<?page no="0"?> AUTOR VORNAME NAME FRIEDRICH KRÜGER Schall- und Erschütterungsschutz im Schienenverkehr Grundlagen der Schall- und Schwingungstechnik - Praxisorientierte Anwendung von Schall- und Erschütterungsschutzmaßnahmen 3., überarbeitete und erweiterte Auflage <?page no="1"?> Schall- und Erschütterungsschutz im Schienenverkehr <?page no="3"?> Friedrich Krüger Schall- und Erschütterungsschutz im Schienenverkehr Grundlagen der Schall- und Schwingungstechnik - Praxisorientierte Anwendung von Schall- und Erschütterungsschutzmaßnahmen 3., überarbeitete und erweiterte Auflage <?page no="4"?> DOI: https: / / doi.org/ 10.24053/ 9783816984825 © 2023 · expert verlag - Ein Unternehmen der Narr Francke Attempto Verlag GmbH + Co. KG Dischingerweg 5 · D-72070 Tübingen Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Alle Informationen in diesem Buch wurden mit großer Sorgfalt erstellt. Fehler können dennoch nicht völlig ausgeschlossen werden. Weder Verlag noch Autor: innen übernehmen deshalb eine Gewährleistung für die Korrektheit des Inhaltes und haften nicht für fehlerhafte Angaben und deren Folgen. Diese Publikation enthält gegebenenfalls Links zu externen Inhalten Dritter, auf die weder Verlag noch Autor: innen Einfluss haben. Für die Inhalte der verlinkten Seiten sind stets die jeweiligen Anbieter oder Betreibenden der Seiten verantwortlich. Internet: www.expertverlag.de eMail: info@verlag.expert CPI books GmbH, Leck ISBN 978-3-8169-3482-0 (Print) ISBN 978-3-8169-8482-5 (ePDF) Umschlagabbildung: © iStock.com/ golero Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http: / / dnb.dnb.de abrufbar. www.fsc.org MIX Papier aus verantwortungsvollen Quellen FSC ® C083411 ® <?page no="7"?> 16 18 18 20 21 22 23 1 28 1.1 28 1.2 31 1.2.1 31 1.2.2 33 1.3 34 1.3.1 34 1.3.2 35 1.3.3 38 1.3.4 39 1.3.5 41 1.4 42 1.5 44 1.6 46 1.6.1 46 1.6.2 48 1.6.3 49 2 51 2.1 51 2.1.1 51 2.1.2 55 2.1.3 61 2.1.4 63 2.1.5 66 2.1.6 69 2.1.7 70 2.2 73 2.2.1 74 2.2.2 77 Inhalt Autorenvorwort zur dritten Auflage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Häufig verwendete Formelzeichen und Abkürzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a) Großbuchstaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . b) Kleinbuchstaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . c) Griechische Buchstaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . d) Indices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e) Abkürzungen (siehe auch Indices) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Problemstellung und Lösungsansätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Forschung und Entwicklung (FuE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Projekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Betroffenheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Frequenzbewertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lärm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Straßenverkehrslärm vs. Schienenverkehrslärm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erschütterungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wirtschaftlicher Faktor, Schall-Verursacher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Straßenbahn versus Eisenbahn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literaturhinweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur zu Kapitel 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . BMFT-Forschungsberichte (Nahverkehr) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sonstige Literatur zum Thema Schall- und Erschütterungen an Schienenwegen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Physikalische Grundlagen - Anwendungen im Schienenverkehr . . . . . . . . . . . . . . . . Einführung in die Schwingungslehre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Periodische Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schwingungsüberlagerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elemente eines Schwingungssystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Freie gedämpfte Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gedämpfte erzwungene Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nichtperiodische und stochastische Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Übertragungsfunktion und Modalanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundlagen der Wellenlehre und Akustik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wellenarten und Wellenausbreitungsgeschwindigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . Eigenschaften von Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . <?page no="8"?> 2.2.3 78 2.2.4 80 2.2.5 83 2.3 89 2.4 91 3 94 3.1 94 3.2 95 3.3 97 3.4 98 3.4.1 98 3.4.2 104 3.5 105 3.6 107 3.7 111 3.8 113 3.9 114 3.10 115 3.11 115 4 117 4.1 117 4.1.1 117 4.1.2 117 4.1.3 119 4.2 122 4.2.1 122 4.2.2 122 4.2.3 123 4.3 133 4.3.1 133 4.3.2 134 4.4 139 4.5 140 5 142 5.1 142 5.2 143 5.3 146 5.4 148 5.4.1 148 5.4.2 149 5.4.3 164 Schallfeldgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beziehungen zwischen Körper- und Luftschall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Längenbezogener Schallleistungspegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausbreitung von Erschütterungen und Luftschall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur zu Kapitel 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schall- und Schwingungspegel, Umgang mit Pegelwerten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schallpegelmaße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mittelungspegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Addition, Mittelung und Subtraktion von Pegeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pegeladdition und Pegelmittelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energetische Pegelsubtraktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schallfeld- und Schwingungsgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pegelberechnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pegel in der Schall- und Schwingungsmesstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Umrechnung von Pegelwerten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Addition von Pegeln - Herleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pegelabhängigkeit von der Geschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur zu Kap. 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schienenfahrzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Unterscheidung der Schienenverkehrssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vorbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Unterscheidung aus gesetzlicher/ rechtlicher Sicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Unterscheidung aus technischer/ betrieblicher Sicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fahrzeug-Projektierung unter akustischen Gesichtspunkten . . . . . . . . . . . Vorbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeine Randbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Akustisch relevante Teilsysteme und Bauteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Akustik-Management bei der Fahrzeugbeschaffung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verfahrensablauf/ Einzelschritte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Instandhaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur zu Kapitel 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luft- und Körperschallanregung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundlagen der Schallanregung und -abstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dominante Schallquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dominante Anregungsfrequenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schallanregung im Rad/ Schiene-Kontaktbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rollgeräusche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stoßgeräusche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Inhalt <?page no="9"?> 5.4.4 166 5.4.5 173 5.5 173 5.6 178 6 180 6.1 180 6.2 183 6.2.1 183 6.2.2 185 6.2.3 185 6.2.4 187 6.3 189 6.3.1 189 6.3.2 191 6.3.3 195 6.3.4 198 6.4 200 6.4.1 200 6.4.2 204 6.5 206 6.6 211 6.6.1 211 6.6.2 213 6.6.3 214 6.7 217 6.7.1 217 6.7.2 218 6.7.3 219 6.7.4 224 6.8 226 6.8.1 226 6.8.2 227 6.8.3 228 6.8.4 230 6.8.5 230 6.8.6 231 6.8.7 232 6.9 234 6.9.1 234 6.9.2 236 6.9.3 237 6.10 238 Kurvengeräusche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sonstige Geräusche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Impedanzen und Admittanzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur zu Kapitel 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Messung von Luft- und Körperschall - Messergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schallmessungen - Übersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Messgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schallpegelmesser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusatzgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Umwelteinflüsse und allgemeine Vorgehensweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Statistische Sicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Messung von Außengeräuschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Randbedingungen, Messpunkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Messgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Längenbezogener Schallleistungspegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenhang zwischen verschiedenen Schallpegelgrößen . . . . . . . . . . . Messergebnisse Außengeräusche - Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vorbeifahrgeräusche Stadtbahnen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rundummessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Messung von Innengeräuschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sonstige Schallmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nachhallzeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schalldämmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Intensitätsmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beispiel für eine Schallpegelauswertung - Außengeräusche . . . . . . . . . . . . Vorgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Festlegungen für eine Analyse der Vorbeifahrgeräusche . . . . . . . . . . . . . . . Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenhang verschiedener Schallpegelgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ergänzende Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vorbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Strukturuntersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rauheit von Schiene und Rad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ermittlung des Körperschallverhaltens von Bauteilen . . . . . . . . . . . . . . . . . Gleisabklingrate TDR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anfahrwinkel eines Rades an der Schiene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schallentwicklung beim Anfahren eines Fahrzeugs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Akustische Überwachung von Fahrzeugen und Gleisen . . . . . . . . . . . . . . . . Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Automatische Erkennung einer Vorbeifahrt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Überwachung von Rädern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur zu Kapitel 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Inhalt 7 <?page no="10"?> 7 241 7.1 241 7.1.1 241 7.1.2 241 7.1.3 242 7.2 245 7.3 248 7.3.1 248 7.3.2 249 7.4 250 7.4.1 250 7.5 253 7.5.1 253 7.5.2 253 7.5.3 254 7.5.4 255 7.5.5 256 7.5.6 257 7.5.7 259 7.5.8 259 7.6 260 7.6.1 260 7.6.2 262 7.6.3 265 7.6.4 266 7.6.5 266 7.7 267 7.7.1 267 7.8 269 7.8.1 269 7.8.2 272 7.8.3 276 7.9 276 7.9.1 276 7.9.2 277 7.10 280 7.11 281 7.11.1 281 7.11.2 281 7.12 284 7.13 287 7.13.1 287 7.13.2 290 7.13.3 291 7.13.4 293 Schallminderungsmaßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeine Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Primäre Maßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sekundäre Maßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundlagen des „Schallarmen Konstruierens“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Betriebszustände und Anhaltwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Standardbetriebszustände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sonderbetriebszustände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schallminderungsmaßnahmen im Schienenverkehr . . . . . . . . . . . . . . . . . . Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schallminderungsmaßnahmen Fahrzeug - Außengeräusche . . . . . . . . . . . . Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anfahr- und Bremsgeräusche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Konstante Geschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Radbauart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Radschürzen, Radblenden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Radschallabsorber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Komponentenerprobungsträger „Leiser Güterzug“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Messergebnisse „Leiser Stadtbahnwagen“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Maßnahmen im Bereich Rad/ Schiene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die glatte Radlauffläche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Glatte, riffelfreie Schienenfahrfläche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schlupfriffeln auf geraden Streckenabschnitten durch Anfahrt von Zügen. Schlupfwellen in Kurven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Minderungsmaßnahmen im Rad-/ Schienenbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schallschutzmaßnahmen am Fahrweg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schallminderungsmaßnahmen im Bereich der Ausbreitung . . . . . . . . . . . . Schallschutzwände und -wälle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wirkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Passiver Schallschutz in Gebäuden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schallminderungsmaßnahmen Streckenführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gleisbögen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gleise auf Brücken/ Viadukten und in Einschnitten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Besonders überwachtes Gleis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fahrzeuginnengeräusche - Schalldämmung Wagenkasten . . . . . . . . . . . . . Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einflüsse auf den Innenschallpegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einrichtungen in Tunnel-Haltestellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kurvengeräusche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Übersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Radsatzzwangssteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Maßnahmen in einem Gleisbogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reibwertbeeinflussung zwischen Rad und Schiene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Inhalt <?page no="11"?> 7.13.5 295 7.13.6 296 7.13.7 298 7.13.8 299 7.13.9 300 7.13.10 301 7.13.11 303 7.13.12 304 7.14 305 7.15 307 7.15.1 307 7.15.2 307 7.15.3 311 7.15.4 311 7.15.5 312 7.15.6 315 7.16 317 7.16.1 321 8 322 8.1 322 8.2 323 8.2.1 323 8.2.2 324 8.2.3 327 8.3 329 8.4 329 8.4.1 329 8.4.2 330 8.4.3 330 8.4.4 330 8.4.5 332 8.4.6 333 8.5 335 8.5.1 335 9 337 9.1 337 9.1.1 337 9.1.2 338 9.1.3 340 9.2 342 9.2.1 342 Rad-/ Schiene-Materialpaarung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Absorber und Dämpfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schienendämpfungselemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Asymmetrische Schienenprofile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beobachtungen zum Auftreten von Quietschgeräuschen . . . . . . . . . . . . . . . Schallschutzmaßnahmen für Anwohner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geschwindigkeitsabhängigkeit - Vorbeifahrpegel versus Stundenpegel . . Schallarme Fahrzeuge - konstruktive Vorgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beispiel für eine Rekonstruktion von Straßenbahnfahrzeugen . . . . . . . . . . Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vorbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fahrzeug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausbreitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Maßnahmen speziell bei Eisenbahnen und deren Wirkung . . . . . . . . . . . . Maßnahmen gegen Kurvengeräusche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Maßnahmen gegen Rollgeräusche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur zu Kapitel 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ergänzende Literatur zum Thema Schallminderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prognose- und Bewertungsverfahren für Luftschall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verkehrslärmschutzverordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anwendungsbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vergleich Eisenbahn - Straßenbahn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Basis für die Angaben in der 16. BImSchV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einflüsse auf dem Ausbreitungsweg und Bahnhöfe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Durchführung einer schalltechnischen Untersuchung nach 16. BImSchV . Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wesentliche Änderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erheblicher baulicher Eingriff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vorgehensweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Untersuchungsgebiet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beurteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur zu Kapitel 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Weitergehende Literatur zum Thema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rechtsschutz der Anwohner vor Lärm des Schienenverkehrs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Thematische Abgrenzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beeinträchtigung der Bevölkerung durch Schienenverkehrslärm . . . . . . . . Zielwerte des Schutzes vor Lärm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundsätzliche Strategien zum Schutz vor Schienenverkehrslärm in Deutschland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundsätzliche Minderungskonzepte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Inhalt 9 <?page no="12"?> 9.2.2 343 9.2.3 344 9.3 344 9.3.1 345 9.3.2 346 9.4 347 9.4.1 348 9.4.2 349 9.4.3 349 9.4.4 350 9.4.5 351 9.5 351 9.6 352 9.7 353 9.7.1 353 9.7.2 353 9.7.3 354 9.8 362 9.9 363 9.9.1 364 9.9.2 364 9.10 365 9.10.1 366 9.10.2 368 9.10.3 371 9.11 374 9.11.1 374 9.11.2 375 9.11.3 378 9.12 379 9.13 380 10 386 10.1 386 10.2 387 10.3 387 10.3.1 387 10.3.2 388 10.3.3 389 10.3.4 390 10.3.5 391 Instrumentarien des Schutzes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zuständigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ordnungsrechtliche Vorschriften zum Schutz der Bevölkerung vor Schienenverkehrslärm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verwaltungsrecht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verfassungs- und Privatrecht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vorschriften für die Geräuschemissionen von Schienenfahrzeugen . . . . . . Anwendungsbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Messverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geräuschgrenzwerte und Vorbeifahrgeräusch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anfahrgeräusch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Standgeräusch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geräuschmindernde Vorschriften für die Fahrwege . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vorgaben für die Geräuschemissionen in Nahverkehrsplänen . . . . . . . . . . Vorschriften für die Geräuschimmissionen neuer bzw. wesentlich geänderter Schienenwege . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundsätzliches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Umweltverträglichkeitsprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prüfung auf Lärmvorsorgeansprüche nach 16. BImSchV . . . . . . . . . . . . . . . Schutz vor Schienenverkehrslärm im Rahmen der Bauleitplanung: Problemfeld Heranrückende Wohnbebauung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Betriebsbeschränkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Das Schienenlärmschutzgesetz von 2017 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Europäischen Betriebsbeschränkungen ab 2024 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lärmsanierung an Schienenwegen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Das nationale Lärmsanierungsprogramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die EU-Richtlinie zum Umgebungslärm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Das nationale Umrüstprogramm für Güterwagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bewertung der Schutzregelungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Deutliche Verbesserungen der Schutzregelungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lücken und Mängel im gegenwärtigen Regelwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vorschläge für einen verbesserten Schutz vor Straßen- und Schienenverkehrslärm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Oberbau im Schienenverkehr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anforderungen an den Oberbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Begriffsbestimmungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bestandteile des Oberbaus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schienen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (Schienen-) Kammerfüllelement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schwellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spurstangen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Inhalt <?page no="13"?> 10.3.6 392 10.3.7 393 10.3.8 394 10.3.9 395 10.4 396 10.4.1 396 10.4.2 397 10.4.3 397 10.5 398 10.6 400 10.7 402 11 403 11.1 403 11.2 404 11.2.1 404 11.2.2 409 11.3 414 11.4 416 11.5 421 12 422 12.1 422 12.2 422 12.2.1 422 12.2.2 424 12.2.3 427 12.2.4 429 12.3 430 12.3.1 430 12.3.2 431 12.3.3 435 12.3.4 437 12.3.5 438 12.4 440 12.4.1 440 12.4.2 441 12.5 441 12.6 443 13 446 13.1 446 13.2 448 Schienenbefestigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gleis und Weichen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Flachrille/ Tiefrille . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schienenauszugsvorrichtung und -entwässerungskasten . . . . . . . . . . . . . . Oberbau-Arten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Offener Oberbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geschlossener Oberbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Oberbau mit planmäßiger Vegetation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Oberbau-Formen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Akustisch wirksame Instandhaltungsmaßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur zu Kapitel 10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erschütterungsanregung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schwingungsanregung - Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schwingungsanregung - Schienenverkehr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spezielle Fragestellungen zur Anregung und Ausbreitung bei der Eisenbahn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erregerspektren - Schwinggeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ermittlung von Erregerkraftspektren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur zu Kapitel 11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Messung von Erschütterungen und Sekundärschall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schwingungs- und Sekundärschallmessungen - Überblick . . . . . . . . . . . . . Erschütterungsmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufnehmer, Messsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Messpunkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ankopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Triggerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Auswertung von Schwingungsmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ermittlung von Beurteilungsgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundlage für Prognosen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bewertung von schwingungsmindernden Maßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . Messungen zur Ermittlung von Einflussgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sekundärschallmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bodenkennwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur zu Kapitel 12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schwingungsminderung im Schienenverkehr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Minderung der Anregung - Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Inhalt 11 <?page no="14"?> 13.3 452 13.3.1 452 13.3.2 454 13.3.3 455 13.3.4 457 13.4 458 13.4.1 458 13.4.2 458 13.4.3 462 13.4.4 463 13.4.5 465 13.4.6 470 13.5 474 13.6 476 13.7 477 13.8 479 13.8.1 479 13.8.2 480 13.8.3 481 13.8.4 486 13.9 495 13.10 496 13.10.1 496 13.10.2 496 13.11 497 13.11.1 497 13.11.2 499 13.11.3 501 13.11.4 503 13.12 510 511 14 512 14.1 512 14.2 516 14.2.1 517 14.2.2 517 14.2.3 518 14.2.4 518 14.3 523 14.3.1 523 14.3.2 525 Elastische Lagerungen im Oberbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Minderungsmaßnahmen - aktive / passive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wirkprinzipien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundkonzepte und Ausführungsvarianten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beispiele und Ausführungsvarianten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elastische Schienenlagerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elastische Schwellenlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schotteroberbau mit Unterschottermatten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Masse-Feder-Systeme mit Elastomerlagern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Masse-Feder-Systeme mit Stahlfedern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Klassifizierung der Wirksamkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mess- und Rechenverfahren, Prognosen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wirksamkeit und Messergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Masse-Feder-Systeme mit elastischer Flächenlagerung - Berechnung der Minderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Theoretische Betrachtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gleiskinematik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gleisdynamik- Einfügungsdämm-Maß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einbauten im Boden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elastische Lagerung von Gebäuden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Auslegung der elastischen Gebäudelager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elastische Materialien, Baudurchführung, Sanierung, Gebäudeabfederung - Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verwendete Materialien für elastische Elemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Masse-Feder-Systeme im Straßenbereich - Herstellung und Bauausführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gleis-Umbaumöglichkeiten zur erschütterungstechnischen Sanierung . . Elastische Gebäudelagerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur zu Kapitel 13 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur zu Kapitel 13 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prognoseverfahren für Erschütterungen und Sekundärschall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Systemidentifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Direktes Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Entwurfsproblem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Eingangsproblem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Identifikationsproblem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beschreibung einzelner Prognose-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Statistische Verfahren - Einzahlberücksichtigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Inhalt <?page no="15"?> 14.3.3 533 14.3.4 550 14.3.5 553 14.3.6 554 14.3.7 560 14.4 561 14.4.1 561 14.4.2 563 14.5 565 15 568 15.1 568 15.2 570 15.3 575 15.3.1 575 15.3.2 576 15.3.3 577 15.3.4 579 15.3.5 580 15.3.6 583 15.4 584 15.4.1 586 15.4.2 587 15.5 587 15.5.1 587 15.5.2 590 15.5.3 591 15.5.4 593 15.6 594 16 595 16.1 595 16.2 596 16.3 599 Spektrale Prognose-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modelluntersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ersatzerreger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sekundärschall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vergleichende Betrachtung der Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenhang verschiedener Immissionsgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenhang zwischen Erschütterungen und Sekundärschall . . . . . . . . Abschätzung des KB FTi,z - Wertes von alternativen Bewertungsgrößen . . Literatur zu Kapitel 14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rechtsprechung zum Schienenverkehrslärm, Erschütterungen und Sekundärschall mit Hinweisen zur Planfeststellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Planfeststellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einleitung zum Schienenverkehrslärm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Exemplarische Verwaltungsrechtsprechung durch ausgewählte Entscheidungen des BVerwG zum Schienenverkehrslärm . . . . . . . . . . . . . Besonders überwachtes Gleis (büG), Verhältnismäßigkeitsprüfung, Verhältnismäßigkeitsschwelle, Sprungkosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Neubau oder Änderung eines Schienenwegs? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Methodik, Prognosen, Betriebsprogramm, Schall 03 1990 . . . . . . . . . . . . . . Betrachtung der Kosten je Schutzfall, Schutzabschnitte, Betriebsprogramm Verkehrsprognosen, Bedarfsplan, plangegebene Vorbelastung . . . . . . . . . . Grundrechte: Recht auf körperliche Unversehrtheit, Eigentumsgarantie, Inhalts- und Schrankenbestimmungen durch Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einleitung zu Erschütterungen und sekundärem Luftschall . . . . . . . . . . . . Exkurs zu den Regelungen der DIN 4150 [15.16]: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Exkurs zu Schutzmaßnahmen [15.17]: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Exemplarische Verwaltungsrechtsprechung durch ausgewählte Entscheidungen des BVerwG zu Erschütterungen und sekundärem Luftschall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . DIN4150, Teil 2, Anhaltswerte, sekundärer Luftschall, 24. BImSchV, „Immissionsrichtwerte“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausbauvorhaben, Streckenertüchtigung, relevante Zunahme? Anhaltswerte DIN 4150 Teil 2, Entscheidungsvorbehalt bei Prognoseunsicherheit, Erheblichkeitsschwelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Betriebsbedingte Erschütterungen, Kostengesichtspunkte, Schutzmaßnahmen, Entscheidungsvorbehalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Betriebsbedingte Erschütterungen, plangegebene Vorbelastung, Zumutbarkeitsschwelle für Erschütterungsbelastungen . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur und Rechtsprechung zu Kapitel 15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prüftechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schallemissionen - Typprüfungen Fahrzeugeinheiten . . . . . . . . . . . . . . . . Schallemissionen - Oberbaueinfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Inhalt 13 <?page no="16"?> 16.4 601 16.5 602 16.5.1 602 16.5.2 604 16.5.3 606 16.6 608 16.6.1 608 16.6.2 610 16.6.3 611 16.6.4 612 16.7 614 16.7.1 614 16.7.2 615 17 616 17.1 616 17.2 618 17.3 620 17.4 620 17.4.1 621 17.4.2 622 17.5 623 17.6 624 17.6.1 624 17.6.2 626 17.6.3 626 17.7 628 629 A 629 B 653 B.1 653 B.2 653 B.3 656 B.4 658 B.5 658 B.6 660 B.7 660 B.8 661 B.9 662 C 664 C.1 664 C.2 674 C.3 688 C.4 690 Erschütterungsemissionen - Einfügedämmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . In-situ Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fahrzeuganregung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Simulation der dyn. Radsatzkräfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Admittanzmessungen Tunnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Steifigkeitsermittlung von elastischen Schienenlagern . . . . . . . . . . . . . . . . Ermittlung im Labor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Steifigkeits-Ermittlung bei einer Festen Fahrbahn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Steifigkeits-Ermittlung bei einem Rillenschienengleis . . . . . . . . . . . . . . . . . Eigenschwingungen - Radsatz-Gleis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur zu Kapitel 16 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zitierte Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ergänzende Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fahrkomfort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Werteziffer (WZ)-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einwirkung mechanischer Schwingungen auf den Menschen - VDI 2057 Fahrkomfort für Fahrgäste - ENV 12299 (ERRI C 116-Rp 3) . . . . . . . . . . . . Durchführung der Messungen und Auswertungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenhang zwischen den drei Komfortwerten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abhängigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abhängigkeit von der Fahrbahnart / dem Fahrbahnzustand . . . . . . . . . . . . Abhängigkeit von der Geschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Komfortwerte im normalen Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur zu Kapitel 17 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Begriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Normen und Richtlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vorbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . DIN-Normen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . DIN (EN)-Normen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ISO (DIN)-Normen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VDI-Richtlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IEC-Richtlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . EU-Normen und Richtlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vorschriften der Deutschen Bahn AG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sonstige Vorschriften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Datensammlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeine Daten und Beispiele für Messergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . Messergebnisse - Erschütterungen und Admittanzen . . . . . . . . . . . . . . . . . Schalldruckpegel-Terzspektren - Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vertikale Eigenfrequenzen - Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Inhalt <?page no="17"?> C.5 692 C.6 698 C.7 703 C.8 708 C.9 709 C.10 713 C.11 718 C.12 722 C.13 723 C.14 727 C.15 730 732 748 769 Formeln zur rechnerischen Abschätzung der Einfügedämmung . . . . . . . . . Steifigkeit elastischer Schienenlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schallausbreitung - Fahrwegeinfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Psychoakustische Größen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Körperschallspektren - Gleise im Tunnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prognose von Erschütterungen und Sekundärschall . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenhang zwischen verschiedenen Messwerten - Beispiele . . . . . . Wellenausbreitung im Boden und Kräfte von Ersatzerregern . . . . . . . . . . . Simulation - Stoßanregung Schiene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gesamtschall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur zu Anhang C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Register . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abbildungsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tabellenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Inhalt 15 <?page no="18"?> Autorenvorwort zur dritten Auflage Nach 17 Jahren liegt nun eine vollständig überarbeitete, neu strukturierte und ergänzte dritte Auflage vor. Eine wesentliche Basis dieser Neuauflage sind die an der TAE - Technischen Akademie Esslingen e.V. seit 1991 durchgeführten Seminare zu den Themen Schall- und Erschüt‐ terungsschutz in Gebäuden neben Schienenverkehrswegen. Weitgehend waren oder sind die Autoren dieser Neuauflage auch Referenten der genannten Seminare. Die für die Seminare erarbeiteten Unterlagen bilden ein wesentliches Fundament für dieses Buch. Bei diesem Buch handelt es sich nicht um ein klassisches Lehrbuch, in den einzelnen Kapiteln werden die in der praktischen Arbeit der Autoren gesammelten Erfahrungen und Erkenntnisse aufbereitet zusammengefasst. Die Grundlagen der Schall- und Schwingungstechnik sowie dem Rechnen mit Pegelwerten haben sich nicht geändert, die entsprechenden Kapitel sind daher weitgehend aus der vorheri‐ gen Auflage übernommen worden. Dies gilt im weitesten Sinn auch für die Anregungs- und Ausbreitungsprozesse sowie die Minderungsmöglichkeiten. Die in diesen Kapiteln dargestellten Bilder und Tabellen wurden ergänzt bzw. durch neue ersetzt oder erweitert. Es wird hier darauf hingewiesen, dass die Bilder, die nicht unmittelbar einem Autor zuzuordnen oder aus der Literatur entnommen worden sind, in der Regel aus der Arbeit von F. Krüger während seiner rund 40-jährigen Forschungsarbeit bei der Studiengesellschaft für Tunnel und Verkehrsanlagen e.V. - STUVA - entstanden sind. Einige Bilder, vor allem diejenigen, die Minderungsmaßnahmen zeigen, wurden von den genannten Firmen freundlicherweise bereitgestellt. Die von F. Krüger erstellten Bilder und Tabellen beruhen weitgehend auf den bei der STUVA durchgeführten öffentlich geförderten Forschungsarbeiten. Im Jahr 2014 wurde ein neues Berechnungsverfahren für die Luftschallimmissionsermittlung (Anhang 2 zur 16. BImSchV - Schall 03) veröffentlicht, hierauf wird entsprechend eingegangen. Da sich das gesamte Thema des Buches mit den Auswirkungen der durch den Schienenverkehr verursachten Emissionen und Immissionen befasst, ist es für den Leser hilfreich, hierzu auch die technischen Grundlagen der Schienenfahrzeuge und der vorwiegend angewandten Oberbau‐ formen unmittelbar nachschlagen zu können. Außerdem kommt es in der praktischen Arbeit mit der Materie unweigerlich auch zum Kontakt mit rechtlichen Fragestellungen. Neben der Neustrukturierung des Buches wurden daher ergänzend folgende Kapitel neu aufgenommen: Fahrzeugtechnik (Kapitel 4), Oberbau (Kapitel 10), rechtliche Fragestellungen aus der Sicht eines Rechtsanwalts (Kapitel 15) sowie Fahrkomfort (Kapitel 17). In Kapitel 9 werden die rechtlichen Themen aus der Sicht der Anwohner aktualisiert dargestellt. Eine Zusammenstellung wesentlicher Begriffe ist im Anhang A, die vorrangig für die akustische Arbeit anzuwendenden Normen sind im Anhang B enthalten. Die Darstellung von Daten und Beispielen zeigt Anhang C. Insbesondere die Anzahl der Beispiele wurden gegenüber den früheren Auflagen deutlich erweitert. Kapitel 2 dient vorwiegend zum Nachschlagen der Grundlagen der Schall- und Schwingungs‐ technik. Anhand von einigen Beispielen wird deren Anwendung für den Bereich Schienenverkehr aufgezeigt. Intensiver wird dies in den folgenden Kapiteln behandelt. Im Kapitel 4 „Schienenfahrzeuge“ wird ein kurzer Überblick zu den Schienenverkehrssystemen, der Fahrzeug-Projektierung unter akustischen Gesichtspunkten, dem Akustik-Management so‐ wie dem sehr wichtigen und oft unterschätzten Thema der Instandhaltung gegeben. <?page no="19"?> Im Kapitel 9 „Rechtsschutz der Anwohner vor Lärm des Schienenverkehrs“ wird beschrieben, wie der „Staat“ die Anwohnerinnen und Anwohner von Bahnstrecken vor dem Schienenver‐ kehrslärm schützt. Die Europäische Union bewirkt durch ihre Vorschriften für die Geräusch‐ emissionen von Schienenfahrzeugen, dass möglichst leise Schienenfahrzeuge in den Verkehr gebracht werden. Das nationale Immissionsschutzrecht sieht zum einen Vorschriften für die Geräuschimmissionen neuer bzw. wesentlich geänderter Schienenwege vor (Lärmvorsorge), zum anderen finanziert der Staat die Lärmsanierung an bestehenden Schienenwegen der Eisenbahnen des Bundes. Die Schutzregelungen und -ziele der Lärmvorsorge sind deutlich verbindlicher und anspruchsvoller als die der Lärmsanierung. Insgesamt sind bei der Minderung des Schienen‐ verkehrslärms in den letzten 20 Jahren große Fortschritte erzielt worden, vor allem bei der Lärmsanierung. Von Relevanz ist auch der Schutz vor Schienenverkehrslärm im Rahmen der Bauleitplanung (Problemfeld „Heranrückende Wohnbebauung“). In Kapitel 10 „Oberbau“ werden die Anforderungen an den Oberbau, deren Komponenten und Ausführungsformen sowie die akustisch wirksamen Instandhaltungsmaßnahmen beschrieben. Neu in dieser Auflage ist Kapitel 15: Dort werden einleitend die Rechtsgrundlagen zur Vorsorge aus Schienenverkehrslärm und zu Erschütterungen aus dem Eisenbahnverkehr skizziert. Diese werden dann anhand ausgewählter Rechtsprechung des Bundesverwaltungsgerichts beispielhaft erläutert. Kapitel 17 beschreibt Verfahren zur Kennzeichnung des Fahrkomforts aufgrund von Schwin‐ gungseinwirkungen auf den Menschen im Fahrzeug. Es werden verschiedene Komfortwerte und deren Zusammenhang dargestellt. Es wird darauf hingewiesen, dass die in diesem Buch genannten Regelwerke (z. B. Gesetze, Normen und Richtlinien) in bestimmten Abständen überarbeitet oder ergänzt werden. Außerdem werden neue Vorschriften erarbeitet bzw. alte ersatzlos gestrichen. Es ist daher erforderlich die jeweils aktuellen Regelwerke für die Bearbeitung von Projekten heranzuziehen. Köln, im Oktober 2023 Hartmut Heinrich, München / Manfred Hester, Hamburg / Michael Jäcker-Cüppers, Berlin / Friedrich Krüger, Köln / Thomas Rupp, Karlsruhe Autorenvorwort zur dritten Auflage 17 <?page no="20"?> Häufig verwendete Formelzeichen und Abkürzungen a) Großbuchstaben Formelzeichen Einheit Beschreibung B' Nm bezogene Biegesteife einer Platte D -, % Dämpfungsgrad D dB Schallpegeldifferenz D e dB Einfügungsdämm-Maß (in der Regel als Terzspektrum) D e,rel dB relatives Einfügungsdämm-Maß D n dB Norm-Schallpegeldifferenz E N/ m² Elastizitätsmodul F N/ Hz Kraft (statisch, dynamisch) G vv (f) (mm/ s)²/ Hz Spektrale Leistungsdichte G mn (if) (m/ s)²/ Hz Kreuzleistungsspektrum (komplex) aus Systemeingang n und Systemausgang m Im{Y} m/ (Ns) Imaginärteil der Admittanz KB F (t) (mm/ s)/ (mm/ s) Bewertete Schwingstärke mit der Zeitkonstanten τ = 125 ms, alle KB-Werte sind bezogen auf 1 mm/ s, daher dimensionslos KB Fmax - Maximale bewertete Schwingstärke (Maximalwert von KB F (t) für alle gemessenen Zugvorbeifahrten) KB FTi - Taktmaximalwert (maximaler KB F (t)-Wert einer Zugvorbeifahrt) KB FTm - Taktmaximal Effektivwert K(R) - Abstandsabhängiger Korrekturwert (Punkt zur Linienquelle) L dB Pegelwert (allgemein) L a dB Schwingbeschleunigungspegel (Körperschall), re 10 -6 m/ s 2 (früher auch 9,81-g) L den dB(A) Tag-Abend-Nacht-Lärmindex über 24 Stunden zur Bewertung der Lärmbelästigung (day-evening-night) L F (f) dB/ Hz Kraftpegelspektrum L I dB Schallintensitätspegel, re 1-pW/ m 2 L K (R) dB abstandsabhängiger Korrekturpegel L m dB Mittelungspegel <?page no="21"?> L m,E dB(A) Emissionspegel (nach Schall 03 1991) L mE100 dB(A) normierter Emissionspegel auf 100-km/ h L night dB(A) Nacht-Lärmindex zur Bewertung von Schlafstörungen L p dB Schalldruckpegel, linear (re 2⋅10 -5 N/ m 2 ) L p (f) dB/ Hz Schalldruckpegelspektrum (FFT - Schmalbandspektrum) L p (f Tn ) dB/ Terz Schalldruckpegelspektrum (Terzspektrum) L pA dB(A) Schalldruckpegel, A-bewertet, re 2⋅10 -5 N/ m 2, ) L P‘ dB kraftbezogener Schalldruckpegel, re 2⋅10 -5 (N/ m 2 )/ N L P‘ (f) dB kraftbezogenes Schalldruckpegelspektrum, re 2⋅10 -5 (N/ m 2 )/ N L pAeq,T dB(A) energieäquivalenter Dauerschallpegel für die Zeit T (T M , T p, T rec ) L pAF dB(A) Schalldruckpegel, A- und F-bewertet, re 2·10 -5 N/ m 2 L pAFmax,m dB(A) Mittlerer Maximalpegel L pAm dB(A) Mittelungspegel (AF-bewertet; = L pAeq ) L pAm,V dB(A) Vorbeifahrt-Mittelungspegel (= L pAeq,Trec ) L r dB(A) Beurteilungspegel L U (f Tn ) dB Umwandlungsmaß von Körperschall in Luftschall L v (f) dB/ Hz Schwinggeschwindigkeitspegelspektrum (Betrag) L v dB Schwinggeschwindigkeitspegel, re 5⋅10 -8 m/ s L W dB Schallleistungspegel, re 1 pW L W’A,v dB(A) längenbezogener Schallleistungspegel, re 1-pW L Y dB Admittanzpegel, re 5⋅10 -8 m/ Ns oder re 1 m/ Ns L Y,mn (f) dB Übertragungs-Admittanz (n Anregung und m Antwort) m kg Masse N, n - Anzahl der Wertepaare PSD (m/ s) 2 / Hz Leistungsdichte-Spektrum (Power Spectral Density) P' (N/ m²)/ N kraftbezogener Schalldruck (Summenwert) P'(f) (N/ m²)/ N kraftbezogenes Schalldruckpegelspektrum (Betragsspektrum) R m horizontaler Abstand zwischen dem Erregerort (Gleismitte) und dem Immissionsort (Raummitte, Deckenmitte) R,r m Gleisradius, Radradius Re{Y} m/ (Ns) Realteil der Admittanz R dB Schalldämm-Maß a) Großbuchstaben 19 <?page no="22"?> R' - Korrelationskoeffizient R w ; R’ w dB Bewertetes Schalldämm-Maß S/ N - Signal/ Rauschabstand S m 2 / (rad/ m) Leistungsdichtespektrum der Gleis-Längshöhenlage h S n-1 - Standardabweichung T s Messzeit, Mittelungszeit, Nachhallzeit, Periodendauer T 0 h Bezugsdauer (oder 1-sec) TEL dB(A) Vorbeifahrtexpositionspegel; Transit Exposure Level T M s Mess- oder Analysezeit T n s Gesamtzeit der Frequenzanalyse für eine Zugvorbeifahrt (n = 1; 2; 3) T p s Vorbeifahrtzeit eines Zuges, Puffer zu Puffer bzw. Kupplung zu Kupplung T r h Beurteilungszeit T rec s Zugvorbeifahrtzeit gesamt (T p + an- und absteigendem Ast) T T s Teilzeit für ein Spektrum V,v km/ h Geschwindigkeit V m 3 Volumen V(f) (m/ s)/ Hz Schwinggeschwindigkeitsspektrum (Betrag) Y m/ (Ns) Admittanz (engl. Mobility) Y(f) m/ (Ns) Admittanzspektrum (Betrag) Y(if) m/ (Ns) komplexes Admittanzspektrum Y mn (f) m/ (Ns) Admittanzspektrum (Betrag) zwischen den Punkten n und m Z(if) N/ (m/ s) Impedanz (komplex) b) Kleinbuchstaben Formelzeichen Einheit Beschreibung a m/ s 2 Schwingbeschleunigung a m Abstand von Schwellen oder Schienenstützpunkt b Ns/ m Dämpfungskonstante c m/ s Wellengeschwindigkeit (im Baugrund, in einer Struktur) f Hz Frequenz F(f) N Kraftspektrum 20 Häufig verwendete Formelzeichen und Abkürzungen <?page no="23"?> f 0 Hz Eigenfrequenz f S Hz Störstellenfrequenz (z. B. von Riffeln) h m; mm Gleis-Längshöhenlage. Bodenschichtdicke h m m Mikrofonhöhe über SO h P m Wandstärke (Platte, z. B. Tunnelsohle, Tunnelwand) I' m 3 bezogenes Trägheitsmoment k N/ m Steifigkeit von el. Elementen im Fahrzeug, Oberbau, Gebäude, auch in kN/ mm l m Zuglänge l S m Störstellenabstand m kg Masse m" kg/ m² Masse, bezogen auf eine Fläche p N/ m² Schalldruck r, R m Gleisradius s y mm horizontale Auslenkung der Schiene s z mm vertikale Einsenkung der Schiene t s Zeit v m/ s Schwinggeschwindigkeit c) Griechische Buchstaben α(f) - Amplitudenfrequenzgang der Schwinggeschwindigkeit α Grad Winkel α - Schallabsorptionsgrad γ(f) - Kohärenzfunktion γ Grad Anlaufwinkel η - Auf die Eigenfrequenz bezogene Frequenz λ m Wellenlänge (allgemein), Rauheitsabstand ρ kg/ m 3 Materialdichte ∑ - Summenwert eines Spektrums (linear) ∑L dB Summenpegel eines Spektrums σ - Abstrahlgrad µ - Poissonzahl ν - Querkontraktionszahl c) Griechische Buchstaben 21 <?page no="24"?> ω,Ω s -1 Kreisfrequenz ω 0 s -1 Eigenkreisfrequenz d) Indices A - A-Bewertung ax axialsymmetrisch B - Boden, Baugrund, Biegung Br - Brücke DP - Dehnwellen (in Platten) eb eben eff - Effektivwert (auch RMS) eq energie-äquivalent F - FAST (Zeitkonstante) Fb - Fahrbahn Fz - Fahrzeug G - Gebäude IH - Impacthammer (Prüfhammer) KB - Kompressionswellen (im Boden) n - Eingangspunkt (allg.) m - Ausgangspunkt (allg.) m, M - Mittelung, max maximal O - Oberbau P - Platte (z. B. Tunnelsohle/ Tunnelwand) PH - Prüfhammer (Impact Hammer) r - Beurteilung (z. B. Beurteilungspegel L r ) S - Scherwelle, Schiene S - Slow (Zeitkonstante) T - Tunnel Z - Z-Bewertung, unbewertet (Zero) 22 Häufig verwendete Formelzeichen und Abkürzungen <?page no="25"?> e) Abkürzungen (siehe auch Indices) A A-Bewertung a. a. O. am angegebenen Ort Abs. Absatz ABS Ausbaustrecke AEG Allgemeines Eisenbahngesetz a. F. alter Fassung ALD Arbeitsring Lärm der DEGA Art. Artikel APL Achsen pro Wagenlänge BauGB Baugesetzbuch Bay VGH Bayerischer Verwaltungsgerichtshof BGB Bürgerliches Gesetzbuch BImSchG Bundes-Immissionsschutzgesetz BImSchV Bundes-Immissionsschutzverordnung BMBF Bundesministerium für Bildung und Forschung BMU Bundesministerium für Umwelt BMVI Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur BMVBS Bundesverkehrsministerium Bau und Stadtentwicklung BOA Verordnung über den Bau und Betrieb von Anschlussbahnen BOStrab Verordnung für den Bau- und Betrieb von Straßenbahnen büG besonders überwachtes Gleis BVerwG Bundesverwaltungsgericht BVerwGE Entscheidungen des BVerwG bzw. beziehungsweise dB Dezibel DIN Deutsches Institut für Normung C C-Bewertung CER Communauté européenne du rail - Gemeinschaft der Europäischen Bahnen CR Chloropren-Kautschuk (Elastomer) DB AG Deutsche Bahn AG DG Drehgestell E Emission EBA Eisenbahn Bundesamt e) Abkürzungen (siehe auch Indices) 23 <?page no="26"?> EBO Eisenbahn-Bau- und Betriebsordnung EBOA Eisenbahn-Bau- und Betriebsordnung für Anschlussbahnen EIV Eisenbahninfrastrukturunternehmen EIVB Eisenbahninfrastruktur-Benutzungsverordnung EPDM Ethylen-Propylen-Kautschuk EU Europäische Union EU 28 EU der 28 Mitgliedsstaaten EVU Eisenbahnverkehrsunternehmen EP Emissionspunkt, Erregerpunkt ESBO Eisenbahn-Bau- und Betriebsordnung für Schmalspurbahnen Fb Fahrbahn ff. fortfolgende FEM Finite-Elemente-Methode FFT Fourier-Frequenz-Transformation (Schmalbandanalyse eines Schall- oder Schwingungssignals) FGSV Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen e.V. FStrG Bundesfernstraßengesetz Fz Fahrzeug G Gebäude (Decke D/ Raummitte M) G. Gesetz GZ Güterzug GG Graugussklotz (Bremsklotz) GG Grundgesetz der Bundesrepublik Deutschland HDPE High-Density Polyethylen (auch PE-HD) HGV Hochgeschwindigkeitsverkehr I Immission IC Intercity ICE Intercity Express IGW Immissionsgrenzwert ISO International Organization for Standardization IP Immissionspunkt i. V. m. In Verbindung mit K Korrekturfaktor zur Berücksichtigung der Linienquelle eines Fahrzeuges KZ Kurzzug LAI Länderausschuss für Immissionsschutz 24 Häufig verwendete Formelzeichen und Abkürzungen <?page no="27"?