Eisenbahn & Schall Lärmreduzierung durch Verbesserungen an der Infrastruktur
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Eisenbahn & Schall Lärmreduzierung durch Verbesserungen an der Infrastruktur Dr Günter DINHOBL ÖBB-Infrastruktur AG Strecken- und Anlagenentwicklung, Stab LCI / Team Innovationen 13. Jahrestagung der F/E/R, 15./16. Februar 2017 Dinhobl / ÖBB-Infrastruktur AG
Vorbemerkung Zitat aus ‚Lehre vom Schall‘ aus dem Jahr 1875: 1875 „Schall ist Bewegung, die in die Ferne wirkt. Ruhe ist Schweigen; jeder Ton, jedwedes Geräusch verkündigt eine Bewegung. So hat die Natur seit ewiger Zeit ihre unsichtbaren Telegraphen.“ aus: Rodolphe Radau: Lehre vom Schall (2. Auflage); München 1875, S. 1 Schallpegel Schallquelle …… 40 dB (A) Kühlschrank 50 dB (A) Ruhiger Bach oder Fluss, leises Gespräch 2015 60 dB (A) normales Gespräch 70 dB (A) lautes Gespräch ……. Dinhobl / ÖBB-Infrastruktur AG
Agenda > Vorbemerkung > Intro: Der Rahmen zu Eisenbahnlärm > Grundlagen Schall – Lärm > internationale Verortungen zu Eisenbahnlärm > Themenfelder von Infrastruktur-Eisenbahnlärmforschung > Infrastruktur-Lärmforschung – ausgewählte Projekte in AT seit 2012 > Conclusio Dinhobl / ÖBB-Infrastruktur AG
Intro „Hauptkritikpunkt am Schienenverkehr ist die starke Lärmbelastung“ Europäische Kommission, 1996 „Lärm ist die ökologische Achillesferse der Eisenbahnen in Europa“ Europäische Kommission, 2013, im Rahmen der Initiative zur Verringerung von Lärm durch Güterverkehr Dinhobl / ÖBB-Infrastruktur AG
Grundlagen (1): „Schall“ Schall-druck, p – in N/m²=Pascal 101.325 Pa = 1013 hPa: Luftdruck Schalldruck: von Hörschwelle (= Bezugsschalldruck p0 = 2 x 10– 5 N/m² = 20µPa) bis mehr als 100 Pa, d.h. Verhältnis: > 1 : 1 Mio. Schalldruck-pegel, Lp: Verhältnis tatsachlicher Schalldruck zu p0 wegen großem Verhältnis logarithmische Skalierung Wertereihe von 0 bis 120 dB (dimensionslos! – Bel =Zeichen für log) Rechnung: „80+80=83“ dB Frequenz, f – in Hz: Schalldruckschwankungen pro Zeiteinheit wahrnehmbar 16 Hz bis 16.000/20.000 Hz (darunter Infraschall) zusammengefasst in Terzen oder Oktaven (3 T. = 1 Okt., z.B. Okt.band 500 Hz = Terzbänder 400-500-630 Hz, ISO 266) Dinhobl / ÖBB-Infrastruktur AG
Grundlagen (2): vom Schall zum ‚Lärm‘ Lärm ist „unerwünschter, störender oder belästigender Schall“ (ÖNORM S 5004) 1. Ereignis Wirkung auf Sinnesorgane Wahrnehmung Quelle: TU Wien, 2015 Quelle: Handbuch Umgebungslärm, 2009 Quelle: lebensministerium.at 2. Wirkung des Schalls auf die Sinnesorgane – quasi die Umwandlung der Druckschwankungen in Nervensignale 3. darauf aufbauend die eigentliche Wahrnehmung des Schallereignisses – die Umwandlung des Nervensignals in eine Empfindung mit ihren zahlreichen DinhoblDimensionen / ÖBB-Infrastruktur AGwie beispielsweise Erfahrung, Erinnerung, Empfindlichkeit, Gefühl etc.
