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    Bundesamt fr Umwelt, Wald und Landschaft (BUWAL)

    Schallabstrahlung von Eisenbahntunnelportalen

    Kurzfassung

    Ren Bayer B+S Ingenieur AGDr. Kurt Heutschi EMPA

    Bern, Mrz 2005

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    Inhaltsbersicht

    1 Ausgangslage 3

    2 Vorgehen und messtechnische Untersuchungen 4

    3 Berechnungsmodell 7

    4 Schlussfolgerungen und Fazit fr die Praxis 12

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    1 Ausgangslage

    Der Ausbau des Schienenverkehrs ist in der Schweiz in vollem Gange. Hochgeschwindigkeitsstreckenund intensiver Gterverkehr im Siedlungsraum haben bezglich Schallschutz einen hohen Stellenwert.Die vermehrte Linienfhrung unter Terrain vermag die Lrmeinwirkung vielerorts zu entschrfen. Sie kon-zentriert sich auf die offenen Strecken und Portalzonen, hufig in siedlungsperipherem Bereich.

    Die Lrmsituation in diesen Portalbereichen kann in Abhngigkeit des Standorts und Einsichtnahme zuBeeintrchtigungen der Wohnqualitt fhren. Um nhere Ausknfte ber die zu erwartende Lrmbela-stung, mgliche Massnahmen und deren Wirkung geben zu knnen, sind die akustischen Zusammen-hnge und Einflsse der Schallabstrahlung von Eisenbahntunneln nher zu kennen.

    Das BUWAL beauftragte die B+S Ingenieur AG und EMPA die akustischen Verhltnisse im Bereich vonTunnelportalen bei Eisenbahnen zu ermitteln und zu beurteilen.

    Bei der Fahrt eines Zuges durch einen Tunnel sind 3 Effekte zu bercksichtigen. Die entsprechendenakustischen Auswirkungen wurden in der vorliegenden Studie untersucht:

    Die rhrenartige Tunnelform kanalisiert die vom Zug abgestrahlte Schallenergie. Die Schallwellenwerden im Tunnel relativ schwach gedmpft und im Portalbereich in die Umgebung abgestrahlt.

    Das Verhltnis der Tunnelquerschnittflche und des Zugkrpers ist relativ klein. Die Zugsbewegungim Tunnel stsst demzufolge eine Luftsule in Richtung Ausfahrtsportal mit einer allfllig bndelndenAbstrahlcharakteristik aus.

    Die oben erwhnte Luftsule entspricht einem Luftvolumen mit erhhtem Druck. Im Portalbereichentspannt sich das komprimierte Luftvolumen. Dieser Druckpuls kann in der nheren Umgebungevtl. direkt als Schalldruck wahrgenommen werden.

    Fr den planenden Ingenieur oder Akustiker stehen bei Lrmprognosen und allfllig erforderlichen Mass-nahmen folgende Fragen im Vordergrund:

    Wie ist die Geruschentwicklung whrend der Tunneldurchfahrt des Zuges und gibt es in der Portal-zone Bereiche mit Pegelzunahmen? Welches sind die geeigneten Massnahmen zur Pegelreduktion?

    Spielt der Tunnelquerschnitt fr die Schallausbreitung im Portalbereich eine Rolle (einspurig, dop-pelspurig, Rechteckquerschnitt, runder Querschnitt)?

    Spielt die Trassebeschaffenheit im Tunnel eine Rolle (harte Fahrbahnplatte, Schotter)?

    Spielt die Fahrrichtung der Zge und ihre Beschaffenheit (Gterzge, Personenzge usw.) eine Rol-le? Gibt es beim Einfahren in den Tunnel den erwarteten Druckpuls?

    Nachfolgend werden die wesentlichen Untersuchungsergebnisse zusammengestellt und erlutert. Diedetaillierten und umfassenden Ausfhrungen sind dem Gesamtbericht zu entnehmen.

