Körperschall-Schutzmaßnahmen an Eisenbahnstrecken

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1 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken Grundlagen Prinzipien - Projekte Körperschall-Schutzmaßnahmen an Eisenbahnstrecken Grundlagen - Definitionen - Prinzipielle Lösungen Ausgeführte Projekte - Wirksamkeitskontrolle Beitrag zum Eisenbahnwesen-Seminar am Institut für Land- und Seeverkehr der Technischen Universität Berlin, am 10. Dezember 2007 von Dr.-Ing. habil. Rüdiger G. Wettschureck Beratender Ingenieur für Technische Akustik Gstädtstraße 36 - D Großweil Telefon +49 (8851) Telefax +49 (8851) Dr.RWettschureck@vr-web.de TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 1 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken Inhaltsübersicht Inhaltsübersicht Grundlagen - Begriffe - Definitionen Allgemeines: Luftschall, Körperschall, Erschütterungen, Sekundärluftschall Mechanismen der Körperschallentstehung im Rad/Schiene-Kontaktbereich Körperschalldämmung: Physikalische Grundlagen - Begriffe - Definitionen Prinzipielle Lösungen Orte für Maßnahmen: Gleis/Oberbau - Ausbreitungsweg - Gebäude Prinzipien am Oberbau: Schiene - Schwelle - Schotter - Gleistrog/-tragplatte Projekte - Wirksamkeit - Rechenmodell - Langzeitverhalten S-Bahnviadukt Berlin, Humboldthafen: elastische Schienenbefestigung S-Bahn Berlin, Bhf Friedrichstr. + Potsdamer Platz: Unterschottermatten S-Bahn Köln-Chorweiler: Masse-Feder-System + Unterschottermatten Rad/Schiene-Impedanzmodell Rechenmodell - Unterschottermatten Straßenbahn München: Leichtes Masse-Feder-System - LMFS S-Bahn München, Am Gasteig: Unterschottermatten Schlussbemerkungen TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 2

2 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken Allgemeines - Grundlagen - Begriffe Mechanismen der Körperschallentstehung - Allgemeines - Grundlagen - Begriffe - TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 3 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken Allgemeines - Grundlagen - Begriffe Primär-/Sekundär-Immissionen an Eisenbahnstrecken Bildquelle: TWINS - Track Wheel Interaction NoiseSoftware - bjager@ers.erri.nl Fahrende Züge erzeugen infolge von Rauhigkeiten an den Rad-/Schienenlaufflächen außer dem Rollgeräusch auch Schwingungen, die über den Fahrweg in den Untergrund eingeleitet werden und sich dort ausbreiten An der Schnittstelle Boden/Fundament findet eine Übertragung auf benachbarte Gebäude statt, wodurch diese ihrerseits zu Schwingungen angeregt werden Körperschall Ab einer bestimmten Schwingstärke können Bauteilschwingungen vom Menschen als spürbare Erschütterungen wahrgenommen werden Schwingende Gebäudeteile, vorzugsweise Decken und Wände, strahlen auch Schall in die umgebende Luft ab, der dann als sogenannter Sekundär-Luftschall hörbar werden kann TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 4

3 Körperschall Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken Allgemeines - Grundlagen - Begriffe Primär-/Sekundär-Immissionen an Eisenbahnstrecken In der Praxis wird zwischen den Begriffen Erschütterungen und Körperschall meist nicht unterschieden, vielmehr werden beide Begriffe etwas salopp als Synonyme verwendet Nach einer Definition im Cremer/Heckl, Körperschall ist unter dem Begriff Körperschall das Gebiet der Physik zu verstehen, Z i t a t "... das sich mit der Erzeugung, Übertragung und Abstrahlung von - meist sehr kleinen - zeitlich wechselnden Bewegungen und Kräften in festen Körpern beschäftigt. Dabei drückt die Bezeichnung "Schall" bereits aus, dass das Hauptaugenmerk bei den höheren Frequenzen - also etwa im Bereich von 16 Hz bis Hz (Anm.: dem menschlichen Hörbereich) - liegt Schwingungen und Wellen bei tieferen Frequenzen fallen meist in das Gebiet der mechanischen Schwingungen oder der Erdbebenwellen TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 5 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken Allgemeines - Grundlagen - Begriffe Primär-/Sekundär-Immissionen an Eisenbahnstrecken Primärluftschall Luftschall 8m-Punkt Erschütterungen Sekundär- Luftschall Schwingungs- Einleitung TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 6

4 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Entstehungsmechanismen Körperschallentstehung im Rad/Schiene-Kontaktbereich Bildquelle: TWINS - Track Wheel Interaction NoiseSoftware - bjager@ers.erri.nl Geschwindigkeitserregung infolge geometrischer Formabweichungen bei Rad und Schiene, z.b. Verriffelung von Rad und Schiene Parametrische Erregung infolge örtlich wechselnder Einsenkung der Schienenfahrfläche aufgrund von örtlich bzw. zeitlich wechselnder Steifigkeit z.b. Schwellen-/Achsabstandsfrequenz Massenkrafterregung Schwingungsanregung durch Unwuchten des drehenden Rades z.b. Raddrehfrequenz u. deren Harmonische TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 7 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Entstehungsmechanismen Geschwindigkeitserregung infolge von Schienenriffeln Reisezugwagen mit unterschiedlichen Bremsbauarten Zuggeschwindigkeit: v = 140 km/h, Riffeltiefe: 50 µm 100 Terz-Schalldruckpegel [db] Riffelwellenlänge 15,6 7,8 3,9 1,95 0,97 [cm] k 2k 4k 8k 16k Frequenz [Hz] Scheibenbremse: o. Riffeln 92,5 db(a) m. Riffeln 101 db(a) Grauguss-Klotzbremse: o. Riffeln 102 db(a) m. Riffeln 105 db(a) TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 8

5 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Entstehungsmechanismen Geschwindigkeitserregung infolge von Schlupfwellen Typische Schlupfwellen auf der Schienenfahrfläche Wellenlänge ca cm Foto: W. Daiminger, Müller-BBM GmbH TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 9 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Entstehungsmechanismen Geschwindigkeitserregung infolge von Schlupfwellen Terz-Schnellepegel [db] Körperschall an der Tunnelwand bei Vorbeifahrt des Triebzuges ET 420 mit v = 60 km/h auf Schotteroberbau der Bauart K 54 H mit Unterschottermatten k Frequenz [Hz] Vor dem Schienenschleifen Nach dem Schienenschleifen 15 Monate nach dem Schleifen der Schienenfahrfläche Quelle: DB/VersA-Bericht Nr , März 1987 TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 10