Grundlagen (3): Eisenbahn & Schall Dinhobl / ÖBB-Infrastruktur AG
Value / 1s ("slow"): Max.=95,0dB(A) Grundlagen (4): ‚sanfte Kurven‘ 100 95 90 85 80 75 70 65 60 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 13000 14000 15000 16000 17000 18000 19000 20000 21000 22000 23000 Dinhobl / ÖBB-Infrastruktur AG
Value / 1s ("slow"): Max.=95,0dB(A) Grundlagen (4): ‚sanfte Kurven‘ 100 95 90 85 80 75 70 65 60 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 13000 14000 15000 16000 17000 18000 19000 20000 21000 22000 23000 Dinhobl / ÖBB-Infrastruktur AG …dahinter steckt mehr! Denn…
60 65 70 75 80 85 90 95 100 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 60 65 70 75 80 85 90 95 100 9000 0 9500 425 10000 850 10500 10ms: max. 97,9dB(A) 1275 25 ms: max. 96,9dB(A) Dinhobl / ÖBB-Infrastruktur AG 11000 1700 2125 11500 2550 12000 1s (slow): max. 95,0dB(A) 2975 12500 3400 13000 3825 13500 125ms (fast): max. 96,1dB(A) 4250 4675 14000 5100 14500 5525 15000 5950 15500 6375 16000 Value / 125ms ("fast"): Max.=96,1dB(A) 6800 16500 7225 7650 17000 8075 17500 8500 18000 8925 18500 9350 19000 9775 19500 10200 10625 20000 11050 20500 11475 21000 11900 21500 12325 22000 12750 13175 22500 60 65 70 75 80 85 90 95 100 13600 23000 0 420 14025 840 14450 1260 14875 Value / 25ms / Max.: 96,9dB(A) 1680 15300 2100 15725 2520 16150 2940 16575 3360 17000 3780 17425 4200 17850 4620 18275 5040 18700 5460 19125 5880 19550 6300 19975 6720 20400 7140 20825 7560 21250 7980 21675 Zeitbewertung 8400 22100 8820 22525 9240 22950 9660 23375 10080 10500 10920 11340 11760 12180 12600 13020 13440 13860 14280 14700 15120 Value / 10ms / Max.=97,9dB(A) 15540 15960 16379 16800 17220 17640 18060 18480 18900 19320 19740 20160 20580 21000 21420 21840 22260 22680 23100 weitere: Frequenzbewertung (A, B, C)
Grundlagen (6): Eisenbahn und Schallpegel Schallmessungs-Ergebnis: DruckverlaufPegelverlauf, z.B. A-bewertet und je nach Anforderung • energieäquivalenter Dauerschallpegel LAeq (definierter Zeitbereich) • Basispegel LA,95 • mittleren Spitzenpegel LA,1 • Maximalpegel LA,max • Minimalpegel LA,min • Vorbeifahrpegel LpAeq,TP • Beurteilungspegel Lr errechnete Indizes • Lden (für 24h – day, evening, night) • Lnight (nur night) Dinhobl / ÖBB-Infrastruktur AG
Grundlagen (7) : ‚Fluch der Akustik‘ Lärm- Rechnungen: 85 + 85 dB = 88 dB Dinhobl / ÖBB-Infrastruktur AG
Eisenbahnlärm – internationale Positionen • 2010: UIC: Bahnlärm in Europa. Sachstandsbericht • 2010: UIC: The railway noise bonus. Discussion paper on the noise annoyance correction factor • 2011: ERRAC Roadmap “Towards 2030 – Noise and Vibrations Roadmap“ • 2012: EP: REDUCING RAILWAY NOISE POLLUTION • 2013: UIC: Rail Dampers, Acoustic Rail Grinding, Low Height Noise Barriers. A report on the state of the art • 2013: UIC: Railway noise Technical Measures Catalogue • 2014: EEA: Noise in Europe 2014 • 2015: CER: CER NOISE STRATEGY 2015-2020 • 2015: CER: Position Paper Track maintenance for noise control by means of acoustic grinding • 2015: EK: Commission Staff Working Document on rail freight noise reduction • 2016: UIC: Railway Noise in Europe. State of the art report Dinhobl / ÖBB-Infrastruktur AG