> LAP Lärmaktionsplan (Lärmaktionsplanung) LaTPS Lärmabhängiges Trassenpreissystem L den gewichteter Ganztagespegel nach der EU-Richtlinie zum Umgebungslärm LfB Landesbevollmächtigter für die Bahnaufsicht LDG Laufdrehgestell (nicht angetrieben) LfU Landesamt für Umweltschutz LMFS Leichtes Masse-Feder-System (Oberbau) LZ Langzug MFS Masse-Feder-System (als besonderer Oberbau) MO Messort MP Messpunkt MQ Messquerschnitt MR Messreihe N Anzahl der Wertepaare. Bei den hier zugrundeliegenden Wertepaaren handelt es sich immer um gemittelte Werte aus mehreren Vorbeifahrten (z. B. 6 Fahrten pro Geschwindigkeit und/ oder Messpunkt). NBS Neubaustrecke NE-Bahn Nichtbundeseigene Eisenbahn n. F. neuer Fassung NJW Neue Juristische Wochenschrift ( Jahr und Seite) NORAH Noise-Related Annoyance, Cognition and Health NÖT Neue Österreichische Tunnelbauweise (bergmännischer Vortrieb) NVwZ Neue Zeitschrift für Verwaltungsrecht ( Jahr und Seite) ÖBB Österreichische Bundesbahnen OVG Oberverwaltungsgericht ÖPNV Öffentlicher Personennahverkehr PA Polyamid PBefG Personenbeförderungsgesetz PE Polyethylen PFB Planfeststellungsbeschluss PUR Polyurethane PVC Polyvinylchlorid R Horizontaler Abstand zwischen Gleismitte und Gebäude in m R’ Korrelationskoeffizient Ril Richtlinie (z. B. der DB AG) e) Abkürzungen (siehe auch Indices) 25 <?page no="28"?> RLS 90 Richtlinien für den Lärmschutz an Straßen 1990 S (Tunnel-) Sohle S. Seite SO Schienenoberkante SRU Sachverständigenrat für Umweltfragen Strab Straßenbahn (Straßen-, Stadt- und U-Bahn) st.Rspr. ständige Rechtsprechung STUA Staatliches Umweltamt STVO Straßenverkehrs-Ordnung - - TA Technische Anleitung TAB Technische Aufsichtsbehörde THG Treibhausgas TEL Transit Exposure Level TEN-T Trans-European Transport Network TDG Triebdrehgestell (angetrieben) TDR Track Decay Rate (Gleisabklingrate) tkm Tonnenkilometer TPE thermoplastische Elastomere TS Tunnelsohle TSI Technische Spezifikation für die Interoperabilität TW Tunnelwand UBA Umweltbundesamt UE Unwuchterreger UIC Union Internationale des Chemins de fer - Internationale Union der Eisenbahnen UIP Union Internationale des Wagons Privés - Internationale Union der Privatgüterwagen USM Unterschottermatte U. v. Urteil vom VDI Verein Deutscher Ingenieure VBK Verkehrsbetriebe Karlsruhe GmbH, Karlsruhe VDV Verband Deutscher Verkehrsunternehmen VerwV Verwaltungsvorschrift VGH Verwaltungsgerichtshof 26 Häufig verwendete Formelzeichen und Abkürzungen <?page no="29"?> VLärmSchV Verkehrslärmschutzverordnung VP Vibrationsplatte (Baurüttler, kann zur Ersatzanregung eingesetzt werden) VwGO Verwaltungsgerichtsordnung VwVfG Verwaltungsverfahrensgesetz WHO World Health Organization Z Z-Bewertung (Schalldruck) ZTV Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen Zw Zwischenlage (Oberbau, elastisches Element unterhalb der Schiene) Zwp Zwischenplatte (Oberbau, elastisches Element unterhalb einer Rippenplatte oder ähnlichem Konstruktionselement) 16. BImSchV Sechzehnte Verkehrslärmschutzverordnung 24. BImSchV Vierundzwanzigste Verkehrswege-Schallschutzmaßnahmenverordnung e) Abkürzungen (siehe auch Indices) 27 <?page no="30"?> 1 Hinweis und Abgrenzung: In diesem Buch wird ausschließlich der Transport mit Schienenfahrzeugen behandelt, alle im Folgenden behandelten Themen betreffen nur diese Transportmöglichkeit. 1 Einführung F. Krüger 1.1 Problemstellung und Lösungsansätze Der Transport von Menschen und Waren mit Fahrzeugen, gleich welcher Art 1 , ist nahezu immer untrennbar mit Schall- und Erschütterungsemissionen verbunden. Andererseits ist es Aufgabe, ja Pflicht eines jeden Betreibers und Verkehrsteilnehmers alles Mögliche zu tun, um die Belastungen sowohl für die Anwohner als auch für die anderen Verkehrsteilnehmer auf das technisch, betrieblich und wirtschaftlich Mögliche zu mindern. Beschwerden über eine zu hohe Schallbelastung aus dem Verkehr ist kein Phänomen des 20. oder 21. Jahrhunderts. So wurde beispielsweise bereits um 100 v. Chr. in einigen altrömischen Städten der Wagenverkehr in den Stadtzentren wegen zu hohen Schallimmissionen verboten [1.1]. Es bleibt, so scheint es manchmal, nur die „gerechte Verteilung“ der Immissionen als Lösung übrig. Hierzu müssten die Verkehrswege breit gestreut werden. Alternativ ist eine Bündelung der Verkehrsströme möglich, die unweigerlich aber auch eine Konzentration der Schall- und Erschütterungsemissionen bewirkt. In der Praxis wird oft die letzte Variante favorisiert und umgesetzt. Dies hat zur Folge, dass die an diesen Trassen wohnenden und arbeitenden Menschen besonders stark von den durch Schienenverkehr hervorgerufenen Immissionen betroffen sind. Ein Beispiel hierfür ist die Mittelrheinstrecke. Nicht zuletzt aus Solidarität mit den betroffenen Mitbürgern muss alles unternommen werden, um auch diesen Menschen das Grundrecht auf Ruhe zu gewähren. Dies kann mit aktiven und passiven Maßnahmen an den Fahrzeugen und an der Strecke erreicht werden. Neben dem Einsatz von technischen Maßnahmen, z. B. Körperschallabsorber an Rad und Schiene, darf der Einfluss einer angemessenen Wartung und Pflege beider Systemkomponenten nicht unerwähnt bleiben. Um die Wirksamkeit beider Ansätze noch zu verbessern, ist eine weitere intensive Forschung, Entwicklung und insbesondere eine angemessene Umsetzung erforderlich. Hierbei sind auch neuere Fahrzeugkonzepte (z. B. Niederflurfahrzeuge) und die höheren Geschwindigkeiten (z. B. ICE) zu berücksichtigen. Dass sich solche Arbeiten und die hierfür eingesetzten Geldmittel durch‐ aus lohnen, zeigen die hervorragenden Ergebnisse der vom Forschungsministerium (siehe hierzu Zusammenstellung der Berichte im Anschluss an die Literaturhinweise zu diesem Kapitel), dem Verkehrs- und Wirtschaftsministerium sowie dem Umweltministerium (UBA) etc. geförderten Forschungs- und Entwicklungsvorhaben. Bei der Bewegung von Schienenfahrzeugen - und dies gilt auch für andere Massenverkehrs‐ mittel - entstehen dynamische Kräfte, die sowohl die bewegten Strukturen (insbesondere Drehgestelle) als auch die tragenden Systeme (Schienen, Schwellen, Fahrbahnplatte) sowohl zu tieffrequenten Schwingungen (< 100 Hz) als auch zu hochfrequentem Körperschall (100 Hz bis über 10 kHz) anregen. Die Schwingungen führen letztendlich zu den Erschütterungen und der Körperschall zur Schallabstrahlung und über die Ausbreitung in der Luft zur Schallwahrnehmung in den Fahrzeugen, auf den Haltestellen sowie außerhalb und innerhalb von benachbarten <?page no="31"?> Gebäuden. Anmerkung: In der aktuellen 16. BImSchV, Anlage 2 (Schall 03), hierauf wird in den folgenden Kapiteln noch näher eingegangen, umfasst der zu betrachtende Frequenzbereich die Oktaven 63-Hz bis 8-kHz, dies schließt somit den Frequenzbereich von 45-Hz bis 11.220-Hz ein. Menschen sind daher z. T. hohen, unerwünschten Schallbelastungen zu Hause, im Beruf und in der Freizeit ausgesetzt. Unerwünschter Schall stellt eine wesentliche zivilisationsbedingte Umweltgefährdung dar. Dieser Schall (= Lärm) ist nach bisherigen Erkenntnissen als ein Risi‐ kofaktor anzusehen, der im Zusammenhang mit anderen Belastungsgrößen gesundheitliche Beeinträchtigungen hervorrufen kann. Auswirkungen von Lärm sind u. a. Schlafstörungen, Unlustgefühl, Kopfschmerzen, Aggressionen sowie die Abnahme der körperlichen und geistigen Leistungsfähigkeit, [1.20], [1.21]. Somit schadet er nicht nur den jeweils betroffenen Menschen, er verursacht auch für die Gesellschaft einen hohen wirtschaftlichen Schaden. Durch Schallbelastungen, die als Lärm wahrgenommen werden, entstehen vielfältige, teilweise schwer abzuschätzende Kosten. Insbesondere können diese für folgende Bereiche entstehen [1.2], [1.14], [1.15]: • Beeinträchtigung der Arbeitsleistung und hierdurch hervorgerufene Produktivitätsverluste, • Unfälle als Folge der Konzentrationsminderung, • Minderung des Wohnwerts, • Abhilfemaßnahmen gegen eine zu hohe Schallbelastung (z. B. durch Schallschutzwände neben den Gleisen oder durch hochdämmende Fenster), • Gesundheitsschäden (insbesondere Herz-Kreislaufbeschwerden), • Umsatzeinbußen, insbesondere für den Tourismus und damit verbunden für den Handel und bei Dienstleistungen. Besonders betroffen durch den vom Verkehr verursachten Immissionen (Schall und Erschütte‐ rungen) sind die Bewohner in Innenstadtbezirken und an stark frequentierten Verkehrstrassen, z. B. an Bahnstrecken mit häufigem Güterzug- oder Hochgeschwindigkeitsverkehr sowie inner‐ städtisch bei Gleiskreuzungen und Gleisbögen mit Radien ≦ 200 m (Straßenbahnen) bzw. ≦ 500 m (Eisenbahnen). Viele der so betroffenen Anwohner müssen die Fenster oft dauerhaft geschlossen halten und verzichten zeitweise auf die Nutzung von Balkonen und Terrassen. Solche Einschränkungen sind als eine erhebliche Beeinträchtigung der Wohnqualität anzusehen. Es kann davon ausgegangen werden, dass sich durch diese Einschränkungen sowie möglichen gesundheitlichen Beeinträchtigungen und Einsatz von Schutzmaßnahmen usw. jährlich ein Betrag von mehreren Millionen Euro ergibt. Diese enormen Kosten verdeutlichen die dringende Notwendigkeit schon bei der Planung auf die Vermeidung und/ oder Minderung von Schall- und Erschütterungsemissionen an Verkehrswegen zu achten und entsprechende Abhilfemaßnahmen vorzusehen. Nach einer Studie des Umweltbundesamtes (UBA, Berlin/ Dessau) aus dem Jahr 2010 fühlen sich Menschen in Deutschland häufig durch Lärm belästigt. Der Begriff Lärm kommt von Alarm, Alarm wiederum vom italienischen all'arme, was eigentlich „zu den Waffen“ bedeutet [1.16]. An erster Stelle der Belästigung wird der Straßen- und Flugverkehr genannt. Aber auch Lärm von Nachbarn und der Industrie spielen eine wichtige Rolle (Bild 1.1). Es ist aber auch zu beachten, dass der größte Teil der Bevölkerung sich nicht durch Lärm belästigt fühlt (Balken D und E). 1.1 Problemstellung und Lösungsansätze 29 <?page no="32"?> Bild 1.1: Lärmbelästigung in Deutschland; Lärmbeurteilung nach einer UBA-Studie „Umweltbewusstsein in Deutschland 2010“ Es bedeuten: A: äußerst gestört oder belästigt; B: stark gestört oder belästigt; C: mittelmäßig gestört oder belästigt; D: etwas gestört oder belästigt; E: überhaupt nicht gestört oder belästigt Durch den Schienenverkehrslärm (besser Schalleinwirkungen durch den Schienenverkehr) fühlen sich aufgrund der genannten UBA-Umfrage ca. 9 % der Bewohner in Deutschland belästigt (A+B+C in Bild 1.1). Absolut gesehen sind dies ca. 8 Mio. Menschen. Eine Aufteilung der Lärmbelästigung durch den Schienenverkehr auf den Nah- und Fernverkehr ist nicht bekannt. Es kann jedoch davon ausgegangen werden, dass beim Fernverkehr besonders der Lärm durch die Güterzüge und beim Nahverkehr der Lärm infolge des Kurvenquietschens und Überfahrens von Kreuzungen am meisten stört. Die Schallemissionen der Güterzüge können wirksam durch Einsatz von Verbundstoff-Bremssohlen (K-Sohlen oder LL-Sohlen) gemindert werden (um 10 dB(A), [1.4]). Die Graugusssohlen führen zu einer Aufrauhung der Radfahrflächen und somit zu höheren Schall‐ emissionen. Die K- und LL-Sohlen vermeiden diese Aufrauhung und ergeben somit geringere Schallemissionen. „K“ steht für „Komposit“ und „LL“ für „Low Friktion, Low Noise". Grundsätzlich wäre auch eine Lösung mit Scheibenbremsen wie bei den Personenzügen möglich, dies würde aber erhebliche Kosten für die Umrüstung bzw. bei der Neubeschaffung bedeuten. Neben den genannten Schallquellen ist der Zustand der Schienenfahrflächen (Rauheiten, Riffeln, sonstige Unregelmäßigkeiten) eine signifikante Quelle für hohe Schallemissionen. 30 1 Einführung <?page no="33"?> 2 Dieses Projekt wurde unter der Koordination der STUVA e.V., Köln, durchgeführt. 1.2 Forschung und Entwicklung (FuE) 1.2.1 Überblick Der Bundesminister für Forschung und Technologie (BMFT) förderte von 1978 bis 1993 FuE-Vor‐ haben, die sich mit der Entstehung, Ausbreitung, Prognose und Minderung von Schall- und Erschütterungen (Schwingungen) an Strecken des Schienennahverkehrs befassten 2 . Hierzu sind in einer Berichtsreihe 24 Abschlussberichte erschienen, weitere Berichte wurden von den jeweiligen Instituten veröffentlicht (s. BMFT-Forschungsberichte unter Literatur sowie [1.5] und [1.6]). Im Folgenden wird das Forschungsprogramm kurz vorgestellt sowie einige wesentliche Ergebnisse aufgezeigt [1.7]. Diese Vorstellung dient gleichzeitig dem Aufzeigen der in diesem Buch schwerpunktmäßig dargestellten Themen. Wegen des o. g. hohen Anteils der Bevölkerung, die sich durch den Schienenverkehrslärm belästigt fühlen, ist den Fragen einer wirksamen Geräuschminderung im Bereich des Stadtver‐ kehrs eine besondere Bedeutung beizumessen. Obwohl der Kraftfahrzeugverkehr, sowohl was die Höhe der Pegelwerte anbetrifft als auch hinsichtlich seiner Beurteilung durch die Bevölkerung, hier eine vorrangige Rolle spielt, kommt auch der Bekämpfung des Schienenverkehrslärms eine herausragende Bedeutung zu. Hierfür sind folgende Gründe maßgebend: • Durch die große Gesamtstreckenlänge innerstädtischer Schienenbahnen ist eine beträchtli‐ che Anzahl von Anliegern den auftretenden Verkehrsgeräuschen ausgesetzt. Problematisch ist hierbei, dass aus Gründen der Attraktivität eine möglichst starke Konzentration der Bebauung entlang der Strecken und in den Haltestellenbereichen erwünscht ist, aus Gründen der Verringerung der Schall- und Erschütterungsimmissionen jedoch ein größerer Abstand sinnvoll wäre. • Erschütterungen können eine erhebliche Belästigungs- oder Störwirkung haben, insbeson‐ dere wenn die Quelle - z. B. bei unterirdisch geführten Bahnen - vom Betroffenen nicht eindeutig zu identifizieren ist. • Die Fahrgäste innerstädtischer Schienenverkehrsmittel sind den auftretenden Geräuschen i. a. relativ kurzzeitig ausgesetzt. Hier sind es vorrangig Gesichtspunkte der Attraktivität und des Komforts, die niedrige Geräuschpegel in den Fahrzeugen wünschenswert machen. • In Anbetracht der Bestrebungen zur Humanisierung der Arbeitswelt ist eine Begrenzung der Schallimmissionswerte für das Fahrpersonal erforderlich. Im Vergleich zu den Auswirkungen auf die Fahrgäste sind dabei die in der Regel längeren Expositionszeiten zu berücksichtigen. Die auftretenden Schwingungsvorgänge haben, außer den Geräusch- und Erschütterungsemissi‐ onen, auch Verschleißerscheinungen am Fahrzeug und Fahrweg zur Folge, die den Fahrkomfort und in Extremfällen evtl. sogar die Sicherheit beeinträchtigen können. Ihre Beseitigung erfordert i. a. einen erheblichen technischen und finanziellen Aufwand. In volkswirtschaftlicher Hinsicht liegt eine besondere Problematik darin, dass bei den Stadtbahnen umfangreiche ortsfeste Anlagen bestehen und zahlreiche Fahrzeuge mit einer Nutzungsdauer von über 30 Jahren vorhanden sind. Immissionsgrenzwerte mit der Auflage einer kurzfristigen Realisierung an vorhandenen Strecken (Lärmsanierung, [1.22]) haben daher entweder außerordentlich große technische und finanzielle Aufwendungen zur Folge oder erhebliche Auswirkungen auf den Betrieb und damit die Qualität der Verkehrsbedienung (z. B. 1.2 Forschung und Entwicklung (FuE) 31 <?page no="34"?> durch Minderung der Fahrgeschwindigkeit). Das Ziel der Bestrebungen zur Geräusch- und Erschütterungsminderung bei Schienenbahnen des Stadtverkehrs besteht darin, langfristig eine Verbesserung der bestehenden Situation zu erreichen. Dabei sind Maßnahmen zur Unterdrückung der Schwingungsentstehung bzw. zur Verhinderung der Weiterleitung in unmittelbare Nähe des Entstehungsortes der Vorzug zu geben gegenüber Maßnahmen, die die Immissionen am Einwirkungsort (Gebäude) verringern, da sie insgesamt als wirtschaftlicher und sinnvoller anzusehen sind. Für Neubaustrecken und Strecken mit einer wesentlichen baulichen Änderung sind die Grenzwerte der 16. BImSchV von 2014 heranzuziehen: [1.8] und [1.9]. Es liegen umfangreiche Messdaten aus Untersuchungen vor, die sich schwerpunktmäßig darauf konzentrierten, die Gesamtgeräusch- und Schwingungssituation an schienengebundenen Verkehrssystemen festzustellen. Diese Daten sind u. a. in die Berechnungs- und Bewertungsvor‐ schriften - für unterschiedliche Emissionen und Ausbreitungsbedingungen längs der Strecke - für den Luftschall in die Anlage 2 zur 16. BImSchV (Schall 03) sowie für die Erschütterungsim‐ missionen in DIN 4150-2 eingeflossen. Aufbauend auf einer Programmstudie, die den Wissensstand umfassend darstellte und die notwendigen Untersuchungsschwerpunkte aufzeigte, förderte das BMFT das Forschungspro‐ gramm „Verminderung des Verkehrslärms in Städten und Gemeinden - Teilprogramm Schienen‐ nahverkehr“. Rund 30 Einzelvorhaben wurden von über 13 Forschungsinstituten, Firmen und Ingenieurbüros unter Koordination durch die STUVA bearbeitet. Das Programm wurde durch den Sachverständigenkreis des BMFT „Lärmminderung im Schienennahverkehr“ begleitet. Einzelfaktoren und deren gegenseitiger Beeinflussung (z. B. Radsätze, Drehgestelle, Oberbau, Antrieb) sind messtechnisch oft nur unzureichend zu erfassen, vorliegende Ergebnisse sind teilweise schwer zu interpretieren, es kommt daher wegen unterschiedlicher messtechnischer Voraussetzungen oft zu widersprüchlichen Aussagen. Eine Aufgabe des o. g. FuE-Programms war es daher auch, eindeutige Messvorschriften zur Erfassung einzelner Schall- und Schwingungs‐ quellen zu erproben und in Regelwerken, z. B. DIN-Normen und VDI-Richtlinien, festzulegen. Nur hierdurch sind hinreichend vergleichbare Aussagen herzuleiten. Die Werte von Schalldruckpegeln und Erschütterungsamplituden im Boden sind, neben den Anregungsvorgängen, unmittelbar vom Abstand zur Quelle und den Umgebungsbedingungen abhängig. Die Schwierigkeiten der messtechnischen Erfassung der einzelnen Geräuschquellen sind im Wesentlichen in der Vielfalt der Zusammenhänge und Einflussparameter begründet. Die Schallabstrahlung geht ursächlich zurück auf die Schwingungen des komplexen Gesamtsystems Fahrzeug/ Gleis, das aus den beiden Teilschwingungssystemen Fahrzeug und Fahrweg besteht, die über die Berührungspunkte zwischen Rad und Schiene miteinander durch Reib- und Führungs‐ kräfte gekoppelt sind. Im Folgenden werden einige wesentliche Ergebnisse der Forschungsarbeiten kurz aufgezeigt. In den weiteren Kapiteln wird sowohl auf diese als auch auf weitere Ergebnisse intensiver eingegangen, z. T. bilden sie eine Grundlage für die gemachten Ausführungen. An dieser Stelle ist zu vermerken, dass viele Ursachen für die Quellen und deren Minderung von Schall und Er‐ schütterungen bekannt sind, oft fehlt es am erforderlichen Umsetzungswillen und entsprechenden Umsetzungsstrategien [1.18]. 32 1 Einführung <?page no="35"?> 1.2.2 Projekte a) Kurvengeräusche Der Anregungsmechanismus sowie die maßgeblichen Parameter waren bereits im Grundsatz bekannt; eine mathematische Beschreibung der anregenden Reibschwingungen wurde abge‐ leitet und verifiziert. Verschiedene Minderungsmaßnahmen wurden entwickelt und/ oder messtechnisch auf ihre Wirkung untersucht. Mit der Radsatzsteuerung, Reibungsbeeinflussung, Rad- und Schie‐ nendämpfung wurden erhebliche Minderungen der Geräuschemission erzielt (zwischen 10 dB(A) und 30 dB(A) für den Maximalpegel L pAFmax ). Da Kurvenquietschen immer nur kurzzeitig auftritt, wird hierdurch der zur Bewertung nach 16. BImSchV heranzuziehende Mittelungspegel nur geringfügig beeinflusst. Hierbei stellt sich die grundsätzliche Frage, ob nicht auch der Maximalpegel für eine Schallimmissions-Bewertung ergänzend heranzuziehen ist. Eine vollständige Unterdrückung des Kurvenquietschens ist in der Regel jedoch nur durch eine Maßnahmenkombination möglich (→ Kap. 7.13). b) Rollgeräusche Ohne dass der Anregungsmechanismus in allen Einzelheiten geklärt wurde, konnten hin‐ sichtlich der Anregungsbedingungen wesentliche Einflüsse aufgezeigt werden. Das Verhält‐ nis der Abstrahlung der einzelnen Komponenten eines Drehgestells bei unterschiedlicher Radsatzfederung und -führung wurde ermittelt. Bezüglich der prinzipiell vorher bereits bekannten Minderungsmaßnahmen (Erzielen und Erhalten glatter Laufflächen von Rad und Schiene) konnten Hinweise für eine gezieltere Anwendung gegeben werden (Schleifverfahren und -häufigkeit, Bedarfsermittlung von Schleifarbeiten). Die Wirksamkeit von weiteren Maßnahmen konnte zwar z. T. im Labor nachgewiesen werden (z. B. hochwertige Radreifenstähle), jedoch noch nicht oder unter nicht ganz repräsentativen Umgebungsbedingungen in der Praxis verifiziert werden. Die Liste der ohne oder mit nur geringem Erfolg, d. h. eine Rollgeräuschminderung unter 3 dB(A), untersuchten Maßnahmen ist lang (→ Kap. 7). c) Bremsgeräusche (bei Scheibenbremsen) Aufgrund von Versuchen auf einem Bremsprüfstand konnte eine Reihe von Einflüssen aufgezeigt werden (z. B. Qualität des Belages, der Nutung und Dämpfung sowie der Spiele in den Verbindungsbereichen der einzelnen Komponenten), aus denen Minderungsmaßnahmen abgeleitet wurden. d) Erschütterungen und Sekundärschall Aufgrund vergleichender Messungen konnte die Relation der Schwingungsminderung (Ein‐ fügungsdämm-Maß) verschiedener Oberbauformen (hochelastische Schienenlager, kontinu‐ ierliche Schienenlagerung, Unterschottermatten, Masse-Feder-Systeme) ermittelt werden. Es konnten bedeutende Fortschritte bei der Berechnung der Schwingungsausbreitung im Boden und in Gebäuden erzielt werden, während die Berechnung der Anregung noch Unsicherheiten birgt. Besondere Probleme werden wegen der Vielfalt der Parameter (Geo‐ metrie, Bauverfahren, Verfüllung, Bodenschichtung) bei der Prognose von Schwingungen aus dem unterirdischen Verkehr gesehen, die für die Festlegung des erforderlichen Einfügungs‐ dämm-Maßes und somit für die Auswahl einer angemessenen Oberbauform entscheidend sind. 1.2 Forschung und Entwicklung (FuE) 33 <?page no="36"?> e) Schienenlagerung Die kontinuierliche Schienenlagerung bietet hinsichtlich der Unterdrückung anregender Fre‐ quenzen (Stützpunkt- oder Schwellenfachfrequenz) und der Schwingungsminderung durch die Realisierung einer weicheren Lagerung gewisse Vorteile. Durch entsprechende Vorhaben bei der Nürnberger U-Bahn konnte dies nachgewiesen werden. Inzwischen sind verschiedene Varianten dieses Lösungsansatzes auf ober- und unterirdisch geführten Strecken erfolgreich im praktischen Einsatz. f) Messtechnik Es wurde ein für Nahverkehrstriebzüge geeignetes Verfahren zur drahtlosen Übertragung von Körperschall-Messsignalen vom drehenden Rad zum Wagenkasten entwickelt und in der Praxis erprobt. Durch die Fortschreitung der Messtechnik sind heute weiterentwickelte Verfahren auf dem Markt. Insbesondere die Digitaltechnik hat hierzu beigetragen. Durch einen Vergleich verschiedener Messverfahren bzw. Messgeräteketten für Erschütte‐ rungs- und Körperschallmessungen konnte aufgezeigt werden, dass eine genaue Festlegung der Auswertemodalitäten für einen Vergleich erforderlich ist. Diese Ergebnisse sind inzwi‐ schen in Normen eingeflossen. Auf alle oben genannten Themenbereiche wird in den folgenden Kapiteln näher eingegangen. 1.3 Betroffenheiten 1.3.1 Frequenzbewertung Das menschliche Ohr nimmt Schall frequenzabhängig wahr. Um diese Erscheinung für die Festlegung einer Bewertungsgröße zu kompensieren, wurden international verschiedene Fre‐ quenzbewertungen festgelegt. Im Schienenverkehr werden nur die drei Bewertungskurven A, C und Z (Z für unbewertet) verwendet, Bild 1.2. -130 -110 -90 -70 -50 -30 -10 10 1,6 3,16 6,3 12,5 25 50 100 200 400 800 1,6 3,16 6,3 12,5 Delta L, dB Terzmittenfrequenz f Tn , Hz / kHz A-Bewertung C-Bewertung Bild 1.2: Vergleich der A- und C-Bewertung 34 1 Einführung <?page no="37"?> 1.3.2 Überblick Belästigungen durch Schall (Lärm) sind keine Erscheinungen des einundzwanzigsten Jahrhun‐ derts. Die drei folgenden Beispiele zeigen beispielhaft, dass sich Menschen auch schon in früheren Jahren gegen zu hohe Schallimmissionen gewehrt haben [1.1]: 1. Um 600 v. Chr. erließen die Bewohner der Stadt Sybaris in Süditalien eine Verordnung, durch welche alle lärmenden Gewerbe außerhalb der Stadtmauern verbannt wurden. Hierzu gehörten z. B. Schmieden und Steinmetzereien. Die Bewohner von Sybaris glaubten, Lärm verringere das Wohlbefinden, und da ihnen ungestörter Schlaf besonders wichtig erschien, verboten sie auch das Halten von Hühnern in der Stadt. 2. Um 100 v. Chr. verbieten einige altrömische Städte sogar den Wagenverkehr in ihren Zentren. Außerdem untersagte eine Bauverordnung den Kupferschmieden, für ihre Werkstätten eine Straße zu wählen, in welcher ein Professor wohnt. 3. Im Jahr 1617 wurde in den Städten Leipzig und Jena eine Verordnung erlassen, nach der in Straßen, in denen Doctores wohnen, keine lärmenden Handwerker ihren Beruf ausüben dürfen, um die Forscher nicht zu stören. Emissionen aus dem Tunnel: Erschütterungen Transmission direkt reflektiert Immission im Gebäude: a) Sekundärschall (Luftschallabstrahlung) b) Erschütterungen/ Körperschall Emissionen aus dem Oberflächenverkehr: - Schwingungsanregung - Luftschallabstrahlung Luftschall-Messpunkt Erschütterungs-Messpunkt Anker Wellenausbreitung und Reflexion Bild 1.3: Problemstellung - Erschütterungs- und Körperschallentstehung sowie -ausbreitung und -wahrnehmung beim Schienenverkehr, Streckenführung auf Viadukten, ebenerdig und in Tunneln 1.3 Betroffenheiten 35 <?page no="38"?> Durch Schallimmissionen können sowohl Fahrgäste innerhalb der Züge oder auf den Bahnsteigen als auch Bewohner benachbarter Gebäude betroffen werden (Bild 1.3). Während auf die Fahrgäste im Wesentlichen nur sogenannte primäre Luftschallimmissionen einwirken, können in den benachbarten Gebäuden noch zusätzliche Erschütterungs- und sekundäre Luftschallimmissionen auftreten. Von sekundären Luftschallimmissionen wird dann gesprochen, wenn die durch die vorbeifah‐ renden Züge zu Schwingungen (Körperschall) angeregten Decken (Fußböden) und Wände eines der Strecke benachbarten Gebäudes Luftschall abstrahlen. Bild 1.3 zeigt die drei Teilbereiche der Schall- und Erschütterungsproblematik beim Schienenverkehr auf: 1. Emission: Dies ist der Bereich, in dem die Anregung stattfindet und Schall und Schwingungen in die Umgebung eingeleitet werden. Aus praktischen Gründen wurden die Emissionspunkte in einem bestimmten Abstand zur Gleismitte festgelegt: Erschütterungen = 8 m, Luftschall = 7,5 m in 1,2 m und 3,5 m Höhe über der Schienenoberkante (SO). Bei Geschwindigkeiten oberhalb von 200-km/ h beträgt der Abstand 25-m. 2. Transmission: In diesem Bereich (Luft, Boden, Kunstbauwerke) breiten sich der Schall und die Schwingungen aus. 3. Immission: Hier werden Schall und Schwingungen wahrgenommen. Immissionen treten auf innerhalb der Fahrzeuge, auf den Haltestellen, in der Umgebung von Bahnstrecken sowie vor, hinter und innerhalb von Gebäuden. Durch unterirdischen Schienenverkehr treten keine direkten Luftschallimmissionen in den Gebäuden auf, da die Übertragung von Luftschall an das Vorhandensein des Mediums Luft zwischen Quelle und Empfänger gebunden ist. Beim oberirdischen Verkehr sind dagegen alle drei Immissionsarten (Primärschall, Sekundärschall und Erschütterungen) vorhanden (Bild 1.3). Die drei Immissionsarten treten dominant in folgenden Frequenzbereichen auf (Bild 1.4): • Primärschall (ca. 20 Hz bis über 10 kHz), Rollgeräusche und Kurvengeräusche, speziell das Kurvenquietschen, • Sekundär- und Körperschall in Gebäuden: Terzen von ca. 16 Hz bis 250 Hz (Anmerkung: In der Literatur werden hierzu sehr unterschiedliche Frequenzangaben gemacht. Zu beachten ist hierbei, dass die „Quelle“ des Sekundärschalls die Schwingungen der Raumbegrenzungs‐ flächen sind, deren Eigenfrequenzen in der Regel unter 100 Hz liegen. Gläserklirren usw. wird nicht dem Sekundärschall zugeordnet. • Erschütterungen: 1 Hz (3 Hz beim Schienenverkehr) bis 80 Hz für eine Einwirkung auf Menschen in Gebäuden, für die Gebäude selber wird der obere Frequenzbereich auf 100 Hz erweitert. • Beim oberirdischen Schienenverkehr können betroffene Personen die Störwirkung der Immissionen oft nicht eindeutig einer der o. g. Immissionsarten zuordnen, da sie alle gleich‐ zeitig einwirken (gilt für die der Quelle zugewandten Immissionspunkte im Gebäude). Zur Ermittlung der Störwirkung aus dem oberirdischen Schienenverkehr (Straßenbahn-, S-Bahn- und Vollbahnverkehr) wurden 1982 [1.10] und 1989 bis 1992 [1.11] Forschungsvorhaben durchgeführt. Hierauf wird in → Kap. 14 näher eingegangen. Schall und Erschütterungen werden vom Menschen unterschiedlich wahrgenommen: Die Wahr‐ nehmung von Schall erfolgt über das Ohr (Gehörsinn), die der Erschütterungen u. a. über die Haut (Tastsinn). 36 1 Einführung <?page no="39"?> Frequenzen-b frequenz1 1 10 100 1000 10000 Immissionsart (Wahrnehmung) log f, Hz Erschütterungen Sekundärschall Quietschen Rollgeräusch Töne (außer Quietschen) Bild 1.4: Frequenzbereiche für verschiedene Immissionsarten bei Schienenbahnen. Die Hörgrenze des - jungen - Menschen liegt zwischen ca. 20-Hz und 20-kHz, mit zunehmendem Alter nimmt die obere Hörgrenze stetig ab Beispielhaft zeigt Bild 1.5 den Zusammenhang zwischen KB FTi -Wert (= Erschütterungsbewer‐ tungsgröße, die die maximale frequenz- und zeitbewertete Schwinggeschwindigkeit in mm/ s während einer Zugvorbeifahrt beschreibt) und Sekundär-Schalldruckpegel L pAFmax,i, [1.17]. Dar‐ gestellt ist die Auswertung von Messergebnissen in Gebäuden an verschiedenen Tunnelstrecken. Je nach der Wirkung von erschütterungsmindernden Oberformen ergeben sich unterschiedli‐ che Zusammenhänge. Durch die erschütterungsmindernden Oberformen werden vorrangig Frequenzen oberhalb von 40 Hz bis 50 Hz gemindert. Dies wirkt sich dann vor allem auf die Sekundärschallpegel in den Gebäuden aus, da im Grundsatz immer gilt: Geringere Emissionen = geringere Immissionen. In dem Bild sind die Wirkungen von einfach elastischen (el. SL) mit einer maximalen Schie‐ neneinsenkung < 2 mm und hochelastischen (hel.SL) Schienenlagern mit einer maximalen Schieneneinsenkung > 2 mm beispielhaft gegenübergestellt. Die durchgezogene Linie gibt die Wirkung beider Lagerarten wieder. Bei hochelastischen Schienenlagern sind somit bei gleichen Erschütterungswerten (KB FTi ) geringere Sekundärschallpegel zu erwarten. Dieser Zusammen‐ hang gilt sinngemäß auch für alle anderen Oberbauformen, die eine schwingungsmindernde Wirkung gegenüber einem Standardoberbau (Feste Fahrbahn oder Schottergleis) zeigen. An dieser Stelle wird noch darauf hingewiesen, dass alle dargestellten Messergebnisse für die jeweils vorhandenen lokalen Randbedingungen gelten und in der Regel nur Tendenzen aufzeigen. 1.3 Betroffenheiten 37 <?page no="40"?> 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 20 25 30 35 40 45 50 55 60 KB FTi L pAFmax , dB(A) alle SL hel. SL el. SL Bild 1.5: Zusammenhang zwischen den mittleren KB FTi -Werten und L pAFmax,i -Pegeln: el.SL: einfach elastisches Schienenlager, hel.SL: Hochelastisches Schienenlager 1.3.3 Lärm Mit Lärm werden u. a. solche Schallereignisse bezeichnet, die gesundheitsschädigend, leistungs‐ mindernd, unerwünscht, störend und belästigend sind. Während der Schall physikalisch beschrie‐ ben und messtechnisch erfasst werden kann, gibt es kein entsprechendes objektives Verfahren zur Beschreibung des Lärms. Die Wirkungen von Lärm auf den Menschen lassen sich in etwa nach Tabelle 1.1 klassifizieren. 1. Belästigung individuell unterschiedliche Schwellen, abhängig von Art des Geräusches, der Einstellung des Betroffenen zur Schallquelle, seinem Alter, Gesundheitszustand und Vieles mehr. 2. Aktivierung des zentralen und vegetativen Nervensystems einschließlich Beeinträchtigung von Schlaf und Entspannung Beginn der Wirkung ab ca. 40-dB(A) 3. Behinderung der akustischen Kommunikation und Umweltorientierung ab ca. 50-dB(A) 4. Störung bestimmter Leistungen abhängig von Art der Leistung: 45-dB(A) bis 90-dB(A) 5. Schädigung und Zerstörung der Hörsinneszellen des Innenohrs 85-dB(A) bis 90-dB(A) bei täglich 8-stündiger Einwirkung über längere Zeiträume Tabelle 1.1: Mögliche gesundheitliche Auswirkungen durch Lärm 38 1 Einführung <?page no="41"?> 1.3.4 Straßenverkehrslärm vs. Schienenverkehrslärm Für den Bereich des Verkehrs wurden umfangreiche vergleichende Untersuchungen für die Belästigungswirkung von Straßen- und Schienenverkehrsgeräuschen durchgeführt. Diese Unter‐ suchungen kamen zu dem Ergebnis, dass Schienenverkehr, bei gleichem Mittelungspegel, als weniger störend beurteilt wird. Dies führte zur Vergabe eines Schienenbonus von 5-dB(A) in der Verkehrslärmschutzverordnung (16.-BImSchV von 1990). Bild 1.6 zeigt das Ergebnis einer entsprechenden Untersuchung: Bei gleichem Mittelungspegel fühlen sich deutlich weniger Personen durch den Schienenverkehr (hier Verkehr von Straßen‐ bahnen) als durch einen gleich lauten Straßenverkehr belästigt, s.a. [1.12]. � 0 C Q) Schienenbonus 100----------------- ...., C) 50 1 1:/"" 1 � 1 .:; "' : (U Q) fll � 0 C Q) 0 45 50 55 60 65 70 75 dB(A) Mittelungspegel (tags) 100---------------- ...., C) 50• ,tf"" '�' 1 .:; "' : (U Q) fll 045 50 55 60 65 70 75 dB(A) Mittelungspegel (nachts) Bild 1.6: Unterschiedliche Belästigung durch Straßen- und Schienenverkehr, Beurteilung durch Betroffene Die Ergebnisse für die Straße beziehen sich auf Messungen an einer Autobahn in ca. 8 m Entfernung von der Mitte der nächsten Fahrspur. Für die Schiene wurden Einzelmessungen (nur Aufzeichnung der Vorbeifahrtereignisse) an einer 2-gleisigen Strecke für den gleichen Zeitraum wie für die Straße zusammengestellt. Die Messungen erfolgten in 7,5 m Abstand von Gleismitte in 1,2-m Höhe über der Schienenoberkante (SO). Die unterschiedliche Wahrnehmung hat mehrere Ursachen. Hierzu gehören u. a.: • Andere Frequenzzusammensetzung, Bild 1.7, • Schallereignisse mit (Schienenverkehr) und ohne (Straßenverkehr) Ruhepausen, Bild 1.8 und • Nutzung des Verkehrsmittels durch die Betroffenen. In einem späteren Kapitel wird gezeigt, dass der sogenannte „Schienenbonus“ erst bei der Ermittlung des Beurteilungspegels zu berücksichtigen war. Er beschreibt daher nicht unmittelbar eine physikalische Größe. In einem Beurteilungspegel ist immer auch eine - subjektive - Bewertung enthalten. Von einzelnen Betroffenen wird die Berechtigung zur Ansetzung des Schienenbonus für die Bestimmung des Beurteilungspegels in Frage gestellt. Möglicherweise bezieht sich diese Kritik mehr auf den Mittelungspegel, der z. T. deutlich niedriger liegt als der 1.3 Betroffenheiten 39 <?page no="42"?> Maximalpegel einer Zugvorbeifahrt (Bild 1.8). Dargestellt sind (beispielhaft) vier Zugfahrten in 250-Sekunden (siehe auch [1.13]). Die Ergebnisse (Mittelwert-Terzspektren in Bild 1.7) an der Schiene beziehen sich auf die Vorbeifahrt von • einem IC (Lok 103) mit ca. 160 km/ h (dritte Fahrt in Bild 1.8) und • einem Güterzug (Lok 140) mit ca. 60 km/ h (zweite Fahrt in Bild 1.8). Die Mittelungspegel für den dargestellten Zeitraum betragen für die Straße 71 dB(A) und für die Schiene 79 dB(A). Gemessen wurde in folgenden Abständen: 7,5 m Abstand zur Gleismitte des nahen Gleises (STUVA-eigene-Messungen) sowie ca. 10 m Abstand von Mitte der rechten Fahrspur einer Autobahn, jeweils in 1,2 m über der Fahrbahn bzw. Schienenoberkante (eigene Messungen des Autors). Mit der Herausgabe der 16. BImSchV von 2014 wurde der „Schienenbonus“ für die Eisenbahn ab 1. Januar 2015 und für die Straßenbahn ab 1. Januar 2019 abgeschafft. 30 40 50 60 70 80 20 25 31,5 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 6300 8000 10000 12500 16000 20000 L p,eq, dB Terzmittenfrequenz f Tn , Hz Straße Schiene-IC Schiene-G-Z Bild 1.7: Beispiel für die Frequenzverteilung von Schienen- (Eisenbahnstrecke) und Straßenverkehr (Autobahn) 40 50 60 70 80 90 100 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 L pAF , dB(A) Zeit t, sec Straße Schiene IC G-Z IC G-Z Bild 1.8: Messstreifen von Schallmessungen neben einer Eisenbahnstrecke und einer Autobahn (bei der Eisenbahn wurden nur die Schallsignale während der Vorbeifahrten gemessen, die Zwischenzeiten wurden frei gewählt) 40 1 Einführung <?page no="43"?> 1.3.5 Erschütterungen Mit Erschütterungen werden mechanische Schwingungen im Frequenzbereich zwischen 1 Hz und 80 Hz (100 Hz) beschrieben, die vorrangig im Boden oder einem Kunstbauwerk (Tunnel, Brücken, Gebäude) auftreten bzw. von diesen Medien übertragen werden. Von außen auf den Menschen einwirkende mechanische Schwingungen führen zu physiolo‐ gischen Reaktionen (z. B. verstärkte Muskelaktivität, Veränderung des Kreislaufverhaltens und der peripheren Durchblutung). Es kann hierdurch zu einer Beeinträchtigung von geistiger und körperlicher Leistungsfähigkeit und zu chronischen Gesundheitsschäden kommen (VDI 2057 Bl. 1). Die Beanspruchung des Menschen durch Einwirkung von Schwingungen lässt sich anhand der „Bewerteten Schwingstärke K“ beurteilen. Den Zusammenhang zwischen Bewerteter Schwingstärke K und der subjektiven Wahrnehmung von Schwingungen zeigt Tabelle 1.2. Zur Beurteilung der Erschütterungen aus dem Schienenverkehr (einschließlich der Baumaß‐ nahmen zur Erstellung einer neuen Trasse) wird die Beurteilungs-Schwingstärke KB FTr nach DIN 4150-2 herangezogen [1.19]. Anmerkung: KB steht für KraftBewertung (B steht auch für bauwerksbezogene Schwingstärke), die Indices „F“ für eine Fast-Bewertung (wie beim Fast-bewerteten Schalldruckpegel), „T“ für die Beurteilungszeit und „r“ für die Beurteilungsgröße (vom engl. rating). Bewertete Schwingstärke KX, KY, KZ, KB* ) Beschreibung der Wahrnehmung Bemerkungen 1 2 3 < 0,1 nicht spürbar Bereich der durch den Schienenverkehr verursachten KB F -Werte 0,1 Fühlschwelle 0,1 - 0,4 gerade spürbar 0,4 - 1,6 gut spürbar 1,6 - 6,3 stark spürbar - 6,3 - 100 > 100 sehr stark spürbar - *) KX, KY und KZ beschreiben die Einwirkung der Schwingungen unmittelbar auf einzelne Körperteile in verschiedenen Richtungen und Positionen (stehen, sitzen, liegen). Die Schwingungsgröße ist demnach an der Einleitungsstelle in den menschlichen Körper zu messen. Zur Beurteilung der Erschütterungen in Gebäuden wird der KB F -Wert herangezogen. Die Messung der Bewerteten Schwingstärke KB F erfolgt auf dem Fußboden des untersuchten Raumes, und zwar an der Stelle der stärksten Schwingungen in vertikaler und/ oder horizontaler Richtung (s. DIN 4150-2). Tabelle 1.2: Zusammenhang zwischen Bewerteter Schwingstärke K und subjektiver Wahrnehmung (VDI 2057 Blatt 3) Als unmittelbare Folge der Erschütterungen in Gebäuden ist der Sekundärschall (Schallabstrah‐ lung der Decken und Wände) in den Gebäuden anzusehen, Bild 1.3. Der Frequenzbereich wird hierzu nach oben erweitert. Je nach den lokalen Verhältnissen kann der Sekundärschall dominante pegelbestimmende Frequenzanteile bis ca. 250-Hz haben. Die Schwingungen in Gebäuden, die durch den Schienenverkehr verursacht werden, werden in der Regel eingestuft zwischen nicht spürbar und gut spürbar. Eine ausführliche Beschreibung der Bewertung von Schall und Erschütterungen aus dem Schienenverkehr erfolgt in den entspre‐ chenden Kapiteln. 1.3 Betroffenheiten 41 <?page no="44"?> 1.4 Wirtschaftlicher Faktor, Schall-Verursacher Schall- und Erschütterungsemissionen durch den Schienenverkehr stellen einen nicht zu unter‐ schätzenden Wirtschaftsfaktor weltweit dar. Würden diese Emissionen nicht auftreten bzw. nicht als störend oder belästigend wahrgenommen werden, dann könnten hierdurch auf der einen Seite erhebliche Kosten eingespart werden, auf der anderen Seite würden viele Menschen ihren Arbeitsplatz verlieren. Es muss jedoch die Frage gestellt werden, ob es nicht besser ist, alles Mögliche zu tun, damit Schall- und Erschütterungsemissionen vermieden werden, als umfangreiche Maßnahmen zu ergreifen, damit dieses Problem rechtlich und technisch gelöst wird (s. → Kap. 9 und 15). Dies bedeutet mehr in Forschungs- und Entwicklungsvorhaben und deren Umsetzung zu investieren als in rechtliche und administrative Aufgabenstellungen. In Bild 1.9 ist eine Zusammenstellung aller Beteiligten enthalten, die an einer Lösung der Probleme - auf unterschiedlichen Ebenen - mitarbeiten. Im Prinzip lassen sich folgende Bereiche benennen, in denen an dem Problem und der Problemlösung gearbeitet wird: 1. Administration: Hierzu sind zu zählen alle behördlichen Stellen von der Bundesregierung bis zu den Landesämtern für Umweltschutz (LfU) und deren Außenstellen, den staatlichen Umweltämtern (STUA). Wesentliche Aufgaben dieser Stellen ist die Festlegung von Immis‐ sionsgrenzwerten und deren Einhaltung (Überwachungsaufgaben). 2. Normungswesen: Viele Regelungen greifen unmittelbar auf den Stand der Technik zurück, der u. a. in Normen und Richtlinien festgelegt ist. In diesen Regelwerken sind z. B. Messver‐ fahren zur Ermittlung der Emissionen, Berechnungsverfahren für die Schallausbreitung, Anforderungen an Messgeräte, Vorgaben für die Durchführung bestimmter Prüfungen etc. festgelegt. 3. Beratungswesen: Zur Umsetzung der Richtlinien sind z. B. Immissionsberechnungen nach 16. BImSchV, Anlage 2 (Schall 03), durchzuführen. Diese Aufgabe wird z. T. von Ingenieurbüros wahrgenommen. Ebenfalls erstellen sie Gutachten bei Beschwerde- oder Problemfällen. 4. Software- und Hardwareentwicklung: Sowohl zur Durchführung der Immissionsberechnun‐ gen (z. B. bei der Umsetzung von Berechnungsvorschriften) als auch zur Durchführung von Schall- und Erschütterungsmessungen ist eine „geprüfte“ Soft- und Hardware erforderlich. 5. Forschung und Entwicklung: Die Beschreibung der Emission, Transmission und Immis‐ sion sind Kernaufgaben von Forschungseinrichtungen, sowohl im Hochschulbereich, bei entsprechenden (privaten) Forschungseinrichtungen und bei den Firmen zur Herstellung der Fahrzeuge (einschließlich der Zulieferbetriebe) und der Fahrbahnen (einschließlich der Bauausführung vor Ort). Eine wesentliche Aufgabe in diesem Bereich ist die Ermittlung der Grundlagen für die Schall- und Erschütterungsberechnung und -beurteilung. Diese Aufgaben werden z. T. auch von Beratungsbüros wahrgenommen. 42 1 Einführung <?page no="45"?> Akteure Schall- und Erschütterungsschutz beim Schienenverkehr Beratung Ing.-Büros, Kanzleien Verbände VDV, Umweltamt DB AG Normung Mess-und Prüftechnik/ Anhaltswerte Überwachung (LfU, EBA, TAB) Behörden Genehmigung, Aufsicht (Bezirksregierungen, EBA) Gesetzgebung Bund, Länder Grenzwerte, Berechnungsverfahren Anwendung Mess- und Prüftechnik F&E-Aufgaben (Uni's/ Studiengesellschaften/ Industrie etc.) Betreiber Nah- und Fernverkehr Fahrzeug/ Fahrweg Schall und Erschütterungen (Emission / Transmission / Immission) Warentransport, Warenaustausch Beweglichkeit von Personen (Urlaub, Fahrt zur Arbeit, Besuche, Kultur, Geschäftstermine etc.) Betroffene Anwohner, Fahrgäste, Spaziergänger usw. Hersteller Fahrzeug / Fahrbahn (mit Komponenten) Hard- und Software Firmen, Büros Ausführende Firmen z.B. Erstellung von emissionsmindernden Oberbauformen EBA Eisenbahnbundesamt LfU Landesämter für Umwelt TAB Technische Aufsichtsbehörde VDV Verband Deutscher Verkehrsunternehmen Bild 1.9: Zusammenstellung aller möglichen Stellen, die an der rechtlichen und technischen Lösung von Schall- und Erschütterungsemissionen aus dem Schienenverkehr beteiligt sind. 1.4 Wirtschaftlicher Faktor, Schall-Verursacher 43 <?page no="46"?> 1.5 Straßenbahn versus Eisenbahn In der 16. BImSchV von 2014 werden die Schallemissionen von Straßenbahnen und Eisenbahnen in 2 getrennten Kapiteln behandelt. Hiermit wird den Besonderheiten beider Verkehrssysteme Rechnung getragen. In Bild 1.10 werden beide Systeme gegenübergestellt. Hierbei bedeuten: • AEG: Allg. Eisenbahngesetz, • EBO: Eisenbahn Bau- und Betriebsordnung, • EBA: Eisenbahnbundesamt, • PBefG: Personenbeförderungsgesetz, • BOStrab: Bau- und Betriebsordnung Straßenbahn, • TAB: Technische Aufsichtsbehörde. Eisenbahn AEG/ EBO Straßenbahn PBefG/ BOStrab DB AG Bund Privatbahnen Kommune EBA Straßenbahn Stadtbahn U-Bahn TAB Aufsicht • Nahverkehr, S-Bahn • Fernverkehr • Hochgeschwindigkeitsverkehr • Güterverkehr • Nahverkehr, U-Bahn usw. Eisenbahn vs. Straßenbahn Bild 1.10: Gegenüberstellung der beiden Verkehrssysteme Eisenbahn und Straßenbahn Hinsichtlich der Bedeutung für die Schall- und Erschütterungsemissionen sind u. a. folgende Parameter zu beachten, die sich z. T. für Eisenbahnen und Straßenbahnen deutlich voneinander unterscheiden: • Geschwindigkeit, • Achslast, unabgefederte Radsatzmasse, • Zuglänge, Zughäufigkeit, • Radabstände im Drehgestell, im gesamten Fahrzeug, • Antrieb: Lok/ Triebwagen, • Bremssystem (teilweise), • Anordnung der Quellen im Fahrzeug, z. B. konzentriert auf eine Lokomotive oder verteilt über das ganze Fahrzeug, • Radprofil und -durchmesser, • Möglichkeiten zur akustischen Gleisüberwachung (Schallmesswagen), • Oberbauform und Schienenprofil, 44 1 Einführung <?page no="47"?> • Gleisführung, Abstand zur Bebauung, • Rauheit der Fahrflächen von Rad und Schiene, • Gleisabklingrate TDR (Körperschallausbreitung in Gleislängsrichtung). Als Ergänzung zu Bild 1.9 und Bild 1.10 zeigt Bild 1.11 den Personenkreis auf, der sich mehr oder weniger mit diesem Thema im Alltag ständig beschäftigt. Herauszuheben sind auf der einen Seite die Betreiber (Verkehrsunternehmen (VU)) und auf der anderen Seite die Betroffenen, eingeschränkt auch die Benutzer. Um die teilweise konträren Interessen zu „befriedigen“ sind die in Bild 1.11 ergänzend genannten Institute mehr oder weniger involviert. In Bild 1.12 sind die gesetzlichen und normativen Vorgaben zur Ermittlung und Bewertung der Immissionen aus dem Schienenverkehr dargestellt. In den folgenden Kap. wird sowohl hierauf näher eingegangen als auch Lösungen zur Einhaltung dieser Vorgaben beschrieben. Wer beschäftigt sich mit dem Thema? (Sichtweisen - Wünsche und Umsetzung) Betroffene VU Hersteller (Fzg/ Gleis) Gesetzgeber FuE Ingenieurbüros Normung Geringe/ keine Immissionen Geringe/ keine zusätzl. Kosten Benutzer Aufsichtsbehörden Bild 1.11: Schall und Erschütterungen im Schienenverkehr - für wen ist das ein wichtiges Thema, Wünsche und Umsetzung 1.5 Straßenbahn versus Eisenbahn 45 <?page no="48"?> Schall- und Erschütterungsschutz im Schienenverkehr - Gesetzliche und normative Festlegungen - Luftschall Erschütterungen Direktschall Sekundärschall 16. BImSchV, Anlage 2 (Schall 03) Keine gesetzl. Festlegungen Ersatzweise: - TA Lärm und Normen - 16. und 24. BImSchV - Erfahrungswerte - (DIN 45672-4) Normenreihe DIN 4150, Teile 1-3 Festgelegtes Berechnungsverfahren für die Immission Messung und / oder Abschätzung der Immission Keine gesetzl. Festlegungen Ersatzweise: DIN 4150-2 Messung und / oder Abschätzng der Immission Bild 1.12: Schall und Erschütterungsimmissionen im Schienenverkehr - gesetzliche und normative Vorgaben Soweit der Überblick zu dem Gesamtthema „Schall und Erschütterungen aus dem Schienenver‐ kehr“. In den folgenden Kapiteln werden die angesprochenen Themen näher dargestellt und, soweit es möglich ist, Lösungen aufgezeigt. Die im Folgenden dargestellte Literatur ist nur ein kleiner Ausschnitt aus der weltweit zu diesem Thema vorhandenen Literatur. In den folgenden Kapiteln werden weitere Literaturangaben gemacht. Bei bestimmten Fragestellungen können auch im Internet entsprechende Antworten gefunden werden. 1.6 Literaturhinweise 1.6.1 Literatur zu Kapitel 1 [1.1] Schaudinsky, L. H.: Kurze Kulturgeschichte des Lärms. Zeitschrift für Lärmbekämpfung 28, S. 165-168 (1981) [1.2] Ising, H.: Das Herzinfarktrisiko aufgrund von Verkehrslärm im Vergleich zu Krankheitsrisiken durch Luftverschmutzung. 9. Konferenz „Verkehrslärm“ 2000, Dresden [1.3] Baumüller, J./ Hoffmann, U. u. U. Reuter: Städtebauliche Lärmfibel, Hinweise für die Bauleitplanung. Herausgeber: Innenministerium Baden-Württemberg (1991) [1.4] Jäcker-Cüppers, M.: Die Arbeitsgruppe „Schienenverkehrslärm“ der Europäischen Kommission (WG Railway Noise). 9. Konferenz „Verkehrslärm“ 2000, Dresden [1.5] Krüger, F.: Forschungsprogramm Lärmminderung im Schienennahverkehr; Zielsetzung - Programmbeschreibung - Ergebnisse - Folgerungen für die Praxis. DER NAHVERKEHR 4/ 87, S. 60-70 46 1 Einführung <?page no="49"?> [1.6] Krüger, F.: Leiser Schienennahverkehr: Ergebnisse 16-jähriger Forschung zur Minderung von Schall und Erschütterungen. DER NAHVERKEHR 5/ 2000, S. 36-44 [1.7] Blennemann, F. und K. Groß: Lärm- und Erschütterungsminderung im Schienennahverkehr; Forschungsprogramm des Bundesministers für Forschung und Technologie. Koordinator: Studiengesellschaft für unterirdische Verkehrsanlagen e.V.; erschienen im Alba-Fachverlag in der Reihe FORSCHUNG+PRAXIS, U-VERKEHR UND UNTERIRDISCHES BAUEN [1.8] Verordnung zur Änderung der Sechzehnten Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (Verkehrslärmschutzverordnung - 16. BImSchV). Drucksache 319/ 14, 17.07.14 [1.9] Lärmschutz im Schienenverkehr. Alles über Schallpegel, innovative Technik und Lärmschutz an der Quelle. Bundesminister für Verkehr und digitale Infrastruktur (kann beim Ministerium bezogen werden), 3. Auflage Mai 2015 [1.10] Eickschen, E. u. W. Brandenburg: Erschütterungen in der Umgebung von ÖPNV-Schienenbahnen: Messungen im Vergleich zu Anliegerbeurteilungen. STUVA Forschungsberichte 17/ 84 ( Juni 1984) [1.11] Zeichart, K./ Sinz, A./ Schuemer, R. u. a. Schuemer-Kohrs.: Erschütterungseinwirkungen aus dem Schienenverkehr. Bericht über ein interdisziplinäres Forschungsvorhaben im Auftrag des Umweltbundesamtes (Berlin) und des Bundesbahnzentralamtes (München); Obermeyer Planen + Beraten, München, Februar 1993 [1.12] Liepert, M. / Möhler, U./ Schreckenberg, D./ Schümer, R. u. H. Fastl: Lästigkeit von Schienen- und Straßenverkehrslärm bei hohen Vorbeifahrhäufigkeiten - Ergebnisse einer Feld- und Laborstudie. DAGA 2005, München [1.13] Bahn und Schall. Broschüre der DB und der DR, Information Akustik 05,3. Herausgeber: Deutsche Bundesbahn und Deutsche Reichsbahn [1.14] PRO RHEINTAL: Schallschutz im Schienenverkehr - Stand des Wissens und der Technik. IWECO WERBE GMBH, 2015, Boppard [1.15] PRO RHEINTAL: Bahnlärm macht krank - Kompendium für wirksamen Schutz vor Lärm an Schienenwegen. IWECO WERBE GMBH, 2010/ 11, Boppard [1.16] Wörterbuch der deutschen Gegenwartssprache (WDG) [1.17] Krüger, F.: Entwicklung eines admittanzorientierten Prognoseverfahrens zur immissionsgerechten Gestaltung des Gleisoberbaus im Rohbaustadium von Tunnelstrecken. Dissertation TU-Berlin 1989 (Seite 155) [1.18] Hamöller, G. / Jäcker-Cüppers, M. / Wacker, H. / Boenke, D. / Krüger, F. u. a.: Minderung des Lärms von Straßenbahnen im urbanen Raum. Forschungskennzahl 3717 54 102 0, UBA-FB (2021) [1.19] Krüger, F.: Bewertung der Erschütterungsimmissionen durch den Schienenverkehr. Verkehr und Technik, Teil 1: 09.19; Teil 2: 10.19 [1.20] Grenzland, H.: Belästigung ist nicht gleich Belastung. Lärmbekämpfung 16 (2021) NR. 2; S. 46 ff [1.21] Laufs, Ch. und A. Herweg: Beurteilung von Lärmwirkungen anhand physiologische Messungen. Lärmbekämpfung 18 (2022) NR. 1; S. 11 ff [1.22] Klocksin, J./ Greuel, St./ Werner, M. u. O. Schubert: Harmonisierung der Lärmsanierung und Lärmaktionsplanung. Lärmbekämpfung 17 (2022) NR. 6; S. 180 ff 1.6 Literaturhinweise 47 <?page no="50"?