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    2 Vorgehen und messtechnische UntersuchungenDie akustische Wirkung und Ausbreitungsverhltnisse im Portalbereich von realen Eisenbahntunnelnknnen nicht oder nur mit unverhltnismssigem Aufwand durch Messungen allein ermittelt werden.Grnde dafr sind unterschiedliche Zugskompositionen, Fahrgeschwindigkeiten, Tunnelquerschnitte,Ausbreitungsbedingungen und strende Nebengerusche. Die Lsung bilden Modellmessungen mit ver-schiedenen Anordnungen, welche eine lckenlose Reproduktion der massgebenden Flle zulassen. DieSchlsselergebnisse werden mittels Messungen an realen Portalen verifiziert.

    Modellmessungen an verschiedenenMassstabsmodellen 1 : 16.Damit ist es mglich, die Schallausbrei-tung in einer komplexen Umgebungnachzubilden.

    Messtechnische Aufnahme der realenSituation bei unterschiedlichen Tunnel-querschnitten und Trassebeschaffenheit.Messposition abgestimmt auf die Mo-dellmessungen.

    Vergleich der realen und modellmssi-gen Ermittlungen.Erarbeitung des theoretischen Ansatzeszur Berechnung der Schallausbreitung imPortalbereich.

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    Modellmessungen

    Zur Bereitstellung von Grundlagendaten wurden akustische Messungen in einem Massstabsmodell 1 : 16durchgefhrt. Fr drei verschiedene Tunnelquerschnitte (einspurig rund, doppelspurig rund unddoppelspurig rechteckig), unterschiedliche Absorberbelegungen im Portalbereich und verschiedeneZugstypen wurden die Immissionen an acht Empfngerpunkten fr ganze Vorbeifahrten ermittelt. Durchjeweilige Aufschlsselung in den Abschnitt auf freier Strecke bzw. die Tunnelfahrt konnte eineTunnelwirkung bestimmt werden. Diese Tunnelwirkung entspricht der Pegeldifferenz der Immission frdie ganze Vorbeifahrt bezogen auf den Abschnitt im Freien.

    Die gefundenen Tunnelwirkungen beliefen sich fr Empfnger in Portalnhe auf bis zu 4 dB, d.h. das

    Ignorieren des Anteils aus dem Tunnel fhrte zu Immissionspegelunterschtzungen von bis zu 4 dB. Eszeigten sich keine signifikanten Unterschiede zwischen den verschiedenen Tunneltypen. Die Belegungder Tunnelwandung auf einer Lnge von 2 m (30 m Originalmassstab) im Portalbereich reduzierte in allenFllen die Tunnelwirkung auf unter 1 dB.

    Die Ergebnisse aus den Modellmessungen wurden im Rahmen der Validierung des Berechnungsmodells(Kapitel 3) sehr gut reproduziert.

    Messung an realen Portalen

    Die Messanordnung wurde so gewhlt, dass basierend auf den Modellmessungen eine mglicheTunnelwirkung erwartet und erfasst werden konnte. Zur Verifizierung der Modellmessungen musste derMesspunkt zudem identisch der Modellanordnung sein.

    Abbildung 1: Prinzipielle Messanordnung fr die Untersuchungen an realen Tunnelportalen.

    Als charakteristische Grsse und Kennwert der aus dem Tunnel abgestrahlten Schallenergie wurde derPegelanstieg oder abfall in Form der Dmpfung auf 100 m festgelegt. Dazu wurde die Pegel-Zeit-Kurveder Zugsfahrt mittels bekannter Zugsgeschwindigkeit in eine Pegel-Orts-Kurve bersetzt. Die Steigungdieser Kurve whrend der Tunnelfahrt wird schliesslich in dB / 100 m ausgewiesen.

    Tunnel

    Tunnelportal

    Freifeld

    GleisachseGleisachse

    10 m

    Referenzmesspunkt

    EmpfangshheH = 3,5 m berSchienenoberkante (SIOK)

    10 m

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    Exemplarisch ist nachfolgend der Vergleich der Pegelverlufe einmal im Freifeld und einmal imPortalbereich aufgefhrt. Es handelt sich um den selben Zug, Lokomotive mit 11 Wagen und einerGeschwindigkeit von 117 km/h.

    Abbildung 2: berlagerung der Pegelverlufe des selben Zuges, einmal im Freifeld und einmal imim Portalbereich. Der grau hinterlegte Bereich entspricht der Schallenergie aus dem Tunnel.

