Der Eisenbahnoberbau -

auch eine geschichtliche Betrachtung

Der klassische Eisenbahnoberbau besteht aus der Bettung, den Schwellen mit ihren Kleineisen genannten Befestigungsmitteln und den Schienen.

Mit der Erfindung und Entwicklung von Bahnen auf Schienen musste auch ein den Anforderungen gerechter Bahnkörper entwickelt werden.

Bei den ersten Bergwerksbahnen dienten Holzbohlen als Fahrbahn. Nach und nach wurden die Holzbohlen mit immer stärker werdenden Eisenbeschlägen bis hin zu Schienen ausgerüstet, die dann selbst die tragende Funktion übernahmen. Dadurch wurden diese Holzbohlen immer mehr zu Längsschwellen. Ein niedriger Holzpreis und dem gegenüber ein hoher Eisenpreis bei noch qualitativ unzureichenden Eisenbeschlägen begünstigte diese Entwicklung und Holzlangschwellen fanden eine große Verbreitung. Bei der großen Nachfrage durch den Neubau von Eisenbahnen führte dies bald zu Lieferengpässen für geeignete Holzschwellen. Hinzu kam die schlechte Entwässerung und dadurch eine rasche Verrottung des Holzes, was teilweise zum Austausch der Längsschwellen bereits nach 4 Jahren führte. Es gab noch keine Mittel zur Konservierung und deshalb wurde hauptsächlich Eichenholz verwendet. Bei Gleissanierungen baute man bald Holzquerschwellen ein und man kam dabei zu der Erkenntnis, dass Querschwellen in Verbindung mit selbstragenden Schienen ebenfalls in der Lage waren, die Betriebsbelastungen aufzunehmen.

Zwischenzeitlich sind vor allem englische Ingenieure dazu übergegangen, Einzelschwellen aus Stein, größtenteils quadratische Steinblöcke, als Unterlage für die Schienen zu verwenden. Diese Oberbauart verbreitete sich von England aus auch sehr schnell nach Deutschland. Die Bayrische Ludwigsbahn von Nürnberg nach Fürth, Deutschlands erste Eisenbahn, wurde mit diesem Oberbau erbaut. Man war sich damals aber noch nicht darüber im Klaren, welchen Einfluss der Betrieb auf Verschleiß und Instandhaltung des Oberbaus hat. So wurde diese Oberbauform und die Nutzungsdauer als unbegrenzt angesehen.

Fischbauchschiene auf Steinblöcken der Cromford and High Peak Railway

Foto: Chevin, Quelle: Wikipedia

Anfangs glaubte man noch, durch die Verwendung des Steinschwellenoberbaus auf Maßnahmen zur Spurhaltung verzichten zu können. Jedoch zeigte sich bald, dass die beiden Schienenstränge bei der fortwährenden Beanspruchung verbunden werden müssen. Zunächst wurden dafür steinerne Querschwellen verwendet. Insbesondere in Bögen wurden auch Querverbindungen aus Winkeleisen eingesetzt. Sehr schnell zeigten sich die mit der unzureichenden Lagegenauigkeit einhergehenden Nachteile. Es lockerte sich entweder die Befestigung der Schiene auf der Steinschwelle oder die Steinschwelle wurde hochgehoben und wieder in die Bettung gedrückt, wodurch die Bettung immer mehr geschädigt wurde. So fand der Steinschwellenoberbau bald kaum noch Verwendung.

Vor allem die Probleme, die aus der mangelhaften Entwässerung herrührten, führten zur Erkenntnis, dass eine durchlässige Bettung der Schwellen von entscheidender Bedeutung ist.

Bereits ab 1797 gab es vereinzelt Bahnen, die auf die Querschwellen aus Holz Winkelschienen einsetzten. Vermehrt Anwendung fanden sie aber erst ab den 1830er Jahren mit Einführung der Pilzschienen. Auf Grund der Probleme mit Steinschwellen und Holzlängsschwellen sowie der immer belastbarer werdenden Schienen setzte sich etwa ab 1850 der Querschwellenoberbau im Eisenbahnbau durch. Bereits 1866 wurde festgelegt, dass die besten "Unterlagen" für Schienen diejenigen aus Holz sind und mit einem Mittel "durchdrungen" sind, die das Holz gegen Fäulnis schützt und dass Querschwellen den Langschwellen unbedingt vorzuziehen sind. Interessant bei diesen technischen Vorgaben ist auch, dass bereits die Wichtigkeit der Bettung berücksichtigt wurde. So wurde großer Wert auf eine Frostbeständigkeit und eine Entwässerung nach den Seiten des Planums gelegt und die Dicke des Bettungsmaterials auf mindestens 20 cm festgelegt.