> 1.6.2 BMFT-Forschungsberichte (Nahverkehr) In einem umfangreichen Forschungsprogramm des BMBF wurden in den Jahren von 1978 bis 1993 zahlreiche Themen zu den Themen „Schall und Erschütterungen im Schienenverkehr“ behandelt. Die Ergebnisse dieser Arbeiten sind in den im Folgenden dargestellten Forschungsberichten enthalten. Der Schwerpunkt dieser Arbeiten lag im Bereich des Schienennahverkehrs (Straßen‐ bahnen), viele Ergebnisse lassen sich aber auch auf den Schienenfernverkehr (Eisenbahnen) übertragen. 1. Kirn, M./ von Maltzan, W. U. u. D. Bumke: Entwicklung eines Körperschall-Meßverfahrens für rotierende Fahrzeugteile. TU Berlin, Institut für Verkehrsplanung und Verkehrswegebau, Bericht 1* 2. Schmitt, R. u. H. Jenisch: Untersuchung des Schallabstrahl- und -weiterleitungsverhalten von Drehgestel‐ len für Nahverkehrsfahrzeuge. Battelle-Institut e.V., Frankfurt/ Main, Bericht 2* 3. Bugarcic, H. u. K. Lipinski: Laboruntersuchungen zur werkstoffseitigen Unterdrückung der geräuschbildenden stick-slip-Bewegung zwischen Rad und Schiene. TU Berlin, Institut für Fahrzeugtechnik, Bericht 4* 4. Schneider, E.: Erstellung eines Modells zur schalltechnischen Berechnung und Optimierung des Radsatzes für Fahrzeuge des ÖPNV. Universität Hannover, Institut für Mechanik, Bericht 5* 5. Studt, P.: Entwicklung von Reagenzien zur Reibungsbeeinflussung und Minderung des Verkehrslärms von Schienenfahrzeugen. BAM, Berlin, Bericht 6* 6. Melke, J. u. A.: Untersuchung schotterloser Oberbauformen in geraden und gebogenen U-Bahntunneln im Hinblick auf die Schall- und Erschütterungsemissionen. TÜV-Rheinland e.V., Köln, Bericht 7* 7. Krüger, F. u. a.: Untersuchung verschiedener Oberbauformen in einem U-Bahntunnel im Hinblick auf die Schall- und Erschütterungsemissionen. STUVA, Köln, Bericht 8* 8. Krüger, F./ Auersch, L. u. a.: Untersuchung zur Ausbreitung und Minderung von Erschütterungen an Trassen des schienengebundenen Stadtverkehrs im Geländeniveau. STUVA, Köln/ BAM, Berlin, Bericht 9* 9. Raquet, E.: Untersuchung zum Einfluß der Betriebsbedingungen von schallgedämpften Rädern (absor‐ bergedämpft). Krupp Stahl AG, Bochum, Bericht 10* 10. Raquet, E.: Untersuchung zur Schallminderung durch absorbergedämpfte Räder. Krupp Stahl AG. Bochum, Bericht 11* 11. Berndt, P.: Untersuchung zur Geräuschminderung bei Scheibenbremsen. Knorr-Bremse GmbH, Mün‐ chen, Bericht 12* 12. Herbst, W. u. R. Waßmann: Untersuchung zur Entwicklung geräuschdämpfender Schienenbefestigungen. Rothe Erde-Schmiedag AG, Dortmund, Bericht 13* 13. Meschede, K. u. a.: Erprobung verbesserter Komponenten an einem Stadtbahnwagen mit dem Ziel der Lärmminderung. Rhein-Consult GmbH, Düsseldorf/ DUEWAG Aktiengesellschaft, Düsseldorf, Bericht 14* 14. Groß, K. u. a.: Zusammenhänge zwischen den Geräuschpegeln von Schienenbahnen und Oberflächen‐ rauhigkeiten von Rad und Schiene. STUVA, Köln, Bericht 15* 15. Groß, K. u. a.: Schall- und Erschütterungsschutz im Schienennahverkehr - Übersicht über die Ergebnisse des Forschungsprogramms 1978 bis 1983. STUVA, Köln, Bericht 16* 16. Krüger, F. u. a.: Minderung der Schwingungsabstrahlung von U-Bahntunneln durch hochelastische Gleis‐ lagersysteme unter verschiedenen Tunnelrandbedingungen. STUVA, Köln/ Ingenieurbüro Uderstädt, Essen, Bericht 17* 17. Schneider, E.: Rechenmodell zur Untersuchung des Fremd- und Selbsterregungsverhaltens von Rädern für Schienenfahrzeuge des ÖPNV. Universität Hannover, Institut für Mechanik, Bericht 18* 18. Auersch, L./ Hebener, H. u. W. Rücker: Erschütterungen infolge Schienennahverkehr: Theoretische und meßtechnische Untersuchungen zur Emission, zur Ausbreitung durch den Boden und zur Übertragung in Gebäude. BAM, Berlin, Bericht 19* 48 1 Einführung <?page no="51"?> 19. Krüger, F. u. a.: Ermittlung von Kenngrößen aus Messungen an Rohbautunneln zur Festlegung des aus Immissionsschutzgründen notwendigen Oberbaus. STUVA, Köln, Bericht 20* 20. Bugarcic, H./ Thewis, P./ Breznovsky, M. u. K. Lierke: Primärunterdrückung der Bogenlaufgeräusche durch alternative Radsatzstell- und Steuerungsmechanismen. TU Berlin, Institut für Fahrzeugtechnik, Bericht 21* 21. Heckl, M./ Feldmann, J./ Wang, M. u. A. Albrecht: Modelluntersuchungen zur Ausbreitung von Körperschall in der Umgebung von U-Bahn-Tunneln. TU Berlin, Institut für technische Akustik, Bericht 22* 22. Gerndt, H. u. a.: Entwicklung, Bau und Erprobung verbesserter Triebdrehgestelle an einem Stadtbahnwagen mit dem Ziel der Lärmminderung. Rhein-Consult GmbH und DUEWAG AG, Düsseldorf, Bericht 23* 23. Krüger, F. u. a.: Schwingungsminderung bei Schienenbahnen des Stadtverkehrs durch kontinuierliche Schienenlagerung. STUVA, Köln, Bericht 24* 24. Uderstädt, D.: Verbesserung der Prognosegenauigkeit für Erschütterungs- und Körperschallemissionen und -immissionen bei Bahntunneln - Statistische Methode - Meßdatenauswertung zur Darstellung der Einflußgrößen. Meilensteinbericht, März 1986 (unveröffentlicht). Die Numerierung der Berichte erfolgte nur bis Bericht 24. Die unter den Nummern 25 bis 30 genannten Berichte gehören aber auch zu dem Forschungsprogramm. 25. Melke, M. u. a. Kraft: Untersuchung des Einflusses von Tunnelkonstruktionen, Verbau und Baugrund im Hinblick auf die Schwingungsminderung und Immissionsprognose - Phase I: Vorstudie Datenanalyse. TÜV Rheinland, Köln, März 1986 (unveröffentlicht) 26. Krüger, F. u. a.: Schwingungsverhalten von Gebäuden unter dynamischer Ersatzerregung im Vergleich zur Zugerregung. STUVA e.V., Köln 27. Blennemann, F./ Krüger, F. u. a.: Studie über die Realisierbarkeit eines Rad-Schiene-Versuchsstandes mit Simulation der wandernden Radlast zur realitätsnahen Untersuchung der Entstehung von Schwingungen und Maßnahmen zu ihrer Minderung. STUVA e.V., Köln 28. Krüger, F.: Übersicht über die Ergebnisse des Forschungsprogramms 1978 bis 1993. STUVA e.V., Köln (1993) 29. Rücker, W. und S. Said: Erschütterungsübertragung zwischen U-Bahntunneln und dicht benachbarten Gebäuden. BAM Berlin 30. Kraft, A.: Entwicklung eines Prognoseverfahrens für Körperschall und Erschütterungen bei unterirdi‐ schen Bahnen auf analytisch-meßtechnischer Basis. TÜV Rheinland * Berichte zu Forschungs- und Entwicklungsvorhaben zum Teilprogramm „Schienennahverkehr“ im Programm „Verminderung des Verkehrslärms in Städten und Gemeinden“, Herausgeber: STUVA e.V., Köln (1978 bis 1993). Einzelne Berichte können bei der STUVA e.V., Köln, bestellt werden. 1.6.3 Sonstige Literatur zum Thema Schall- und Erschütterungen an Schienenwegen 1. Krüger, F.: Handbuch - Schall und Erschütterungen beim Schienennahverkehr; Handlungshilfe zur Beurteilung von Messergebnissen, Prognosen und Minderungsmaßnahmen. Erstauflage August 1993, 2. Auflage November 2001. Bezug: Einkaufs- und Wirtschaftsgesellschaft für Verkehrsunternehmen BEKA mbH, 50627 Köln 2. Schmidt, H.: Schalltechnisches Taschenbuch, VDI-Verlag, Düsseldorf 1996 3. Krell, K.: Handbuch für Lärmschutz an Straßen und Schienenwegen; Otto Elsners Verlagsgesellschaft 4. Krüger, F. (Hrsg.) u. a.: Kurvengeräusche - Messung, Bewertung und Minderungsmaßnahmen. Schriften‐ reihe für Verkehr und Technik, Band 97 [2013] 1.6 Literaturhinweise 49 <?page no="52"?> 5. Schulte-Werning, B./ Thomson, D./ Gautier, P.-E./ Hanson, C./ Hemsworth, B./ Nelson, J./ Maceda, T. und Paul de Vos (Editors): Noise and Vibration Mitigation for Rail Transport Systems. Proceedings of the 9th International Workshop on Railway Noise, Munich, Germany, 4-8 September 2007, Springer 6. Beitz, W. u. K.-H. Küttner: Dubbel - Taschenbuch für den Maschinenbau; Springer Verlag 7. Günter/ Hansen/ Veit: Technische Akustik - Ausgewählte Kapitel; expert verlag Band 18 8. Henn, H./ Sinambari, G. u. M. Fallen: Ingenieurakustik; Vieweg Verlagsgesellschaft (2001) 9. Hering, E./ Martin, R. und M. Stohrer: Physik für Ingenieure; Springer Verlag, 6. Auflage (1997) 10. Krämer, E.: Maschinendynamik; Springer Verlag (1984) 11. Kuchling, H.: Taschenbuch der Physik; Verlag Harry Deutsch (1978) 12. Veit, I.: Technische Akustik - Grundlagen der physikalischen, physiologischen und Elektroakustik; Vogel Buchverlag, 5. Auflage (1996) 13. Cremer, J. u. M. Möser: Technische Akustik. Springer Verlag, 5. Auflage (2002) Weitere Quellen sind u. a. zu finden in: Fachzeitschriften, Berichte zu Verkehrslärmkonferenzen Hamann Consult, Dresden, IFV-Bahntechnik Railnoise, Berlin, Seminare an der Technischen Akademie Esslingen, Firmenseminare, DAGA-Tagungen, Inter-Noise usw., usw. 50 1 Einführung <?page no="53"?> (2.1) 2 Physikalische Grundlagen - Anwendungen im Schienenverkehr F. Krüger 2.1 Einführung in die Schwingungslehre In diesem Kapitel sind einige physikalische Grundlagen aus der Schwingungslehre und der Technischen Akustik zusammengestellt. Diese dienen dem besseren Verstehen der in den folgen‐ den Kapiteln dargestellten speziellen Fragestellungen von Schall- und Schwingungsproblemen im Schienenverkehr. In der Literaturzusammenstellung zu Kapitel 1 wird auf weiterführende Literatur verwiesen. Schwingungsvorgänge bezeichnen physikalische Vorgänge, die in bestimmten Zeitintervallen immer wieder denselben Zustand erreichen oder durchlaufen (z. B. Pendel einer Uhr). Bei diesen Vorgängen können die Zeitintervalle konstant oder voneinander verschieden sein. Der erste Fall beschreibt periodische, der zweite Fall nichtperiodische Schwingungen. Im Folgenden werden beide Schwingungsformen kurz beschrieben. 2.1.1 Periodische Schwingungen Einen periodischen Schwingungsvorgang beschreibt z. B. eine Flachstelle auf einem Radreifen eines mit konstanter Geschwindigkeit fahrenden Zuges. Das Rad dreht sich hierbei mit gleichblei‐ bender Winkelgeschwindigkeit ω, die Flachstelle beschreibt eine Kreisbahn mit dem Rad-Radius r. Bild 2.1 zeigt diesen Vorgang. Würde die Flachstelle mit einem Bleistift versehen sein, der auf eine neben dem Rad stehende Tafel schreiben könnte, dann ergäbe sich eine Linie, die durch eine Sinusfunktion beschrieben werden kann. Es gilt: z = r ⋅ sinω t − t 0 mit z Amplitude, t Zeit in sec, t 0 Ausgangszustand (Beginn der Beobachtung) in sec, r Radius des Rades in m, ω Winkelgeschwindigkeit (oder Kreisfrequenz) in sec -1 . <?page no="54"?> (2.2) (2.3) (2.4) (2.5) (2.6) Die Winkelgeschwindigkeit ω gibt den vom Zeiger r des Rades durchlaufenden Winkel pro Zeiteinheit an. Es gilt hierfür: ω = 2 ⋅ π ⋅ f (Frequenz in Hz (1/ s)). Die Frequenz f gibt die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde an. Der Kehrwert der Frequenz beschreibt die Periodendauer T. Die Periodendauer T entspricht dem Zeitintervall zwischen zwei gleichen Zuständen (im Beispiel bedeutet dies die Zeit für eine Radumdrehung). T = 1 f (Periodendauer) r T=1/ f t P z.B. Flachstelle x z w j 0 Schiene Rad Amplitude P Ausgangslage Flachstelle Bild 2.1: Kreisbewegung und sinusförmige Schwingung (Beispiel für eine Radbewegung mit einer Flachstelle) Die Drehzahl n in U/ min (oder 1/ min) eines rotierenden Rades ist das Produkt der Frequenz f mit der Anzahl der Sekunden pro Minute (= 60-s/ min). n = f • 60 1 min Das Produkt aus Kreisfrequenz ω und Zeit t 0 ergibt die Phase φ 0 zu Beginn der Schwingung (Radbewegung). φ 0 = ω ⋅ t 0 = 2 ⋅ π ⋅ t 0 T Die Phase φ 0 wird auch als Nullphasenwinkel bezeichnet. Aus den o. g. Gleichungen ergibt sich die Bewegungsgleichung der Flachstelle auf dem Radumfang zu z = z ⋅ sin(ω ⋅ t − φ 0 Gleichung (2.6) beschreibt eine sinusförmige Schwingung mit der Amplitude oder dem Scheitel‐ wert z (entspricht dem Halbmesser r des Rades). Die jeweils aktuelle Entfernung z des Punktes „P“ von seiner Ruhelage wird mit Auslenkung oder Elongation bezeichnet. 52 2 Physikalische Grundlagen - Anwendungen im Schienenverkehr <?page no="55"?> (2.7) (2.8) (2.9) Die momentane Geschwindigkeit v des Punktes „P“ wird durch die zeitliche Änderung der Auslenkung beschrieben. Sie ergibt sich durch Differentiation der o. g. Bewegungsgleichung. v = dz dt = ω ⋅ z ⋅ cos(ω ⋅ t − φ 0 Anmerkung: Zur Abgrenzung zur Fahrgeschwindigkeit v eines Zuges wird die o. g. Größe v auch Schwinggeschwindigkeit (oder Schnelle) genannt. Die Auslenkung des Punktes P wird entsprechend als Schwingweg s bezeichnet. Die Beschleunigung a (auch Schwingbeschleunigung genannt) ist gleich der zeitlichen Änderung der Schwinggeschwindigkeit v. a = dv dt = d 2 z dt = − ω 2 ⋅ z ⋅ sin(ω ⋅ t − φ 0 = − ω 2 ⋅ z Die Auslenkung z des Punktes „P“ wird durch eine sinusförmige Schwingung beschrieben. In einem solchen Fall haben auch Schwinggeschwindigkeit und Schwingbeschleunigung einen sinusförmigen Verlauf. Die Phasenlage der drei Schwingungsgrößen ist jedoch verschieden: Die Geschwindigkeit eilt der Auslenkung und die Beschleunigung der Geschwindigkeit um jeweils 90° (= π/ 2) voraus, Bild 2.2. Bild 2.2: Zusammenhang zwischen Schwingbeschleunigung a(t), Schwinggeschwindigkeit v(t) und Schwingweg s(t) Zur Darstellung von Erschütterungsimmissionen wird die Schwinggeschwindigkeit v(t) benötigt (hieraus wird der Wert KB F (t) nach DIN 4150-2 ermittelt). Da aber häufig Beschleunigungsauf‐ nehmer zur Schwingungsmessung eingesetzt werden, ist eine Integration erforderlich. v = ∫a ⋅ dt = a/ ω Grundsätzlich kann auch aus der gemessenen Schwingbeschleunigung a(t) die Auslenkung s(t), z. B. die Einsenkung z der Schienen durch die Radlast Q, ermittelt werden. Dies erfordert 2.1 Einführung in die Schwingungslehre 53 <?page no="56"?> (2.10) (2.11) (2.12) dann eine doppelte Integration der Beschleunigung a(t). Besser ist jedoch die Verwendung von Wegaufnehmern für solche Messungen. s = ∫v ⋅ dt = a ⋅ dt = v / ω = a/ ω 2 Neben der Beschreibung des zeitlichen Verlaufs einer Schwingung werden noch der quadratische Mittelwert (Effektivwert z eff oder z rms ) und - manchmal - der arithmetische Mittelwert z ermittelt. Allgemein gelten folgende Beziehungen: z eff = 1 T 0 T z 2 t ⋅ dt z = 1 T ∫ 0 T | z | ⋅ dt Bei sinusförmigen Schwingungen sind Scheitelwert (Amplitude), Effektivwert und arithmetischer Mittelwert durch einfache Beziehungen miteinander verknüpft (Bild 2.3). -1 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0 0,04 0,08 0,12 0,16 0,2 Amplitude Zeit t, s z1(t) z2(t) Eff MW(arith) Bild 2.3: Darstellung einer Sinusschwingung z 1 (t) mit der Amplitude A (Gleichrichtung z 2 (t), dem Effektivwert z eff = 0,707·A und dem Mittelwert MW arith = 0,637 . A), f = 20-Hz) 54 2 Physikalische Grundlagen - Anwendungen im Schienenverkehr <?page no="57"?> (2.13) (2.14) (2.15) (2.16) (2.17) z = 0 (Mittelwert über eine ganze Periode) z = 2 ω z (Mittelwert über eine halbe Periode) z eff = z 2 Zur Beschreibung der Kurvenform einer Schwingung wird manchmal der Formfaktor F f und der Scheitelfaktor F s herangezogen. F f = z eff z F s = z z eff 2.1.2 Schwingungsüberlagerung Beim Schienenverkehr treten reine Sinusschwingungen (= harmonische Schwingungen) selten auf, in der Regel sind überlagerte (superponierte) Schwingungen vorhanden. Hierbei können sich Schwingungen sowohl gleicher als auch ungleicher Frequenz überlagern. - 2.1.2.1 Überlagerung von Schwingungen gleicher Frequenzen Die additive Überlagerung von harmonischen Schwingungen gleicher Frequenz ergibt wieder eine harmonische Schwingung. Die Teilschwingungen können dabei unterschiedliche Phasen und Amplituden haben. Eine solche Überlagerung wird mit Interferenz (Überlagerung, Überschnei‐ dung) bezeichnet. Bei einer Überlagerung von zwei Schwingungen gleicher Amplitude und Phase ergibt die resultierende Schwingung eine doppelt so große Amplitude wie die der Einzelschwingungen. Bei Gegenphasigkeit - der Phasenunterschied zwischen den beiden Schwingungen beträgt 180° - und gleicher Amplitude resultiert eine Schwingung mit der Amplitude Null. In diesem Fall löschen sich die beiden Schwingungen gegenseitig aus. Dieses physikalische Prinzip wird u. a. ausgenutzt zur Minderung von Schallamplituden. Hierbei wird einer vorhandenen Schwingung eine gegenphasige Schwingung gleicher Amplitude überlagert, es kommt zur Auslöschung dieser Schwingung. Es wird hierbei von Antischall gespro‐ chen. Dieses Prinzip wird auch bei der Auslegung von Radschallabsorbern (Resonanzabsorber) angewendet (siehe unter Kurvengeräusche). - 2.1.2.2 Überlagerung ungleicher Frequenzen Bei der Überlagerung von harmonischen Schwingungen mit verschiedenen Frequenzen ist die resultierende Schwingung nicht mehr harmonisch. Eine Besonderheit ergibt sich bei der Überlagerung von zwei Schwingungen mit gleicher Amplitude (z 1 = z 2 ) und nahezu gleicher Frequenz (f 1 ≈ f 2 ). Die beiden Einzelschwingungen haben, je nach Phasenlage, zeitweise gleiche und zeitweise entgegengesetzte Schwingungsrichtungen. 2.1 Einführung in die Schwingungslehre 55 <?page no="58"?> (2.18) (2.19) Die Frequenz f 3 der resultierenden Schwingung ergibt sich als Mittelwert der beiden Frequenzen der Teilschwingungen. f 3 = f 1 + f 2 2 Die Amplitude der resultierenden Schwingung schwankt im Rhythmus der Differenzfrequenz f s = f 1 - f 2 (=Schwebungsfrequenz), Bild 2.4. Die Schwebung mit der Frequenz f s ergibt sich aus der Verbindung der Maximalwerte der resultierenden Schwingung (= Hüllkurve). Aus Bild 2.4 ist zu erkennen, dass die Amplituden der resultierenden Schwingung zwischen dem doppelten Scheitelwert (= Maximum) der Einzelschwingungen und Null (Minimum) schwanken. z 3, max = z 1 + z 2 = 2 ⋅ z 1 = 2 ⋅ z 2 -2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 0,005 0,05 0,5 5 Amplitude z Zeit log t, s z1(t) z2(t) zges(t) Bild 2.4: Schwebung - Überlagerung von zwei Sinusschwingungen mit dicht beieinander liegenden Frequenzen, im Beispiel 20-Hz und 21-Hz Hierbei zeigt die resultierende Schwingung Phasensprünge in den Knotenpunkten (Schwebungs‐ minima). Bei ungleichen Amplituden der Teilschwingungen gehen die Amplituden der resultie‐ renden Schwingung nicht auf den Wert Null zurück. Die Amplitudendifferenz der Teilschwin‐ gungen ergibt hier die Amplitude der resultierenden Schwingung. Schwebungen können auch innerhalb von Schienenfahrzeugen durch Anregung von Schwin‐ gungen mit dicht beieinander liegenden Frequenzen auftreten. z. B. wird dies in Dieseltriebwagen beobachtet. Das An- und Abschwellen einer Schwebung kann mit dem Gehör akustisch wahrge‐ nommen werden. Ein Beispiel für eine gemessene Schwebung zeigt Bild 2.5. Dargestellt ist in diesem Bild der Schalldruck p(t), gemessen in ca. 2,5 m Abstand von der Gleismitte und 0,4 m über der Schienenoberkante für eine Zugvorbeifahrt in einem Gleisbogen (Messung im Innenbogen). Gezeigt wird nur der Ausschnitt für ein Drehgestell. Die gestrichelte Linie s gibt den mit einem Laser gemessenen Abstand von einem Festpunkt zu den beiden Rädern (Schallquellen) wieder. Die beiden sich überlagernden Frequenzen betragen ca. f 1 = 456 Hz und 56 2 Physikalische Grundlagen - Anwendungen im Schienenverkehr <?page no="59"?> f 2 = 467 Hz, Bild 2.6. Es kann vermutet werden, dass dies die ersten Eigenfrequenzen der Räder sind. 5 10 15 20 25 30 -10 -5 0 5 10 15 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 s, mm p, N/ m 2 t, s p, N/ m^2 s, mm Fahrrichtung Radsatz 2 Radsatz 1 Bild 2.5: Schalldruck p und Stellung der Radsätze eines Drehgestells im Gleisbogen (U-Bahnfahrzeug), Fahrt im Gleisbogen, rechts: vorlaufender Radsatz 1 (mit Schrägstellung, Anfahrwinkel > 0) 0 1 2 3 4 5 200 Schalldruck p, Pa log Frequenz f, Hz f 1 = 456 Hz f 2 = 467 Hz 400 600 800 1000 1600 Bild 2.6: Schalldruckspektrum p(f) für das in Bild 2.5 dargestellte Zeitsignal p(t) Bei weiter auseinanderliegenden Frequenzen der harmonischen Teilschwingungen ist die resul‐ tierende Schwingung nicht mehr harmonisch. Die Form der resultierenden Schwingung wird von der Phasenlage der Teilschwingungen bestimmt. Bild 2.7 zeigt vier unterschiedliche harmonische Schwingungen und deren Überlagerung, in Tabelle 2.1 sind die Parameter der Teilschwingungen zusammengefasst. Umgekehrt lässt sich eine nichtperiodische Schwingung in ihre harmonischen Anteile mittels FFT (Fast Fourier Transformation) zerlegen, Bild 2.8, siehe auch Bild 2.6. 2.1 Einführung in die Schwingungslehre 57 <?page no="60"?> Schwingung a b c d Gesamt Amplitude 1 1,2 1,5 2 - f, Hz 21 28 35 53 - Effektivwert 0,72 0,85 1,06 1,42 2,14 Tabelle 2.1: Parameter der Teilschwingungen und der Gesamtschwingung -6 -4 -2 0 2 4 6 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 Amplitude z (a,v,s,p,F) Zeit t, s ges a b c d Bild 2.7: Überlagerung von vier harmonischen Schwingungen zu einer Gesamtschwingung 0 0,5 1 1,5 2 2,5 0 10 20 30 40 50 60 Amplitude z (a, v, s, p, F) Frequenz f, Hz Bild 2.8: Darstellung der in Tabelle 2.1 beschriebenen harmonischen Schwingungen als Einzelfrequenzen (Spek‐ trum) 58 2 Physikalische Grundlagen - Anwendungen im Schienenverkehr <?page no="61"?> 2.1.2.3 Darstellung von Schwingungen Schwingungen werden u. a. durch ihren • zeitlichen Verlauf (Zeitdarstellung, Oszillogramm, Zeitfunktion) als auch durch ihr • Frequenzspektrum (Frequenzdarstellung, Frequenz- oder Spektralfunktion) grafisch dargestellt. Beide Formen werden auch für die Darstellung von Schall- und Schwingungsereignissen im Schienenverkehr angewendet. In der Frequenzdarstellung zeigen periodische Schwingungen im Spektrum eine unterschiedliche Anzahl von diskreten Linien (daher Linienspektrum). Hierbei stellt jede Linie eine sinusförmige Schwingung dar, Bild 2.8. Die Frequenz ist dabei auf der Abszisse abzulesen. Die Größen der einzelnen Linien stellen ein Maß für die Amplituden der Teilschwingungen dar. Die meisten beim Schienenverkehr auftretenden Schwingungen (Schall und Erschütterungen) sind nichtharmonisch. Zur näheren Untersuchung solcher Schwingungen wird die Frequenz‐ analyse herangezogen, d. h. die Transformation vom Zeitraum in den Frequenzraum. Die Frequenzanalyse beruht auf einem mathematischen Theorem des französischen Mathematikers J.B. Fourier (1768 bis 1830), nach ihm wird sie Fourieranalyse genannt. Das Theorem besagt, dass jede periodische, nichtharmonische Schwingung in eine Anzahl von Teilschwingungen zerlegt werden kann. Die Frequenzen der Teilschwingungen sind dabei ganzzahlige Vielfache der tiefsten vorkommenden Kreisfrequenz ω 0 . Die Teilschwingung mit der Kreisfrequenz ω 0 wird als Grundschwingung oder 1. Harmonische bezeichnet. Alle übrigen Schwingungen (2ω 0 , 3ω 0 , 4ω 0 usw.) werden als 1., 2., 3. usw. Oberschwingung oder als 2., 3., 4. usw. Harmonische bezeichnet. In der schall- und schwingungstechnischen Praxis hat die Frequenzanalyse einen hohen Stellenwert. Hierbei werden entsprechende Geräte (Frequenzanalysatoren) eingesetzt, die auf Knopfdruck die gewünschte Analyse durchführen. Durch die Weiterentwicklung der Rechner‐ technik sind solche Analysen auch mittels einer entsprechenden Software im PC (Laptop) möglich. Im Schienenverkehr wird die Frequenzanalyse u. a. in folgenden Bereichen eingesetzt (Beispiele folgen in den folgenden Kapiteln): • Ermittlung der Einfügungsdämmung von Oberbauformen, Einbauten im Boden, elastischen Gebäudelagerungen und Schallschirmen an der Strecke, • Ermittlung von Eigenfrequenzen (Primär- und Sekundärfederung des Drehgestells, Radsatz, Räder (siehe z. B. Bild 2.6), Rad-Fahrbahn-System, Brücken, Bodenschichten, Gebäude, Ge‐ bäudedecken usw.), • Bestimmung von Übertragungsfunktionen (z. B. von Übertragungsadmittanzen oder Diffe‐ renzspektren zur Prognose von Erschütterungs- und Sekundärschall-Immissionen), • Ermittlung von Rad- und Schienen-Rauheitsspektren, • Ermittlung der Dämmung von Fahrzeugseitenwänden, -fußboden und -decke, • Ermittlung der Schallleistung einzelner Aggregate, • Ermittlung der längenbezogenen Schallleistung als Eingangsgröße für Schallimmissionsbe‐ rechnungen nach 16. BImSchV aus dem Jahr 2014. Terz- und Oktavspektren können sowohl aus den Schmalbandspektren (FFT) als auch über entsprechende (digitale) Bandpassfilter ermittelt werden. Eine Oktave besteht aus drei Terzen, im engl. wird eine Terz daher auch als drittel Oktave bezeichnet. 2.1 Einführung in die Schwingungslehre 59 <?page no="62"?> Zur reinen immissionstechnischen Beurteilung von Schall und Erschütterungen wird die Frequenzanalyse jedoch nicht benötigt. Die hierfür gültigen Anhalts- und Grenzwerte beziehen sich jeweils auf Einzahlwerte (Mittelwerte und/ oder Maximalwerte, s. Abschnitt zur Immissions‐ beurteilung). Es ist hier noch zu beachten, dass Grenzwerte nur vom Gesetzgeber festgelegt werden können, sie dürfen nicht überschritten werden. Anhalts- oder Richtwerte sind in einigen Normen und VDI-Richtlinien enthalten, z. B. für die Erschütterungsimmissionen in DIN 4150-2. Diese Werte sollten nicht wesentlich überschritten werden. Bild 2.9 zeigt beispielhaft das Zeitsignal einer Zugvorbeifahrt (U-Bahn-Zug) und das hieraus ermittelte Pegel-Zeitsignal L pAF (t). Die Fahrzeuggeschwindigkeit betrug ca. 80 km/ h. Gemessen wurde in 7,5 m Abstand von Gleismitte und in 1,2 m Höhe über Schienenoberkante (SO). In Bild 2.10 sind die aus diesem Zeitsignal berechneten Schalldruckpegelspektren (Schmalband-, Terz- und Oktavspektrum) dargestellt, jeweils gemittelt über das gesamte dargestellte Zeitsignal. Terz- und Oktavpegelspektrum zeigen sowohl unbewertete als auch A-bewertete Mittelungspegel. Für die Schallimmissionsprognose nach 16. BImSchV, Anlage 2, von 2014 werden Oktavspekt‐ ren im Frequenzbereich von 63-Hz bis 8-kHz benötigt. 36 Zur reinen immissionstechnischen Beurteilung von Schall und Erschütterungen wird die Frequenzanalyse jedoch nicht benötigt. Die hierfür gültigen Anhalts- und Grenzwerte beziehen sich jeweils auf Einzahlwerte (Mittelwerte und/ oder Maximalwerte, s. Abschnitt zur Immissionsbeurteilung). Es ist hier noch zu beachten, dass Grenzwerte nur vom Gesetzgeber festgelegt werden können, sie dürfen nicht überschritten werden. Anhalts- oder Richtwerte sind in einigen Normen und VDI-Richtlinien enthalten, z.B. für die Erschütterungsimmissionen in DIN 4150-2. Diese Werte sollten nicht wesentlich überschritten werden. Bild 2.9 zeigt beispielhaft das Zeitsignal einer Zugvorbeifahrt (U-Bahn-Zug) und das hieraus ermittelte Pegel-Zeitsignal L pAF (t). Die Fahrzeuggeschwindigkeit betrug ca. 80 km/ h. Gemessen wurde in 7,5 m Abstand von Gleismitte und in 1,2 m Höhe über Schienenoberkante (SO). In Bild 2.10 sind die aus diesem Zeitsignal berechneten Schalldruckpegelspektren (Schmalband-, Terz- und Oktavspektrum) dargestellt, jeweils gemittelt über das gesamte dargestellte Zeitsignal. Terz- und Oktavpegelspektrum zeigen sowohl unbewertete als auch Abewertete Mittelungspegel. Für die Schallimmissionsprognose nach 16. BImSchV, Anlage 2, von 2014 werden Oktavspektren im Frequenzbereich von 63 Hz bis 8 kHz benötigt. Bild 2.9: Verschiedene Darstellungsformen eines Schwingungssignals im Zeitbereich (hier Schalldruckpegel). Bild 2.9: Verschiedene Darstellungsformen eines Schwingungssignals im Zeitbereich (hier Schalldruckpegel). L pAFmax = 77,4-dB(A), L pAeq = 71,7-dB(A) (gemittelt über das gesamte dargestellte Zeitsignal T M = 10,7-sec) 60 2 Physikalische Grundlagen - Anwendungen im Schienenverkehr <?page no="63"?> 37 L pAFmax = 77,4 dB(A), L pAeq = 71,7 dB(A) (gemittelt über das gesamte dargestellte Zeitsignal T M = 10,7 sec) Bild 2.10: Verschiedene Darstellungsformen eines Schwingungssignals (hier Schalldruckpegel) im Frequenzbereich (FFT- und Terz- / Oktavspektren). 2.1.3 Elemente eines Schwingungssystems Bei Schienenfahrzeugen und an Schienenfahrwegen sind an vielfältigen Stellen Schwingungssysteme vorhanden. Einige Beispiele zeigt die folgende Zusammenstellung: a) Fahrzeug − Fahrzeug- und Drehgestellrahmen, − Primär- und Sekundärfederung des Drehgestells (Eigenfrequenzen f 0 < 10 Hz), − Radsatz und Drehgestellrahmen, Bild 2.10: Verschiedene Darstellungsformen eines Schwingungssignals (hier Schalldruckpegel) im Frequenzbe‐ reich (FFT- und Terz- / Oktavspektren). 2.1.3 Elemente eines Schwingungssystems Bei Schienenfahrzeugen und an Schienenfahrwegen sind an vielfältigen Stellen Schwingungssys‐ teme vorhanden. Einige Beispiele zeigt die folgende Zusammenstellung: a) Fahrzeug • Fahrzeug und Fahrzeugkarosserie, • Primär- und Sekundärfederung des Drehgestells (Eigenfrequenzen f 0 < 10-Hz), • Radsatz und Drehgestellrahmen, • Elastische Auflagerung von Einzelkomponenten, z. B. auf dem Dach angebrachte Aggre‐ gate bei Niederflurfahrzeugen oder Fahrscheinautomaten im Fahrzeug, • elastische Radreifenfederung (gummigefederte Räder). b) Fahrweg, Infrastruktur • elastische Schienenlagerung (elastische Zwischenlagen unter dem Schienenfuß und elastische Zwischenplatten zwischen einer Rippenplatte und der Schwelle bzw. einem Betontragbalken), 2.1 Einführung in die Schwingungslehre 61 <?page no="64"?> • elastische Lagerung des Schotters (Unterschottermatten) und von Betonplatten und -trögen (Einzel-, Streifen- und Flächenlager), • elastische Einbauten im Boden. c) Gebäude • elastische Lagerung von Gebäuden, • Gebäudedecken (und -wände), • Geräte und sonstige Einbauten in den Gebäuden und weitere mehr. Die meisten der o. g. Schwingungssysteme lassen sich auf die Wirkungsweise eines einfachen Masse-Feder-Systems (System mit einem Freiheitsgrad) und deren Zusammensetzungen zurück‐ führen. Ein mechanisches Schwingungssystem besteht im Wesentlichen aus folgenden drei Grundele‐ menten (Bild 2.11): • Masse m (in kg oder in t) als Speicher für die Bewegungsenergie (kinetische Energie), • Federelemente (elastische Bauelemente) aus Elastomeren oder Stahl als Speicher für die Lageenergie (potentielle Energie). Die Federeigenschaften werden durch die Steifigkeit k in N/ m (bei Schienenlagern auch in kN/ mm) oder durch die Nachgiebigkeit n in m/ N beschrieben. • Dämpfung d als Energieverbraucher in Ns/ m. Die Dämpfung beruht im Allgemeinen auf Reibungswiderständen, d. h. auf Energieumwandlung in Wärme. (z.B. Fahrzeug, Drehgestell usw. F(t)) Gebäude werden durch Schwingungen im Boden angeregt (Fußpunktanregung v(t)) b k z(t) F(t) Masse m v(t) Bild 2.11: Einläufiger Schwinger (Masse, Feder, Dämpfer in einer Bewegungsrichtung), Anwendung im Gleisober‐ bau oder als Gebäudeabfederung zur Minderung der Erschütterungsimmissionen Die o. g. drei Grundelemente eines einfachen Schwingers lassen sich mathematisch wie folgt beschreiben: 62 2 Physikalische Grundlagen - Anwendungen im Schienenverkehr <?page no="65"?> (2.20) (2.21) (2.22) (2.23) (2.24) (2.25) (2.26) Masse m (Newton’sches Grundgesetz der Trägheit T, gilt allgemein) F T = m ⋅ a = m ⋅ dv dt = m ⋅ d 2 s dt 2 = m ⋅ s˙ = m ⋅ s¨ und für eine sinusförmige Anregung gilt: F T = i ⋅ ω ⋅ m ⋅ v mit s Wegauslenkung in m und i = imaginäre Einheit. Steifigkeit k (Hook’sches Gesetz; gültig, wenn F ~ s ist (trifft i.a. bei kleinen Auslenkungen zu)) F F = k ⋅ s = k∫vdt und für sinusförmige Anregung gilt: F F = k ⋅ v i ⋅ ω ⋅ n Dämpfung d (lineare Beziehung, gilt bei kleinen Geschwindigkeiten v) F D = d ⋅ v = d ⋅ s˙ Die drei Grundelemente eines Schwingers können sowohl in Reihe als auch parallelgeschaltet sein. Es gelten folgende Gesetzmäßigkeiten für die Schaltung von Federelementen: a) Parallelschaltung k ges = k 1 + k 2 + . . . . . + k n = ∑ k i b) Reihenschaltung (oder Hintereinanderschaltung) 1/ k ges = 1/ k 1 + 1/ k 2 + . . . . . + 1/ k n = ∑ 1/ k i 2.1.4 Freie gedämpfte Schwingungen Nach DIN 1311-1 [2.18] ist eine freie Schwingung eine autonome Schwingung eines schwingungs‐ fähigen Systems (eine solche Schwingung ist dadurch gekennzeichnet, dass die auftretenden Frequenzen allein vom Schwingungssystem bestimmt werden) das sich von einem bestimmten Anfangszustand (Anfangsbedingungen) ausgehend selbst überlassen wird. Von außen wird dem System keine Energie zugeführt. Bei einer gedämpften Schwingung wird dem System durch Reibung Energie entzogen. Es wird unterschieden in Coulombsche Reibung (äußere Reibung) und geschwindigkeitsproportionale Reibung in Gas- oder Flüssigkeitsdämpfern (innere Reibung). Für 2.1 Einführung in die Schwingungslehre 63 <?page no="66"?> (2.27) (2.28) (2.29) (2.30) (2.31) die gedämpfte Schwingung des Einmassenschwingers ergibt sich folgende Bewegungsgleichung (Summe aller Kräfte = 0): F T + F D + F F = 0 Für geschwindigkeitsproportionale Reibung gilt dann: m ⋅ s¨ + d ⋅ s˙ + k ⋅ s = 0 oder z¨ + d m z˙ + k m z = 0 bzw. z¨ + 2δz˙ + ω 12 z = 0 mit d Dämpfungskonstante, m Masse und Abklingkonstante δ = d/ 2m. Als eine Lösung dieser Gleichung ergibt sich für schwache Dämpfung: z = z ⋅ e −δt sin(ωt + φ 0 Die Amplituden nehmen hierbei exponentiell mit der Zeit ab (Bild 2.12). Viele Bauteile, die auf dem Ausbreitungsweg zwischen dem Fahrzeug und dem Immissionsort (Gebäudedecken) liegen zeigen das Verhalten einer schwach gedämpften Schwingung. Auch akustisch relevante Fahrzeugbauteile zeigen ein ähnliches Verhalten (z. B. Radreifen). Bild 2.12: Freie gedämpfte Schwingung (n. Gl. (2.31)), mit: z=1-mm; f=50-Hz, δ=0,05, φ 0 =30° In Bild 2.12 ist das Abklingverhalten einer harmonischen Schwingung dargestellt, in praktischen Situationen sind jedoch oft überlagerte Schwingungen vorhanden. Ein solches Beispiel zeigt Bild 2.13. Dargestellt sind die Zeitsignale der Anregung und der Antwortsignale im Boden und im 64 2 Physikalische Grundlagen - Anwendungen im Schienenverkehr <?page no="67"?> (2.32) (2.33) Gebäude. Die FFT-Analyse ergibt für k10 folgende dominante Frequenzen: 13 Hz, 39 Hz, 65 Hz und 102-Hz. Für den Dämpfungsgrad D gilt: D = δ ω = δ / (2 • π • f ). Messpunkt f δ D t p t s c p c s Einheit Hz 1/ s s s m/ s m/ s k1 Bordstein (Stoß) - - - - - - - k2 Boden (ca. 2,5-m von k1 entfernt) 86 45 0,083 0,012 0,022 202 114 k10 Gebäudemittenwand (1. OG) 102 14 0,022 0,035 0,059 - - Tabelle 2.2: Parameter zu den in Bild 2.13 an die Messsignale angepassten Werte, vertikale Schwingungskompo‐ nente Bild 2.13: Schwingungssignale unter Anregung mit einem Prüfhammer vor einem Gebäude; Ausbreitungszeit der Druckwelle t p und der Scherwelle t s . Im Fall einer ungedämpften Schwingung lässt sich die Eigenkreisfrequenz ω 0 des Systems wie folgt berechnen: mk 0 = ω , (2.32) für eine gedämpfte Schwingung ergibt sich eine mit zunehmender Dämpfung abnehmende Eigenkreisfrequenz ω 0,D 2 2 0 D , 0 δ − ω = ω . (2.33) Das Verhältnis der beiden Eigenkreisfrequenzen ω 0,D / ω 0 liegt zwischen 1 und 0,95 für Dämpfungen < 30 %. Bei den Schwingungssystemen im Schienenverkehr liegen die Dämpfungen in der Regel unter 30 %. In den meisten Fällen kann dieser Einfluss demnach vernachlässigt werden. Die Gleichung 0 0 f 2 mk ⋅ π ⋅ = = ω (2.34) lässt sich für einen Einmassenschwinger mit einer linearen Federkennlinie wie folgt umformen. s g 2 1 g m 2 1 G 2 1 f -2000 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 -2,0E-03 -1,5E-03 -1,0E-03 -5,0E-04 0,0E+00 5,0E-04 1,0E-03 1,5E-03 2,0E-03 2,5E-03 0 0,05 0,1 0,15 0,2 Stoßkraft (unkalibriert) v, m/ s Zeit t, sec k2 v1(t) d=45 k1 t s -2000 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 -8,0E-05 -6,0E-05 -4,0E-05 -2,0E-05 0,0E+00 2,0E-05 4,0E-05 6,0E-05 8,0E-05 0 0,1 0,2 0,3 0,4 Stoßkraft (unkalibriert) v, m/ s Zeit t, sec k10 v2(t) d=14 k1 t s t p Bild 2.13: Schwingungssignale unter Anregung mit einem Prüfhammer vor einem Gebäude; Ausbreitungszeit der Druckwelle t p und der Scherwelle t s Im Fall einer ungedämpften Schwingung lässt sich die Eigenkreisfrequenz ω 0 des Systems wie folgt berechnen: ω 0 = k m für eine gedämpfte Schwingung ergibt sich eine mit zunehmender Dämpfung abnehmende Eigenkreisfrequenz ω 0,D ω 0, D = ω 02 − δ 2 Das Verhältnis der beiden Eigenkreisfrequenzen ω 0,D / ω 0 liegt zwischen 1 und 0,95 für Dämpfungen < 30 %. Bei den Schwingungssystemen im Schienenverkehr liegen die Dämpfungen in der Regel unter 30-%. In den meisten Fällen kann dieser Einfluss demnach vernachlässigt werden. 2.1 Einführung in die Schwingungslehre 65 <?page no="68"?> (2.34) (2.35) (2.36) (2.37) Die Gleichung ω 0 = k m = 2 ⋅ π ⋅ f 0 lässt sich für einen Einmassenschwinger mit einer linearen Federkennlinie wie folgt umformen. f 0 = 1 2 ⋅ π G Δs ⋅ m = 1 2 ⋅ π m ⋅ g m ⋅ Δs = 1 2 ⋅ π g Δs Mit k = G/ Δs, g = 9,81 m/ s 2 und Δs in cm (Δs ist die Einsenkung unter der Gewichtskraft G der schwingenden Masse m) folgt die in der Praxis vereinfacht angewandte Formel f 0 ≈ 5 Δs Für eine Einsenkung von Δs = 0,2 cm folgt z. B. eine Eigenfrequenz f 0 ≈ 11 Hz und für Δs = 0,8 cm f 0 ≈ 5,6 Hz. Hieraus folgt z. B. die zentrale Aussage für die Wirkung von elastischen Gleislagerungen: Je größer die Einsenkung unter Einwirkung der schwingenden Masse (je weicher das Federelement), desto niedriger die Eigenfrequenz des Systems und umso größer die schwingungsmindernde Wirkung. 2.1.5 Gedämpfte erzwungene Schwingungen Erzwungene Schwingungen sind heteronome Schwingungen, die durch äußere Einwirkungen auf ein schwingungsfähiges System entstehen (DIN 1311-1). Die in den Schwingungen enthaltenen Frequenzen sind in erster Linie durch die Frequenzen der Einwirkung bestimmt. Auf die Anregung von Schwingungen im Schienenverkehr und die hierbei auftretenden Frequenzen wird im Kapitel 11 „Anregung“ näher eingegangen. Neben der Anregung durch einwirkende Kräfte oder Verformungen treten auch parameterer‐ regte Schwingungen auf. Solche Schwingungen entstehen durch zeitliche Änderungen von Para‐ metern eines schwingungsfähigen Systems. Die Differentialgleichung für gedämpfte erzwungene Schwingungen lautet allgemein mz¨ + b t + k t z = F err t Im Schienenverkehr treten z. B. folgende Anregungen durch einwirkende Kräfte auf: • Unregelmäßig (stochastisch), z. B. durch Rauheiten (Wellen) auf den Fahrflächen von Rad und Schiene, • Periodisch, z. B. durch den Stützpunktabstand (Stützpunkt- oder Schwellenfachfrequenz), • Harmonisch, z. B. durch Rad-Unwuchten sowie Polynome oder Flachstellen auf den Rädern, • Stoßförmig, z. B. beim Befahren von Herzstücklücken in Weichen oder bei Kreuzungen, bei ausgefahrenen Schweiß- und Isolierstößen. Eine Parameteranregung ist vorhanden bei Steifigkeits- und Dämpfungsänderungen in Gleis‐ längsrichtung (z. B. hohlliegende Schwellen, Herzstücke, Steifigkeitssprünge zwischen Strecken‐ abschnitten mit unterschiedlichen Oberbauformen (Masse-Feder-System ⇔ elastische Schienen‐ 66 2 Physikalische Grundlagen - Anwendungen im Schienenverkehr <?page no="69"?> (2.38) (2.39) (2.40) lager)). Eine weitere Erregung entsteht durch Reibkräfte (z. B. beim Durchfahren enger Gleisbögen ⇒ Kurvenquietschen). Liegen bei einer erzwungen Anregung Erregerfrequenz(en) und Eigenfrequenz(en) des schwin‐ gungsfähigen Systems (z. B. Oberbau oder Decken in Gebäuden) im selben Bereich, dann kommt es zur Resonanz und, bei geringer Dämpfung, zu großen Amplituden. Die Auswirkung einer Resonanz wird am Beispiel für eine harmonische Erregung gezeigt, die anregende Kraft greift hierbei an der schwingenden Masse an. Die Differentialgleichung lautet für diesen Fall mz¨ + dz˙ + kz = F ⋅ sin (ωt Nach einiger Umrechnung ergibt sich hieraus für die Vergrößerungsfunktion V 3 (η) (Schwingung der Masse) V 3 η = 1 1 − η 2 2 + 2Dη 2 2 mit dem Frequenzverhältnis η (η = ω/ ω 0 ) und dem Dämpfungsgrad D. Für D gilt: D = δ ω 0, D = d 2mω 0, D = d 2 km = dω 0, D 2k In Bild 2.14 ist die Funktion nach Gl. (2.39) für verschiedene Dämpfungen D dargestellt. D muss < 0,4 sein, damit keine Verstärkung im Eigenfrequenzbereich (η = 1) mehr vorhanden ist. -2 0 2 4 6 8 10 12 0,1 1,0 10,0 V 3 log η D=0,8 D=0,3 D=0,2 D=0,1 D=0,05 Bild 2.14: V 3 (η) für verschiedene Dämpfungen D Mit weiter steigender Erregerfrequenz geht V 3 monoton gegen Null. Bei kleiner Dämpfung wird die Vergrößerungsfunktion (Amplitudengang) auch als Resonanzkurve bezeichnet. Einige damit zusammenhängende Begriffe werden im Folgenden anhand von Bild 2.15 erläutert. Oberhalb der „Grenzfrequenz“ f g werden die Schwingungsamplituden gemindert. 2.1 Einführung in die Schwingungslehre 67 <?page no="70"?> (2.41) (2.42) (2.43) De dB 15 1 1 III 1 1 ti I ro 1 1 10 .. . . . . -- ..... . .... 5 11 IIUa �.11 ! .. •··· (OK 1 1 1 1 11 V l' A/ \ ·.__ ; � !) --=� UfJt 1 ·.__ 1 □= i . Wo 1 11 IJl/ -f/ I l\l·\� fg 0 w 8 16 31 50 63 Terzmittenfrequenz f, Hz Bild 2.15: Pegel-Differenzspektren (Ausschnitt aus der messtechnisch ermittelten Einfügungsdämmung D e ver‐ schiedener Oberbauformen), [Bericht 9 unter Abschnitt 1.6.2] Die Resonanzkurve hat bei 1 2 z max = 0, 707 ⋅ z max die sogenannte Halbwertsbreite Δω = d m = 2δ = 2Dω 0, D In Bild 2.15 ist ein Ausschnitt der - näherungsweise - aus Messungen ermittelten Vergröße‐ rungsfunktion dargestellt. Die Halbwertsbreite liegt hier 3 dB unterhalb des Maximalwertes z max . Werden aus Messungen Δω und ω 0,D ermittelt, dann kann mit D = Δω 2ω 0, D der Dämpfungsgrad ermittelt werden. Wird Gl. (2.43) für die Kurven in Bild 2.15 angewendet, dann folgen daraus Dämpfungsgrade zwischen ca. 0,1 und 0,3 für die untersuchten Oberbauformen. Ganz allgemein ist die Bedeutung der Resonanz in der Technik sehr groß. Dies gilt auch für die Schwingungen aus dem Schienenverkehr. Wird z. B. ein als Masse-Feder-System ausgebilde‐ ter Oberbau auf eine Eigenfrequenz von 12 Hz ausgelegt, dann werden bei dieser Frequenz verstärkt Schwingungen in den umgebenden Boden eingeleitet. Durch den Boden werden solche tieffrequenten Schwingungen nur schwach gemindert übertragen. Ist nun in der näheren Umgebung ein Gebäude mit Holzbalkendecken vorhanden - solche können Eigenfrequenzen um 12 Hz haben - dann kommt es zur Resonanz und somit zu Verstärkungen der in das Gebäude eingeleiteten Schwingungen (= hohe Erschütterungsimmissionen). Resonanzen können durch folgende Maßnahmen verhindert bzw. dessen Auswirkungen gemindert werden: 68 2 Physikalische Grundlagen - Anwendungen im Schienenverkehr <?page no="71"?> (2.44) (2.45) • periodische Kräfte vermeiden, • große Differenzen zwischen Erregerfrequenz und Eigenfrequenz der angeregten Teilsysteme einhalten (Systemverstimmung) und • zusätzliche Dämpfungselemente einbauen oder Federelemente mit innerer Dämpfung (z. B. Federn aus Elastomeren) verwenden. Die in Bild 2.14 dargestellten Vergrößerungsfunktionen gelten für den Ausschlag der schwin‐ genden Masse selber (z. B. für die Masse eines Masse-Feder-Systems). Wesentlicher für Schwin‐ gungssysteme beim Schienenverkehr ist in der Regel die Antwort auf die Frage, mit welcher Kraft der Schwinger das Fundament (z. B. Tunnelsohle / Unterbau) beansprucht. Diese sogenannte Bodenkraft F B (oder Sohlkraft) setzt sich zusammen aus der Federkraft und der Dämpferkraft. Bei harmonischer Erregung ergibt sich für den eingeschwungenen Zustand die Vergrößerungsfunk‐ tion für die Bodenkraft V B zu (Bild 2.16): V B = 1 + 2Dη) 2 1 − η 2 2 + 2Dη 2 und der Phasenwinkel zu tanγ = 2Dη 3 1 − η 2 + 2Dη 2 0,01 0,1 1 10 0,1 1 10 log V B log  VB für D=08 VB für D=03 VB für D=02 VB für D=01 VB für D=0,05 Bild 2.16: Vergrößerungsfunktion der Bodenkraft V B als Funktion von η und der Dämpfung D (D = 0,05; 0,1 ... 0,8) 2.1.6 Nichtperiodische und stochastische Schwingungen Nichtperiodische Schwingungen sind nach DIN 1311-1 deterministische Schwingungen, deren Zeitverlauf z(t) sich nicht nach einer Periodendauer T wiederholt. Zu diesen Schwingungen gehören z. B. transiente Schwingungen (Impulse, Stöße) und die Gleitsinus-Schwingung. Im Gegensatz zu periodischen Schwingungen, deren Frequenzspektrum aus einem diskontinu‐ ierlichen Linienspektrum besteht, liegt bei nichtperiodischen Schwingungen ein kontinuierliches Frequenzspektrum vor, s. z. B. Bild 2.10 oben. Dieses besteht aus einer unendlichen Anzahl von Teilschwingungen mit Frequenzen, deren Abstände gegen null gehen. 2.1 Einführung in die Schwingungslehre 69 <?page no="72"?> Die Amplituden und damit die Längen der diskontinuierlichen Spektrallinien sind bei periodi‐ schen Schwingungen durch die Koeffizienten der Fourierreihe gegeben, bei nichtperiodischen und stochastischen Schwingungen wird die Amplitudendichte (Spektrum) eines kontinuierlichen Spektrums durch Fourierintegrale berechnet. Bild 2.17 zeigt ein Beispiel für ein nichtperiodisches Signal in Zeit- und Frequenzdarstellung. Es handelt sich hierbei um einen „weichen“ Stoß (Einsatz eines schweren Prüfhammers mit einem weichen Aufschlagtip) z. B. zur Anregung auf einer Tunnelsohle). 0,0 0,1 0,1 0,2 0,2 0,3 0 50 100 150 200 250 300 350 Frequenz f, Hz Zeit t, s Kraft, F(t); F(f) Stoß im Frequenzbereich Stoß im Zeitbereich 10 dB Bild 2.17: Nichtperiodisches Signal im Zeit- und Frequenzbereich (Stoß mit einem Prüfhammer) Stochastische Schwingungen werden in DIN 1311-1 beschrieben als nichtdeterministische Schwingungen, sie können nicht durch eine funktionale (formelmäßige) Abhängigkeit zwischen der unabhängigen Veränderlichen, der Zeit t, und der abhängigen Veränderlichen, der Größe z, beschrieben werden. Auch diese Schwingungen werden zur Kennzeichnung in der Form z(t) geschrieben, obgleich für keinen Zeitpunkt t der Wert z(t) berechnet werden kann. Solche Schwingungen lassen sich durch Methoden der Statistik und Wahrscheinlichkeits‐ rechnung, insbesondere durch Mittelwertbildungen verschiedener Art, durch Kenngrößen und Kennfunktionen beschreiben. 2.1.7 Übertragungsfunktion und Modalanalyse Übertragungsfunktionen H mn (iω) beschreiben das Übertragungsverhalten eines schwingungsfä‐ higen Systems. Ein einfaches Modell ist beschreibbar durch Ein- (F n (iω)) und Ausgangsgrößen (X m (iω)), die an dem Schwingungssystem angreifen. Das System selber kann zunächst als eine 70 2 Physikalische Grundlagen - Anwendungen im Schienenverkehr <?page no="73"?> (2.46) (2.47) Black-Box angesehen werden. Bild 2.18 zeigt ein solch einfaches Modell. Allgemein gilt für die Übertragungsfunktion H mn iω = X m iω F n iω F ( i w) X H Black-Box (Übertragung) Eingang (Erregung) Ausgang (Antwort) m n ( i w) mn ( i w) Bild 2.18: Black-Box für ein Schwingungssystem (Ein-, Ausgang) In Bild 2.11 ist ein einfacher Schwinger dargestellt. Die Übertragungsfunktion hierfür lässt sich wie folgt berechnen: H (iω) = 1 k − ω 2 m + iωb mit k Steifigkeit in N/ m m Masse in kg b Dämpfungskonstante in Ns/ m i Imaginäre Einheit. In Bild 2.19 und Bild 2.20 sind die Beträge der komplexen Übertragungsfunktionen für einen Schwinger mit unterschiedlichen Parametern dargestellt. Im ersten Fall wird die Steifigkeit k variiert (Masse und Dämpfungskonstante bleiben konstant), im zweiten Fall wird die Masse m verändert (die beiden anderen Größen bleiben konstant). Die beiden Bilder zeigen, dass mit geringer werdender Steifigkeit und mit zunehmender Masse die Eigenfrequenzen f 0 abnehmen. Dies wird z. B. ausgenutzt bei der Auslegung von weichen Schienenlagern und sogenannten Masse-Feder-Systemen im Oberbau und bei elastisch gelagerten Gebäuden. Je geringer die Eigen‐ frequenz ist, desto besser ist in der Regel die Abschirmung vor unerwünschten Schwingungen. Bei der Auslegung von Masse-Feder-Systemen ist eine Resonanz zwischen diesem System und Gebäudedecken zu vermeiden. Bei der Messung der Übertragungsfunktion wird die Summe der beiden oben dargestellten Teil-Übertragungsfunktionen ermittelt. Es ist u. a. Aufgabe der Modalanalyse, die Teilschwingun‐ gen „herauszufiltern“. Alle beim Schienenverkehr auftretenden Schwingungen bestehen aus einer Summe von solchen Teilschwingungen, wobei häufig eine dominant ist (z. B. die Eigenfrequenz eines Masse-Feder-Systems oder die Eigenfrequenz einer Gebäudedecke, dies gilt besonders für leicht anzuregende Holzbalkendecken). 2.1 Einführung in die Schwingungslehre 71 <?page no="74"?> 0,000 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0 100 200 300 400 500 600 H (k) f, Hz k=50 k=25 k=12,5 Bild 2.19: Betrag der Übertragungsfunktion, Variation der Steifigkeit k von (50, 25 und 12,5) · 10 -5 -N/ m; k nimmt von rechts nach links ab 0,000 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0 100 200 300 400 500 600 H (m) f, Hz m=200 m=400 m=800 Bild 2.20: Betrag der Übertragungsfunktion, Variation der Masse m von 200-kg, 400-kg und 800-kg; m nimmt von rechts nach links zu Ein recht anschauliches Beispiel für eine solche Modalanalyse zeigt Bild 2.21 (entnommen aus einem Informationsheft zur Modalanalyse der Firma Brüel & Kjaer). Dargestellt ist das Schwingen einer Glocke. Ganz oben wird die Gesamtschwingung der Glocke gezeigt, darunter vier Teilschwingungen. Ganz rechts in Bild 2.21 sind Ersatzmodelle der Gesamtschwingung (oben) und der vier Teilschwingungen (darunter) dargestellt. Entsprechende Modelle können auch für die Schwingungsgebilde beim Schienenverkehr für eine umfassende Diagnose sehr hilfreich sein. 72 2 Physikalische Grundlagen - Anwendungen im Schienenverkehr <?page no="75"?> Bild 2.21: Beispiel für eine Modalanalyse an einer schwingenden Glocke (aus einer Brüel & Kjaer Informations‐ schrift) 2.2 Grundlagen der Wellenlehre und Akustik Unter Schall werden mechanische Schwingungen verstanden, deren Frequenzanteile im Hörbe‐ reich liegen [2.19]. Der Hörbereich des jungen Menschen umfasst in etwa den Frequenzbereich von 16 Hz bis 16 kHz (20 kHz). Treten diese Schwingungen in der Luft auf, dann werden sie mit Luftschall bezeichnet. Schwingungen in festen Körpern werden entsprechend mit Körperschall, solche in Flüssigkeiten mit Wasserschall bezeichnet. Das Auftreten von Schall ist untrennbar mit dem Vorhandensein von Materie verknüpft, im Vakuum gibt es keinen Schall. Schall wird u. a. erzeugt, indem ein Körper zu Schwingungen angeregt wird. Einrichtungen, mit denen das möglich ist, werden als Schallquellen oder Schallsender bezeichnet (z. B. Kalibriergeräte zum Kalibrieren von Messketten, Lautsprecher, Räder, Schienen, Motoren, Lüfter, rotierende Umrichter usw.). 2.2 Grundlagen der Wellenlehre und Akustik 73 <?page no="76"?> (2.48) Die Schallfeldgrößen sind in der Regel sehr klein. Die Wechseldrücke liegen etwa zwischen 2 . 10 -5 N/ m 2 und 10 2 N/ m 2 und die Ausschläge zwischen 10 -9 mm und 1 mm. Diese kleinen Verformungen erlauben das Arbeiten mit linearen Näherungen, d. h. die Anwendung des Superpositionsprinzips. In der Akustik werden die mechanischen Schwingungen im Allgemeinen als Wellen bezeichnet. Eine mechanische Welle ist ein Schwingungsvorgang in einem ausgedehnten Medium, welches aus einer Vielzahl von schwingungsfähigen Teilchen besteht, die alle miteinander gekoppelt sind. Wird eines dieser Teilchen zum Schwingen angeregt, dann wird es zum Zentrum einer sich ausdehnenden Wellenbewegung. Sichtbar wird dies z. B. dann, wenn ein Stein in einen See mit einer glatten Oberfläche geworfen wird. Kinematisches Kennzeichen ist das Wandern der Schwingungsphase und dynamisches Kennzeichen der Energietransport in Wellenausbreitungs‐ richtung. 