Autor: Thomas Lorent
Innovation in der städtischen Integration – Minderung von Lärm und Vibrationen durch innerstädtische Eisenbahnen
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Was verursacht Lärm und Vibrationen?
Das Grundprinzip des Schienenverkehrs ist der reibungsarme Stahl-Stahl-Festkontakt zwischen Rad und Schiene. Dies ist der eigentliche Grund für die Effizienz des Schienenverkehrs (geringer Wartungsaufwand, hohe Achslast…), aber auch seine Hauptbelastung, da er Lärm und Vibrationen verursacht.
Der direkte Lärm im Stadtverkehr ist in erster Linie auf das Rollgeräusch zurückzuführen, das von den Eisenbahnrädern und Schienen infolge ihrer Vibrationen erzeugt wird. Dieser Lärm breitet sich durch die Luft aus, von der Eisenbahnlinie zu den Menschen in der Nähe.
Aber das ist nicht das einzige Ärgernis. Die Vibrationen, die durch den festen Kontakt zwischen dem Stahl der Räder und dem Stahl der Laufbahn erzeugt werden, dringen in den Boden ein und gelangen in nahe gelegene Gebäude, wo sie in Sekundärgeräusche „umgewandelt“ werden, wenn Wände und Böden vibrieren und als riesige Lautsprecher wirken. Dieser Sekundärlärm wird als Körperschall bezeichnet und ist ein Problem für die Gleisnachbarn, auch bei geschlossenen Fenstern!
Bei nagelneuen Gleisen und neuem Rollmaterial ist der Lärm wahrscheinlich minimal, aber sobald es auch nur geringfügige Mängel in der Geometrie und der Oberfläche des Rades oder des Gleises gibt, entstehen Vibrationen. Diese werden bald von den Anwohnern bemerkt und führen zu Beschwerden.
Wie alle Betreiber wissen, können Fahrer, die zu stark bremsen oder Laub auf der Schiene, wodurch die Schienen rutschig werden, Radschlupf verursachen, was zu Flachstellen an den Rädern führt, die das oft gehörte „Dum-Dum-Dum“ verursachen, das von Bahnreisenden und Anwohnern gehört wird, wenn die beschädigten Räder auf die harten Schienen unter ihnen aufschlagen.
Scharfe Kurven im Gleis können wegen des quietschenden Lärms für die Anwohner große Probleme verursachen. Dies kann morgens noch problematischer sein, wenn jedes Fahrzeug, das das Depot verlässt, das in der Regel voller scharfer Kurven ist, bei der Überfahrt über das gebogene Gleis hohe Quietschgeräusche erzeugt.
Das häufigste und von manchen vielleicht als das störendste Geräusch angesehene Geräusch ist jedoch das „tac-tac“-Geräusch von Gleisen, das entsteht, wenn ein Zug über einen lokalen Defekt fährt. Es gibt mehrere mögliche Ursachen. Ein Fahrer, der auf einem Streckenabschnitt zu stark beschleunigt, kann zu Radschlupf führen, der wiederum eine kleine Einbuchtung in der Strecke erzeugt. Eine schlecht geschweißte oder geschliffene Schiene oder eine mit Laschen befestigte Schiene führt ebenfalls zu einem Schienenkopfdefekt.
Zonen mit starken Brems- oder Beschleunigungsvorgängen und in einigen Fällen mit einem Kurvenverhalten des Zuges in Kurven können zu Riffelung der Schiene führen, bei der sich ein Defekt in kurzen Abständen entlang der Strecke wiederholt und noch mehr Lärmstörungen verursacht.
Die andere Hauptursache für Lärm und Vibrationen ist die Übertragung in die Struktur einer Brücke oder eines Viadukts. Dies führt dazu, dass die Struktur Lärm erzeugt, der durch die Luft zu Menschen unter und neben ihr gelangt. Wenn es Ungenauigkeiten in der Gleisgeometrie wie z. B. die Ausrichtung gibt, kann dies ebenfalls zu Vibrationen führen.
Schließlich sind Weichen und Kreuzungen auf dem Gleis trotz merklicher konstruktiver Verbesserungen Quelle erheblicher Geräusche und Vibrationen, da sie Lücken und Ausrichtungsänderungen zur Führung der Räder implizieren.
Was auch immer die vielen Gründe für den Lärm sein mögen, ein gemeinsames Merkmal ist, dass, sobald die Anwohner für die Vibrationen und Lärmpegel sensibilisiert sind, die sich auf ihre Eigenschaften auswirken, eine wesentliche Änderung vorgenommen werden muss, um die Störung zu mindern.
Lärm- und Vibrationskontrolle
Auf Gleisebene gibt es vier Möglichkeiten, die Lärm- und Vibrationsbelästigung der Nachbarn zu begrenzen.