6 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Entstehungsmechanismen Einfluss von Schlupfwellen auf den Körperschall Terz-Pegeldifferenz [db] db Frequenz [Hz] + 20 db 200 Hz 200 Hz Verschlechterung durch Schlupfwellen Verbesserung durch eine leistungsfähige Minderungsmaßnahme TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 11 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Entstehungsmechanismen Parametrische Erregung: geschwindigkeitsabhängig Terz-Schnellepegel [db] Achsabstandsfrequenz Frequenz [Hz] Schwellenabstands[fach]frequenz frequenz s f s f f s [ km h] s [ m] v / = s Schwellenabstand 3, 6 bzw. Achsabstand Körperschall im Boden 8 m seitlich einer oberirdischen Eisenbahnstrecke bei Vorbeifahrt des ICE 1 auf Schotteroberbau W60 B70 Parameter: Geschwindigkeit v [km/h] 100 km/h 160 km/h 200 km/h 250 km/h TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 12

7 Terz-Schnellepegel [db] Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Entstehungsmechanismen Rad/Schiene-Resonanz: geschwindigkeitsunabhängig k Frequenz [Hz] Rad/Schiene-Resonanzfrequenz Resonanzfrequenz 55 Hz f R/S Schotteroberbau im Tunnel: Körperschall an der Tunnelwand bei Vorbeifahrt des Triebzuges ET 420 Parameter: Geschwindigkeit v [km/h] v = 30 km/h v = 60 km/h v = 120 km/h v = 120 km/h f s,30,30 14 Hz f s,60,60 28 Hz f s, Hz f R/S 55 Hz f a, Hz TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 13 f RS 1 2π s m Sch R s Sch Schienensteife m R wirksame Masse Terz-Schnellepegel [db] Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Entstehungsmechanismen Parametrische Erregung und Rad/Schiene-Resonanz k Frequenz [Hz] Rad/Schiene-Resonanzfrequenz Resonanzfrequenz 12 Hz f R/S Masse-Feder-System im Tunnel: Körperschall an der Tunnelwand bei Vorbeifahrt des Triebzuges ET 420 Parameter: Geschwindigkeit v [km/h] f as RS Rad/Schiene-Resonanz Schwellenabstandsfrequenz Achsabstandsfrequenz Resonanz a ff R/S s f [ 1km hs ] as [ m ] v / = 3, 6 2π as Sch Achsabstand Schienensteife Schwellenabstand wirksame Masse v = 30 km/h: f s,30 14 Hz v = 60 km/h: f s,60 28 Hz v = 120 km/h: f s, Hz v = 120 km/h: f a, Hz TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 14 Sch w m w

8 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Grundlagen - Definitionen Körperschalldämmung - Grundlagen - Definitionen - TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 15 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Grundlagen - Definitionen Körperschalldämmung - Auszug aus Reallexikon der Akustik Und der vorgeschalteten Konstruktion Impedanz der Quelle!! TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 16

9 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Grundlagen - Definitionen Typische Eingangsimpedanz verschiedener Unterbauarten Terz-Impedanzmaße des mittleren Betrages der Eingangs(Punkt)impedanz von Fahrbahnen von Brücken L 30 db Bereich der Federungs- Impedanz von USM Stahlbrücken: Streuband aus Messungen an der Fahrbahn von 10 Brücken unterschiedlicher Bauart Stahlbeton-Verbundbrücke: Doppel-T-Stahltragwerk mit einer 40 cm dicken Betonfahrbahnplatte Tunnelbauwerke: Streuband aus Messungen an der Tunnelsohle der 4 typischen Tunnelbauformen TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 17 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Grundlagen - Definitionen Körperschall-Leistung mittleres Schnellequadrat Ein Maß für die Körperschall-Leistung in der Struktur ist das mittlere Schnellequadrat v~ 2 = ~ 2 F Re ω m η { 1/ Z} v~ 2, F ~, Z, m,η F Effektivwert der anregenden Wechselkraft Z Eingangsimpedanz der Struktur am Ort der Krafteinleitung m Masse der Struktur η Verlustfaktor der Struktur Dämpfung ω Kreisfrequenz Ziel: Reduzierung von ~ 2 v!! TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 18

10 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Grundlagen - Definitionen Kenngrößen zur Beschreibung der Wirksamkeit von Körperschallschutzmaßnahmen (1) 1 Abstimmfrequenz f 0 [Hz] Tiefste vertikale Eigenfrequenz des auf dem Untergrund elastisch abgefederten Schwingungssystems Fahrzeug/Oberbau f 0 1 2π s m Es bedeuten s dynamische Federsteife des maßgeblichen Federelementes m dynamisch wirksame Masse des untersuchten Schwingungssystems TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 19 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Grundlagen - Definitionen Abstimmfrequenz f 0 - Erläuterung am Beispiel des Ein-Massen-Schwingers - F e F e erregende Kraft (von außen einwirkend) m m Masse (dynamisch wirksame) s komplexe Federsteife (des Federelements) s F ü übertragene Kraft (Auflagerkraft) Fundament F ü Abstimmfrequenz : f = 0 1 2π s m TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 20

11 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Grundlagen - Definitionen Übertragungsmaß 10 lg(f ü /F e ) [db] Parameter: Verlustfaktor η (Dämpfung) Übertragungsmaß [db] Frequenz [Hz] Abstimmfrequenz f 0 Verschlechterung Verbesserung η = η = 0,2 η = 1,0 Verbesserung für Frequenzen f 2 f 0 TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 21 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Grundlagen - Definitionen Kenngrößen zur Beschreibung der Wirksamkeit von Körperschallschutzmaßnahmen (2) 2 Einfügungsdämm-Maß L e [db] Größe zur Quantifizierung der durch die Einfügung einer Minde- rungsmaßnahme nahme erzielten Verminderung des in die angrenzende Struktur eingeleiteten Körperschalls L e ist definiert als das Verhältnis von Körperschll-Leistungen nach der Beziehung L = 10 log e 10 Pk P o m k db o / m Pk : die ohne/mit Maßnahme eingespeiste Körperschall-Leistung TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 22

12 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Grundlagen - Definitionen Definition des Einfügungsdämm-Maßes L e L =10 log e 10 Pk P o m k db ~ P ~, P ~ P, F, v~, Z o o o m m m K, Fa, va Z a K a a a o / m k ~ F o / m k ~ o / m vk Z a : Eingespeiste Körperschallleistung ohne/mit Maßnahme : eingeleitete Wechselkraft ohne/mit Maßnahme : Schwingschnelle in der Struktur ohne/mit Maßnahme : Eingangsimpedanz an der Stelle der Krafteinleitung TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 23 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Grundlagen - Definitionen Definition des Einfügungsdämm-Maßes L e (2) Nach Umformung der Definitionsgleichung für L e erhält man: ~ o2 1 Fa Re o Za L v~ o2 o a Re{ Za } e = 10 log db oder Le = 10 log db m m ~ m2 1 v~ 2 a Re{ Za } Fa Re m Za Setzt man voraus, dass die Abschlussimpedanz Z a an den Orten ohne bzw. mit Maßnahme identisch ist, so folgt für L e : ~ o2 F v~ o2 a a Le = 10 log10 ~ = 10 log = Lo Lm db m2 10 m2 F v~ a L e wird durch die Messung der Pegel L o und L m - vorzugsweise in Terz-Bandbreite als Funktion der Terz-Mittenfrequenz - bestimmt a TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 24