2.2.1 Wellenarten und Wellenausbreitungsgeschwindigkeiten Wellen, bei denen die Richtung der Teilchengeschwindigkeit zur Richtung der Ausbreitungsge‐ schwindigkeit senkrecht ist, heißen Querwellen (transversale Wellen, Schub- oder Scherwellen). Bei diesen Wellen wechseln Wellenberge und Wellentäler einander ab. Sind die Richtungen von Schwing- und Ausbreitungsgeschwindigkeit gleich, dann liegen Längswellen (longitudinale Wellen) vor. Bei diesen Wellen wechseln „Verdichtungen“ und „Verdünnungen“ einander ab, Bild 2.22. Longitudinalwellen . ..... . . . . ..... . . .... .. . . . . .... . ..... . . . . .... . . . .... . . . . . .... --�i��l Transversalwellen : i i i : : : : : \{ Biegewellen \}\! MfJ"tiO:s�H, Ausbreitungsrichtung ------ Bild 2.22: Symbolische Darstellung einiger Wellenarten. Links: Longitudinal- oder Druckwellen; Mitte: Transversal- oder Schubwellen; rechts: Biegewellen (z. B. auf Gebäudedecken und -wänden) Bei Flächen- und Raumwellen mit punktförmigen Erregerquellen verlaufen die Strahlen radial, die Wellenfronten sind Kreise oder Kugelschalen, bei Halbräumen (Anregung in der Trennschicht von zwei unterschiedlichen Medien, z. B. auf dem Boden) auch Kugelhalbschalen. Die Energie der Wellen verteilt sich hierbei auf eine mit zunehmendem Abstand von der Quelle größer werdende Fläche. Bei linien- oder flächenhaften Quellen ergeben sich ebene Wellen. Hierbei verlaufen die Strahlen parallel zueinander, die Wellenfronten sind eben. Der Abstand zweier Wellenfronten wird für alle Wellenarten mit Wellenlänge λ bezeichnet. Zwischen Wellenlänge λ in m, Frequenz f in Hz und Ausbreitungsgeschwindigkeit c in m/ s besteht folgender Zusammenhang: c = λ • f Beim Luftschall treten nur Transversalwellen (Druck- oder Kompressionswellen) auf. Dies erleichtert die theoretische Behandlung der Ausbreitung von Luftschall. Schall in festen Kör‐ pern unterscheidet sich von Schall in der Luft dadurch, dass auch Schubspannungen und 74 2 Physikalische Grundlagen - Anwendungen im Schienenverkehr <?page no="77"?> Schubdeformationen auftreten können. Daher sind in festen Körpern (z. B. Schienen, Rädern, Betonplatten, Tunnelbauwerke, Brücken, Boden und Gebäuden) sowohl Kompressionswellen als auch Schubwellen und Kombinationen beider Wellenarten möglich. Die wichtigsten Wellentypen in festen Körpern sind [2.24, 2.25]: • reine Longitudinalwellen, • reine Transversalwellen, • Dehnwellen, • Biegewellen. Diese Wellen sind wesentlich für die praktische Schalltechnik. Sie treten auf Stäben (Schienen) und plattenförmigen Körpern (Räder, Betonplatten, Raumbegrenzungsflächen) auf. Bei Biegewellen ist die Bewegung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung und damit zur Stab- und Plattenoberfläche, sie neigen daher am ehesten zur Schallabstrahlung. Im Gegensatz zu den anderen erwähnten Wellen haben sie eine frequenzabhängige Ausbrei‐ tungsgeschwindigkeit. • Torsionswellen, • Oberflächenwellen (Rayleighwellen). Bei diesen Wellen nehmen die Amplituden von der freien Oberfläche gegen das Innere des Körpers exponentiell ab. Bei der Ausbreitung von Körperschall im Boden (Erschütterungen) infolge einer Anregung durch den oberirdischen Schienenverkehr übernehmen Oberflächenwellen einen großen Teil der Energieübertragung (Bild 2.23). Die Ausbreitungsgeschwindigkeit c für einige wesentliche Wellenarten (die alle beim Schienen‐ verkehr auftreten) zeigt die Zusammenstellung in Tabelle 2.3. Einige weitere Zusammenhänge für bodendynamische Kennwerte zeigt Tabelle 2.4. Mittlere Boden- und Werkstoffkennwerte sind im Anhang C enthalten. a) Kompressionswellen Energietransport Ausbreitungsrichtung ttllHtmP 7 % b) Schubwellen Bodenwellen a) und b): Körperwellen c): Oberflächenwelle -26% 67 % Bild 2.23: Wellenarten im Halbraum (z. B. im Boden bei Zuganregung auf ebenerdig verlegten Gleisen) 2.2 Grundlagen der Wellenlehre und Akustik 75 <?page no="78"?> Typ Ausbreitungsgeschwin‐ digkeit c, m/ s Bereich für c in m/ s Bemerkungen 1 2 3 4 a) Luftschall Kompressionswellen c = Κρ 343 In Luft bei 20 °C Mit K Kompressionsmodul in N/ m 2 und ρ Dichte in N/ m 3 . Es gilt: K = κ ⋅ p mit κ Adiabatenexponent (κ Luft = 1,4) Zur Umrechnung auf eine andere Temperatur t in °C dient die Formel c t = c 20 1 + t − 20 273 b) Körperschall Longitudinalwellen c L = 2G 1 − μ ρ 1 − 2μ 1000...5000 - Transversalwellen c T = Gρ 500...3500 werden auch mit c S bezeichnet (für Schub- oder Scherwellen) Dehnwellen (in Stäben) c D = Eρ 50 bis 5000 Gummi Metall Biegewellen c B = ω 2 B/ m″ 4 c B = ω 2 B′/ m′ 4 0...1500 gültig für f < c D / 20h Torsionswellen c S = T Θ 0...3000 - Rayleighwellen c R ≈ 0, 92c T - - Erläuterungen zu obiger Tabelle: E Elastizitätsmodul, G Schubmodul, μ Poissonkonstante (es gilt G = E/ (2+2μ)), ρ Dichte, m'' Masse pro Flächeneinheit, m' Masse pro Längeneinheit, B Biegesteifigkeit einer Platte (bei homogenen Platten der Dicke h ist B = Eh 3 / [12 (1-μ 2 )]), B' Biegesteifigkeit eines Stabes (bei homogenen Rechteckstäben der Dicke h und Breite b ist B' = Ebh 3 / 12), T Torsionssteifigkeit, Θ Massenträgheitsmoment. Tabelle 2.3: Wellengeschwindigkeiten in Luft und in homogenen, festen Körpern (s. Taschenbuch der Technischen Akustik von Heckl/ Müller), [2.24] 76 2 Physikalische Grundlagen - Anwendungen im Schienenverkehr <?page no="79"?> (2.49) Kenngröße Gleichung Bemerkungen 1 2 3 Schubmodul G = ρ ⋅ c s2 Der Schubmodul ist abhängig von der Frequenz f und der Bodentiefe h Querkontraktion ν = c p / c s 2 − 2 2 c p / c s − 2 DIN 1304. Manchmal wird auch der Kehrwert m=1/ ν als Poissonzahl bezeichnet. Eigenfrequenz einer Bodenschicht f 0B = c s 2H H Bodenschichtdicke in m Tabelle 2.4: Einige Zusammenhänge zwischen bodendynamischen Kennwerten (siehe auch Anhang B zu DIN 45672-1) 2.2.2 Eigenschaften von Wellen a) Reflexion Trifft eine Welle an der Grenze eines Mediums auf ein anderes Medium, dann tritt eine völlige oder teilweise Reflexion auf. Das Reflexionsgesetz „Einfallswinkel = Ausfallswinkel“ ist z. B. bei Schallschutzwänden zu beachten. Reflexionen treten aber auch im Boden an Bodenschichten oder anderen größeren Körpern auf (z. B. Reste von alten Fundamenten oder Kanalisation). Wichtig für die Schallausbreitung beim Schienenverkehr sind z. B. Reflexionen zwischen Fahrzeug und Schall‐ schutzwand sowie an Gebäuden. Zur Minderung der Reflexionen zwischen Schallschutzwand und Fahrzeug werden in Deutschland die Schallschutzwände in der Regel mit einer absorbierenden Oberfläche versehen. b) Brechung Tritt ein Strahl an der Grenze eines Mediums in ein anderes über, dann ändert sich mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit auch die Ausbreitungsrichtung ⇒ der Strahl wird gebrochen. Es gilt hier das Brechungsgesetz sinα sinβ = c 1 c 2 mit: α Einfallswinkel (Winkel zwischen Strahl und Lot), β Brechungswinkel (Winkel zwischen Strahl und Lot), c 1 Ausbreitungsgeschwindigkeit im ersten Medium, c 2 Ausbreitungsgeschwindigkeit im zweiten Medium. c) Beugung Trifft eine Welle auf eine Wand mit einem schmalen Spalt oder auf die Kante der Wand, dann breitet sich der Strahl hinter dem Spalt oder der Kante fächerförmig aus. Der Winkel zwischen der ursprünglichen und der neuen Richtung wird als Beugungswinkel bezeichnet. 2.2 Grundlagen der Wellenlehre und Akustik 77 <?page no="80"?> Die Energie des ankommenden Strahles verteilt sich nicht gleichmäßig auf die einzelnen Richtungen, sie nimmt mit zunehmendem Beugungswinkel ab. U. a. ist die Beugung dafür ver‐ antwortlich, dass auch hinter einer Schallschutzwand an einer Gleisstrecke Schall vorhanden ist. Dies gilt auch für Schlitze im Boden, wobei hier noch zusätzliche Auswirkungen von Reflexionen an Bodenschichten hinzukommen. Im Prinzip gilt, dass je höher (tiefer) die Schutzwand ist, desto besser (geringer) ist die abschirmende Wirkung hinter der Wand. d) Stehende Wellen Durchlaufen zwei Wellen mit gleicher Amplitude, Frequenz und Wellenlänge in entgegengesetzter Richtung dasselbe Medium, dann überlagern sie sich zu einer stehenden Welle. Häufig entstehen solche Wellen, wenn eine eindimensionale Welle nach einer Reflexion mit sich selbst zur Überlagerung kommt (z. B. in geschlossenen Räumen oder in Fahrzeugen). Bei „stehenden“ Wellen, Bild 2.4, treten Wellenbäuche (doppelte Amplitude der Teilwellen) und Wellenknoten (Amplituden mit dem Wert null) auf. In einem Medium begrenzter Länge „l“ kann sich eine stehende Welle nur ausbilden, wenn „l“ ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge λ/ 2 ist. Hierbei liegen - wie beim Reflexionsgesetz - beide Strahlen in einer Ebene. e) Überlagerung Für die Überlagerung (Interferenz) von Schallwellen gelten die allgemeinen Gesetzmäßigkeiten wie für alle anderen Wellenarten auch. Auf einige Sonderfälle wird im Folgenden eingegangen. Zwei Schallwellen gleicher Ausbreitungsrichtung, Frequenz und Amplitude löschen sich gegenseitig aus, wenn ihre Phase entgegengesetzt ist. Bei ungleichen Amplituden ergibt sich unter denselben Bedingungen eine Schwächung. Bei gleicher Phase kommt es zu einer Verstärkung der Amplituden. Wie bereits bei den Schwingungen eingehend erläutert, kommt es auch bei der Überlagerung von zwei Schallwellen gleicher Ausbreitungsrichtung und geringer Frequenzdifferenz zu einer Schwebung, s. a. Bild 2.4. 2.2.3 Schallfeldgrößen Die von einer Schallquelle abgestrahlte Energie wird in Form von Schallwellen weitergeleitet. Der Raum, in dem sich die Schallwellen ausbreiten, ist das Schallfeld. Die Schwinggeschwindigkeit der Teilchen im Schallfeld wird als Schallschnelle v (oder einfach als Schnelle) bezeichnet. Im Allgemeinen wird die Schallschnelle nicht gemessen, sondern aus dem Schalldruck p berechnet. Mit Schalldruck werden die in einer Schallwelle auftretenden peri‐ odischen Druckschwankungen (Über- und Unterdruck) bezeichnet. In der Luft ist der Schalldruck dem vorhandenen Luftdruck p L überlagert. Der Schalldruck wird in Pascal (Pa) (1 Pa = 1 N/ m 2 = 1-kg/ (ms 2 )) gemessen. In der Literatur wird auch das Mikrobar (μbar) = 10 -6 -Bar (bar) verwendet. Es gelten folgende Umrechnungen: bar μbar Pa 1 10 6 10 5 10 -6 1 0,1 10 -5 10 1 78 2 Physikalische Grundlagen - Anwendungen im Schienenverkehr <?page no="81"?> (2.50) (2.51) (2.52) Der maximale Schalldruck ergibt sich zu p = ρ ⋅ c ⋅ ω ⋅ v Mit y = v ω (Schwingungsamplitude), ω = 2 ⋅ π ⋅ f (Kreisfrequenz), ρ Dichte des Mediums, c Schallgeschwindigkeit in dem Medium, v Geschwindigkeitsamplitude (maximale Geschwindigkeit der Teilchen). Bei Schallpegelmessungen wird der Effektivwert des Schalldrucks p eff ermittelt, dieser ergibt sich zu: p eff = p 2 = ρ ⋅ c ⋅ v 2 Das Produkt ρ⋅c wird als Schallkennimpedanz Z 0 (früher auch Wellenwiderstand) bezeichnet. Die Schallkennimpedanz lässt sich auch wie folgt ausdrücken: Z = ρ ⋅ c = p v in Pa⋅s/ m oder N⋅s/ m³ Einige typische Werte für die Schallkennimpedanz Z 0 sind in Tabelle 2.5 enthalten: Medium T in °C Z 0 in 10 4 Ns/ m 3 1 2 3 Luft 20 0,041 Beton - 800 Stahl - 4000 Naturkautschuk - 6,6 Mauerwerk - 720 Wasser 10 145 Tabelle 2.5: Kennimpedanzen Z 0 verschiedener Medien 2.2 Grundlagen der Wellenlehre und Akustik 79 <?page no="82"?> (2.53) (2.54) (2.55) Die Schallintensität „I“ (sie wird auch Schallstärke genannt) ist die durch eine Fläche „A“ (in der Akustik auch mit „S“ bezeichnet) hindurchtretende Schallleistung W. I = WA Die Schallintensität „I“ ist ein Vektor, sie beschreibt den Energiefluss pro Fläche an einem bestimmten Punkt. Die akustische Leistung „W“, die die Fläche S durchdringt, ist das Integral aus I·dS. W = ∫ S I n ⋅ dS I n senkrecht zum Flächenelement stehende Komponente des Intensitätsvektors. Weitere Ausführungen und Anwendungen zur Schallintensität im Schienenverkehr sind in Kap. 5 enthalten. 2.2.4 Beziehungen zwischen Körper- und Luftschall - 2.2.4.1 Grundlagen Eine wesentliche „Störgröße“ für die Bewohner in benachbarten Gebäuden von Bahnstrecken (insbesondere bei U-Bahn-Strecken und bei Strecken mit Schallschirmen) ist der sekundär von den Raumbegrenzungsflächen abgestrahlte Luftschall. Die durch die Vorbeifahrt von U-Bahnen zu Schwingungen (Körperschall) angeregten Flächen (Wände, Decken, Fußböden) wirken hierbei als Schallquellen. Das Abstrahlverhalten einer schwingenden Fläche wird durch den Abstrahlgrad σ beschrieben. Er ist definiert zu: σ = W ρ ⋅ c ⋅ S ⋅ v 2 = W W 0 Hierbei ist „S“ die strahlende Fläche und v 2 das mittlere Schnellequadrat (gemessen senkrecht zur strahlenden Fläche), ρ und c beinhalten die Wichte und die Schallgeschwindigkeit. Das Produkt aus ρ und c ist wieder die Kennimpedanz Z 0 des umschließenden Mediums. W ist die abgestrahlte Schallleistung und W 0 die Schallleistung einer schwingenden Bezugsfläche. Bei dieser Bezugsflä‐ che schwingen alle Flächenteile konphas mit derselben Körperschallamplitude. Als Modell hierfür dient eine aus einer unendlich großen schwingenden Fläche herausgeschnittene Teilfläche. 80 2 Physikalische Grundlagen - Anwendungen im Schienenverkehr <?page no="83"?> (2.56) (2.57) (2.58) (2.59) (2.60) (2.61) (2.62) Anstelle des Abstrahlgrades wird häufig das Abstrahlmaß σ′ verwendet. Es gilt: σ ′ = 10 ⋅ lg(σ Die Bezugs-Schallleistung berechnet sich aus W 0 = p 0 ⋅ v 0 ⋅ S 0 mit p 0 = ρ ⋅ c ⋅ v Der Bezugsschalldruck wurde zu p 0 = 2⋅10 5 Pa (1 Pa = 1 N/ m 2 ) international festgelegt. Er ist der Effektivwert des Schalldrucks bei 1.000 Hz, der gerade noch mit dem Gehör wahrgenommen werden kann (= 0-dB). Als Bezugsschnelle wird in Deutschland v 0 = 5⋅10 -8 m/ s verwendet (in einigen anderen Ländern wird auch v 0 = 10 -8 m/ s oder 10 -9 m/ s verwendet). Dieser Wert wurde so festgelegt, dass die aus dem Schalldruck p, der Schallschnelle v und der Schallintensität I berechneten Schallpegel L alle den gleichen Pegelwert annehmen. Mit I = p ⋅ v = p 2 ρ ⋅ c und I 0 = p 0 ⋅ v 0 = p 02 ρ ⋅ c folgt: L I = 10lg I I 0 = 10lg p eff ⋅ v eff p 0 ⋅ v 0 = 10lg p eff p 0 + 10lg v eff v 0 und weiter, da gleiche Pegel vorausgesetzt werden (siehe oben), L I = 10lg p eff p 0 2 = 10lg v eff v 0 2 mit I 0 = p 0 ⋅ v 0 = 2 ⋅ 10 −5 N / m 2 ⋅ 5 ⋅ 10 −8 m/ s = 10 −12 W / m 2 Die Bezugsfläche S 0 beträgt 1-m 2 . Für den Fall, dass das Produkt (ρ⋅c) Luft = 400 Ns/ m 3 ist, bleibt auch der physikalische Zusam‐ menhang zwischen diesen beiden Größen gewahrt. p 0 v 0 = 2 ⋅ 10 −5 N / m 2 5 ⋅ 10 −8 m/ s = 400N / m 3 = ρ ⋅ c Luft Dieser Wert gilt für eine Lufttemperatur von 20°C und einen Luftdruck von 98 kPa, die Abwei‐ chung von dem tatsächlichen Wert (= 410-Ns/ m 3 ) beträgt weniger als 2,5-%. 2.2 Grundlagen der Wellenlehre und Akustik 81 <?page no="84"?> (2.63) (2.64) (2.65) (2.66) (2.67) Schalldruck p und Schallschnelle v werden im Allgemeinen als Effektivwert dargestellt. Es gilt: p eff = 1 T 0 T p t ⋅ dt mitT ∞ v eff = 1 T 0 T v t ⋅ dt mitT ∞ In der Praxis wird mit einer endlichen Integrationszeit T gearbeitet (z. B. T = 1 s). Bei Pegelangaben für Schall, Schnelle usw. handelt es sich somit immer um Effektivwerte. - 2.2.4.2 Sekundärschall Aus dem Schwinggeschwindigkeitspegel L v (Körperschallpegel) eines Strahlers lässt sich bei bekanntem Abstrahlgrad σ der Schallleistungspegel L W wie folgt berechnen: L W = L v + 10 ⋅ lg(S +10 ⋅ lg(σ Für Gebäudewände und einer Frequenz von 63 Hz (Oktave) ergibt sich näherungsweise folgender Abstrahlgrad: σ = US ⋅ 0, 07 U Umfang der Wand oder Decke (gesamte Einspannlänge), S Wand- oder Deckenfläche (strahlende Fläche). Näherungsweise liegt z. B. der abgestrahlte Luftschall (linear) in 1 m Entfernung von einer 12 cm dicken und 12 m 2 großen Betondecke zwischen 125 Hz und 4.000 Hz gleichmäßig um ca. 2-dB unter dem Körperschallpegel der Decke. Die oben erwähnte Frequenz von 63 Hz ist in der Regel besonders relevant für den in Gebäuden sekundär von Decken und Wänden abgestrahlten Luftschall. Bei Standardoberbau‐ formen und bei Betondecken treten in Gebäuden bei Zuganregung besonders hohe Pegel in diesem Frequenzbereich auf. Aus Erfahrung hat sich folgende Formel für eine erste Abschätzung des Sekundärschallpegels L pAFmax,m in dB(A) aus dem Körperschallpegel L v in dB (linear) einer Zimmerdecke ergeben: L pAFmax, m = L v 63H z − Oktave − 15 dB Diese Gleichung lässt sich unter folgenden Voraussetzungen näherungsweise wie folgt ableiten: • Alle Raumbegrenzungsflächen eines Raumes strahlen gleich stark ab, • der Abstrahlgrad beträgt 1 und • die Absorption im Raum ist vernachlässigbar. In Kap. 3 wird gezeigt, dass sich der Gesamtschallpegel von n Schallquellen gleicher Intensität mit 10⋅lg(n) erhöht, d. h. bei n = 6 Quellen (6 Raumbegrenzungsflächen) um ca. 8 dB. Für die 63-Hz-Oktave (oder Terz) ergibt die A-Bewertung eine Abschwächung von 26,2 dB. Es ergibt sich 82 2 Physikalische Grundlagen - Anwendungen im Schienenverkehr <?page no="85"?> (2.68) (2.69) somit folgende Gleichung für das sogenannte Umwandlungsmaß U (U steht für Umwandlung von (Decken-) Körperschall in Sekundärschall). U = + 8 dB (n−Scℎallquellen) − 26,2 dB (f ür die A − Bewertung) = − 16,2 dB Nach Gl. (2.68) ergibt sich für höhere Frequenzen ein geringeres und für niedrigere Frequenzen ein höheres Umwandlungsmaß. z. B. beträgt die Abschwächung für die 31 Hz-Oktave 39,4 dB und für die 125 Hz-Oktave 16,1 dB. Wegen der starken Streuung der dominanten Frequenzen, der in bewohnten Räumen immer vorhandenen Absorption durch Bodenbeläge, Gardinen und Einrichtungsgegenstände und der ungleichmäßig verteilten Körperschallpegel auf Decken und Wänden schwankt in der Praxis das Umwandlungsmaß beträchtlich [2.10]. 2.2.5 Längenbezogener Schallleistungspegel In Anlage 2 zur 16. BImSchV [2.16 und 2.17] (ehemals Richtlinie „Schall 03“ [2.1]) wird, statt des bisherigen Grundwertes von 51 dB(A) für Holzschwellengleise vom längenbezogenen A-Schall‐ leistungspegel L W’A,V in Oktaven ausgegangen ([2.2], [2.3], [2.16], [2.17]). Die Schallleistungswerte können aus Schalldruckpegelmessungen L p an den Messpunkten a 2 (s = 7,5 m, h SO = 1,2 m) und a 3 (s = 25-m, h SO = 3,5-m), Bild 2.24, berechnet werden ([2.4] und [2.5]). 2,5 m 7,5 m 25 m h = 0,6 m h = 1,2 m h = 3,5 m Gleisachse SO (Schienenoberkante) Messmikrofonposition, h = Höhe über SO (SO = Schienenoberkante) Körperschall Schiene, z- und y-Richtung h = 3,5 m MP a1 MP a2 MP a3 Bild 2.24: Festgelegte Mikrofonpositionen a 2 und a 3 an einer Bahnstrecke (Außenmesspunkte) Die Ermittlung des Schallleistungspegels aus Messungen, z. B. einer Maschine [2.6], ist auf‐ wändiger als die Messung des Schalldruckpegels an einem bestimmten Messpunkt. Da der Schallleistungspegel zur Beschreibung der Schallemissionen von Nahverkehrsbahnen bisher kaum verwendet wurde, werden im Folgenden zunächst einige grundsätzliche Ausführungen zur Schallleistung gemacht. Danach werden entsprechend aufbereitete Ergebnisse aus Schallmessun‐ gen bei einer U-Bahn [2.7] und [2.13] vorgestellt und diskutiert. Die Schallleistung W beschreibt die von einer Schallquelle insgesamt abgestrahlte Schallenergie pro Zeiteinheit in Watt (W). Sie ist damit eine Größe, die die akustische Eigenschaft einer Schallquelle ganzheitlich kennzeichnet. Allgemein wird die Schallleistung als Pegel L W in dB dargestellt. L W = 10 ⋅ lg W W 0 dB mit W 0 = 10 -12 W. 2.2 Grundlagen der Wellenlehre und Akustik 83 <?page no="86"?> (2.70) (2.71) Anmerkung: Schallleistung und deren Einheit wird mit demselben Buchstaben gekenn‐ zeichnet „W“. Um deutlich die Schallleistung vom Schalldruck zu unterscheiden wird „W“ anstelle von „P“ verwendet. Die Schallleistung W wird - ganz allgemein - nach DIN 45635 aus der auf einer geschlossenen Fläche S um einen Schallsender gemessenen Schallintensität I ermittelt, [2.6] und [2.8]. Es gilt: W = I ⋅ S = p ⋅ v ⋅ S mit W Schallleistung in W (= N . m/ s), I Schallintensität in W/ m 2 , S geschlossene Fläche um eine Quelle in m 2 , p Schalldruck in N/ m 2 und v Schallschnelle in m/ s. Eine weitverbreitete Methode zur Messung der Schallleistung einer Punktquelle (z. B. eines Elektromotors oder eines Lüfters) ist das Hüllflächenverfahren. Hierbei wird auf einer Hüllfläche um das zu messende Objekt, meist in einem Abstand von 1 m, der Schalldruck p an mehreren Stellen gemessen und gemittelt. Unter Berücksichtigung einiger Korrekturwerte wird hieraus dann die Schallleistung des Senders (der Schallquelle) ermittelt. Zur Beschreibung der Schallemission von Linienschallquellen der Länge l s (z. B. Länge eines Zuges) wird der längenbezogene Schallleistungspegel L W’ verwendet. Es gilt dann für das Nahfeld: L W = L W ′ + 10 ⋅ lg l s 1m Neben der - einfachen - Schalldruckmessung kann die Schallleistung einer Quelle auch über Intensitätsmessungen ermittelt werden [2.15]. Hierzu ist eine spezielle Messsonde erforderlich. In der ÖNORM S 5011: 1994 wird der Schallleistungspegel eines Zuges wie folgt definiert: „Schallleistungspegel zur Kennzeichnung der Schallemission eines Schienenfahrzeuges pro 1m Gleis, angegeben in dB“. Eine andere Definition lautet: „Die Emission aller betrachteten Geräusch‐ quellen eines Zuges (einer Zugeinheit) wird auf die Länge der Strecke bezogen, die der Zug in einer Stunde mit der Bezugsgeschwindigkeit v 0 durchfährt. Sie wird in erster Linie durch den A-bewerteten Schallleistungspegel oder durch die A-bewerteten Oktavpegel angegeben“. 84 2 Physikalische Grundlagen - Anwendungen im Schienenverkehr <?page no="87"?> (2.72) (2.73) Aus einem gemessenen Schalldruckpegel p eff in einem Abstand r zur Schallquelle kann die Schallleistung pro Länge W’’ wie folgt abgeschätzt werden, [2.9] und [2.8] (für einen halben Kreisumfang (halbe Zylinderoberfläche), die Quelle liegt hierbei auf einer reflektierenden Unter‐ lage): W ′ = p eff 2 ρ 0 c 0 πr in (Nm/ s)/ m mit p eff Schalldruck in N/ m 2 (z. B. aus Messungen ermittelt, Effektivwert), ρ 0 Dichte der Luft (bei 20°C = 1,189-kg/ m 3 ), c 0 Schallgeschwindigkeit (bei 20°C = 343-m/ s), r Abstand von der Quelle in m. Der Nenner in Gleichung (2.72) wird auch Schallkennimpedanz Z 0 genannt. Es gilt: Z 0 = ρ 0 c 0 kg m 3 ⋅ ms = N ⋅ s 2 ⋅ m m ⋅ m 3 ⋅ s = p v N ⋅ s m 2 ⋅ m Für Luft ergibt sich mit den o. g. Werten für ρ 0 und c 0 ein Z 0 = 408 Ns/ m 3 . Beispiel für den Pegel der Oktavmittenfrequenz von 1 kHz: Zunächst wird mit Gleichung (2.72) der längenbezogene (oder linienbezogene) Schallleistungspegel L W’ für folgende Eingangsgrößen am Beispiel eines U-Bahnfahrzeuges berechnet: • Schalldruckpegel L pAeq = 72,2 dB(A) bei v = 80 km/ h (Mittelungspegel der Messwerte aus zwei Gleisabschnitten, Bild 2.25), • Abstand r = 7,5-m (Messpunkt a2). Mit den o. g. Werten lässt sich Gleichung (2.72) wie folgt schreiben: W ′A, 80 = 2 • 10 −5 • N m2 • 10 72, 2 dB 20 2 408 Ns m3 • π • 7, 5m = 3, 8 • 10 −4 • Nm sm = 3, 8 • 10 −4 • Wm . Mit Gleichung (2.69) folgt dann L W ′ A, 80 = 10 • lg 3, 8 • 10 −4 • W m 10 −12 W = 85,8 dB(A) . • Umrechnung mit 30·lg(v 0 / v) (30 lg(100/ 80)=2,9 dB) auf die Bezugsgeschwindigkeit v 0 = 100-km/ h folgt ein längenbezogener A-Schallleistungspegel für die 1-kHz Oktave von: L W’A,100, 1000 Hz = 88,7-dB(A). Für die Oktave 1 kHz beträgt die A-Pegelkorrektur 0 dB, daher entspricht der oben berechnete Pegel dem A-Pegel. Die anderen Oktaven sind entsprechend mit den A-Korrekturpegeln (Dämp‐ fungen, Verstärkungen) für die einzelnen Oktaven nach Tabelle 2.6 zu korrigieren. 2.2 Grundlagen der Wellenlehre und Akustik 85 <?page no="88"?> (2.74) Oktave, Hz 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 dB -39,4 -26,2 -16,1 -8,6 -3,2 0,0 1,2 1,0 -1,1 Tabelle 2.6: A-Bewertung für Oktaven In Bild 2.25 sind die so berechneten Schallleistungspegel für das gesamte Spektrum dargestellt. Weiter unten und in Kapitel 6 werden weitere Formeln zur Berechnung der längenbezogenen Schallleistungspegel von Zügen besser zusammengestellt. 20 30 40 50 60 70 80 90 100 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 A Z L W'A / L pAeq , dB(A) Oktavmittenfrequenz f Oktav n , Hz LpA,80 LW'A,80 LW'A,100 Bild 2.25: Schallleistungs- und Schalldruckpegelspektren, gemittelt über die Zeit T M n. VDI 2716 [2.12] am Messpunkt a2, gemessen an einem erneuerten Gleisabschnitt mit v = 80 km/ h (energetische Pegelmittelung mehrerer Vorbeifahrten) Die Schallemission (Schalldruckpegel) einer Linienschallquelle kann mit Gleichung (2.74), Um‐ stellung von Gl. (2.72) nach p eff , abgeschätzt werden. p eff = W ′ ⋅ Z 0 πr N ⋅ m s ⋅ m ⋅ N ⋅ s m 3 m = N m 2 Ein Vergleich der Einheiten zeigt, dass sich die richtige Einheit für den Schalldruck (N/ m 2 ) ergibt. 86 2 Physikalische Grundlagen - Anwendungen im Schienenverkehr <?page no="89"?> (2.75) (2.76) (2.77) (2.78) Aus einer gegebenen längenbezogenen A-Schallleistung kann der Schalldruck in einem Ab‐ stand r (weiter unten wird diese Größe mit d bezeichnet) von der Quelle (Gleismitte) berechnet werden. Aus dem Schalldruck lässt sich der Schalldruckpegel L p wie folgt berechnen: L p = 20 ⋅ lg p eff p 0 = 20 ⋅ lg p eff 2 ⋅ 10 −5 N/ m 2 ; dB Eine weitere Möglichkeit den längenbezogenen A-Schallleistungspegel L W ′A, v 0 aus gemessenen Schalldruckpegeln (Summenpegel oder Oktavpegel) zu berechnen, ergibt sich nach [2.4]: L W ′A, v 0 = T EL v + 10 ⋅ lg 2d d 0 + 30lg v 0 v ; dB mit T EL v = L pAm, V + 10 ⋅ lg T T p ; dB TEL v Vorbeifahrtexpositionspegel (Transit Exposure Level, DIN EN ISO 3095: 2005, [2.11] für die Geschwindigkeit v). Anmerkung: In DIN EN ISO 3095 von 2014 ist dieser Wert nicht mehr enthalten [2.22], siehe jedoch [2.27]. Näherungsweise gilt: T EL v = L pAFmax, v + x wobei x von der Zuglänge abhängt: Lange Züge x ≈ -2 dB, kurze Züge (z. B. Lokomotiven) x ≈ +1 dB). Für im Nahverkehr eingesetzte Fahrzeuge kann näherungsweise mit x = -1-dB gerechnet werden. d Abstand von Gleismitte in m, d 0 Referenzabstand, d 0 = 1-m, v 0 Referenzgeschwindigkeit, v 0 = 100-km/ h, v Fahrgeschwindigkeit in km/ h, L pAm,V Vorbeifahrt-Mittelungspegel in dB(A) (n. VDI 2716, [2.12]), oder entsprechender Mittelungspegel für eine Oktave (= L pAeq,T ), T Mittelungszeit in s (entspricht T M in VDI 2716 oder T rec in DIN EN ISO 3095, Trec beinhaltet hier die Zeiten für Tp und für Bereiche des an- und abschwellenden Signals (10 dB-Kriterium)), T p Vorbeifahrtzeit eines Zuges in s (T p < T rec ). Die Gleichungen (2.76) und (2.77) können zur Berechnung der längenbezogenen Schallleistungs‐ pegel von fahrenden Zügen herangezogen werden. Die so ermittelten Pegel sind Grundlage für die Festlegungen zur Immissionsberechnung nach der neuen „Schall 03“ ([2.16], [2.17]). Als Beispiel wird wiederum die Oktave 1 kHz für ein U-Bahn-Fahrzeug herangezogen. Die in die Gleichungen (2.76) und (2.77) einzusetzenden Werte zeigt Tabelle 2.7. Das Ergebnis ist ein Schallleistungspegel von 87,3-dB(A) bezogen auf v 0 = 100-km/ h. 2.2 Grundlagen der Wellenlehre und Akustik 87 <?page no="90"?> Mit den Gleichungen für einen Halbzylinder [2.26] ergab sich für denselben Schalldruckpegel als Eingangsgröße ein längenbezogener A-Schallleistungspegel von 88,7 dB(A). Die Abweichung von 1,4 dB(A) ist auf unterschiedliche Annahmen für die Schallausbreitung (Abstrahl-Charakte‐ ristik) für einen Zug zurückzuführen. Mit den Gln. (2.75) bis (2.77) wurden die gemessenen Schalldruckpegel an den beiden Messpunk‐ ten a2 und a3 für den DT4 auch in längenbezogene A-Schallleistungspegel je Oktave und für die Summenpegel umgerechnet, das Ergebnis ist in Bild 2.26 dargestellt. Als Bezugsgeschwindigkeit wurde v 0 = 100 km/ h gewählt. Diese Geschwindigkeit wird häufig als Referenzgeschwindigkeit gewählt, es liegen hierfür vergleichende Daten vor (z. B. in [2.4, 2.5, 2.16]). Größe Wert Einheit Bemerkungen d 7,5 m - v 0 100 km/ h - v 80 km/ h Jeweils aktuelle Geschwindigkeit L pAm,V = L pAeq,T 72,2 dB(A) Gemittelt über mehrere Vorbeifahrten, Oktave 1-kHz, s. Bild 2.25 T 3,0 s Mittelungszeit für ein Spektrum T p 2,7 s Hängt ab von der Geschwindigkeit v und der Fahrzeuglänge l Fz (= 60,4 m) Beispielrechnung für den Oktavpegel bei 1-kHz und v 0 = 100-km/ h: L W’A,100 = 72,2-dB(A)+10·lg(3,0-s/ 2,7-s)+10·lg((2·7,5-m)/ (1-m)) + +30·lg((100-km/ h)/ (80-km/ h)) = 87,3-dB(A). Anmerkung: Die in Bild 2.26 dargestellten längenbezogenen A-Schallleistungspegel wurden entsprechend dem Beispiel berechnet, sie sind Mittelwerte aus verschiedenen Geschwindigkeiten und Gleisabschnitten. Tabelle 2.7: Datensatz (Beispiel für ein U-Bahn-Fahrzeug) 30 40 50 60 70 80 90 100 110 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 A Z L W'A,100 in dB(A) Oktavmittenfrequenz f Oktave,n , Hz Fz1-25m Fz1-7,5m Fz2-25m Fz2-7,5m Bild 2.26: Spektren der längenbezogenen A-Schallleistungspegel L W’A,100 für zwei U-Bahn-Fahrzeugtypen, Fz1: ältere Bauart, Fz2: neuere Bauart. Grundlage: Schallmessungen in 25-m und 7,5-m Entfernung von Gleismitte 88 2 Physikalische Grundlagen - Anwendungen im Schienenverkehr <?page no="91"?> Die Ermittlung von L W’A,100 aus den Messergebnissen am Messpunkt a3 liefert - ohne Korrektur - geringfügig niedrigere Pegel als die Messergebnisse am MP a2. In [2.1] wird für die Ermittlung aus den Messergebnissen am MP a3 eine Zusatzdämpfung von ΔL = 2 dB angegeben. Um diesen Pegelwert wurden die Messwerte am MP a3 angehoben (Addition von 2 dB der aus den Messergebnissen am MP a3 ermittelten Schalldruckpegel), es ergeben sich damit nahezu identische Werte für L W’A,100 aus den Ergebnissen beider Messpunkte. Für den Nahverkehr wäre eine Referenzgeschwindigkeit von v 0 = 60 km/ h eher passend. Diese beschreibt näherungsweise die mittlere maximale Geschwindigkeit von Nahverkehrsfahrzeugen. Eine Umrechnung in andere Geschwindigkeiten - höhere und niedrigere - ist in diesem Fall mit einer höheren Genauigkeit möglich als mit der Referenzgeschwindigkeit v 0 = 100-km/ h nach der alten und neuen Berechnungsvorschrift „Schall 03“, [2.16], [2.17]. Die entsprechenden Werte für v 0 = 60-km/ h liegen um 6,7-dB niedriger (ΔL p = 30 . lg(100-km/ h/ 60-km/ h) = 6,7-dB). Fahrzeugart Fz1 U-Bahnen allg. Stadtbahn Straßenbahn Empfohlener Grenzwert [2.4] L W’A,100 , dB(A) 91 91 - 97 98 - 102 99 - 101 93 Tabelle 2.8: Längenbezogene Schallleistungspegel verschiedener Fahrzeugarten für den Nahverkehr ([2.1], [2.13]) Zur groben Abschätzung der längenbezogenen A-Schallleistungspegel L W’A,60 und L W’A,100 aus den Messwerten L pAFmax am Messpunkt a2 bei v = 60-km/ h kann Bild 2.27 herangezogen werden. 60 70 80 90 100 110 50 55 60 65 70 75 80 85 90 L W'A,60 ; L W'A,100 , dB(A) L pAFmax,60 , dB(A) LW'A,100 LW'A,60 Bild 2.27: Näherungsweiser Zusammenhang zwischen dem längenbezogenen A-Schallleistungspegel L W’A,60 sowie L W’A,100 und dem L pAFmax -Pegel für v = 60-km/ h am Messpunkt a2 2.3 Ausbreitung von Erschütterungen und Luftschall Für den Immissionsschutz an Schienenwegen sind die beiden Immissionen, Erschütterungen und Luftschall, von zentraler Bedeutung. Das Ausbreitungsverhalten hängt stark von der Quellenart ab, es wird unterschieden nach: • Punktquelle (einzelnes Aggregat, Herzstück einer Weiche, Lautsprecher auf einer Haltestelle usw.), 2.3 Ausbreitung von Erschütterungen und Luftschall 89 <?page no="92"?> (2.79) • Linienquelle (Zugvorbeifahrt, ab einem bestimmten Abstand zum Gleis) und • Flächenquelle (Rangierbahnhof, Betriebshof). In Gleisnähe werden die einzelnen Räder als Punktquellen wahrgenommen. Grundsätzlich gilt für Erschütterungen und Luftschall, dass ihre Amplituden in der Regel mit der Entfernung von der Quelle abnehmen. Sowohl die Energie der Erschütterungen als auch die des Luftschalls verteilt sich mit der Entfernung auf eine immer größere Fläche. Hierdurch verringert sich die Energie pro Flächeneinheit, Bild 2.28. r r r 2 0 1 s 0 s 1 s 2 U 2 U 1 Linienquelle Punktquelle Bild 2.28: Ausbreitung einer Punktquelle (rechts) und einer Linienquelle (links) Bei der Schwingungsausbreitung im Boden wird grundsätzlich unterschieden zwischen: • Geometrischer „Ausbreitungsdämpfung“ und • Materialdämpfung. Bei der Materialdämpfung handelt es um sich um eine Energiedissipation (= Übergang in Wärme), die ursächlich auf Reibungsverluste infolge der Phasenverschiebung zwischen benachbarten Teilchen im Boden zurückzuführen ist und sich proportional zur Schwinggeschwindigkeit verhält. Sie ist abhängig von der Frequenz und von der Wellengeschwindigkeit und somit von der Bodenart [2.20, 2.21]. Die Dämpfung im Boden sorgt dafür, dass das System Tunnel/ Boden/ Gebäude weitgehend rückkopplungsfrei ist. Nur bei direkter Kopplung eines Gebäudes an den Tunnel können Rückkopplungseffekte zum Tragen kommen. Nähere Ausführungen zu diesem Thema siehe Kap. 5 (Luftschall) und Kap. 11 (Erschütterungen). In [2.23] ist folgende Gleichung zur Schallausbreitung an Schienenwegen des Nahverkehrs enthalten: L pAFmax, s1 − L pAFmax, s2 = 10lg 2arctan l 2s 1 − 10lg 2arctan l 2s 2 − 10lg s 1 s 2 ; dB(A) mit L pAFmax, s1 − L pAFmax, s2 Maximalpegel (AF-bewertet) bei Vorbeifahrt im Abstand s 1 bzw. s 2 in dB(A) s 1 , s 2 Abstand von Gleismitte, in m l Länge des Zuges, in m 90 2 Physikalische Grundlagen - Anwendungen im Schienenverkehr <?page no="93"?> Wird in Gl. (2.79) der empfohlene Pegelhöchstwert der VDV-Schrift 154 (2012) eingesetzt (L pAFmax = L pAeq,Tp +1 dB = 79 dB(A) für die klassische Straßenbahn am Messpunkt a2 für v = 60 km/ h) dann ergibt sich für unterschiedliche Abstände s vom Gleis und für unterschiedliche Fahrzeuglängen l der in Bild 2.29 dargestellte Zusammenhang. 60 65 70 75 80 85 0 10 20 30 40 50 60 L pAFmax,s1 - L pAFmax,s2 ; dB(A) s1, m l=40m l=60m l=80m l=100m l=120m MP 25m MP 7,5m 7,8dB(A) 6,1dB(A) Bild 2.29: Schallausbreitung mit zunehmendem Abstand s 1 vom Gleis für verschiedene Fahrzeuglängen l (l = 40 m bis 120-m) Mit Gl. (2.79) ergibt sich, in Abhängigkeit von der Fahrzeuglänge, eine Pegeldifferenz von 6,1 dB(A) bis 7,8 dB(A) zwischen den beiden Messpunkten a2 und a3. Dies stimmt sehr gut mit Messwerten überein, s.a. [2.1]. Bild 2.29 zeigt auch, dass die Pegelabnahme mit der Entfernung bei kurzen Fahrzeugen (näherungsweise Punktquellen) deutlich stärker ist als bei langen Fahrzeugen (näherungsweise Linienquellen). 2.4 Literatur zu Kapitel 2 [2.1] Akustik 03: Richtlinie zur Berechnung der Schallimmissionen von Schienenwegen - Schall 03, Ausgabe 1990 [2.2] Onnich, H.: Vergleich der Schallabstrahlung von Zügen auf Schotteroberbau mit Holzschwellen und Schotteroberbau mit Betonschwellen. Zeitschrift für Lärmbekämpfung 44 (1997), S. 72-75 [2.3] Onnich, H.: Fortschreibung von Schall 03 und Akustik 04. 13. Konferenz Verkehrslärm, Dresden 2004 2.4 Literatur zu Kapitel 2 91 <?page no="94"?> [2.4] Kurze, U./ Diehl, R./ Weißenberger, W. u. J. Schneider: Ermittlung und Fortentwicklung des Lärmminderungspotentials beim Schienenverkehr und seine Umsetzung in Geräuschvorschriften und Minderung der Lärmemission von Güterwagen durch Optimierung lärmrelevanter Komponenten (insbesondere der Bremssysteme). UBA-Vorhaben 105 05 806/ 7 (März 1999) [2.5] Krüger, F.: Emissionskennwerte für Regionalverbrennungstriebwagen. DAGA ’03 in Aachen [2.6] Krüger, F.: Messung von Schallintensitäten an Dieseltriebwagen und Ermittlung der Schallleistung; ZEV + DET Glas. Ann. 122 (1998) Nr. 2 Februar [2.7] Krüger, F. und G. Witte: Geräuschentwicklung bei der Hamburger U-Bahn - „Weitergehende“ Schallminderungen gemäß Verkehrslärmschutzverordnung. DER NAHVERKEHR 5/ 2001, S. 20 ff [2.8] Schmidt, H.: Schalltechnisches Taschenbuch. VDI Verlag, 5. Auflage 1996 [2.9] Lord, H./ Gatley, W.S. und H. A. Evenson: NOISE CONTROL FOR ENGINEERS. McGree-Hill, Inc. (1980) (Reprint by Rainbow-Bridge Book Co., Taiwan) [2.10] Krüger, F. u. a.: Sekundärschall - Prognose und Bewertung. VDI-Berichte 1941; Baudynamik 2006, Kassel. - Siehe auch „Praxisgerechtes Prognoseverfahren für Schienenverkehrserschütterungen - Erschütterungsprognose. BMBF-Forschung Förderungskennzeichen: 19 U 00 39A Empfehlungen zur Erstellung von Prognosen von Sekundärschallimmissionen in Gebäuden an unterirdisch und oberirdisch geführten Schienenwegen (2006)“ [2.11] DIN EN ISO 3095: 2005; Bahnanwendungen - Akustik - Messung der Geräuschemission von spurgebundenen Fahrzeugen [2.12] Richtlinie VDI 2716: Luft- und Körperschall bei Schienenbahnen des öffentlichen Personennahverkehrs (März 2001). Diese Richtlinie wurde zurückgezogen, sie ist aber noch verfügbar. [2.13] Krüger, F. u. G. Witte: Unterschiede im akustischen Verhalten von Schwellenarten. DER NAHVERKEHR 5/ 2005, S. 34-43 [2.14] Nolle, A. und H. J. Giesler: Geräuschemissionen von Schienenfahrzeugen - Prognoseverfahren. DAGA-Tagung in Wien (1990) [2.15] Krüger, F. u. a.: Ermittlung von Grundlagen und messtechnische Untersuchungen zur schall- und schwingungstechnischen Optimierung von Schienenfahrzeugen für den Regionalverkehr. Band II - Messtechnische Analyse. Dezember 1996. STUVA Forschungsbericht, BMBF-Förderungskennzeichen: 19 N 9364 6. [2.16] Verordnung zur Änderung der Sechzehnten Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (Verkehrslärmschutzverordnung, - 16. BImSchV), Anlage 2, 2014 [2.17] Lärmschutz im Schienenverkehr - Alles über Schallpegel, innovative Technik und Lärmschutz an der Quelle. Hrsg.: Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur, 4. Auflage 2016 [2.18] Normenreihe DIN 1311 - Schwingungen und schwingungsfähige Systeme [2.19] DIN 1320 - Akustik, Begriffe [2.20] Krüger, F./ Groß, K. und G. Volberg: Schwingungsmessungen in der Umgebung innerstädtischer Bahn- und Straßentunnel. STUVA-Forschungsbericht, Band 14/ 81 (1981) [2.21] Müller, G. und M. Möser (Hrsg.): Taschenbuch der technischen Akustik. Springer Verlag (2004) [2.22] DIN EN ISO 3095: 2014-07; Bahnanwendungen - Akustik - Messung der Geräuschemission von spurgebundenen Fahrzeugen 92 2 Physikalische Grundlagen - Anwendungen im Schienenverkehr <?page no="95"?> [2.23] Richtlinie VDI 2716: Geräuschsituation bei Schienenbahnen. Juli 1975 (wurde ersetzt durch [2.12]). [2.24] Heckl, M./ Müller, H. A.: Taschenbuch der Technischen Akustik; Springer Verlag, 3. Auflage 2003 [2.25] Heckl, M. u. L. Cremer: Körperschall - Physikalische Grundlagen und technische Anwendungen; 2. Auflage, Springer Verlag [2.26] Cremer, L./ Möser, M.: Technische Akustik. 5. Auflage 2002, Springer-Verlag [2.27] Entwurf DIN 38452 Langzeitmessung von Schienenverkehrsgeräuschen - Teil 1: Emissionen (2018) 2.4 Literatur zu Kapitel 2 93 <?page no="96"?> 3 Schall- und Schwingungspegel, Umgang mit Pegelwerten F. Krüger 3.1 Einführung In der Schall- und Schwingungstechnik ist der Umgang mit Pegelwerten in „deziBel“ (dB) eine unabdingbare Voraussetzung. Begriffe wie Schalldruckpegel, Schallleistungspegel, Körperschall‐ pegel usw. sind quasi „Grundeinheiten“, die in der Schalltechnik ausschließlich und in der Schwingungstechnik häufig verwendet werden. Bei einer Beschäftigung mit diesem Thema ist daher die Kenntnis dieses Maßes und sein richtiger Gebrauch unumgänglich. In diesem Kapitel wird hierauf eingegangen und anhand von einigen Beispielen der Umgang hiermit erläutert. Das dB-Maß wurde ursprünglich als Vergleichsmaß für gleichartige Größen eingeführt. In Verbindung mit einem vereinbarten festen Bezugswert eignet es sich aber auch vorzüglich als absolutes Pegelmaß zur Beschreibung variabler Größen über viele Zehnerpotenzen. Gerade diese Anwendung macht die Schreibweise in dB für Schall- und Schwingungsgrößen besonders attraktiv. Unabhängig von der absoluten Pegelgröße beschreibt jede Änderung des Pegels dieselbe relative Änderung. z. B. ist eine Änderung von 42,6 dB auf 43,8 dB genau so viel wie eine Änderung von 93,2 dB auf 94,4 dB, in beiden Fällen beträgt die Pegeldifferenz 1,2 dB. Vom menschlichen Ohr können Schall-Pegeländerungen von ca. 1 dB gerade noch, Änderungen von 3 dB deutlich wahrgenommen werden. 10 dB werden als eine Verdopplung oder Halbierung des Schalldruckpegels empfunden. Das deziBel (dB) = 0,1 Bel ist eine dimensionslose Einheit. Bei absoluten Pegeln ist der Bezugswert - sofern nicht als bekannt vorauszusetzen - stets mit anzugeben, z. B. für den Schalldruckpegel in der Form „dB re-20 μPa“ oder „dB bezogen auf 20-μPa“ (= 2 . 10 -5 -N/ m 2 ). Tabelle 3.1 zeigt in der Praxis auftretende Schalldruckpegel für verschiedene Geräuschquellen in linearer und logarithmischer Größe. Der Schalldruck umfasst hierbei einen Bereich von acht Zehnerpotenzen. Zum Vergleich sind in Tabelle 3.2 einige beim Schienenverkehr auftretende Schalldruckpegel zusammengefasst. Beim Schienenverkehr besteht eine große Abhängigkeit der auftretenden Schalldruckpegel von der Zuggeschwindigkeit und anderen Parametern (s. folgende Kapitel). Wesentlich für die Größe des Schalldruckpegels an einem Ort sind die Entfernung von der Quelle und die Ausbreitungsbedingungen (z. B. Mitwind oder Übertragung über eine Wasserfläche (z. B. Schienenverkehr im Rheintal) sowie die Art der Quelle (siehe Kapitel 2). Geräuschquelle Schalldruck, μPa Schalldruckpegel, dB von bis von bis Hörgrenze 20 - 0 - Schlafzimmer, Wald 100 1000 10 30 Bibliothek ca. 1000 - ca. 30 - Unterhaltung 1000 10000 40 60 <?page no="97"?> (3.1a) Büro, Schreibmaschinen, PC 10.000 100.000 60 80 Straßenverkehr 100.000 1.000.000 80 100 Pop-Gruppe, Presslufthammer 1.000.000 - 90 110 Düsentriebwerk (25-m Entfernung) oder Start von Düsenflugzeugen (100-m Entfernung), Schmerzgrenze -- 10.000.000 -- 100.000.000 -- 120 -- 140 Tabelle 3.1: Schalldrücke p / Schalldruckpegel L p für verschiedene Schallquellen, Beispiele Emission, Immission Schalldruckpegel, dB(A) Bemerkung von bis Abstand Höhe über SO Vorbeifahrender Zug* 60 100 25-m 3,5-m Kurvenquietschen* 60 110 7,5-m 1,2-m Signalhorn 90 120 2,5-m 0,6-m In Zügen* 55 90 Je nach Zugart und Messort (z. B. Sitzplatz, Gang, Übergang, Türbereich usw.) Sekundärschall in Gebäuden* 25 60 Je nach Quelle, Abstand, Gebäudeart, Raumart usw. *Hierauf wird in den weiteren Kap. näher eingegangen Tabelle 3.2: Beispiele für A-bewertete Schalldruckpegel L pA beim Schienenverkehr 3.2 Schallpegelmaße Bei der Definition von Pegelmaßen ist zu unterscheiden, ob es sich um „lineare“ Schallfeldgrößen, wie Druck p oder Schnelle v, handelt - oder um deren Produkte, deren Quadrate oder daraus abgeleitete „quadratische“ oder „energetische“ Größen, also Intensität, Leistung oder Energie. Damit Änderungen der Schallstärke zu gleichen Pegeländerungen in dB sowohl bei den „linearen“ als auch bei den „quadratischen“ Schallgrößen führen, erfolgten international folgende Festlegungen: a) Lineare Größen z. B. wird der Schalldruckpegel L p wie folgt definiert: L p = 20 ⋅ lg p p 0 = 10 ⋅ lg p p 0 2 ; dB mit dem Bezugswert p o = 20-μPa (= 2⋅10 -5 -N/ m 2 ). 3.2 Schallpegelmaße 95 <?page no="98"?> (3.1b) (3.2a) (3.2b) (3.3a) (3.3b) (3.3c) Die Umkehrung von Gleichung (3.1a) lautet: p = p 0 ⋅ 10 L p / 20 in μPa (oder N/ m²) b) Quadratische Größen Für die Schallleistung W gilt folgende Beziehung: L W = 10 ⋅ lg W W 0 dB mit dem Bezugswert W o = 1 pW (= 10 -6 -W). Die Umkehrung von Gleichung (3.2a) lautet: W = W 0 ⋅ 10 LW 10 Da die Schallleistung W proportional zum Schalldruck p 2 ist, entspricht z. B. eine Verdoppelung von p einer Vervierfachung von W, so dass gemäß den Gleichungen (3.1) und (3.2) L p und L W um den gleichen Betrag zunehmen, nämlich um L p = 10⋅lg(2 2 ) und L W = 10⋅lg(4) = 6-dB. Nach demselben Muster wurden weiterhin die folgenden Pegel festgelegt: Schallschnellepegel oder Schwinggeschwindigkeitspegel L v : L v = 10 ⋅ lg v v 0 2 = 20 ⋅ lg v v 0 in dB mit v 0 = 5 ⋅ 10 −8 m/ s Für v 0 werden international auch andere Bezugswerte verwendet, z. B. v 0 = 10 -9 m/ s. Da die Größe des Schwinggeschwindigkeitspegels L v von dem gewählten Bezugswert v 0 abhängt, ergeben unterschiedliche Bezugswerte auch unterschiedliche Pegelwerte. Beim Vergleich von Pegelwerten ist hierauf zu achten. Schallintensitätspegel L I = 10 ⋅ lg I I 0 in dB mit I 0 = 1pW/ m 2 Schallenergiepegel L E = 10 ⋅ lg E E 0 in dB mit E 0 = 1pJ Die Bezugswerte sind jeweils so gewählt, dass in einer sich frei ausbreitenden Schallwelle die Pegelwerte des Drucks, der Schnelle und der Intensität nahezu übereinstimmen und 0 dB etwa der Hörschwelle bei 1 kHz entspricht. Die abkürzende Bezeichnung „Schallpegel“ ist gewöhnlich als Schalldruckpegel zu verstehen. Der Schalldruck p in Gleichung (3.1) stellt - wenn nicht anders angegeben (z. B. Spitzen- oder Maximalwert) - in der Regel den Effektivwert (Quadratwurzel) oder (engl. rms „Root Mean Square“) dar. Diese Aussage gilt generell für alle Pegelwertangaben. 96 3 Schall- und Schwingungspegel, Umgang mit Pegelwerten <?page no="99"?> (3.4a) (3.4b) (3.5) (3.6) (3.7) 3.3 Mittelungspegel In DIN 45 641 sind Angaben zur Mittelung von Schallpegeln enthalten. In Abhängigkeit von der gewählten Mittelungsart oder Zeitbewertung werden verschiedene Varianten der Pegelmittelung eingesetzt. 1. Gleitender Effektivwert L τ (t) = 20 ⋅ lg p ef f , τ (t) p 0 in dB. Gleichung (3.4a) gilt speziell für: L F (t) und L S (t) mit τ = 0,125 s (= Fast „F“) bzw. τ = 1 s (= Slow “S”). mit p eff, τ gleitend (exponentiell zeitbewertet) mit der Zeitkonstante τ gemittelter Effektivwert. p ef f , τ = 1 τ 0 t p 2 t − ξ ⋅ exp − ξ τ dξ 2. (Energie-)Äquivalenter Dauerschalldruckpegel (Mittelungspegel L m ) Bei einer Feldgröße, z. B. Schalldruck p, Schallschnelle v usw. (für p und v steht x in folgender Gleichung): L eq = 10 ⋅ lg 1 T ∫ 0 T x t) 2 x 02 dB Bei einer Energiegröße, z. B. Intensität I oder Schallleistung W usw. (für I und W steht y in folgender Gleichung): L eq = 10 ⋅ lg 1 T ∫ 0 T y(t) y 0 dB Für L(t) =L x (t) oder L(t) = L y (t) gilt: L eq = 10 ⋅ lg 1 T 0 T 10 0, 1 ⋅ L t dB dt Für den Momentanpegel mit den Zeitbewertungen Fast F und Slow S gilt bei hinreichend langer Mittelungsdauer T (T >> τ): L Feq = L Seq = L eq . Bei der Zeitbewertung „I“ (Impuls) sowie beim Taktmaximalpegel (meist mit der Zeitbewertung F) ergeben sich bei zeitlich schwankenden Geräuschen höhere Mittelungspegel: L Ieq ≥ L eq und L FTeq ≥ L eq . Anmerkung: Bei Verkehrsgeräuschen wird sowohl der äquivalente Dauerschalldruckpegel L eq als auch der Mittelungspegel L m verwendet. Im Folgenden werden beide Formelzeichen verwendet. 3.3 Mittelungspegel 97 <?page no="100"?> (3.8) Der Mittelungspegel L m von einzelnen Schallpegelwerten L i (i = 1.....n) wird wie folgt gebildet: L m = 10 ⋅ lg 1 n ∑ i = 1 n 10 0, 1 ⋅ L i ; dB Sind die Pegelunterschiede sehr gering (näherungsweise < ± 2 dB), dann führt eine arithmetische Mittelwertbildung nahezu zu demselben Ergebnis. Bei größeren Pegelschwankungen ist jedoch auf Gl. (3.8) zurückzugreifen. Weitere Definitionen von Pegeln und pegelverwandten Maßen in dB folgen in Abschnitt 3.5. 3.4 Addition, Mittelung und Subtraktion von Pegeln Das Rechnen mit Pegelwerten - hier mit Luft- und Körperschallpegeln - erfolgt grundsätzlich über zugeordnete Intensitäten, Leistungen oder Energien. Je nach Aufgabenstellung werden folgende Operationen unterschieden, die mathematisch sehr ähnlich zu behandeln sind: • energetische Pegeladdition, • energetische Pegelmittelung, • energetische Pegelsubtraktion. In diesem Zusammenhang bedeutet „energetisch“ = energieäquivalent, d. h. gleichwertig bezüg‐ lich der gesamten Energie, Leistung oder Intensität. Ein additives Verhalten dieser Größen wird vorausgesetzt. 3.4.1 Pegeladdition und Pegelmittelung Die energetische Addition und Mittelung von Schallpegelwerten hat vier Hauptanwendungen, 1. Addition über mehrere Schallquellen, die gleichzeitig einen Messpunkt beschallen können (z. B. zwei Räder eines Drehgestells, eines Fahrzeugs), 2. Addition über den Raum a. auf einer Hüllfläche, um die Schallleistung (Emissionskennwert) von Geräuschquellen zu bestimmen, b. auf einer Bahnkurve oder über regellos verteilte Messpunkte, um den mittleren Schallpegel im Raum zu bestimmen. 3. Addition über die Zeit a. um den Mittelungs- oder Beurteilungspegel zu bestimmen, b. um die Schallexpositionspegel über definierte Zeitintervalle oder Einzelereignisse zu bestimmen und aufzusummieren, 4. Addition über die Frequenz a. Umrechnung von kleinerer Bandbreite (z. B. Terz) auf größere Bandbreite (z. B. Oktave). Auf diese Weise können auch Terz- oder Oktavspektren aus Schmalbandspektren berechnet werden. b. Ermittlung des Gesamtschallpegels eines Frequenzspektrums (linearer und frequenz‐ bewerteter, z. B. A-Bewertung, Gesamtschallpegel oder auch Summenpegel). Werden an einem räumlich, zeitlich und spektral verteilten Signal mehrere derartige Operationen nacheinander ausgeführt, so ist das Ergebnis von der Reihenfolge grundsätzlich unabhängig. 98 3 Schall- und Schwingungspegel, Umgang mit Pegelwerten <?page no="101"?> (3.9) (3.10a) (3.10b) Der Rechengang für die eigentliche Pegeladdition ist in allen Fällen der gleiche: Die Schallpe‐ gelwerte werden in zugeordnete relative Leistungen (oder Intensitäten oder Energien) überführt, diese werden aufsummiert und die Summe in einen Pegelwert rückgeführt. Dabei ist es unerheb‐ lich, ob es sich bei den Pegelwerten um Luft- oder Körperschall handelt (Schalldruck, Schnelle, Schallleistung oder Schallintensität usw.). Voraussetzung für diese Operationen ist jedoch, dass die Bezugswerte jeweils übereinstimmen. Ist anstelle des Summenwertes der Mittelwert zu bestimmen, dann ist die aufsummierte Leistung noch durch die Anzahl der Summanden (Mess- oder Rechenwerte) zu dividieren. Die zu addierenden Pegel (in dB) werden mit L 1 , L 2 usw. bis L n bezeichnet. Aus diesen n-Einzelpegeln wird der Summen- und der Mittelungspegel wie folgt berechnet: Summenpegel: L Σ = 10 ⋅ lg 10 0, 1L 1 + 10 0, 1L 2 + . . . 10 0, 1L n ; dB Mittelungspegel: L m = 10 ⋅ lg 1 n 10 0, 1L 1 + 10 0, 1L 2 + . . . 10 0, 1L n ; dB oder L m = L Σ − 10 ⋅ lg(n); dB Beispiel 1: Pegeladdition ohne und mit A-Bewertung: Gegeben sind Terzpegel (z. B. aus einer Messung des Sekundärschallpegels in einem Gebäude aufgrund einer U-Bahn-Vorbeifahrt in einem Tunnel). Aus diesen Pegelwerten sind folgende Pegelwerte zu ermitteln: • Summenpegel (leistungsmäßige Summe = Effektivwert), • Oktavpegel (= Summenpegel aus drei Terzpegeln), • A-bewerteter Summenpegel. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3.3 zusammengefasst. Die einzelnen Summenpegel sind nach Gl. (3.9) zu berechnen. Die Oktavpegel sind dabei jeweils die Summenpegel aus den drei zugehörigen Terzpegeln. Der in Tabelle 3.3 aus den (unbewerteten) Terzpegeln berechnete A-Pegel kann sich von dem direkt gemessenen A-Schallpegel etwas unterscheiden (bis etwa 2-dB). Dies gilt z. B. dann, wenn Einzeltöne am Rande eines Terzbandes pegelbestimmend sind, da die rechnerische Bewertung nur für die Bandmitten korrekt ist. Die Rechnung kann aber sehr nützlich sein, um vorherzusagen, wie sich z. B. eine Minderung in den Terzen 50 Hz, 63 Hz und 80 Hz um 9 dB, 5 dB und 2 dB auf den A-Gesamtpegel auswirkt. Der Oktavpegel für 63 Hz beträgt 80,6 dB, er ist der Summenpegel der drei Terzpegel 76-dB, 78-dB und 71-dB, Gl. (3.9). Das Beispiel ergibt eine Minderung um 2,9 dB(A) von 55, 3 dB(A) auf 52,4 dB(A), siehe Spalte 8 in Tabelle 3.3. Diese Aufgabe stellt sich u. a. bei Prognoseberechnungen oder wenn aus einem nur als Terzspektrum vorliegenden Geräusch der A-Pegel abgeschätzt werden soll. 3.4 Addition, Mittelung und Subtraktion von Pegeln 99 <?page no="102"?