    Die berlagerung verdeutlicht die Pegelzunahme infolge des sogenannten Tunneleffektes bzw. diezustzlich erzeugte Schallenergie infolge des Tunnels gegenber einer Durchfahrt im Freien mit einemAspektwinkel von 180.

    50

    60

    70

    80

    90

    -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 -0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

    Zeit [sec]

    Pegel[dB(A)]

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    3 BerechnungsmodellAl lgemeines

    Das Berechnungsmodell erlaubt die Bestimmung der Immissionen an einem Empfngerpunkt im Freienfr einen sich an einer bestimmen Stelle im Tunnel befindenden Zug. Der Zug wird als Punktquelle miteiner gegebenen Quellenleistung aufgefasst. Die Wirkung der ganzen Tunnelfahrt ergibt sich durch Auf-summation der Beitrge ber ein quidistant verteiltes Quellenraster.

    Verwendete Symbole

    APortal zustzliche Dmpfungseffekte wie Hinderniswirkung, Luftdmpfung, Bodeneffektzwischen Portalmitte und Immissionspunkt [dB]

    AQuelle zustzliche Dmpfungseffekte wie Hinderniswirkung, Luftdmpfung, Bodeneffekt

    zwischen Quellen- und Immissionspunkt [dB]

    D Richtwirkungskorrektur [dB]

    d1 Abstand von der Portalmitte zum Immissionspunkt [m]

    d2 Abstand vom Quellen- zum Immissionspunkt [m]

    Winkel von der Portalmitte zum Immissionspunkt bzgl. der Tunnelachse

    Pegelabfall pro 100 m fr den A-Pegel bzw. fr die 1 kHz Oktave [dB/100m]

    Ldiffus Schalldruckpegel am Immissionsort auf Grund der diffusen Portalabstrahlung [dB]

    Ldirekt Schalldruckpegel am Immissionsort auf Grund der direkten Portalabstrahlung [dB]Ly Tunnelbreite [m]

    Lz Tunnelhhe [m]

    Raumwinkel, den die Portalffnung von der Quelle aus gesehen aufspannt

    WQuelle Schallleistung der Quelle [W]

    WPortal,diffus durch das Portal hindurchtretende diffuse Schallleistung [W]

    WPortal,direkt direkt durch das Portal hindurchtretende Schallleistung [W]

    WPortal total durch das Portal hindurchtretende Schallleistung [W]

    x Abstand der Quelle vom Tunnelportal [m]

    y0 Abstand der Geleiseachse von der empfngerseitigen Tunnelwand [m]

    Rezept

    Die sich im Tunnel befindende Quelle liefert zwei Anteile Schallenergie an den Empfnger. Zum einenerzeugt die Quelle im Tunnel durch Ein- und Mehrfachreflexionen an den Tunnelwnden eine Art diffusesSchallfeld. Dieses lsst sich durch die durch die Portalffnung hindurchtretende diffuse SchallleistungWPortal,diffus beschreiben. Diese Schallleistung fhrt unter Bercksichtigung einer Richtwirkung zu einerAbstrahlung in die Umgebung. Fr die Rechnung wird die Schallleistung in der Mitte der Portalffnungkonzentriert und ein Punktquellenverhalten (mit Richtcharakteristik), d.h. -6 dB/Abstandsverdopplungangenommen. Zum anderen versorgt die Quelle die Portalffnung mit Direktschall WPortal,direktund erzeugtam Empfangspunkt einen Direktschallanteil, wobei allfllige Hinderniswirkungen (z.B. an den Tunnelpor-talkanten) zu bercksichtigen sind. Abbildung 1 zeigt die allgemeine Tunnelsituation im Grundriss. Die

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    Quelle befinde sich an den Koordinaten (x,y0,0.5m). Der Tunnel hat die Breite Ly und Hhe Lz wobei derTunnelboden bei z = 0 und die empfngerseitige Tunnelseitenwand bei y = 0 liegt.

