FFU-Kunstholz

FFU-Kunstholz (von englisch Fiber reinforced Foamed Urethane) wurde in den 1970er Jahren in Japan entwickelt.

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Das Haupteinsatzgebiet von FFU-Kunstholz ist die Eisenbahn, wo es als Schwelle mit sehr langer Lebensdauer, hoher Beanspruchbarkeit und Resistenz gegen Flüssigkeiten eingesetzt wird. Darüber hinaus wird FFU-Kunstholz im Bauwesen im Bereich von Kläranlagen, Tunnelbau, Ankerwänden und im Bereich von Wasserbauten verwendet. Im Bereich der Bahntechnik ergibt die Summe der Brücken-, Weichen- und Tunnelprojekte, an denen im Zeitraum seit 1985 bis 2015 FFU-Kunstholzschwellen eingebaut wurden, eine Gleislänge von mehr als 1400 km, dies auf Trassen von LRT-Systemen und Gleisanlagen der Vollbahnen mit Achslasten mit bis zu 36 t. Zu berücksichtigen ist, dass die Längen der einzelnen Projekte (Brücken, Weichen, Tunnel) sich in Größenordnungen von 10 m bis 500 m darstellen.

Überwiegend wurden in diesem Zeitraum FFU-Kunstholzschwellen am Hochgeschwindigkeitsnetz des Shinkansen und bei den regionalen Eisenbahnen und Metros in Japan eingesetzt. Seit 2004 werden FFU-Kunstholzschwellen bereits bei Projekten in Österreich, Deutschland, Serbien, Holland, Schweiz, Großbritannien, Frankreich und Ungarn eingebaut.

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  FFU-Kunstholz direkt nach dem Fertigungsprozess
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  Weichenanlage auf FFU-Kunstholzschwellen
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  Detail Weicheanlage mit Schmierfetten

Aufzeichnungen der japanischen Eisenbahnbetreiber zeigten in den 1970er Jahren, dass ca. 70 % ihrer eingesetzten Schwellen aufgrund von Verwitterung auszutauschen waren.

Die Vorgaben der Bahngesellschaften an die Technologie der neu zu entwickelnden Bahnschwelle waren:

• gleiche positive Materialeigenschaften
• einfache Handhabung und Verarbeitung
• Verwendung der vorhandenen Befestigungselemente
• höhere Lebenserwartung
• frei von Verfaulen bzw. Zerfall aufgrund von Witterungseinflüssen
• wesentlich höhere Witterungsbeständigkeit
• annähernd gleiches spezifisches Gewicht

In Zusammenarbeit mit den japanischen Bahnen erforschte der japanische Kunststoffspezialist SEKISUI in den 1970er Jahren ein Material, welches sämtliche oben angeführten Anforderungen erfüllte. Das hierbei neu entwickelte Material wird als FFU (Fiber reinforced Foamed Urethane) bezeichnet.

1978 erhielt SEKISUI für diese Technologieentwicklung den Preis der "Generaldirektion der Agentur für Forschung und Entwicklung" Japans. Ebenfalls wird der „Okouchi Memorial Grand Technology Prize“ für ausgezeichnete Industrielle Leistung aufgrund der Entwicklung von FFU an SEKISUI verliehen.

1979 erhielt SEKISUI den „Deming-Preis“ für die umfangreiche und hochwertige Qualitätskontrolle des Unternehmens.

1980 wurden in Zusammenarbeit mit dem „Railway Technical Researche Institute“ und der japanischen Eisenbahn zwei Versuchsstrecken mit Eslon Neo Lumber FFU ausgerüstet.

Im Kanmon-Tunnel der Sanyo-Hauptstrecke wurden im Bereich km 531 und 680 bis km 531 und 700 74 Stück FFU-BI-Block in Fester Fahrbahn installiert.

