mini|hochkant=1.5|Querschwellen: Gleisstück mit Stahl-, Holz- und Betonschwellen
Die Schwelle (auch Bahnschwelle) ist bei der Eisenbahn eine Schienenunterstützung. Als Teil des Eisenbahnoberbaus trägt sie die Schienen und verteilt deren Belastungen auf die Gleisbettung.
Man unterscheidet zwischen Querschwellen und Langschwellen. Die Querschwellen (auch Grundschwellen) fixieren die Schienen im Oberbau und in ihrer gegenseitigen Lage. Mit ihnen wird auch die Spurweite sichergestellt. Langschwellen (auch Längsschwellen) aus vorwiegend Holz wurden in der Vergangenheit parallel zu und unter den Schienen verlegt.
Die Schwellen bilden zusammen mit den Schienen und den Schienenbefestigungs- und Schienenverbindungsmitteln das Gleis.
Langschwellen mini|Langschwellenoberbau mit Spurhaltern im Didcot Railway Centre, England;Dreischienengleis und -weiche sowie Trennung (Mitte rechts und unten links) von Regel- und Brunelscher Breitspur
Bevor es Breitfußschienen gab, glichen Langschwellen die zu geringe Biegesteifigkeit der damaligen Schienen um eine horizontale Achse aus.
Zur Sicherung der Spurweite wurden die Schienen mit Querstangen (Spurhaltern) verbunden oder die Langschwellen auf Querschwellen in gegenseitig größerem Abstand gelegt und befestigt.
Im Grenzfall dienten die Langschwellen selbst als Schienen, wobei die bis etwa vier Meter langen Holzschienen (Langschwellen) lediglich auf der Oberseite metallbeschlagen waren. Eine bekannte Anwendung von Langschwellen aus Holz war das Breitspurnetz der britischen Great Western Railway (nebenstehende Abbildung).
Querschwellen
Anforderungen Eisenbahnschwellen müssen diversen Anforderungen gerecht werden; so müssen sie der Witterung widerstehen, Lasten gut verteilen können, die Spurweite dauerhaft garantieren, hoher Längs- und Querverschiebewiderstand, ausreichend maßhaltig und nicht zuletzt günstig in der Instandhaltung sein.
Im Laufe der Entwicklung von Querschwellen sind verschiedene Materialien verwendet worden oder werden auch heute noch verwendet. Zu diesen Materialien zählen: Hartholz (Buche und Eiche) Weichholz (Kiefer und Lärche) Stahl (Trogschwelle oder Bauform Y) Spannbeton Kunststoff
Holzschwelle mini|Gleise mit Holz- und Betonschwellen
Holzschwellen waren über Jahrzehnte bis zur Einführung der Stahlschwelle die am häufigsten angewendeten Querschwellen. Mit der Verbreitung von Betonschwellen ging der Anteil an Holzschwellen weiter zurück. Sie werden heute überwiegend auf Brücken und in Weichen, aber auch in engen Bögen eingebaut.
Direkt, also ohne Schotterbettung auf den Fahrbahnträgern von Stahlbrücken mit offener Fahrbahn verlegte Holzschwellen werden Brückenbalken genannt. Ihr Querschnitt ist deutlich größer.
Da sich Holz gut verarbeiten lässt, ist es möglich, kostengünstig individuelle Schwellenlängen sowie Schwellenbohrungen nach Maß herzustellen. Wegen der gegenüber Betonschwellen geringeren Höhe werden Holzschwellen insbesondere dort verlegt, wo die Bettungsstärke begrenzt ist. Das betrifft Brücken, Tunnel und andere Überwerfungsbauwerke.
Sie erreichen eine Lebensdauer von bis zu 35 Jahren. Holzschwellen übertragen Vibrationen weit weniger als andere Materialien, deshalb sind sie das bevorzugte Material für Brücken in Wohngebieten. Weichenschwellen haben viele unterschiedliche Längen, was dazu geführt hat, dass sich hier Holz als Material lange gehalten hat, auch bei sonst mit Betonschwellen ausgerüsteten Bahnanlagen. Ein weiterer Vorteil von Holzschwellen ist, dass sie Entgleisungen besser als Beton- und Stahlschwellen verkraften. Deshalb werden sie insbesondere auf Rangierbahnhöfen und in Ablaufanlagen weiterhin eingesetzt.