Eisenbahnlärmforschung – internationale FE-Projekte • Quiet-Track (2016, FP7): Quiet Tracks for Sustainable Railway Infrastructures • Silent Track (1997; FP4): measures for silent track • QUESST (2012, FP7): Guidebook to Noise Reducing Devices optimisation • Stardamp (2010, DEUFRACO): Rail-Dampers • Silence (2005): Transport Noise Control • Q-City (www.qcity.org): Transport Noise in urban situations • STV (NL): noise reduction measures • Optimisation of Composite Brake Block – on equivalent conicity (2014; UIC) • Europe Train (2013; UIC): LL-brake blocks • HRMS (2014): Harmonization – Running Behavior and Noise on Measurement Sites • OfWhat (UIC): optimised freight wheels and track • Silent freight (1996; FP4): Measures for freight rolling stock • STAIRRS (2003, FP4): Strategies and Tools to Assess and Implement Noise Reducing Measures for Railway Systems • Metarail (1997; FP4) • HARMONOISE (2003; FP5): Harmonised Accurate and Reliable Methods for the EU Directive on the Assessment and Management Of Environmental Noise • imagine (2006): for all environmental noise sources • ACOUTRAIN (2014; FP7): Virtual certification of acoustic performance for freight and passenger trains Dinhobl / ÖBB-Infrastruktur AG
Eisenbahnlärm - Verortungen ERRAC, 2011: Towards 2030 – Noise and Vibrations ETH Zürich, 2015: Stand der Forschung und Roadmap for the European Railway Sector” Forschungsbedarf im Bereich Eisenbahnlärm Dinhobl / ÖBB-Infrastruktur AG
Eisenbahnlärm(forschung) - Themenfelder • Infrastruktur • Oberbau (Schiene / Zwischenlage / Befestigung / Schwelle / …) • Lärmschutzwand (Eigenschaften / nLSW / LSW-Aufsatz / …) • Stahlbrücken • Sonstiges (z.B. Maßnahmen wie SSD / SSA / …) • Fahrdynamik / Fahrzeuge • Bogenquietschen • Radunrundheiten • Fahrzustände: gezogen / geschoben in Gerade & Bogen • Fahrzeug: Rad(profil) / Fahrwerk / Aufbauten / Abstellen (Standgeräusche) • Messen / Berechnen / Wahrnehmen • Messstellen / allg. Problematiken • Wahrnehmung von Schall / Lärm • Ausbreitungsrechnung ( Direktive EU2015/996 – ‚EU-CNOSSOS‘) • Preise & Kosten • Lärm-IBE • LCC Lärmschutzmaßnahmen • Gesetze & Normen Dinhobl / ÖBB-Infrastruktur AG
Eisenbahnlärmforschung : Grundlagen Dauer-Messtellen, seit 2006 temporär nach System „acramos®“ z.B. Deutsch Wagram / Nordbahn z.B. bei Spital am Semmering Messstelle nach EN3095: -Mikrofon-Pos.: 7,5 m / 1,2 m -akustische Schienenrauhheit Quelle: psiacoustic Dinhobl / ÖBB-Infrastruktur AG
Eisenbahnlärmforschung : Grundlagen Datenmanagement Schall-Messstellen Dinhobl / ÖBB-Infrastruktur AG
Eisenbahnlärmforschung : Grundlagen Analysen: Zugkategorie oder Fahrzeugtyp, hier: Schnellbahn Reihe 4020 2006 2014-2016 Dinhobl / ÖBB-Infrastruktur AG