    Bemerkung:In einem softwareimplementierten Modell werden die Berechnungen frequenzabhngig, d.h. z.B. in Ter-zen durchgefhrt. Fr eine berschlagsrechnung kann zur Bestimmung der unten verwendeten Dmp-fungsterme APortalund AQuellevereinfachend eine Frequenz von 1 kHz angenommen werden.

    x

    y

    QLy

    x

    E

    d1

    Portalmittelpunkt

    d2

    y0

    Abbildung 1: Situation im Grundriss zur Immission am Empfnger E einer Quelle Q im Tunnel

    Die totale durch das Portal hindurch tretende Schallleistung lsst sich angeben zu

    WPortal = WQuelle100.1(-3 -

    x100m)

    Fr kann erfahrungsgemss bei harter Fahrbahnplatte 4 dB/100 m, bei geschotterter Fahrbahn 10dB/100 m eingesetzt werden.

    Die direkt durch das Portal hindurchtretende Schallleistung ist

    WPortal,direkt = WQuelle 4

    Der Raumwinkel kann vereinfachend angenhert werden als Flchenverhltnis der Portalffnung zurKugeloberflche mit einem Radius, der dem Abstand vom Quellenpunkt zur Portalmitte entspricht, ska-liert mit 4. Dabei ist auf maximal 2zu begrenzen.

    Der diffuse Portalanteil wird

    WPortal,diffus = WPortal- WPortal,direkt

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    Die entsprechenden Teilschalldruckpegel Ldiffusund Ldirektam Immissionsort lassen sich schreiben als

    Ldiffus = LWPortal,diffus+ D() - 20 logd11m - 11 - APortal

    mit

    LWPortal,diffus = 10 log

    WPortal,diffus

    10-12W

    D() = 10 log (1 + 2.5 cos())2

    5.6

    und

    Ldirekt = LWQuelle- 20 logd21m - 11 - AQuelle

    mit

    LWQuelle = 10 log

    WQuelle

    10-12W

    Der totale Immissionspegel am Empfangspunkt ergibt sich schliesslich zu

    Ltotal = 10 log( )10(0.1 Ldiffus)+ 10(0.1 Ldirekt)

    Die absorbierende Ausgestaltung des Portalbereichs wird durch eine pauschale Pegelreduktion des diffu-sen Anteils Ldiffusum 10 dB bercksichtigt. Der Direktschallanteil bleibt unbeeinflusst. Wenn sich die Quel-le ausserhalb des Tunnels befindet verschwindet der Anteil von Ldiffus.

    Zahlenbeispiel

    Gemss Abbildung 1 wird von folgender Geometrie ausgegangen:

    Tunnel: Ly = 10.5 m, Lz = 6.5 m Quelle: x = 20.0 m, y0= 7.2 m

    Immissionspunkt: x = -10.0 m, y = -2.8 m.

    Es wird eine harte Fahrbahnplatte angenommen, d.h. = 4.0 dB/100 m. Der Portalbereich sei schallhart,die Quellenleistung WQuellebetrage 1 mW.

    Die Portalleistung ergibt sich zu WPortal= 0.417 mW.

    Der Raumwinkel, der von der Quelle aus gesehen durch die Portalffnung aufgespannt wird, ergibt sichzu = 0.165. Damit wird WPortal,direkt= 0.0131 mW und WPortal,diffus= 0.404 mW.

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    Mit dem Winkel von der Portalmitte zum Empfngerpunkt bzgl. der Tunnelachse = 38.8 wird die Richt-wirkungskorrektur D = 1.9 dB.

    Mit der Distanz d1= 12.8 m und unter der Annahme, dass APortal= 0 dB wird der Diffusanteil am Immissi-onspegel Ldiffus= 54.8 dB.

    Mit der Distanz d2= 31.6 m und unter Bercksichtigung, dass die Quelle gerade noch sichtbar ist, d.h.AQuelle= 0 dB wird der Direktschallanteil am Immissionspegel Ldirekt= 49.0 dB.

    Der Summenpegel ergibt sich zu Ltot= 55.8 dB. Die Integration ber die ganze Vorbeifahrt fhrt auf eineTunnelwirkung von 3.9 dB, d.h. das Ignorieren des aus dem Tunnel stammenden Anteils fhrt zu einer

    Immissionspegelunterschtzung von 3.9 dB. Dabei wurde fr die Ausbreitungsrechnung lediglich die ge-ometrische Verdnnung, d.h. kein Bodeneffekt und keine Luftdmpfung in Rechnung gestellt.

    bersichtsgrafiken

    Abbildung 3 und Abbildung 4 zeigen typische Rasterkarten mit den gemss dem Rezept berechnetenTunnelwirkungen. Dabei wurde ein rechteckfrmiger Tunnelquerschnitt von 10.5 auf 6.5 m angenommen.Die Tunneldmpfung wurde zu 4 dB/100 m (harte Fahrbahnplatte) bzw. 10 dB/100 m (geschotterteFahrbahn) angesetzt.