13 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Allgemeine Prinzipien Körperschall-Schutzmaßnahmen - Allgemeine Prinzipien - TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 25 Einbauorte für Körperschallschutz-Maßnahmen KS-Schutzmaßnahmen nahe der Körperschallquelle, d.h. am Oberbau oder/und am Unterbau des Fahrwegs KS-Schutzmaßnahmen im Ausbreitungsweg durch Schwingungsabsorber (schwere Betonklötze seitlich d. Gleises) Dämmung an Impedanzsprüngen im Ausbreitungsweg durch Schichten hoher spezifischer Masse oder niedriger dynamischer Steife (z.b. schwere Abschirmwände, elastische Erdschlitze) Wave impedance blocks (WIBs), d.h. Einbau von Betonblöcken unter dem Gleis oder dem Gebäude KS-Schutzmaßnahmen am Gebäude durch Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Allgemeine Prinzipien Elastische Gebäudelagerung (komplett oder ab Kellerdecke) Seitliche Abschirmung (Bereich aufsteigender Kellerwände) TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 26

14 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Allgemeine Prinzipien Das Problem Körperschall-Übertragung S-Bahntunnel Konzertsaal Konzertsaal S-Bahntunnel TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 27 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Allgemeine Prinzipien Lösung 1: Raum-in-Raum Konstruktion S-Bahntunnel TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 28

15 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Allgemeine Prinzipien Lösung 2: Elastische Lagerung des Konzertsaalgebäudes S-Bahntunnel TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 29 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Allgemeine Prinzipien Lösung 3: Elastischer Schlitz zwischen Tunnel und Gebäude S-Bahntunnel TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 30

16 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Allgemeine Prinzipien Lösung 4: Maßnahmen nahe der Körperschallquelle Einbau einer Körperschallschutzmaßnahme zwischen Gleisbett und Tunnelsohle, z.b. Unterschottermatten TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 31 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Grundlagen - Begriffe Schotteroberbau Prinzip + Bauart W60 B70 Querschnitt (Prinzipskizze) Gleisrost Neubaustrecke Hannover-Würzburg Schnellfahrversuche des ICE-V 1986 Schotterbett Planumsschutzschicht Verdichtetes Planum Neubaustrecke Hannover-Würzburg Bereich Südportal Mühlbergtunnel TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 32

17 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Grundlagen - Begriffe Feste Fahrbahn - Bauart Rheda 2000 Bauart Rheda (Classic) bis Rheda 2000 Baustelle NBS Nürnberg-Ingolstadt Quelle: Foege Th. et al., ETR 54 (2005), H. 1/2 TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 33 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Prinzipielle Lösungen am Oberbau Typische Positionen der Elastizitäten am Oberbau - Schotteroberbau und Feste Fahrbahn (FF) - Zwischenplatte Zwp unter der Rippenplatte Feste Fahrbahn Schotterbett unter der Schwelle Schotteroberbau Elastische Troglager Masse-Feder-Systeme Zwischenlage Zwl unter dem Schienenfuß Schotteroberbau+Feste Fahrbahn Schwellenlager/-sohle Schotteroberbau Schwellenschuh Feste Fahrbahn Unterschottermatte (bzw. Gleisbettmatte) Schotteroberbau!! Achtung: Körperschall-Schutzmaßnahmen sind nicht an allen Positionen gleichzeitig realisierbar bzw. sinnvoll!! Bildquelle: TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 34

18 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Prinzipielle Lösungen am Oberbau Prinzipien der Körperschalldämmung am Oberbau - von der Schiene ausgehend nach unten gesehen - 1 (Hoch)elastische Schienenbefestigungen Kontinuierliches Schienenlager: KES - speziell bei Straßenbahnen eingesetzt Abstimmfrequenz f 0 10 Hz?? Zw Zwp Zwischenplatte Zwp Einzel-Schienenlager mit Zwp: z.b. zur akustischen Sanierung schotterloser, direkt befahrener Stahlbrücken Abstimmfrequenz f 0 25 Hz TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 35 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Prinzipielle Lösungen am Oberbau 2 Elastische Schwellenlager Elastische Schwellensohlen: Akustische Sanierung von Brücken, insbesondere Buckelblechbrücken Abstimmfrequenz f 0 25 Hz Elastische Schwellenschuhe: Systeme bei SNCF oder bei diversen Straßenbahnen, z.b. Genf, Grenoble Abstimmfrequenz f 0 25 Hz Bildquelle: TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 36

19 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Prinzipielle Lösungen am Oberbau Schwellenlager Elastische Schwellenlager - Einbausituation Schnitt A Federschicht Lastverteilerschicht Bildquelle: TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 37 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Prinzipielle Lösungen am Oberbau 3 Elastische Gleisbettmatten Unterschottermatten Typischer Aufbau in einem Tunnel mit zylindrischem Querschnitt Abstimmfrequenz: f 0 15 Hz Seitenmatte Unterschottermatte TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 38

20 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Prinzipielle Lösungen am Oberbau 4 Elastische Lagerung der Gleistragplatte: Schottertrog oder Feste Fahrbahn Masse-Feder-System (MFS) Typischer Aufbau in einem Tunnel mit zylindrischem Querschnitt Masse = Schottertrog oder Betontragplatte Abstimmfrequenz: f 0 5 Hz Feder = elastische Lager TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 39 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Prinzipielle Lösungen am Oberbau Prinzipien der Lagerung bei Masse-Feder Feder-Systemen (MFS) Punktförmige Lagerung: Bei extrem tiefer Abstimmung Ausführung mit Stahlfedern und Viscodämpfern Streifenförmige Lagerung: Häufig in Verbindung mit ca. 1 m langen Fertigteiltrögen, siehe U-Bahn München Vollflächige Lagerung: Als LMFS Einsatz bei Straßenbahnen und auch in Strecken des HGV Bildquelle: TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 40

21 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Ausgeführte Projekte - Wirksamkeit Körperschall-Schutzmaßnahmen - Ausgeführte Projekte - Wirksamkeit - TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 41 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Ausgeführte Projekte - Wirksamkeit Neuer Hbf Berlin - ehemals Lehrter Bahnhof: Sommer 2006 Bildquelle: TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 42

22 Stahlhilfsbrücke Berlin-Humboldthafen - Elastische Schienenbefestigung Baustelle Hbf Berlin - Blick vom Lehrter Stadtbahnhof: Sommer 2000 TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 43 Stahlhilfsbrücke Berlin-Humboldthafen - Elastische Schienenbefestigung Baustelle Hbf Berlin Blick Richtung Reichstag: Sommer 2000 TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 44

