Das Ohr an der Schiene

Akustische Prüfverfahren können Schäden an der Infrastruktur frühzeitig erkennen

Marode Gleise gelten als eine der Ursachen für Verspätungen im Bahnverkehr. Im Fokus sollte ebenfalls stehen, dass der Zustand der Schieneninfrastruktur auch Kommunen unmittelbar betrifft. Funktionierende Bahnverbindungen sind für Pendler, Unternehmen und die Versorgung von Städten und Gemeinden ein wichtiger Standortfaktor. Neue zerstörungsfreie Prüfverfahren könnten dazu beitragen, Schäden an Betonschwellen deutlich früher zu erkennen – und Instandhaltungsmaßnahmen gezielter zu planen.

Forschende der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) arbeiten an einem Projekt, das die Zustandsbewertung von Bahnschwellen grundlegend verbessern soll. Der Bedarf ist hoch: Nur etwa 60 Prozent der ICE-Züge der Deutschen Bahn verkehren halbwegs pünktlich – ein Tiefstand. Forschende haben im Auftrag des Deutschen Zentrums für Schienenverkehrsforschung (DZSF) akustische Messverfahren untersucht. Ziel der Studie war es, die technische Machbarkeit einer automatisierten Zustandsbewertung von Spannbetonschwellen nachzuweisen – möglichst ohne Sperrungen der Gleise und perspektivisch sogar während der Fahrt.

Unsichtbare Schäden im Beton

Spannbetonschwellen gehören zu den tragenden Elementen des Oberbaus. Sie halten die Schienen in der richtigen Spurweite. Mit zunehmendem Alter und unter der ständigen Beanspruchung entstehen Risse und Materialschäden.

Diese Schäden sind oft schwer zu erkennen. Viele Risse entstehen im Inneren des Betons oder auf der Unterseite der Schwellen und bleiben bei einer Sichtprüfung verborgen. „Wir arbeiten in dem Projekt, das vom Deutschen Zentrum für Schienenverkehrsforschung gefördert wird, mit einem Überschallluftstrahl, der ein Frequenzband erzeugt und damit eine Eigenfrequenz des Materials anregt“, erläutert Christoph Strangfeld, stellvertretender Leiter des Fachbereichs Zerstörungsfreie Prüfmethoden für das Bauwesen bei der BAM. Die Forschenden weisen darauf hin, dass „unterseitige oder innenliegende Risse beziehungsweise Gefügeschäden in Spannbetonschwellen durch Sichtprüfung häufig nicht festgestellt werden können“. Für Infrastrukturbetreiber bedeutet das: Schwellen können äußerlich unauffällig erscheinen, obwohl ihre Tragfähigkeit bereits eingeschränkt ist.

Zwei Verfahren im Vergleich

Im Mittelpunkt der Untersuchungen standen das Ultraschall-Reflexionsverfahren und das Impakt-Echo-Verfahren. Beide gehören zu den zerstörungsfreien Prüfmethoden und erlauben einen Blick in das Innere des Betons, ohne die Schwellen zu beschädigen.

Beim Ultraschall werden Schallwellen an der Bauteiloberfläche eingekoppelt. Die reflektierten Wellen liefern Informationen über Risse und andere Materialfehler. „Meist kann das Ultraschallverfahren zusätzlich die Tiefenlage von Rissen innerhalb der Schwellen feststellen“, erläutert Strangfeld.

Das Impakt-Echo-Verfahren verfolgt einen anderen Ansatz. Hier wird die gesamte Schwelle zum Schwingen angeregt. Aus dem entstehenden Frequenzspektrum lässt sich auf ihren Zustand schließen. Intakte Schwellen zeigen charakteristische Resonanzen, während geschädigte Bauteile deutlich veränderte Signale erzeugen. Die Untersuchungen fanden sowohl im Labor als auch unter Praxisbedingungen statt, unter anderem auf dem Testgelände der Havelländischen Eisenbahn in Berlin-Spandau.