Auf der Eisenbahnbrücke über den Miomote-Fluss der Uetsu-Strecke km 61 und 294 bis km 61 und 316 kamen 18 Stück FFU zum Einsatz.

1985 nach einer Versuchsdauer von 5 Jahren wurden FFU von obigen Projekten ausgebaut und untersucht. Die Untersuchungsergebnisse zeigten keine Alterung. Die Werte waren sehr gut. FFU wurde bei JNR als Standardschwelle eingeführt.

1991 führte das Railway Technical Research Institute weitere Untersuchungen an Schwellen der beiden Versuchsprojekte durch. Der Bericht zeigte auf, dass es keine erkennbare Alterung von FFU gab. Weitere staatliche und private Eisenbahngesellschaften begannen, FFU auf ihrer Schieneninfrastruktur einzusetzen.

1996 wurden vom Railway Technical Research Institute FFU der obigen Versuchsstrecken ausgebaut und ein weiteres Mal untersucht. Im Zuge dieser Untersuchungen wurden an den ausgebauten Schwellen 100 Millionen Lastwechsel durchgeführt. Dies bedeutet theoretisch bei 20 stündigem Bahnbetrieb je Kalendertag, dass je Stunde ca. 275 Achsen über diese Schwelle rollen. In anderen Worten entspricht dies einer praktischen Belastung von einem Zug mit 28 Achsen alle 6 Minuten über einen Zeitraum von 50 Jahren. Die Lebenserwartung der FFU wurde damit nur angedeutet, da unterschiedliche Bahnbetreiber unterschiedliche Zugfrequenzen haben. Bei diesem Versuch wurde gezeigt, dass der Wert für die Biegebeanspruchung von FFU bei 100 Millionen Lastwechseln liegt.

2011 führt das RTRI einen Test an Schwellen der ersten Feldversuche von 1980 durch. Die bereits seit 30 Jahren im Einsatz gewesenen FFU Schwellen zeigen eine geringe Verringerung der technischen Kennwerte. Als Ergebnis schreibt das Railway Technical reaserch Institute ein Schreiben an die Japanische Eisenbahn JR, dass diese FFU Kunstholzschwellen sicher die nächsten 2 Jahrzehnte verwendet werden können.

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  Wiener Linien
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  ÖBB

Seit 1985, nach einer praktischen Versuchsdauer von 5 Jahren, werden FFU von der japanischen Eisenbahn als Standardprodukt im Bereich von Brücken, Weichen, Tunnels sowohl im Schotterbett als auch in der Festen Fahrbahn eingebaut.

• 2002 Einsatz von FFU beim Neubau der Shinkansen Kyushulinie und Tohokulinie.
• 2004 wird es erstmals in Europa von den Wiener Linien bei der Zollamtsbrücke eingebaut.
• 2005 erfolgt der erste Einsatz am Netz der ÖBB in Wien.
• 2008 Einbau der ersten Weiche mit FFU im Chempark Leverkusen.
• 2009 Einbau von FFU an der Eisenbahnbrücke über die Save in Belgrad, Serbien.
• 2010 Im Frühjahr statten die Hamburger Hochbahnen die erste Weiche auf ihrem Streckennetz mit FFU aus.
• 2011 Die Deutsche Bahn rüstet die erste Brücke in Vilsbiburg mit FFU Kunstholz aus
• 2012 Die Deutsche Bahn rüstet zwei Weichen im Bahnhof Würzburg mit FFU aus. Je Tag rollen 70.000 Tonnen über diese Weichen
• 2012 ProRail baut in Holland FFU an 3 Brücken ein
• 2014 BLS setzt FFU in der Schweiz an einer doppelten Kreuzungsweiche, einer Weiche in Frutigen und einer Brücke ein
• 2014 RhB setzt FFU in der Schweiz als Flachschwelle an einer Brücke in Tavanasa ein und rüstet die Grosstobelbrücke zwischen Chur und Arosa mit FFU aus
• 2014 NetworkRail setzt FFU als Langholz b/h/l = 38/38/750 cm an zwei Projekten der Strecke Ashford - Hastings ein
• 2015 Infrabel rüstet eine Klappbrücke in Dudzele mit FFU aus
• 2015 SOB rüstet in der Schweiz Ihre Brücke über den Zürichsee mit FFU aus