23 Stahlhilfsbrücke Berlin-Humboldthafen - Elastische Schienenbefestigung Viadukte der Stadtbahn Berlin Blick auf die Stahlhilfsbrücke Foto: W. Weißenberger, Müller-BBM GmbH TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 45 Stahlhilfsbrücke Berlin-Humboldthafen - Elastische Schienenbefestigung Zustand vor dem Umbau - starre Schienenbefestigung Zw Starre Befestigung Foto: W. Weißenberger, Müller-BBM GmbH Zwischenlage Zw: sehr steif Federziffer: c stat 500 MN/m Starre Befestigung, Keine elastische Zwischenplatte Zwp TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 46

24 Stahlhilfsbrücke Berlin-Humboldthafen - Elastische Schienenbefestigung Zustand nach dem Umbau - elastische Schienenbefestigung Zw Zwp Zwischenplatte Zwp Foto: W. Weißenberger, Müller-BBM GmbH Zwischenlage Zw: sehr steif Federziffer: c stat 500 MN/m Zwischenplatte Zwp: dynamisch weich Federziffer: c stat = 18 kn/mm TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 47 Stahlhilfsbrücke Berlin-Humboldthafen - Elastische Schienenbefestigung Luftschallmessung: Messposition unter der Brücke Messmikrofon Foto: W. Weißenberger, Müller-BBM GmbH TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 48

25 Stahlhilfsbrücke Berlin-Humboldthafen - Elastische Schienenbefestigung Luftschallmessung: Messposition vor geöffnetem Fenster Messmikrofon Foto: W. Weißenberger, Müller-BBM GmbH TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 49 Stahlhilfsbrücke Berlin-Humboldthafen - Elastische Schienenbefestigung Pegeldifferenz vorher/nachher am Messpunkt unter der Brücke Mittelwert und Streubereich von beiden Gleisen und allen Zugarten 20 Pegeldifferenz [db] Minderung des A-Schallpegels vor dem geöffneten Fenster eines betroffenen Gebäudes: L A 6 db(a) k 2k 4k 8k Frequenz [Hz] f o 40 Hz Quelle: Wettschureck R G, Diehl R J, Rail Engineering International, Edition 2000, No. 4, pp TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 50

26 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Ausgeführte Projekte - Wirksamkeit Baustelle Lehrter Bhf Berlin - Blick nach Osten: Sommer 2000 Blick nach Osten: Hochhaus am S-Bhf Friedrichstraße TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 51 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Ausgeführte Projekte - Wirksamkeit S-Bhf Friedrichstraße, Berlin: Sommer 2000 S-Bahnhof Friedrichstraße Ost-West-Linie Baustelle Dorotheen Höfe S-Bahntunnel der Nord-Süd-Linie TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 52

27 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Ausgeführte Projekte - Wirksamkeit Unterschottermatten im S-Bhf Friedrichstraße, Berlin Baustelle Dorotheen Höfe : Draufsicht Gleis 1 Süd Gleis 2 Nord Historische und jetzige Baulinie TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 53 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Ausgeführte Projekte - Wirksamkeit Unterschottermatten im S-Bhf Friedrichstraße, Berlin Baustelle Dorotheen Höfe : Querschnitt Abdeckplatte: (Bodenplatte des neuen Gebäudes) Erneuert aus sta- tischen Gründen Historische und jetzige Baulinie Neu: Erweiterung um zwei Etagen einer Tiefgarage Gleis 2: Nord Gleis 1: Süd TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 54

28 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Ausgeführte Projekte - Wirksamkeit Unterschottermatten im S-Bhf Friedrichstraße, Berlin Voraussetzungen - Planungsgrundlagen Aufgrund des statischen Konzepts der Konstruktion folgte: Maßnahmen nur am Gebäude nicht ausreichend Wegen der hohen Anforderungen war eigentlich ein tief abgestimmtes Masse-Feder Feder-System erforderlich Aus baulichen und betrieblichen Gründen war ein Masse- Feder-System jedoch nicht realisierbar, daher Einbau hoch wirksamer Unterschottermatten (USM) Wirksamkeit der Maßnahme durch Messungen vorher / nachher und Berechnungen mittels SDOF-Modell ermittelt Einfügungsdämm-Maß Maß, Rechnung / Messung TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 55 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Ausgeführte Projekte - Wirksamkeit S pez. Steifigkeit [ N/mm³] Unterschottermatten im S-Bhf Friedrichstraße, Berlin Elastische Eigenschaften der USM Sylodyn CN 235 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 static 10 Hz 20 Hz 40 Hz 80 Hz 160 Hz Statisch Dynamisch 0,00 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 Pressung [N/mm²] Statische Tangentensteife Dynamische Steifigkeit bei verschiedenen Frequenzen ---Charakteristischer Wert zur Berechnung von L e s = 0,022 N/mm³ Anmerkung: Statischer Bettungsmodul nach DB-TL : c = 0,02 N/mm³ TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 56

29 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Ausgeführte Projekte - Wirksamkeit Unterschottermatten im S-Bhf Friedrichstraße Berlin - Baustelle (1) Auslegen der in Rollen angelieferten Mattenbahnen TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 57 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Ausgeführte Projekte - Wirksamkeit Unterschottermatten im S-Bhf Friedrichstraße Berlin - Baustelle (2) Verkleben der Mattenbahnen mittels Stufenfalz TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 58

30 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Ausgeführte Projekte - Wirksamkeit Unterschottermatten im S-Bhf Friedrichstraße, Berlin 40 Einfügungsdämm-Maß [db] Rechnung Berechnetes Einfügungsdämm-Maß der USM Sylodyn CN 235 Vergleich mit Messwerten -10 Mittelwert Süd Mittelwert Nord Frequenz [Hz] o f 17 Hz Quelle: Wettschureck R G, Daiminger W, Proceedings D-A-CH-Tagung 2001, Innsbruck, 2001, pp TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 59 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Ausgeführte Projekte - Wirksamkeit Unterschottermatten im S-Bahnhof Potsdamer Platz, Berlin Vogelperspektive der betroffenen Bauvorhaben TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 60

31 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Ausgeführte Projekte - Wirksamkeit Unterschottermatten im S-Bahnhof Potsdamer Platz, Berlin Ansicht der betroffenen Bauvorhaben Delbrück-Tower Lenéstraße 1 Beisheim-Center S-Bhf Potsdamer Platz Nord-Süd S-Bahn D.E.R. / Kanadische Botschaft TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 61 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Ausgeführte Projekte - Wirksamkeit Unterschottermatten im S-Bhf Potsdamer Platz, Berlin Wirksamkeit der Unterschottermatten Pegeldifferenz [db] Gemessenes Einfügungsdämm-Maß der USM Sylodyn CN 235 Vergleich mit Rechenwerten Frequenz [Hz] Messung Rechnung o f 17 Hz Quelle: Achilles S, Wettschureck R G, Proceedings French/German Joint Meeting - CFA/DAGA 04, Strassbourg, 2004 TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 62

