Feste Fahrbahn und Lärm Gibt es hier Lösungen?

Transkript

1 Feste Fahrbahn und Lärm Gibt es hier Lösungen? Dr. A. Buchmann, Universität Karlsruhe

2 Kann Leiter der Abteilung die Eisenbahnwesen Schiene Universitätsprofessor Dr.-Ing. Eberhard Hohnecker unsere Verkehrsprobleme lösen? Der Schienenverkehr besitzt eine hervorragende Umweltleistung: fast keine Verschmutzung, optimale Energienutzung geringer Flächenverbrauch Aber der Schienenverkehrslärm ist ein Problem.

3 Schall: Emissionen und Immissionen Emissionsbereich Immissionsbereich Primärer Luftschall Luftschallausbreitung Körperschallausbreitung Sekundärer Luftschall

4 Wie entsteht Lärm? Eine Zugüberfahrt regt die folgenden Bauteile zu Schwingungen an: Wagenkasten Rad Schiene Dies führt zur Schallabstrahlung von diesen Bauteilen.

5 Entstehung des Rollgeräuschs

6 ## Standard-Fahrweg: Schotteroberbau Universitätsprofessor Dr.-Ing. Eberhard Hohnecker Schallabstrahlung durch Schienenschwingungen ##

7 Schallharte Betontragplatte Geringe Schallabsorption Höhere Schallpegel L(FF) = L(SchO)+ 5 db(a)

8 1,0 Universitätsprofessor Dr.-Ing. Eberhard Hohnecker 0,9 0,8 Absorptionskoeffizient 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 Schotter, 12 cm Schotter, 35 cm Beton Gras 0,2 0,1 0, Frequenz [Hz]

9 Was ist Schall? Definition: Mit dem Begriff Schall bezeichnet man die Ausbreitung von räumlich (Wellenlänge λ) und zeitlich (Frequenz f) periodischer Schwingungen der Partikel eines elastischen Mediums. Ist das Medium Luft so spricht man von Luftschall. Ist das Medium ein fester Körper spricht man von Körperschall.

10 Die Schallausbreitung wird durch folgende Messgrößen beschrieben : Wellenlänge [m] Frequenz f [Hz] Schallgeschwindigkeit c [m/s] Amplitude [N/m²] λ pˆ

11 Schallwelle Wellenlänge Amplitude

12 Schallgeschwindigkeit Zusammenhang zwischen λ Wellenlänge, Frequenz f, und Schallgeschwindigkeit c c = λ f Schallgeschwindigkeit in Luft: Schallgeschwindigkeit in Stahl: c = 344 m/s c = 5000 m/s

13 Schalldruckpegel Die vom menschlichen Gehör wahrnehmbaren Schalldruckamplituden erstrecken sich über 6 Größenordnungen (20 µ Pa 20 Pa) Definition: Schalldruck-Pegel logarithmische Skala L P = 10 log (p²/p 0 ²) [db] (dezi Bel) p0 = N/m = Pa = 20 µ Pa p 0...Bezugs-Schalldruck, Hörschwelle

14 1 Pa = 1 N/m²

15 Frequenzspektrum Frequenzbereiche in Hertz (Hz) Oktavbänder feinere Einteilung in Terzbänder Niederfrequente Erschütterungen ~ Hz Bereich höchster Emfindlichkeit ~ 1-4 khz k 2k 4k 8k 16k 32k Hörbarer Frequenzbereich

16 unterhalb Physiologische Eigenschaften des menschlichen Gehörs 1 khz: geringere Empfindlichkeit zwischen1-6 khz: höhere Empfindlichkeit führt zu einer Abnahme bzw. Zunahme des wahrgenommenen Schalldruckpegels physiologischer Schalldruckpegel [db(a)]

17 Luftschall-Bewertungskurven physiologischer vs. physikalischer Schallpegel Zuschlag physikalischer unbewerteter Pegel Abschlag A-Bewertungskurve Bereich erhöhter Empfindlichkeit

18 Zunahme Abnahme physikalischer und physiologischer Schallpegel z.b., bei 200 Hz beträgt die Abnahme -10 db

19 ## Standard-Fahrweg: Universitätsprofessor Dr.-Ing. Eberhard Schotteroberbau Hohnecker punktweise, harte Lagerung der Schienen Schallabstrahlung durch Schienenschwingungen ## Schienenbefestigung an einzelnen Stützpunkten

20 Was Leiter der kann Abteilung Eisenbahnwesen der Fahrweg zur Lärmreduktion beitragen? Idee: Schiene kontinuierlich weich lagern und kontinuierlich weich einbetten Dies führt zu einer Lärmreduktion direkt an der Schallquelle (Schiene).