> f mTerz in Hz f mOktave in Hz Terzpegel, dB Oktavpegel, dB Bewer‐ tung A-Filter Terzen, dB Terzpegel A-bewertet, dB(A) Minderung, dB Korr-Terzpegel, A-bewertet, dB(A) 1 2 3 4 5 6 7 8 12,5 - 39 - -63,4 -24,4 - -24,4 16 16 47 58,4 -56,7 -9,7 - -9,7 20 - 58 - -50,5 7,5 - 7,5 25 - 52 - -44,7 7,3 - 7,3 31,5 31,5 68 72,2 -39,4 28,6 - 28,6 40 - 70 - -34,6 35,4 - 35,4 50 - 76 - -30,2 45,8 9 36,8 63 63 78 80,6 -26,2 51,8 5 46,8 80 - 71 - -22,5 48,5 2 46,5 100 - 64 - -19,1 44,9 - 44,9 125 125 61 65,9 -16,1 44,9 - 44,9 160 - 52 - -13,4 38,6 - 38,6 200 - 43 - -10,9 32,1 - 32,1 250 250 35 43,8 -8,6 26,4 - 26,4 315 - 29 - -6,6 22,4 - 22,4 Summenpegel: 81,4 81,4 - 55,3 - 52,4 Tabelle 3.3: Beispiel für eine Pegeladdition nach Gl. (3.9) (unbewertet und A-bewertet), Spalte 8: Pegelminderung in den Terzen 50-Hz, 63-Hz und 80-Hz Beispiel 2: Pegelmittelung Gegeben sind folgende 6 einzelne Schalldruckpegelwerte L pA,n an verschiedenen Messpunkten in einem Schienenfahrzeug (oder an einem Messpunkt neben einer Strecke). L pA,n = (70, 73, 69, 72, 74, 71) dB(A); n = 6. Gesucht wird der mittlere Schallpegel L pAm im Fahrzeug (oder an dem Messpunkt neben der Strecke). Mit Gl. (3.10) ergibt sich ein Mittelungspegel von L pAm = 71,8-dB(A). Beispiel 3: Pegelmittelung für unterschiedliche Zugarten Die Hochrechnung von stichprobenartigen erhobenen Messergebnissen auf eine Tagesbelastung einer Strecke mit unterschiedlich Zugarten ist in DIN 45642 beschrieben. Gegeben sind z. B. Messwerte an einer Strecke in 25 m Abstand von Gleismitte über drei Stunden (Schallmessungen von Fahrten auf einem Gleis). Während dieser Zeit fahren auf der Strecke 3 verschiedene Zugarten oder Zugtypen. Die Strecke ist ganztägig in Betrieb. Gesucht wird der 100 3 Schall- und Schwingungspegel, Umgang mit Pegelwerten <?page no="103"?> (3.11) (3.12) (3.13) Emissionspegel k m,E je Zugart (bezogen auf eine Stunde). Nach DIN 45642 gilt hierfür folgende Vorgehensweise: Schritt 1: Berechnung der Einzelereignispegel L To eines Gleises aus den gemessenen Mittelung‐ spegeln L pAeq und der Messdauer T M L T 0 = L pAeq + 10 ⋅ lg T M T 0 ; dB mit: L T 0 Einzelereignispegel L pAeq Mittelungspegel je Zugvorbeifahrt T M Messdauer während einer Vorbeifahrt (Zeitdauer t 2 - t 1 zur Ermittlung von L pAeq , s. Kap. 5) T 0 Bezugsdauer = 1-h (3.600-sec). Schritt 2: Energetische Mittelung der nach Gl. (3.11) berechneten Einzelereignispegel jeder Zugart k L T 0 , k = 10 ⋅ lg 1 n ∑ i = 1 n 10 0, 1 ⋅ L T0, k, i ; dB mit: L T 0, k mittlerer Einzelereignispegel der Zugart k L T 0, k, i Einzelereignispegel L T 0 des i-ten Zuges der Zugart k i = 1, 2, 3, ......, n - n die Anzahl der gemessenen Züge der Zugart k k = 1, 2, 3, ......, N N Anzahl der Zugarten k (hier liegen 3 Zugarten k 1 bis k 3 vor; N = 3). Diese Berechnung ist für jedes Gleis getrennt auszuführen. Schritt 3: Berücksichtigung der Verkehrsstärken jeder Zugart (oder Zuggattung) L m, E, k = L T 0 , k + 10 ⋅ lg M k ; dB mit: L m,E,k verkehrsstärkebezogener Emissionspegel der Zugart k L T 0, k mittlere Einzelereignispegel der Zugart k, Gl. (3.12) M k Verkehrsstärke der Zugart k, in Anzahl der Züge k je Stunde (= Gesamtfahrten pro Gleis und Tag bzw. Nacht geteilt durch 16-Stunden (Tag) bzw. 8-Sunden (Nacht)). 3.4 Addition, Mittelung und Subtraktion von Pegeln 101 <?page no="104"?> In Tabelle 3.4 sind beispielhaft Ergebnisse nach dem oben beschriebenen Muster zusammenge‐ stellt. L Am (= L pAeq ) in dB(A) Zugart k T M in s L T0 in dB(A) Zugart k 1 2 3 4 5 6 7 76,4 - - 3,5 46,3 - - - 82,7 - 20,6 - 60,3 - - - 74,2 5,3 - - 45,9 73,5 - - 4,5 44,5 - - - - 76,3 4,2 - - 47,0 74,6 - - 3,9 44,9 - - 77,1 - - 3,1 46,5 - - - 83,3 - 16,9 - 60,0 - - - 74,8 6,2 - - 47,2 73,9 - - 2,7 42,7 - - - - 73,7 5,9 - - 45,8 72,9 - - 4,5 43,9 - - 73,5 - - 4,1 44,1 - - - 86,8 - 19,4 - 64,1 - - - 73,1 6,2 - - 45,5 74,8 - - 4,1 45,4 - - - - 75,8 4,8 - - 47,0 76,9 - - 3,3 46,5 - - L T0,k = 45,1 61,9 46,4 M k = 3,0 1,0 2,0 L m,E,k = 49,9 61,9 49,5 Tabelle 3.4: Beispiel für Messergebnisse an einer Bahnstrecke mit unterschiedlichen Zugarten, Messung in 25-m Abstand von einem Gleis, sowie Berechnung der Einzelereignispegel und des verkehrsstärkebezogenen Emissionspegels je Zugart k (nach DIN 45642) Beispiel 4: Pegelmittelung aus Häufigkeiten Gegeben sind die in Tabelle 3.5 zusammengefassten k pAFmax -Pegel je Pegelklasse (z. B. Ergebnisse einer Messung mit einem Schallpegelmesser in Stellung MAXHOLD an einem Streckenabschnitt 102 3 Schall- und Schwingungspegel, Umgang mit Pegelwerten <?page no="105"?> mit einem engen Gleisbogen). Gesucht sind der Summenpegel k pA∑ und der Mittelungspegel k pAmax,m . Die Aufgabe wird betrachtet als eine Mittelung von 101 einzelnen Schallereignissen mit Pegeln in der jeweiligen Klassenmitte. Mit einer der beiden Gleichungen (3.10a) oder (3.10b) kann die Aufgabe gelöst werden. Das Ergebnis ist unten in Tabelle 3.5 enthalten. Spalte a zeigt die Anzahl der Pegelwerte, die in der jeweiligen Pegelklasse (Spalte b) gemessen worden sind. Spalte c zeigt den Pegel in Klassenmitte (arithmetischer Mittelwert) und Spalte d den Rechenvorgang und die entsprechenden Ergebnisse. Anzahl n der Messwerte Pegelklasse Klassenmitte Endlogarithmieren Zeile Einheit dB(A) dB(A) dB(A) - a b c d e 4 60,1 - 65 62,55 = a1·10^(0,1·c1) 1 8 65,1 - 70 67,55 = a2·10^(0,1·c2) 2 30 70,1 - 75 72,55 = a3·10^(0,1·c3) 3 22 75,1 - 80 77,55 = a4·10^(0,1·c4) 4 4 80,1 - 85 82,55 = a5·10^(0,1·c5) 5 6 85,1 - 90 87,55 = a6·10^(0,1·c6) 6 19 90,1 - 95 92,55 = a7·10^(0,1·c7) 7 8 95,1 - 100 97,55 = a8·10^(0,1·c8) 8 n ges = 101 - - - 9 Summe (d1-d8)= - - 85.663.289.247 10 Summenpegel L pA ∑ n. Gl. (3.9) =10·lg(d10) 109,3 11 - - - - 12 Mittelwert (d1-d8)= - - = d10/ 101 13 Mittelungspegel n. Gl. (3.10a) =10·lg(d13) 89,3 14 Tabelle 3.5: Beispiel einer Pegelmittelung aus vorliegenden Häufigkeiten je Pegelklasse Beispiel 5: Pegelmittelung (unterschiedliche Beurteilungszeiten und mit Pegelzuschlägen) Gegeben seien die Mittelungspegel und Tonzuschläge (subjektiv nach Auffälligkeit) für die Teilzeiten: Morgen (06 - 07 Uhr): L pAm = 46-dB(A); Tonzuschlag = 6-dB(A) Tag (07 - 20 Uhr): L pAm = 57-dB(A); Tonzuschlag = 0-dB(A) Abend (20 - 22 Uhr): L pAm = 51-dB(A); Tonzuschlag = 3-dB(A) 3.4 Addition, Mittelung und Subtraktion von Pegeln 103 <?page no="106"?> (3.14) Gesucht ist der „maßgebende Beurteilungspegel für den Tag“ gemäß DIN 45645-1, wonach die Morgen- und Abendzeit für erhöhtes Ruhebedürfnis zusätzlich mit 6 dB Zuschlag belegt werden. Die Zuschläge werden zunächst addiert (gewöhnliche Pegeladdition), sie ergeben die in Tabelle 3.6 enthaltenen Werte. Der Summenpegel L pA∑ ergibt sich aus den Spalten 5 und 6 wie folgt: L pA∑ = 10⋅lg(1⋅10 (0,1⋅58) + 13⋅10 (0,1⋅57) + 2⋅10 (0,1⋅60) ) = 69,6 dB(A) Für den Beurteilungspegel L r,Tag folgt (L r bezogen auf eine Stunde): L r,Tag = L pA∑ - 10⋅lg(16) = 69,6-dB(A) - 12-dB(A) = 57,6-dB(A) oder L r, Tag = 10 ⋅ lg 10 (0, 1 ⋅ LpAΣ) 16 = 10 ⋅ lg 10 (0, 1 ⋅ 69,9 dB(A)) 16 = 57, 6 dB(A) L Tonzuschlag Ruhezuschlag Summenpegel Dauer Summe L r,Tag - dB(A) dB dB dB(A) h h dB(A) 1 2 3 4 5 6 7 8 L 1 46 +6 +6 58 1 16 - L 2 57 +0 +0 57 13 L 3 51 +3 +6 60 2 Summe = 69,6 16 10⋅lg(16) = 12,0 dB 57,6 Tabelle 3.6: Zusammenfassung der Pegelwerte 3.4.2 Energetische Pegelsubtraktion Die energetische Pegelsubtraktion (leistungs- oder energiemäßige Subtraktion) wird z. B. dann angewendet, wenn Schallpegel bei störenden Hintergrundgeräuschen gemessen wurden (z. B. Messung von Zugvorbeifahrtgeräuschen in der Nähe einer stark befahrenen Straße mit einem weitgehend konstanten Geräuschpegel). Wird der gemessene Gesamtpegel mit L G bezeichnet und der Pegel des Hintergrundgeräusches mit L H , so ergibt sich der Pegel des zu beurteilenden Geräusches L B in Umkehrung von Gleichung (3.9) wie folgt: L B = 10 ⋅ lg 10 0, 1 ⋅ L G − 10 0, 1 ⋅ L H in dB Beispiel 6: Subtraktion von Pegeln in Fahrzeugen In einem Schienenfahrzeug wird bei laufender Klimaanlage ein Schalldruckpegel von L G = 78 dB(A) gemessen. Nach dem Abschalten der Klimaanlage verbleibt ein Pegel von L H = 67 dB(A). Gefragt ist der nur von der Klimaanlage stammende Pegel L B . Mit Gl. (3.14) folgt: L B = 10 ⋅ lg 10 7, 8 − 10 6, 7 = 77, 6 dB(A) 104 3 Schall- und Schwingungspegel, Umgang mit Pegelwerten <?page no="107"?> Beispiel 7: Subtraktion von Pegeln an der Strecke Der mittlere Immissionspegel in der Nachbarschaft einer Straße mit mittig in der Straße verlau‐ fenden Straßenbahngleisen beträgt L pAm = 72 dB(A) (mit Vorbeifahrten von Straßenbahnen). Ohne Straßenbahnvorbeifahrten wird ein Mittelungspegel L pAm = von 68 dB(A) gemessen (= Straßenverkehrsgeräusche). Gefragt ist der Straßenbahnanteil an der Gesamtimmission. Wir erhalten den Pegel L B , den die Straßenbahnen allein verursachen würden, durch energetische Subtraktion: L B = 10 ⋅ lg 10 7, 2 − 10 6, 8 = 69, 8 dB(A) Es ist darauf hinzuweisen, dass solche Korrekturen nur immer eine Näherung sein können, da die Hintergrundgeräusche in der Regel bei Verkehrsgeräuschen nicht konstant sind. 3.5 Schallfeld- und Schwingungsgrößen In Tabelle 3.7 sind zusammenfassend einige wesentliche Beziehungen schalltechnischer Größen enthalten. Größe Gleichung Bezugswert(e) Einheit Bemerkungen 1 2 3 4 5 Schallleistung W = I m ⋅ A - Watt - Schallleistungspegel L W = L I m + L S - dB - L W = 10 ⋅ lg W W 0 W 0 = 1pW dB - Schallintensität I = p ⋅ v - W/ m 2 freies Schallfeld (ebene, fortschreitende Schallwellen) Schallintensitätspegel - L I m = 10 ⋅ lg I m I m0 I m0 = 1 pW/ m 2 dB energetisch gemittelt über Fläche und Zeit L I = 12 ⋅ L p + L v - dB - L I = 10 ⋅ lg I I 0 I 0 =1 pW/ m 2 dB - Messflächenmaß L S = 10 ⋅ lg A A 0 A 0 = 1 m 2 dB - Schalldruckpegel L p = 20 ⋅ lg p p 0 p 0 = 20 μPa = 2⋅10 -5 N/ m 2 Pa; N/ m 2 - Schallschnelle v = I/ p - m/ s Gilt auch für Schwinggeschwindigkeit v und den Schwinggeschwindigkeitspegel L v . Schallschnellepegel L v = 20 ⋅ lg v v 0 v 0 = 50 nm/ s = 5⋅10 -5 mm/ s = 5⋅10 -8 m/ s dB Tabelle 3.7: Zusammenstellung der Gleichungen für häufig verwendete Schallgrößen 3.5 Schallfeld- und Schwingungsgrößen 105 <?page no="108"?> (3.15) (3.16) Unter normalen Umgebungsbedingungen gilt für das freie Schallfeld ferner: L v ≈ L p L I ≈ L p Diese (beinahe) Gleichheit der Dezibelwerte von L I (Schallintensitätspegel) und L p (Schalldruck‐ pegel) sowie L v (Körperschallpegel) erlaubt es, die Schallleistung einer Quelle recht einfach aus dem gemittelten Schalldruckpegel auf einer einhüllenden Fläche (bei freier Schallausbreitung) zu berechnen. Mechanische Schwingungen (Körperschall) lassen sich beschreiben durch Effektivwerte der Schwingungsgrößen: • Beschleunigung a, • Geschwindigkeit (Schnelle) v, • Auslenkung (Ausschlag, Weg) s, • Kraft F oder durch daraus gebildete Pegel. Diese sind in Tabelle 3.8 zusammengefasst. - Gleichung Bezugswert(e) Einheit Bemerkungen 1 2 3 4 5 Admittanz Y = v(if ) F (if ) - (m/ s)/ N =Nm/ s Beweglichkeit (engl. Mobility) Admittanzpegel L Y = 20 ⋅ lg Y Y 0 Y 0 = 5⋅10 -8 (m/ s)/ N - auch Y 0 = 1 (m/ s)/ N Kreisfrequenz ω = 2πf - 1/ s - Beschleunigung a = v ω = s ω 2 - m/ s 2 - Beschleunigungspegel L a = 20 ⋅ lg a a 0 a 0 = 10 -6 m/ s 2 dB Früher auch a 0 =10 -6 g L a = L v + 20 ⋅ lg ω ω 0 L a = L s + 40 ⋅ lg ω ω 0 ω 0 = 1000 s -1 = 2π·159,2 Hz dB Zur Pegelumrechnung Schnelle v = s ω - m/ s - Schnellepegel *) L v = L s + 20 ⋅ lg ω ω 0 ω 0 = 1.000 s -1 = 2π·159,2 Hz dB - L v = 20 ⋅ lg v v 0 v 0 = 5⋅10 -8 m/ s dB auch v 0 = 10 -8 m/ s oder v 0 = 10 -9 m/ s Wegpegel L s = 20 ⋅ lg s s 0 s 0 = 10 -9 m dB - 106 3 Schall- und Schwingungspegel, Umgang mit Pegelwerten <?page no="109"?> (3.17) (3.18) Gleichung Bezugswert(e) Einheit Bemerkungen Kraftpegel L F = 20 ⋅ lg F F 0 F 0 = 10 -6 N dB - Dynamische Transfersteifigkeit als Pegel L k 2, 1 = 20 ⋅ lg k 2, 1 k 0 k 0 = 1Nm -1 dB |k 2,1 | Betrag der dyn. Transfersteifigkeit bei einer bestimmten Frequenz Frequenzgemittelte dyn. Transfersteifigkeit als Pegel L k av = 20 ⋅ lg k av k 0 k 0 = 1Nm -1 dB - Pegel der Masse m L m = 20 ⋅ lg m m 0 m 0 = 1 kg dB - *) Anmerkung: L v gilt sowohl für den Pegel der Schallschnelle als auch für den Pegel der Schwinggeschwin‐ digkeit. Tabelle 3.8: Zusammenstellung wesentlicher Gleichungen für den Körperschall und mechanische Schwingungen (in Pegelschreibweise), s.a. ISO 1683 und prEN ISO 10846-1: 2005 Die Addition von 20⋅lg(ω/ ω 0 ) zu Schwingungspegeln bedeutet eine mit 20 dB/ Dekade oder 6 dB/ Oktave ansteigende Frequenzbewertung der jeweiligen Schwingungsgröße - oder deren Ableitung nach der Zeit. Umgekehrt entspricht -20⋅lg(ω/ ω 0 ) einer abfallenden Frequenzbewertung mit 20-dB/ Dekade = 6-dB/ Oktave oder einer Integration über die Zeit. Da der Luftschall-Schnellepegel und der Körperschall-Schnellepegel jeweils auf 50 nm/ s bezogen werden, ergibt sich bei Gleichheit der Geschwindigkeitspegel (unendlich ausgedehnte, ebene Platte) der Zusammenhang L v, Körper = L v, Luft Da außerdem unter der gleichen Voraussetzung und normalen atmosphärischen Bedingungen L v.Luft ≈ L p ist, gilt auch: L p ≈ L v, Körper Unter realen Bedingungen ist gewöhnlich L v,Körper > L p , der Unterschied nimmt mit der Entfernung von der Quelle zu. 3.6 Pegelberechnungen Quantitative Vergleiche zwischen zwei Zahlen oder Größen gleicher Dimension (Z 1 ; Z 2 ) werden erleichtert durch die Bildung verschiedener Einzahl-Kennwerte oder Einzahl-Vergleichsmaße (Tabelle 3.9). Die Vergleichsmaße der Zeilen 2 bis 6 sind dimensionslos, stehen in festen Beziehungen zueinander und lassen sich bei Bedarf ineinander umrechnen. Einige wesentliche Zusammenhänge und Stützwerte werden im Folgenden dargestellt. 3.6 Pegelberechnungen 107 <?page no="110"?> Nr. Einzahl-Kennwerte oder Ein‐ zahl-Vergleichsmaße Gleichung Bemerkung a b c d 1 Unterschied (Differenzbetrag) U = Z 2 − Z 1 - 2 Verhältniszahl (Quotient) V = Z 2 Z 1 - 3 Verhältnis-Prozentzahl P V = Z 2 Z 1 ⋅ 100 % - 4 Delta-Prozentzahl, bezogen auf den ersten (früheren) Wert P Δ = Z 2 − Z 1 Z 1 ⋅ 100 % Varianten: Delta-Prozentzahl „von unten“ oder „von oben“, Prozentpunkte in Bezug auf einen festen Basiswert 5 Dezibel-Wert von linearen Größen D l = 20 ⋅ lg Z 2 Z 1 ; dB - 6 Dezibel-Wert von energieverwandten Größen D e = 10 ⋅ lg Z 2 Z 1 ; dB - Tabelle 3.9: Einzahl-Kennwerte oder -Vergleichsmaße In Bild 3.1 ist der Zusammenhang zwischen Verhältniszahlen und Dezibel-Werten für vier auf‐ einanderfolgende Dekaden dargestellt (in beiden Richtungen ist eine entsprechende Fortsetzung möglich). -40 -20 0 20 40 0,01 0,1 1 10 100 dB-Wert log Verhältniszahl 20 log l0 log Bild 3.1: Zusammenhang zwischen Verhältniszahlen und Dezibel-Werten Besonders wesentlich für die tägliche Arbeit mit Pegelwerten sind die in Tabelle 3.10 zusam‐ mengefassten Beziehungen. Tabelle 3.11 zeigt die Pegelzunahme bei Verdopplung und Verzehn‐ fachung der Kenngröße. Dies ist besonders wichtig bei der Messung von Pegelwerten, da viele Messgeräte in dB-Stufen geeicht sind. Der Zusammenhang zwischen Prozentzahlen (Delta- und Verhältnis-Prozente) und Dezibel-Werten ist in Bild 3.2 dargestellt. Für lineare Größen gilt: +1 dB ≅ 12%; ±0 dB ≅ ±0 %; -1 dB ≅ -11 %. Dazwischen besteht angenähert ein proportionaler Zusammenhang. 108 3 Schall- und Schwingungspegel, Umgang mit Pegelwerten <?page no="111"?> dB-Wert Verhältniszahl (lineare Größen) = 10 L/ 20 / 10 (L + x)/ 20 x = 1; 2; 3 ….. n -- % 1 2 3 0 1 - 1 ≈ 1,12 12,2 2 ≈ 1,25 = 10: 8 25,9 3 ≈ 1,4 ≈ √2 41,3 ..5 ≈ 1,78 77,8 6 ≈ 2 99,5 8 ≈ 2,5 = 10: 4 - 10 ≈ 3,2 ≈ √10 216 12 ≈ 4 = 2 2 - 14 ≈ 5 = 10: 2 - 16 ≈ 6,3 ≈ 2⋅√10 - 18 ≈ 8 = 2 3 - 20 = 10 1 900 40 = 10 2 - 60 = 10 3 - 80 = 10 4 - 100 = 10 5 - Tabelle 3.10: Beziehungen zwischen dB-Werten und Verhältniszahlen (lineare Größen) Kenngröße Pegelzunahme bei Kenngrößen- - Verdoppelung Verzehnfachung 1 2 3 • Schalldruck p (eff) • Schnelle v 6-dB 20-dB • Schallintensität I, • Schallleistung W 3-dB 10-dB Tabelle 3.11: Pegelzunahme bei Verdoppelung und Verzehnfachung gleicher Quellen Die Pegelabnahme des Schalls mit wachsender Entfernung von der Quelle lässt sich für einfache idealisierte Fälle (ungehinderte Ausbreitung außerhalb des Nahfeldes, keine Absorption) sehr leicht in dB angeben und merken (Bild 3.3): 3.6 Pegelberechnungen 109 <?page no="112"?> • Punktquelle: Abnahme ≈ 20⋅lg(n), ≈ Abstand > einer Zuglänge • Linienquelle: Abnahme ≈ 10⋅lg(n), ≈ Abstand < einer Zuglänge mit n als Entfernungs-Vervielfachungsfaktor. Es gilt für die beiden Schallquellen: • Linienschallquelle (gerade, lang gegenüber Abstand), z. B. zylindrische Flächen gleichen Schalldrucks: Intensität umgekehrt proportional zum Radius • Punktschallquelle (klein gegenüber Abstand), z. B. kugelförmige Flächen gleichen Schalldrucks; Druck umgekehrt proportional zum Radius. pegeladdit1a -20 -10 0 10 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 dB Prozentmaß (Zu- und Abnahme) 20 log 10 log Bild 3.2: Zusammenhang zwischen Prozentzahlen (Delta- und Verhältnis-Prozente) und Dezibel-Werten. pegeladdit1a 0 10 20 30 40 1 10 100 Pegelabnahme in dB Entfernungsvervielfachung Linienquelle Punktquelle Bild 3.3: Pegelabnahme von Linien- und Punktschallquellen Die Beziehungen gelten sowohl für den Vollraum als auch für den Halbraum (Schallquelle auf einer harten Ebene, z. B. ebenerdiger Zugverkehr). Je nach Länge eines Zuges und des Abstandes zum Immissionsort stellen Zugvorbeifahrten mehr Linienquellen (geringer Abstand) oder mehr Punktquellen (großer Abstand) dar. Grundsätzlich gelten die genannten Abhängigkeiten auch für die Schallausbreitung in festen Körpern (z. B. Boden). In praktischen Fällen (Schienenverkehr) ist aufgrund der Bodenabsorption eine etwas höhere Schallminderung zu erwarten. So sind für eine Linienquelle bis zu einem Abstand von 500 m ca. 4 dB Abnahme pro Entfernungsverdopplung anzusetzen (≈ 13⋅lg(n)). Oberhalb von ca. 500 m nimmt die Pegelabnahme stärker zu. 110 3 Schall- und Schwingungspegel, Umgang mit Pegelwerten <?page no="113"?> Beispiel 8: Schallausbreitung In 100 m Abstand von einer Bahnlinie beträgt der Beurteilungspegel 45 dB. In welchem Abstand von der Strecke ist näherungsweise ein 10-dB geringerer Immissionspegel vorhanden? Eine Minderung um 10 dB erfordert bei einer Linienschallquelle eine Verzehnfachung des Ab‐ standes (bei einer Punktschallquelle ungefähr eine Verdreifachung). Luft- und Bodenabsorption, Windgradient u. a. können das Ergebnis erheblich verändern (s.a. 16. BImSchV 2014, Anlage 2 (Schall 03) und DIN 18005). Nützlich ist auch die Kenntnis folgender Zusammenhänge, die durch geradlinige Frequenz‐ kurven im üblichen doppellogarithmischen Maßstab repräsentiert werden (Tabelle 3.12). Die dargelegten Zusammenhänge zwischen den Schwingungspegeln lassen sich zusammenfassen (Tabelle 3.13). Signalumwandlung Frequenzbewertung entspricht von... → in... konstant abfallend mit 1 2 weißes → rosa Rauschen 3 dB/ Oktave = 10 dB/ Dekade Beschleunigung → Schnelle 6 dB/ Oktave = 20 dB/ Dekade Beschleunigung → Ausschlag 12 dB/ Oktave = 40 dB/ Dekade Tabelle 3.12: Pegelabnahme bei verschiedenen Signalumwandlungen Signalumwandlung von... → in.. Mathematische Behandlung der Zeitfunktion Frequenzbewertung (rechnerisch oder durch analoge/ digitale Filterung) 1 2 3 s → v 1. Ableitung ansteigend 6-dB/ Oktave = 20-dB/ Dekade v → a 1. Ableitung 6-dB/ Oktave = 20-dB/ Dekade s → a 2. Ableitung 12-dB/ Oktave = 40-dB/ Dekade a → v Integration fallend 6-dB/ Oktave = 20-dB/ Dekade v → s Integration 6-dB/ Oktave = 20-dB/ Dekade a → s Doppelintegration 12-dB/ Oktave = 40-dB/ Dekade Tabelle 3.13: Pegelabnahme bei verschiedenen Signalumwandlungen 3.7 Pegel in der Schall- und Schwingungsmesstechnik In der Schall- und Schwingungsmesstechnik ist das dB ebenfalls eine nahezu unverzichtbare Größe. So verfügen viele in diesem Bereich eingesetzte Verstärker über eine Verstärkerstufenein‐ teilung in dB (10-dB- oder 20-dB-Schritte). Tabelle 3.14 zeigt den Zusammenhang zwischen den verschiedenen Verstärkereinstellungen (linear und als dB). 3.7 Pegel in der Schall- und Schwingungsmesstechnik 111 <?page no="114"?> dB → Faktor Faktor → dB L in dB Faktor K Faktor K L in dB 1 2 3 4 - = 10 L/ 20 - = 20*log(v) -20 0,1 0,1 -20 -10 0,316 0,5 -6 0 1,0 1,0 0 10 3,16 2,0 6 20 10 2,5 8 30 31,6 5 14 40 100 10 20 50 316 25 28 60 1000 100 40 Tabelle 3.14: Umrechnung von Messverstärkereinstellungen Auch die Kalibrierung einer Messkette erfolgt häufig im dB-Maß: • Luftschall: Kalibriersignal entspricht z. B. 94-dB mit 1000-Hz oder 124-dB mit 250-Hz. • Körperschall: Häufig wird zur Kalibrierung ein Beschleunigungssignal von 1 g (= 9,81 m/ s 2 ) mit 79,6 Hz eingesetzt. Tabelle 3.15 zeigt die entsprechenden Werte für die Schwingschnelle, den Schwingweg und deren Kalibrierwerte in dB (jeweils für den Effektivwert; = Amplitude/ √2) Bei der Durchführung von Kalibrierungen ist darauf zu achten, dass die Kalibriersignale unver‐ fälscht auf das Speichermedium übertragen werden. Z. B. führt eine Kalibrierung mit 250 Hz und gleichzeitiger A-Bewertung zu einer Signalabschwächung (bei 250 Hz beträgt diese Abschwä‐ chung -8,8 dB und bei 79,6 Hz -22,5 dB). Andererseits besteht prinzipiell die Möglichkeit, dass eine Messkette Signale nur linear bis zu einer Frequenz n (n z. B. < 1.000 Hz) aufzeichnet (z. B. bei digitaler Signalaufzeichnung und Verwendung von Hochpassfiltern). Ein solcher Fall kann z. B. bei der parallelen Messung von Erschütterungen und Sekundärschall in einem Gebäude auftreten. Hierbei kommt es bei einer Verwendung eines Kalibrators mit 1000 Hz zu einer, dem eingesetzten Filter entsprechenden Abschwächung des Kalibriersignals. In der Regel führt in einem solchen Fall ein 250-Hz Kalibriersignal zu einer unverfälschten Aufzeichnung der „Kalibrierung“. 112 3 Schall- und Schwingungspegel, Umgang mit Pegelwerten <?page no="115"?> (3.19) (3.20) (3.21) (3.22) (3.23) (3.24) Schwingbeschleuni‐ gung Schwinggeschwindig‐ keit Schwingweg 1 2 3 4 Maximalwert 9,81-m/ s 2 0,01962-m/ s 3,924⋅10 -5 m Effektivwert 6,94-m/ s 2 0,0138-m/ s 2,8⋅10 -5 m Bezugswert 10 -6 m/ s 2 5⋅10 -8 m/ s 10 -9 m Pegel 136,8-dB 108,9-dB 88,9-dB Differenzpegel - 28,0-dB 20-dB Tabelle 3.15: Umrechnung von Kalibrierwerten für Körperschallmessketten. Ausgangsgröße: Kalibriersignal als Schwingbeschleunigung für f = 79,6-Hz (Kreisfrequenz ω = 500-s -1 ) 3.8 Umrechnung von Pegelwerten Manchmal ist es erforderlich, Pegelwerte der Schwingbeschleunigung L a in solche der Schwing‐ geschwindigkeit L v (oder umgekehrt) umzurechnen. Die beiden Pegel sind wie folgt definiert: L v = 20 ⋅ lg v v 0 und L a = 20 ⋅ lg a a a Es gilt a = 2⋅π⋅f⋅v und hieraus folgt v = a/ (2⋅π⋅f). Aus Gl. (3.20) folgt a = a 0 ⋅ 10 L a / 20 Wird in Gl. (3.21) a ersetzt durch 2⋅π⋅f⋅v, dann folgt: v = a 0 ⋅ 10 La/ 20 2 ⋅ π ⋅ f und mit Gl. (3.19) folgt dann als Ergebnis L v = 20 ⋅ lg a 0 ⋅ 10 La/ 20 v 0 ⋅ 2 ⋅ π ⋅ f Für die umgekehrte Rechnung ergibt sich folgende Gleichung: L a = 20 ⋅ lg 2 ⋅ π ⋅ f ⋅ 10 Lv / 20 ⋅ v 0 a 0 Mit diesen Gleichungen können z. B. Terzspektren umgerechnet werden, für die Frequenz f ist dann die jeweilige Terz-Mittenfrequenz einzusetzen. 3.8 Umrechnung von Pegelwerten 113 <?page no="116"?> (3.25) (3.26) (3.27) (3.28) (3.29) (3.30) (3.31) Beispiel 9: Umrechnung von Kalibrierpegeln Wird eine Messkette mit 79,6-Hz und 1-g kalibriert, dann folgt für den Kalibrierpegel mit obigen Gleichungen (der Kalibrierwert von 9,81 m/ s 2 muss noch durch √2 dividiert werden, da Pegelwerte in der Regel nur von Effektivwerten gebildet werden). L a, Kal = 20 ⋅ lg 9, 81m/ s 2 10 −6 m/ s 2 ⋅ 2 = 136,8 dB Mit Gl. (3.23) ergibt sich dann ein entsprechender Pegel für das Schwinggeschwindigkeitssignal L v zu L v = 20 ⋅ lg 10 −6 m/ s 2 ⋅ 10 136, 8/ 20 5 ⋅ 10 −8 m/ s ⋅ 2 ⋅ π ⋅ 79, 6Hz = 108,9 dB 3.9 Addition von Pegeln - Herleitung In der Schall- und Schwingungsmesstechnik sind häufiger Pegel zu addieren. Hierbei ist - für lineare Größen - folgende Gleichung anzuwenden (Beispiel für Schwinggeschwindigkeit v): L vΣ = 10 ⋅ lg v 12 + v 22 + . . . . . . . v n2 v 02 Herleitung (inkohärente Quellen, z. B. die Räder eines Drehgestells): L v1 = 10 ⋅ lg v 1 v 0 2 ; L v2 = 10 ⋅ lg v 2 v 0 2 Durch Umformung (Endlogarithmierung) folgt für 2 Pegel: 10 L v1 / 10 = v 1 v 0 2 ; 10 L v2 / 10 = v 2 v 0 2 Diese Werte sind zu addieren. 10 L vΣ / 10 = v Σ v 0 2 = v 1 v 0 2 + v 2 v 0 2 = 10 L v1 / 10 + 10 L v2 / 10 und weiter L vΣ = L 1 + L 2 = 10 ⋅ lg 10 L 1 / 10 + 10 L 2 / 10 = 10 ⋅ lg v 1 v 0 2 + v 2 v 0 2 = 10 ⋅ lg v 12 + v 22 v 02 Es sind demnach die Quadrate zu addieren. Anmerkung: Die Verdopplung des Schalldrucks derselben Quelle (kohärente Quellen, z. B. Rad mit und ohne Flachstelle) führt zu einem 6-dB höheren Gesamtpegel: L ges = 20 • lg 10 L 1 / 20 + 10 L 2 / 20 = 20 • lg(2) = 6 dB . 114 3 Schall- und Schwingungspegel, Umgang mit Pegelwerten <?page no="117"?> (3.32) (3.33) 3.10 Pegelabhängigkeit von der Geschwindigkeit Bei einer Verdoppelung der Geschwindigkeit einer Straßenbahn von 30 km/ h auf 60 km/ h kann von einem Pegelanstieg von ca. 9 dB ausgegangen werden (=30lg v/ v 0 = 30lg(2) = 9 dB). Diese Aussage gilt für einzelne Vorbeifahrten. Für den auf eine Stunde bezogenen Mittelungspegel ergibt sich dagegen ein Pegelanstieg von ca. 6 dB(A) bei einer Verdopplung der Geschwindigkeit (20 • lg(2) = 6 dB). Dieser Wert ist auch bei einer Berechnung nach Tabelle 14 der Anlage 2 zur 16. BImSchV näherungsweise anzusetzen. Entsprechend ist das Potenzial zur Verringerung der Schallemissionen und -immissionen. Die unterschiedliche Pegelzunahme für den Vorbeifahrpegel und den auf eine Stunde bezogenen Stundenpegel ergibt sich anhand des im Folgenden dargestellten Beispiels. Angenommen wird: • v 1 = 30-km/ h mit T p1 = 6-s (dies entspricht einer Fahrzeuglänge von 50-m), • v 2 = 60-km/ h mit T p2 = 3-s und • L pAeq, v1 = 69 dB(A) T p ist die reine Vorbeifahrzeit eines Zuges. Sie halbiert sich für dasselbe Fahrzeug (gleiche Fahrzeuglänge) bei Verdopplung der Geschwindigkeit. Mit L pAeq, v2 = L pAeq, v1 + 30 • lg v 2 v 1 = 69 dB(A) + 30 • lg(2) folgt für L pAeq, v2 = 78 dB(A). Derselbe Rechengang gilt auch für den Maximalpegel einzelner Vorbeifahrten. Der Differenzpegel von 9 dB(A) konnte aus zahlreichen Messungen im Mittel bestätigt werden. Mit Gleichung (3.33) wird der Stundenpegel (Mittelungspegel einer Vorbeifahrt bezogen auf eine Stunde) berechnet. L pAeq, 1ℎ = L pAeq,Tp + 10 • lg T p 3600s Hiermit folgt für die beiden Vorbeifahrpegel: L pAeq, v1, 1ℎ = 41, 2 dB(A) und für L pAeq, v2, 1 = 47, 2 dB(A). Es ergibt sich hierfür ein Differenzpegel von 6 dB(A). Dieser Pegelunterschied gilt sowohl für eine als auch für mehrere Straßenbahnvorbeifahrten. 3.11 Literatur zu Kap. 3 1. Bress, H.-J.: Rechnen mit Pegelgrößen - Mathematischer Umgang mit Dezibelwerten. Brüel & Kjaer (August 1987) 2. Hoffmann; H./ von Lüpke, A. und J. Maue: 0 Dezibel + 0 Dezibel = 3 Dezibel: Einführung in die Grundbegriffe und die quantitative Erfassung des Lärms. Erich Schmidt Verlag, 7. Auflage (1998) 3. DIN 1320: Akustik - Begriffe ( Juni 1997) 4. DIN 45641: Mittelung von Schallpegeln ( Juni 1990) 3.10 Pegelabhängigkeit von der Geschwindigkeit 115 <?page no="118"?> 5. DIN 45642: Messung von Verkehrsgeräuschen (März 1997) 6. VDI 2716: Luft- und Körperschall bei Schienenbahnen des öffentlichen Personennahverkehrs ( Juni 1992). Diese Richtlinie wurde zurückgezogen. 116 3 Schall- und Schwingungspegel, Umgang mit Pegelwerten <?page no="119"?> 4 Schienenfahrzeuge M. Hester 4.1 Unterscheidung der Schienenverkehrssysteme 4.1.1 Vorbemerkungen Über Schienenfahrzeuge, insbesondere Eisenbahnfahrzeuge für den Regional- und Fernverkehr, gibt es umfangreiche Fachliteratur. Der Inhalt dieses Kapitels konzentriert sich auf die aus akusti‐ scher Sicht wesentlichen Baugruppen und Projektierungs-Kriterien von Nahverkehrs-Schienen‐ fahrzeugen, die im urbanen Umfeld im Hinblick auf ihre Geräuschemissionen besonders im Fokus stehen. Bevor ab Abschnitt 4.2 darauf eingegangen wird, erfolgt eine übergeordnete Differenzierung der in Deutschland vorhandenen Schienenverkehrssysteme nach gesetzlich/ rechtlichen und technisch/ betrieblichen Aspekten. 4.1.2 Unterscheidung aus gesetzlicher/ rechtlicher Sicht Die Schienenbahnen in Deutschland werden in erster Linie auf Basis zweier Bundesgesetze betrieben: • dem Allgemeinen Eisenbahngesetz (AEG) für die überörtlichen, auch grenzüberschreitend verkehrenden Eisenbahnen, • dem Personenbeförderungsgesetz (PBefG) für die städtischen Schienenbahnen auf lokal begrenzten Nahverkehrsnetzen. Daneben gibt es das Allgemeine Magnetschwebebahngesetz (AMbG) sowie die auf Länderebene erlassenen Bergbahn- und Seilbahngesetze. Auf diese Sonderformen der Schienenbahnen und deren Gesetzgebungen wird hier nicht näher eingegangen, Details hierzu s. [4.1], [4.2], [4.3]. Die auf dem AEG und dem PBefG basierenden Verordnungen, die zentrale Eisenbahn Bau- und Betriebsordnung (EBO für Regelspurbahnen, ESBO für Schmalspurbahnen) und die Verordnung über den Bau und Betrieb der Straßenbahnen (BOStrab) regeln im Wesentlichen die technischen Aspekte der Fahrweginfrastruktur und der einzusetzenden Fahrzeuge sowie die Betriebsdurch‐ führung für den öffentlichen Schienenverkehr. Speziell für den nichtöffentlichen Eisenbahnverkehr gibt es zusätzlich die länderspezifischen Verordnungen über den Bau und Betrieb der Anschlussbahnen (BOA, in Bayern und im Saar‐ land EBOA). Dabei handelt es sich um Verkehr mit Eisenbahnfahrzeugen, mit denen in der Regel Güter auf lokalen Verbindungsstrecken zwischen dem öffentlichen Schienennetz und privatwirtschaftlich genutzten Gleisanlagen, wie z. B. Werksbahnen, Depot- und Abstellanlagen und Verladegleisen von Unternehmen, befördert werden. Der gesetzlichen Zweiteilung der Schienenbahnsysteme folgend, ist auch die Zuständigkeit der Behörden, die die jeweiligen Verkehrsunternehmen beaufsichtigen, gesplittet: Für den öffentlichen Eisenbahnverkehr ist das zentrale Eisenbahn-Bundesamt (EBA) mit Hauptsitz in Bonn zuständig. Die Aufsicht über die Anschlussbahn-Betreiber und die kommunalen <?page no="120"?> Schienenverkehrsbetriebe, die der BOStrab unterliegen, ist Angelegenheit der Bundesländer. In Letzteren sind dort Technische Aufsichtsbehörden (TAB) eingerichtet. Für die Anschlussbahnen und die nichtbundeseigenen Eisenbahnen, also Privatbahnen außer‐ halb des DB AG-Konzerns, sind darüber hinaus in einigen Bundesländern zusätzlich Landesbe‐ vollmächtigte für die Bahnaufsicht (LfB) eingesetzt, falls die behördliche Beaufsichtigung nicht durch das EBA erfolgt. Aus den genannten Bau- und Betriebsordnungen EBO/ ESBO, BOA und BOStrab ist eine Vielzahl von Vorschriften entwickelt worden, die die darin enthaltenen Rahmenvorgaben im Detail spezifizieren und die zunehmende Zahl an nationalen und internationalen Schienenver‐ kehrsnormen ergänzen. Die DB AG als Betreiberin der bundeseigenen Eisenbahn hat dazu in Abstimmung mit dem EBA ein eigenes Regelwerk erarbeitet. Für die städtischen Bahnen liegt eine umfangreiche Richtliniensammlung, i.w. abgeleitet aus den einschlägigen Normen und der BOStrab vor, die vom Verband Deutscher Verkehrsunterneh‐ men e.V. (VDV) unter Mitwirkung der Technischen Aufsichtsbehörden erstellt wurde. Dazu kommen unternehmensspezifische Regelungen, die bilateral mit der zuständigen TAB vereinbart werden. Für den Betrieb von Schienenfahrzeugen, die bestimmungsgemäß am Straßenverkehr teil‐ nehmen, i. e. Straßen- und Stadtbahnen, ist neben dem beschriebenen Regelwerk auch in geringfügigem Umfang die Straßenverkehrs-Ordnung (StVO) heranzuziehen. Bild 4.1 stellt die beschriebene Systemunterscheidung der Schienenbahnsysteme in Deutsch‐ land dar. 118 4 Schienenfahrzeuge <?page no="121"?> Schienenbahnen Eisenbahnen des öffentlichen Verkehrs Eisenbahnen Bundeseigene Eisenbahnen Eisenbahn-Bau- und Betriebsordnung (EBO) Eisenbahn-Bau- und Betriebsordnung für Schmalspurbahnen (ESBO) Eisenbahn- Bundesamt (EBA) Landesbevollmächtigte für Bahnaufsicht (LfB) Regelwerk der Deutschen Bahn AG Werksbahnen für eigenen Güterverkehr Verordnung über den Bau und Betrieb von Anschlussbahnen (BOA) Aufsichtsbehörden der betreffenden Industriebranche Städtische Schienenbahnen Verordnung über den Bau und Betrieb der Straßenbahnen (BOStrab) Technische Aufsichtsbehörden (TAB) Besondere, lokale und unternehmenseigene Regelungen in Abstimmung mit/ Genehmigung durch die TAB Definitionsebene Verordnungsebene Aufsichtsebene Ebene der abgeleiteten Regelwerke Nichtbundeseigene Eisenbahnen Anschlussbahnen Arbeitsschutzgesetz, DGUV- Vorschriften etc. Straßenbahnen / Stadtbahnen Hoch- und Untergrundbahnen Eisenbahnen des nichtöffentlichen Verkehrs Bahnen besonderer Bauart Regelwerk des Verbands Deutscher Verkehrsunternehmen e.V. (VDV) Allgemeines Eisenbahngesetz (AEG) Personenbeförderungsgesetz (PBefG) Straßenverkehrsordnung (StVO) Gesetzesebene Bild 4.1: Systemunterscheidung aus gesetzlicher/ rechtlicher Sicht 4.1.3 Unterscheidung aus technischer/ betrieblicher Sicht Die systemtechnische Unterscheidung der Schienenbahnen unter technisch/ betrieblichen Aspek‐ ten orientiert sich am Anwendungszweck und den Einsatzgebieten. Während Eisenbahnen die Beförderung von Personen und Gütern über lange Distanzen über nationale Grenzen hinweg bewältigen, verkehren die städtischen Schienenbahnen, im Weiteren als Nahverkehrsbahnen bezeichnet, ausschließlich auf lokal begrenzten Schienennetzen. Sie stellen damit Inselbetriebe für den Personentransport im urbanen Umfeld dar. Daraus ergeben sich für Eisenbahnen angesichts des Erfordernisses eines national einheitli‐ chen, aber auch länderübergreifenden Betriebs (Interoperabilität) deutlich striktere Vorgaben und Regelungen hinsichtlich einer standardisierten Systemgestaltung. Bei Nahverkehrssystemen sind diese hingegen weitaus freizügiger, da durchweg kein netzübergreifendes Operabilitätserforder‐ nis besteht. Man unterscheidet bei den auf Basis der EBO/ ESBO betriebenen Eisenbahnen, die häufig auch mit dem Begriff Vollbahnen bezeichnet werden, zwischen • S-Bahnen (Stadtschnellbahnen), die überwiegend in Metropolregionen innerstädtische Be‐ förderungsfunktionen in Kombination mit Umlandverbindungen erfüllen. Sie verkehren idealerweise auf einem eigenen Schienennetz, meist aber im Mischbetrieb auch auf dem 4.1 Unterscheidung der Schienenverkehrssysteme 119 <?page no="122"?> Streckennetz des Fernverkehrs. Obwohl S-Bahnen typische Nahverkehrsaufgaben erfüllen, zählen sie zu den Eisenbahnen, da ihr Betrieb den Vorgaben der EBO unterliegt. • Regionalbahnen zur engmaschigen Erschließung ländlicher Regionen, zur Pendlerbeförde‐ rung und für den Ausflugsverkehr über mittlere Distanzen ab 50 km aufwärts bzw. mit Reisezeiten über einer Stunde. • Fernverkehrsbahnen für schnelle Verbindungen zwischen größeren Städten und Ballungs‐ räumen in festen, meist stündlichen Taktabständen, die häufig auch grenzüberschreitende Städteverbindungen beinhalten. • Hochgeschwindigkeitsbahnen zur direkten Verbindung von Großstädten ohne Zwischen‐ halte, die über besondere Komfortmerkmale für Reisende verfügen und eine Mindestge‐ schwindigkeit von 200 km/ h erreichen. Die BOStrab fasst unter dem verallgemeinernden Begriff Straßenbahn auch Nahverkehrsbahnen zusammen, die als Hoch- und Untergrundbahnen und Bahnen besonderer Bauart fahren. In dieser Hinsicht unterscheidet man unter verkehrstechnischen und betrieblichen Kriterien bei den Nahverkehrsbahnen zwischen • Straßenbahnen, die im ursprünglichen Wortsinn öffentliche Straßen mitnutzen, über keinen besonderen Fahrweg verfügen und deren Betrieb zwar teilweise mittels Sondersignalen der BOStrab, aber als reines Fahren auf Sicht erfolgt. • Stadtbahnen, die eine Weiterentwicklung der klassischen Straßenbahn in Richtung Schnel‐ ligkeit und höherem Fahrgastkomfort sind. Besondere Merkmale der Stadtbahn sind Stre‐ ckenabschnitte auf einem separaten Fahrweg, Tunnelstrecken im City-Bereich, bauliche, barrierefreie Abstimmung von Fahrzeugen und Haltestellen sowie partielles Fahren unter automatischem Signalbetrieb (Zugsicherung), das höhere Geschwindigkeiten und damit kürzere Reisezeiten erlaubt. • U-Bahnen mit einem eigenen, unabhängigen Bahnkörper, architektonisch individuell und in größeren Abständen angelegten Haltestellenbauwerken, speziell für den Einsatzzweck entwickelten Fahrzeugen und überwiegendem Tunnelbetrieb, insbes. im Innenstadtbereich. Aufgrund der Unabhängigkeit vom Individualverkehr lassen sich - wie auch bei den S-Bahnen - Reisegeschwindigkeiten von über 30 km/ h erreichen. • Bahnen besonderer Bauart. Hierzu zählen solche, die angesichts ihrer besonderen Charakte‐ ristik getrennt von anderen Verkehrsmitteln auf ihrer eigenen Infrastruktur verkehren. Die Fahrzeuge sind auf den besonderen Einsatzzweck und die Betriebsbedingungen individuell zugeschnitten. Beispiele sind die Wuppertaler und Dresdner Schwebebahnen, die Stuttgarter Zahnradbahn sowie die mittlerweile an mehreren Flughäfen im Automatikbetrieb fahrenden Kabinenbahnen, auch als People Mover bezeichnet. Eine besondere Gruppe von BOStrab-Personenfahrzeugen stellen modifizierte Stadtbahnfahr‐ zeuge dar, die aus Fahrgastkomfortgründen (umsteigefreie Fahrt von den Innenstädten ins Umland) sowohl auf BOStrab-, als auch auf EBO-/ ESBO-Strecken verkehren und damit eine Betriebszulassung für beide Systeme haben. Von besonderer Bedeutung bei diesen auch als Zweisystem-Fahrzeuge, Regio-Stadtbahnen oder Tram Train bezeichneten Fahrzeugen sind das Energieversorgungs- und Antriebssystem. Während die innerstädtischen Oberleitungsnetze der BOStrab-Bahnen mit 600 V oder 750 V Gleichstrom betrieben werden, fahren Eisenbahnen unter 15 kV Wechselstrom mit einer Frequenz von 16 2/ 3 Hz oder nicht elektrifiziert mit geräuschintensiverem Dieselantrieb. 120 4 Schienenfahrzeuge <?page no="123"?> Je nach Elektrifizierungsgrad der von einer Regio-Stadtbahn befahrenen EBO/ ESBO - Umland‐ strecke ergeben sich zwei Möglichkeiten der Antriebsausstattung: • Zusätzliche, elektrotechnische Auf- und Umrüstung für den Betrieb unter Gleich- und Wechsel‐ strom als sogenanntes Zweisystem-Fahrzeug, im Einsatz in Karlsruhe, Kassel und Saarbrücken. • Zusätzlicher Einbau eines Dieselmotors mit Generator zur Versorgung der elektrischen Fahrmotoren für den Betrieb auf nicht elektrifizierten Strecken als sogen. Hybrid-Fahrzeuge oder Zweikraft-Fahrzeuge, im Einsatz in Chemnitz, Kassel und Nordhausen. In Tabelle 4.1 sind die wesentlichen Unterscheidungsmerkmale zwischen den Eisenbahn- und Nahverkehrssystemen aus technischer/ betrieblicher Sicht zusammengefasst. Merkmal Eisenbahnen nach EBO/ ESBO Nahverkehrsbahnen nach BOStrab Beförderungsart Personenbeförderung und Gütertransport Personenbeförderung, Gütertransport nur für betriebsinterne Zwecke der Strecken-Instandhaltung Reiseweiten und Reisezeiten Überörtliche Beförderung ab Entfernungen > 50 km oder Reisezeiten > 1 h, Regional-, Fern- und grenzüberschreitender Verkehr Innerstädtische und Vorort-Verbindungen, reiner Nahverkehr < 50 km und Gesamtreisezeiten < 1 h Mittlere Reisegeschwindigkeit 40 km/ h - 250 km/ h 15 km/ h - 35 km/ h Haltestellenabstände > 1.000 m Wenige 100 m Takt- / Zugfolgezeiten Gering, Taktfolge ab 30 Minuten Hoch, ab 90 Sekunden im automatischen Betrieb Beförderungskapazität / Zug > 500 Fahrgäste 250 - 1.000 Fahrgäste Maximale Fahrgeschwindigkeit 330 km/ h 80 km/ h Fahrwegcharakteristik Vollkommen unabhängiger Fahrweg Fahrweg teils unabhängig, teils im Straßenraum gemeinsam mit Individualverkehr Spurweite International weitgehend einheitliche Regel-Spurweite (1.435 mm), lokal teils Meterspur (1.000 mm) Historisch bedingte Spurweiten: Regelspur, Meterspur, vereinzelt auch Sonderspurweiten Trassierung Weiträumige Gleisbögen mit Kurvenradien > 200 m Teils enge Einmündungen mit Kurvenradien ab 15 m Fahrbetrieb Ausschließlich signalgesicherter Betrieb (Zugsicherung) Teils signalgesicherter Betrieb, teils Fahrt auf Sicht Tabelle 4.1: Systemunterscheidung aus technischer/ betrieblicher Sicht 4.1 Unterscheidung der Schienenverkehrssysteme 121 <?page no="124"?> 4.2 Fahrzeug-Projektierung unter akustischen Gesichtspunkten 4.2.1 Vorbemerkungen Detaillierte Erläuterungen zu den akustischen Anregungs-, Übertragungs- und Wirkmechanis‐ men und eine Zusammenstellung der dominanten Schallquellen in Schienenfahrzeugen finden sich in Kapitel 5. Grundlegende Ausführungen zu schallarmem Konstruieren und zu Schallmin‐ derungsmaßnahmen sind in Kapitel 7 enthalten. In diesem Abschnitt werden in Ergänzung dazu auf praktischen Erfahrungen beruhende Hinweise gegeben, welche Fahrzeug-Teilsysteme und Bauteile besondere Beachtung im Hinblick auf die Vermeidung bzw. Minimierung unerwünschter Schall- und Erschütterungsemissionen verdienen. Dabei wird der konstruktive Aufbau eines mehrteiligen BOStrab-Personenfahrzeugs zu Grunde gelegt. 4.2.2 Allgemeine Randbedingungen Auch wenn auf Seiten der Fahrzeughersteller und -betreiber jahrzehntelange Erfahrungen zu markanten Schallquellen unter den mannigfaltigen Fahrzeugkomponenten und zu fahrzeugin‐ ternen Ausbreitungswegen vorliegen, kann letztlich jedes Neufahrzeug eine Reihe unliebsamer Überraschungen bei der akustischen Abnahme und vor allem im späteren, rauen Alltagseinsatz bergen. Wesentliche Ursachen für die individuelle Ausprägung der Schallemissionen von Schienen‐ fahrzeugen sind: • Die vom Fahrzeug ausgehende Gesamtemission ist das Ergebnis einer Vielzahl einzelner, nicht immer sofort identifizierbarer Schallquellen, ihrer Addition und der Schallübertra‐ gungswege innerhalb des Fahrzeugs. • Beim Fahren ändert sich - unabhängig von den Roll- und bei höheren Geschwindigkeiten im Eisenbahnverkehr auch aerodynamischen Geräuschen - durch die bestimmungsgemäße Leistungsbeaufschlagung einzelner Komponenten, z. B. der Lüfter und Traktionsumrichter, deren Emissionspegel und -frequenzen, so dass sich dadurch ein variierendes akustisches Verhalten des Fahrzeugs ergibt. • Im Fahrbetrieb kommen durch den Rad-Schiene-Kontakt die akustischen Interdependen‐ zen mit den individuellen, infrastrukturellen Gegebenheiten (Trassierung, Gleislage und -zustand, Weichenüberfahrten, Bogenradien, Nähe zur Anrainerbebauung etc.) des Betreibers hinzu, die in ihrer spezifischen schalltechnischen Ausprägung genau diesen Fahrzeugtyp auf diesem Netz abbilden. Erst im regulären Betrieb treten bisweilen in der bisherigen Fahrzeugerprobung nicht festgestellte Geräuschphänomene auf. • Neue Schienenfahrzeuge werden auf eine angenommene Lebensdauer von bis zu 40 Jahren ausgelegt. Bei der Konstruktion und Entwicklung können der individuelle Einsatzzeitraum und die sich bisweilen ändernden Einsatzbedingungen nur annähernd überblickt werden. • Selbst Bauteile mechanischer Art, die auf eine lange Lebensdauer ausgelegt sind, verändern durch Abnutzung und Alterung ihre ursprüngliche Funktionalität und akustische Eigen‐ schaft, was insbesondere für Dichtungs- und Dämmmaterial gilt. Mit zunehmendem Alter kann sich also auch sukzessive das ursprüngliche Geräuschverhalten einzelner Fahrzeuge zum Negativen verändern. 122 4 Schienenfahrzeuge <?page no="125"?> • Die erhebliche Zunahme elektronischer Bauteile in Schienenfahrzeugen und deren ver‐ gleichsweise kurze Lebenszyklen führen häufig zu obsoleszenzbedingtem, vorzeitigem Ersatz bei Schäden oder Abkündigungen durch die Erstausrüster. Es kommen dann häufig neue Bauteile von anderen Lieferanten zum Einbau, die - sofern akustisch relevant - nicht Bestandteil der ursprünglichen Projektierung waren und von denen keine vergleichsweise bewertbaren Schallleistungsangaben vorliegen. • Insbesondere bei größeren Fahrzeugbauserien, die über einen längeren Zeitraum und - häufig bei Bestelloption-Einlösungen - mit zeitlichen Unterbrechungen gefertigt werden, ist mitun‐ ter eine nicht konstante Qualität im Herstellerwerk festzustellen. Verschiedene Fahrzeuge derselben Baureihe können so unerwartete Fertigungsmängel, z. B. ungenügend verbautes Dämmmaterial, aufweisen, was sich dann auch in unterschiedlichem Emissionsverhalten zeigt. • Viele Verkehrsbetriebe entscheiden sich aus wirtschaftlichen Gründen alternativ zu Neu‐ beschaffungen für eine umfassende Modernisierung und technische Ertüchtigung ihrer Bestandsfahrzeuge zur Verlängerung deren Lebensdauer. In Kapitel 7 ist hierzu ein Beispiel für Rekonstruktionsmaßnahmen an einer Tatra-Straßenbahn angegeben. Nicht immer jedoch wird bei der Planung und Ausführung von Modernisierungsprogrammen der Optimierung der Schallemissionen der erforderliche Stellenwert eingeräumt. Als Konsequenz daraus verlangen alle Phasen einer Fahrzeugbeschaffung bzw. -modernisierung, beginnend beim ersten Federstrich für die technische Spezifikation bis hin zur akustischen Abnahme auf dem Prüfgleis, eine intensive Beschäftigung mit der Fahrzeugakustik, um letztlich ein möglichst leises, schalloptimiertes Produkt im Sinne einer nachhaltigen Umweltentlastung auf die Schienen zu stellen. Gleichwohl gibt es durchaus Zielkonflikte mit anderen Konstruktionsvorgaben und sicher‐ heitstechnischen Erfordernissen, so dass bei jeder Fahrzeugneuentwicklung oder Bestandsfahr‐ zeugertüchtigung Kompromisse gefunden werden müssen. 4.2.3 Akustisch relevante Teilsysteme und Bauteile - 4.2.3.1 Wagenkasten Wagenkästen werden konstruktiv als statisch selbsttragende Zellen ausgelegt und bestehen aus einem Untergestell mit Geräteboxen, Kupplungsaufnahmen und Stoßverzehrelementen, Front- und Seitenwänden sowie dem Dach mit Aufbauten für Klimaanlagen und, insbes. bei Niederflurfahrzeugen, großvolumigen Elektrik-/ Elektronikkomponenten. Mit Ausnahme der Lautsprecherdurchsagen und Türwarntöne wird der Innengeräuschpegel durch Schallquellen außerhalb des Wagenkastens geprägt. Eine ausreichende Dämmung und die Minimierung der Übertragungswege sind also oberstes Gebot. Letztere wird durch möglichst wenige und gut abgedichtete Durchbrüche für Kabel, Rohrleitungen und Lüftungskanäle aus dem Untergestell bzw. Dach erreicht. Auf dem Dach angeordnete Großkomponenten sollten auf Elastomerelementen gelagert sein. Dachschürzen und Verkleidungen verringern die Schallausbreitung nahe der Quelle, erfordern jedoch bei Wartungsarbeiten zusätzlichen Handhabungsaufwand. 4.2 Fahrzeug-Projektierung unter akustischen Gesichtspunkten 123 <?page no="126"?> Mit unter dem Wagenkastenboden zum Fahrwerk hin aufgebrachtem Dämmmaterial lässt sich der Schalleintritt nicht merklich verringern. Es benötigt zusätzlichen Einbauraum und ist permanenter Verschmutzung ausgesetzt. Entdröhnungsbeschichtungen auf den Wagenkasten-Innenflächen dienen zur Dämpfung des Körperschalleintrags. Wichtigstes Nutzen-Kriterium ist hierbei ein Dämpfungsmaximum, das sowohl innerhalb der hörbaren Schallfrequenzen (20 Hz - 20.000 Hz) liegt, als auch den gesamten Temperaturbereich, in dem das Fahrzeug zum Einsatz kommt, abdecken sollte. Weitere Anforde‐ rungen an Entdröhnungsmittel sind Umweltverträglichkeit, Haftfestigkeit und Alterungsbestän‐ digkeit. Besonderes Augenmerk ist auf das Dämmmaterial zwischen der Wagenkasten-Außenhaut und den meist aus glasfaserverstärktem Kunststoff gefertigten Innenverkleidungen der Fahr‐ gasträume und Fahrerräume zu legen, für dessen schallmindernde Wirkung das Einfügungs‐ dämm-Maß die bestimmende Größe ist. Hier spielen zusätzlich Gewichts- und Brandschutzan‐ forderungen sowie die leichte und passgerechte Verarbeitung eine entscheidende Rolle. In der Fertigung ist auf eine lückenlose Ausstaffierung aller Durchlässe und Hohlräume zu achten. Neben Melaminharz- und Polyurethan-Schaumstoffen hat sich Mineralwolle als sehr effizien‐ tes Schall- und Wärmedämmmaterial herausgestellt. Als nichtbrennbar eingestuft, erfüllt es Brandschutzvorschriften für Schienenfahrzeuge ohne individuellen Nachweis und lässt sich auch als leicht formbares Material zum Abdichten von schwer zugänglichen Öffnungen und Durchführungen verwenden. Allerdings zählt Mineralwolle zu den Gefahrstoffen, weshalb bei Beschaffung und Verarbeitung besondere Anforderungen an die Produktqualität (Fasergröße) bzw. den Arbeitsschutz zu erfüllen sind. Die Vorgaben für eine möglichst lückenlose, schalltechnische Abdichtung gelten insbesondere für die Faltenbälge und Verkleidungen der Gelenkübergänge zwischen den Wagen. Häufig dringen unangenehm knarzende Geräusche der im Gelenk verbauten Befestigungs- und Spannelemente für die Bälge, der Wagenkastenanschläge und Dämpfer in den Fahrgastraum. Aus konstruktiver Sicht (Platzbedarf, Freigängigkeit und Zugänglichkeit) bestehen hier außer Elastomerelementen allerdings nur eingeschränkte Möglichkeiten zum Einbau von flächigem Absorptionsmaterial. Am geeignetsten zur Schallminderung hat sich, sofern technisch möglich, der Einbau doppelter Faltenbälge mit Innen- und Außenschale und zwischenliegender Dämmung erwiesen. - 4.2.3.2 Fahrwerk Mit Fahrwerk eines Schienenfahrzeugs als Gesamtbegriff werden alle Bauteile bezeichnet, die die Verbindung zwischen dem Wagenkasten und der Schiene herstellen, für die kraftschlüssige Stützung und Spurführung sorgen und die Antriebs- und Bremskräfte übertragen. Die wesentlichen Bauteile eines Fahrwerks sind: • Welle, Rad, Lager (meist Wälzlager), Lagergehäuse, zusammen in fester Verbindung als Radsatz bezeichnet. Je nach Fahrwerkaufbau und verfügbarem Einbauraum werden Radsätze innen oder außen (überwiegend) gelagert. • Bei den Rädern unterscheidet man zwischen aus einem vorgeschmiedeten Stahlblock gewalz‐ ten Vollrädern (Monobloc) und zweigeteilten Rädern aus Radscheibe und aufgeschrumpf‐ tem Radreifen. Letztere können zur Erschütterungsdämpfung mit Elastomerzwischenlagen versehen sein (gummigefederte Räder) und bieten trotz ihres höheren Gewichts den wirt‐ 124 4 Schienenfahrzeuge <?page no="127"?> schaftlichen Vorteil, dass bei Grenzwertunterschreitung des Durchmessers nur der Radreifen erneuert werden muss. Bei Eisenbahnen kommen ausschließlich Vollräder zur Anwendung. • Rahmen, meist in Rechteck- oder H-förmiger Ausführung aus korrosionsfesten Stahlprofilen. • Primärfederung zwischen Radsatz/ Rädern und Fahrwerkrahmen mittels Blattfedern (Güter‐ wagen), Schrauben-, Gummiroll- oder Metall-Gummi-Federn. • Sekundärfederung bei Drehgestell-Fahrzeugen zwischen Rahmen und Wagenkasten mittels mechanisch wirkenden Metall-Gummi- oder Schraubenfedern. Bei Mittel- und Hochflurfahr‐ zeugen ist alternativ eine rein pneumatische oder hydro-pneumatische Sekundärfederung mit Luftbälgen verbreitet, die sensorisch in Abhängigkeit von der Zuladung regulierbar sind. • Wagenkastenabstützung über Wiegenquerträger mit Drehzapfen oder Rollkränzen, alterna‐ tiv über die Luftfederbälge mit Anlenkungen und Zug-/ Druckstange zur Antriebs- und Bremskraftübertragung. • Antriebsaggregate (Fahrmotor, Getriebe, Kupplung, Gelenkwelle). • Mechanische Bremskomponenten für Klotz-, Trommel- oder Scheibenbremse, Federspeicher und Hydro-Bremssättel, Magnetschienenbremse (bei Straßenbahnen), Wirbelstrombremse (bei Eisenbahnen). • Weitere Anbauteile am Fahrwerkrahmen, wie z. B. Stromabnehmer (bei Stromschienenbe‐ trieb), Sand- und Spurkranzschmieranlage, Fahrsperrenmagnet, Bahnräumer etc.). Besondere Bedeutung im Hinblick auf eine weitgehende Barrierefreiheit mit möglichst niedrigem Fahrzeugfußboden bei städtischen Schienenbahnen kommt der konstruktiven Anbindung zwi‐ schen Wagenkasten und Fahrwerk zu. Hier wird grundsätzlich zwischen mittel- und hochflurigen Fahrzeugen mit Drehgestellen (DG) und niederbis mittelflurigen mit starren Fahrwerken unterschieden. Bilder 4.2 und 4.3 zeigen beispielhaft die wesentlichen Bauteile eines angetriebenen Drehge‐ stells des Hamburger U-Bahn-Fahrzeugs vom Typ DT4. Stromabnehmer- Schleifschuh Sandbehälter Bahnräumer Radreifen/ Radkranz Radscheibe Drehgestellrahmen Achslagergehäuse Primärfederung mit Gumirollfedern 4.2 Fahrzeug-Projektierung unter akustischen Gesichtspunkten 125 <?page no="128"?