32 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Ausgeführte Projekte - Wirksamkeit Unterschottermatten im S-Bhf Potsdamer Platz, Berlin Maximalwerte der Schwingschnelle, vor / nach Einbau der USM Schwingschnelle [mm/s] ohne USM mit USM 0.0 D.E.R. Kanadische Botschaft DELBRÜCK- TOWER BEISHEIM- CENTER SÜD BEISHEIM- CENTER NORD LENNÉSTR. 1 (TUNNEL) LENNÉSTR. 1 LENNÉSTR. 1 (BASEMENT) (EXIT) v = 0,1 mm/s Fühlbarkeitsschwelle Quelle: Achilles S, Wettschureck R G, Proceedings French/German Joint Meeting - CFA/DAGA 04, Strassbourg, 2004 TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 63 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Ausgeführte Projekte - Wirksamkeit Körperschall-Schutzmaßnahmen in einem Kölner S-Bahntunnel Bereiche der durchgeführten Maßnahmen mit Anforderungen Sehr hohe Anforderungen Bereich 1: Länge 170 m USM 1 dynamisch sehr sehr weich Extrem hohe Anforderungen Bereich 2: Länge 230 m Masse-Feder Feder-System Einfamilienhaus System TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 64

33 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Ausgeführte Projekte - Wirksamkeit Körperschall-Schutzmaßnahmen in einem Kölner S-Bahntunnel Bereiche durchgeführter Maßnahmen mit Anforderungen Hohe Anforderungen Bereich 3: Länge: 970 m USM 2 dynamisch weich Tunnelmund Kontrollabschnitt TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 65 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Ausgeführte Projekte - Wirksamkeit Körperschall-Schutzmaßnahmen in einem Kölner S-Bahntunnel TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 66

34 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Ausgeführte Projekte - Wirksamkeit Körperschall-Schutzmaßnahmen in einem Kölner S-Bahntunnel Spezifikation der Maßnahmen in den Bereichen 1-3 Bereich 1: Anforderungen sehr hoch Länge 170 m Unterschottermatte 1 (dynamisch weich ) Bettungsmodul c stat = 0,03 N/mm³; s dyn 0,035 N/mm³ Bereich 2: Anforderungen extrem hoch Länge 230 m Masse-Feder Feder-System - Bauart ZÜBLIN, Z Masse: 4000 kg/m - Punktförmige Troglager, Federziffer: Statisch: 14 MN/m; dynamisch: 17 MN/m Bereich 3: Anforderungen hoch Länge 570 m Unterschottermatte 2 (Standard) Bettungsmodul c stat = 0,03 N/mm³; s dyn 0,045 N/mm³ TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 67 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Ausgeführte Projekte - Wirksamkeit Körperschall-Schutzmaßnahmen in einem Kölner S-Bahntunnel Bereich 2: Masse-Feder-System, Bauart ZÜBLIN - Draufsicht Elastische Lager Öffnungen Nischen für hydraulische Pressen Quelle: Wettschureck R G et al., Rail Engineering International, Edition 1999, No. 4, pp TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 68

35 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Ausgeführte Projekte - Wirksamkeit Körperschall-Schutzmaßnahmen in einem Kölner S-Bahntunnel Bereich 2: Masse-Feder-System, Bauart ZÜBLIN - Querschnitt rail fastening Ioarg 336 Öffnung S.O. Nischen für hydraulische Pressen Elastische Lager Quelle: Wettschureck R G et al., Rail Engineering International, Edition 1999, No. 4, pp TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 69 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Ausgeführte Projekte - Wirksamkeit Körperschall-Schutzmaßnahmen in einem Kölner S-Bahntunnel Masse-Feder-System, Bauart ZÜBLIN - Bauphase TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 70

36 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Ausgeführte Projekte - Wirksamkeit Körperschall-Schutzmaßnahmen in einem Kölner S-Bahntunnel Masse-Feder-System, Bauart ZÜBLIN - Einbauöffnung Quelle: TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 71 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Ausgeführte Projekte - Wirksamkeit Körperschall-Schutzmaßnahmen in einem Kölner S-Bahntunnel Vergleich der Wirksamkeit der eingebauten Maßnahmen Schnellepegel [db re. 5x10-8 m/s] , Frequenz [Hz] Schnellepegel-Terzspektren Gemessen an der Tunnelwand vor und nach Einbau der Maßnahmen, Mittelwert Gleis Vor Umbau: Schotteroberbau o o Nach Umbau: USM 2 (Standard) Nach Umbau: USM 1 ( weich ) Nach Umbau: MFS, f 0 = 10 Hz Quelle: Wettschureck R G et al., Rail Engineering International, Edition 1999, No. 4, pp TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 72

37 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Ausgeführte Projekte - Wirksamkeit Körperschall-Schutzmaßnahmen in einem Kölner S-Bahntunnel Abstimmfrequenz des Masse-Feder-Systems: f o 10 Hz KB max -Wert 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0,55 0,08 Gleis 1 EG 2,0 1,9 0,22 Gleis 1 2. OG 0,62 0,10 0,35 Gleis 2 Gleis 2 EG 2. OG Maximale KB-Werte 1) KB max Gemessen in einem Einfamilienhaus oberhalb des Tunnels vor/nach Einbau des Masse-Feder-Systems Vor Einbau Nach Einbau Fühlbarkeitsschwelle: KB = 0,1 1) Diese Werte entsprechen in etwa den Maximalwerten v max der Schwingschnelle, da die KB-Bewertung erst für Frequenzen unterhalb der Hochpass-Grenzfrequenz des KB-Filters von f 0 = 5,6 Hz einsetzt Quelle: Wettschureck R G et al., Rail Engineering International, Edition 1999, No. 4, pp TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 73 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Ausgeführte Projekte - Wirksamkeit Körperschall-Schutzmaßnahmen in einem Kölner S-Bahntunnel Vergleich Sollkurve - Rechnung Messung für die USM 1 ( weich ) 40 Pegeldifferenz [db] Frequenz [Hz] Sollkurve USM Grenzkurve USM Rechnung: 3000 kg ET420 bzw. Lok BR143 Messung USM 1 weich Energetischer Mittelwert aus Lok BR Bx-Wagen TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 74

38 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Wirksamkeit - Rechenmodell USM Körperschall-Schutzmaßnahmen - Wirksamkeit - Rechenmodell USM - TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 75 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Wirksamkeit - Rechenmodell USM Rad/Schiene-Impedanzmodell mit Rauhigkeitsanregung - RIM Tunnelsohle Wagenkasten / Drehgestell im m W Wagenkastenmasse (anteilig) s W betrachteten Drehgestell-Wagen-Feder Frequenzbereich Sekundärfeder m D Drehgestellmasse (anteilig) dynamisch abgekoppelt s D Rad-Drehgestell-Feder Primärfeder m R Radsatzmasse Dynamisch (vereinfacht) wirksame Masse s KR Kontaktfeder Radanteil Rauhigkeit / Anregung r t Rauhigkeitsverlauf Rauhigkeitsband ohne/mit USM identisch s KS Kontaktfeder Schienenanteil m 1 Schiene s 1 Zwischenlage Schotteroberbau Zwl m 2 Schwelle bzw. Rippenplatte s 2 Eingefügte BettungsfederUnterschottermatte (USM) Tunnelsohle TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 76

