40 Jahre FFU-Kunstholz-Eisenbahnschwelle - sekisui-rail.com
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FAHRWEG www.eurailpress.de/archiv/kunststoffschwellen
40 Jahre
FFU-Kunstholz-Eisenbahnschwelle
1980 begann es in Japan. 40 Jahre später im Jahr 2020 vertraut fast
die ganze Eisenbahnwelt auf FFU. Teil 1: Technologie und Anwendung
GÜNTHER KOLLER Endlose und oberflächenoptimierte Glasfaser- Erste Installation von FFU im Jahre 1980
stränge werden passgenau in die formgeben- Im Jahre 1980 wurden Schwellen dieser Tech-
de Schalung eingezogen. In dem sich mitbe- nologie erstmals in zwei Projekten, in Form
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In den 1970er Jahren stellte die japanische wegenden Schalungskanal wird eine spezielle von Feldversuchen, bei der Japanischen Eisen-
Eisenbahn fest, dass die Lebenserwartung Polyurethankomposition hinzugefügt. Diese bahn eingebaut. Dabei handelte es sich einmal
der eingesetzten Holzschwellen sehr kurz durchtränkt den sehr dichten Glasfaserstrang um ein Brückenobjekt mit offener Fahrbahn
ist – dies hauptsächlich hervorgerufen vollständig und porenfrei. Die kontrollierte und ein zweites Mal um ein Tunnelobjekt mit
durch die Witterung und infolge die hier- perfekte Wärmemenge und die überwachte Bi-Blockschwellen in Fester Fahrbahn.
durch geschaffene Umgebung der Schwel- Ziehgeschwindigkeit gewährleisten eine sehr Seit 1985 wird FFU als zugelassene Regel-
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len im Oberbau. Als Konsequenz wollte die hohe und langlebige Werkstoffqualität. schwelle im Netz der japanischen Eisenbahn
japanische Eisenbahn Bahnschwellen mit Am anderen Ende des Schalungskanals wird eingebaut.
gleichartigem Materialverhalten wie das der der fertige FFU-Strang kontinuierlich herausge- Bis zum Jahre 2020 wurden weltweit bereits
Holzschwellen schaffen. Diese sollten jedoch zogen und überwacht abgekühlt. Anschließend mehr als 2,55 Mio. FFU-Bahnschwellen einge-
hinsichtlich ihres Materialverhaltens und ih- wird er auf die geforderte Länge geschnitten baut. Dies entspricht einer adäquaten Gleislän-
rer Langlebigkeit so wenig wie möglich von und wieder auf seine Qualität kontrolliert. ge von mehr als 1550 km. Hierbei gilt es festzu-
der Witterung beeinflusst werden. Sekisui halten, dass FFU hauptsächlich im Bereich von
Chemical Co. Ltd. entwickelte gemeinsam Maßanfertigung Brücken und Weichen eingesetzt wird (Abb. 3).
mit der japanischen Eisenbahn eine Techno- Diese Technologie bietet den Vorteil, dass na-
logie, welche durch richtungsorientierte lan- hezu jede Schwellenform, die in einem Plan Lebenserwartung 50 Jahre
ge Glasfasern die Faserstruktur von Holz im dargestellt werden kann, ebenso exakt produ- Das Railway Technical Research Institut (RTRI)
Prinzip nachbildet (Abb. 1). Die Entwicklung ziert wird. Dies gilt zum Beispiel für Unterlags- aus Japan hat FFU-Kunstholzschwellen vor
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dieses neuen Werkstoffes mit dem Namen platten bereits ab einer Bauhöhe von wenigen deren ersten Einbau 1980, nach fünf Jahren
Fiber Reinforced Foamed Urethan (FFU) war Millimetern bis hin zu tatsächlich produzierten Probebetrieb, nach zehn Jahren, nach 16 Jah-
im Jahre 1978 abgeschlossen. und verbauten Schwellen mit 16 m Länge, ren und nach 30 Jahren in Betrieb untersucht.
70 cm Breite und 35 cm Höhe. Ebenso wird es im Jahr 2020, also 40 Jahre
Spezielle Anfertigungen je nach Projekt, Über- nach dem ersten Einbau, wiederum Schwellen
Produktionsprozess höhungen im Bereich von Bögen, Ausfräsun- aus den Versuchsstrecken entnehmen und un-
Die Produktion von Eisenbahnschwellen aus gen für Trägerauflagerungen, Bohrungen tersuchen.
