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Kork-Verbundwerkstoffe im Schienenverkehr

Vorteile und Leistung. Artikel

Welche Auswirkungen hat eine Kork-Verbundlösung in Verkehrsanwendungen, die in Innenböden von Personenwagen eingesetzt wird?

Der Alucork®-Boden ist eine leichte Verbundkonstruktion, die aus einer Sandwichplatte mit einem CorecorkTM-Kern besteht, was zu einer spürbaren Gewichtsreduzierung im Vergleich zu herkömmlichen Sperrholzplatten und einer verbesserten Schall- und Wärmedämmleistung führt.

Kostensenkung in der Transportbranche

Die Amorim Cork Composites, Geschäftseinheit der Amorim Group, engagiert sich für die Entwicklung und Herstellung von technischen, umweltfreundlichen Produkten auf Korkbasis für zahlreiche Branchen und Anwendungen.  Die Eisenbahnindustrie ist eines der strategischen Segmente des Unternehmens, in dem Innovation und Kreativität bei der Suche nach Lösungen ein konstanter Faktor sind.

Die Gewichtsreduzierung von Eisenbahnwagen ist, wie bei allen Mobilitätsmodellen, entscheidend für den Energieverbrauch. Die steigenden Anforderungen bezüglich der Sicherheit und des Komforts der Fahrgäste, sowie der Betriebseffizienz, sind ein seit langem wichtiger Faktor.

Anforderungen wie der Einbau von HLK-Systemen, Schallreduzierung, bessere Wärmedämmung, Vielseitigkeit der Konstruktionen und Sicherheitsbestimmungen für Kollisionsstrukturen haben in der Regel einen gemeinsamen Effekt: eine Gewichtszunahme.

Die energetischen Kosten der Gewichtszunahme, sowohl nachgelagert in der Lieferkette, unterstützt durch den Betreiber aufgrund des höheren Energieverbrauchs, als auch vorgelagert bei der Herstellung von Rohstoffen/Materialien und der Montage von Ausrüstung, sind die hauptsächlichen Antriebe für den Einsatz von Verbundstoffen, die aufgrund ihrer Leichtigkeit nachhaltiger und langlebiger sind und einen positiven Einfluss auf die Reduzierung der Gesamtkosten der Lösung haben.

Beschreibung und Funktionalität

Als Amorim Cork Composites Kork und Gummi als Kernmaterial für Sandwich-Holzplatten (CPA - akustisches Sperrholz) zufügte, war dies eine innovative Lösung zur Reduzierung von Schall und Schwingungen für die Innenböden von Zügen.

Die Kombination viskoelastischer Materialien (wie Kork zum Beispiel) in einer Sandwichplatte tragen in großem Maß zur Gewichtsreduzierung und guter akustischer Leistung bei.

Die Verwendung von Holzplatten (CP - Sperrholz und CPA - akustisches Sperrholz) bei der Herstellung von Innenböden bleibt weiterhin die dominierende Technologie.

Der neue Alucork©-Boden, bestehend aus einer Kombination von CorecorkTM-Kernen (leichter Korkagglomeratverbundstoff) mit einer Oberfläche aus Aluminiumbeschichtung auf beiden Seiten nimmt bei Leichtbaulösungen die Spitzenposition ein - mit einer Verfügbarkeit zu geringeren Kosten für die Branche. Diagramm 1 zeigt diese Tatsache, wobei das Alucork®-Gewicht (8,6 kg/m2 für Alucork® 20 mm) wesentlich geringer ist als typische Sperrholz- und akustische Sperrholz-Lösungen vergleichbarer Dicke.

 

Der Alucork©-Boden verfügt über eine standardisierte Gesamtdicke von 20 mm. Dies ist jedoch anpassbar, indem die Dicke des CorecorkTM-Kerns und in Einzelfällen die Dicke der Aluminiumbeschichtung geändert wird, um den individuellen Anforderungen jedes Projekts entweder in Bezug auf die strukturellen und dimensionalen Anforderungen oder die thermische und akustische Isolierung gerecht zu werden. Der Abschlussboden ist eine modulare Konstruktion durch die Verbindung der verschiedenen Alucork®-Platten, die wiederum an den Waggonaufbau gekoppelt wird.