Diese sind:
- Ein neues hochmodernes Bahnsystem zu liefern
- Das Eisenbahnsystem zu überwachen und instandzuhalten
- Die Gleisverschlechterung durch Erhöhung der Gleisbelastbarkeit zu reduzieren
- Lärm und Vibrationen abzuschwächen
Im Allgemeinen besteht die beste Möglichkeit, die Auswirkungen von Lärm und Vibrationen zu mindern, darin, Gegenmaßnahmen in den Entwurf eines neuen oder ausgebauten Gleises zu integrieren. Bei Lärm und Vibrationen ist Vorbeugen viel einfacher als Heilen, und die Linderung muss sorgfältig erwogen und in alle modernen Straßenbahn-, Eisenbahn- und U-Bahnsysteme eingebaut werden.
Integration von Lärm- und Vibrationslösungen in den Gleisentwurf
Der Bau muss sorgfältig ausgeführt werden, um all jene lokalen Defekte zu vermeiden, die Lärm und Vibrationen erzeugen (glatte Gleisgeometrie, richtige Radkonstruktion und Schieneninteraktion, richtiges Schweißen und Schleifen der Schienen, grundlegende Elastizität im Gleis). Ein gewisses Maß an Elastizität wird im Allgemeinen in moderne Gleise eingebaut, um die Übertragung dynamischer Kräfte vom Rad / von der Schiene auf den Gleisträger zu dämpfen. Dadurch wird eine erste Qualität der Spur erreicht, die darauf abzielt, die Erzeugung von Schwingungen zu vermeiden.
Überwachung von Spur- und Radqualität
Die Gewährleistung der Qualität und Geometrie des Gleises ist für die Minderung von Lärm und Vibrationen von wesentlicher Bedeutung. Um dies zu erreichen, muss der Zustand des Gleises ständig überwacht werden, und alle Wartungs- und Reparaturarbeiten müssen effizient durchgeführt werden, um Vibrationen zu reduzieren und zu verhindern, dass sie sich verschlimmern oder sekundäre Probleme mit dem Gleis verursachen. Pandrols „Head Wash Repair (HWR)“-Schweißkit ist eine beliebte Lösung, da es eine schnelle und kostengünstige Lösung zur Reparatur von Schienenkopfdefekten bietet und die Wartungskosten moderner Schienennetze erheblich senkt. Das HWR-Verfahren eröffnet der Eisenbahninstandhaltung neue Möglichkeiten, indem es je nach Schienenprofil die Beseitigung von Defekten bis zu 1 Zoll ermöglicht. Zum Beispiel die Reparatur von Abbrennstumpfschweißnähten, die oft unter Breitenverformungen leiden.
Es muss aktive Radüberwachung erfolgen, um sicherzustellen, dass die Radsätze der Züge in gutem Zustand sind und das Gleis nicht beschädigen. Diese Problematik führte zur Entwicklung von WheelChex®, das dem Management ein besseres Verständnis der Leistung von Zug- oder U-Bahn-Rädern ermöglicht und es ermöglicht, angemessene Konstruktions- und Wartungspläne aufzustellen. WheelChex® ist ein einzelnes Messgerät, das drei Messtechnologien integriert und die Schienenbeschleunigung sowohl vertikal als auch lateral sowie die Schienenkerntemperatur misst.
Qualitätskontrolle für Elastizität verfolgen
Neben der Instandhaltung von Gleisen und Rädern wird die Einführung eines elastischen Mediums mit spezifischen Federeigenschaften, d. h. der Gleiselastizität, dazu beitragen, die Gleisqualität über die Lebensdauer des Gleises auf einem höheren Niveau zu halten.
Im Schotteroberbau beispielsweise sind die Unterschwellen-Unterlagsplatten (Under Sleeper Pads, USP) von Pandrol maßgeschneiderte elastische Systeme, die die Gleisinstandhaltung reduzieren, die Qualität des Gleises erhöhen und durch die Befestigung elastischer Elemente an der Unterseite der Schwellen auch zur Schwingungsdämpfung beitragen können.
Eine wohldefinierte Steifigkeit und/oder kontinuierliche Abstützung der Schiene verringert auch die Riffelung der Schiene und die daraus resultierende Zunahme der Vibrationen sowie die Notwendigkeit des Instandhaltungsschleifens. Dies kann dank kontinuierlich gelagertem QTrack® von Pandrol oder hochelastischer Grundplattensysteme wie Pandrols Vanguard und Pandrol Bonded DFF ADH erreicht werden.
Prinzipien der Gleisisolierung
Wenn diese ersten drei Maßnahmen nicht ausreichen, müssen die von den Schienensystemen erzeugten Vibrationen weiter abgemildert werden. Die Grundidee besteht darin, ein Masse-Feder-System zu schaffen, bei dem das Gleis ein elastisches Medium mit spezifischen Feder- und Dämpfungseigenschaften einführt, das das Gleis entkoppelt. Das Ergebnis ist, dass Schwingungsenergie im Gleis verbleibt und nicht auf die Nachbarn übertragen wird.
Um die Bedingungen zu simulieren und die Wirksamkeit unserer Lösungen zu überwachen, entwickelte Pandrol die Software Track Elastic Model (TEM). Diese kann auch genutzt werden, um die Bedingungen am Übergang zwischen zwei verschiedenen Gleistypen zu simulieren und so die Konstruktion zu glätten, um lokale Beeinträchtigungen und damit erhöhte Vibrationen zu vermeiden.
