Die Kräfte, die Fahrzeuge auf die Schienen ausüben, werden durch ihr Gewicht, durch Beschleunigen und Bremsen sowie durch vom Zug aufgenommenen Wind verursacht. All dies muss auf das Gleisbett übertragen werden. Dies kann erreicht werden, indem “die Schienen einfach auf den Boden gelegt werden”, was auch bei einer Reihe einfacher Schienenformen, bei geringen Gewichten und Geschwindigkeiten der Züge der Fall ist. Dies geschieht jedoch hauptsächlich, indem die Schienen auf eine Unterlage gelegt und daran befestigt werden. Die Unterlage ruht auf dem Untergrund und verteilt die Kräfte auf eine größere Oberfläche, so dass der Druck auf den Untergrund (normalerweise das Gleisbett) geringer ist und somit auch das Absacken in diesem Untergrund. Diese Unterlagen haben sich zusammen mit der technischen Entwicklung der Schienen entwickelt.
Bei den Holzschienen gab es sofort Querholz, um die Schienen im richtigen Abstand zu halten. Bei geschobenen Minenwagen konnten dies immer noch Bretter sein, aber bald wurden stabile Balken von der Größe der Schienen oder schwerere, sogenannte Schwellen, verwendet. In einigen Fällen wurden Verbundstrukturen aus Schwellen und massiven Dielen verwendet, dies waren jedoch die Ausnahmen. Holz eignet sich gut für die Befestigung von Schienen und Schienenstühlen mit Holzstiften, Schienennägeln und Schwellenschrauben.
Da das Holz mit chemischen Mitteln unter Vakuum und Druck konserviert wird, kann die Nutzungsdauer als Schienenstütze bis zu mehreren Jahrzehnten betragen. Holz wird daher weltweit immer noch als für den Oberbau verwendet.
Von den gusseisernen Schienen (ab 1791) wurden einige Entwürfe auf den Boden gelegt, durch gusseiserne Querverbindungen ohne Lagerfunktion auf Abstand gehalten, andere kamen mit ihren Enden oder mit gusseisernen Stühlen auf Steinblöcken zu ruhen, welche mehr oder weniger präzise in eine rechteckige Form gehackt waren. Da diese Steinblöcke schwer und teilweise im Boden vergraben waren, blieben sie an Ort und Stelle. Es gab auch gusseiserne Schienen, die direkt oder mit Stühlen auf Holzschwellen befestigt waren. Die weit verbreiteten lokalen Initiativen boten eine Vielzahl von Lösungen! Zum Befestigen der Schienen musste mindestens ein Loch in den Stein gemeißelt werden, in das normalerweise ein Holzdübel gehämmert wurde, um Nägel einzutreiben oder Kragenschrauben ein zu drehen.
Nachdem die ersten Eisenschienen 1820 gewalzt worden waren, wurden auch die oben genannten Unterlagen verwendet, aber hölzerne Langschwellen wurden hinzugefügt. Sie brauchten dann Abstandshalter, in Form eines Metallstabs oder einer Kleinschwelle, in einem viel größeren Abstand voneinander als dies für Schwellen üblich war, um die Spurbreite zu gewährleisten.
Steinschwellen wurden auch 1834 ausprobiert, aber dies war alles andere als ein Erfolg. Die Bruchanfälligkeit erwies sich nicht nur als Nachteil, sondern auch die rechtzeitige Produktion der großen Stückzahlen, die auch für kurze Eisenbahnstrecken erforderlich waren, war ein großes Problem.
Die Herstellung von Holzkonstruktionen war im 19. Jahrhundert natürlich nicht neu, schließlich wurden sie seit t tausenden von Jahren hergestellt, und so war auch der Verfall von Holz ein sehr bekanntes Problem. Es sollte uns nicht überraschen, dass um 1840 verschiedene Techniken entwickelt wurden, um den Verfall von Holz zu stoppen oder zumindest zu verlangsamen. Dies wurde von gefährlichen und umweltschädlichen Chemikalien begleitet und half kaum. Daher wurde ab 1846 nach anderen Lösungen gesucht, indem Schalen und Platten aus Gusseisen oder Eisenblech hergestellt wurden, die die Holzschwellen ersetzen sollten. Die Gussform für die Unterlage war so gestaltet, dass sowohl die Befestigung des Schienenstuhls auf der Unterlage als auch die Aufnahme der Schiene (samt Holz- oder Eisenkeil) als ein Bauteil entstand. Der Erfolg war mäßig, aber an einigen Stellen sind sie möglicherweise noch unter wenig genutzten Strecken zu finden.