Rohstoff Als Rohstoff für Holzschwellen sind verschiedene Holzarten zulässig. Es werden folgende Holzarten empfohlen:Norm DIN EN 13145:2011-12 Bahnanwendungen–Oberbau–Gleis- und Weichenschwellen aus Holz
europäische Laubhölzer: Buchen- und Eichenholz europäische Nadelhölzer: Gemeine Kiefer, Seekiefer, Pinie, Schwarzkiefer, Douglasie, Lärche tropische Laubhölzer: Lophira alata, Shorea laevis, Dicorynia guianensis, Eucalyptus marginata, Eucalyptus diversicolor, Ocotea rodiaei, Mora excelsa
Der Anteil der verwendeten, einzelnen Holzarten bei Holzschwellen veränderte sich im Laufe der Zeit. Während um 1880 über die Hälfte der Holzschwellen in Deutschland aus Eichen- und der Großteil des Restes aus Kiefernholz bestand, wurden in den 1960er Jahren ausschließlich Buchenholzschwellen eingebaut. Während in der Vergangenheit auch in Deutschland (importierte) tropische Laubhölzer verwendet wurden, werden heute nur noch europäische Laubhölzer bei der Deutschen Bahn eingesetzt, welche mit dem FSC- und/oder dem PEFC-Gütesiegel zertifiziert sind, also aus ökologischen und nachhaltigen Quellen stammen.
Hartholzschwellen werden sowohl auf freier Strecke als auch im Bereich von Brücken und Weichen eingebaut. Für wenig belastete und Straßenbahngleise werden auch Weichholzschwellen aus Kiefern- oder Lärchenholz verwendet. Aus Schallschutzgründen können ebenfalls Weichholzschwellen eingesetzt werden, da diese eine bessere Körper- und Luftschalldämmung als Hartholzschwellen aufweisen.
In anderen Ländern verwendet man in Abhängigkeit von der örtlichen Verfügbarkeit verschiedene Holzarten. In tropischen Ländern beispielsweise das widerstandsfähige Teakholz sowie andere harte und resistente Hölzer, wie z. B. Muhuhu und in Südamerika Quebracho. In Ländern ohne Laubholzwälder wurden dagegen hauptsächlich Nadelhölzer eingesetzt.
Die Rohstoffe müssen verschiedenen Qualitätsanforderungen genügen, um eine lange Liegedauer zu erreichen.
Produktion mini|Holzschwelle mit S-Haken und Kronenblech im Hirnholz
Nach dem Fällen der Bäume werden diese in einem Sägewerk eingeschnitten. Anschließend erfolgt eine Lufttrocknung, bis ein bestimmtes Rohgewicht unterschritten wird. Bei Buchenholz beträgt dieses 750 kg/m³ und bei Eichenholz 900 kg/m³.
Im Anschluss an die Lufttrocknung erfolgt die Bearbeitung der Holzschwellen. Dazu werden sie an den Plattenauflagern gehobelt und anschließend gebohrt. Die Bohrungen dienen der späteren Schienenbefestigung. Zusätzlich werden bei Buchenholzschwellen an der Unterseite sogenannte Imprägnierlöcher gebohrt, um die Tränkmittelaufnahme zu verbessern. Um die Isolierung der Schienen zu gewährleisten, dürfen die Schwellen nicht durchbohrt werden. Gegen die Neigung des Holzes, an den Stirnseiten der Schwellen aufzuplatzen, werden Schwellensicherungsmittel, wie S-Haken, Krallenbänder, Stahlbandagen, Nagel- oder Kronenbleche in das Hirnholz der Schwellenenden angebracht.
Nach der Bearbeitung erfolgt die Imprägnierung der Holzschwellen im Kesseldruckverfahren und das Aufplatten. Hierunter wird das Verschrauben der Rippenplatten auf den Schwellen mit den Schwellenschrauben verstanden. Zum Abschluss erfolgt eine Qualitätsabnahme durch den Kunden.
Holzschwellen müssen an der Stirnseite gekennzeichnet sein. Markierungsnägel (Nageno, Nagelschmiede Oberschöna) bezeichnen die Einbaulage von Weichenschwellen. Jahresnägel bezeichnen den Hersteller und das Erzeugungsjahr von Schwellen.
Abmessungen und Form Die Holzschwellen haben einen rechteckigen Querschnitt und sind an der Oberseite gefast oder abgerundet. Die Abmessungen von Holzschwellen sind in verschiedene Gruppen eingeteilt. Je Gruppe beträgt die Breite zwischen 20,0 und 30,5 cm und die Höhe zwischen 12,5 und 16,0 cm. Bei der Deutschen Bahn werden üblicherweise Holzschwellen mit dem Querschnittsmaß 26 cm Breite × 16 cm Höhe verwendet. Holzschwellen für Regelspur haben üblicherweise eine Länge von 2,4 bis 2,7 m, wobei die Regellänge der Deutschen Bahn 2,6 m beträgt.
Schienenbefestigung mini|Genagelter Oberbau
Zur Befestigung der Schienen werden verschiedene Schienenbefestigungsmittel verwendet, auf Holzschwellen solche ohne oder mit Unterlagsplatte. Zu Ersteren zählen die Schienennägel und die Doppelspannnägel (sogenannter Federnagel) und die unmittelbare Befestigung mit Schwellenschrauben (Oberbau Hs), zu Letzteren Leisten- und Hakenplatten sowie die Oberbauformen K und Ks.