Berührungslos prüfen

Für den Praxiseinsatz dürfte vor allem eine Weiterentwicklung des Impakt-Echo-Verfahrens interessant sein. Statt die Schwelle wie bisher mechanisch anzuschlagen, erzeugt ein kurzer Druckluftimpuls die erforderliche Schwingung. Mikrofone erfassen die Antwortsignale vollständig berührungslos.

Nach Strangfelds Angaben können „Messung, Analyse und Bewertung des Schwellenzustands in weniger als 100 Millisekunden auf Basis des luftgekoppelten Impakt-Echo-Verfahrens erfolgen“.

Dadurch wären theoretisch Messungen bei Geschwindigkeiten von 80 Stundenkilometern möglich. Perspektivisch könnten Messsysteme auf speziellen Inspektionsfahrzeugen oder regulären Schienenfahrzeugen den Zustand der Infrastruktur kontinuierlich erfassen, ohne dass längere Streckensperrungen erforderlich werden.

Bedeutung für kommunale Infrastruktur

Auch wenn Kommunen häufig nicht selbst Betreiber des überregionalen Schienennetzes sind, profitieren sie von einem verlässlichen Infrastrukturmanagement. Regionalbahnen, Stadtbahnen und Güterverkehre bilden vielerorts das Rückgrat der Mobilität und der wirtschaftlichen Entwicklung.

Frühzeitig erkannte Schäden ermöglichen es, Sanierungen besser zu planen und Eingriffe auf besonders belastete Bereiche wie Weichen oder Bahnübergänge zu konzentrieren. Gleichzeitig können Instandhaltungsmaßnahmen zeitlich besser abgestimmt werden.

Strangfeld empfiehlt deshalb insbesondere dort eine Kombination verschiedener Prüfverfahren, „wo der Austausch mit hohen Kosten verbunden ist“. Auf Grundlage objektiver Messdaten lassen sich Bauteile gezielt ersetzen oder weiter betreiben. Damit wird ein Übergang von festen Wartungsintervallen hin zu einer zustandsorientierten Instandhaltung möglich.

Ein weiterer Vorteil liegt in der langfristigen Beobachtung. Werden dieselben Schwellen regelmäßig vermessen, lässt sich das Wachstum vorhandener Risse dokumentieren. Schäden können dadurch über längere Zeiträume bewertet werden, bevor ein Austausch notwendig wird. Für Infrastrukturbetreiber verbessert dies die Planbarkeit von Investitionen und Instandhaltung.

Automatisierung spart Zeit

Neben der berührungslosen Messung gehört die automatisierte Auswertung zu den wesentlichen Entwicklungen. Die Analyse erfolgt anhand charakteristischer Frequenzmuster und kann weitgehend softwaregestützt durchgeführt werden. Das System klassifiziert Schwellen innerhalb weniger Millisekunden als unauffällig oder schadensverdächtig.

Da kein mechanischer Kontakt erforderlich ist, reduziert sich zudem der Verschleiß der Messtechnik. Druckluftdüsen als Anregungssystem kommen ohne bewegliche Teile aus und gelten deshalb als vergleichsweise wartungsarm.

Weiterer Forschungsbedarf

Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass die akustischen Verfahren grundsätzlich für eine automatisierte Zustandsüberwachung geeignet sind. Bis zu einem flächendeckenden Einsatz sehen die Forschenden jedoch weiteren Entwicklungsbedarf. So sollen größere Datensätze aufgebaut werden. Ein großer Erfolg wäre, wenn diese neue Technologie in der nächsten Generation zum Einsatz kommt. Etwa 20 neue Inspektionszüge sind ab 2030 von der DB InfraGO in Auftrag gegeben.

Für Kommunen und Infrastrukturbetreiber eröffnet die Forschung dennoch neue Perspektiven. Digitale und automatisierte Zustandsdaten können helfen, Instandhaltungsmaßnahmen gezielter zu priorisieren, Sperrzeiten zu verkürzen und die Verfügbarkeit der Schieneninfrastruktur langfristig zu verbessern.