• 2007 JIS E 1203 „Synthetic sleepers – Made from fiber reinforced foamed urethane“-Definition von FFU durch den Japanischen Industrie-Standard (JIS)
• 2014 ISO 12856-1 Plastic - Plastic railway sleepers for railway applications (rail roads)- Teil 1: Material characteristics tritt am 15.3.2014 in Kraft

FFU besteht aus endlosen Glasfasersträngen und Polyurethan. Es wird nach dem Pultrusions- oder Strangziehverfahren hergestellt. Dabei werden die Glasfaserstränge mit Polyurethan getränkt und der Verbund bei erhöhter Temperatur ausgehärtet. Der Herstellungsprozess wird durch ein Ziehwerkzeug in Gang gehalten, welches das fertige FFU-Profil aus dem Härtungswerkzeug zieht. Die so erzeugten porenfreien Rohlinge werden auf Standardlängen von 12 m geschnitten. Grundsätzlich erlaubt das Produktionsverfahren die Herstellung von Schwellen in beliebiger Länge.

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  Schneiden von FFU-Kunstholz
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  Detail Aufdopplung FFU
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  Bohrung von FFU im Werk
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  Brückenhölzer - unterschiedliche Überhöhungen

Auf Wunsch des Auftraggebers können bereits im Werk FFU-Kunstholzschwellen und FFU-Brückenhölzer aus Kunstholz vorproduziert werden. Sie werden somit an die vor Ort anzutreffenden und gewünschten Situationen angepasst.

Der Auftraggeber übergibt für die Fertigung die genauen Abmessungen und Formen der FFU-Kunstholzschwellen, am besten in Form von Plänen. Die entsprechend dieser Vorgaben im Werk angefertigten Kunstholzschwellen werden eindeutig gekennzeichnet und können hierdurch an der Baustelle an geplanter Stelle eingebaut werden.

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  Schwellennagel
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  Sägen
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  Stemmen
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  Bohren Nietkopfaufnahme
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  Bohrungen für Nietenköpfe
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  Bohren

Die Herstellung von Bohrlöchern für die Verankerung der Schienenbefestigung mittels Schrauben erfolgt mit handelsüblichen Bohrwerkzeugen. Ebenso erfolgt das Einschneiden, das Abschneiden, das Aus-/Abfräsen und das Stemmen.

Sollte es im Zuge der Arbeiten vor Ort oder durch Veränderung der tatsächlichen Situation gegenüber der geplanten Situation vorkommen, dass Bohrungen am falschen Platz erstellt wurden oder soll die Kunstholzschwelle später an einem anderen Ort eingesetzt werden, so gibt es zwei unterschiedliche sehr einfache Reparaturmethoden.

Bei der einen Methode wird in das zu verändernde Bohrloch ein wenig Kunstharz eingefüllt und anschließend ein FFU-Kunstholzdübel eingeschlagen. Innerhalb von 4 Stunden kann an dieser Stelle neu positioniert wieder eine Bohrung ausgeführt werden.

Die zweite Methode sieht das Vergießen des gesamten Bohrloches mit Kunstharz vor. Die Bearbeitung, wie in Methode eins beschrieben, kann hier nach dem Aushärten des Kunstharzes bereits nach ca. 30 Minuten erfolgen.

Im Bereich der Eisenbahn wird FFU hauptsächlich als Bahnschwelle im Bereich von Weichen, offen Stahlbrücken plus Bedielung und Brücken mit Schotterfahrbahnen eingesetzt.