FFU-Kunstholz erfolgt in Form des Pultrusions- und vieles mehr werden im Werk auf Kunden- Diese Untersuchungen dienen dazu, das Lang-
Strangziehverfahrens (Abb. 2). Das Grund- wunsch genau vorgefertigt. Die Schwellen zeitverhalten von FFU-Kunstholzschwellen im
material der Schwelle wird hierbei durch das werden entsprechend Plan nummeriert, mit täglichen Betrieb der Eisenbahn zu erforschen
Ziehen der einzelnen Materialkomponenten dem Produktionszeitraum gestempelt und und zu protokollieren.
durch eine formgebende Schalung erzeugt. zum Einbau auf die Baustelle geliefert. Die Ergebnisse der Untersuchungen nach 30 Jah-
ren (2011) veranlassten RTRI, der japanischen
Eisenbahn in einem Schriftstück zu bestätigen,
dass die eingebauten FFU-Kunstholzschwellen
die nächsten 20 Jahre sicher verwendet werden
können, womit die prognostizierte Lebenser-
wartung von 50 Jahren bestätigt wurde.
Die in Tab. 1 gezeigten Werte der Materialfes-
tigkeit gelten für das Versagen des Materials.
Die Werte, die für die Berechnung des Mate-
rialverhaltens im Gebrauch auf Bahnstrecken
herangezogen werden, sind mit einem Sicher-
heitsfaktor von 2,5 – 3,0 belegt und können bei
Sekisui direkt eingeholt werden. Natürlich sind
immer die entsprechenden vorgegebenen Re-
gulierungen der jeweiligen Bahnbetreiber zu
berücksichtigen.
Recycling / Nachhaltigkeit
Seit 1980 die ersten Schwellen eingebaut
Abb. 1: 50 Volumenprozent Anteil an Glasfasern im Querschnitt der FFU-Bahnschwelle wurden, sind diese immer noch in sicherer
Quelle: Sekisui Chemical GmbH, koocoo technology & consulting GmbH Verwendung. Somit ergab sich bis dato noch
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FAHRWEG
Anforderung Anforderung
Wert als Äquivalent von 740 kg/m3 spezi- JIS ISO
Geprüfte Kennwerte Einheit fisches Gewicht nach 10, 15, 30 Jahren im 12856-1
Einsatz und neue Schwelle Type A
Neue Schwelle Neue Schwelle
30 Jahre 15 Jahre 10 Jahre Neu
Festigkeit Material Biegefestigkeit N/mm2 116,6 131,4 114,6 142 ≥ 70 ≥ 60
E-Modul N/mm2 8414 8788 8044 8100 ≥ 6000 ≥ 6000
Druckfestigkeit längs N/mm2 60,3 63,2 75,7 58,0 ≥ 40 ≥ 40
Elektrische Kennwerte Wechselstrom-Ausfallspannung kV ≥ 25 ≥ 25 ≥ 25 ≥ 25 ≥ 20 ≥ 20
Isolationsbeständigkeit MΩ 8,2 x 105 1,4 x 106 1,1 x 106 1,6 x 107 ≥ 1 x 104 ≥ 1 x 104
Tab. 1: RTRI-Testwerte an FFU-Schwellen neu, nach 10, 15 und 30 Jahren im Einsatz. Die Werte sind Versagenswerte des Werkstoffes.
Quelle: Railway Technical Research Institute
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Abb. 2: Herstellungsprozess FFU-Kunstholz-Bahnschwelle Quelle: Sekisui Chemical GmbH, koocoo technology & consulting GmbH
kein Bedarf für die Wiederverwertung von Fräsens. Diese Abfälle werden zu 100 % Österreich FFU in Form von sogenanntem
im Einsatz befindlichen Schwellen. wiederverwertet. Ebenso garantiert der K-FFU, welches aus Herstellungsabfällen
Im Zuge der Herstellung der Kunstholz- Hersteller nach dem Ende der Einsatzzeit produziert wurde, mit einer Bauhöhe von
schwellen kommt es zu Abfall in Form von Kunstholzschwellen, diese zu verwer- wenigen Millimetern als Unterlage im Be-
von Bohrrückständen, Verschnitten und ten und daraus neue Produkte zu fertigen. reich von Brückenwiderlagern eingesetzt
Kleinmaterial im Zuge des Schleifens und So wurde zum Beispiel bei Projekten in (Abb. 4).