    Abbildung 3: Exemplarische Karten mit den Tunnelwirkungen (Pegeldifferenz der totalen Vorbeifahrt-energie bezogen auf den Abschnitt im Freien) an einem Empfangspunktraster in der Umgebung einesrechteckigen Tunnelportals der Breite 10.5 m und der Hhe 6.5 m bei harter Fahrbahnplatte. Links: Di-rektschall unabgeschirmt, rechts: um 5 dB reduzierter Direktschall (z.B. Abschirmung durch eine Lrm-schutzwand). Die Karten sind als Plan zu lesen mit einer Gittermaschenweite von 10 m.

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    Abbildung 4: Exemplarische Karten mit den Tunnelwirkungen (Pegeldifferenz der totalen Vorbeifahrt-energie bezogen auf den Abschnitt im Freien) an einem Empfangspunktraster in der Umgebung einesrechteckigen Tunnelportals der Breite 10.5 m und der Hhe 6.5 m bei geschotterter Fahrbahn. Links:Direktschall unabgeschirmt, rechts: um 5 dB reduzierter Direktschall (z.B. Abschirmung durch eine Lrm-schutzwand). Die Karten sind als Plan zu lesen mit einer Gittermaschenweite von 10 m.

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    4 Schlussfolgerungen und Fazit fr die PraxisDie Ermittlungen zeigten, dass

    Die Pegelanstiege /-abflle von Zgen in Tunnels pro Tunneltyp relativ konstant sind, die Ein- oderAusfahrt des Zuges keine signifikanten Unterschiede ergibt und die Geschwindigkeit des Zuges eineuntergeordnete Rolle spielt;

    Eine wesentliche Rolle spielt hingegen die Art des Trasses, das heisst ob eine feste Fahrbahnplatteoder ein geschottertes Trasse vorliegt. Feste Fahrbahnplatten erzeugen einen deutlich hheren E-nergieanteil als geschotterte Trassen;

    Der Druckpuls als Folge der pltzlichen Entspannung bei der Ausfahrt des Zuges aus dem Tunnelkonnte bei den Messungen an realen Portalen nicht festgestellt, resp. kann bei Geschwindigkeiten

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    Tunnelportal ohne Absorptionund mit geschottertem Trasse:Immissionspunkte, deren Sichtlinie zum Portal mit der Tunnelachse einen Winkel 80 bilden und ei-nen Abstand 30 m aufweisen.

    Die angegebene Tunnelwirkung versteht sich als Differenz der totalen Vorbeifahrtenergie bezogenauf den Abschnitt im Freien.

    Wird die Lrmquelle im Freien (Quellenhhe bei Eisenbahnlrm = 0.5 ber Schienenoberkante SIOK)durch ein Hindernis abgeschattet und ist das Portal einsehbar, so wirkt sich der Tunneleffekt dra-stisch aus. Im Bereich bis 50 m Distanz und einem Winkel von 80 der Sichtlinie zum Portal und derTunnelachse, ergibt sich ein Tunneleffekt von 3 dB.

    Projektierungshinweise

    Wird aufgrund der Berechnungen der Lrmausbreitung im Portalbereich eine Relevanz festgestellt, undsind demzufolge Massnahmen in Form von schallabsorbierenden Verkleidungen notwendig, gilt Folgen-des zu beachten:

    Die Realisierung der schallabsorbierenden Verkleidung bedarf einer sorgfltigen Planung und im Falleeiner Tunnelprojektierung der frhzeitigen Bercksichtigung eines entsprechenden Systems. Dies be-trifft primr den erforderlichen Platzbedarf fr das Absorbersystem.