Eine interessante Entwicklung war, dass versucht wurde, die Schwellen so zu gestalten, dass ihre Eigenschaften besser an das auftretende Lastmuster angepasst wurden. Die vertikalen Kräfte sind bei weitem die größten, die auf den Boden übertragen werden müssen, und sie drücken direkt unter die Schienen auf das Gleisbett. Im Mittelteil kann überhaupt keine Kraft übertragen werden, da dort keine Schiene vorhanden ist (Zahnstangen sind eine Ausnahme, auf die wir hier nicht eingehen werden). Da Holzschwellen leicht biegsam sind, wird diese vertikale Kraft von zwei Teilen der Schwelle auf das Gleisbett übertragen. Für den Mittelteil gibt es nichts zu tun. 1858 entstand die Idee, dort kein Holz zu legen, sondern zwei Holzschwellenstücke mit einem Abstandshalter unter die beiden Schienen zu koppeln. Diese Idee hat sich in unzähligen späteren Entwürfen niedergeschlagen – ebenfalls aus anderen Materialien als Holz – und wurde auch verwirklicht. Die Schienenbefestigungen waren bei den zweiteiligen Schwellen nicht anders als bei den einteiligen Versionen.
Eine gute Antwort auf die begrenzte Lebensdauer von Holzschwellen war noch nicht gefunden worden, was 1862 zur Einführung von Eisen- und Stahlschwellen und wenig später auch von Eisenlangschwellen führte. Ein Nachteil des Materials waren die hohen Kosten, insbesondere für Stahl, der zu diesem Zeitpunkt daher wenig genutzt wurde. Ein weiterer Versuch wurde 1867 mit “Kunststein”, Zement- oder Asphaltblöcken mit etwas Drahtverstärkung unternommen, aber es funktionierte nicht. Die Produktionstechnologie war wahrscheinlich noch nicht weit genug entwickelt.
Auch wenn wir uns heute an die Verwendung von Beton als Baumaterial für Eisenbahnen gewöhnt haben, ist es überraschend zu lesen, dass bereits 1867 ein schüchterner Versuch unternommen wurde, ihn zu verwenden, aber derselbe wie bei Kunststein, das Wissen von Materialien war noch weit entfernt. Und ebenso die Betonschwellen, die erstmals 1884 hergestellt und verlegt wurden, aber erst nach etwa 1945 brauchten, bis die Technologie den Punkt erreichte, an dem sie in wirklich großem Maßstab eingesetzt werden konnte. Eines der Herausforderungen bestand darin, dem Beton eine ausreichende Festigkeit zu verleihen, so dass die Schwellen biegefest waren. Dies funktionierte nicht gut mit klassischer “schlapper” Bewehrung. Der Beton hatte bereits Haarrisse, bevor die Bewehrung beim Biegen ihre Arbeit verrichten konnte, sodass Feuchtigkeit eindringen konnte, die im Winter gefrieren und die Bewehrung rosten lassen konnte. Das andere Problem war die Befestigung der Schienen. Es gab noch keine Plastikdübel, so dass immer Holzblöcke in den Beton gegossen oder mit zusätzlichen Teilen an der Schwelle befestigt werden mussten. Die Schienen wurden dann mit den klassischen Schienennägeln und Schwellenschrauben in diesem Holzdübeln befestigt. Genau dieses Holz verfiel sehr schnell oder löste sich durch Austrocknung. Dennoch gab es einige Entwürfe, die langfristig erfolgreich waren, wie der französischen Orion-Schwelle von 1924, an der die Schienenstühle ebenfalls mit Schwellenschrauben in Holzdübeln befestigt waren und in den 1990er Jahren noch in Gebrauch war, und auch eine Schwelle der britischen Armee aus dem Zweiten Weltkrieg, an dem die Schienen mit Durchgangsbolzen befestigt wurden und die bis heute in Gebrauch ist.
Die eigentliche Lösung kam erst, als eine vorgespannte Bewehrung angewendet wurde, bei der der Beton in der Schwelle bereits zusammengedrückt ist, bevor er vollständig ausgehärtet ist. Dadurch kann sich die Schwelle biegen, ohne dass sich Haarrisse bilden. Beim Übergang zu elastischen Befestigungen wurden ihre Metallhalter und auch die Kunststoffdübel für Schwellenschrauben sofort in die Schwellen eingegossen und dann begann der eigentliche Siegeszug für Betonschwellen.