39 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Wirksamkeit - Rechenmodell USM Einfügungsdämm-Maß von Unterschottermatten - Rechenmodell Weitere - Voraussetzungen - Annahmen (1) Der Ort der einwirkenden Wechselkraft ist quasi konstant D.h., die zeitliche Änderung des Anregungsortes bei der Überfahrt des Fahrzeugs bleibt unberücksichtigt Diese Vereinfachung ist möglich, da die Fahrgeschwindigkeit in der Regel sehr viel kleiner ist als die Wellengeschwin- digkeiten in den beteiligten Medien Bei Hochgeschwindigkeitszügen auf sehr weichem Untergrund ist diese Annahme u.u. nicht mehr zutreffend, siehe z.b. X2000 auf soft soil an der schwedischen Westküste TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 77 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Wirksamkeit - Rechenmodell USM Einfügungsdämm-Maß von Unterschottermatten - Rechenmodell Weitere - Voraussetzungen - Annahmen (2) Unterhalb der Schwellen wird eine ebene Wellenausbreitung angenommen, die durch die Zweitor-Theorie erfasst wird Im vereinfachten Modell nicht eingezeichnete Dämpfungen werden mit dem Verlustfaktor d durch Einführung komplexer E-Moduli berücksichtigt E = /E/(1 + jd) Die im Betriebsgleis auch stattfindende Momentenübertragung auf den Untergrund (z.b. Tunnelsohle) ist von untergeordneter Bedeutung und kann daher vernachlässigt werden TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 78

40 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Wirksamkeit - Rechenmodell USM Einfügungsdämm-Maß von Unterschottermatten - Rechenmodell [Nach Wettschureck R G und Kurze U J, Acustica 58 (1985)] Ausgangspunkt: Gl. für elastische Lagerungen, z.b. einer Maschine: L = 10 lg e 1 / Z F / Z + 1 / Z i a 2 db Quell -Impedanz Z i Federimpedanz Z F Abschlussimpedanz Z a TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 79 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Wirksamkeit - Rechenmodell USM Einfügungsdämm-Maß von Unterschottermatten - Rechenmodell Definition der maßgeblichen Impedanzen Z 1 Federimpedanz der Unterschottermatte Z F Hierin ist: Z F,, sm sm SW = = jω jω ( 1+ j d ) s M die dynamische Steife der USM ( repräsentativer Wert im relevanten Last- und Frequenzbereich) d M der Verlustfaktor der USM (bzw. des Schwingungssystems mit USM) S W die Wirkfläche (die aus dem Lastkegel im Schotterbett zu berechnen ist) ω die Kreisfrequenz j die imaginäre Einheit TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 80 M Quelle: Wettschureck R G, Kurze U J, Acustica 58 (1985), pp

41 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Wirksamkeit - Rechenmodell USM 2 Quellimpedanz Z i Die Impedanz der Quelle - bestehend aus den im interessierenden Frequenzbereich dynamisch wirksamen Anteilen des Fahrzeugs und des Schotteroberbaus - ist wie folgt definiert: 1 ss ω01 s s komplexe Steife des Schotters Zi 1 jω ω ω 01 Resonanzkreisfrequenz s s ω01 = 1. 7 B m l ω 01 s s m ω 0 = ω 01 s s M s sm m 1 2 B Biegesteife der Schiene l Bezugslänge m dynamisch wirksame Masse Resonanz des Systems ohne USM (Vereinfacht für üblichen Schotteroberbau) Resonanz des Systems mit USM (Vereinfacht für üblichen Schotteroberbau) Quelle: Wettschureck R G, Kurze U J, Acustica 58 (1985), pp TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 81 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Wirksamkeit - Rechenmodell USM 3 Abschlussimpedanz Z a Die Abschlussimpedanz Z a des Schwingungssystems ist gegeben durch die mechanische Eingangsimpedanz des Unterbaus Hierbei sind in der Praxis folgende Unterbautypen zu unterscheiden: Tunnelsohle (verschiedener Bauformen) Planum oberirdischer Strecken Brückenfahrbahn (Stahlbeton-,, Stahlbetonverbund-,, Stahl-Brücken) Im Tunnel ist generell die Abschlussimpedanz Z a im Vergleich zur Quellimpedanz Z i groß, so dass man für L e folgende einfache Formel erhält: L e = 20 lg s / s s M 01 / ( ω ω ) 2 db Quelle: Wettschureck R G, Kurze U J, Acustica 58 (1985), pp TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 82

42 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Wirksamkeit - Rechenmodell USM Einfügungsdämm-Maß von USM - Validierung des Rechenmodells Für f >> f 01 erhält man: L = 20 lg 1 + e s s s M db f 1 2π sm m f π ss m Ergibt im vorliegenden Fall: L e (f >> f 01 ) 20 db Ergebnis für die USM B 851 München Am Gasteig, ET420 Vergleich Rechnung - Messung Messung vor/nach Einbau 1983 Rechnung: vor Umbau 1983 m = 3000 kg 0 Quelle: Wettschureck R G, Proceedings Inter-Noise 85, München, 1985, pp TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 83 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Wirksamkeit - Rechenmodell USM Körperschall-Schutzmaßnahmen in einem Kölner S-Bahntunnel Vergleich Sollkurve - Rechnung Messung für die USM 1 ( weich ) 40 Pegeldifferenz [db] Frequenz [Hz] Sollkurve USM Grenzkurve USM Rechnung: 3000 kg ET420 bzw. Lok BR143 Messung USM 1 weich Energetischer Mittelwert aus Lok BR Bx-Wagen TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 84

43 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Wirksamkeit - Rechenmodell USM Körperschall-Schutzmaßnahmen in einem Kölner S-Bahntunnel Züge des S-Bahnverbundes Rhein/Ruhr Lokbespannter Wendezug E-Lok / Bx-Wagen m 3000 / 1500 kg Triebzug Baureihe ET 423 (neu) m 2000 kg Triebzug Baureihe ET 420 (alt) m 3000 kg Bildquelle: TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 85 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Wirksamkeit - Rechenmodell USM Körperschall-Schutzmaßnahmen in einem Kölner S-Bahntunnel Vergleich Messung - Rechnung - Sollkurve für die USM 1 ( weich ) Pegeldifferenz [db] , k Frequenz [Hz] Messung USM 1 weich Sollkurve USM Grenzkurve USM Rechnung: 1500 kg / Rzw Rechnung: 3000 kg / ET420 E-Lok Rechnung: 2000 kg / ET423 TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 86