21 Leiter Infundo-Fahrweg der Abteilung Eisenbahnwesen Universitätsprofessor Dr.-Ing. Eberhard Hohnecker kontinuierliche, weiche Lagerung der Schienen Schiene in elastischer Vergussmasse weich gelagert verringerte Schallabstrahlung durch kontinuierliche Einbettung der Schiene Betontragplatte siehe 1:1 Modell

22 Alle Schienenprofile Details ERS Oberbau INFUNDO Zulassung: max. Geschwindigkeit 330 km/h PVC-Rohr spart Corkelast Kabelkanal Einfederungsmatte Elastische Lagerung Corkelast kontinuierlich-elastische Lagerung in vertikaler und horizontaler Richtung Beton

23 Körperschall- und Luftschall- Messungen Vergleich der Oberbauarten: Schotteroberbau Feste Fahrbahn mit kontinuierlicher Lagerung und kontinuierlich eingebetteter Schiene

24 Luftschall- und Körperschall-Messungen Luftschall- und Körperschallmessungen an Schotteroberbau und der Feste Fahrbahn Infundo wurden von der u.a. an den folgenden Teststrecken durchgeführt: Waghäusel, DB-Teststrecke (4/2002 und 4/2003) Stuttgart, Schmidener Straße (9/2002) München, Agnes-Bernauer-Straße (4/2002 und 10/2002) Fazit: Reduktion Körperschallemission um bis zu 20 db Reduktion der Luftschallemission bei höheren Frequenzen

25 Körperschallmessungen

26 Embedded rail system Schmidener Straße Stuttgart 0.9 m Geophon

27 0,30 0,25 Körperschall (vertikal) Schmidener Straße, Stuttgart Schotter 0, m von Schiene v [mm/s] 0,15 0,10 0,05 eingebettet 0,00 4,0 5,0 6,3 8,0 10,0 12,5 16,0 20,0 25,0 40,0 31,5 f [Hz] 50,0 63,0 80,0 100,0 125,0 160,0 200,0 250,0 315,0

28 0,80 0,70 0,60 Körperschall (horizontal) Schmidener Straße, Stuttgart 0.9 m von Schienel Schotter v [mm/s] 0,50 0,40 eingebettet 0,30 0,20 0,10 0,00 4,0 5,0 6,3 8,0 10,0 12,5 16,0 20,0 25,0 31,5 40,0 f [Hz] 50,0 63,0 80,0 100,0 125,0 160,0 200,0 250,0 315,0

29 Bernoulli Balken auf Winkler Bettung Elastische Länge L 4 E L = 4 L = b C I C...Bettungsmodul (100 N/cm³) I Flächenträgheitsmoment (3055 cm 4 ) E...E-Modul von Stahl ( N cm²) b... Breite des Längsträgers (33 cm) m µ... mitschwingende Oberbaumasse (213 kg/m) Oberbau-Resonanz Frequenz f 2π L f = f 1 2π = 63 b C µ Hz Schiene: Bernoulli Balken z 0 z 0 = Q 2bLC Tragschicht: Winkler Bettung

30 Das Körperschall-Emissionsspektrum eines ERS- Oberbaus unterscheidet sich vom Spektrum des Schotteroberbaus durch (i) Verschiebung der Resonanzfrequenz zu niedrigeren Frequenzen Grund: weichere Lagerung (ii) Reduktion der Körperschallamplituden Grund: stärkere Dämpfung Beispiel: bei 80 Hz ist die Differenz?L zwischen den Schnellepegeln des Schotter- und ERS Oberbaus v Schotter 0.70 mm/ s DL = 20 log 20log = 20log 10 = 20 v = ERS 0.07mm/ s ( ) dbv

31 Zusammenfassung: Ein ERS-Oberbau reduziert die Körperschallemission eines Schienenfahrwegs im Vergleich zum herkömmlichen Schotteroberbau über einen großen Frequenzbereich

32 Luftschallmessungen

33 Agnes-Bernauer-Str. München Feste Fahrbahn Bauart INFUNDO München vorher (Mai 2002) Schotteroberbau

34 Agnes-Bernauer-Str. München nachher (Sept. 2002) Infundo ERS

35 Vergleich: Eingebettet vs. Schotter L [db] SchO eingebettet Luftschall Agnes-Bernauer-Str. eingebettet , Schotter f [Hz]