Ab 1886 wurde bei den Preußischen Staatsbahnen für Holzschwellen eine Länge von 2,5 m, eine Breite von 25 cm und eine Höhe von 16 cm vorgeschrieben. Diese Abmessungen für Holzschwellen gelten nahezu unverändert bis heute und auch der grundsätzliche Aufbau auf Planum und Schotterbett blieb weitestgehend identisch.

Während anfangs ausschließlich Eichenholz verwendet wurde, musste auf Grund der rückgängigen Holzbestände nach und nach auf andere Holzarten zurückgegriffen werden. Hauptsächlich das Holz von Kiefer, Fichte, Tanne und Lärche fand Verwendung. Buchenholz wurde erst mit dem Aufkommen eines verbesserten Holzschutzes durch Tränkungsverfahren verwendet. Ohne Tränkung ging man bei Schwellen aus Eichenholz von einer Lebensdauer von 15 Jahren, bei Fichten oder Kiefern von 5 bis 7 Jahren und bei Buchen von 3 Jahren aus.

Gleis mit verrotteten Holzschwellen

Foto: Ketzin, 15.09.2015, © H. M. Waßerroth

Parallel zur Entwicklung zum Querschwellenoberbau aus Holz wurden bei schottischen Kohlebahnen bereits 1800 erste Versuche unternommen, die Schienen mit gusseisernen Platten zu stützen. Auf Grund ihrer Höhe von etwa 2,5 Zoll (6,4 cm) und der noch nicht allzu ausgereiften Hüttentechnik erwiesen sich diese ersten Eisenschwellen jedoch als nicht widerstandsfähig genug.

Ab den 1840er Jahren gab es Bestrebungen, auch Schwellen aus Eisen herzustellen. So wurden Einzelschwellen aus Gusseisen hergestellt, die in ihrer Form den Steinschwellen nachempfunden wurden. Allerdings zeigten sich ähnliche Probleme wie mit den Steineinzelschwellen;  mangelnde Gleisstabilität, Zerbrechlichkeit und große Unterhaltskosten.

Die ersten geschweißten Querschwellen wurden ab 1850 eingesetzt. Eisenschwellen fanden daraufhin eine große Verbreitung, da man bereits 1876 erkannte, dass auf der Welt nur ein Bruchteil Eichenholz wächst, welches alljährlich unter den Schienen eingebaut wird, um dort trotz der Präparierung in wenigen Jahrzehnten verfault. So wurden bis in das Jahr 1890 weltweit ca. 40000 km Eisenbahnen mit Eisenschwellen ausgerüstet, was damals etwa 7% entsprach.

Auf Grund steigender Eisenpreise und rückläufiger Holzvorkommen wurde 1884 von Monier die erste schlaff bewehrte Betonschwelle entworfen. Diese Eisenbetonschwellen konnten jedoch den Anforderungen, die an den Gleisbau gestellt wurden, bei Weitem noch nicht genügen. Sie führten aber zu Weiterentwicklungen in anderen Ländern. So wurde in Deutschland 1906 auf der Strecke Nürnberg – Bamberg die erste schlaff bewehrte Betonschwelle der Firma Dyckerhoff & Widmann eingebaut. Diese schlaff bewehrten Betonschwellen stellten auf Grund unzureichender Festigkeit zu dieser Zeit noch keine konkurrenzfähige Alternative zur Holzschwelle dar. Ein Durchbruch für die Verwendung der Betonschwelle stellte die Entwicklung des Spannbetons in den 1930er und 1940er Jahren dar. Diese Bauweise glich die geringe Zugfestigkeit des Betons aus und konnte die technischen Anforderungen auf wirtschaftliche Weise erfüllen. So wurde 1940 von den Heidelberger Portlandzementwerken die erste Spannbetonschwelle für die Deutsche Reichsbahn hergestellt. Die daraus weiterentwickelte Spannbetonschwelle B 2 konnte über einen Zeitraum von 14 Jahren in Versuchsstrecken erprobt werden. Begünstigend für die Entwicklung und Verbreitung der Betonschwelle waren die Holzknappheit und die große Anzahl der zerstörten Gleise nach dem 2. Weltkrieg. Außerdem wurde es auf Grund der Einführung des lückenlos verschweißten Gleises notwendig, einen schweren und steifen Gleisrost zu haben. Hierfür erwies sich die deutlich schwerere Betonschwelle geeigneter als die Holzschwelle. Als weitere Vorteile wurden die gute Witterungsbeständigkeit, die längere Lebensdauer, die hohe Druckfestigkeit und infolge der Vorspannkraft die hohe Zugfestigkeit erkannt. Allerdings ist hinsichtlich der Formgebung und der verwendeten Spannstähle und des Spannverfahrens sehr viel experimentiert worden, so dass es anfangs sehr viele unterschiedliche Spannbetonschwellen gab. So wurden Schwellen mit unterschiedlichen Stäben, mit oder ohne Verbund und mit unterschiedlichem Mittelteil hergestellt, wie z. B. die B 6 (Herstelljahr 1948-50), die in der oberen Lage 2 Spannstäbe Ø 10 mm und in der unteren Lage 2 Spannstäbe Ø 18 mm jeweils mit Verbund hergestellt wurde.