44 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Wirksamkeit - Rechenmodell USM Einfügungsdämm-Maß von USM Einfluss der Mattensteife Parameter: dynamische Steife der Matte s M,i [N/mm³] 30 s M,1 = 0,02 N/mm³ Einfügungsdämmaß [db] S M,i s M,2 = 0,04 N/mm³ s M,3 = 0,08 N/mm³ s M,4 = 0,16 N/mm³ Frequenz [Hz] Quelle: Wettschureck R G, Rail Engineering International Edition 1997, No. 1, pp TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 87 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Wirksamkeit - Rechenmodell USM Einfügungsdämm-Maß von USM Einfluss der wirksamen Masse Parameter: dynamisch wirksame Masse m i [kg] 30 m 1 = 1000 kg Einfügungsdämmaß [db] m i m 2 = 2000 kg m 3 = 3000 kg m 4 = 4000 kg Frequenz [Hz] Quelle: Wettschureck R G, Rail Engineering International Edition 1997, No. 1, pp TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 88

45 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Wirksamkeit - Rechenmodell USM Einfügungsdämm-Maß von USM Einfluss der Untergrundsteife Parameter: Verdichtungsmodul des Planums E v2,i [N/m²] nach DIN E v2,5 = N/m² Einfügungsdämm-Maß [db] Frequenz [Hz] E v2,i E v2,4 = N/m² E v2,3 = N/m² E v2,2 = N/m² E v2,1 = N/m² Quelle: Wettschureck R G, Rail Engineering International Edition 1997, No. 1, pp TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 89 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Ausgeführte Projekte - Wirksamkeit Leichtes Masse-Feder-System - LMFS - Straßenbahn München Querschnitt der vollflächig elastisch gelagerten Gleistragplatte 1 Bordstein; 2 Elastischer Fugenverguss;3 Rillenschiene; 4 Schienenkammerfüllelement; 5 Asphalt (Pflaster oder Beton) 6 Betonfüllung; 7 Gleistragplatte aus (bewehrtem) Beton 8 Elastische Boden- und Seitenmatte Sylomer LR Verfestigte untere Tragschicht; Masse 10 Ausgleichsschicht (z.b. elastischer Schienenunterguss) Feder TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 90

46 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Ausgeführte Projekte - Wirksamkeit Leichtes Masse-Feder-System - LMFS - Straßenbahn München Schritt 1: Auslegung von Geotextilbahnen auf dem vorbereiteten Untergrund nach den Erd- oder Aufbrucharbeiten TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 91 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Ausgeführte Projekte - Wirksamkeit LMFS der Straßenbahn München - Prinzipieller Bauablauf Schritt 2: Auslegen der Bodenmatten auf den Geotextilmatten TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 92

47 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Ausgeführte Projekte - Wirksamkeit LMFS der Straßenbahn München - Prinzipieller Bauablauf Schritt 3: Einbringung der gegebenenfalls notwendigen Bewehrung und der Schalung für Trennungsfugen TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 93 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Ausgeführte Projekte - Wirksamkeit LMFS der Straßenbahn München - Prinzipieller Bauablauf Schritt 4: Einbringen, Verdichten und Abziehen des Betons für die Gleistragplatte TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 94

48 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Ausgeführte Projekte - Wirksamkeit LMFS der Straßenbahn München - Prinzipieller Bauablauf Schritt 5: Auslegen, Richten und Eindecken des Rahmengleises (auch andere Bauarten möglich, wie z.b. Bi-Blockschwellengleis ) TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 95 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Ausgeführte Projekte - Wirksamkeit LMFS der Straßenbahn München - Prinzipieller Bauablauf Schritt 6: Dauerelastischer Verguss der Fugen und Herstellung der Fahrbahn, hier der Asphaltfahrbahn TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 96

49 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Ausgeführte Projekte - Wirksamkeit LMFS der Straßenbahn München - Prinzipieller Bauablauf Schritt 7: Inbetriebnahme des Gleises TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 97 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken - Ausgeführte Projekte - Wirksamkeit LMFS der Straßenbahn München Einfügungsdämm-Maß Einfügungsdämm-Maß [db] k Frequenz [Hz] f 0 20 Hz Messungen vor/nach Einbau des LMFS an identischen Messpunkten am seitlichen Fahrbahnrand Mittelwerte aus 5 Messorten: [München, Maximiliansstraße] Nahes Gleis Fernes Gleis Quelle: Wettschureck R G et al., Kap. 17 in Taschenbuch der Technischen Akustik von Müller G u. Möser M (Hrsg), 3. Auflage, Springer, Berlin, 2003 TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 98

50 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken Langzeitverhalten im Betriebsgleis Körperschall-Schutzmaßnahmen - Langzeitverhalten im Betriebsgleis - TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 99 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken Langzeitverhalten im Betriebsgleis Unterschottermatten (USM) im Münchner S-Bahntunnel Ausbau von USM-Proben - Dezember 1999 Hintergrund Seit mehr als 25 Jahren werden mit Unterschottermatten stets sehr gute Ergebnisse erzielt, inbesondere in Tunnelstrecken Dessen ungeachtet werden im harten globalen Wettbewerb immer häufiger auch Aussagen zu den Eigenschaften der Materialien unter Langzeitbelastung im Betriebsgleis eingefordert Der Tunnel der Münchner S-Bahnstammstrecke, wo im Bereich der Philharmonie Am Gasteig 1983 PUR-Unterschottermatten eingebaut worden waren, bot eine ausgezeichnete Gelegenheit die Langzeit-Eigenschaften dieser Unterschottermatten zu untersuchen Dieser Tunnel ist mit einer täglichen Belastung von ca Lasttonnen die am stärksten befahrene Strecke in Europa TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 100

51 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken Langzeitverhalten im Betriebsgleis Unterschottermatten im Münchner S-Bahntunnel Einbau der Unterschottermatten (USM) - Februar 1983 Kulturzentrum 1 Richtung Hbf Richtung Ost-Bf S-Bahn-Stammstrecke 2 Kulturzentrum Am Gasteig - Vogelperspektive - 1 Philharmonie 2 Stadtbibliothek TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 101 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken Langzeitverhalten im Betriebsgleis Unterschottermatten im Münchner S-Bahntunnel Einbau der USM - Februar m Philharmonie Am Gasteig -Querschnitt - S-Bahn-Tunnelröhren TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 102

52 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken Langzeitverhalten im Betriebsgleis Einbau der USM im S-Bahntunnel, Bereich Am Gasteig - Februar 1983 TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 103 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken Langzeitverhalten im Betriebsgleis Unterschottermatten im Münchner S-Bahntunnel Ausbau von USM-Proben - Dezember 1999 Entnahme der USM-Probe während einer nächtlichen Sperrpause im Lastkegelbereich des äußeren Schwellenfachs TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 104

53 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken Langzeitverhalten im Betriebsgleis Unterschottermatten im Münchner S-Bahntunnel Ausbau von USM-Proben - Dezember 1999 Wasser Blick auf den Bereich der ausgebauten USM: An der Tunnelsohle ist Wasser erkennbar TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 105 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken Langzeitverhalten im Betriebsgleis Unterschottermatten im Münchner S-Bahntunnel Prüfstandsmessungen an USM-Proben - Sommer 2000 USM-Probe Prüfstand zur Ermittlung der dynamischen Steifigkeit von Federelementen nach ISO : Direkte Methode Die Darstellung zeigt den Versuchsaufbau mit einer USM-Probe Foto: P. Hofmann, Müller-BBM GmbH TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 106