> Stromabnehmer Hohlwelle Gleitplatte für Wagenkasten Wiegenquerträger mit Aufnahme für Drehzapfen Drehstrom-Fahrmotor Wellen- Bremsscheibe Sekundärfederung mit Luftbalg Drehmomentstütze Federspeicherbremse Stirnradgetriebe (achsreitend) Achswelle Kardangelenkkupplung Bild 4.2-und-4.3: Triebdrehgestell des U-Bahn Fahrzeugs DT4 der Hamburger Hochbahn AG Bei DG-Fahrzeugen können die Fahrwerke unter den Wagenkästen weitgehend frei in einem Winkel bis ca. 12° ausdrehen. Bei starren Fahrwerken ist der Ausdrehwinkel durch bei Bogenfahrt permanent im Eingriff befindliche Drehanschläge auf maximal ca. 3° beschränkt. Es gibt eine Vielzahl konstruktiv unterschiedlicher Fahrwerkbauarten, die insbesondere in den 1990er Jahren durch die Vorgaben zur Niederflurigkeit für Straßenbahnen entwickelt wurden. Eine kompakte Übersicht und Systematisierung der Fahrwerkbauarten ist im zurückgezogenen Entwurf der DIN 25004 [4.4] zu finden. Bei der Fahrwerkskonzeption sollte aus akustischer Sicht das Augenmerk im besonderen Maße auf einen möglichst niedrigen Erschütterungseintrag in den Schienenfahrweg gelegt werden. Alle direkt an den Rädern/ Radsätzen angebauten Bauteile, die nicht der Primärfederung unterlie‐ gen, zählen zur sogenannten unabgefederten Masse, die unmittelbar ohne Dämpfung auf den Oberbau einwirkt. Umgekehrt sind alle nicht gefederten Fahrwerkbauteile den direkten Stoßbelastungen durch Gleislage- und Schienenfehler ausgesetzt. Grundsätzliches, konstruktives Ziel muss es also sein, die unabgefederte Bauteilmasse im Fahrwerk so gering wie möglich zu halten. Als Einzelmaßnahme trägt hierzu bei Nahverkehrsfahrzeugen mit bereiften Rädern die Gum‐ mifederung bei, die darüber hinaus auch einen geringen luftschallmindernden Effekt hat. Maßgebend für die Erschütterungseinwirkung ist bei mehrachsigen Fahrwerken auch der Achsabstand im Verhältnis zum Mittenabstand der Schwellen (Stützpunktabstand des Oberbaus). Durch ein Radpaar erfolgt eine kontinuierliche Krafteinleitung im Wechsel auf die Schwellen und die dazwischenliegenden Schwellenfächer, wodurch eine periodische Schwingungsanregung des Oberbaus erfolgt. Diese ist umso größer, je mehr Räder mit ihrer Vertikallast gleichzeitig auf die Schwellen auftreffen. Ziel bei der Fahrwerkskonstruktion sollte es also sein, ein ganzzah‐ liges Vielfaches zwischen dem Mittenabstand benachbarter Achsen und dem netzspezifischen Schwellenabstand (meist 60 cm) zu vermeiden. Bei der Auslegung der Sekundärfederung von Drehgestell-Fahrzeugen ist die beste Kör‐ perschall-Entkopplung zwischen Wagenkasten und Rahmen mit einer Luftfederung gegeben. Gummi-Metall-Federn sind hinsichtlich ihrer Dämpfungselastizität regelmäßig auf Alterung zu 126 4 Schienenfahrzeuge <?page no="129"?> prüfen. Bei den metallischen Schraubenfedern ist die Körperschallübertragung in die Wagenkas‐ tenstruktur am höchsten. Anregungsmechanismen für die Luftschallabstrahlung im Rad-Schiene-Bereich und konstruk‐ tive Maßnahmen an den Rädern zu deren Verringerung sind in Kapitel 7 ausführlich beschrieben. In der VDV-Schrift 611 [4.5] finden sich spezielle Handlungsempfehlungen zum Einsatz von Radschallabsorbern zur Verringerung des Kurvenquietschens. Sind diese vorgesehen, ist der herstellerseitigen Abstimmung auf den ausgewählten Radtyp besondere Beachtung zu schenken. Hier ist eine messtechnische Ermittlung der Rad-Eigenfrequenzen im eingebauten Zustand am Prototyp-Fahrzeug zu empfehlen, um daraufhin die individuell erforderlichen Radabsorber auslegen zu können. Dieser Hinweis erfolgt auch vor dem Hintergrund, dass bei der akustischen Abnahme von Neufahrzeugen eine Prüfung des Kurvengeräusch-Verhaltens mangels Grenzwert‐ vorgaben und schwierig reproduzierbarer Messbedingungen sehr häufig nicht durchgeführt wird. Für die Montage von Radschallabsorbern sind trotz engem Bauraum auch bei Niederflurfahr‐ zeugen an den Radscheiben ausreichend Platz und sichere Befestigungsmöglichkeiten vorzuse‐ hen, was häufig eine besondere konstruktive Herausforderung darstellt. Bei der Bedämpfung von Rädern als weiterem Mittel zu Minderung der Kurvengeräusche sollte insbes. beim Einsatz von Vergussmaterial das zusätzliche Gewicht sowie dessen Beitrag zu den unabgefederten Massen bei nicht gummigefederten Rädern berücksichtigt werden. Als Kompromiss könnte - sofern das konstruktiv vorgegebene Eigengewichtlimit noch nicht er‐ reicht ist - ein Prototyp-Fahrzeug mit einer Radbedämpfung versehen und einer schall- und erschütterungstechnischen Vorher-Nachher-Messung unterzogen werden, um bei akzeptablem Minderungsergebnis eine „Nachbedämpfung“ der übrigen Fahrzeuge folgen zu lassen. Für die Anbringung und ggf. Nachrüstung von Radschürzen zur Minderung der seitlichen Luftschallemissionen sollte entsprechender Bauraum bei unveränderter Einhaltung der Fahrzeug‐ begrenzungslinien vorgesehen werden. Außerdem muss im Sinne einer effizienten Instandhalt‐ barkeit eine gleichfalls schnelle wie sichere Debzw. Remontage von Radschürzen gegeben sein, wie dies ebenfalls in [4.5] gefordert wird. Bei U-Bahn-Fahrzeugen liegt eine mögliche Schallquelle auch im systembedingt häufigen Auflaufen der Seitenstromabnehmer an die Stromschiene, verursacht durch häufige Stromschie‐ nenlücken infolge Weichenüberfahrten und Seitenwechseln in Haltestellen und Abstellanlagen. Hier kann ein hartes Anschlagen des Stromabnehmers durch die Verwendung langgezogener, mit einem geringen Neigungswinkel versehener Auflaufstücke ebenso vermieden werden wie Körperschallanregungen mittels einer elastischen Befestigung der Stromschienenabdeckungen aus Kunststoff. - 4.2.3.3 Antrieb Aufgabe des Antriebssystems ist es, die bereitgestellte elektrische Energie in das für die Fahr‐ zeugbewegung erforderliche Drehmoment und damit in kinetische Energie zu wandeln. Die Energieeinspeisung erfolgt bei städtischen Bahnen traditionell über lokale Gleichstrom‐ versorgungen mit 600 V oder 750 V. In die großräumigen Eisenbahnnetze hingegen wird zwecks geringerer Übertragungsverluste einphasiger Wechselstrom eingespeist, so z. B. in Mittel- und Nordeuropa überwiegend 15kV / 16 2/ 3 Hz. Weltweit sind bei den Eisenbahnen verschiedenste Bahnstromsysteme im Einsatz. 4.2 Fahrzeug-Projektierung unter akustischen Gesichtspunkten 127 <?page no="130"?> Die heutigen Schienenfahrzeug-Antriebssysteme sind Resultat der rasanten Entwicklung elektronischer Schalt- und Steuerungsbauteile ab Mitte der 1980er Jahre und haben die Ablösung des traditionellen Gleichstromantriebs durch den Drehstromantrieb bewirkt. Für die Erzeugung des Traktionsstromnetzes für die Antriebsmotoren werden heutzutage spannungseinprägende Pulswechselrichter (PWR, auch als Stromrichter bezeichnet) mit bipolaren Transistoren mit isolierter Gateelektrode (Insulated Gate Bipolar Transistor IGBT) eingesetzt. Die Drehzahl- und Drehmomentübertragung vom Gleich- oder Drehstrom-Fahrmotor auf die Antriebswelle bzw. das Rad erfolgen bei Schienenbahnen mit nicht schaltbaren Getrieben und Kupplungen und, je nach Anordnung des Antriebs im Fahrgestell, auch mit Gelenkwellen. Bei den Getrieben zur Untersetzung der Motorauf die Raddrehzahl sind bei Drehgestell-Fahr‐ zeugen häufig achsreitende Getriebe verbaut, die die Abtriebsdrehzahl direkt auf die Radsatzwelle übertragen. Während der Fahrmotor im Fahrwerkrahmen separat aufgehängt ist und damit von der Primärfederung erfasst wird, ist die Masse eines achsreitenden Getriebes unabgefedert. Als Alternative dazu kommen fest verbundene, vollständig abgefederte Motor-Getriebe-Ein‐ heiten zum Einsatz, die allerdings eine Kupplung zur Drehmomentübertragung auf die Welle erfordern. In Tabelle 4.2 sind die unterschiedlichen Anordnungsvarianten der Antriebskomponenten im Fahrwerk zusammenfassend dargestellt, eine Bewertung im Hinblick auf die unabgefederten Massen geht aus der letzten Spalte hervor. Detaillierte Beschreibungen der unterschiedlichen Antriebskonfigurationen mit bildlichen Darstellungen finden sich in [4.6]. Kategorie Bezeichnung Anordnung Beschreibung Abfederung Einzelachsantrieb Tatzlagerantrieb im Fahrwerk Motor in Querrichtung, sitzt einseitig auf Radsatzwelle, mit Getriebe teilweise - Hohlwellenantrieb im Fahrwerk Motor quer, Abtrieb auf Hohlwelle um Radsatzwelle, mit Getriebe voll - Längsantrieb im Fahrwerk Motor in Längsrichtung, mit Getriebe voll Doppelachsantrieb Querantrieb im Fahrwerk Motor in Querrichtung, mit Getriebe voll - Monomotor-Antrieb im Fahrwerk Motor in Längsrichtung, Abtrieb auf Radsatz- oder Hohlwelle, Getriebe teilweise/ voll Einzelradantrieb Längsantrieb seitlich ausserhalb des Fahrwerks Motor in Längsrichtung, mit Getriebe voll - Radnabenantrieb seitlich neben dem Rad Motor in Radnabenkörper, ohne/ mit Planetengetriebe unabgefedert 128 4 Schienenfahrzeuge <?page no="131"?> Kategorie Bezeichnung Anordnung Beschreibung Abfederung - Direktmotorantrieb seitlich auf dem Rad Direkte Motoranordnung auf dem Rad unabgefedert - Portalantrieb senkrecht oberhalb des Rades Motoranordnung im Portal, mit Winkelgetriebe voll Zweiradantrieb Querantrieb seitlich ausserhalb des Fahrwerks Motor in Querrichtung, mit Getriebe voll - Längsantrieb seitlich ausserhalb des Fahrwerks Motor in Längsrichtung, mit Getriebe voll Tabelle 4.2: Klassifizierung der Antriebe nach Anordnung im Fahrwerk Aus akustischer Sicht vorteilhaft bei Drehstrom-Fahrmotoren sowie den Traktionsstrom- und Bordnetzumrichtern ist eine Wasserkühlung anstelle einer Luftkühlung, da sie als geschlossenes, zirkulierendes System ohne Ventilatorgeräusche auskommt. Pumpengeräusche sind gemeinhin deutlich leiser. Von Vorteil ist dies bei den getriebelosen Radnabenmotoren und Direktmotoren, die aufgrund der äußerst kompakten Bauweise grundsätzlich eine Wasserkühlung erfordern. Allerdings sind diese aus erschütterungstechnischer Sicht nachteilig, da sie nicht der Primärfederung unterliegen. Die heutigen Anforderungen an leistungsstarke Antriebe bei gleichzeitig engem Bauraum sind sehr hoch, weshalb die Bereitstellung einer ausreichenden Kühlleistung eine komplexe Materie ist. So kann bei Luftkühlung der erforderliche Luftdurchsatz häufig nur mit einer hohen Lüfterdrehzahl und entsprechenden Lüftermotor-Emissionen erreicht werden. Konstruktive Zielsetzung sollte es sein, die Lüftersteuerung der insbesondere im Nahverkehr in kurzen Zyklen schwankenden Leistungsbeaufschlagung der Antriebskomponenten anzupassen und Ventilatoren auch aus energetischen Gründen nur dann auf Höchstdrehzahl zu betreiben, wenn es der Kühlluftbedarf zwingend erfordert. Dies gilt insbesondere für den Fahrzeugstillstand an Haltestellen und in Kehranlagen, da hier die Aggregatemissionen mangels Überlagerung durch das Rollgeräusch besonders hervortreten. Ein derart intelligenter und den jeweils tatsächlichen Kühlluftbedarf berücksichtigender Betrieb von Ventilatoren gilt für alle auf dem Fahrzeugdach angeordneten Baugruppen wie Antriebscontainer, Bordnetzumrichter, Bremswiderstände und ggf. bordeigene Energiespeicher. Neben den breitbandigen treten häufig tonhaltige Geräusche beim Anfahren und Bremsen auf. Sie werden verursacht durch niedrige, diskrete Taktfrequenzen der Pulswechselrichter, die zur magnetischen Anregung gleichgearteter Schwingungen in den Fahrmotor-Wicklungen führen. Dies lässt sich steuerungstechnisch bei der IGBT-Pulswechselrichter-Technologie unter Inkauf‐ nahme einer höheren Verlustleistung durch eine grundsätzliche Erhöhung der Taktfrequenz und auch durch ihre permanente Variation um einen Mittelwert (sogen. Wobbeln) vermindern, was zu einem breitbandigeren und weniger hervortretenden Geräusch führt. 4.2 Fahrzeug-Projektierung unter akustischen Gesichtspunkten 129 <?page no="132"?> 4.2.3.4 Bremsen Neben der elektrodynamischen Bremse (ED-Bremse) kommen als mechanische Radbremsen bei Nahverkehrs- und Eisenbahnfahrzeugen für den Personenverkehr nahezu ausschließlich Scheibenbremsen zur Anwendung. Die Scheiben aus Aluminium- oder Stahlguss können je nach Fahrwerkausführung unmittelbar am Radkörper oder auf der Radsatzwelle angeordnet sein. Folgende mechanische Bremssysteme bzw. Bauarten sind bei städtischen Schienenbahnen im Einsatz: • Pneumatisch oder hydraulisch betätigte, passive Federspeicherbremse: Eine druckbeauf‐ schlagte und somit vorgespannte Bremsspeicherfeder presst bei Entspannung die Bremsbe‐ läge an die Bremsscheibe oder die Bremstrommel. In Stadt- und U-Bahn-Fahrzeugen werden Federspeicherbremsen in der Regel mittels Druck‐ luft betätigt, was eine zentrale Drucklufterzeugung und -speicherung mittels Kompressor und Vorratsbehältern bedingt. In Niederflur-Straßenbahnen kommen aus Platzgründen hingegen hydraulische Drucker‐ zeuger, Hydrogeräte genannt, zum Einsatz, die als kompakte Einheit in den Fahrwerken unmittelbar an den Bremszylindern eingebaut werden. • Hydraulisch betätigte, aktive Bremse: Hier erfolgt das aus dem Kfz.-Wesen bekannte, umge‐ kehrte Bremswirkprinzip. Das Bremssystem ist im normalen Fahrbetrieb drucklos. Erst durch den Bremsbefehl werden die Bremszylinder mit Druck beaufschlagt und pressen die Beläge an die Bremsscheibe. Derartige, aktive Hydraulikbremsen werden häufig zur Einhaltung der vorgeschriebenen Bremswege zusätzlich in Lauffahrwerken von Straßenbahnen eingebaut. • Magnetschienenbremse: Unmittelbar über der Schienenfahrfläche sind im Fahrgestell elek‐ tromagnetische Bremsschuhe eingebaut, die durch Spannungsbeaufschlagung aus dem 24-V-Bordnetz (Batterie) magnetisiert und dann von der Schiene angezogen werden. Im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Bremsen kommen Magnetschienenbremsen nur bei besonders hohen Verzögerungsanforderungen (Gefahrbremsung) oder bei Ausfall einer der anderen Bremsen zum Einsatz. Wirbelstrombremsen werden nur im Eisenbahn-Hochgeschwindigkeitsverkehr angewendet. Sie kommen verschleißfrei ohne Berührung der Elektromagnete mit den Fahrschienen aus, verursa‐ chen aber deren starke Erwärmung. Beim mechanischen Bremsen kommt es bisweilen zu tonhaltigen Quietschgeräuschen, die aus der Eigenfrequenz-Anregung der Wellen- oder Radbremsscheiben durch das Anpressen der Bremsbeläge resultiert. Treten diese auch nach der Einfahrzeit neuer Beläge auf, können Ursachen liegen in • der grundsätzlichen Materialpaarung von Scheibe (Stahl oder Aluminium) und den Werk‐ stoffen der vom Bremsenausrüster zugelassenen Bremsbeläge, bestehend aus dem Belagträ‐ germaterial und dem Kompositwerkstoff des Reibmittels; • einer mangelnden Temperaturbeständigkeit des Reibmittels, d. h. bei verschiedenen Betriebstem‐ peraturniveaus tritt eine schwankende Festigkeit des Werkstoffs und der Reibwertzahlen auf; • der konstruktiven Gestaltung der Bremsbelaghalterung und der Größe des Abstands zwi‐ schen Belag und Scheibe im nicht angelegten Zustand (Belagspiel); • der beim Bremsvorgang erforderlichen, zeitlichen Ablösung der elektrodynamischen durch die mechanische Bremse in Triebfahrwerken, sofern nicht generatorisch bis zum Stillstand gebremst wird. Bei diesem als Blending bezeichneten Prinzip können leichte Modifikationen 130 4 Schienenfahrzeuge <?page no="133"?> der wesentlichen Systemparameter (Ablösezeitpunkt, Anpressdruck) in der Bremssoftware die Quietschneigung u. U. verringern; • der beim Anfahrvorgang zu späten Auflösung der Festhaltebremsung, d. h. physischen Trennung der Bremsbeläge von der Scheibe im Trieb- und Lauffahrwerk. In diesem Fall fährt das bereits durch den elektrischen Antrieb mit Drehmoment beaufschlagte Rad gegen die noch angepressten Bremsbeläge an. Einer entsprechenden Softwareoptimierung können allerdings Sicherheitsvor‐ schriften im Hinblick auf ein Wegrollen des Fahrzeugs in Gefällestrecken entgegenstehen. Die größte Sicherheit gegen Bremsenquietschen bei den regulären Betriebsbremsungen von Schienenfahrzeugen bietet die ausschließliche Nutzung der elektrodynamischen Bremse bis zum Stillstand. Bei einer derartigen Bremsauslegung kommt die bei BOStrab-Personenfahrzeugen vorgeschriebene, mechanische Federspeicherbremse nur bei Ausfall der elektrodynamischen Bremse bzw. generell als Festhalte-/ Parkbremse zur Anwendung, so dass die Wahrscheinlichkeit einer akustischen Anregung minimiert ist. Allerdings besteht bei geringer Anzahl von dynamischen Bremsungen mit Scheiben- und Trom‐ melbremsbelägen die Gefahr deren Verglasung, d. h. der Ausbildung einer glasartigen Schicht auf der Reibmittel-Oberfläche. Diese führt zu einer unerlaubten Reduzierung des Reibwerts und damit des Bremsvermögens. Um dies gesichert zu vermeiden, kann ein dynamisches Bremsen mit der mechanischen Bremse in festgelegten Zeitabständen unerlässlich und technisch bzw. betrieblich vorgeschrieben sein, was im Fachjargon als „Putzbremsung“ bezeichnet wird. - 4.2.3.5 Fahrer- und Fahrgasträume Besonderes Augenmerk ist auf die Gestaltung der Fahrerräume zu legen, die dem Fahrpersonal eine sichere Führung des Fahrzeugs mit allen erforderlichen Steuerungs-, Überwachungs- und Kommunikationseinrichtungen garantieren muss. Da Fahrerräume in arbeitsrechtlicher Hinsicht als Arbeitsstätte zählen, sind weitergehende Vorschriften an die Arbeitssicherheit, die Klimatisierung und die ermüdungsfreie, ergonomische Gestaltung der Sitzposition und der Bedienelemente zu erfüllen. Wesentliche Anforderungen sind in DIN 5566 [4.7] und in DIN EN 16186 [4.8] in eisenbahn- und nahverkehrsspezifischen Teilen beschrieben. Die Fahrgasträume sind das Aushängeschild öffentlicher Verkehrsmittel. Ihre Gestaltung und ihr Erscheinungsbild tragen sehr wesentlich zu deren Attraktivität und dem Gesamtimage des Verkehrsunternehmens bei. Über die in Abschnitt 4.2.3.1 bereits genannten Maßnahmen am Wagenkasten hinausgehend sind noch einige weitere, gestalterische Vorkehrungen zur Schallminderung im Innenraum von Schienenfahrzeugen zu beachten. Der Fußbodenaufbau erfolgt durchweg in Sandwichbauweise und unterliegt strengen Brand‐ schutzanforderungen. Auf die Leiterstruktur des Untergestells wird ein durchgängiger Boden mit ebenen oder aus Steifigkeitsgründen gesickten Blechtafeln geschweißt. Darauf wird eine Fußbo‐ denplatte mit einer Dicke von 10 mm - 15 mm befestigt, meist geklebt. Mittels einer weiteren Dickschicht-Klebverbindung kommt darauf der Fußbodenbelag aus PVC oder Kautschuk, der die rutschfeste Nutzschicht des Fußbodens bildet. Dieser sollte elastisch und schallabsorbierend sowie an der Fuge mit den Seitenwänden zu einer Kehle ausgeformt und nahtlos hochgezogen sein. Als bestmöglich dämmendes Material für die Fußbodenplatte ist anstelle von Kunststoff mehr‐ schichtiges Holz oder Kork vorzuziehen. Werden Bodenbleche, die grundsätzlich zu entdröhnen 4.2 Fahrzeug-Projektierung unter akustischen Gesichtspunkten 131 <?page no="134"?> sind, in gesickter Ausführung (häufig Trapezbleche) verwendet, können die Hohlräume bei nennenswerter Höhe zusätzlich mit nichtbrennbarem Dämmmaterial ausgekleidet werden. Zur Verringerung der Luft- und Körperschallübertragung ist die Zahl der Durchbrüche vom Untergestell ins Fahrzeuginnere zu minimieren. Außerdem ist es aus schall- und reinigungstechni‐ scher Sicht sinnvoll, Sitzgestelle außerhalb der Radkästen nicht auf dem Fahrzeugboden, sondern an seitlich längs verlaufenden Montageschienen zu befestigen (Cantilever-Sitze). Sitze und Lehnen bestehen in Fahrgasträumen von Nahverkehrsfahrzeugen heutzutage aus Hygiene-, Vandalismus- und Wirtschaftlichkeitsgründen nur noch aus Kunststoff- oder Sperr‐ holzschalen mit Stoffbezug oder dünnem Polsterbezug. Sie tragen damit nicht sonderlich zur Absorption der Innengeräusche bei. Bei Regional- und vor allem Fernverkehrsfahrzeugen kom‐ men die in dieser Hinsicht optimalen Polstersitze zum Einbau. Bei Niederflurfahrzeugen ist die Montage der Sitzschalen auf die in den Fahrgastraum hineinra‐ genden Radkästen unvermeidlich. Bei den Verkleidungen ist auf die fahrwerkseitige Entdröhnungs‐ beschichtung und eine entkoppelte Sitzbefestigung mittels elastischer Auflagen zu achten. Türen von Schienenfahrzeugen unterliegen in gleicher Weise höchsten Robustheitswie Sicherheitsanforderungen, da sie an nahezu jeder Haltestelle betätigt werden und jederzeit ein si‐ cheres und verletzungsfreies Ein- und Aussteigen garantiert sein muss. Sie werden üblicherweise rein elektromotorisch, bei älteren Fahrzeugen teilweise noch elektropneumatisch betätigt. Pneumatisch betätigte Türen weisen gegenüber elektrischen grundsätzlich höhere Schallemis‐ sionen auf, erfordern filigranere Einstellarbeiten und erhöhten Instandsetzungsaufwand. Mit moderner, rein elektrischer Türsteuerungstechnik lässt sich das bei Pneumatiktüren oftmals laute Ventilzischen vermeiden und die Schließgeräusche reduzieren. Aus Gründen der Betriebssicherheit und der barrierefreien Gestaltung sind jedoch dem Emis‐ sionspegel und der Tonhaltigkeit der auch in ihrer Anzahl zunehmenden Türwarn- und -findetöne enge Grenzen gesetzt. Allerdings sind sie heutzutage im Rahmen der Grenzwertvorgaben dank parametrierbarer Türsoftware mit geringem Aufwand modifizierbar und auf alle Fahrzeuge der Flotte einheitlich übertragbar. Fahrgastkomfortausstattungen haben in den letzten Jahren deutlich an Bedeutung zugenom‐ men. Hierzu zählt vor allem die Klimatisierung mit einer den jahreszeitlichen Schwankungen entsprechenden, behaglichen Temperierung des Fahrgastraums. Den in dieser Hinsicht hohen Fahrgasterwartungen steht allerdings die den städtischen Nahverkehr prägende Betriebsweise mit kurzen Haltestellenabständen, regelmäßiger Öffnung einer Vielzahl von Türen und häufig auch Beförderungssituationen an der Kapazitätsgrenze entgegen. Weiterhin bedingt die Durchgängigkeit der Fahrzeuge keine klimatechnische Abschot‐ tungsmöglichkeit zwischen den Wagenmodulen. Moderne Klimaanlagensteuerungen beinhalten die Funktion des Temperaturerhalts auf Basis voreingestellter Sollwerte an Endhaltestellen oder im kurzzeitigen Abstellbetrieb, um ein zu starkes Auskühlen bzw. Überhitzen der Fahrer- und Fahrgasträume zu vermeiden. Hier kann ein Drosseln der Lüfterdrehzahlen (z. B. des Kondensatorlüfters) oder gar deren temporäre Abschaltung in Abhängigkeit vom Abgleich der aktuellen Temperatur mit dem vorgegebenen Sollwert anstelle eines durchgängigen Volllastbetriebs manche Fahrgast- und vor allem Anwoh‐ nerbeschwerde vermeiden helfen. Dies gilt auch für das zeitlich begrenzte, funkgesteuerte Vorheizen/ Vorkühlen länger abgestell‐ ter Fahrzeuge vor dem nächsten, fahrplanmäßigen Betriebseinsatz. Komplex gestaltet sich die Führung der von der Klimaanlage konditionierten Zuluft durch den Fahrgastraum und der Fortluft zurück zur Klimaanlage zwecks erneuter partieller Aufbereitung als Umluftanteil. 132 4 Schienenfahrzeuge <?page no="135"?> Gekühlte Zuluft sollte dabei geräuscharm über einen perforierten Deckenkanal in Längsrich‐ tung verteilt werden. Warmluft hingegen muss von unten in den Fußraum eingeblasen werden. Hierzu sind in der Regel mit Klappen und Kleinventilatoren versehene, vertikale Stichkanäle in den Portalen/ Fensterstegen sowie parallel zur Seitenwand verlaufende Bodenkanäle angeordnet. Aus akustischer Sicht ist bei den Luftkanälen auf eine möglichst geradlinige, strömungsmäßig günstige Gestaltung mit kurzen Ansaugstrecken und großen Querschnitten zur Begrenzung der Strö‐ mungsgeschwindigkeiten genauso zu achten wie auf leise Lüftermotoren und Klappenbetätigungen. Mit einer intelligenten Anlagensteuerung in Abhängigkeit von den variablen Temperatursollwerten und der aktuellen Beladung lässt sich der Volllastbetrieb mit höchsten Lüfterdrehzahlen - auch aus energetischer Sicht - auf das unbedingt notwendige Maß beschränken. 4.3 Akustik-Management bei der Fahrzeugbeschaffung 4.3.1 Einführung Niedrige Geräuschemissionen leisten einen wesentlichen Beitrag zur Akzeptanz öffentlicher Verkehrsmittel im Sinne einer nachhaltigen Umweltverträglichkeit und der insbesondere in urba‐ nen Ballungsräumen vielfach angestrebten Mobilitätswende. Mit künftig weiter fortschreitender Umrüstung der Antriebstechnik von Verbrennungsauf Elektromotoren bei Linienbussen geht deren deutliche Geräuschminderung einher. Damit werden die durch den Rad-Schiene - Kontakt unvermeidlichen Schallemissionen der Nahverkehrsbahnen mehr in den Vordergrund rücken. Ziel muss es deshalb sein, in die Entwicklung von Schienenfahrzeugen die neuesten Erkennt‐ nisse der Schallschutztechnik einfließen zu lassen und das Augenmerk auf ein durchgängiges Akustik-Management während des gesamten Beschaffungsprozesses zu legen. Gleichwohl stehen jedoch einer höheren Priorisierung akustischer Belange bei der Fahrzeugneubeschaffung ein vermehrter Einsparungszwang auf Bestellerseite und ein zunehmender Wettbewerbs- und damit auch Kostendruck auf Seiten der Hersteller entgegen. Außerdem stehen die Geräuschemissionen für die Zulassung von Neufahrzeugen bislang nur im Eisenbahnsektor aufgrund der verbindlichen Grenzwerte in der TSI Lärm [4.9] im direkten Fokus. Für Nahverkehrsbahnen gibt es hingegen mangels gesetzlicher oder normativer Vorgaben zurzeit nur empfohlene Richtwerte in der VDV-Schrift 154 [4.10], die den Bestellern als unverbindliche Grundlage für deren Lastenheft-Anforderungen dienen. Dieser Umstand mindert den Stellenwert der Fahrzeugakustik ebenso wie die Tatsache, dass diese nicht zu den für die Betriebssicherheit relevanten Fahrzeugteilsystemen zählt. Auch neigen Fahrzeughersteller aus Kostengründen zur Standardisierung ihrer Produkte auf Basis sogenannter Fahrzeugplattformen, um damit einerseits individuellen Bestellerwünschen gerecht zu werden, andererseits aber auf wirtschaftliche Fertigungsstückzahlen von Fahrzeug‐ baureihen zu kommen. Dabei werden bisweilen zur Vermeidung von Konstruktionsänderungen aus vorherigen Projek‐ ten abgeleitete Schallminderungsmaßnahmen auf Neufahrzeug-Aufträge anderer Betreiber in der Erwartung auf unveränderte Wirksamkeit übertragen, ohne dabei individuelle, möglicherweise emissionsrelevante Modifikationen zu berücksichtigen. Dies gilt insbesondere bei Straßen- und Stadtbahnen, da diese Fahrzeuge im Gegensatz zu U-Bahnen und Bahnen besonderer Bauart in verschiedenen Netzen universell einsetzbar sind und nicht maßgeschneidert im Hinblick auf die spezifischen, teils historisch bedingten Netzcharakteristiken entwickelt werden müssen. 4.3 Akustik-Management bei der Fahrzeugbeschaffung 133 <?page no="136"?> Hinzu kommt, dass vielfach zwar die Schallemissionsanforderungen für Neufahrzeuge ver‐ traglich festgeschrieben werden, der Hersteller bis zur Akustik-Typprüfung aber sich selbst überlassen wird. Ob und welche konstruktiven Vorkehrungen und Maßnahmen zur Einhaltung der Lastenheft-Vorgaben erfolgen, liegt in seiner Verantwortung. Am fertigen Typprüf-Fahrzeug auftretende Überschreitungen erfordern dann eine ggf. zeitauf‐ wändige Ursachenanalyse. Diese sind häufig nur mühsam korrigierbar, da mögliche Abhilfemaß‐ nahmen Nachrüstungen erfordern, die an den bereits ausgelieferten Folgefahrzeugen und in der laufenden Serienfertigung nur mit erheblichem Zusatzaufwand und Zeitverzug vorgenommen werden können. Wie grundsätzlich bei Fahrzeugneubeschaffungen, ist es daher auch aus akustischer Hinsicht empfehlenswert, zunächst wenige Prototyp-Fahrzeuge fertigen zu lassen, die eingehend erprobt, getestet und noch modifiziert werden können, bevor dann mit zeitlichem Abstand der Serienan‐ lauf beginnt. Die Verantwortung für den Einsatz akustisch unzureichend ausgelegter bzw. mängelbehafteter Neufahrzeuge liegt angesichts der langen Lebensdauer von Jahrzehnten beim Besteller bzw. Betreiber (im Weiteren als 'Besteller' bezeichnet), während sich der Hersteller nach Ablauf der vergleichsweise kurzen Gewährleistungszeit zurückzieht. Auch aus diesem Grund muss es das Bestreben des Bestellers/ Betreibers sein, ein besonderes Augenmerk auf die Einhaltung der akustischen Anforderungen und auf die Vermeidung bekannter akustischer Phänomene bei der Entwicklung einer neuen Fahrzeugbaureihe zu legen. Im nachfolgenden Abschnitt wird ein gesamtheitliches Akustik-Management aller am Beschaf‐ fungsprozess beteiligten Akteure beschrieben. Der Fokus liegt dabei auf der Bestellung/ Entwick‐ lung von Neufahrzeugen, ist aber in eingeschränktem Umfang auch auf die Modernisierung von Bestandsfahrzeugen übertragbar. Hinweis: Der Begriff 'Grenzwert' bezeichnet streng genommen ausschließlich von gesetz‐ gebenden Organen festzulegende und explizit in Gesetzen und Verordnungen definierte Werte. Im Folgenden wird 'Grenzwert' jedoch, dem allgemeinen Sprachgebrauch folgend, auch für die in der bilateralen Liefervertrags-Beziehung zwischen dem Besteller und dem Hersteller festgelegten Schallpegelwerte benutzt. 4.3.2 Verfahrensablauf/ Einzelschritte - 4.3.2.1 Konzeptions- und Angebotsphase Grundlegende Voraussetzung für eine erfolgreiche akustische Abnahme von Neufahrzeugen ist ein Anforderungskatalog, der als Bestandteil der Gesamtausschreibung im Akustikteil des Lastenhefts beschrieben ist. Dieser sollte umfassend und eindeutig die in der Abnahmeprüfung vom Typprüf-Fahrzeug einzuhaltenden Pegel-Grenzwerte für die verschiedenen Betriebszustände definieren und die dafür maßgebenden Messnormen und Richtlinien benennen. Die Festlegung der Grenzwerte sollte sich an den normativen Vorgaben bzw. Richtlinien-Emp‐ fehlungen orientieren, auf eigenen Betriebserfahrungen beruhen und die insbesondere im Nah‐ verkehr netzspezifischen Einsatzbedingungen der Fahrzeuge berücksichtigen. 134 4 Schienenfahrzeuge <?page no="137"?> Damit sich die Bieter hierüber einen bestmöglichen Eindruck verschaffen können, sind im Lastenheft grundlegende Angaben zu Netzgröße, Betriebszeiten, Bebauungsdichten entlang der Strecken, kleinste Bogenradien und deren Anzahl, Charakteristik und Lage der Wendestellen und Abstellanlagen etc. zu vermerken. In Kapitel 6 sind die Voraussetzungen und Bedingungen für vertragskonforme Schallmessun‐ gen und die dabei im einzelnen anzuwendenden Normen und Richtlinien ausführlich beschrieben. Darüber hinausgehend steht es dem Besteller frei, individuelle, zusätzliche Messungen und Messkriterien in das Lastenheft aufzunehmen, sofern dies geboten erscheint. Falls sich z. B. in der Vergangenheit bei Bestandsfahrzeugen einzelne Komponenten als besonders laute und störende Schallquellen herausgestellt haben, ist es denkbar, beim Typprüf-Fahrzeug zusätzliche Einzelmes‐ sungen speziell an diesen Komponenten mit Vorgabe entsprechender Grenzwerte zu fordern. Dies gilt auch bei auf Erfahrungen begründetem Verdacht auf besonders tonal abstrahlende Bauteile. In einem solchen Fall ist eine zusätzliche Tonhaltigkeitsprüfung im Rahmen von Stillstandmessungen zu erwägen. Die betreffenden Komponenten (z. B. Fahrmotoren, Umrichter, Klimalüfter) können in der Regel auf dem Prüfstand und/ oder im stehenden Typprüf-Fahrzeug mit einer Betriebslastsimulation beaufschlagt werden, um ihr Geräuschverhalten bei verschiedenen Betriebszuständen und Lastkollektiven zu analysieren. Im Nahverkehr gibt es bei der Wahl des Abnahmegleises für die Akustik-Typprüfung grund‐ sätzlich zwei Möglichkeiten, die in [4.6] und [4.10] näher beschrieben sind: • ein spezielles Abnahmegleis in einem Fahrzeug-Prüfcentrum oder ein Testgleis im Netz des Be‐ stellers. Dieses muss sich hinsichtlich der Rauheit und der Abklingrate in einem normgerechten Zustand befinden, was durch entsprechende Messungen zu dokumentieren ist. • ein gut gepflegtes und regelmäßig befahrenes Betriebsgleis im Netz des Bestellers, das nur einer optischen Inspektion, aber keiner vorherigen Zustandsmessung zu unterziehen ist. In diesem Fall sind negative Messabweichungen von den Abnahme-Grenzwerten mit einem Zuschlag von bis zu 2 dB zu tolerieren. Die Festlegung des Abnahmegleises kann bereits im Lastenheft verankert werden. Die Entschei‐ dung hierüber hängt von mehreren Kriterien ab, z. B. vom Inbetriebnahmezeitplan, Mehraufwand für die Gleiszustandsmessungen, Transportaufwand für das Typprüf-Fahrzeug und von den örtlichen Gegebenheiten und Messbedingungen im Netz des Bestellers (Umgebungsbedingun‐ gen, Freifeldabstrahlung, erzielbare Geschwindigkeit auf einem entsprechend langen, geraden Betriebsgleis etc.). Für den Fall eines Abnahmegleises im eigenen Netz sollte dieses vom Besteller vor der Typprüfung geschliffen werden, und zwar in Abhängigkeit von der Nutzungshäufigkeit so rechtzeitig, dass sich zum Typprüfungstermin bereits wieder eine Oberflächenglättung und -härtung der Schienen ausgebildet hat (s. hierzu Kapitel 7). Es ist ratsam, in einem Neufahrzeug-Lastenheft nähere Erläuterungen zu fordern im Hinblick auf die • grundsätzlichen, konstruktiven Ansätze zur Schallemissions-Minimierung, • akustische Auslegung/ Modellierung unter Einbeziehung der potenziellen Einzelschallquellen und der möglichen Übertragungswege, • eingesetzten Softwaretools für etwaige Simulationsrechnungen, • Einbindung der Unterlieferanten schallrelevanter Komponenten in das übergeordnete Akus‐ tik-Management, 4.3 Akustik-Management bei der Fahrzeugbeschaffung 135 <?page no="138"?> • Referenzen für akustische Auslegungen vergleichbarer Fahrzeuge aus früheren Lieferverträ‐ gen mit anderen Bestellern. Innerhalb der eng gesetzten Grenzen der Vergaberichtlinien sind die vorliegenden Angebote ggf. von den Bietern zu überarbeiten und abschließend gesamtheitlich zu bewerten, woraus letztendlich die Zuschlagerteilung für den Fahrzeughersteller resultiert. In der Angebotsphase ist auch bereits an den nicht wünschenswerten, aber denkbaren Fall der Nichterreichung der vorgegebenen Pegel-Grenzwerte in der Abnahmeprüfung und im Weiteren - trotz versuchter Nachbesserung - ihrer dauerhaften Nichteinhaltung zu denken. Entsprechende Regelungen zwischen Besteller und Hersteller über eine angemessene Kompensation für diese letztlich nicht durchgängig erfolgreiche akustische Abnahme sollten Eingang finden in den Liefervertrag. Dies gilt auch für den Fall, dass sich beim Typprüf-Fahrzeug und/ oder bei anderen Fahrzeugen der Lieferserie nach einer gewissen Betriebszeit objektiv nachweisbare, höhere Schallemissionen einstellen als bei der Abnahmeprüfung festgestellt wurde. Hierzu sind Vorgaben im Liefervertrag empfehlenswert, wie Besteller und Hersteller gemeinsam und zielführend im Rahmen der Ge‐ währleistung zu einer zeitnahen Lösung kommen können, beginnend bei der Ursachenforschung bis hin zu einer möglichen Nachbesserung/ Nachrüstung aller Serienfahrzeuge (sogen. Rollkur). - 4.3.2.2 Konstruktions- und Fertigungsphase Mit Beginn der Fahrzeugprojektierung geht es für den Besteller darum, den Hersteller bei der akustischen Auslegung und Modellierung der Neufahrzeuge kooperativ zu begleiten. Dies kann u. a. die stichprobenartige Prüfung der von den Erstausrüstern schallrelevanter Komponenten beizubringenden Schallleistungsangaben als Input für die Simulationsberechnungen oder auch - sofern vom Hersteller erwünscht - die Hilfestellung bei der Auswahl bereits bewährter Materialien, z. B. von Dämmstoffen, beinhalten. Die Zwischenergebnisse der fortlaufenden Prognoseberechnungen sollten dem Besteller ebenso mitgeteilt werden wie im Konstruktionsprozess ggf. erforderliche Bauteil- und Material‐ änderungen, die sich auf die Einzelquell- oder Gesamtgeräuschemissionen auswirken könnten. Hierzu gehören auch zusätzlich vorgesehene Sekundärmaßnahmen, die weitergehenden Einfluss auf den Brandschutz und die Gewichtsbilanz des Fahrzeugs haben können. Mit Beginn der Fertigungsphase stehen in der Regel Erstmusterprüfungen ausgewählter Fahr‐ zeugkomponenten und Baugruppen, wie z. B. Fahrmotoren, Leistungselektronik-Komponenten und Klimaanlagen an, für die sich der Besteller eine Fertigungsfreigabe für den Serieneinbau vorbehalten kann. Bei diesen Erstmusterprüfungen ist auch eine messtechnische Überprüfung der für die betref‐ fende Komponente bei einem definierten Betriebszustand angegebenen Schallleistung inkl. des Frequenzspektrums möglich. Allerdings stehen diese Ergebnisse unter dem Vorbehalt einer singulären Emissionsmessung unter idealen Laborbzw. Prüfstandsbedingungen, die die spätere Einbausituation im Fahrzeug mit möglichen benachbarten Schallquellen, Körperschallanregun‐ gen und Übertragungswegen nicht abbilden kann. Schließlich beginnt im Herstellerwerk die Fertigung und Montage des für die akustische Abnahme festgelegten Typprüf-Fahrzeugs. Die Fertigung von Prototypen, Vorserien- und auch Serienfahrzeugen wird häufig durch Fahrzeugspezialisten des Bestellers stichprobenartig oder durchgängig begleitet, um jederzeit einen kompetenten Ansprechpartner des Kunden vor Ort zu haben und die Werksabnahme der Fahrzeuge vor deren Anlieferung durchzuführen. 136 4 Schienenfahrzeuge <?page no="139"?> Aus akustischer Sicht sollte die Fertigungsaufsicht den korrekten Einbau der mittels der Modellierung spezifizierten Bauteile und Materialien umfassen. Auch die fachgerechte und vollständige Montage/ Aufbringung von Sekundärmaterial wie Dämm- und Dichtmaterial bzw. Bedämpfungs- und Entdröhnbeschichtungen gehören hierzu. Schließlich ist nach Fertigstellung der Fahrwerke ggf. auch die in Abschnitt 4.2.3.2 erwähnte Ermittlung der Rad-Eigenfrequenzen möglich zwecks Auslegung der Radabsorber gegen das Kurvenquietschen. Nach der Endfertigung inkl. dynamischer Fahrerprobung und erfolgreicher Werksabnahme des Typprüf-Fahrzeugs durch den Besteller erfolgt dann die Überführung zu dem Ort, an dem sich das vereinbarte Abnahmegleis befindet. - 4.3.2.3 Inbetriebnahme- und Abnahmephase Grundlage der Akustik-Typprüfung ist ein detailliertes Ablaufprogramm, das sich an den ört‐ lichen Gegebenheiten orientiert und in systematischer Form alle Messungen beinhaltet, die zur Ermittlung der im Lastenheft bzw. Liefervertrag genannten Pegel-Grenzwerte erforderlich sind. Das Messequipment stellt in der Regel der Hersteller bzw. ein von ihm beauftragter Akustik-Dienstleister zur Verfügung. Werden die vereinbarten Grenzwerte ausnahmslos eingehalten, ist damit eine erfolgreiche akustische Abnahme des Typprüf-Fahrzeugs gelungen. Diese wird auf die nachfolgenden Fahr‐ zeuge der Serie übertragen, sofern diese nach denselben Konstruktions- und Fertigungsunterlagen gebaut werden. Für den Fall der Nichteinhaltung ist eine zeitnahe Ursachenforschung erforderlich. Inwieweit etwaige Nachbesserungen/ Nachrüstungen durch Bauteiländerungen, also an der Geräuschquelle, oder zusätzliche Sekundärmaßnahmen durch vorherige Modifikation der Akustik-Modellierung und eine neue Prognoseberechnung auf ihre Wirksamkeit geprüft werden können, hängt vom jeweiligen Einzelfall ab. Es stellt sich dann die grundsätzliche Frage, wie lange die Ursachenforschung, die Ermitt‐ lung einer Nachbesserungslösung und deren Einbau dauert. Ist dieser Prozess kurzfristig am Typprüf-Fahrzeug umsetzbar, sollte schnellstmöglich eine Wiederholungsprüfung unter gleichen Mess- und Umgebungsbedingungen wie bei der Erstprüfung anberaumt werden. Bei positivem Ausgang haben die entsprechenden Nachrüstungsmaßnahmen auch an den ggf. bereits fertiggestellten Fahrzeugen zu erfolgen und umgehend in die laufende Serienfertigung einzufließen. Werden die Grenzwerte erneut überschritten, ist eine tiefergehende Ursachenforschung erfor‐ derlich, die letztendlich zu der Frage führt, ob eine Nachbesserung zu einem späteren Zeitpunkt überhaupt vorstellbar und umsetzbar ist. Erfolgt hier ein sichtbares Bemühen und eine positive Einschätzung des Herstellers, wird dringend empfohlen, eine Vereinbarung über den zeitlichen Rahmen der Umsetzung und die spätere Abwicklung der Nachrüstung am Typprüf-Fahrzeug und den übrigen Fahrzeugen zu treffen, eine erfolgreiche Wiederholungsprüfung vorausgesetzt. Schwierig und aus akustischer Sicht unbefriedigend ist die Situation, wenn trotz eingehender Ursachensuche eine wirksame Nachbesserung auch zu einem späteren Zeitpunkt vom Hersteller als nicht machbar eingestuft wird. In Abhängigkeit vom Maß der Grenzwertüberschreitung würde in diesem Fall die zuvor empfohlene, vertraglich vereinbarte Sonderregelung mit den vereinbarten Kompensationsmaßnahmen in Kraft treten. 4.3 Akustik-Management bei der Fahrzeugbeschaffung 137 <?page no="140"?> Abschließend stellt Bild 4.4 die zuvor beschriebenen Ablaufschritte eines Akustik-Manage‐ ments bei der Fahrzeugbeschaffung in grafischer Form dar. Erstellung des Akustik-Lastenhefts mit Vorgabe von Grenzwerten und Prüf-/ Messkriterien Konzeptions- und Angebotsphase -- Besteller Ausschreibung / Einholung von Angeboten -- Besteller Technische Klärung / Überarbeitung Auswahl des Herstellers und Auftragserteilung Angebotsinhalt i. O. ? nein -- Besteller / Bieter ja Akustische Auslegung / Modellierung mit Prüfung der Komponenten-Nachweise -- Besteller Konstruktions- und Fertigungsphase Nachbesserungen, Materialwechsel, Sekundärmaßnahmen -- Hersteller / Unterlieferanten nein ja -- Hersteller / Unterlieferanten Ggf. Erstmusterprüfungen an Komponenten, Fertigung des Typprüf-Fahrzeugs, Bauüberwachung / Qualitätskontrolle der spezifizierten Bauteile und Fertigungsprozesse Fertigstellung des Typprüf-Fahrzeugs, Werksabnahme -- Besteller / Unterlieferanten -- Hersteller -- Besteller -- Hersteller Prognoseergebnisse i.O.? Prüfung und Bewertung der Angebote -- Besteller -- Besteller Inbetriebnahme und Abnahmephase Typprüfung auf vereinbartem Abnahmegleis Nachrüstung des Typprüf-Fahrzeugs Wiederholungsprüfung ja -- Besteller / Hersteller -- Hersteller -- Besteller / Hersteller nein Ursachenforschung Nachbesserung / Nachrüstung kurzfristig möglich? nein -- Hersteller Erfolgreiche Akustik-Abnahme ja nein Sondervereinbarung zur Kompensation ja nein Nachrüstung der übrigen Serienfahrzeuge -- Besteller / Hersteller Grenzwerte eingehalten? Nachbesserung / Nachrüstung später denkbar? Erstprüfung? -- Hersteller Zeitliche Vereinbarung der Umsetzung -- Besteller / Hersteller ja Bild 4.4: Schematischer Ablauf des Akustik-Managements 138 4 Schienenfahrzeuge <?page no="141"?> 4.4 Instandhaltung Gemäß DIN 31051 [4.11] werden Instandhaltungsarbeiten in die vier Grundmaßnahmen Inspek‐ tion, Wartung, Instandsetzung und Verbesserung eingeteilt. Darüber hinausgehend existiert mit DIN EN 13306 [4.12] eine detaillierte Norm mit vielen Fachbegriffen aus dem Instandhaltungs‐ wesen. Maßgebend für ein Fahrzeug-Instandhaltungsprogramm, also die Festlegung der Intervalle und Inhalte von planbaren Instandhaltungsarbeiten, sind vor allem die Vorschriften der Fahrzeug- und Baugruppen-/ Komponentenhersteller für Ihre Produkte sowie allgemeine und spezifische Erfahrungswerte aus dem langjährigen Betriebseinsatz der eigenen Bestandsflotte. Aus akustischer Sicht sind die auf die dauerhaft niedrige Gesamtemission eines Schienen‐ fahrzeugs abzielenden Instandhaltungsmaßnahmen sehr begrenzt. Es gibt in der Regel keine speziellen, in festgelegten Abständen durchzuführenden Akustik-Instandhaltungsprogramme. Dennoch sollten einige schalltechnische Prüfarbeiten Eingang in regelmäßige Inspektions- und Wartungsmaßnahmen und dann ggf. auch nachfolgende Instandsetzungsarbeiten finden. Hierzu zählen die • Funktionsprüfung und ggf. Nachbefüllung der Subsysteme zur Vermeidung/ Verringerung von Schallemissionen im Rad-Schiene-Bereich. Dazu gehören das ggf. vorhandene Spur‐ kranzschmiersystem, die Schienenkopf-Benetzungsanlage und die Schleuder- und Gleit‐ schutzeinrichtung des Antriebs zur Vermeidung von Flachstellen, die aus dem Kfz.-Bereich unter den Begriffen 'Anti-Schlupf-Regelung' und 'Anti-Blockier-System' bekannt ist. • Prüfung und ggf. Austausch der vielfach eingesetzten Elastomerelemente als Zwischenlagen, Dichtungen, Auflager und in Dämpfern auf Verschleiß und mit zunehmendem Fahrzeugalter fortschreitende Alterung/ Aushärtung. • Prüfung des eingebauten Abdichtungs- und Dämmmaterials bei Kabeldurchführungen, Durchlässen und Hohlräumen auf unveränderte Qualität (Beschädigung, Schrumpfung, Durchnässung), sofern die Zugänglichkeit und Inaugenscheinnahme möglich sind. • Prüfung des Differenzdrucks an Filtern, die in Aggregate und Heizungs-, Lüftungs- und Kli‐ matechnik-Kanälen eingebaut sind. Damit lässt sich auf einen erhöhten Verschmutzungsgrad schließen, der die Ursache für eine höhere (lautere) Lüfterleistung und Strömungsgeschwin‐ digkeit sein kann. Besonderes Augenmerk ist bei den Rädern auf Flachstellen, fertigungs- und nutzungsbedingte Radunrundheiten, eingefahrene Anhaftungen und raue Radlaufflächen (Riffeln, Polygone) zu richten, da diese den Luftschallpegel sowie den Körperschall- und Erschütterungseintrag in den Oberbau deutlich verstärken. Details hierzu siehe Kapitel 5. Es muss also das Bestreben sein, jegliche Radrauheiten und -unförmigkeiten zu vermeiden bzw. nach ihrem Auftreten unverzüglich durch Bearbeitung im eingebauten Zustand auf einer Unterflur-Raddrehmaschine zu beseitigen. Eine kontinuierliche und systematische Detektion mit Radfehlern behafteter Fahrzeuge ist nur mit stationären Messanlagen entlang der befahrenen Strecken gegeben. Werden bei Fahrzeug‐ überfahrten an solchen Monitoring-Stationen anhand definierter Grenzwerte zu große Rundlauf‐ abweichungen festgestellt, erfolgt automatisch eine Meldung an die Instandhaltungsplanung, so dass das betreffende Fahrzeug kurzfristig der Werkstatt zugeführt und die auffälligen Räder reprofiliert werden können. Weitere Details zur Technik einer derartigen Überwachung von Rädern siehe Kapitel 6. 4.4 Instandhaltung 139 <?page no="142"?> 4.5 Literatur zu Kapitel 4 [4.1] https: / / de.wikipedia.org/ wiki/ Magnetschwebebahn; - letzter Zugriff am 13.07.2023 [4.2] https: / / de.wikipedia.org/ wiki/ Bergbahn; letzter Zugriff am 13.07.2023 [4.3] https: / / de.wikipedia.org/ wiki/ Seilbahn; letzter Zugriff am 13.07.2023 [4.4] DIN 25004; Ausgabe: 2005-04, Entwurf (zurückgezogen) - Schienenfahrzeuge - Fahrwerke für Schienenfahrzeuge - Systematik und Begriffe [4.5] VDV-Schrift 611, Ausgabe 11/ 2011, Geräusche in Gleisbögen desschienengebundenen ÖPNV - Handlungsempfehlungen zu ihrer Verminderung [4.6] Verband Deutscher Verkehrsunternehmen e.V. (VDV) und VDV - Industrieforum e.V. (Hrsg.): Stadtbahnsysteme - Light Rail Systems - (Blaue Buchreihe), Köln 2014 [4.7] DIN 5566-1, Ausgabe 2020-05, Schienenfahrzeuge - Führerräume - - Teil 1: Allgemeine Anforderungen; - DIN 5566-2, Ausgabe 2020-05, Schienenfahrzeuge - Führerräume - - Teil 2: Zusatzanforderungen an Eisenbahnfahrzeuge; - DIN 5566-3, Ausgabe 2006-09, Schienenfahrzeuge - Führerräume - - Teil 3: Zusatzanforderungen an Nahverkehrs-Schienenfahrzeuge [4.8] DIN EN 16186-1, Ausgabe 2019-04, Bahnanwendungen - Führerraum - - Teil 1: Anthropometrische Daten und Sichtbedingungen; - DIN EN 16186-2, Ausgabe 2017-12, Bahnanwendungen - Führerraum - - Teil 2: Integration von Displays, Bedien- und Anzeigeelementen; - DIN EN 16186-3, Ausgabe 2022-05, Bahnanwendungen - Führerraum - - Teil 3: Displaygestaltung für Vollbahnfahrzeuge; - DIN EN 16186-4, Ausgabe 2019-09, Bahnanwendungen - Führerraum - - Teil 4: Gestaltung und Zugang; - DIN EN 16186-5, Ausgabe 2021-10, Bahnanwendungen - Führerraum - - Teil 5: Sichtbedingungen nach außen bei Straßenbahnfahrzeugen; - DIN EN 16186-6, Ausgabe 2022-01 (Entwurf), Bahnanwendungen - Führerraum - - Teil 6: Integration von Displays, Bedien- und Anzeigeelementen bei Straßenbahnfahrzeugen; - DIN EN 16186-8, Ausgabe 2022-06, Bahnanwendungen - Führerraum - - Teil 8: Gestaltung und Zugang bei Straßenbahnfahrzeugen 140 4 Schienenfahrzeuge <?page no="143"?> [4.9] Amtsblatt der Europäischen Union: Verordnung Nr. 1304/ 2014 der Kommission über die technische Spezifikation für die Interoperabilität des Teilsystems "Fahrzeuge-Lärm", geändert am 16. Mai 2019 - (TSI Lärm) [4.10] VDV-Schrift 154; Ausgabe 06/ 2011, Geräusche von Schienenfahrzeugen des Öffentlichen Personen-Nahverkehrs (ÖPNV) [4.11] DIN 31051, Ausgabe 2019-6, Grundlagen der Instandhaltung [4.12] DIN EN 13306, Ausgabe 2018-2, Instandhaltung - Begriffe der Instandhaltung; Dreisprachige Fassung 4.5 Literatur zu Kapitel 4 141 <?page no="144"?> (5.1) (5.2) (5.3) 5 Luft- und Körperschallanregung F. Krüger 5.1 Grundlagen der Schallanregung und -abstrahlung Wird ein fester Körper durch Einwirkung einer äußeren Kraft zu Schwingungen angeregt, dann kommt es in der Regel zu einer Abstrahlung von Luftschall. Im Schienenverkehr wirken sehr unterschiedliche Kräfte auf ebenfalls sehr verschiedene Bauteile mit einem stark voneinander abweichendem Schwingungsverhalten ein. Das Schwingungsverhalten eines Körpers kann durch seine Admittanz beschrieben werden. Im Anhang C sind einige Beispiele hierzu enthalten. Vereinfacht handelt es sich um Flächen, die sowohl eben als auch gekrümmt sein können. Die Größe der Abstrahlung wird von dem jeweils vorhandenen Material beeinflusst, da bei gleicher Anregung die Materialien verschieden reagieren. In [5.1] wird der Abstrahlgrad wie folgt definiert: „Der Abstrahlgrad σ ist das Verhältnis der Schallleistung W, die von einer schwingenden Fläche S (mit dem räumlich gemittelten, quadrierten Effektivwert der Normalschnelle (Schwinggeschwin‐ digkeit v ef f , m 2 ) real abgestrahlt wird, zur fiktiven Schallleistung, die von derselben Fläche (mit demselben Mittelwert des Schwinggeschwindigkeitsquadrats) konphas (gleichphasig) als ebene Welle abgestrahlt wird“. Es gilt: σ = W ρ • c • v eff, m 2 • S = W Z 0 • v eff, m 2 • S Nm s N • s2 m • m3 • m s • m2 s2 • m 2 = [ − ] Der Abstrahlgrad ist somit dimensionslos. Die Schallleistung W ergibt sich dann zu: W = σ • ρ • c • v eff, m 2 • S = I • S = p • v eff, m • S N m 2 • ms • m 2 1 = Nm s und der Schalldruckpegel zu p = W v eff, m • S Nm s m • m2 s = N m 2 Mit Z 0 = ρc (Schallstrahlungsimpedanz (= Schallkennimpedanz, auch Wellenwiderstand), ρ = Dichte der Luft und c = Schallgeschwindigkeit). <?page no="145"?> Anmerkung: In den Gleichungen (5.1) bis (5.3) sind die Einheiten in eckigen Klammern dargestellt. Diese Gleichungen sollen hier nur die Abhängigkeit des abgestrahlten Schalldrucks aufzeigen, er ist vorrangig von der Schallleistung, der Schwinggeschwindigkeit des strahlenden Bauteils (Körperschall) und der strahlenden Fläche abhängig. Mit zunehmendem Abstand von der Quelle nimmt der Schalldruck ab (siehe Kap. 2). Weitergehende Hinweise zu diesem Thema sind u. a. in [5.1], [5.2], [5.3], [5.4] und [5.5] zu finden. 