Eisenbahnlärmforschung – Projekte in AT seit 2012 • 2012: SysBahnLärm: Systemische Bahnlärmbekämpfung ( ETR Austria Spezial 12/2013) • 2013: Innvationsmessfahrten (NBS Tullnerfeld) • 2013: WORMS Sound: Messung und Beurteilung der akustischen Wirkung von Konditionierungsmittel - Bogenmessstelle Breitenstein • 2013: Reflex-Bahn: Messung der Auswirkungen der (Mehrfach-)Reflexionen zwischen Lärmschutzwänden und fahrenden Zügen auf die Immissionen im durch die Lärmschutzwände abgeschirmten Bereich • 2013: RELSKG: Entwicklung eines vereinfachten Rechenverfahrens für Lärmschutzwände mit komplexer Geometrie • 2014: Auswirkung des Schienenstegdämpfers (SSD) VICON AMSA 60 VS auf die Entwicklung der akustischen Schienenrauheit in der Geraden • 2015: PASS: Psychoakustische Analyse von schienenverkehrsinduzierten Schallimmissionen • 2016: BEGEL: Bewertung des akustischen Einflusses von Gleisbögen für die Erstellung von Lärmkarten Dinhobl / ÖBB-Infrastruktur AG
Eisenbahnlärmforschung – Projekte in Bearbeitung • 2017: ABL: Akustische Beurteilung von Radlaufflächenfehler als Bahnlärm-Monitoring • 2017: ACUMET: Analyse und Berücksichtigung des Einflusses der Meteorologie auf die Schallausbreitung von Bahn- und Straßenverkehrslärm • 2017: WIABahn: Akustische Wirkung von gleisnahen Abschirmkanten und Bahnsteigdächern • 2017: WALEM: Wagen-Lärmemissionsmonitoring • 2017: ESB: Einflüsse auf Schallemissionen in Bögen im Jahresverlauf Dinhobl / ÖBB-Infrastruktur AG
Eisenbahnlärmforschung : SysBahnLärm (2012) Die „Systemische Bahnlärmbekämpfung“ ist eine Zusammenfassung der österreichischen Eisenbahn-Lärmforschungsprojekte bis 2012 bei Unterscheidung in ‚Stand der Technik‘ und erst in Erprobung befindliche ‚Stand der Wissenschaft‘ (erschienen als ETR Austria Spezial 12/2013) Stand der Technik: LSW (10-15dB(A) bei Anrainer bei ‚hoch absorbierend‘); Stützkonstruktionen; Tunnelportale; Galerien; anrainerseitiger Lärmschutz Schienenschleifen: Unterschied Gerade / Bogen; keine Wirkung bei rauhen Rädern, in Gerade rd. 2dB(A) Reduktion bei glatten Rädern Schienenstegdämpfer: siehe später nLSW: offen: Arbeitnehmerschutz, Unterhalt, Schnee LSW-Aufsatzelemente: Wirkung abhängig vom System, 0-5dB(A) im Nahbereich Oberbau-Elastizität: Zwischenlage-Schwelle (inkl. USP)-Schotter&UBM, tlw. gegenläufige Wirkungen Schall-Erschütterungen Dinhobl / ÖBB-Infrastruktur AG
Eisenbahnlärmforschung : Innovationsmessfahrten (2012) Die Innovationsmessfahrten ÖBB - NBS Tullnerfeld/MQ22 hatte die Erfassung der Schallabstrahlung bei Hochgeschwindigkeitsfahrten zum Ziel. Nachweis von: > extrapolierte längenbezogene Schalleistungspegel für Zugkategorien RJ und ICE werden im Vgl. zu Rechennorm unterschritten - rd. 4dB(A) (RJ, links) bzw. 7 dB(A) (ICE, mitte) > fahrtrichtungsabhängiges Achspegelmuster bei RJ erstmals messtechnisch identifiziert, Differenzen 0 - 4 dB(A), derzeit nicht weiter analysiert Dinhobl / ÖBB-Infrastruktur AG
Eisenbahnlärmforschung : Reflex-Bahn (2013) Ziel des Projektes ist der messtechnische Nachweis der Auswirkungen von (Mehrfach-) Reflexionen zwischen Lärmschutzwänden und fahrenden Zügen auf die Immissionen im durch die Lärmschutzwände abgeschirmten Bereich (Abstand 35m zur Gleisachse). Bei Betrachtung der A-bewerteten Pegeldifferenzen sind keine Effekte messtechnisch nachweisbar. jedoch: bei Frequenzanalyse sind mögliche Effekte der Mehrfachreflexion in einzelnen Oktavbändern unter 1000 Hz, insbesondere im tiefen Frequenzbereich, zu erkennen Wahrnehmung – Höreindruck ! Dinhobl / ÖBB-Infrastruktur AG