Abb. 3: FFU-Brückenschwellen auf der High Speed Line Tokyo-Osaka- Abb. 4: Wiederverwertete FFU-Abfälle der Produktion (K-FFU) zwischen
Shinkansen (270 km/h) FFU-Schwelle und Widerlager
Quelle: Sekisui Chemical GmbH, koocoo technology & consulting GmbH Quelle: Sekisui Chemical GmbH, koocoo technology & consulting GmbH
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FAHRWEG
Untersuchungen an diesen vier Weichen
durch. Die Ergebnisse, über die in Folgever-
öffentlichungen berichtet wird, waren über-
zeugend.
Sekisui hat die Möglichkeit, die Kunstholz-
schwellen mit unterschiedlichen Raumdich-
ten zu produzieren. Hierbei wird haupt-
sächlich die Raumdichte des verwendeten
Polyurethan verändert, während der Anteil
an Glasfasern je Volumeneinheit nahezu
gleich bleibt. Hierdurch kann dieser Werk-
stoff auf spezielle Anforderungen und Nut-
zungen der Bahnbetreiber optimiert wer-
den. So wollte die Pariser Metro RATP je
Schraube eine garantierte Ausziehkraft von
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120 kN für die von ihr verwendeten Schrau-
ben. Mit einer Schwelle aus FFU 100 konnte
diese Anforderung erfüllt werden. Weiterhin
können diese unterschiedlichen Werkstoffe
aus FFU kombiniert werden. So wurden bei
Abb. 5: Lastverformungslinie FFU 74 – Test TU München aus 2008 Quelle: TU München dem Projekt Newark crossing der Network
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Rail, Bahnbetreiber in Großbritanien, Lang-
hölzer aus FFU 74 mit 6 cm FFU 100 an der
Zulassungen Vergleicht man die technischen Grenzwer- Oberfläche produziert. Auf diese Weise wur-
Im Jahre 2020 liegen für diese Technologie te von Kunstholzschwellen mit jenen von de die Druckfestigkeit der Bahnschwelle den
in Europa Zulassungen in Deutschland, der Eichenholzschwellen, so kann grob gesagt Anforderungen des Betreibers angepasst.
Schweiz, Österreich, Holland, Großbritanni- werden, dass die Biegefestigkeit von FFU 74
en, Irland, Italien, Schweden, Finnland und um ca. 80 % und die Druckfestigkeit um Querverschiebewiderstand
Polen vor. Ebenso gibt es ein EG-Zertifikat ca. 50 % höher ist. Die Untersuchungen zeig- im Schotterbett
von Mai 2016, welches die Interoperabilität ten auch, dass der Elastizitätsmodul immer Für das Erwirken der endgültigen EBA-Zulas-
in der Gemeinschaft bestätigt. im Bereich größer 7000 N/mm2 liegt. sung in Deutschland war der Nachweis des
In Deutschland ist FFU von der Deutsche Ebenso veranschaulicht die Lastverfor- Querverschiebewiderstandes (QVW) zwin-
Bahn AG (DB) Q1-zertifiziert und besitzt die mungslinie (Abb. 5), dass das Materialver- gend vorgeschrieben. Dieser hatte in einem
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entsprechende herstellerbezogene Pro- halten der Kunstholzschwelle in einem sehr realen Gleis zu erfolgen.