5.2 Dominante Schallquellen Schienenfahrzeuge lassen sich hinsichtlich der Schallquellen grob in zwei Gruppen einteilen: • Nicht angetriebene Wagen: Alle Wagen, die mit einer Lokomotive bewegt werden (Reisezug- und Güterzugwagen), • Fahrzeuge mit eigenem Antrieb. Lokomotiven, Triebfahrzeuge (ICE und Regional-/ S-Bahnen, Straßen-, Stadt- und U-Bahnen) und Arbeitsfahrzeuge. Hinweis: Auf Arbeitsfahrzeuge wird in diesem Buch nur am Rande eingegangen (siehe Kapitel 4). Die Schallquellen einer Niederflur-Straßenbahn sind beispielhaft in Bild 5.1 dargestellt. Bei Hochflurfahrzeugen sind viele Aggregate unterflur angeordnet. Stromabnehmergeräusche kön‐ nen beim Gleiten entlang der „dritten“ Schiene (Stromschiene), insbesondere an den Lücken der Stromschienen, auftreten. Bei Hochgeschwindigkeitszügen mit v > 200 km/ h treten aerodynami‐ sche Geräusche, insbesondere an den Stromabnehmern, im Front- und Heckbereich sowie an den Wagenübergängen und den Drehgestellen, auf. Aggregatgeräusche: - Klimaanlage Fahrgastraum - Klimaanlage Fahrerraum - Umrichter � Fatvoos:lroLnr�nDICrrr"g,.r□�t Raa/Schiene-Geräusch: - Rollgeräusch Türgeräusche: - Öffnen - Zischen - Quietschen - Stoßgeräusche - Schließen - Warnsignale Stroma bnehmergeräusche Bremsgeräusche: - Quietschen A-Wa!iJ.en FatY"QOslrounlQII = "°'=°'=,.,-=" ��- -� Antriebsgeiä'usctie: - Motor - Getriebe - Lüfter - Spur kranzschmierung (Pneumatik) Bild 5.1: Wesentliche Schallquellen bei einer Niederflur-Straßenbahn, Beispiel K4500 der Kölner Verkehrsbetriebe (KVB) 5.2 Dominante Schallquellen 143 <?page no="146"?> Bei anderen Schienenfahrzeugen sind weitgehend ähnliche Schallquellen vorhanden. Nur die Aggregate sind hinsichtlich ihrer Art, ihrer Anordnung und Leistung unterschiedlich. Ein Beispiel für Schallquellen an einem Dieseltriebfahrzeug zeigt Bild 5.2 und für ein S-Bahnfahrzeug mit Oberleitung Bild 5.3 [5.6]. Lärmquellen bei Diesel- Lokomotiven Leistungselektronik \ Kompressor mit Zwischenkühlung Haube Fahrmotorbelüftung Getriebekasten Bremswiderstände Fahrmotor Rad und Schiene Zahnräder Maschinenraumbelüftung Schalldämpfer hydrostatischer Hilfsantrieb Ansaugstutzen für Verbrennungsluft AC- Generator oder hydraulisches Getriebe Kühlluftaustritt Kühlluftgebläse .........,---...J'\. üh11uft- Rahmen Drehgestell Achsgetriebe Bild 5.2: Beispiel für Schallquellen bei Diesel-Lokomotiven Stromabnehmerschleifen Enrnrn u u 0 1 □ Bremse Getriebe: Zahneingriff + Gehäuse Umrichter Tür öffnen/ schließen akust. Warnton LJ LJ(Trn □ I LJ 10 Luftbehandlung Kompressor Stromabnehmerschleifen Fahrmotor mit Lüfter Fahrgastraumlüfter Rad-Schiene Lärm Rollgeräusch + Kurvenkreisehen Spurkranzschmierung Bild 5.3: Schallquellen bei elektrischen Triebwagen. Bei Systemen mit einer Stromschiene stellt diese ebenfalls eine Schallquelle dar (insbesondere bei Unterbrechungen im Bereich von Weichen, Seitenwechseln und Überwegen). Die Bedeutung der einzelnen Schallquellen für die Gesamtschallemission hängt von mehreren Faktoren ab. In Bild 5.4 sind diese zusammenfassend dargestellt. Je nach Zustand bzw. Ausfüh‐ rung der dargestellten Komponenten ist ihr Beitrag zur Gesamtschallemission unterschiedlich. Bei Dieseltriebwagen treten auch die für die Diesellok dargestellten Schallquellen auf (Bild 5.2). 144 5 Luft- und Körperschallanregung <?page no="147"?> Anmerkung: Da für akustische Untersuchungen Fahrzeuge sowohl mit einer unterschied‐ lichen Technik als auch mit verschiedenen Wartungszuständen zur Verfügung stehen, ist jeweils deren aktueller „Zustand“ zu beschreiben und zu analysieren. Auf die jeweiligen Unterschiede kann hier nicht im Detail eingegangen werden. Für eine Schallprognose nach 16. BImSchV wurden verschiedene Fahrzeugarten zu einer Gruppe zusammengefasst (standardisiert) und hierfür die längenbezogene Schallleistung beschrieben. L p (t) Rauheit Rad Geschwindigkeit Rauheit Schiene Gleis-Abklingrate Eigenfrequenzen Vibroakustik Fahrzeug Vibroakustik Gleis Gleispflege Radpflege Radgeometrie Eigenfrequenzen Bild 5.4: Einflussgrößen auf die Rollgeräuschemissionen eines Schienenfahrzeuges Bild 5.5 gibt zusammenfassend einen Überblick zur Anregung und Ausbreitung von Luft- und Körperschall im Schienenverkehr. Hierin sind auch die Auswirkungen dieser Emissionen auf die Umgebung dargestellt. Hierzu gehören benachbarte Gebäude, Haltestellen sowie Fahrzeuginnen‐ räume. Des Weiteren zeigt dieses Bild die Möglichkeiten auf, die zur Minderung der Immissionen beitragen können. Hierbei handelt es sich um Maßnahmen • an der Quelle (Anregung, Emission), • auf dem Übertragungsweg (Transmission) und • am Immissionsort. In den folgenden Abschnitten werden die einzelnen Schallquellen näher beschrieben. Die mögli‐ chen Schallminderungsmaßnahmen an der Quelle und auf dem Übertragungsweg sind in Kapitel 7 zusammengefasst. 5.2 Dominante Schallquellen 145 <?page no="148"?> Ausbreitung in den Wageninnenraum Unebenheiten (Flachstellen, Schienenstöße usw.) Diskontinuierliche Schienenlagerung (Stützpunktabstand) Rauheit, Riffeln auf den Fahrflächen von Rad u. Schiene Körperschall im Radsatz stick-slip (Kurvenquietschen) Körperschall im Drehgestell Körperschall im Rad Luftschall im Fahrzeug Wanddämmung/ Wanddämpfung Luftschall im Freien Ausbreitungsdämpfung (Wand- und Fenster- Dämmung und - Dämpfung) Luftschall in Anliegerwohnungen Sekundärschall in Anliegerwohnungen Körperschall und Erschütterungen in Anliegerwohnungen Ausbreitungsdämmung und -dämpfung im Boden Körperschall in der Schiene Rad/ Schiene Wechselwirkung Übertragung Oberbau Unterbau (Tunnel/ Brücke/ Boden) Anregungsursachen Auswirkungen auf Emissionsbereich Immissionsbereich Bild 5.5: Zusammenfassende Darstellung der Anregung von Luft- und Körperschall im Schienenverkehr 5.3 Dominante Anregungsfrequenzen Im Bereich des Schienenverkehrs sind weitgehend nur metallische Bauteile sowohl bei den Fahrzeugen als auch im Oberbau (Gleis) im Einsatz. Diese Aussage gilt ausschließlich für die schallabstrahlenden Bauteile. Vorrangig sind dies beim: • Fahrzeug: Rad, Radsatz, Drehgestellrahmen, Motor-, Getriebe- und Aggregatgehäuse, Auf‐ bauten (Seitenwände und Dach), Längsträger und sonstige Bauteile, vorwiegend sind hier Stahl und/ oder Aluminium verbaut. Für den Schall im Fahrzeug sind weiterhin andere Materialien verantwortlich, die sowohl strahlend und reflektierend als auch absorbierend (z. B. Sitzpolster) wirken können. • Oberbau (Gleis): Schienen und Schienenbefestigungselemente, z. T. Schwellen (z. B. Y-Schwel‐ len). 146 5 Luft- und Körperschallanregung <?page no="149"?> (5.4) (5.5) (5.6) (5.7) Außerdem kommen hier die Materialien Holz, Beton, Asphalt, Schotter und Erde (Grüne Gleise) zur Anwendung. Diese Materialien wirken teilweise reflektierend, teilweise absor‐ bierend. Alle genannten Bauteile haben sehr unterschiedliche Formen / Geometrien, gemeinsam ist ihnen, dass sie alle zu Körperschall angeregt werden und somit grundsätzlich auch Schall abstrahlen können. Die Anregungsmechanismen sind dabei jeweils sehr unterschiedlich. Z.-B. gelten für den Antrieb und die Aggregate folgende Zusammenhänge [5.6]: • Fahrmotor (Kommutator-Pfeifen) f = n ⋅ l L 60 n Drehzahl des Motors in 1/ min, l L Lamellenanzahl, f Frequenz. • Getriebe (Zahneingriffsfrequenz) f = n ⋅ z 60 n Drehzahl des Radsatzes in 1/ min, z Zähnezahl für Großrad, • Lüfter (Schaufeldrehklang) f = n ⋅ l S 60 n Drehzahl des Lüfters in 1/ min, l S Anzahl Schaufeln des Lüfter Rades, • Dieselmotor, Kolbenkompressor f = n ⋅ k ⋅ 2 60 ⋅ t mit n Drehzahl in 1/ min, k Anzahl Zylinder, t Taktzahl: 2 für Zweitaktmotoren und Kompressoren, 4 für Vier‐ taktmotoren. 5.3 Dominante Anregungsfrequenzen 147 <?page no="150"?> Neben den in den Gleichungen (5.4) bis (5.7) aufgeführten Grundfrequenzen sind auch deren Harmonische (Frequenzen mit einem ganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz) zu beachten, die oftmals größere Amplituden aufweisen als die Grundfrequenz. Bei mit Leistungshalbleitern ausgerüsteten Fahrzeugen ist die Taktfrequenz und das Taktver‐ fahren, das zudem oft für verschiedene Geschwindigkeitsbereiche unterschiedlich ist, durch die elektrische Ansteuerung vorgegeben. Bei unterschiedlichen Fahrgeschwindigkeiten lassen sich die Anregungsfrequenzen und deren Harmonische bestimmen. 5.4 Schallanregung im Rad/ Schiene-Kontaktbereich 5.4.1 Überblick Die beim Rollen der Räder auf der Schiene generierten Kräfte bewirken eine Körperschallan‐ regung von Rad und Schiene (Schwelle / Betonplatte). Bild 5.6 zeigt zusammenfassend die wesentlichsten Anregungsursachen für diesen Körperschall. Ergänzend hierzu zeigt Bild 5.7 die wesentlichen „Bauteile“, die den angeregten Körperschall als Luftschall abstrahlen. Insbesondere Betonschwellen und deren elastischer Befestigung beeinflussen die Höhe der gesamten Schall‐ emissionen. Weg s v Fzg F dyn Glatte Schienenfahrfläche (ohne "Störstellen") Rad- und Schienenfahrflächenrauheit Auskehlung durch Schleudern der Räder beim Anfahren Stoßstelle (Schweiß-/ Isolierstoß usw.) Flachstelle Schwellen im Schotterbett el. Schienenlagerung Feste Fahrbahn Bild 5.6: Körperschall-Anregungsmechanismen im Rad-/ Schiene-Bereich infolge von Unebenheiten und Rauheiten auf den Fahrflächen von Rad und Schiene, Lücken (eben und versetzt, Δz), Flachstellen, Auskehlungen usw. 148 5 Luft- und Körperschallanregung <?page no="151"?> Bild 5.7: Körperschall-Anregungsmechanismen im Rad-/ Schiene-Bereich. Hier ist das Rad mit Schall-Absorbern bestückt Durch die Körperschallanregung im Rad-/ Schiene-Bereich werden im Wesentlichen folgende Geräusche abgestrahlt: • Rollgeräusche, • Stoßgeräusche, • Kurvengeräusche. Diesen Geräuscharten liegen jeweils unterschiedliche Erregermechanismen zugrunde. Demnach sind zur Minderung bzw. Vermeidung dieser Geräusche verschiedene Verfahren erforderlich. Im Folgenden werden die Erregermechanismen dieser Geräuscharten kurz beschrieben, Minder‐ ungsmöglichkeiten sind in Kapitel 7 zusammengefasst. 5.4.2 Rollgeräusche - 5.4.2.1 Modell Ein zu Bild 5.6 erweitertes, komplexeres Modell der Rollgeräuschanregung von Rad und Schiene zeigt Bild 5.8. Grundlage der Anregung ist die Gesamtrauheit von Rad und Schiene. Über eine Filterfunktion (Verformungen im Aufstandspunkt), den Schwingwiderständen beider Komponen‐ ten (Impedanz Z) werden beide Bauteile zu Körperschall (KS) angeregt. Je nach Ausführung der elastischen Lagerung der Schienen (Steifigkeit, Dämpfung) werden auch die Schwellen oder eine andersartige Befestigungsgrundlage für die Schienen zu Körperschall angeregt. Dieser Körperschall - er umfasst den gesamten hörbaren Frequenzbereich von 20 Hz bis 20 kHz - breitet sich in Form von Wellen in den angeregten Körpern aus und wird als Luftschall abgestrahlt. Dominant sind, bei einer A-Bewertung, in der Regel die Oktaven von 63 Hz bis 8 kHz (Anlage 2 zur 16. BImSchV von 2014). 5.4 Schallanregung im Rad/ Schiene-Kontaktbereich 149 <?page no="152"?> Bild 5.9 zeigt die an der Schallabstrahlung beteiligten Komponenten im Rad-/ Schiene-/ Schwelle-Bereich. Das Bild zeigt ein gummigefedertes Rad wie es bei Straßenbahnen häufig eingesetzt wird. Im Nahverkehrsbereich ist in der Regel der Radkranz die dominante Schallquelle. Daher werden hieran die Radschallabsorber montiert (Kapitel 7). Bei U-Bahnen und Eisenbahnen werden keine gummigefederten Räder eingesetzt. Die Art der elastischen Schienenlagerung beeinflusst sowohl die Abklingrate der Schiene (Körperschallabnahme in Schienenlängsrichtung) als auch die Übertragung von (tieffrequenten) Schwingungen auf die Schwelle und weiter in den Unterbau. In Abhängigkeit vom Abstrahlgrad der angeregten Bauteile wird Luftschall (LS) emittiert. Die Summe der abgestrahlten Schalle durch diese Bauteile (Schallquellen) ergibt dann die Ge‐ samtschallemission. Durch Schallmessungen neben einem vorbeifahrenden Fahrzeug wird dieser Schall gemessen (Kapitel 6). Je nach Geschwindigkeit sind in den Vorbeifahrgeräuschen auch Schallemissionen des Antriebs (Motor, Getriebe) und von Aggregaten (z. B. Lüftung) enthalten. Rad- Rauheit Filterfunktion Schienen- Rauheit Impedanzen von Rad und Schiene KS Schwellen KS Fahrbahn, Abstrahlgrad Raddurchmesser, elastische Verformungen im Aufstandspunkt Abstrahlgrad Rad Abstrahlgrad Schiene Schallemission Summenrauheit KS Rad LS Rad KS Schiene LS Schiene + + + + Anregung Übertragung / Abstrahlung Emission Parameter Impedanz: Z = F/ v in N/ (m/ s) = 1(Y) KS: Körperschall; LS: Luftschall Bild 5.8: Modell zur Rollgeräuschanregung (nach Remington) Gummikörper (bei gummigefederten Rädern) Schallabstrahlung Rad Stützpunktlager (elastisch) Schiene Spurkranz Radscheibe Radachse Radreifen Schwelle / Sohle / Platte / Aspalt / Pflaster (mit Schallabstrahlung) Bild 5.9: Schallabstrahlung von Rad, Schiene und Schwelle, Beispiel für ein (halbes) gummigefedertes Straßen‐ bahnrad 150 5 Luft- und Körperschallanregung <?page no="153"?> 1 Dieser Abschnitt wurde weitgehend aus [5.23] übernommen. (5.8) 5.4.2.2 Spezielle Geräusche bei Eisenbahnen 1 Für Geschwindigkeiten unter 200-km/ h ist das Rollgeräusch die wichtigste Schallquelle. Je rauer die Fahrflächen von Rad und Schiene sind, desto größer sind die Schallemissionen. Nach gängiger theoretischer Vorstellung werden die rauen Fahrflächen der Schienen vom Rad während der Fahrt „abgespielt“. Die entstehenden Kräfte bewirken dabei eine Körperschallanregung des Rades und der Schiene (Schwelle). Wird ein Rad mit einer Punktkraft bei unterschiedlichen Frequenzen zu Schwingungen ange‐ regt und die sich dadurch einstellende Schwinggeschwindigkeit am Anregungspunkt gemessen, so ergibt sich aus dem Verhältnis beider Größen (= Admittanz Y(if)) ein Maß für die Anregbarkeit des Rades. Eine große Admittanz bedeutet, dass sich das Rad leicht anregen lässt (eine geringe Kraft ist erforderlich, um große Schwinggeschwindigkeitsamplituden zu erreichen, s.a. Kap. 2). Mit dieser Methode lässt sich auch die Wirksamkeit von körperschallmindernden Maßnahmen (Dämpfung, Absorption) am Rad ermitteln. Bild 5.10 zeigt die Admittanz eines Rades. Dieses Rad zeigt ein kompliziertes Schwingungs‐ verhalten. Über 1.500 Hz treten zahlreiche Biegeeigenschwingungen (Resonanzen) auf, z. B. bei den Frequenzen von 1.941 Hz, 2.229 Hz, 2.799 Hz usw., die ganz wesentlich zur Schallabstrahlung beitragen. Um ein leises Rad zu entwickeln, ist es erforderlich, diese Resonanzen zu reduzieren (zu dämpfen) oder in einen unkritischen (akustischen) Frequenzbereich zu verschieben. Der Schalldruck des Rollgeräusches nimmt mit der Fahrgeschwindigkeit v nach einem Potenz‐ gesetz zu: p ∼ v α mitα = 3, als Pegel geschrieben L pA = L pA0 + 30 • lg v v 0 mit v 0 = Bezugsgeschwindigkeit. Für Schallberechnungen (16. BImSchV) wurde diese Geschwin‐ digkeit auf 100-km/ h festgelegt. Bei höheren Geschwindigkeiten (über 200 km/ h) treten neben dem Rollgeräusch auch aerody‐ namische Geräusche auf. Für diese kann man im Mittel einen Geschwindigkeitsexponenten von ca. 6 (teilweise auch 7) annehmen (Bild 5.11 und Tabelle 5.1). Das hier dargestellte Bild zeigt nur einen generellen Zusammenhang zwischen Schallpegel und Geschwindigkeit auf, weiter unten werden konkretere Zusammenhänge genannt. 5.4 Schallanregung im Rad/ Schiene-Kontaktbereich 151 <?page no="154"?> -60---------=- 2 -'--' Kn ;.;;..·...:....; 19 ;....;. 4 .;...; 1H ...:..:: z � 2 =-..: K = n c....:a· 2 = 22 = 9 ---'-' H '-=z _� \ + 3 Kn : 2 7 99Hz Y= v/ F in (m/ s)/ N -80 z - �445 kg - 88 Hz__ •. • � �- (±)(±) � 0, 7" \ • � t 4 Kn : ,3 4 3 4Hz 1 / : •ie. � t ,r C E-] � a , ..._ ✓ _K n : 424 6 Hz -@- ' \ � -100 Masse ' : J \_: === Steifig- LL::J.: === keit .. 3·10 9 N/ m CO"O C -- >- -120 0') 0 -140 - = - ''- - 8 16 31 63 125 250 500 1k 2k 4k Bk Frequenz in Hz/ kHz Bild 5.10: Admittanz log Y if eines Eisenbahnrades: Pegel der Punkt-Eingangsadmittanz, radiale Anregung mittig auf der Fahrfläche. Scheibenrad Bauart 92 (Kn ⇒ Anzahl der Knoten) 152 5 Luft- und Körperschallanregung <?page no="155"?> 10 100 L pAeq , T dB(A) log v, km/ h Antriebs-G. Roll-G. Aerodyn-G. Gesamt-G. v gering v mittel v hoch v t1 v t2 10 dB L p,ae L p,r L p,a 10 50 100 200 400 G: Geräusche Bild 5.11: Gesamte Geräuschemissionen eines Hochgeschwindigkeitszuges und dessen Komponenten als Funktion der Fahrgeschwindigkeit (s.a. Tabelle 5.1). L pa : Antriebs- und Aggregatgeräusche, L pr : Rollgeräusche, L pae : aerodynamische Geräusche. v t1 : ca. 60-km/ h; v t2 : ca. 200-km/ h bis 250-km/ h. Beim ICE der Deutschen Bahn AG handelt es sich im internationalen Vergleich um einen leisen Hochgeschwindigkeitszug, mit einem Vorbeifahrpegel L pAeq,T kleiner 90 dB(A) bei 300 km/ h in 25 m Entfernung, 3,5 m über der Schienenoberkante (SO). In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass der ICE aerodynamisch günstig gestaltet ist und seine Räder zur Reduzierung des Rollgeräuschs mit Radschallabsorbern ausgerüstet sind. In Bild 5.12 sind Beispiele für die akustisch relevante Fahrzeugausführungen der DBAG dargestellt. 5.4 Schallanregung im Rad/ Schiene-Kontaktbereich 153 <?page no="156"?> 189 189 In Bild 5.12 sind Beispiele für die akustisch relevante Fahrzeugausführungen der DBAG dargestellt. Bild 5.12: Beispiele für Kopfformen und Übergängen von Eisenbahnfahrzeugen sowie Stromabnehmer und Aggregate auf dem Dach mit „freier“ Schallabstrahlung Der Vorbeifahrpegel eines Eisenbahnzuges setzt sich zusammen aus der Summe aller Teilschallquellen (im Wesentlichen Räder, Schienen und teilweise Schwellen). Im Geschwindigkeitsbereich bis ca. 60 km/ h dominieren Antriebsgeräusche (z.B. von Fahrmotoren und Hilfsbetrieben). Das Rollgeräusch, abgestrahlt von Rad, Schiene und Schwelle, ist eine wesentliche Schallquelle im mittleren Geschwindigkeitsbereich von ca. 60 km/ h bis 200 km/ h (250 km/ h). Bild 5.12: Beispiele für Kopfformen und Übergängen von Eisenbahnfahrzeugen sowie Stromabnehmer und Aggre‐ gate auf dem Dach mit „freier“ Schallabstrahlung Der Vorbeifahrpegel eines Eisenbahnzugs setzt sich zusammen aus der Summe aller Teilschall‐ quellen, Tabelle 5.1 (im Wesentlichen Räder, Schienen und teilweise Schwellen). Im Geschwin‐ digkeitsbereich bis ca. 60 km/ h dominieren Antriebsgeräusche (z. B. von Fahrmotoren und Hilfsbetrieben). Das Rollgeräusch, abgestrahlt von Rad, Schiene und Schwelle, ist eine wesentliche Schallquelle im mittleren Geschwindigkeitsbereich von ca. 60-km/ h bis 200-km/ h (250-km/ h). Antriebsgeräusch Rollgeräusch Aerodynamisches Geräusch L pa = K a + 10 • lg v v ref L pr = K r + 30 • lg v v ref L pae = K ae + (60 − 70) • lg v v ref • Fahrmotoren • Getriebe • Lüfter • Klimaanlage • Aggregate Rad-Schiene-Kontakt; davon liefern die Räder den maximalen Anteil. Dominante Frequenzbereiche: f Rad > 1.600-Hz f Schiene < 1.000-Hz Strömungs- und Wirbelablösung an einzelnen Bauteilen (hauptsächlich im Bereich der Wagenübergänge, Drehgestelle, Dachaufbauten, Stromabnehmer). K a , K r und K ae : Individuelle Basisschallpegel, je nach Zugart und weiteren Randbedingungen, siehe auch Bild 5.4. Tabelle 5.1: Gesamtgeräusch eines Hochgeschwindigkeitszuges und dessen Komponenten als Funktion der Fahr‐ geschwindigkeit, dominierende Geräuschquellen 154 5 Luft- und Körperschallanregung <?page no="157"?> Im Hochgeschwindigkeitsbereich ab etwa 200 km/ h gewinnen die aerodynamischen Geräusche mehr und mehr an Bedeutung. Sie werden durch Wirbelablösungen an einzelnen Bauteilen verursacht, wie z. B. an Diskontinuitäten in der Außenkontur des Zuges, im Bereich der Drehge‐ stelle und am Stromabnehmer mit den Dachaufbauten. Insbesondere sollten die Bauelemente der Stromabnehmer bei Hochgeschwindigkeitszügen eine aeroakustisch günstige Form erhalten, da sie als hochliegende Schallquellen durch Schallschutzwände häufig nicht abgeschirmt werden können. Bei Fahrt auf Brücken kommen zum Rollgeräusch zusätzliche Geräusche durch die angeregten und dann abstrahlenden Strukturen der Brücke hinzu. Hierbei handelt es sich in der Regel um Geräusche mit Frequenzen unter 150 Hz (Eigenfrequenzen der Brückenstruktur). In Gleisbögen mit Radien < 500 m kann es bei Eisenbahnen und < 200 m bei Straßenbahnen zu Quietschund/ oder Rumpelgeräuschen kommen. - 5.4.2.3 Riffel Das Rollgeräusch von Schienenfahrzeugen wird wesentlich von dem Oberflächenzustand der Rad- und Schienenlaufflächen bestimmt. Dies lässt sich besonders deutlich an dem Beispiel der Schallpegelanhebung bei der Fahrt über geriffelte Schienen feststellen. Schienenriffeln sind mehr oder weniger regelmäßige Unebenheiten auf der Fahrfläche mit Wellenlängen von ca. 3 cm bis 7 cm und Höhenunterschieden zwischen „Riffelberg“ und „Riffeltal“ von maximal 0,4 mm (Beispiel siehe Bild 5.13). Bei diesem Extremzustand werden gegenüber einer Fahrt über geschliffene Schienen Schallpegelerhöhungen von 15 dB und mehr gemessen, wobei, abhängig von der Riffelwellenlänge und der Fahrgeschwindigkeit, relativ schmale Frequenzbänder angeregt werden. 191 Bild 5.13: Beispiel für ein Messergebnis r z (s) einer verriffelten Schiene mit r z Riffelamplitude und s abgetastete Wegstrecke, λ = 3,1 cm, rechts im Bild ist die sich hiermit ergebende Riffelfrequenz f(v) dargestellt. Die Entstehung der Schienenriffeln im Eisenbahnwesen ist seit Jahrzehnten Gegenstand von Forschungsaktivitäten, ohne dass bis heute eine allgemein anerkannte Theorie hierzu vorliegt (in [5.7] werden hierzu einige Modelle vorgestellt), die zu praktisch umsetzbaren Vorschlägen zur Vermeidung der Riffelbildung geführt hätten. In einem Fall [5.8] konnte, bei einem offenbar recht schwingungsanfälligen Oberbau in einem Nahverkehrs-Schienennetz, ein Zusammenhang zwischen einer gekoppelten Longitudinal- und Vertikalschwingung der Schiene (Frequenz: 108 Hz) und der ungewöhnlich starken Riffelbzw. Wellenbildung nachgewiesen werden. Die Wellenlängen λ entsprachen den bei bestimmten Geschwindigkeiten und der genannten Schwingungsfrequenz von 108 Hz zu erwartenden Werten. Ähnliche Erscheinungen wie auf den Schienen werden teilweise auch auf Rädern beobachtet. Geriffelte Radlaufflächen führen zu Pegelerhöhungen von bis zu 10 dB und mehr. Aufgrund der Beobachtung, dass die Fahrgeräusche klotzgebremster Eisenbahnwagen (mit Grauguss-Bremsklötzen) i.a. deutlich lauter sind als bei scheibengebremsten Fahrzeugen, sind Untersuchungen über die -3 -2,5 -2 -1,5 -1 -0,50 0,5 1 1,5 2 2,5 3 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Amplitude r, µm Weg s, m λ gefiltert für Riffelwellenlängen von 10 mm - 30 mm λ λ X X l Wellenlänge X andere Unebenheit 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 0 100 200 300 f, Hz v, km/ h Bild 5.13: Beispiel für ein Messergebnis r z (s) einer verriffelten Schiene mit r z Riffelamplitude und s abgetastete Wegstrecke, λ = 3,1-cm, rechts im Bild ist die sich hiermit ergebende Riffelfrequenz f(v) dargestellt. Die Entstehung der Schienenriffeln im Eisenbahnwesen ist seit Jahrzehnten Gegenstand von Forschungsaktivitäten, ohne dass bis heute eine allgemein anerkannte Theorie hierzu vorliegt (in [5.7] werden hierzu einige Modelle vorgestellt), die zu praktisch umsetzbaren Vorschlägen zur Vermeidung der Riffelbildung geführt hätten. In einem Fall [5.8] konnte, bei einem offenbar recht schwingungsanfälligen Oberbau in einem Nahverkehrs-Schienennetz, ein Zusammenhang zwischen einer gekoppelten Longitudinal- und Vertikalschwingung der Schiene (Frequenz: 108 Hz) und der ungewöhnlich starken Riffelbzw. Wellenbildung nachgewiesen werden. Die Wellenlängen λ entsprachen den bei bestimmten Geschwindigkeiten und der genannten Schwingungsfrequenz von 108-Hz zu erwartenden Werten. 5.4 Schallanregung im Rad/ Schiene-Kontaktbereich 155 <?page no="158"?> Ähnliche Erscheinungen wie auf den Schienen werden teilweise auch auf Rädern beobachtet. Geriffelte Radlaufflächen führen zu Pegelerhöhungen von bis zu 10 dB und mehr. Aufgrund der Beobachtung, dass die Fahrgeräusche klotzgebremster Eisenbahnwagen (mit Grauguss-Brems‐ klötzen) i.a. deutlich lauter sind als bei scheibengebremsten Fahrzeugen, sind Untersuchungen über die Zusammenhänge bei der DB AG in München durchgeführt worden. Demnach lässt sich zumindest eine Form der Radriffeln eindeutig auf das Bremsen mit der Klotzbremse zurückführen. Diese Radriffeln weisen Wellenlängen zwischen 2 cm und 9 cm auf, schwerpunktmäßig zwischen 2 cm und 4 cm, wobei die Abstände sogar auf dem gleichen Rad um den Faktor 2 variieren können. Dementsprechend werden in den Frequenzspektren mehrere Frequenzbänder angehoben, s. Bild 5.14 und Bild 5.15 [5.9]. Die mehr oder weniger regelmäßigen und meist mit bloßem Auge erkennbaren Riffeln stellen einen Sonderfall zum Thema „Rauheit“ dar. Auch wenn die Fahrflächen von Rädern und Schienen „riffelfrei“ sind, weisen sie stochastische Abweichungen von einer ideal glatten Oberfläche auf, die einen Beitrag zur Geräuschentstehung liefern. Erfahrungen von verschiedenen Nahverkehrsbetrieben ([5.10], [5.11]) zeigen, dass durch Schleifen einer nicht geriffelten Schiene Pegelminderungen von ca. 3 dB erzielbar sind. Nach einer gewissen Anzahl von Überrollungen, oft schon nach wenigen Tagen, kann durch Ausbildung eines glatten Fahrspiegels eine weitere Absenkung um 2-dB eintreten. 40 50 60 70 80 90 100 16 32 63 125 250 500 1 2 4 8 16 L p , dB Terzmittenfrequenz f Tn , Hz/ kHz Spek 1 Spek 2 Spek 3 Spek 4 Bild 5.14: Terzspektren der Schallabstrahlung bei der Vorbeifahrt im Abstand von 7,5-m von Gleismitte, 1,5-m über SO. Oberbau K 54 H. Drehgestelle Minden-Deutz (MD) 33 / 36. Doppelt gewellte Radscheiben Spek 1: 160 km/ h Drehgestelle mit Graugussklotzbremse Spek 2: 160-km/ h Drehgestelle mit Scheibenbremse Spek 3: 80-km/ h Drehgestelle mit Graugussklotzbremse Spek 4: 80-km/ h Drehgestelle mit Scheibenbremse 60 65 70 75 80 85 90 95 16 32 63 125 250 500 1 2 4 8 16 L p , dB Terzmittenfrequenz f Tn , Hz/ kHz Spek A Spek B Spek C Bild 5.15: Terzspektren der Schallabstrahlung bei der Vorbeifahrt von Wagen mit Graugussklotzbremsen in 7,5-m Abstand von Gleismitte, 1,5-m über SO, mit 140-km/ h. Oberbau K54H Spek A: umrissberichtigt (Fahrflächen abgedreht), danach nur Überführung im Eilzug über 80-km/ h. Spek B: nach der 2. Haltbremsung aus 140-km/ h Spek C: nach der 16. Haltbremsung aus 140-km/ h 156 5 Luft- und Körperschallanregung <?page no="159"?> Die Ursachen von Schallpegelstreuungen, die bei Schienenbahnen unter nominell gleichen Bedingungen auftreten, sind hauptsächlich auf unterschiedliche Unebenheiten auf den Schie‐ nenfahrflächen mit Amplituden um 10 -6 m zurückzuführen [5.12]. Schallmessungen an einem Stadtbahnwagen B80 [5.13] zeigen z. B., dass bereits nach 1.500 km Laufleistung eine Erhöhung des A-bewerteten Schallpegels um 2 dB auftritt, die sich durch Schleifen der Radfahrflächen rückgängig machen lässt. - 5.4.2.4 Schienenfahrflächenrauheit Eingehende theoretische Untersuchungen zur Geräuschentstehung werden u. a. in [5.14] be‐ schrieben. Es wird dabei von der Modellvorstellung ausgegangen, dass die rauen Fahrflächen (besser Rollflächen) von Rad und Schiene die alleinige Ursache für die beim Abrollen induzierten Körperschallschwingungen und damit für den abgestrahlten Luftschall darstellen. Ausgehend von einer spektralen Darstellung der Rauheit von Rad und Schiene werden - abhängig von den Impedanzen von Rad und Schiene sowie von der Fahrgeschwindigkeit - die zu erwartenden Körperschallspektren berechnet. Aufgrund der Körperschallspektren und Abstrahlgrade kann dann der abgestrahlte Luftschall ermittelt werden. Mit weiterentwickelten Rechenmodellen, z. B. TWINS (Track Wheel Interaction Software), sind solche Berechnungen möglich, ein Ergebnis einer solchen Berechnung zeigt Bild 5.16, [5.15]. Demnach dominiert oberhalb von 1.250 Hz das Rad, im Bereich um 1.000 Hz die Schiene und um 315 Hz die Schwelle die gesamte Schallemission. Der Fahrzeugaufbau trägt nur einen geringen Anteil zur Gesamtschallemission bei. 20 30 40 50 60 70 80 90 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 500 630 8001 1,25 1,62 2,5 3,1645 6,38 10 A L p / L pA in dB / dB(A) re 2x10 -5 Pa Terzmittenfrequenz in Hz/ kHz Summe Rad Schiene Schwelle Fahrzeug Bild 5.16: Mit TWINS berechnete Anteile des Schalldruckpegels von Rad, Schiene, Schwelle und Fahrzeugaufbau für einen Güterzug auf einem üblichen Gleis der Niederländischen Staatsbahnen (NS), 100 km/ h, Zweiblockschwellen, Scheibenbremsen 5.4 Schallanregung im Rad/ Schiene-Kontaktbereich 157 <?page no="160"?> Spektren von reinen Rollgeräuschen haben keine ausgeprägten Spitzen bei bestimmten Frequen‐ zen, sie zeigen i.a. ein mehr breitbandiges Verhalten. Hieraus resultiert eine erheblich schwierigere Ursachenanalyse als z. B. bei Kurvengeräuschen. So sind die einzelnen Erregeranteile bisher nur grob zu beschreiben, [5.15]. Es gilt jedoch als sicher, dass die Rauheiten der Rad- und Schienenlaufflächen einen maßgeblichen Anteil zum gesamten Rollgeräuschpegel beitragen (s.o.). Eine weitere Ursache der Körperschallanregung ist die unvermeidbare elastische Verformung von Rad und Schiene in der sich laufend verändernden Kontaktzone. In der nur 1 cm bis 2 cm breiten Zone ist eine sehr hohe Flächenpressung vorhanden, die gleichzeitig jedoch auch eine gewisse „Glättung“ der kurzwelligen Rauheiten bewirkt. Untersuchungen haben gezeigt, dass ein Zusammenhang zwischen den Rauheiten der Fahrflä‐ chen einerseits und dem abgestrahlten Luftschall andererseits besteht [5.16]. Die Fahrflächenrau‐ heit lässt sich mit einem entsprechenden Messgerät vor Ort ermitteln. Mit einem solchen Gerät ist es möglich, Rauheiten mit einer Wellenlänge zwischen ca. 3 mm und 100 mm sowie Amplituden in der Größenordnung von 1 µm zu messen. Messungen zeigen, dass zwischen 315 Hz und 800 Hz eine nahezu lineare Abhängigkeit zwischen den gemittelten Rad-/ Schiene-Rauheiten und dem erzeugten Luftschall vorhanden ist ([5.16]), Bild 5.17. 194 besteht [5.16]. Die Fahrflächenrauheit lässt sich mit einem entsprechenden Messgerät vor Ort ermitteln. Mit einem solchen Gerät ist es möglich, Rauheiten mit einer Wellenlänge zwischen ca. 3 mm und 100 mm sowie Amplituden in der Größenordnung von 1 µm zu messen. Messungen zeigen, dass zwischen 315 Hz und 800 Hz eine nahezu lineare Abhängigkeit zwischen den gemittelten Rad-/ Schiene-Rauheiten und dem erzeugten Luftschall vorhanden ist ([5.16]), Bild 5.17. Bild 5.17: Differenzpegel H rv zwischen Schienenrauheit L r und Schienen-Körperschall L v,z (= L v -L r,z ) sowie zwischen Schienenrauheit L r und Schalldruck L p (= L p -L r,z ) in 7,5 m Abstand von Gleismitte für verschiedene Geschwindigkeiten, [5.16], MW = arithmetischer Mittelwert Außerhalb dieses Frequenzbereiches ist ein linearer Zusammenhang zwischen beiden Größen nicht mehr gegeben. Demnach müssen in diesen Bereichen andere Erregermechanismen dominieren. Für den Bereich von 800 Hz bis ca. 2.000 Hz kann als wahrscheinliche Ursache der Nichtlinearität die „Filterwirkung“ der Radaufstandsfläche genannt werden. Durch den großen Raddurchmesser können die für diesen Frequenzbereich relevanten Rauheiten nicht mehr durch das Rad voll ausgefahren werden. Dieser Effekt ist fahrgeschwindigkeitsabhängig, er wächst mit der Geschwindigkeit (Überfliegen der Rauheiten), [5.16]. Das Ergebnis einer Körperschallmessung an einem Schienenfuß in vertikaler Richtung (z-) und des Schalldruckpegels im Abstand von 2,5 m zur Gleismitte zeigt Bild 5.18. Dargestellt sind gemittelte Terzspektren beider Größen. Am Schienenfuß wurde der Körperschall als Schwingbeschleunigung gemessen. Dieser Messwert wurde zweimal integriert (Division durch ω 2 ), das Ergebnis ist 50 55 60 65 70 75 80 85 90 125 250 500 1 2 4 H rv in dB re 0,05 (m/ s)/ m Terzmittenfrequenz f Tn , Hz/ kHz 40 km/ h 60 km/ h 80 km/ h MW 40 45 50 55 60 65 70 75 125 250 500 1 2 4 H rp in dB re 20 Nm 2 / m Terzmittenfrequenz f Tn , Hz/ kHz 40 km/ h 60 km/ h 80 km/ h MW Bild 5.17: Differenzpegel H rv zwischen Schienenrauheit L r und Schienen-Körperschall L v,z (= L v -L r,z ) sowie zwischen Schienenrauheit L r und Schalldruck L p (= L p -L r,z ) in 7,5 m Abstand von Gleismitte für verschiedene Geschwindigkei‐ ten, [5.16], MW = arithmetischer Mittelwert Außerhalb dieses Frequenzbereiches ist ein linearer Zusammenhang zwischen beiden Größen nicht mehr gegeben. Demnach müssen in diesen Bereichen andere Erregermechanismen domi‐ nieren. Für den Bereich von 800 Hz bis ca. 2.000 Hz kann als wahrscheinliche Ursache der Nichtlinearität die „Filterwirkung“ der Radaufstandsfläche genannt werden. Durch den großen Raddurchmesser können die für diesen Frequenzbereich relevanten Rauheiten nicht mehr durch das Rad voll ausgefahren werden. Dieser Effekt ist fahrgeschwindigkeitsabhängig, er wächst mit der Geschwindigkeit (Überfliegen der Rauheiten), [5.16]. Das Ergebnis einer Körperschallmessung an einem Schienenfuß in vertikaler Richtung (z-) und des Schalldruckpegels im Abstand von 2,5 m zur Gleismitte zeigt Bild 5.18. Dargestellt sind gemittelte Terzspektren beider Größen. Am Schienenfuß wurde der Körperschall als Schwingbe‐ schleunigung gemessen. Dieser Messwert wurde zweimal integriert (Division durch ω 2 ), das 158 5 Luft- und Körperschallanregung <?page no="161"?> (5.9) Ergebnis ist eine Weggröße s T n oder als Pegel L s (T n ) re 10 -6 m. Die Messung erfolgte in einem Gleisbogen mit folgenden Randbedingungen: • Geschwindigkeit v = 29,6-km/ h = 8,22-m/ s, • Fahrzeuglänge l = 37-m, • Anzahl der Drehgestelle n = 4 (8 Achsen). Die Abszisse des Körperschallspektrums wird in dem Bild als Wellenlänge dargestellt. Hierzu ist folgende Umrechnung der Terz-Frequenzen T n erforderlich: λ T n = v f Tn = 8, 22m/ s f Tn mit f Tn = Terzmittenfrequenzen von 16-Hz bis 2.500-Hz. In Bild 5.18 sind folgende Spektren dargestellt: • L pA und L pZ : Schalldruckpegelspektren A-bewertet und Z-bewertet (unbewertet), • Norm-Grenzspektrum für die Schienenfahrflächenrauheit nach DIN EN ISO 3095 (2014) • L sz (Weg): Zweimal integriertes Körperschallspektrum als Wellenlängenspektrum, • L sz +13,3 dB: Wellenlängenspektrum bezogen auf apl (Achsen pro Fahrzeuglänge). Der Wert von 13,3 dB ergibt sich wie folgt: L apl = 20 • lg l n = 20 • lg 37m 8 = 13, 3 dB Diese Korrektur ist erforderlich, da das Körperschallspektrum über die gesamte Vorbeifahrt erstellt wurde, die Räder aber weitgehend nur in ihrem unmittelbaren Bereich wirksam sind. Das zweimal integrierte Körperschallspektrum ist das Ergebnis der Rad- und Schienenrauheit, dargestellt als „Rauheitsspektrum“. Ein Vergleich mit der Norm-Grenzkurve zeigt, dass im Wellenlängenbereich 4 cm bis 16 cm diese Grenzkurve deutlich überschritten wird. In diesem Bereich sind auch die höchsten Schalldruckpegel vorhanden (Maximalwert der Terz 63 Hz). Generell sind die Spektren von Schalldruck und Körperschall aber sehr ähnlich (jedoch mit unterschiedlichem Pegelniveau), wobei die Differenz zwischen beiden Größen mit abnehmender Wellenlänge (= zunehmender Frequenz) zunimmt (siehe auch Bild 5.17). Mit dieser Methode lässt sich der Einfluss der Rad-/ Schienen-Rauheit recht gut darstellen. 5.4 Schallanregung im Rad/ Schiene-Kontaktbereich 159 <?page no="162"?> Bild 5.18: Wegpegelspektren L sz (Schienenfuß vertikal z-) im Vergleich zum abgestrahlten Luftschall L p in 2,5-m Abstand von Gleismitte und dem Rauheitsgrenzspektrum L r nach DIN EN ISO 3095 (2014) der Schienenfahrfläche Als Ergänzung sind in Bild 5.19 die beiden unbewerteten Spektren der Schwinggeschwindigkeit, L vZ (T n ), und des Schalldruckpegels, L pZ (T n ), dargestellt. Aus diesem Bild kommt der Zusammen‐ hang zwischen den beiden Größen deutlich zum Ausdruck. 0 10 20 30 40 50 50 60 70 80 90 100 16 20 25 31 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3160 4000 L vZ - L pZ ; dB L pZ , L vZ ; dB Terzmitten-Frequenz f Tn , Hz LvZ LpZ LvZ-LpZ Bild 5.19: Unbewertete Spektren der vertikalen Schwinggeschwindigkeit L vZ (T n ) und des Schalldrucks L pZ (T n ) In [5.29] wird u. a. der Einfluss der Schienenfahrflächenrauheit auf das Rollgeräusch untersucht. Ein Ergebnis dieser Untersuchung an IC- und ICE-Fahrzeugen mit glatten Radfahrflächen ist 160 5 Luft- und Körperschallanregung <?page no="163"?> in Bild 5.20 dargestellt. Gezeigt werden die ermittelten Regressionsfunktionen zusammen mit den Regressionskoeffizient, hier mit ρ bezeichnet. Der Körperschall wurde am Schienenkopf in vertikaler Richtung oberhalb einer Schwelle gemessen, der Luftschall in 15 m Entfernung von Gleismitte. Aus dem Bild geht hervor, dass mit zunehmendem Rauheitspegel auch der Luftschallpegel zunimmt. Die niedrigsten Rauheitspegel liegen bei ca. 7 dB und der zugehörige Schallpegel für den ICE beträgt ca. 84-dB(A). Mit einer Zunahme des Rauheitspegels um ca. 6-dB erhöht sich der Schallpegel beim ICE um ca. 9 dB(A). Die Steigungen der Regressionsgeraden für den Schallpegel sind somit größer als die für den Körperschallpegel. 80 85 90 95 100 105 110 115 6 8 10 12 14 16 18 Schallpegel L pAeq , dB(A) Körperschallpegel L veq , dB Rauheitspegel L r , dB re 10 -6 m Lv(ICE) Lv(IC) LpA(ICE) LpA(IC) Bild 5.20: Zusammenhang zwischen Rauheit, Körperschall Schiene und Luftschall. Frequenzbereich 400 Hz bis 4 kHz: L v,eq (ICE) = 91,6+1,07•L r ; ρ=0,65 L v,eq (IC) = 93,9+0,94•L r ; ρ=0,55 L pA,eq (ICE) = 72,9+1,46•L r ; ρ=0,83 L pA,eq (IC) = 78,4+1,26•L r ; ρ=0,79 - 5.4.2.5 Geschwindigkeitseinfluss Einen ganz wesentlichen Einfluss hat die Geschwindigkeit auf die Schallemissionen. Insbesondere ist hierbei auch der Fahrspiel zu betrachten: Beschleunigen, Fahren mit konstanter Geschwindig‐ keit, Bremsen. Je nach Fahrspiel treten bestimmte Quellen besonders hervor. Rollgeräusche sind immer vorhanden, sie sind insbesondere stark von der Fahrgeschwindigkeit abhängig. In Bild 5.21 sind beispielhaft die Abhängigkeiten der Schallemissionen von der Fahrgeschwindigkeit v dargestellt (oben für den Nahverkehr, unten für den Fernverkehr). Für die Geschwindigkeitsab‐ hängigkeit der Aggregatgeräusche sind zwei Linien dargestellt, einmal mit einer Zunahme mit v 5.4 Schallanregung im Rad/ Schiene-Kontaktbereich 161 <?page no="164"?> und einmal mit einer Abnahme mit v (gestrichelte Linien). In der Praxis liegt die Abhängigkeit, je nach Aggregat und Fahrzeugart, irgendwo dazwischen. 40 50 60 70 80 90 10 100 L pAeq,T , dB(A) v, km/ h Agg.1 Rollg. Sum1 Agg.2 Sum2 10 20 30 50 80 100 70 80 90 100 110 120 130 5 50 500 L pAeq,T , dB(A) v, km/ h Agg.1 Rollg. Aerodyn. Sum1 Agg.2 Sum2 5 10 20 30 50 100 200 500 Bild 5.21: Darstellung der Geschwindigkeitsabhängigkeit wesentlicher Geräuschquellen von Straßenbahnfahrzeu‐ gen (oben) und Eisenbahnfahrzeugen (unten). Agg: Aggregatgeräusche; Rollg: Rollgeräusche; Aerodyn: Aerodyna‐ mische Geräusche; Sum: Summengeräusche 162 5 Luft- und Körperschallanregung <?page no="165"?> (5.10) Insbesondere für die Rollgeräusche ergibt sich die Frage der Ursache für die Geschwindig‐ keitsabhängigkeit. Rad und Schiene (Schwelle/ Fahrbahnplatte) verfügen jeweils über mehrere Eigenfrequenzen f 0n . Die rauheitsverursachten Anregungsfrequenzen ergeben sich wie folgt: f 0n = vλ = Geschwindigkeit n − te Wellenlänge Mit zunehmender Geschwindigkeit werden somit höhere Frequenzen angeregt. Aus Bild 5.10 ist zu entnehmen, dass das dargestellte Rad erst oberhalb von 1 kHz bis 2 kHz Eigenfrequenzen mit hohen Magnituden hat. Werden diese angeregt, dann kommt es zu einer starken Körperschallan‐ regung des Rades und entsprechend zu verstärkten Luftschallemissionen. Ein Beispiel für Aggregat- und Rollgeräusche bei verschiedenen Geschwindigkeiten (5 km/ h und 50 km/ h) und Entfernungen (2,5 m und 7,5 m) von Gleismitte zeigt Bild 5.22. Während die Aggregatgeräusche in dem Beispiel für die beiden Geschwindigkeiten am Messpunkt 2,5 m nahezu gleich groß sind, sie betragen ca. 92 dB(A), steigen die durch die Räder verursachten Rollgeräusche deutlich an (von ca. 63 dB(A) auf ca. 87 dB(A). Die Anordnung der Schallquelle (hier Lüftung für den unterflur angebrachten 15 kV-Umformer) ist deutlich zu erkennen. Zwischen den einzelnen Quellen sind deutliche Absenkungen des Schallpegels vorhanden. Für den größeren Abstand überlagern sich die Schallquellen, jedoch ist auch in diesem Fall der Lüfter mit einem Maximalpegel von ca. 76-dB(A) pegelbestimmend. 50 60 70 80 90 100 0 5 10 15 20 25 L pAF , dB(A) t, s 5 km/ h LpAF 5 km/ h Rad 5.4 Schallanregung im Rad/ Schiene-Kontaktbereich 163 <?page no="166"?> 60 70 80 90 100 110 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 L pAF , dB(A) t, s 50 km/ h LpAF 50 km/ h Rad 50 60 70 80 90 100 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 L pAeF , dB(A) t, s 50 km/ h LpAF 50 km/ h Rad Bild 5.22: Zweisystemfahrzeug, Schallpegel für Aggregat- (15-kV-Umformer) und Rollgeräusche oben: v Fz = 5-km/ h, Abstand von Gleismitte = 2,5-m, Höhe über Schienenfahrfläche = 0,65-m Mitte: v Fz = 50-km/ h, Abstand von Gleismitte = 2,5-m, Höhe über Schienenfahrfläche = 0,65-m unten: v Fz = 50-km/ h, Abstand von Gleismitte = 7,5-m, Höhe über Schienenfahrfläche = 1,2-m 5.4.3 Stoßgeräusche Stöße treten dann auf, wenn die vertikale Bewegung (Geschwindigkeit) sich kurzzeitig schnell ändert. In der Regel ist hiermit ein Kontaktverlust zwischen Rad und Schiene verbunden. Dieser Wechsel der vertikalen Bewegung führt zu großen - kurzzeitigen - Kräften im Rad-/ Schiene-Kontaktbereich. Hierdurch werden Rad, Schiene und Schwelle/ Fahrwegplatte zu Körper‐ schall angeregt und diese strahlen Luftschall in unterschiedlichen Frequenzbereichen ab. Eine wesentliche Quelle von Stoß- oder Schlaggeräuschen waren früher die Stoßstellen zwischen den nur miteinander verlaschten Schienen. Durch die Verschweißung der Schienen (z. B. 164 5 Luft- und Körperschallanregung <?page no="167"?> (5.11) nach dem Thermitverfahren) wurde diese Geräuschquelle weitgehend eliminiert. Stoßgeräusche treten heute vorwiegend noch in folgenden Bereichen bzw. aufgrund folgender Störstellen auf: • Herzstücke in Weichen (Herzstücklücken), • Isolierstöße, • ausgefahrene Schweißverbindungen, • Flachstellen und Auffahrungen (Anhaftungen), • Ausbröckelungen an den Rad- und Schienenfahrflächen, • (Schienen- und Radriffeln). Durch Stöße werden die Eigenfrequenzen der hierdurch angeregten Bauteile angeregt. In Abhän‐ gigkeit von der Stoßdauer, die wiederum von der „Härte“ des Stoßes bestimmt wird, werden unterschiedliche Frequenzbereiche angeregt (Bild 5.23). Die eingeleitete Stoßkraft verteilt sich mit zunehmender „Härte“ auf einen größeren Frequenzbereich, d.h. die Amplituden nehmen ab und der angeregte Frequenzbereich nimmt zu. Außer den Eigenfrequenzen ist auch die Stoßfrequenz f a selber im Körper- und Luftschallsignal enthalten. Diese Frequenz ist bei Störstellen im Rad-/ Schiene-Bereich abhängig von der Fahrgeschwindigkeit v in m/ s und dem Abstand der Störstellen a in m. Es gilt: f a = va in Hz. Z. B. ergibt eine Flachstelle auf einem Rad mit 0,6 m Durchmesser und einer Geschwindigkeit von v = 80 km/ h eine Stoßfrequenz von f a = 37 Hz. Diese Frequenz ist zwar noch hörbar, sie macht sich jedoch mehr bei der Anregung von Erschütterungen bemerkbar. Für Riffeln mit einem mittleren „Wellenabstand“ von 0,04-m ergibt sich eine Frequenz von 556-Hz (für v = 80-km/ h). z C 4= ro � 0 Cl) weich sehr weich / Zeit in ms log f in Hz weich mittel hart Bild 5.23: Abhängigkeit der angeregten Frequenz von der „Härte“ (Zeitdauer) des Stoßes, Darstellung im Zeit- und Frequenzbereich (Spektren) Bild 5.25 zeigt Spektren eines mit Radschallabsorbern bestückten Rades, das durch einen harten Stoß (mit einem Prüfhammer mit Metalltip) angeregt worden ist (Bild 5.24). Dargestellt sind hier die auf die eingeleitete Kraft bezogenen Schwinggeschwindigkeitsspektren (Admittanzen). Die Messungen erfolgten am Radkranz in axialer und radialer Richtung. Die dargestellten Pegelspitzen in den Spektren stellen Eigenfrequenzen des Radkranzes dar. Es ist davon auszugehen, dass beim Fahren im Gleis durch Querstöße zwischen Schienenkopf und Spurkranz ähnliche Frequenzen angeregt werden. 5.4 Schallanregung im Rad/ Schiene-Kontaktbereich 165 <?page no="168"?> Bei der Messung stand das Fahrzeug in einer Halle über einer Wartungsgrube. Dieser Zustand entspricht weitgehend dem Zustand beim Fahren auf einem Betriebsgleis. MP3, y- MP1, y- MP2, y- MP4, x- Anrege- und Messpunkt Bild 5.24: Anrege- und Messpunkte für die Admittanzmessungen eines Rades auf einer Grube 1,0E-08 1,0E-07 1,0E-06 1,0E-05 1,0E-04 10 100 1000 10000 log Admittanz |Y|, (m/ s)/ N log Frequenz f, Hz MP1-1, y- MP2-2, y- MP3-3, y- MP4-4, x- Bild 5.25: Punkt-Eingangsadmittanzen eines angetriebenen absorbergedämpften Rades eines U-Bahnfahrzeugs. Anregung und Messung am Radkranz in axialer (y-) und radialer (x-) Richtung. 5.4.4 Kurvengeräusche In Gleisbögen treten besondere Geräusche auf, die auf unterschiedliche Anregungsmechanismen zurückzuführen sind: • Spurkranzanlaufen (Reibung zwischen Spurkranz und Schienenkopf): breitbandige, hochfre‐ quente Zischgeräusche, • Schlupf aufgrund unterschiedlicher zurückzulegender Wege auf der Innen- und Außen‐ schiene (nur bei mechanischer Kopplung der beiden Räder eines Radsatzes): hochfrequente Geräusche, • Riffeln: tieffrequente Rumpelgeräusche, 166 5 Luft- und Körperschallanregung <?page no="169"?> • Stick-Slip-Effekte: Kurvenquietschen (tonartige Geräusche). Diese Geräusche werden im Folgenden vorrangig beschrieben. Kurvenquietschen ist auf ein Ruckgleiten (Stick-Slip-Effekt) der Radaufstandsflächen beim Fahren parallelgeführter Radsätze durch enge Kurven zurückzuführen ([5.18], [5.7]). Das grundsätzliche Prinzip des Ruckgleitens zeigt Bild 5.26. Auf einem Laufband liegt eine Masse, die mit einer Feder an einem festen Punkt gekoppelt ist. Wird das Laufband in (langsame) Bewegung versetzt, dann wird die Masse aufgrund der Haftreibung mit in dieselbe Bewegungsrichtung mitgenommen und die Feder gespannt. An einem bestimmten Punkt reicht die Haftreibung (= Reibungskraft) nicht mehr aus für eine weitere Mitnahme der Masse, die Federkraft überwiegt und die Masse wird durch die Feder zurückbewegt. Es kommt zu einer schwingenden abklingenden Bewegung der Masse. Nach einer bestimmten Zeit beginnt der Prozess von vorne. Mit zunehmender Ge‐ schwindigkeit des Laufbandes wird der Stick-Slip-Prozess immer schwächer, bei einer bestimmten Geschwindigkeit hört er ganz auf. Der Zustand zwischen Masse und Band wird durch die Gleitreibung bestimmt. Wird die Reibung zwischen Masse und Laufband so verändert, dass keine oder nur noch eine sehr geringe Mitnahme der Masse möglich ist, dann führt diese keine bzw. nur noch sehr kleine Schwingungen aus. Dieses Prinzip lässt sich auch auf den Zustand eines Radsatzes im Gleisbogen übertragen. Das bogenaußen laufende Rad wird durch den anlaufenden Spurkranz zu einer kontinuierlichen Querbewegung gezwungen. Solange eine feste Verbindung zwischen Spurkranz und Schiene besteht kann eine Relativbewegung der Fahrflächen von Rad und Schiene nicht entstehen. Diese Zwangsführung des äußeren Rades ist beim bogeninnen laufenden Rad nicht gegeben. Hier führen die durch den Bogenlauf bedingten Querbewegungen (Drehen des Drehgestells um den Drehmittelpunkt) zu Reibungskräften zwischen den Fahrflächen von Rad und Schiene. Diese Reibungskräfte führen zu einer kraftschlüssigen Verspannung zwischen beiden Bauteilen (stick). Übersteigt diese Spannung einen bestimmten Grenzwert, dann kommt es zu einer ruckartigen Entspannung (slip). Dieser Vorgang wiederholt sich periodisch und führt so zu einer Erregung von axialen Biegeeigenschwingungen des Rades. In Bild 5.27 ist ein solcher Prozess im Prinzip für die Bewegung zwischen Rad und Schiene dargestellt. Eine etwas andere Beschreibung für das Auftreten von Quietschgeräuschen zeigt Bild 5.28. Hierin ist der Reibungskoeffizient zwischen Rad und Schiene als Funktion des lateralen Kriechens dargestellt: µ = f(c=v/ V). Es werden drei Bereiche unterschieden (siehe auch Bild 5.27): • A: stabiler Bereich, nahezu linearer Zusammenhang zwischen µ (Haftreibung) und c, • B: labiler Bereich für den maximalen Reibungskoeffizienten und • C: instabiler Bereich (Gleitreibung), es tritt ein größeres Quergleiten auf und eine Anregung von Quietschgeräuschen ist möglich. 5.4 Schallanregung im Rad/ Schiene-Kontaktbereich 167 <?page no="170"?> Masse m Endlosband stick-slip F u N Reibung zwischen Band und Masse v v k Bild 5.26: Masse auf einem Laufband. Das Laufband wird mit einer bestimmten Geschwindigkeit bewegt. Zwischen Masse und Laufband tritt Reibung auf. In Abhängigkeit von der Reibungskraft und der Geschwindigkeit V wird die Masse auf dem Laufband bewegt. Durch die Federkraft kommt es zu einer dynamischen Bewegung der Masse. Bild 5.27: Stick-Slip-Bewegung oder Haften-Gleiten, beim Gleiten (slip) kommt es zu einer reibkraftbedingten Anregung beider Bauteile und unter bestimmten Umständen zum Quietschen 204 Bild 5.28: Beschreibung des Stick-Slip-Prozess - Reibungskoeffizient als Funktion des lateralen Kriechens c (links) und Darstellung des Anfahrwinkels sowie der beiden Geschwindigkeiten für Fahren (Rollen) V und Quergleiten v [5.28] Die Reibung zwischen Rad und Schiene sowie die hiervon abhängige Quergeschwindigkeit sind demnach wesentliche Indikatoren für das Auftreten von Quietschgeräuschen. Zur Minderung bieten sie demnach wesentliche Anhaltpunkte. Hierauf wird in Kap. 7 näher eingegangen. Durch die Reibungskräfte werden Rad und Schiene zu Körperschall angeregt und Luftschall abgestrahlt. Dieser Luftschall wird - in Abhängigkeit von der an- 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Reibungskoeffizient µ Laterales Kriechen c = v/ V * 10 3 A C stabiler Bereich (stick) instabiler Bereich (slip) Quietschen möglich µ m ax B Bild 5.28: Beschreibung des Stick-Slip-Prozess - Reibungskoeffizient als Funktion des lateralen Kriechens c (links) und Darstellung des Anfahrwinkels sowie der beiden Geschwindigkeiten für Fahren (Rollen) V und Quergleiten v [5.28] 168 5 Luft- und Körperschallanregung <?page no="171"?> Die Reibung zwischen Rad und Schiene sowie die hiervon abhängige Quergeschwindigkeit sind demnach wesentliche Indikatoren für das Auftreten von Quietschgeräuschen. Zur Minderung bieten sie demnach wesentliche Anhaltpunkte. Hierauf wird in Kap. 7 näher eingegangen. Durch die Reibungskräfte werden Rad und Schiene zu Körperschall angeregt und Luftschall abgestrahlt. Dieser Luftschall wird - in Abhängigkeit von der angeregten Frequenz - als Quietschen (Kreischen) wahrgenommen. Ursache für diese ruckartigen Querbewegungen ist der in der Regel vorhandene Unterschied zwischen den Beiwerten für die Haft- und Gleitreibung. Gelänge es, diesen Unterschied deutlich zu verringern - wünschenswert ist ein gegen Null gehender Differenzwert - dann ließe sich dieser Anregungsmechanismus unterdrücken und ein Kurvenquietschen vermeiden. Bild 5.29 und Bild 5.30 zeigen die prinzipiellen Zusammenhänge der Anregung beim Bogenlauf. Bild 5.29: Schallanregung beim Bogenlauf eines Radsatzes Innenbogen Außenbogen • nicht geführt: Reibung in Querrichtung • ruckartige Bewegungen zwischen Rad und Schiene, Schwingungen in Querrichtung Einpunktberührung: Nur auf der Lauffläche ⇒ Kurvenquietschen • geführt • Spurkranzanlaufen: Reibung in Tangentialrichtung Zweipunktberührung: auf der Lauffläche und an dem Spurkranz ⇒ Zischen 5.4 Schallanregung im Rad/ Schiene-Kontaktbereich 169 <?page no="172"?