Es gibt verschiedene Stufen der Vibrationsreduzierung, die durch verschiedene Methoden erreicht werden können. Diese reichen von der Einführung weicher Befestigungen bis hin zur Integration sehr weicher schwimmender Fester Fahrbahn, je nach spezifischen Konstruktionsanforderungen und -bedingungen.
Zu den weichen Lösungen von Pandrol gehören VIPA, geklebte DFF ADH- und DEE-Grundplatten sowie Blockkapselung und Unterschwellen-Unterlagen. Diese Lösungen tragen dazu bei, die Auswirkungen und Vibrationen in städtischen Gebieten mit geringen bis mittleren Anforderungen zu reduzieren. Weiche Unterschottermatten sind eine weitere Option, die im Falle von Schottergleisen in Betracht gezogen werden sollte.
Die bevorzugte Lösung vieler U-Bahnen ist das Pandrol VIPA DRS-System, das sich für die Installation auf ungeschotterten Gleisen und in Bereichen eignet, in denen eine Reduzierung von Vibrationen und Sekundärgeräuschen erforderlich ist. Diese verfügt über eine e-Clip-Grundplatte von Pandrol, die auf einer genoppten Naturkautschukunterlage montiert ist, die dem System Elastizität verleiht. Die Konfiguration kann in Grenzen auf die Anforderungen an Achslasten und Steifigkeit abgestimmt werden. VIPA DRS wurde in Großstädten wie Bangkok, Chennai, Delhi, Dubai, Hongkong, Istanbul, Kalkutta, Kuala Lumpur, Sao Paulo, Seoul und Singapur installiert.
Für höhere Dämpfungsanforderungen werden die Lösungen Pandrol VANGUARD und Floating Slab Mat (FSM) empfohlen.
Vanguard
Pandrol Vanguard ist ein Schienenbefestigungssystem mit sehr geringer vertikaler dynamischer Steifigkeit, das zu hoher Schwingungsisolation führt. Es eignet sich für den Einsatz auf Beton- oder Holzschwellen, Fester Fahrbahn auf Brücken, in Tunnel und auf Viadukten. Seine Vorteile liegen darin, dass es sich um ein sehr flaches System handelt, das leicht nachgerüstet werden kann, mit verschiedenen Aufstandsflächendesigns, und dass es ein hohes Maß an seitlicher und vertikaler Verstellung bietet. Eine Reihe von Städten, darunter Barcelona, Madrid, Mailand, London, Stockholm, Sydney, Sao Paulo, Philadelphia und Boston, haben ihre Eisenbahnen mit diesem System nachgerüstet. In mehreren Fällen hat sich gezeigt, dass Lärmpegelminderungen in Gebäuden in der Größenordnung von 10 bis 12 dBA erreicht wurden. Dies reichte aus, um den Lärm auf ein kaum wahrnehmbares Niveau zu reduzieren und Beschwerden vollständig zu beseitigen.
Schwimmende Feste-Fahrbahn-Matte
Schwimmende Feste-Fahrbahn-Matten werden unterhalb der Festen Fahrbahn installiert, um eine ausgezeichnete Schwingungsdämpfung zu gewährleisten, da dadurch ein sehr effizientes Massenfedersystem entsteht, das sowohl bei Tag (voll beladene Fahrzeuge) als auch bei Nacht (leere Fahrzeuge mit sehr anspruchsvollen Lärmgrenzwerten) perfekt funktioniert.
Als Beispiel hierfür entschied sich die Brüsseler Straßenbahn STIB-MIVB für den Einbau der Schwimmplattenmatte (FSM) von Pandrol, um Lärm und Vibrationen zu mindern. Über 150.000 m2 FSM wurden in stark frequentierten städtischen Bereichen mit begrenzter Interventionszeit installiert. Die Anforderungen waren extrem hoch, da sich die Anwohner regelmäßig über Straßenbahnlärm und Vibrationen in verkehrsreichen engen Straßen beschwerten. Seit der Einführung der FSM-Lösung ist die Zahl der Beschwerden von Anwohnern über Lärm und Vibrationen minimal. Eine Reihe anderer Städte haben diese Lösungen in der ganzen Welt umgesetzt, darunter Chennai, Sydney, Portland, Los Angeles, Toronto, Athen, Lissabon, Madrid, Roma, Mailand, Florenz, Bergen, Budapest, Szeged, Sofia, Alger, Casablanca, Rio und Santiago.
In den anspruchsvollsten Bereichen ist ein noch effizienteres Massenfedersystem das Floating Slab Pad, bei dem die elastischen Matten durch weichere diskrete Unterlagen ersetzt werden. Dies impliziert die Verwendung vorgefertigter Fester Fahrbahn, was die Lösung zwar teurer macht, aber ein erstklassiges Niveau der Schwingungsdämpfung und ein System bietet, das leicht zu installieren und zu erneuern ist. Dieses System eignet sich ideal für alle höchst anspruchsvollen Tunnelprojekte. Die Stadt Barcelona wendet dieses System seit Ende der 1990er Jahre zur vollen Zufriedenheit ihrer Bürger an.