Gleisbettungsstoffe sind eine Schüttmasse aus gebrochenen Natursteinen, damals in der Körnung 25/56 oder Kies, Körnung 5/35 (nach TGL 173-2 der DDR). Als Gleisschotter eignen sich vor allem Basalt, Quarzporphyr, Grauwacke und Diabas. Andere Gesteine, wie Diorit, Syenit, Quarzit und Granit, wurden ebenfalls verwendet. Gleiskies als Bettungsstoff nahmen bevorzugt die Kleinbahnen, um die Anlagekosten so gering wie möglich zu halten. Außerdem stand Kies oft in nahegelegenen Kiesgruben zur Verfügung und musste so nicht von vielleicht weit her aufwändig heran transportiert werden. Bei der Reichsbahn ist Kies vereinzelt in Nebengleisen (Gleise 3. Ordnung, teilweise auch 2. Ordnung) eingesetzt worden.

Gleise mit Kiesbettung im Bf. Ziesar, ex. Kleinbahn AG Genthin

Foto: Slg. H. M. Waßerroth

Auf den Schwellen sind die Schienen als lineare Trag- und Führungselemente, die meist paarig und parallel zueinander im Abstand der Spurweite angeordnet den Fahrweg für Schienenfahrzeuge bilden, befestigt. Frühere Schienen im Sinne von Führungselementen waren bereits schon Spurrillen, längs ausgelegte Baumstämme oder Holzbohlen. Die Geburtsstunde des eigentlichen schienengebundenen Verkehrs, wie wir ihn heute kennen, wurde bereits Anfang des 17. Jahrhunderts in den Kohlebergwerken Mitteleuropas mit Hilfe von Holzschienen eingeführt. Wagonways transportierten die Rohstoffe innerhalb der Bergwerke und zu den Verladestellen für Binnenschiffe.

Im 18. Jahrhundert ist die sogenannte Tramway entwickelt worden, eine gusseiserne Winkelschiene für die Benutzung durch Fuhrwerke auf kurzen und besonders gefährlichen Streckenabschnitten.

Durch Kostensenkungen beim Transport von Kohle und Eisenerzen sanken die Preise für Eisen. Diese Entwicklung wurde durch Überproduktion noch weiter verstärkt. Es kam zur ersten Krise der Montanwirtschaft im Jahre 1767. Erst dadurch wurde das Verlegen von kilometerlangen Eisenschienen ökonomisch möglich.

Die Schienen wurden immer weiter entwickelt: ab 1820 gab es gewalzte Schienen, 1835 entwickelte Stephenson die Doppelkopfschiene, aber bereits ab 1830 kamen die Breitfußschienen von Robert Livingston Stevens zum Einsatz. Sie entsprachen etwa der heutigen Schienenform. Ab 1836 setzte sich dann die von dem Engländer Charles Vignoles verbesserte Breitfußschiene in ihrer heutigen Art durch. Noch heute findet sich die Bezeichnung Vignolschiene für unsere Schienen. Aber Schiene ist nicht gleich Schiene, groß ist die Vielfalt. Schienen müssen den Anforderungen an eine sichere Spurführung und die Ableitung statischer und dynamischer Kräfte entsprechen. Sie sind sowohl Führungselement als auch Fahrfläche.