duktqualifizierung (HPQ). Die EBA-Zulas- großen Bereich linear-elastisch ist. Das be- Dafür hatte Sekisui im Sommer 2015 ge-
sung (Eisenbahn-Bundesamt, EBA) aus 2017 deutet, dass Verformungen, wie sie zum Bei- meinsam mit der TU München FFU-Kunst-
legt ihre Einsatzgebiete im Schotteroberbau spiel beim Überfahren einer Weiche im Herz- holz in vier verschiedenen Bauhöhen und
(Gleise, Weichen) und auf Brücken mit offe- stückbereich auftreten, nach der Entlastung Ausführungen in einem neuen realen Gleis
ner Fahrbahn fest [2]. immer wieder auf Null zurück gehen. Dies in der DB eingebaut. Je Typ wurden 45 Schwel-
Kombination mit dem E-Modul, dem mate- len verbaut und von diesen wurde jede drit-
Technische Kennwerte rialspezifischen Biegeverhalten unter Last te Schwelle getestet [6]. Um einen direkten
Die FFU-Kunstholzschwelle wurde an vielen und dem geringen Wärmeausdehnungsko- Vergleich zu Holzschwellen der DB zu erhal-
internationalen technischen Universitäten effizienten von 7,8 x 10-6/°K führt zu einem ten, wurden ebenso 45 Stück Holzschwellen
und Prüfanstalten untersucht und überprüft. absoluten Vorteil für die Bahnbetreiber bei eingebaut und getestet.
Hier mögen nur einige exemplarisch ange- der Verwendung im Bereich von Weichen. Die Abmessungen der untersuch-
führt werden: Die Technische Universität Mün- Die DB baute zum Beispiel 2012 zwei Wei- ten Gleisschwellen aus Holz waren
chen, die Technische Universität von Milano, chen mit FFU-Schwellen in Würzburg ein. B/H/L = 16/26/260 cm, diejenigen der
die Technische Universität von Tampere, die Im Jahr 2011 baute sie dort ebenfalls zwei FFU-Kunstholzschwellen Type 1 waren
Technische Universität Braunschweig, die Uni- Weichen ein, die auf Betonschwellen lie- H/B/L = 12/26/260 cm. Die Abmessungen
versität von Southampton und natürlich das gen. Im Jahre 2018 nach sieben bzw. sechs der FFU-Kunstholzschwellen Type 2 waren
Railway Technical Research Institut in Japan. Jahren Liegedauer führte sie vergleichende wie Type 1, jedoch waren an beiden Enden
FFU 100 FFU 95 FFU 74 FFU 50 RFFU
Techn. Kennwerte Einheit
Hochfest Weich Standard Leicht Recycling
Spezifisches Gewicht kg/m3 1000 950 740 500 1100
Biegefestigkeit N/mm2 225 109 142 71 60
E-Modul N/mm 2
16 400 10 490 10 600 7450 5000
Druckfestigkeit längs N/mm2 108 37 58 29 40
Wasseraufnahme mg/cm2 3 4 3 6 38
Elektrischer Widerstand Ω 1,0 x 10 14
1,6 x 1013
1,0 x 10 13
7,6 x 1014
Wärmeausdehnungskoeff [1/°K] 7,8 x 10 -6
Alle Werte sind durchschnittliche Werte, bei denen Materialversagen eintritt. Werte sind nicht garantiert.
Tab. 2: Technische Kennwerte von FFU-Kunstholz für Bahnschwellen Quelle: Sekisui GmbH / Monash Institute of Railway Technology
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THEMENSCHWERPUNKTE:
Ausgabe Nr. 1/21
Jahreseröffnungsausgabe:
Branchenausblick 2021 mit Statements
aus Politik und Wirtschaft
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• 40 Jahre FFU – Technische Untersuchungen und
Arbeitssicherheit – Teil 2
• Untersuchungen zur Haltegenauigkeit im
Normalbetrieb
Abb. 6: Querverschiebewiderstand verschiedener FFU-Kunstholzschwellen im konsolidierten • Überblick der aktuellen Großprojekte in DACH
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Oberbau (Type 1 FFU H/B/L = 12/26/260 cm, Type 2 FFU H/B/L = 12/26/260 cm plus drei Aufdopplun- • Der Weg zum Sicherheitsbewertungsbericht
gen je H/B/L = 6/26/15 cm, Type 3 = FFU H/B/L = 16/26/260 cm, Type 4 FFU H/B/L = 16/26/260 cm plus