Heute werden im deutschsprachigen Raum nahezu ausschließlich die Oberbauformen K und Ks verwendet. Offene Unterlagsplatten, Hakenplatten, Federnageloberbau und Schienenbefestigungen ohne Unterlagsplatten gibt es nur noch vereinzelt, sie werden nicht mehr neu beschafft und eingebaut. Die Schienenbefestigung mit Nägeln war jahrzehntelang in Nordamerika und Russland bzw. der UdSSR und ihren Nachfolgestaaten üblich.
An gelaschten Schienenstößen und generell an den Stößen von Reichsbahnweichen, auch bei Verschweißung, werden zwei miteinander verschraubte Holzschwellen eingebaut („Stoßschwellen“ oder „Kuppelschwellen“ genannt). Diese sollen die Stöße besser unterstützen und die Wirkung der Laschen stabilisieren. Sie lassen sich allerdings schlechter stopfen. Sollten derartige Stöße doch verschweißt werden, dann werden bei der Oberbauart K statt der durchgehenden Rippenplatten getrennte eingebaut. Trotzdem ist das Thermitschweißen auf Stoßschwellen aufwendiger und erfordert gesonderte Formen. In nur noch selten neu einzubauenden Reichsbahnweichen werden sie nur noch verwendet, um die Passung von Ersatzteilen zu gewährleisten.
Imprägniermittel mini|Aus einer Schwelle austretendes Imprägniermittel (Göschenen, 2018)
Holzschwellen weisen keine ausreichende natürliche Dauerhaftigkeit auf. Seit etwa 1850 wird als Imprägnieröl Kreosot (Carbolineum), ein Steinkohleteer-Destillat, verwendet, um sie gegen Pilz- und Insektenbefall widerstandsfähig zu machen. Diese Imprägnierung ist auch die Ursache für das typische dunkle Aussehen von Holzschwellen.
Zuletzt wurde ausschließlich Kreosot vom Typ C gemäß EN 13991 verwendet. Dieses enthält maximal 50 mg/kg Benzo[a]pyren.Norm EN 13991:2003 Derviate der Kohlenpyrolse–Öle aus Steinkohleteer: Kreosot–Anforderungen und Prüfverfahren
Gemäß Durchführungsverordnung (EU) 2022/1950 der Kommission vom 14. Oktober 2022 zur Verlängerung der Genehmigung von Kreosot als Wirkstoff zur Verwendung in Biozidprodukten wurde die Verwendung von Kreosot zur Imprägnierung von Eisenbahnschwellen und Telekommunikationsmasten bis 31. Oktober 2029 weiter zugelassen.data.europa.eu
Erhaltungsmaßnahmen Um die Dauerhaftigkeit und die Funktionsfähigkeit der Holzschwellen zu gewährleisten, werden Erhaltungsmaßnahmen durchgeführt. Dazu werden die Schwellen aufgearbeitet. Mulden oder Sprünge, in denen Wasser stehen bleibt und die Faulung fördert, werden aufgebohrt oder angeschnitten, sodass sie trocknen können. Verschlissene Bohrungen, in denen die Schwellenschrauben keinen Halt mehr finden, lassen sich mit Spiraldübeln stabilisieren. Nicht mehr benötigte Bohrungen werden mit Holzpflöcken verschlossen.
Verwendungsbeschränkungen und Entsorgung mini|Mit Carbolineum getränkte Schwellen nach mehr als 30–40 Jahren
Das Imprägniermittel und die durch Verdampfung daraus entstehenden gasförmigen Kohlenwasserstoffe sind ebenso wie Kupfer-, Chrom- und Arsenverbindungen gesundheits- und umweltgefährdende Stoffe. Diese Stoffe und damit imprägnierte Holzschwellen unterliegen in Deutschland seit 1991 Verwendungsbeschränkungen, die bis 2002 in der Teerölverordnung und seit 2002 in der Chemikalien-Verbotsverordnung festgelegt sind.
Die Beschränkungen für carbolineumimprägnierte Holzschwellen sind im §1 und im Abschnitt 17 des Anhangs der Chemikalien-Verbotsverordnung festgelegt. Zum Beispiel dürfen solche Schwellen nicht in Innenräumen, in Gärten, in der Landwirtschaft oder an Orten verwendet werden, an denen häufiger Hautkontakt mit dem imprägnierten Holz stattfinden kann. Dasselbe gilt für Möbel, Spielzeug, auf Spielplätzen oder an Orten, an denen die Schwellen mit Nahrungsmitteln, Nutztieren oder Nutzpflanzen in Berührung kommen.