Eisenbahnlärmforschung : Auswirkungen SSD (2014) Ziel der Testung war der Nachweis der Entwicklung der akustischen Schienenrauheit in der Geraden aufgrund von Schienenstegdämpfer (SSD) vom Typ VICON AMSA 60 VS (Schrey&Veit). Als Ergebnis konnte unter Heranziehung der DB-Anforder- ungen an Nachweismessungen (Dokument 08-P-6835-TTZ112) eine Pegelreduktion von 2-3dB(A) nachgewiesen werden, wobei Unklarheiten betreffend des unbehandelten Referenzabschnittes bestehen. Die Entwicklung der akustischen Schienenrauh- heit zeigt über den Zeitraum von einem Jahr keine unterschiedlichen Entwicklungen im Ver- gleich zum Referenzabschnitt. Es konnte auch gezeigt werden, dass schon nach ca 5 Wochen nach Instandhaltungsschleifung die EN3095-Grenzwerte unterschritten wurden. Differenzen noch zu klären ! Dinhobl / ÖBB-Infrastruktur AG
Eisenbahnlärmforschung : weitere Erfahrungen SSD (o.J.) 1. Dauerhaftigkeit (2014) 2. Anwendung in Bögen: >schnelle Schlupfwellenbildung? (2008) >Spaltkorrosion ! (2002) 3. Schienenprofilmessung durch Oberbau- messwagen NICHT möglich, damit kein Schienenkopfverschleiss messbar Dinhobl / ÖBB-Infrastruktur AG
Eisenbahnlärmforschung : PASS (2015) Ziel der „Psychoakustischen Analyse von schienenverkehrsinduzierten Schallimmissionen“ ist die Identifizierung der Schwellen von Wahrnehmbarkeitsgrenzen in Abhängigkeit der Schallpegel-Höhe sowie von ausgewählten baulichen Maßnahmen. Referenzpegel Schienen- niedrige Lärm- Lärmschutz- Freifeld LA3s stegdämpfer schutzwand wand 4 m 50 dB(A) 3,1 dB(A) 3,3 dB(A) 4,1 dB(A) 3,6 dB(A) 60 dB(A) 2,3 dB(A) 2,7 dB(A) 3,4 dB(A) 3,0 dB(A) 70 dB(A) 1,1 dB(A) 1,8 dB(A) 3,2 dB(A) 2,7 dB(A) Dinhobl / ÖBB-Infrastruktur AG
Eisenbahnlärmforschung : BEGEL (2016) Ziel war die Bewertung des akustischen Einflusses von Gleisbögen für die Erstellung von Lärmkarten. Untersuchte Radien 256 Meter 12126 Züge 310 Meter 946 Züge 440 Meter 1141 Züge Ergebnisse (1): • Bestätigung der Zunahme sowohl von tonalen wie auch von breitbandig hochfrequenten Erhöhungen in den Emissionen mit sinkendem Bogenradius • kein Nachweis der Erhöhung der Häufigkeiten von Auffälligkeiten durch größere Achsabstände Dinhobl / ÖBB-Infrastruktur AG
Eisenbahnlärmforschung : BEGEL (2016) Ergebnisse (2): Bei den erfassten Zügen (>14.000) traten tonale Auffälligkeiten bei höheren Fahrgeschwindigkeiten zumeist an der Bogeninnenseite auf, während für breitbandige Auffälligkeiten kein eindeutiges Verhalten abgeleitet werden konnte. Es hat sich gezeigt, dass die Korrekturfaktoren in einem ähnlichen Bereich liegen wie diejenigen aus der Literatur (0 bis 8 dB), allerdings größere Streuungen je nach Zugkategorie aufweisen. Für Bogenradien über 300 m liegen sie unterhalb des Wertes von CNOSSOS (5dB(A)), bei Güterzügen bei zulässiger Streckenhöchstgeschwindigkeit konnten sogar negative Korrekturfaktoren errechnet werden (d.h. keine Zuschläge nachweisbar). Dinhobl / ÖBB-Infrastruktur AG
Eisenbahnlärmforschung : ABL Die „Akustische Beurteilung von Laufflächendefekten“ hat zum Ziel, einen (statistischen) Zusammenhang zwischen Laufflächendefekten und akustischen Auswirkungen nachzuweisen. Das Projekt ist derzeit noch in Bearbeitung und wird im 1. Quartal 2017 abgeschlossen. Dinhobl / ÖBB-Infrastruktur AG
