn West
Grolimund & Partner AG, A2714 / 8. August 2006
[11] Schwellenbesohlung Bellach – Solothurn West Lärmmessungen 2008
Grolimund & Partner AG, A3056 / 2. September 2008
[12] Lärm-Emissionsmessungen SBB Oberbau Bahnhofbereich Kiesen
Grolimund & Partner AG, A2551 / 8. November 2005
[13] Schallmesswagenfahrten auf der Strecke von Bern nach Thun (Schweiz) mit
unterschiedlichen Schwellenbesohlungen in Kiesen
DB Systemtechnik, 07-P-7135-TZF12.1, 10.09.2007
Bericht 04-03-01033 Rev. 1.00 60 / 60
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[14] Luftschallmessungen zur Ermittlung der Wirkung von Schwellenbesohlungen auf die
Schallabstrahlung in Kiesen (CH)
DB Systemtechnik, 06-I-6333-TZF12.1, 02.11.2006
[15] Under Sleeper Pads, Work Package WP 3
UIC, DB Systemtechnik, 06-I-6333-TZF12, 2007 July 13th
[16] Einfluss von Schwellenbesohlungen auf die Direktschallemissionen des Zugverkehrs
SBB, 31. März 2009
[17] Analyse USP und Lärmzunahme bei Versuchsstrecken SBB
SBB, Version 12.7.14
[18] USP Teststrecke Lengnau-Pieterlen, Einsenkungs-, Setzungs-,
Querverschiebewiderstands- und Schwingungsmessung
SBB Mess- und Diagnosetechnik, MD_0733, 24.07.2013
[19] Fahrbahndynamische Messungen Pratteln 2006/2007
SBB Mess- und Diagnosetechnik, MD_0121 Pratteln, 29.02.2008
[20] GBT offene Strecke Nord Schwellenbesohlung, Messungen seit IBN bis Sommer
2014
Basler & Hofmann AG, Bericht Nr. 5237.000-002, 5. September 2014
[21] Vergleich Zwischenlagen, Vergleichsmessungen Abschlussbericht
PROSE AG, Bericht Nr. 02-00952, 24.06.2015
[22] Axle box measurements on tracks with under sleeper pads
PROSE AG, Report Nr. 04-03-00825 Rev. 1.00, 10.12.2013
[23] Measurement report about a new under sleeper test track in a curve
EU Project RIVAS, WP 3.3, Deliverable D3.8, Roger Müller, Yves Brechbühl,
11.12.2013
[24] Die horizontale Gleislagestabilität des Schotteroberbaus mit konventionellen und
elastisch besohlten Schwellen
Technische Universität München, Dissertation Dimitre L. Illiev, 28.09.2011