 

Aluminiumlegierungsprofile werden zum Zeitpunkt der Herstellung an den Alucork®-Platten, je nach individueller Einschätzung der Bedürfnisse jedes Projekts, befestigt. Diese dienen als Substrat für die mechanische Verbindung zwischen den Platten, die Befestigung von Bänken, Tischen, Trennwänden, Stangen, technischen Schränken und anderen, wodurch die notwendige strukturelle Verstärkung für Verbindungen mit größeren Spannungen und die Kontinuität der Oberfläche, Nivellierung und das Fehlen sichtbarer Nähte auf der Endoberfläche gewährleistet werden.

Die Integration von Profilen in die Platten dient nicht nur der mechanischen Verbindung der verschiedenen Platten aus denen der Boden besteht, sondern auch zur Einhaltung von Befestigungsvorschriften. Sie werden außerdem auf die Seitenflächen der Endplatten aufgebracht, um die Umfangsabdichtung des Bodenaufbaus zu gewährleisten und den Schutz vor Feuchtigkeit, Wasser, Schmiermittel, Reinigungsmitteln und anderen systemfremden Substanzen zu maximieren, wodurch die Gesamthaltbarkeit des Systems gefördert wird. Tests, die durchgeführt wurden, bescheinigen ihre Wirksamkeit in der dimensionalen Stabilität und Beibehaltung der mechanischen Eigenschaften sowie die Abwesenheit von Pilzbefall in Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit.

Die individuelle und modulare Bauweise der Alucork®-Platte garantiert die korrekte Montage und Ausrichtung des Bodens als Ganzes und stellt eine wesentliche Verbesserung der Effizienz in der Montagezeit des endgültigen Bodens und der jeweiligen Komponenten dar.

Charakterisierung

Hervorragendes Biegen mit verteilter Last und Widerstand gegen Einzellasten

Der Umfang der zusammenfassenden Charakterisierung soll die Leistungsfähigkeit in Bezug auf Sicherheit, Komfort und Haltbarkeit der Alucork®-Platten hervorheben. 

Grundlage der Charakterisierung ist eine 20 mm starke Alucork®-Platte und die typischen Anforderungen der Endverbraucher, wie die nationalen und internationalen Vorschriften für den Schienenpersonenverkehr. 

Die mechanische Charakterisierung ist ein integraler Bestandteil jedes Systems, welches statischen Ladungen und den damit verbundenen strukturellen Anforderungen unterworfen ist. Die Leistung von Böden in Bezug auf Biegung und Eindruck ist besonders wichtig aufgrund der dynamischen Belastungen aus der Bewegung und Verteilung von Fahrgästen und Gütern im Waggon. Die Biegewiderstandswerte der AluCORK®-Platte (konzentrierte und verteilte Last) und ihres jeweiligen Moduls liegen innerhalb der für diese Eigenschaft erwarteten Werte.

Die Werte des Biegemoduls sowie die Biegeleistung unter verteilter Last (durch progressive Belastung der Platte über ihre Oberfläche) richten sich immer nach den Randbedingungen; der Abstand zwischen den Stützen, die den Waggonboden tragen, kann angepasst werden. Die Verstärkung des CorecorkTM-Kerns ermöglicht die Steuerung der gewünschten Durchbiegung, welche repräsentativ für die Biegung unter der Flächenlast ist.

Die Pflege und Funktionsfähigkeit der Bodenoberfläche ist gleichbedeutend mit ihrer Haltbarkeit. Sie muss Stoß- oder Punktbelastungen durch Befestigungselemente oder möglicherweise durch außergewöhnliche Betriebssituationen standhalten.

Die Stoßfestigkeit wird durch die Dellenbildung auf der Oberfläche durch den Fall einer Stahlkugel mit einer Masse von 500 g und 50 mm Durchmesser aus einer Höhe von 1 und 2 Metern über der Platte gemessen. Er wird ohne jegliche Endbearbeitung des Endbodens getestet und hat einen maximal zulässigen Wert von 1,0 mm bzw. 2,0 mm. Die erhaltenen Werte entsprechen diesen Anforderungen. Was die Beständigkeit gegen Einzellasten betrifft, so wird die Dellenbildung durch Aufbringen von Lasten von 1,0 kN bis 1,5 kN auf die Fläche, die einem Kreis von 6 mm Durchmesser entspricht, erzielt, wodurch Oberflächenspannungen im Bereich von 35 MPa und 53 MPa entstehen. Die maximalen Leistungsanforderungen für die Dellenbildung aus einer konzentrierten Last liegen zwischen 0,5 mm und 1,0 mm für diese Lasten, was zeigt, dass die Alucork®-Platte die Anforderungen problemlos erfüllt.