36 Teststrecke Waghäusel Universitätsprofessor Dr.-Ing. Eberhard Hohnecker (Deutsche Bahn AG) Langzeiterprobung von 7 Feste Fahrbahn Systemen

37 Waghäusel bei Karlsruhe Feste Fahrbahn Infundo ERS

38 Teststrecke Waghäusel erster Güterzug auf Schotteroberbau zweiter Güterzug auf Infundo ERS 90 Frequenzspektrum Schotteroberbau und Infundo-ERS Schotteroberbau Leq [db] (schotter) Zug 4 Leq [db] (Infundo) Zug INFUNDO , Hz

39 DB Teststrecke Waghäusel Universitätsprofessor Dr.-Ing. Eberhard Hohnecker Güterzug auf ERS Güterzug auf Schotteroberbau sound pressure [db] ,5 20 frequency [Hz]

40 Beim Infundo ERS liegt das Maximum der Luftschallemission bei einer niedrigeren Frequenz (ca. 600 Hz) als beim Schotteroberbau (ca Hz). Das Vorbeifahrtsgeräusch wird beim ERS daher als weniger störend empfunden als beim Schotteroberbau.

41 Ergebnisse der Luftschallmessungen a) für Frequenzen oberhalb von 1000 Hz hat ERS eine geringere Luftschallemission als der Schotteroberbau b) zwischen Hz besitzt ERS ein ausgeprägtes Maximum Wie kann die Luftschallemission einer Festen Fahrbahn weiter reduziert werden?

42 Mögliche Lösungen 1) Schallabsorbierende Gleiseindeckung führt zu Schallabsorption verbessert städtisches Mikroklima ( Grünes Gleis ) 2) Gleisnahes Lärm-Schutz-Bord blockiert und absorbiert Schall an der Quelle verbessert Sicherheit (Querungsschutz)

43 Wirkung des Lärm-Schutz-Bords (LSB)

44 Auswirkung Mehrfachreflexion der Absorption

45 Kombination bewährter schallmindernder Komponenten (Baukastenprinzip)

46 Schallreduktion durch schalllabsorbierende Gleiseindeckung Einfluß der Vegetation auf die Luftschallemission Schotter vs. Naturierungssystem Sedum Schotter

47 Schallreduktion durch gleisnahes Lärm-Schutz-Bord (LSB) zum Immissionsort Wagenkasten Schallstrahl Lärm-Schutz-Bord (LSB) Schallquelle (Rad)

48 ohne LSB Gleiseindeckung: Beton Straße 10m 10m Gleis 40m Wagenkasten Schallquelle (Rad)

49 mit LSB Gleiseindeckung: Beton Straße 10m 10m Gleis 40m Wagenkasten Lärm-Schutz-Bord Höhe = 0,335m Schallquelle (Rad)

50 ohne LSB Gleiseindeckung: Gras Straße 10m Wagenkasten 10m Gleis 40m Schallquelle (Rad)

51 mit LSB Gleiseindeckung: Gras 10m 10m 40m Gleis Straße Wagenkasten Lärm-Schutz-Bord Höhe = 0,335m Schallquelle (Rad)

52 Ergebnis der Modellrechnung: Erwarteter Schalldruckpegel [db(a)] bei 630 Hz Abstand vom Gleis: 10 m Höhe oberhalb Schienenoberkante: 3,5 m 630 Hz Beton Gras Ohne LSB 95 db(a) 90 db(a) Mit LSB 90 db(a) 83 db(a)

53 Ergebnis Die Kombination beider Maßnahmen schallabsorbierende Gleiseindeckung + gleisnahes Lärm-Schutz-Bord ergibt Schallpegelreduktionen von ca. 10 db(a).

54 Zusammenfassung Eine Feste Fahrbahn mit kontinuierlich-elastischer Lagerung und Einbettung der Schienen ( embedded rail system (ERS)) emittiert weniger Körperschall als ein Standard-Schotteroberbau. Ein FF-Gesamtsystem bestehend aus (i) ERS-Oberbau, (ii) schallabsorbierender Gleiseindeckung, (iii) Lärm-Schutz-Bord emittiert weniger Luftschall als ein Standard-Schotteroberbau.