Große deutsche Stahlfirmen sahen ihren Markt für Schwellen völlig verloren und entschieden sich um 1980 für eine Gegenoffensive. Stahlschwellen wurden in einem Y-Modell entwickelt, die mit Stahlteilen miteinander verbunden waren. Diese Zwischenteile wurden auf völlig neue Weise in die Schienenmontage integriert. Diese Form der Unterstützung ist insbesondere für kurvenreiche Bergstrecken erfolgreich geworden und wird noch immer verwendet. Das System trägt den Namen “Y-Schwellen” und wird auf einem Schotterbett oder auf Asphaltschichten eingesetzt, die dann üblicherweise mit Ballastkies fertiggestellt werden.
Die “Streetcars” (ein Transportmittel zwischen Straßenbahn und Stadtbahn, das ziemlich stark gebaut war) waren in den Vereinigten Staaten zu Beginn des 20. Jahrhunderts sehr erfolgreich, aber sie waren so schwer und die Fahrten so zahlreich, dass die Gleisen nur ein kurzes Leben hatten. Die Lösung hierfür wurde 1912 gefunden, indem das Gleis auf Stahlbetonplatten gelegt und in vielen Fällen auch zusätzlich eine Betonstraßenoberfläche für den anderen Verkehr gegossen wurde. Diese Methode kann als Vorläufer der aktuellen Betonplattenbahn angesehen werden, die auf Englisch als “slab track” und auf Deutsch als “Feste Fahrbahn” bezeichnet wird. Ab den 1960er Jahren wurde eine Reihe von Varianten speziell für den Einsatz auf Hochgeschwindigkeitsstrecken entwickelt, bei denen ganze oder halbe Schwellen mit Asphaltschichten und / oder Betonschichten verwoben sind.
Ende des 20. Jahrhunderts wurde eine Reihe von Schienenprofilen speziell für Straßenbahngleise entwickelt, die in Rillen verlegt werden sollten. Bei der Nikex-Schiene handelte es sich um vertiefte Rillen in Betonfertigplatten, bei der LR55-Schiene um Betonfertigbalken und bei der Eria-Wirbelschiene wurden sie in einer Asphaltschicht gefräst, um die Aushärtezeit von Beton zu sparen. Bei BBest-Gleisen – für stark belastete Eisenbahnen vorgesehen – wird beim Gießen einer vollen Betonplatte eine Nut herausgespart, in die nach dem Aushärten eine Kunststoffrinne eingebracht wird, die in Emulsion eingegossen wird. Darin wird eine elastische Gummirinne eingebracht, in die die Schiene gedrückt wird.
Als die neuesten Entwicklungen bei Unterlagen sehen wir zweifellos die Kunststoffschwellen, die seit 1971 aus sehr unterschiedlichen Gründen hergestellt wurden. Ein Grund ist, recyceltem Kunststoff eine gute Verwendung zu geben, ein anderer ist die Herstellung eines stark vibrationsdämpfenden Schwellen aus Polyurethanschaum, der mit langen Glasfasern verstärkt ist, um ihm Biegefestigkeit zu verleihen. Die neueste Entwicklung ist die Verwendung von Schwefel, der durch Entschwefelung in großen Mengen aus Erdöl freigesetzt wird. Der Schwefel ersetzt vollständig Zement und Wasser im Beton. Es schmilzt bei ~ 120 ° C, wird mit Sand, Kies und einigen Additiven im geschmolzenen Zustand gemischt und verfestigt sich dann in Gussformen zu einem ausreichend harten und biegefestigen Produkt. Am Ende seiner Nutzungsdauer kann dieses Material bei dieser niedrigeren Temperatur zur direkten Wiederverwendung wieder umgeschmolzen werden.
Wir haben gesehen, dass die Lebensdauer vieler verwendeter Gleiskonstruktionen und -materialien im Allgemeinen so kurz war, dass nach besseren Lösungen gesucht wurde. Wir müssen dieses “kurze” nicht so ernst nehmen, weil es sich in vielen Fällen als fünfzig Jahre oder länger herausstellte. Auf jeden Fall viel zu lang, um Gleise sofort durch die neuesten Erfindungen zu ersetzen. Es gibt auch große Unterschiede in der Intensität, mit der Eisenbahnstrecken benutzt werden, und ein Austausch ist daher nicht immer dringend erforderlich. Das Ergebnis ist, dass derzeit fast alle Eisenbahnunternehmen (oder Verwaltungen) viele Arten von Gleisen nebeneinander nutzen. Und das bringt seinen eigenen Charme.