Die Schienenprofile der heutigen Bahnen bestehen in der Regel aus dem waagerechten Fuß unten, einem senkrechten Steg und dem als Lauffläche dienenden Fahrkopf oben. Grundsätzlich wird nach der Schienenart unterschieden :

-        Die bekanntesten Formen sind Vignolschienen – das „typische Schienenprofil“ – und 

          die Rillenschienen mit Spurkanal (verbreitet bei Straßenbahnen in eingepflasterten    

          Bereichen)

-        Kranbahnen haben spezielle Schwerlastschienen mit breitem Kopf und Fuß

-        Spurrillenschienen (z. B. bei Bahnübergängen) können an die Vignolschienen angesetzt

          werden, um abschnittsweise eine Rillenschiene zu erhalten

-        Stromschienen werden bei elektrischen Bahnen mit seitlicher Stromzuführung

          verwendet, sie haben keine tragende oder führende Funktion. (z.B. bei S- und U-

          Bahnen)

Bei den meisten Schienenarten gibt es eine größere Anzahl unterschiedlicher Profile. Sie unterscheiden sich primär durch Abmessungen und damit Masse/Trägheitsmoment sowie durch die Tragfähigkeit.

Bei der Deutschen Reichsbahn in der DDR wurde beispielsweise für hohe Lasten das sowjetische Schienenprofil R 65 eingebaut. Heute wird dafür das Profil UIC 60 verwendet. Dank der gleichen Fußbreite von 150 Millimeter sind beide Profile ohne große Probleme gegeneinander austauschbar und die Schienenbefestigung auf den Schwellen muss nicht aufwändig gewechselt werden. Das Standardprofil der Deutschen Reichsbahn war die S 49. Für Schmalspurstrecken ist vielfach das Profil S 33 verwendet worden. Seine geringeren Parameter genügten für die einfacheren Anforderungen. In U-Bahn-Netzen ist weiterhin das Profil S 41 üblich, das der Schiene S 49 mit verringerter Kopfhöhe entspricht.

Aber auch ältere Schienenprofile zum Beispiel der Länderbahnen finden sich vereinzelt noch heute.

Müssen Schienen mit unterschiedlichem Profil verbunden werden, verwendet man bei gelaschten Schienenstößen besondere gekröpfte Laschen. Bis in die 1960er Jahre wurden hauptsächlich Laschenverbindungen eingesetzt. Heute sind die Schienen größtenteils verschweißt. 

Schweißverbindung zwischen einer Schiene S 54  (links) und einer Schiene UIC 60 (rechts)

Foto: Königsborn, 05.07.2019, © H. M. Waßerroth

Aluminothermische Schweißverbindung zwischen einer Schiene der preuß. Form 10 (links) und einer Schiene der preuß. Form 8 (rechts)

Foto: bei Bücknitz, 07.11.2019, © H. M. Waßerroth

Je nach Art der Schienenbefestigung, der Schwellenart und dem Schwellentyp bzw. der Schwellenform und nach ihrer Anwendung werden für die Ausführung der Gleise einzelne Oberbauarten unterschieden.

Normale Gleise haben zur jeweiligen Oberbauart keine zusätzliche Bezeichnung, dagegen sind Oberbauarten mit Schutzschienen mit 'S' und Oberbauarten mit Leitschienen zusätzlich mit einem 'L' bezeichnet.

Für die verschiedenen Oberbauarten mit ihren spezifischen Schienenbefestigungsarten standen bei der Deutschen Reichsbahn (DRG und DR Ost) bzw. stehen noch heute (incl. ex DB) folgende Kurzbezeichnungen:

Der Standardoberbau bei der DR war die Oberbauart K (hier mit Schienen S 49 auf Betonschwellen BS 65)

Foto: Königsborn, 05.07.2019, © H. M. Waßerroth

Zu diesem Thema weiterführende Seiten:

Der Eisenbahnoberbau bei der Deutschen Reichsbahn der DDR (Schienenprofile und Schwellentypen)

Das Kleineisen des Gleises bei der Deutschen Reichsbahn der DDR (in Planung)

Auswahl Schienenprofile und Schwellentypen für Gleise der DB AG

Auswahl Schienenprofile der ehemaligen Länderbahnen

Schwellentypen früherer Jahre (Länderbahnen, DR West und Deutsche Bundesbahn)

(die Angaben in den Aufstellungen erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit und sind ohne Gewähr!)

aus verschiedenen Quellen zusammengestellt,

bearbeitet und ergänzt von H. M. Waßerroth 

Vers. 2.2.1. vom 03.12.2022