• Beschleunigung des Rollouts digitaler Leit- und
drei Aufdopplungen je H/B/L = 2/26/15 cm, Holzschwelle H/B/L = 16/26/260 cm) [6]
Sicherungstechnik
• Die Adaptive Zuglenkung der ÖBB-Infrastruktur AG
und in der Mitte der Schwelle jeweils an der der Kunstholzschwelle bei 2 mm Verschie- Anzeigenschluss: 7.12.20
Unterseite Aufdopplungen mit einer Höhe bung 14,9 N/mm, jener für die Holzschwelle Erscheinungstermin: 12.01.21
von 6 cm und einer Länge von jeweils 15 cm war 14,8 N/mm (Abb. 6). Offensichtlich fand
aufgebracht. Type 3 hatte die Abmessungen bei der Kunstholzschwelle eine zunehmende Ausgabe Nr. 2/21
H/B/L = 16/26/260 cm. Type 4 war wie Type 3, Einarbeitung in die Schotterfahrbahn an der
jedoch an der Unterseite und nur an den En- Unterseite der Schwelle statt. • 40 Jahre FFU – Anwendungen und
den mit Aufdopplungen von 2 cm Höhe und Zusammenfassung – Teil 3
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15 cm Länge. Teil 2 der Beitragsserie erscheint in der Ausga- • Baustandards: Personenbahnhöfe und
Die erste Messung erfolgte im unkonsoli- be EI 1/2021. digitale Bauteilbibliothek
dierten Zustand, d. h. nach dem Stopfen des
• BIM in der Bauausführung
Gleises und noch bevor der Zugverkehr über QUELLEN
das Gleis rollte. Die zweite Messung erfolgte [1] Railway Technical Research Institute, Track Structure Dept., Track • Einsatzmöglichkeiten von Drohnen im Bahnbereich
im konsolidierten Zustand im Sommer 2016,
Technology Div., Follow-up Survey on FFU Synthetic Sleepers after 30 Years in • Die Digitalisierung hält Einzug in die Gleisbau-
Service, June 2011
nachdem eine Verkehrslast von 33,9 Mio. Lt [2] Eisenbahn-Bundesamt, Zulassung der Sekisui Eslon Neo Lumber FFU 74 stellensicherung
über die Versuchsstrecke gerollt war. Kunstholzschwelle, 10. April 2017 • Renaissance der Zugvorheizanlagen oder
[3] TU München, Forschungsbericht Nr. 2466 vom 19.9.2008, Univ. Prof. S.
Als Ergebnis zeigte sich, dass die FFU-Kunst- Freudenstein, Dipl.-Ing. N. Maleki, Dr.-Ing. Ch. Simon Adoleszenz der Elektranten?
holzschwelle Type 3 mit 16 cm Bauhöhe im [4] Sekisui GmbH, Technische Kennwerte FFU, 2016
Vergleich zur Holzschwelle im unkonsoli- [5] Monash Institute of Railway Technology, Report No. Monash/
Anzeigenschluss: 18.1.21
dierten Zustand einen QVW hatte, der um RT/2020/1500, Cong Qiu, Siva Naidoo, Rob Lambert Erscheinungstermin: 12.02.21
[6] TU München, Forschungsbericht 3484, Querverschiebewiderstand von
7,8 % kleiner als jener der Holzschwelle war. FFU Kunstholz im konsolidiertem Schotteroberbau, Univ. Prof. S. Freuden-
Im konsolidierten Zustand betrug der QVW stein, Dr.-Ing. K Geißler, Dipl.-Phys. J. Mack, 24.11.2016 Ausgabe Nr. 3/21
• Logistik- und Schweißleistungen von Vossloh
am DB Projekt SFS 4080
• Staubabsaugung bei der SFS 4080
• Simulationsmethode zur Abschätzung von
Körperschall in Schienenfahrzeugen
• Umsetzung der BIM-Methodik am Beispiel
Hbf Dresden und Görlitz
• Untergrundsanierungsmethoden im Vergleich
• Verlängerung der Liegedauer von Schienen durch
Fräsen bei Straßenbahnen
Anzeigenschluss: 18.1.21
Erscheinungstermin: 12.02.21
Dipl.-Ing. Dr. techn. Günther Koller
Geschäftsführer
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consulting GmbH, AT-Wien Haben Sie Fragen?
guenther.koller@koocoo.eu
Kontakt: Silvia Sander
Telefon: +49/40 - 237 14 - 171
E-Mail: silvia.sander@dvvmedia.com
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