54 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken Langzeitverhalten im Betriebsgleis Unterschottermatten im Münchner S-Bahntunnel Prüfstandsmessungen an USM-Proben - Sommer 2000 Dynamische Steifigkeit s'' [N/mm³] Frequenz [Hz] Dynamische Steifigkeit der Unterschottermatte Sylomer B 851 Statische Vorlast: 0,06 N/mm² Mehrere Proben : Vor/während dem Einbau Ausgebaute Probe : 12: Nach Belastung durch mehr als Lasttonnen im Betriebsgleis Quelle: Wettschureck R G et al. Langzeit-Eigenschaften der Unterschottermatten im Münchner S-Bahntunnel nahe der Philharmonie Am Gasteig, Verkehr + Technik 57 (2004), 3 9 TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 107 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken Langzeitverhalten im Betriebsgleis Unterschottermatten im Münchner S-Bahntunnel Körperschallmessungen im Tunnel - Juni 2001 Historische Position der Messpunkte Mp an der Tunnelwand Tunnel Richtung Hbf: Bereich ohne USM: 1 Mp Bereich mit USM: 3 Mp e Tunnel Richtung Ost-Bhf: Bereich ohne USM: 1Mp Bereich mit USM: 3 Mp e TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 108

55 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken Langzeitverhalten im Betriebsgleis Unterschottermatten im Münchner S-Bahntunnel Körperschallmessungen im Tunnel - Juni 2001 Mp 6 Mp 2 Historische Meßpunkte Mp 6 und Mp 2 aus dem Jahr 1982 an der Tunnelwand des S-Bahntunnels nahe der Philharmonie Am Gasteig TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 109 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken Langzeitverhalten im Betriebsgleis Schnellepegel [db re. 5e-8 m/s] Unterschottermatten im Münchner S-Bahntunnel Körperschallmessungen im Tunnel - Juni 2001 Messergebnis für den Bereich ohne Unterschottermatten Schnellepegel-Terzspektren Vor Einbau Nach Einbau 18 Jahre nach Einbau , Frequenz [Hz] Quelle: Wettschureck RG et al. Langzeit-Eigenschaften der Unterschottermatten im Münchner S-Bahntunnel nahe der Philharmonie Am Gasteig, Verkehr + Technik 57 (2004), 3 9 TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 110

56 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken Langzeitverhalten im Betriebsgleis Schnellepegel [db re. 5e-8 m/s] Unterschottermatten im Münchner S-Bahntunnel Körperschallmessungen im Tunnel - Juni 2001 Messergebnis für den Bereich mit USM Sylomer B 851 Schnellepegel-Terzspektren Vor Einbau Nach Einbau 18 Jahre nach Einbau , Frequenz [Hz] Quelle: Wettschureck RG et al. Langzeit-Eigenschaften der Unterschottermatten im Münchner S-Bahntunnel nahe der Philharmonie Am Gasteig, Verkehr + Technik 57 (2004), 3 9 TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 111 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken Schlussbemerkungen Schlussbemerkungen TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 112

57 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken Schlussbemerkungen Zitat aus dem Brief von Prof. Lothar Cremer, vom , anlässlich der Widmung zweier Beiträge in der ACUSTICA zu seinem 80. Geburtstag TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 113 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken Schlussbemerkungen Zitat aus dem Brief von Prof. Lothar Cremer, vom , anlässlich der Widmung zweier Beiträge in der ACUSTICA zu seinem 80. Geburtstag TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 114

58 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken Neuere Projekte mit MFS Erstes Masse-Feder Feder-System auf einer HGV-Strecke Die Schnellfahrstrecke Köln-Rhein/Main der DB AG wurde im August 2002 nach 6 Jahren Bauzeit in Betrieb genommen Im Bereich des Siegauer Tunnels wurde erstmalig in eine HGV- Strecke mit v 250 km/h ein MFS eingebaut Das MFS der Bauart Züblin mit Einzellagern ist auf eine Abstimmfrequenz von f 0 = 10 Hz ausgelegt Quelle: Enoekl V, Lenz U: Erstes Masse-Feder-System auf einer Strecke des HGV, ETR - Eisenbahntechnische Rundschau 52 (2003), H. 9 TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 115 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken Neuere Projekte mit MFS Nord-Süd Süd-Tunnel in Berlin Baudynamik bei 15 km Masse- Feder-Systemen Die neue Nord-Süd-Verbindung führt durch den zentralen Bereich Berlins mit Regierungsviertel und Potsdamer Platz Kernstück der rund 9 km langen vier- bis achtgleisigen Vollbahnstrecke ist ein Tunnelbauwerk von ca. 3,5 km Länge Die unterschiedlichen Bauarten der MFS e haben - je nach Anforderung - Abstimmfrequenzen im Bereich von 7 Hz f 0 23 Hz Quelle: Jaquet Th, Heiland D, Rutishauser G, Garburg R: Nord-Süd-Tunnel in Berlin, Baudynamik bei 15 km Masse- Feder-Systemen, Eisenbahningenieur 57 (2006), H. 9 TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 116

59 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken Neuere Projekte mit MFS Stadtcasino Basel Schweres MFS mit Stahlfedern in Kombination mit einem Leichten MFS Durch den Straßenbahnbetrieb wurden Musikdarbietungen im historischen Konzertsaal stark beeinträchtigt Mit der Gleiserneuerung in 2006 wurde als Abhilfemaßnahme ein schweres MFS in Kombination mit einem LMFS eingebaut Die Abstimmfrequenzen des Systems liegen bei f MFS 5 Hz und f LMFS 17 Hz Durch die Maßnahme wurde der Geräuschpegel im Konzertsaal von vorher 46 db(a) um 22 db auf ca. 24 db(a) gemindert Quelle: "Stadt-Casino Basel" Sonderheft von TEC21, Fachzeitschrift f. Architektur, Ingenieurwesen u.umwelt, Beilage zu TEC21 Nr. 19 / 7, Mai 2007, CH-8021 Zürich TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 117 Körperschallschutz an Eisenbahnstrecken Neuere Projekte mit MFS Stadtcasino Basel Querschnitt des kombinierten Systems MFS + LMFS LMFS: f 0 17 Hz Fundament MFS : f 0 5 Hz Quelle: "Stadt-Casino Basel" Sonderheft von TEC21, Fachzeitschrift f. Architektur, Ingenieurwesen u.umwelt, Beilage zu TEC21 Nr. 19 / 7, Mai 2007, CH-8021 Zürich TUB - Eisenbahnwesen-Seminar, Dr. Rüdiger G. Wettschureck 118