Die wesentlich höhere Lebenserwartung gegenüber Holzschwellen, ähnliches Verhalten wie Schwellen aus Holz im Falle einer Entgleisung, die einfache Montage durch die Formstabilität von FFU, dies alles auf die gewünschten Längen des Kunden (in Japan wurde eine Weichenschwelle mit einer Länge von 9,6 m eingebaut), der Vorzug der zimmermannsmäßigen Verbindung im Bedarfsfall, eine gegenüber der Betonschwelle wesentlich bessere Verzahnung mit dem Gleisschotter, führte vor allem zum Einsatz von FFU-Kunstholz bei Weichen, in denen hohe Seitenführungskräfte und hohe Erhaltungskosten auftreten. Das gute elastische Materialverhalten (Kraft-Verformungslinie) zeigt langfristig zuverlässige Gleislage im Bereich des Herzstückes von Weichen. FFU-Kunstholz wird bei Weichen im Schotterbett oder im Bereich von Fester Fahrbahn z.B. mit Gummischuh verwendet. Die längste Weiche des Shinkansen liegt auf FFU-Kunstholzschwellen.

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  Hamburger Hochbahnen
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  BLS Frutigen
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  DKW ÖBB Wien
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  DB AG Würzburg
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  Japan Fester Fahrbahn

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  Wiener Linien
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  ÖBB Innsbruck
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  ÖBB Wien
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  DB AG Vilsbiburg
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  Network Rail Ashford

Die Ähnlichkeit des Verhaltens der FFU-Kunstholzschwelle wie jenes der Holzschwelle auf Stahltragwerken haben als Resultat, dass sämtliche Stahlbrücken zwischen Tokio und Osaka der Shinkansen-Linie mit FFU ausgerüstet wurden. Die sehr lange Liegedauer von FFU und damit sehr günstigen LCC (Lebenszykluskosten) führten zum Einsatz von FFU an der Zollamtsbrücke in Wien. Dies war 2004 das erste Projekt mit FFU-Kunstholz in Europa.

In Japan wird die Bi-Blockschwelle im Bereich von Fester Fahrbahn im Tunnel und im Stationsbereich eingesetzt.

Bei den Wiener Linien werden im Bereich der Infrastruktur Unter- als auch Obertage FFU mit einer Höhe von nur 10 cm eingebaut. Bis 2015 haben die Wiener Linien sämtliche Brücken mit offen Stahltragwerken mit FFU asugerüstet. Im Jahre 2013 haben die Wiener Linien 78 Weichen mit FFU Kunstholz ausgerüstet.

FFU findet außerhalb des Einsatzes bei den Bahnen Verwendung im Bereich von Kläranlagen, Ankerwänden, Anfahrschächten, Schiffsbau, Wasserbau, Brückenbau, Kabeltrassen, Hausbau und Schiffsbau. Im Weiteren soll ein Einblick in die Verwendung von FFU im Bauwesen erfolgen.

FFU kommt in Japan unter der Produktbezeichnung SEW sowohl im Bereich von Anfahrschächten im Stollen- und Tunnelbau, als auch im Bereich von Abzweigungen innerhalb des Stollen/Tunnelsystems zum Einsatz. Durch die Verwendung von FFU im Bereich des Anfahrprofiles des Stollen/Tunnels werden die Bohrwerkzeuge der Tunnelbohrmaschine wesentlich geschont. Die Erschütterung in der örtlichen Umgebung von Start- bzw. Zielschacht werden hierdurch spürbar reduziert. Das Durchdringen der Baugrubensicherung mittels Tunnelbohrmaschine erfolgt frei von Verzahnungen, Erschütterungen und sämtlichen Nebenerscheinungen, die normalerweise bei der Durchdringung von schwerbewehrten Baugrubensicherungen (z.B. Schlitzwänden) auftreten. Im Bereich von Verbindungsstollen kann z.B. bei der Verwendung von Tübbingen temporär FFU die Lastableitung übernehmen. Bei der Herstellung des Verbindungsstollens wird die FFU durchbohrt.