Eisenbahnlärmforschung : ABL Bsp. Einzelfahrt-Analyse Quelle: Daten: psiacoustic / Bearbeitung: ÖBB-Infra CH05 Rückfahrt, 120 km/h 100 95 90 85 80 75 Dinhobl / ÖBB-Infrastruktur AG 70 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Analyse Einzelfahrt- Dinhobl / ÖBB-Infrastruktur AG 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 1 2234 4467 6700 8933 11166 70 75 80 85 90 95 100 13399 15632 1 17865 20098 2 22331 3 24564 26797 4 29030 31263 5 33496 35729 6 37962 40195 7 42428 8 44661 Eisenbahnlärmforschung : ABL 46894 9 49127 51360 53593 55826 58059 60292 62525 CH05 64758 66991 69224 71457 73690 75923 78156 x 80389 82622 84855 87088 89321 91554 93787 96020 Rückfahrt, 120 km/h 98253 100486 102719 104952 107185 Grafik: ÖBB-Infra 109418 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 111651 113884 116117 118350 120583 Quelle: Daten: psiacoustic / 122816
Eisenbahnlärmforschung : ABL Erste Ergebnisse: > Datensatz mit mehr als 110.000 Achsen untersucht Fahrdynamik-Messungen: > bei ca. 0,08% der Achsen eine Flachstelle (>20mm) detektiert (jede 1250. Achse) > bei ca. 0,8% erhöhte Beschleunigungen gemessen Akustische Wirkungen auf Vorbeifahrtspegel: > keine eindeutige Korrelation Flachstellenlänge - Pegelerhöhung > Modulationsgrad als bester Erkennungsparameter: -> ca. 0,16% der Achsen akustisch auffällig > Güterzug: +1-2 dB(A) > Personenzug 2-8 dB(A) – wobei diese jedoch 10-15 Dinhobl / ÖBB-Infrastruktur AG dB(A) leiser als Güterzug!
Eisenbahnlärmforschung : ABL Erste Ergebnisse: aufgetretene Variationen Flachstellenlänge (>20mm) Schienenbeschleunigungen Modulationsgrad Schallpegelverlauf Dinhobl / ÖBB-Infrastruktur AG
Eisenbahnlärmforschung : Zukunftsthemen EN 3095:2005 - Messung der Geräuschemission von spurgebundenen Fahrzeugen Viele Einfluss- faktoren: Achtung: Liste basiert auf Modellrechnungen der TNO im Rahmen von ‘Metarail‘ (1997) Dinhobl / ÖBB-Infrastruktur AG
Eisenbahnlärm : Conclusio Conclusio (1): • wesentlich ist Systemsicht der Fahrzeug-Fahrweg-Interaktion(en) • mittels Dauermessstelle(n) oder Labormethoden/Simulationen? zu beachten ist Versuchsanordnung / -aufbau und Messparameter ! • CNOSSOS-EU Festlegung gemeinsamer Lärmbewertungsmethoden Conclusio (2): Wegen Systemwirkung wirken einige Infra-Maßnahmen erst bei leisen Fahrzeugen: • Schienenrauhheit (akustische) direkte Messung, für gesamtes Netz • Schienenschleifen als Instandhaltungsschleifen (Schlupfwellen; Headchecks) Dinhobl / ÖBB-Infrastruktur und AG akustische Auswirkungen
„Schall ist Bewegung, die in die Ferne wirkt. Ruhe ist Schweigen; jeder Ton, jedwedes Geräusch verkündigt eine Bewegung. So hat die Natur seit ewiger Zeit ihre unsichtbaren Telegraphen.“ aus: Rodolphe Radau: Lehre vom Schall (2. Auflage); München 1875, S. 1 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Dr Günter DINHOBL ÖBB-Infrastruktur AG Strecken- und Anlagenentwicklung, Stab LCI / Team Innovationen Nordbahnstrasse 50, A-1020 Wien Tel. +43.(0)664.8417071 email. guenter.dinhobl@oebb.at
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