Komfort ist für den Eisenbahntransport ein seit langem bestehender Faktor. Eine thermisch angenehme Umgebung und die Abwesenheit von störenden Geräuschen sind für die Wahl dieses Verkehrsmittels entscheidend.

Während die Temperatur durch aktive Systeme gesteuert wird (Zwangsklimatisierung), wird ihre Effizienz durch die Dämmeigenschaften der Materialien beeinflusst, welche die Struktur des Waggons in Kontakt mit der Außenseite bilden, was sich direkt auf die Betriebskosten auswirkt. Die Wärmeleistung der Grundkonfiguration von 20 mm Alucork®, gemessen an der Wärmeleitfähigkeit, ist um eine Größenordnung niedriger positioniert als bei einer Sperrholzlösung mit dem typischen Wert von 0,14 W/m°C. Das bedeutet, dass die Wärmeverluste oder -gewinne nach außen über den Waggon deutlich reduziert werden. 


Die Brandleistung der Materialien im Eisenbahnszenario kann eine oder mehrere Funktionen haben, um letztlich die Sicherheit und das Leben der Insassen zu schützen. Seine Aufgabe, die Ausbreitung von Feuer und die daraus resultierende Wärme (Intensität) und Rauch (Opazität und Toxizität) einzudämmen, sollte im Brandfall einen sicheren Zugang zu Evakuierungswegen ermöglichen sowie den erwarteten Zusammenbruch der Struktur verhindern. In gleichem Maße ist auch der Schall (strukturellen Ursprungs, durch Schwingungen oder Luft verbreitet), der von außerhalb des Waggons kommt, weitgehend von passiven Systeme abhängig, wie es für die Schalldämmung von Materialien typisch ist. Der von außerhalb des Waggons kommende Schall entsteht im Wesentlichen durch die Wechselwirkung zwischen dem Rad und der Schiene und den aerodynamischen Geräuschen, die durch den fahrenden Zug (durch den Strom turbulenter Luft) erzeugt werden. Dieser kann durch einen Boden mit guter akustischer Leistung reduziert werden. Dies ist jedoch nur eine von mehreren Komponenten, die bei der Reduzierung des Schalls im Waggon durch den Boden berücksichtigt werden müssen. Die Luftschalldämmwerte der 20 mm dicken Alucork®-Platte sind 30 dB höher als die von Sperrholz gleicher Stärke (CP), betragen jedoch geringfügig weniger als die von akustischem Sperrholz. In der Gesamtbewertung ist die Schalldämmung pro Masseeinheit (dB/kg) bei der Alucork®-Platte jedoch deutlich höher, so dass diese Wahl die effizienteste ist.

Die jüngste europäische Referenznorm, die sich mit dem Brandverhalten von Werkstoffen und Bauteilen in Schienenfahrzeugen befasst (EN45545-2), wird ab 2016 alle nationalen europäischen Normen ersetzen. Diese Norm klassifiziert die Fahrzeuge nach dem Risikograd (am niedrigsten - HL1/HL2/HL3 - am höchsten) und legt damit die Anforderungen fest. Sie klassifiziert alle an Bord befindlichen Materialien in Gruppen und ordnet ihnen die entsprechenden Anforderungen zu, wobei sie die Methoden, Bedingungen und ihr Brandverhalten definiert. Die Böden entsprechen der Anforderungsklasse R10, wobei Alucork® nach dem höchsten Anforderungsniveau, HL3, klassifiziert ist.

Fazit

Die technischen Vorteile des Alucork®-Verbundwerkstoffs, die aufgrund seiner vielfältigen Anpassungsmöglichkeiten und des modularen Aufbaus vorhanden sind, ermöglichen eine beispiellose Leistung entlang der gesamten Wertschöpfungskette - von der Herstellung bis zum Betrieb. Die einzigartigen Eigenschaften, die jedes Material dem Verbundwerkstoff verleiht, sind ein Beispiel dafür, wie so unterschiedliche Materialien wie Kork und Aluminium kombiniert werden können, um ihre einzigartigen Eigenschaften zur Gesamtleistung und zu anspruchsvollen Standards, wie sie im öffentlichen Verkehr auf der Schiene existieren, beizutragen.

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