    In den nachfolgend aufgefhrten Normalprofilen wird deutlich, dass insbesondere das erforderliche

    Lichtraumprofil und der Randweg mit Handlauf wenig Spielraum fr schalltechnische Massnahmen zu-lassen.

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    Abbildung 5: Normalprofil Doppelspur (Quelle SIA-Norm, Entwurf 197/1).

    Der bautechnische Nutzraum unterteilt sich in einen Teil fr bautechnische Abweichungen (a) und frsptere bauliche Massnahmen (b), unter welche, auch schallabsorbierende Verkleidungen fallen. AlsRichtwerte werden in der Regel 10 20 cm fr sptere bauliche Massnahmen vorgesehen. Mit die-sem Raumangebot beschrnkt sich die Systemwahl des Absorbers. Die in Tunneln infolge der Kor-rosionsproblematik eher bevorzugten Betonrippenplatten beanspruchen grssere Einbautiefen. Des-

    halb drften sich schlankere Systeme wie z.B. aus Aluminium besser eignen.

    Nachfolgend einige Hinweise, welche fr die Dimensionierung und Wahl einer schallabsorbierendenVerkleidung von Bedeutung sind:

    Frhzeitige Information von Bauherrschaft und Projektteam, falls schallabsorbierende Verkleidun-gen vorgesehen werden mssen.

    Tunnel mit fester Fahrbahnplatte sind kritischer (kleinere Dmpfung bzw. grssere Schallanteile)als durchgehend geschotterte Tunnelstrassen.

    Ein wirksames absorbierendes System sollte auf einer Lnge von 30 m angebracht werden. Dieschallabsorbierende Verkleidung der Seitenwnde ist ausreichend (Deckenbereich relativ schwie-rig infolge Fahrleitungen und Sicherheits-/Kontrollaspekte).

    Beachtung von Lichtraumprofil, Gehweg, Handlauf und evtl. Beleuchtung.

    Bauteile und Ausrstungsgegenstnde haben die in der Regel korrosionsfrdernde Atmosphre inTunneln zu bercksichtigen.

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    Konstruktionsraum fr den Oberbau,Abmessung gemss Ziffer 8.5.1

    Hhe der Randwegkante berFahrebene gemss Ziffer 8.5.2

    (Raum fr Abweichungen aundRaum fr sptere bauliche Massnahmen b)

    Bankett, Randweg mitintegriertem Kabelkanalund RohrblockSOK

    1.20 *

    x

    h

    Handlauf

    yBautechnischer Nutzraum t

    Lichtraumbegrenzung

    Soll-Profil, theoretisches Tunnelprofil

    Referenzhhe SOK

    Abbildung 6: Normalprofil Rechteckquerschnitt (Quelle SIA-Norm, Entwurf 197/1).

    Fr die Befestigung von Elementen ist korrosionsbestndiger, hochlegierter Stahl zu verwenden(z.B. nach EN 10088, Werkstoff Nr. 1.4529, X1NiCrMoCuN mit 6% Mo).

    Die Anzahl Lastwechsel aus der Druck-Sogeinwirkung des Zugverkehrs ist mit rund 6 Mio. zu be-rcksichtigen (entspricht 200 Zugsdurchfahrten pro Tag whrend einer Nutzungsdauer von 40 Jah-ren).

    Bei der Befestigung der Systeme ist darauf zu achten, dass die Abdichtung des Gewlbes nichtbeschdigt wird. Dies bedeutet in der Regel Dbellngen 20 cm.

    Abrupte Tunnelquerschnittswechsel insbesondere bei hheren gefahrenen Geschwindigkeiten sind infolge der resultierenden Druckschwankungen zu vermeiden.

    Vielfach befindet sich der akustisch relevante Tunnelportalbereich noch im sogenannten Voreinschnittoder der Tagbautunnelstrecke. Hier werden oft Lsungen in Ortsbeton realisiert. Die Bedrfnisse desSchallschutzes knnen hier besser bercksichtigt werden als im Tunnelbereich, wo der Einsatz der Tun-nelbohrmaschine vorgesehen ist und Querschnittsnderungen nur mit relativ grossem Aufwand mglichsind.

    B+S Ingenieur AG EMPA DbendorfLrmschutz Akustik

    R. Bayer Dr. K. Heutschi