Die sehr guten technischen Kennwerte führten zur Verwendung von FFU als Ankerplatten im Bereich von Böschungssicherungen mit Ankerwänden. Ankerplatten aus FFU verteilen die Ankerkraft an das anstehende Gelände und bieten so den Ankerköpfen Sicherheit für die Einleitung der Ankerkräfte in tragfähige Bodenformationen.

Bei einem Raumgewicht von 740 kg/m³ liegt bei FFU, gegenüber Ankerplatten aus Stahlbeton, ein sehr hoher Gewichtsvorteil für sämtliche Transportaktivitäten bis zur Einbaustelle vor. Langfristige Witterungsbeständigkeit, die geschlossenporige FFU-Struktur, und die damit einhergehend Resistenz gegen Wasser jedweder Art, bieten einen weiteren Vorteil für die Verantwortlichen von Böschungssicherungen in Hinblick auf Langfristigkeit und Unterhaltskosten der Ankerwand. Auf Wunsch können die Ankerplatten in Form und Farbgebung an die Bedürfnisse der Auftraggeber optimal angepasst werden.

FFU wird im Kläranlagenbau als Abdeckung für Desodorierungs- und Klärbecken, im Bereich von Inspektionsgängen, als Schaufeln im Bereich des Flockulators, als Türen und Belüftungsgitter, im Bereich von Wehranlagen und in weiteren Bereichen verwendet, in denen die Materialien einem starken Angriff durch Abwässer ausgesetzt sind.

FFU kann zur Gänze wiederverwertet und zur Herstellung von geringerwertigen Glasfaserprodukten mit orientierungslosen Glasfasern verwendet werden.

• Kunstholz für den Gleisbau, Günther Koller. EI-Eisenbahningenieur April 2008
• Forschungsbericht Nr. 2466 vom 19. September 2008, Lehrstuhl und Prüfamt für Verkehrswegebau Univ. Prof. Dr.-Ing. S. Freudenstein
• Ein Werkstoff, der Weichen stellt. Clemens Bretschneider, Bodo Blume, Heinz Holschke, Thorsten Eschmeier, Alp Sarici. EI-Eisenbahningenieur März 2009
• Schwellen aus FFU-Kunstholz in Europa, Günther Koller. EI-Eisenbahningenieur Juli 2009
• Prospekt Eslon Neo Lumber FFU, SEKISUI
• Verarbeitungrichtlinien SEKISUI
• RTRI-Forschungsbericht - Untersuchungen nach 30 Jahren Einsatz von FFU - in 2011
• Fachartikel über den ersten Einsatz von FFU-Kunstholz im Bereich Fester Fahrbahn - RTR Sonderdruck 2011
• Fachartikel über den ersten Einsatz von FFU-Kunstholz bei der Deutschen Bahn - Eisenbahningenieur 1/2012
• Fachartikel über den ersten Einsatz von FFU-Kunstholz bei der Deutschen Bahn - Railway Gazette 1/2012
• Fachartikel über den ersten Einsatz von FFU-Kunstholz - RTR 1/2012
• Deutschland: Zulassung zur Betriebserprobung Eisenbahnbundesamt EBA vom 8.7.2009 mit Bescheid 2160-21izbo/004-2101#012-(508/08 ZzB)für FFU mit 16 cm Bauhöhe
• Deutschland: Zulassung zur Betriebserprobung Eisenbahnbundesamt EBA vom 16.5.2014 mit Bescheid 21.61-21izbo/017-2101#057-(537/13-ZzB)für FFU mit Bauhöhe 12 cm
• Schweiz: Zulassung zur Betriebserprobung Bundesamt für Verkehr BAV vom 15.1.2014 mit Bescheid ZR44TZZ2012-03-0006 für FFU Kunstholz beginnentmit Bauhöhe 12 cm

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