> (5.12) Bild 5.30: Drehgestell im Bogen, Rotationsbewegung um den Drehmittelpunkt. Spurkranzanlaufen (Führung) des linken Rades des vorlaufenden Radsatzes [5.18] Stick-Slip-Effekte können sich auch aus Längsgleitkomponenten der Räder ergeben. Diese bewirken jedoch nur Radsatz-Torsionsschwingungen in einem akustisch kaum wahrnehmbaren Frequenzbereich. Die Abstrahlung der Quietschgeräusche ist primär auf die axialen Biegeeigenschwingungen des Radkranzes zurückzuführen. Hierbei entstehen ortsfest Schwingungsformen im Frequenzbereich zwischen ca. 400-Hz und 3.000-Hz (mit Oberwellen). Die stick-slip-Anfälligkeit verschiedener Werkstoffpaarungen ist sehr unterschiedlich. In der Regel führen die günstigen Werkstoffe jedoch zu einem schnelleren Verschleiß. Wird die anre‐ gende stick-slip-Bewegung als Sägezahn-Schwingung modelliert, dann lässt sich näherungsweise die Erregerfrequenz f E nach Gl. (5.12) abschätzen [5.18]. f E = K ⋅ V ⋅ sinγ 2 ⋅ F N µ r, max − µg mit: K axiale Biegesteifigkeit des Radkranzes bezogen auf die Kontaktzone in N/ m V Fahrgeschwindigkeit in m/ s γ Schräglaufwinkel (Anlaufwinkel) in ° F N Radaufstandskraft N µ r,max Haftwertgrenze µ g Gleitreibwert. 170 5 Luft- und Körperschallanregung <?page no="173"?> In Bild 5.31 ist beispielhaft die Erregerfrequenz f E in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit v für folgende Werte dargestellt: γ = 0,05°; K = 3 . 10 7 N/ m; F N = 40 kN. Als Parameter wurde Δμ zu 0,02; 0,04; 0,06 und 0,08 festgelegt (Δμ = µ r,max - µ g ). Die Erregerfrequenz f E nimmt mit der Geschwindigkeit linear zu (die Geschwindigkeit könnte hier auch für den Bogenradius stehen, da zwischen beiden Größen eine gewisse Abhängigkeit besteht). Mit zunehmendem Δμ nimmt die Erregerfrequenz ab. Durch die Zweipunktberührung (Lauffläche und Spurkranz) an der Bogen-Außenschiene erge‐ ben sich aufgrund unterschiedlicher Radien, aber gleicher Winkelgeschwindigkeit, unterschiedli‐ che Umfangsgeschwindigkeiten. Hierdurch treten am Berührungspunkt zwischen Spurkranz und Schiene Reibkräfte auf. Die hierdurch erregten Reibschwingungen sind in der Regel breitbandig (Zischen) und nicht sehr energiereich (geringere Schallpegel als bei den Quietschfrequenzen). Liegen Erreger- und Biegeeigenfrequenz des Rades in gleicher Größenordnung, dann kommt es zu einer Resonanzüberhöhung und so zu dem bekannten Kurvenquietschen. Es ist davon auszu‐ gehen, dass in der Praxis die betrieblichen bzw. fahrzeugtechnischen Parameter Geschwindigkeit und Radaufstandskraft nur geringfügig zu verändern sind. Die Erregerfrequenz ist demnach schwerpunktmäßig nur durch K, γ und Δµ zu beeinflussen. Alle drei Möglichkeiten wurden im Rahmen von Forschungsvorhaben untersucht [5.19]. 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Eigenfrequenz f E in Hz Geschwindigkeit v in km/ h Δµ=0,02 Δµ=0,04 Δµ=0,06 Δµ=0,08 Bild 5.31: Erregerfrequenz f E als Funktion der Geschwindigkeit Das Kurvenquietschen ist primär auf eine Anregung von Eigenfrequenzen des Rades zurück‐ zuführen. Gemessene Körperschallspektren am Radkranz (bogeninnen) sowie gemessene Luft‐ schallspektren vor diesem Rad weisen ausgeprägte Spitzen in denselben Frequenzen auf. Dies lässt darauf schließen, dass zwischen den beiden physikalischen Größen (Radkörperschall- und Luftschall) ein enger Zusammenhang besteht. Ein solcher Zusammenhang ist auch zwischen Schienenkörperschall und abgestrahltem Luftschall vorhanden. In Bild 5.32 sind beispielhaft 5.4 Schallanregung im Rad/ Schiene-Kontaktbereich 171 <?page no="174"?> Spektren gegenübergestellt, die das Rollgeräusch und Quietschen repräsentieren. Beim Rollge‐ räusch nehmen die Pegel mehr oder weniger konstant mit der Frequenz ab. Diese Grundtendenz gilt auch für Spektren von Quietschgeräuschen. Zusätzlich treten hierbei aber ausgeprägte Pegelspitzen in diskreten Frequenzen auf. Die dargestellten Messergebnisse beruhen auf Messungen im Abstand von 7,5 m von Gleismitte in einer Höhe von 1,2-m über der Schienenoberkante. Aus geometrischen Betrachtungen der Stellung eines Drehgestells im Bogen in [5.20] ergeben sich in erster Näherung die in Tabelle 5.2 angegebenen Zuordnungen für das gerade noch quietschfreie Befahren von Gleisbögen bei konventionellen Rad-/ Schiene-Stählen. Drehgestell-Radsatzabstand in m 2,2 2,0 1,8 1,6 kleinster quietschfrei befahrener Gleisbogenradius in m 250 230 200 180 Tabelle 5.2: Quietschfrei befahrene Gleisbögen in Abhängigkeit vom Radsatzabstand (theoretisch) 20 30 40 50 60 70 80 10 100 1000 10000 Schalldruckpegel L p in 7,5 m Abstand, dB log Frequenz in Hz Quietschen Quietschen kein Quietschen kein Quietschen Bild 5.32: Schalldruckpegelspektren L p (f) für Rollgeräusche und Quietschen, Zugvorbeifahrten einer Straßenbahn (mit und ohne Quietschen) in einem Gleisbogen [5.19], Frequenzauflösung = 2,9 Hz Da bei Bahnen des Nahverkehrs, insbesondere bei Straßenbahnen, deutlich geringere Gleisbogen‐ radien vorhanden sind und der Drehgestell-Radsatzabstand nicht weiter reduziert werden kann, sind in der Regel zur Unterdrückung der Quietschgeräusche zusätzliche Maßnahmen erforderlich (Kapitel 7). 172 5 Luft- und Körperschallanregung <?page no="175"?> (5.13) (5.14) 5.4.5 Sonstige Geräusche Außer dem Rad-/ Schiene-Geräusch treten an Schienenfahrzeugen noch folgende Geräusche auf: • Bremsgeräusche, • Antriebsgeräusche (Motoren, Getriebe, Lüfter), • Geräusche der Hilfsantriebe (Klimaanlage, Lüftung, Türschließeinrichtung, Spurkranz‐ schmiereinrichtung, Kompressor etc.). Ähnliche Geräusche wie beim Kurvenquietschen treten auch beim Bremsen auf. Die Verminde‐ rung dieser Geräuschart ist insbesondere bei Nahverkehrsbahnen mit den vielen innerstädtischen Haltestellen von wesentlicher Bedeutung. Es konnte gezeigt werden, dass das Bremsenquietschen auf eine Erregung der Eigenfrequenzen der Bremsscheibe infolge der Reibkräfte zwischen Belag und Scheibe zurückgeführt werden kann [5.27]. Auf die Anregung durch Aggregate wird auf die einschlägige Literatur verwiesen; z. B. [5.21], [5.22]. 5.5 Impedanzen und Admittanzen Zur Beschreibung der Anregbarkeit einer mechanischen Struktur zu Körperschall wird die mechanische Admittanz Y(if) (engl. Mobility = Beweglichkeit) in (m/ s)/ N: Y (if ) = v(if ) F (if ) oder die Impedanz Z(if) in N/ (m/ s) oder in Ns/ m oder kg/ s (= Kehrwert der Admittanz) verwendet. Z (if ) = F (if ) v(if ) = 1 Y if Beides sind komplexe Größen, in der Praxis wird aber häufig nur der Betrag betrachtet (in Einzelfällen auch deren Real- und Imaginärteile, [5.26]). Um einige prinzipielle Abhängigkeiten aufzuzeigen, werden in Tabelle 5.3 einige Gleichungen für Eingangsimpedanzen für einfache mechanische Bauteile aufgezeigt, s.a. [5.24] und [5.25]. Die dargestellten Gleichungen zeigen u. a., dass die mechanische Eingangsimpedanz einen hohen Wert annimmt bei: • großer Masse (z. B. breite Radscheiben, schwere Schienen, Sperrmassen an Übergangsstellen) und • hoher Steifigkeit (z. B. dicke, gesickte Bleche im Fußboden von Fahrzeugen, versteifte Seitenbleche, Sandwich-Bauweise). Die Impedanz nimmt jeweils proportional mit der Masse m und der Steifigkeit k zu. Da eine große Impedanz (= geringe Admittanz) dazu führt, dass große Kräfte erforderlich sind, um ein Bauteil anzuregen, ist eine große Impedanz bei der konstruktiven Gestaltung von Einzelkomponenten und Baugruppen anzustreben. Bild 5.33 zeigt für einige typische Bauteile (Masse, Balken, Feder, Platte) deren Impedanz (Betrag |Z|) als Funktion der Frequenz. Hierbei wird deutlich, dass Masse und Feder ein gegen‐ sätzliches Frequenzverhalten zeigen. 5.5 Impedanzen und Admittanzen 173 <?page no="176"?> (5.15) Die Impedanz der Masse nimmt mit der Frequenz zu, die der Feder jedoch ab, s. Tabelle 5.4 und Bild 5.33. Die Impedanz eines - ungedämpften - Masse-Feder-Systems zeigt Bild 5.34 (berechnet mit Gl. (5.18)). Der gegenläufige Verlauf der Impedanzen von Masse (rechts im Bild, ansteigend) und Feder (links im Bild, abfallend) führt hier zu einem Minimum bei einer bestimmten Frequenz. Diese Frequenz wird als Eigenfrequenz f 0 des Systems bezeichnet. Es gilt: f 0 = 1 2 ⋅ π k m -Hz. Bauteil Gleichung Parameter Nr. 1 2 3 4 Masse m Z m = i ⋅ ω ⋅ m m Masse in kg (5.16) Feder k Z k = − k i ⋅ ω k Steifigkeit in N/ m (5.17) Dämpfung b Z b = b b Dämpfungskonstante in Ns/ m (5.18) ungedämpftes Masse-Feder-System MFS Z MFS = i ⋅ ω ⋅ m + k i ⋅ ω Parallelschaltung* ) von Masse und Feder (5.19) gedämpftes Masse-Feder-System MFS Z MFS = b + i ω ⋅ m − k ω Parallelschaltung* ) von Masse, Feder und Dämpfung (5.20) Balken b Z b = 2 ⋅ m b ⋅ c b (1 + i) • m b Balkenmasse pro Längeneinheit in kg/ m • c B Biegewellengeschwindig‐ keit in m/ s (5.21) Isotrope Platte Z p = 8 ⋅ B p ⋅ m p • m p Plattenmasse pro Flächeneinheit in kg/ m 2 • B p Biegesteife der Platte (5.22) * ) Parallelschaltung: Gleiche Verformungen und Geschwindigkeiten am Verknüpfungspunkt Tabelle 5.3: Zusammenstellung einiger Gleichungen für die Impedanz Z(f) von Bauteilen 174 5 Luft- und Körperschallanregung <?page no="177"?> 10 100 1000 I Z I in Ns/ m log Frequenz f , Hz Masse Balken Platte Feder 10 dB Bild 5.33: Verlauf der charakteristischen Impedanz IZI idealer Bauteile (Masse, Balken, Platte, Feder) Bauteil Abhängigkeit 1 2 Masse ~ ω Balken ~ ω Platte unabhängig von ω Feder ~ 1/ ω Tabelle 5.4: Abhängigkeiten zwischen Impedanz und Frequenz (Admittanzen als Kehrwert) Für die im Beispiel (Bild 5.34) angenommenen Steifigkeiten k und Massen m ergeben sich folgende Eigenfrequenzen: f 01 = 251,8-Hz und f 02 = 356,1-Hz. 1 10 100 1000 10000 10 100 1000 log l Z l in N/ (m/ s) * 10 3 log Frequenz f in Hz Z1, f0=250Hz Z2, f0=360Hz Z1+Z2 Bild 5.34: Impedanzen eines - ungedämpften - Masse-Feder-Systems (n. Gl. (5.18)). k = 5⋅10 8 -N/ m; m 1 = 200-kg (Z1) und m 2 =100-kg (Z2) 5.5 Impedanzen und Admittanzen 175 <?page no="178"?> (5.23) (5.24) Die Addition beider Impedanzen Z1 und Z2 erfolgt nach Gleichung (5.23) (Reihenschaltung: Jedes Bauteil wird mit derselben Kraft beaufschlagt). Die sich hieraus ergebende Gesamtimpedanz ist als dicke Linie in Bild 5.34 dargestellt. In der Praxis kommen die o. g. Bauteile in reiner Form nur selten vor. Die Berechnung der Impedanzen (Admittanzen) von komplexen Strukturen ist relativ schwierig, [5.24]. Prinzipiell lassen sich jedoch Teilimpedanzen von komplexen Strukturen wie folgt zusammenfassen: Reihenschaltung: 1 Z R = ∑ i = 1 n 1 Z i Parallelschaltung: Z P = ∑ i = 1 n Z i Bild 5.35 zeigt beispielhaft die Zusammenschaltung von Masse, Feder und Dämpfer in Parallel‐ schaltung (oben) und Reihenschaltung (unten). Bei der Parallelschaltung werden die einzelnen Bauteile mit unterschiedlichen Kräften beaufschlagt, die Geschwindigkeit (Bewegung) ist dagegen am Kontaktpunkt jeweils gleich groß. Umgekehrt verhält es sich bei der Reihenschaltung; hier wirkt an jedem Bauteil dieselbe Kraft, die Geschwindigkeiten sind verschieden. Das Verhalten der Impedanzen (Admittanzen) ist spiegelbildlich (rechts im Bild), die Eigenfrequenzen sind dagegen gleich. Bild 5.35: Parallelschaltung (oben) und Reihenschaltung (unten) von Bauteilen [5.24] 176 5 Luft- und Körperschallanregung <?page no="179"?> Impedanzen (oder Admittanzen) von komplexen Strukturen werden wegen der teilweise schwie‐ rigen analytischen Ermittlung häufig messtechnisch bestimmt (Modalanalyse). In der praktischen Anwendung werden hierfür am häufigsten die beiden folgenden Erreger eingesetzt: • Prüfhammer (mit eingebautem Kraftaufnehmer), • elektrodynamischer Erreger (Shaker) mit Impedanzmesskopf. Ein Beispiel für das Ergebnis einer Messung der Eingangsadmittanz (Betrag und Kohärenz) eines Schienenfahrzeugrades zeigt Bild 5.36 ([5.17], [5.19]). Die Kohärenzfunktion γ 2 (Bild 5.36) erlaubt eine zahlenmäßige Angabe über die innere, frequenzabhängige, statistische Bindung zwischen den Leistungswerten von Ein- und Ausgangs‐ signal eines Systems und gestattet daher eine Aussage über den Wert eines Analyseergebnisses. Sie nimmt Werte zwischen 0 und 1 an. Bei einem nicht gestörten determinierten, linearen System mit einem Eingang und einem Ausgang trägt nur das Eingangssignal zu dem entsprechenden Ausgangssignal bei. Die Kohärenzfunktion ist in diesem Fall frequenzunabhängig gleich 1. Ein vom idealen Wert 1 abweichender Wert der Kohärenzfunktion beruht entweder auf dem Vorhan‐ densein von parasitären Rauschstörungen im System, einem nichtlinearen Systemverhalten oder auf dem Vorhandensein anderer Quellsignale, die nicht durch die Messung erfasst sind. Bild 5.36: Beispiel für den Pegel einer Punkt-Eingangsadmittanz L Y re 5 ⋅ 10 -8 -m/ s/ N und Kohärenzfunktion γ 2 gemessen an dem Radkranz eines Nahverkehrsfahrzeuges (oben am Rad), Messung und Anregung in axialer Richtung 5.5 Impedanzen und Admittanzen 177 <?page no="180"?> 5.6 Literatur zu Kapitel 5 [5.1] DEGA-Empfehlung 101 - Akustische Wellen und Felder, (2006) [5.2] Cremer, L. u. M. Möser: Technische Akustik, 5. Auflage 2002. Springer Verlag [5.3] Beranek, L. L. und Istvan L. Ver (Hrsg.): Noise and Vibration Control Engineering - Principles and Applications. John Wilay & Sons, Inc. (1992) [5.4] Lord, H. / W. S. Gatley und H.A. Evenson: Noise Control for Engineers und BeranekMcGraw-Hill International Book Company, (1980) [5.5] Müller, G./ Möser, M. (Hrsg.): Taschenbuch der Technischen Akustik. 3. Ausgabe. Springer Verlag (2003) [5.6] Hecht, M. u. F. Krüger: Schall- und Erschütterungsschutz im Schienenverkehr. Erste Auflage, Kap. 8 (2002) [5.7] Groß, K.: Schall- und Erschütterungsschutz im Schienennahverkehr: Übersicht über die Ergebnisse des Forschungsprogramms 1978 bis 1983. STUVA e.V., Köln. BMFT-Forschung - Bericht 16*) (1984) [5.8] Bugarcic, H.: U-Bahn-Versuche über das Zusammenwirken von Rad und Schiene hinsichtlich Geräuschentwicklung, Laufverhalten, Stoßübertragung, Reibung, Abnützung und Wellenbildung. Leichtbau der Verkehrsfahrzeuge 17 Nr. 5/ 6, S. 119 - 130 (1973) [5.9] Willenbrinck, L.: Neuere Erkenntnisse zur Schallabstrahlung von Schienenfahrzeugen. ETR 28, Nr. 5, S. 355 bis 362 (1979) [5.10] Hauck, G./ Willenbrinck, L./ Karg und Huber: Luftschall im Wagen der U-Bahn München während der Fahrt im Freien bzw. im Tunnel bei unterschiedlichen Schienenlaufflächenzuständen. Bericht P 107/ 1971 der Deutschen Bundesbahn, Versuchsanstalt München, Abteilung für Elektrophysik, (unveröffentlicht) (1971) [5.11] Irle, P.: Umweltbeeinflussung durch U-Bahnbetrieb - Erfahrungen der Berliner Verkehrsbetriebe (BVG). ETR 29, Nr. 9, S. 641 bis 643 (1980) [5.12] Bergmann, M./ Grütz, H. P./ Reißland, H. u. G. Steger: Ursachen und Einflussgrößen der im Kantaktbereich zwischen Rad und Schiene auftretenden Geräuschpegelstreuungen. Forschungsbericht (79-105 05 701/ 01) des Instituts für Technische Akustik und des Institutes für Fahrzeugtechnik der TU Berlin, im Auftrag des Umweltbundesamtes; (1981) [5.13] Gerndt, H. u. a.: Erprobung verbesserter Komponenten an einem Stadtbahnwagen mit dem Ziel der Lärmminderung. Förderungskennzeichen TV 7860 7, (Rhein-Consult GmbH., Düsseldorf/ DUEWAG Aktiengesellschaft, Düsseldorf) BMFT-Forschung - Bericht 14*) (1983) [5.14] Remington, P. J.: Wheel/ Rail Noise - Part IV: Rolling Noise. Journal of Sound and Vibration 46, Nr. 3, S. 419 - 436 (1976) [5.15] Thompson, D./ Janssens, M. und M. Dittrich: Rollgeräusche durch den Rad/ Schiene-Kontakt - Beurteilung von Lärmminderungsmaßnahmen. ZEV + DET Glas. Ann. 121 Nr. 2/ 3 Februar/ März (1997) [5.16] Groß, K.: Zusammenhänge zwischen den Geräuschpegeln von Schienenbahnen und Oberflächenrauigkeiten von Rad und Schiene. STUVA, Köln, (BMFT-Forschungsvorhaben), Bericht 15*) (1982) [5.17] Krüger, F. u. a.: Ermittlung von Grundlagen und messtechnische Untersuchungen zur schall- und schwingungstechnischen Optimierung von Schienenfahrzeugen für den Regionalverkehr. Band II: messtechnische Analyse; BMBF-Forschungsbericht 19 N 0364 6 (1996) 178 5 Luft- und Körperschallanregung <?page no="181"?> [5.18] Bugarcic, H. und K. Lipinski: Laboruntersuchungen zur werkstoffseitigen Unterdrückung der geräuschbildenden stick-slip-Bewegungen zwischen Rad und Schiene. TU Berlin, Institut für Fahrzeugtechnik, BMFT-Forschung - Bericht 4*) (1982) [5.19] Krüger, F. / Martini, K. u. a.: Verbundprojekt Leiser Verkehr Kurvengeräusche. Entwicklung von anwendungsreifen und wirksamen Maßnahmen zur Reduzierung von Kurvenquietschen an Rad und Schiene, Teilvorhaben STUVA: Phänomenologische Beschreibung von Kurvengeräuschen (September 2009) [5.20] Bugarcic, H. und P. Kasten: Untersuchung zur Verkleinerung des Drehgestell-Radsatzabstandes bei Stadtbahn-Fahrzeugen. Forschungsbericht 70 1118/ 83; Auftraggeber: Bundesminister für Verkehr (1989) [5.21] Heckl, M. und H. A. Müller: Taschenbuch der Technischen Akustik. 2. Auflage, Springer-Verlag. [5.22] Grassie, S. L. (Hrsg.): Mechanics and Fatigue in Wheel/ Rail Contact. Proceedings of the Third International Conference on Contact Mechanics and Wear of Rail/ Wheel Systems, Cambridge, U.K., July 22-26, (1990) [5.23] Hölzl, G. / Grütz, H.-P. und F. Krüger: Spezielle Schall- und Erschütterungsfragen bei Eisenbahnen. Kap. 13 aus „Schall- und Erschütterungsschutz im Schienenverkehr“. Zweite Auflage (2006) [5.24] Harris, C. M.: Shock and Vibration Handbook, Mc Graw-Hill Book Company. 3rd Edition (1987) [5.25] Ewins, D.J.: Modal Testing: Theory and Practice. Research Studies Press Ltd. Letchworth, England, Hrsg.: Brüel and Kjaer (1986) [5.26] Heckl, M. / Wang, M. und J. Feldmann: Modelluntersuchungen zur Ausbreitung von Körperschall in der Umgebung von U-Bahn-Tunneln. Technische Universität Berlin, Bericht 22*) (1987) [5.27] Bernd, P.: Untersuchung zur Geräuschminderung bei Scheibenbremsen. Knorr-Bremse GmbH, München, Bericht 12*) (1987) [5.28] Remington, P. J.: Wheel/ Rail squeal and impact noise: What do we know? What don’t we know? Where do we go from here? Journal of Sound and Vibration, 116, 339-353 (1987) [5.29] Hölzl, G.: Bedeutung der diskret gelagerten Schiene und der Anfangsrauhigkeit für den Verriffelungsprozess und für das Rollgeräusch. Dissertation TU Berlin (1996) *) Berichte zu Forschungs- und Entwicklungsvorhaben zum Teilprogramm „Schienennahverkehr“ im Programm „Verminderung des Verkehrslärms in Städten und Gemeinden“ 5.6 Literatur zu Kapitel 5 179 <?page no="182"?> 1 Diese Richtlinie wurde 1990 erstmals herausgegeben und in den Jahren 2002 bis 2006 überarbeitet. 2014 wurde sie als Anlage 2 zur - ebenfalls überarbeiteten - 16. BImSchV neu veröffentlicht. 6 Messung von Luft- und Körperschall - Messergebnisse F. Krüger 6.1 Schallmessungen - Übersicht In diesem Kapitel werden einige wesentliche Hinweise gegeben, die bei der Durchführung von Schallmessungen an und in Schienenfahrzeugen zu beachten sind. Weitergehende Hinweise zur Durchführung von solchen Messungen sind der einschlägigen Fachliteratur, den angegeben Normen und den Schriften der Hersteller von akustischen Messgeräten zu entnehmen. Schallmessungen beim Schienenverkehr werden zu folgenden Zwecken durchgeführt: • Ermittlung der Schallemissionen von Schienenfahrzeugen im praktischen Fahrbetrieb, • Ermittlung der Schallpegeländerung (am Emissions- und Immissionsort) nach Durchführung einer Schallschutzmaßnahme an den Schienenfahrzeugen, an der Fahrbahn oder auf dem Übertragungsweg (z. B. Einbau von Rad- und Schienendämpfungselementen, Schallschutz‐ wänden oder Schallschutzfenstern etc.), • Ermittlung der vorhandenen Schallbelastung für Beweissicherungsverfahren oder bei Be‐ schwerden, • Überprüfung von geforderten Schallpegelangaben in Lastenheften (Abnahmemessungen bzw. Bauartprüfungen und Kontrollmessungen), • zum Nachweis einer dauerhaften Schallminderung nach Schall 03 1 für eine bestimmte Fahrzeugart und/ oder Fahrbahnart (s. Kap. 9 zur Anlage 2 (Schall 03) der 16. BImSchV, [6.1], [6.2]), • für Forschungs- und Entwicklungsarbeiten, • Ermittlung von Schallemissionen zur Fortschreibung von Berechnungsverfahren ([6.1], [6.2]) usw.), • Überprüfung der Schienenfahrflächenrauheit durch den Schallmesswagen der DB AG, s. a. [6.3], • dauerhafte Überwachung der Schallemissionen und Schallimmissionen der Eisenbahnen und Straßenbahnen. Insbesondere gilt dies zur Überwachung des Umrüststandes der Brems‐ systeme von Güterwagen (Austausch der Bremsklötze: Graugusssohle zur K-Sohle oder LL-Sohle). Beim Neubau oder bei einer wesentlichen baulichen Änderung sind im Rahmen von Planfest‐ stellungsverfahren die Schallimmissionen zu berechnen ([6.1], [6.2]). Hierdurch wird zwar die Notwendigkeit von Schallemissions- und Schallimmissionsmessungen deutlich verringert, aus den oben genannten Gründen sind aber dennoch Schallmessungen an Schienenfahrzeugen erforderlich und werden daher auch regelmäßig durchgeführt. Tabelle 6.1 gibt einen zusammenfassenden Überblick über die wesentlichen Regelwerke (Vor‐ schriften, Normen und Richtlinien), nach denen derzeit die Schallemissionen und -immissionen zu erfassen sind. <?page no="183"?> Schallquelle Verfahren zur Ermittlung Regelwerk/ Anmerkungen 1 2 3 Schienenverkehr Berechnung Verkehrslärmschutzverordnung (16. BImSchV), Anlage 2 (Schall 03) [6.1] / Verkehrswege-Schallschutzmaßnahmenverordnung (24. BImSchV) [6.4] / DIN 18005 [6.5] Schienen-, Straßen- und Wasserverkehr Messung DIN 45642 [6.5] (Diese Norm ist zu überarbeiten, da sie sich auf die alte Schall 03 von 1990 bezieht) Schienenverkehr Messung DIN EN ISO 3095 und 3381. VDV-Schriften 154 [6.7] und 611 [6.8] Schienenverkehr Messung Monitoring oder Langzeitüberwachung, DIN 38452-1 - Emission Gewerbe Messung TA Lärm - auch Anwendung im Schienenverkehr Gewerbe Berechnung VDI 2714 / VDI 2571 (Planung von Anlagen) Baustellen Messung AVV Baulärm [6.9], Geräuschimmissionen Tabelle 6.1: Übersicht über Regelwerke, die bei der Schallpegelermittlung durch Berechnung oder Messung zu beachten sind (für verschiedene Schallquellen) Amtliche Messungen dürfen nur von fachlich qualifizierten Personen bzw. Institutionen durch‐ geführt werden. Anerkannte Messstellen gemäß § 26 BlmSchG [6.10] werden durch „Bekanntma‐ chung des Ministeriums über Stellen für Emissions- und Immissionsermittlungen ...“ (1989) von der zuständigen obersten Landesbehörde zugelassen. Die Messstellen müssen über entsprechend geschultes Personal und über die erforderliche technische Ausstattung verfügen [6.11]. Zusammenfassend zeigt Bild 6.1 eine Übersicht zu den Schallmessungen, die im Bereich des Schienenverkehrs schwerpunktmäßig durchzuführen sind. Zu beachten sind dabei die in Tabelle 6.1 genannten Regelwerke. 6.1 Schallmessungen - Übersicht 181 <?page no="184"?> Bild 6.1: Überblick zu den möglichen Schallmessungen im Schienenverkehr, Emissionen und Immissionen Grundsätzlich sind die genannten Schallmessungen sowohl an Straßen-, Stadt- und U-Bahnen als auch an Eisenbahnen in gleicher Weise durchzuführen. Zu beachten sind hierbei einige grundsätzliche Unterschiede zwischen diesen Verkehrssystemen (siehe Kap. 4). Zu nennen sind z. B. [6.1]: • Geschwindigkeitsbereiche, • Achslast, unabgefederte Radsatzmasse, • Zuglänge, Zughäufigkeit (Takt), • Antriebe: Lok/ Triebwagen / Diesel-/ E-Motoren. • Drehgestelle: Triebdrehgestelle, Laufdrehgestelle, Einzelfahrwerke, Radsätze, Losräder, • Bremssysteme: Klotz- oder Scheibenbremse. Diese können einen großen Einfluss auf Schall- und Erschütterungsemissionen ausüben, da sie die Radfahrflächenrauheit beeinflussen, • Anordnung der Schallquellen im Fahrzeug (unterflur, auf dem Dach oder in halber Fahrzeug‐ höhe), • Lokale Möglichkeiten zur akustischen Überwachung, • Streckenführung (Gerade, Gleisbogen mit unterschiedlichen Radien) und • verschiedene Oberbauformen (Schottergleise, Schwellen- oder Stützpunktabstand, Feste Fahrbahn, in Straßen eingebettete Gleise mit Rillenschienen, Grüne Gleise), verschiedenartige Schienenbefestigungssysteme usw. 182 6 Messung von Luft- und Körperschall - Messergebnisse <?page no="185"?> 6.2 Messgeräte 6.2.1 Schallpegelmesser Für einfache Schallmessungen wird ein Schallpegelmesser eingesetzt. Hiermit sind Messungen an jeweils nur einem Messort möglich. Zur gleichzeitigen Messung an mehreren Orten, z. B. in verschiedenen Abständen zur Strecke oder an mehreren Orten im Fahrzeug, ist ein mehrkanaliges Messsystem erforderlich. Im Prinzip handelt es sich hierbei um die Integration mehrerer Schall‐ pegelmesser in einem Messsystem; es wird daher im Folgenden nur der prinzipielle Aufbau eines Schallpegelmessers erläutert, seine einzelnen Komponenten und seine Funktionsweise sind auch auf ein mehrkanaliges Messsystem übertragbar. Schallpegelmesser sind Geräte zum objektiven und reproduzierbaren Erfassen und Weiter‐ verarbeiten des vorhandenen Schalldrucks. Der prinzipielle Aufbau der Schallpegelmesser ist gleich. Schallpegelmesser bestehen im Wesentlichen aus den in Tabelle 6.2 zusammengefassten Komponenten und verfügen über die dort genannten Schalterstellungen. Schallpegelmesser sind mit Filtern ausgestattet, die es erlauben, gehörrichtig zu messen. Da das menschliche Ohr in verschiedenen Schalldruck- und Schallfrequenzbereichen unterschiedlich reagiert, wurden entsprechende Filter entwickelt. Bei Schienenverkehrsgeräuschen wird weitge‐ hend die A-Filterung (A-Bewertung) verwendet, die international genormt ist. Nach einer weiteren Signalverstärkung wird der - gleitende - Effektivwert (Quadrierung) des Schalldrucks gebildet. Das Ergebnis ist der Schallenergie bzw. der Schallleistung proportional. Die Bildung des gleitenden Effektivwertes bedeutet eine zeitliche Mittelung mit einer exponentiell zeitabhängigen Gewichtung. Übliche in Schallpegelmesser eingebaute Zeitbewertungen sind „Fast“, „Slow“, „Impuls“ und „Peak“ (mit verschiedenen Zeitkonstanten τ, Tabelle 6.2). Für amtliche Messungen müssen Schallpegelmesser den Festlegungen in den Normen DIN EN 60651 (Schallpegelmesser) und DIN EN 60804 (integrierende mittelwertbildende Schallpe‐ gelmesser) entsprechen (s. a. DIN IEC 651 bzw. DIN IEC 804) und eine Zulassung der Physi‐ kalisch-Technischen Bundesanstalt haben. Diese Geräte sind regelmäßig nach zu eichen (mit Erteilung eines Eichzertifikats), sie werden als Präzisions-Schallpegelmesser bezeichnet. Auch diese Schallpegelmesser sind vor (und nach) jeder Messung mit einem tragbaren akustischen Kalibrator (z. B. Pistonphon) zu überprüfen und gegebenenfalls zu justieren. Nach DIN EN ISO 3095 / 3381 müssen alle Messwerte bei Abnahme- und Kontrollmessungen verworfen werden, wenn zwischen der Vor- und Nachkalibrierung eine Differenz von über 0,5-dB vorhanden ist. Schallpegelmesser werden nach DIN EN 60651 in vier verschiedene Genauigkeitsklassen eingeteilt: Klasse 0: sehr hohe Genauigkeit, als Bezugsnormal für Messungen im Labor, Klasse I: hohe Genauigkeit, für Labor- und Feldmessungen mit hohen Anforderungen an die Messgenauigkeit (z. B. Prüfung auf Richtwertüberschreitungen), Klasse II: mittlere Genauigkeit, für allgemeine Messungen mit geringerer Anforderung an die Messgenauigkeit (z. B. für Betriebsmessungen), Klasse III: geringe Messgenauigkeit, für Orientierungsmessungen geeignet. Die relative Empfindlichkeit der beiden vorwiegend im Bereich des Schienenverkehrs eingesetz‐ ten Mikrofone zeigt Bild 6.2. Betroffen sind vorwiegend der untere und der obere Frequenzbe‐ 6.2 Messgeräte 183 <?page no="186"?> reich. Da in der Regel dominante Frequenzen zwischen etwa 400 Hz und 5 kHz im Schienenverkehr vorherrschen und den A-Gesamtpegel bestimmen, ergeben in vielen Fällen Mikrofone der Klasse 2 hinreichend genaue Ergebnisse. -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 2 20 200 2.000 20.000 relative Empfindlichkeit, dB log Frequenz f, Hz Kl1-unten Kl1-oben Kl2-unten Kl2-oben Kl1-Beispiel Kl2-Beispiel Kl: Genauigkeitsklasse des Mikrofons Bild 6.2 Vergleich der relativen Empfindlichkeit von Mikrofonen der Klassen 1 und 2 Einheit Verwendung Mikrofon Zur Umwandlung von Schalldruckwellen in elektrische Signale. Kondensatormikrofone haben die größte Messgenauigkeit. Mit einer kugelförmigen Aufnahmecharakteristik werden richtungsabhängige Messungen weitgehend vermieden (es sei denn, die Aufgabenstellung erfordert solche Messungen), [6.12]. Vorverstärker verstärkt die sehr geringe Mikrofonspannung Schwanenhals Anpassung an die Aufgabenstellung Display Digitale Anzeige. Bei Aufzeichnung mit speziellen Messgeräten bzw. auf einem Laptop können u. a. der Schalldruck p(t), der Schalldruckpegel L p (t) sowie die Ergebnisse von Frequenzanalysen dargestellt werden. Bewertungsfilter A, C, Lin bzw. Z (Zero) Messbereich, Verstärker Je nach Größe des zu messenden Schalldrucks sind unterschiedliche Messbereiche einzustellen. Zeitbewertung Slow, Fast, Impuls: Slow (langsam) mit τ = 1-s; Fast (schnell) mit τ = 125-ms; Impuls für schnell veränderliche Schallereignisse mit τ ein = 0,035-s und τ aus = 1,5-s. Zur Bewertung von Schienenverkehrsgeräuschen werden vorrangig folgende Pegel herangezogen: der Maximalpegel L pAFmax und der hieraus gebildete mittlere Maximalpegel L pAFmax,m (DIN EN ISO 3095), der Vorbeifahr-Mittelungspegel L pAm,V (nach VDI 2716) sowie der äquivalente Dauerschalldruckpegel L pAeq,T (= Mittelungspegel L pAm,V ) bzw. L pAeq,Trec oder L pAeq,Tp (DIN EN ISO 3095 / 3381). Frequenzanalyseeinheit Zur Ermittlung von Terz-, Oktav- oder Schmalbandspektren (FFT). Diese Analysen können direkt während der Aufzeichnung oder im Labor für ausgewählte Zeitbereiche und nach unterschiedlichen Kriterien erfolgen. Tabelle 6.2: Grundsätzliche Funktionen eines Schallpegelmessers/ Schallpegelmesssystems 184 6 Messung von Luft- und Körperschall - Messergebnisse <?page no="187"?> Die Auswahl eines Schallpegelmessers ist nach dem Anwendungszweck zu treffen. Bei der Anschaffung von Schallpegelmessern für die Messung von Verkehrsgeräuschen sind u. a. folgende Gesichtspunkte zu beachten: Erforderliche Genauigkeitsklasse, Pegeluntergrenze, zu messender Pegelbereich (zur Messung von Verkehrsgeräuschen sollte der Messbereich zwischen ca. 30 dB und 120 dB liegen), Mittelwert‐ bildung, Pausentaste zur Ausblendung von Fremdgeräuschen (z. B. zwischen 2 Vorbeifahrten), Stabilität und Feuchtebeständigkeit, Eichfähigkeit, Möglichkeiten zur Frequenzbewertung (A, C, Z) und Zeitbewertung (F, S, I), Max-Hold-Einstellung, Mittelwertbildung, Speicherkapazität, Ermittlung von statistischen Kenngrößen usw. 6.2.2 Zusatzgeräte Schallmessgeräte müssen vor und nach jeder Messung mit einem Kalibrator (Referenz-Signalge‐ ber, Klasse 1 nach EN 60942, Fehlergrenze: ≤ ± 0,3 dB) kalibriert werden. Häufig wird hierzu ein Signal von 1.000 Hz (250 Hz, Pistonphone) und einem Schalldruckpegel von 94 dB, 104 dB oder 124-dB eingesetzt. Weitere Geräte sind in Tabelle 6.3 zusammengestellt. System/ Software Anwendung 1 2 Datenerfassung (Schallpegelmesssysteme) • Aufzeichnung der Schalldaten vor Ort zur Analyse im Labor. Software zur Ermittlung von Schallpegeln im Zeit- oder Frequenzbereich • Überschreitungspegel L N , • Häufigkeitssumme, • Häufigkeitsverteilung. • Pegelverlauf über der Zeit, L p (t), L pA (t), Maximalpegel L pAmax (Slow „S“ oder Fast „F“), • Mittelungspegel L pAm,V = L pAeq,Trec (siehe hierzu Bild 6.6); L pAeq,Tp • Terz-/ Oktavspektren (Mittelungs- oder MAXHOLD-Spektren), • Schmalbandspektren (FFT), • Zeit-Frequenzspektren (Farb-Konturspektren, Spektrogramme). Tabelle 6.3: Signalaufzeichnung und weitere Verarbeitung von Luftschall 6.2.3 Umwelteinflüsse und allgemeine Vorgehensweise Im Freien werden Schalldruckpegel wesentlich durch die Witterung (Schnee, Regen, Windge‐ schwindigkeit und -richtung, Inversionswetterlagen) beeinflusst, daher sind sie bei der Messpla‐ nung zu berücksichtigen und zu dokumentieren. Bei Inversionen (Temperaturschichtungen) ist der Schall durch Reflexion über weite Entfernungen wahrnehmbar. Schnee oder gefrorener Boden verändern den Absorptionseffekt der Bodenoberfläche z. T. sehr stark, was sich auf die Größe der gemessenen Schallpegel auswirkt. Nasse Schienen und Fahrbahnen können sich auf die Rollgeräusche auswirken. Ganz deutlich zeigt sich dies beim Messen von Kurvengeräuschen. Bei durch Regen befeuchtete Schienen tritt in der Regel kein Quietschen auf. Zur Vermeidung von Störgeräuschen durch Windeinfluss ist auf das Mikrofon ein Windschirm aus porösem Schaum aufzusetzen. Dieser wirkt gegen tieffrequente Schallanteile verwirbelnder Luftbewegungen. Hierdurch werden die Schalldruckpegel geringfügig vermindert (< 0,1-dB). 6.2 Messgeräte 185 <?page no="188"?> Bei Schallmessungen sind grundsätzlich die Anforderungen der entsprechenden Vorschriften einzuhalten. Den in Tabelle 6.4 zusammengefassten Gesichtspunkten kommt hierbei besondere Bedeutung zu. Parameter Bemerkungen/ Hinweise 1 2 Messgröße Ergibt sich aus der Aufgabenstellung und der einzuhaltenden Richtlinie. Hiernach ist das geeignete Messgerät auszuwählen, z. B. im Hinblick auf die einzustellende Frequenz- (bei Schienenverkehr A-Bewertung) und Zeitbewertung („S“ Slow, „F“ Fast oder „I“ Impuls) am Messgerät Messgerät Bestimmt die Genauigkeit der Messung; erforderliche Genauigkeitsklasse ist zu beachten. Messort Festlegung der Mikrofonaufstellung nach den Vorgaben entsprechender Normen (z. B. am definierten Emissionspunkt* ) in 7,5-m Abstand von Gleismitte (Quelle) und in 1,2 m und 3,5 m Höhe über Schienenoberkante (SO) oder nach vorliegender Aufgabenstellung). * ) Die Emission ist korrekterweise nur unmittelbar an der Quelle zu messen. Da dies beim Schienenverkehr nicht möglich ist, wurden Ersatzpunkte definiert. Für Fahrgeschwindigkeiten > 200-km/ h ist in 25-m Abstand von der Gleismitte und in 3,5-m Höhe über SO zu messen. Messdauer Die Messdauer wird bestimmt durch die Aufgabenstellung, Vorgaben entsprechender Normen sind einzuhalten. Sie muss ausreichen, um repräsentative Ergebnisse zu erhalten (z. B. Messung von mindestens 15 (bis 30) Vorbeifahrten einer bestimmten Zugart), bei Abnahmemessungen (Typprüfung) mindestens drei Vorbeifahrten. Umgebungsgeräusche Bei den Messungen ist darauf zu achten, dass Fremdgeräusche das Messergebnis nur unwesentlich beeinflussen. Eventuell sind die Messungen an einem anderen Tag zu wiederholen. Windrichtung und -geschwindigkeit beeinflussen z. B. den Grundpegel infolge anderer Schallquellen (z. B. Auto- oder Flugverkehr, Gewerbebetriebe). Geräuschzustand Die Geräuschquelle muss den entsprechenden Betriebszustand aufweisen, z. B. Vollgas/ Leerlauf bei einem mit einem Dieselmotor angetriebenen Schienenfahrzeug oder mit oder ohne Heizung, Lüftung, Kühlung usw. Auswerteverfahren Auswerteverfahren sind in Normen vorgegeben. Sie sind sowohl für Einzelmessungen (z. B. einer einzelnen Vorbeifahrt) als auch bei der Ermittlung eines Gesamtwertes mit Bezug auf eine Stunde (Tag/ Nacht) zu beachten. Gleisparameter Der Rauheitszustand der Schienenfahrflächen sowie die Gleisabklingrate (= Körperschallabnahme in Gleislängsrichtung) beeinflussen die Schallemission. Daher sind sie messtechnisch zu erfassen. Für manche Messungen reicht eine subjektive Beschreibung des Gleises und der Schienenfahrflächen aus. Die Gleis-Abklingrate wird auch durch Schienenstegdämpfer beeinflusst, eine Schienenstegabschirmung hat hierauf keinen nennenswerten Einfluss. Tabelle 6.4: Allgemeine Anforderungen an Schallmessungen Des Weiteren ist bei der Durchführung von Schallmessungen auf folgende Punkte zu achten: • Richtcharakteristik des Mikrofons, • Beeinflussung (Reflexion, Absorption etc.) durch das Bedienungspersonal. Hierdurch sind nicht zu vernachlässigende Pegelunterschiede möglich. Prinzipiell sollte das Messmikrofon 186 6 Messung von Luft- und Körperschall - Messergebnisse <?page no="189"?> (6.1) auf einem Stativ angeordnet werden und mit einem Verbindungskabel mit dem Anzeigegerät oder dem Aufzeichnungsgerät verbunden werden. • Zur Kontrolle des Messsignals ist es erforderlich, das aufgezeichnete Signal auf dem Monitor zu prüfen. Störungen, z. B. 50 Hz Brummen, können so sofort erkannt und beseitigt werden. • Von jeder Messung ist unbedingt ein möglichst umfassendes Messprotokoll anzufertigen. Dies gilt sowohl für die eigentliche Messung (Einstellungen der Messgeräte) als auch für das zu untersuchende Objekt. Zum zweiten Punkt sind einige Angaben in DIN EN ISO 3095 / 3381 enthalten. Im Wesentlichen sollten in einem Messprotokoll folgende Punkte aufgeführt werden: - Messkette (Gerätetypen, Seriennummern, Kalibrator etc.), - Skizze des Messortes mit Angabe der Messpunkte (besonders wichtig für Messungen im/ am Fahrzeug), - Beschreibung des Messobjektes (Betriebsdaten, Geschwindigkeit, Drehzahl des Motors, Fahrtrichtung, befahrenes Gleis, Fahrzeugart und Zugzusammenstellung, Antrieb etc.), - Meteorologische Daten (bei Windgeschwindigkeiten > 5 m/ s sollten keine Außenge‐ räuschmessungen mehr durchgeführt werden), - Einstellungen der Auswertung oder Analyse (Frequenzbewertung, Zeitbewertung, Frequenzanalyse, andere Filtereinstellungen), - Notieren von Störungen / Fremdgeräuschen während der Messungen, - Beschreibung der Messsignalcharakteristik; z. B. Einzeltöne (oft beim Antrieb), kon‐ tinuierliche oder punktuelle Geräusche (Flachstellen, Weichen, Schweiß- und Isolier‐ stöße der Schiene), - Aufzeichnen des Hintergrundpegels (Schallpegel ohne Zugfahrt bzw. bei einem ste‐ henden Fahrzeug ohne eingeschaltete Fahrzeugaggregate). Der Signal-Rauschabstand sollte > 10-dB sein (möglichst für alle Frequenzen). Diese Hinweise gelten weitgehend auch für die Durchführung von Schwingungsmessungen (im Fahrzeug, Gleis, Boden, Gebäude, siehe Kapitel 12). 6.2.4 Statistische Sicherheit Für vorhandene Wertepaare (Schalldruckpegel und Geschwindigkeit) können wie folgt Regressi‐ onsfunktionen berechnet werden. Es kann hierfür folgender Ansatz gewählt werden: L A, x = a + b ⋅ lg 0, 01 ⋅ v Der Index „x“ steht hierbei für den Maximalpegel L pAFmax und den Mittelungspegel L pAeq,T oder L pAeq,Tp (Vorbeifahrgeräusche) und L pAm,T (Innen- und Standgeräusche). Die Größen a, b und r (r ist der Korrelationskoeffizient) sind über die Regressionsberechnung zu ermitteln. Für den Grad des Zusammenhangs zweier Variablen gelten die Beurteilungen nach Tabelle 6.5. In [6.20] sind mehrere Ergebnisse einer solchen Berechnung enthalten. Bild 6.3 zeigt beispielhaft hieraus ein Ergebnis für gemessene Innengeräusche an verschiedenen Messpunkten in den Fahrzeugen und Bild 6.4 die entsprechenden Vorbeifahrgeräusche in 7,5 m Abstand von der Gleisachse in 1,2 m über SO. Der Vergleich zur VDV 154 (2002) ist weitgehend noch aktuell, leicht modifizierte Werte sind in Ausgabe 2023 zu finden. Hinweis: Neuere Fahrzeuge auf einem gut gepflegten Gleis ergeben deutlich geringere Schallpegelwerte. Der Korrelationskoeffizient „r“ ist die Wurzel aus dem Bestimmtheitsmaß B (B = r 2 ). 6.2 Messgeräte 187 <?page no="190"?> Nach Möglichkeit sollten Schallmessungen nur in einer Umgebung durchgeführt werden, in der ein relativ geringer Fremdgeräuschpegel vorliegt (das Messsignal reicht mehr als 10 dB aus dem Grundgeräuschpegel heraus). Die Korrekturen nach Tabelle 6.6 können auch nur dann durchgeführt werden, wenn der Fremdgeräuschpegel weitgehend konstant ist (z. B. Rauschen einer weit entfernten Autobahn). Bei kurzzeitigen Fremdgeräuscheinwirkungen, z. B. durch Flugzeuge oder vorbeifahrende Autos, sollten die Messungen nach Möglichkeit wiederholt werden. In DIN 45641 [6.13] wird die Mittelung von Schallpegeln beschrieben (siehe Kap. 3). Korrelation r Zusammenhang 0 0 bis 0,2 0,2 bis 0,5 0,5 bis 0,75 0,75 bis 0,95 0,95 bis 1,00 1 keiner praktisch nicht, sehr schwach schwach mittelstark, deutlich stark, straff praktisch voll gesetzmäßig Tabelle 6.5: Beurteilung von Korrelationskoeffizienten Innenschallpegel umgebauter Tatra-Fahrzeuge (gestrichelt: Fahrerkabine) Kap06_B6.3xx_Tatra neu 1-innengeräusche Tatra 1 (2) 50 60 70 80 90 30 40 50 60 70 L pAm,T (=L pAeq,T ) in dB(A) v in km/ h Mittelwert Strab (Niederflur)* Stadt-, U-Bahn* *VDV 154 (2002) bei v=60 km/ h Übergangsbereich Sitzbereich VDV 154 (2011) Sitzbereich - U-Bahn 65 dB(A) - Stadtbahn HF 66 dB(A) - Strab NF 68 dB(A) Bild 6.3: Innengeräusche von Tatra-Straßenbahn-Fahrzeugen von vier Straßenbahnunternehmen, dicke rote Linie zeigt den arithmetischen Mittelwert. Bild 6.4: Außengeräusche von Tatra-Straßenbahn-Fahrzeugen von vier Straßenbahnunternehmen, dicke rote Linie zeigt den arithmetischen Mittelwert, die grüne Linie den in VDV-Schrift 154 festgelegten Wert 188 6 Messung von Luft- und Körperschall - Messergebnisse <?page no="191"?> Differenzpegel zwischen dem A-bewerteten Schalldruckpegel, der während der Geräuschmessungen des Fahrzeuges bei vorhandenem Fremdgeräusch ermittelt wurde, und dem A-bewerteten Fremdgeräuschpegel. Korrektur, die zu dem A-bewerteten Schalldruckpegel, der während der Geräuschmessung des Fahrzeuges bei vorhandenem Fremdgeräuschpegel ermittelt wurde, addiert werden muss. dB(A) dB(A) ≥ 10 6 bis 9 5 0 0 -1 -2 -3 Tabelle 6.6: Fremdgeräuschkorrektur für Kontrollmessungen 6.3 Messung von Außengeräuschen 6.3.1 Randbedingungen, Messpunkte Um vergleichbare und reproduzierbare Messergebnisse von Außengeräuschpegeln stehender und fahrender Schienenfahrzeuge zu erhalten, sind bestimmte Randbedingungen für Abnahme- und Vergleichsmessungen in DIN EN ISO 3095 zu folgenden Bereichen festgelegt: • Messgrößen und -geräte, • Anforderungen an den Messplatz und Fremdgeräusche, • Anforderungen an das Fahrzeug und die Messstrecke, • Strecken- und Fahrzeugbedingungen, • Witterungsbedingungen, • Aufstellen der Messmikrofone (Messpunkte) sowie • Durchführung der Messungen. Im Folgenden werden aus DIN EN ISO 3095 (Anhang D) einige für Bahnen des Nahverkehrs (Straßen- und U-Bahnen) wesentliche Bedingungen für akustische Abnahmemessungen aufge‐ zeigt (diese sind für eine Vergleichbarkeit bzw. Übertragung von Messergebnissen von Ort zu Ort wichtig). Diese Aussagen gelten weitgehend auch für Eisenbahnen. 1. Messortbedingungen Die in dieser Norm enthaltenen Anforderungen an den Messort sind bei Nahverkehrsbe‐ trieben nur in den seltensten Fällen zu finden. So soll der Messort im freien, flachen Gelände mit schallweicher Oberfläche liegen (niedriger Bewuchs, gepflügter Boden und Grasfelder werden genannt). Des Weiteren muss die Umgebung des Messmikrofons bis zum dreifachen der Messentfernung frei von großen schallreflektierenden Gegenständen wie Mauern, Hügeln, Felsen, Brücken oder Gebäuden sein. Dies bedeutet einen freien Messort von ca. 25 m x 25 m beim Messpunkt a2 (7,5 m) oder 75 m x 75 m für den Messpunkt a3 (25 m). Bei Messungen an Nahverkehrsgleisen können diese Bedingungen oft nur annähernd eingehalten werden (anders sieht es bei S-Bahn-Strecken und Strecken des Fernverkehrs aus, hier sind in der Regel Messorte zu finden, die den Bedingungen in der Norm entsprechen). Dies gilt auch für das Prüfcenter Wegberg-Wildenrath. 2. Streckenbedingungen für Messungen an bewegten Fahrzeugen Hierfür gelten im Wesentlichen folgende Bedingungen: 6.3 Messung von Außengeräuschen 189 <?page no="192"?> • Schotterbett mit einer Mindesttiefe von 15-cm unterhalb der Schwelle, • Bögen mit Radien > 3.000 m (dies ist bei Nahverkehrsbahnen nicht immer einzuhalten), • lückenlose Verschweißung und guter Unterhaltungszustand des Gleises (falls nicht der Einfluss des Gleises - z. B. Schottergleis, begrünter Bahnkörper, Feste Fahrbahn oder schallmindernde Maßnahmen an den Schienen - selber erfasst werden soll), • trockene und glatte Fahrflächen der Schienen. 3. Betriebsbedingungen des Fahrzeuges Hierfür werden u. a. folgende Bedingungen genannt: • unbeladenes Fahrzeug (für Abnahmemessungen), • Türen und Fenster müssen geschlossen sein (für Innengeräuschmessungen), • gut eingelaufene Räder, wobei deren Laufflächen frei von Flachstellen sein müssen und keine Beschädigungen aufweisen dürfen. 4. Anordnung der Außen-Messpunkte (Bild 6.5): Abstand von Gleismitte • a1: 2,5 m in 1,2 m oder 0,6 m Höhe über Schienenoberkante (SO). Dieser Messpunkt wird manchmal eingerichtet, um unmittelbarer die Geräusche von Rad und Schiene zu erfassen. In einer Norm ist er nicht enthalten. • a2: 7,5 m in 1,2 m Höhe (auch in 3,5 m Höhe) über SO (Standard-Normmesspunkt für v ≤ 200-km/ h) und • a3: 25 m in 3,5 m Höhe über SO (für Fahrzeuggeschwindigkeiten > 200 km/ h). In der alten Schall 03 von 1990 war dies der Emissionspunkt! 5. Geschwindigkeit Je nach Aufgabenstellung sind die Messungen bei festgelegten Geschwindigkeiten, nach DIN bei 100 %, 75 % und 50 % der maximalen Nenngeschwindigkeit des Fahrzeuges (Abnah‐ memessungen), oder bei der aktuellen Streckengeschwindigkeit (zur Immissionsermittlung) durchzuführen. Bei Nahverkehrsbahnen werden für Vergleichsmessungen häufig die Ge‐ schwindigkeiten 40 km/ h, 60 km/ h und 80 km/ h bzw. Maximalgeschwindigkeit gewählt. Andere Geschwindigkeiten können festgelegt werden, [6.14]. Werden die Messungen mit nur einem Fahrzeug durchgeführt, dann sind pro Geschwindigkeits‐ stufe je Richtung mindestens drei Fahrten zu messen. Bei Immissionsmessungen mit unterschied‐ lichen Fahrzeugen sollten mindestens 15 Fahrten je Gleis und Fahrzeugart aufgezeichnet werden. Normgerechte Abnahme- und Vergleichsmessungen sind bei Straßenbahnen oft nur mit erheb‐ lichen Schwierigkeiten bzw. Kompromissen durchzuführen. Auch die freie Schallausbreitung stellt - im Innenstadtbereich - eine oft nur schwer zu lösende Aufgabe dar. Daher werden in der Regel akustische Abnahmemessungen auf speziellen Gleisen, z. B. in Prüfcentren oder auf Prüfgleisen im Verkehrsunternehmen oder bei den Fahrzeugherstellerfirmen, durchgeführt. 190 6 Messung von Luft- und Körperschall - Messergebnisse <?page no="193"?> (6.2) Bild 6.5: Luftschallmesspunkte an der Strecke [6.17], Messpunkt a2 in 7,5 m Abstand auch in 3,5 m Höhe über SO zur Erfassung der Schallquellen auf dem Dach (Aggregate, Stromabnehmer usw.) Für Schallmessungen auf Betriebsgleisen (Abnahmegleisen) kann es hilfreich sein, ergänzend auch den Schienenkörperschall zu erfassen. Hierüber sind mögliche Unregelmäßigkeiten der Räder einfacher zu erkennen. Sollen bestimmte Fahrbahneigenschaften festgestellt werden, dann reicht im Allgemeinen eine Mess-Streckenlänge von ca. 60 m bis 150 m aus. Je länger das Fahrzeug ist und je weiter der Messpunkt vom Gleis entfernt angeordnet wird, desto länger ist der Abschnitt für die Teststrecke zu wählen. 6.3.2 Messgrößen Zur Messung der Außengeräusche für Abnahmemessungen und Kontrollmessungen werden in DIN EN ISO 3095 folgende Messgrößen vorgeschlagen: • AF-bewerteter maximaler Schalldruckpegel, L pAFmax (für Anfahr- und Bremsgeräusche), • A-bewerteter äquivalenter Dauerschalldruckpegel, L pAeq,Tp (Vorbeifahrgeräusche bei konstan‐ ter Geschwindigkeit) L pAeq, Tp = 10lg 1 T p ∫ 0 Tp p A2 (t) p 02 dt ; db(A) 6.3 Messung von Außengeräuschen 191 <?page no="194"?> T p Vorbeifahrzeit (Puffer zu Puffer / Kupplung zu Kupplung), in s; p A (t) der A-bewertete momentane Schalldruck, in Pa; p 0 der Bezugsschalldruck, = 20-μPa. In Bild 6.6 ist beispielhaft der Schalldruckpegelverlauf L pAF (t) einer Vorbeifahrt mit den zu ermittelnden Pegeln dargestellt. 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 L pAF , dB(A) t , sec D (T=T p ) L pAFmax =78,2 dB(A) A (T rec ) -10 dB -10 dB B T A T 1 T E C T 2 T A : Messanfang T E : Messende Bild 6.6: AF-bewerteter Schalldruckpegelverlauf L pAF (t) einer U-Bahnvorbeifahrt, Doppeltraktion mit je 4 Fahrwer‐ ken (4 Drehgestellen) am Messpunkt a2 nach DIN EN ISO 3095 (2014) Erläuterungen zu Bild 6.6: A: Aufzeichnungsdauer T rec ; T rec = T E - T A , B: T 1 : Beginn der Auswertung; C: T 2 : Ende der Auswertung; D: Auswertedauer T = T p . T p = gesamte Vorbeifahrtzeit (über Puffer bzw. Kupplung); T p = T 2 - T 1 . 192 6 Messung von Luft- und Körperschall - Messergebnisse <?page no="195"?> (6.3) (6.4) (6.5) • Schallexpositionspegel, SEL (= Einzelereignispegel L pA,1s ) SEL = 10lg 1 T 0 ∫ 0 T p A2 (t) p 02 dt dB T 0 = 1-s die Bezugsdauer; T die Messdauer (= T rec ); p A (t) der A-bewertete momentane Schalldruck; p 0 = 20 μPa der Bezugsschalldruck. • Vorbeifahrtexpositionspegel, TEL (für Vorbeifahrtgeräusche mit konstanter Geschwindig‐ keit) T EL = 10lg 1 T p ∫ 0 T p A2 (t) p 02 dt ; dB. T p die Vorbeifahrdauer des Zuges, die der Gesamtlänge des Zuges (von Puffer zu Puffer) geteilt durch die Zuggeschwindigkeit entspricht, in s T die Messdauer, in s (= T rec ) p A (t) der A-bewertete momentane Schalldruck, in dB p 0 der Bezugsschalldruck, 20 μPa. Der Vorbeifahrexpositionspegel TEL hängt dabei wie folgt mit dem Schallexpositionspegel SEL zusammen: T EL = SEL + 10lg T 0 T p mit T 0 = 1 s; dB. Die beiden Größen SEL und TEL wurden im Entwurf DIN EN ISO 3095 von 2005 definiert, in der aktuellen Ausgabe der Norm (2014) sind sie nicht mehr enthalten. Sie werden jedoch für bestimmte Aufgaben zur Schallbewertung herangezogen, z. B. in DIN 38542-1. Neben den oben genannten Schalldruckpegeln werden in der aktuellen DIN EN ISO 3095 noch folgende Begriffe genannt: • Impulshaltiges Geräusch ist gekennzeichnet durch einen (oder mehrere) kurze Schallimpulse mit einer Dauer von in der Regel <-1-s; • Intermittierendes Geräusch ist dadurch gekennzeichnet, dass es regelmäßig oder unregelmä‐ ßig mit jeweils einer Dauer >-5-s auftritt; • Tonhaltiges Geräusch ist dadurch gekennzeichnet, dass es hörbare Töne einer einzelnen Fre‐ quenz oder eines schmalen Frequenzbereichs enthält, Bild 6.7 (s. a. Definition in VDV-Schrift 154, [6.7]). Eine umfassende Untersuchung zu diesem Thema findet sich in [6.40]. 6.3 Messung von Außengeräuschen 193 <?page no="196"?> 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 40 50 63 80 100 125 160 200 250 316 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3160 4000 5000 6300 8000 10000 LpAeq L pAeq,T=1sec , dB(A) Terzmitten-Frequenz f Tn , Hz LpAeq energ. <7dB 5/ 8dB  10/ 13dB <7dB <400 Hz 400 Hz Bild 6.7: A-bewertetes Terzspektrum mit zwei Tonalitäten bei 200 Hz und 1.250 Hz. Von den beiden Nachbarterzen wurde hier der energetische Mittelwert gebildet. Unterteilt wird das Spektrum in Terzen < 400-Hz und ≥ 400-Hz. Ein Beispiel für eine Prüfung eines A-bewerteten Terzspektrums auf eine Tonalität zeigt Bild 6.8. Diesem Beispiel liegt ein reales Messergebnis vor. Bewertet werden die Terzen von 50 Hz bis 8 kHz. Für die beiden Randterzen der beiden Blöcke (< 400 Hz und ≥ 400 Hz) sind die jeweiligen Nachbarterzen zur Mittelwertbildung heranzuziehen. Somit ist eine Darstellung der Terzen von 40-Hz bis 10-kHz erforderlich. Nach VDV 154 (2011) ist eine Tonhaltigkeit gegeben, wenn 1. der Pegel eines Frequenzbandes (Terz) weniger als 7 dB unter dem A-bewerteten Gesamtpegel des Spektrums liegt und 2. der Pegel dieser Terz den energetischen Mittelwert seiner beiden benachbarten Terzen um mehr als 10 dB (v ≥ 40 km/ h und konstant) bzw. 13 dB (Anfahren/ Bremsen) überschreitet. Diese Werte gelten für Terzen < 400 Hz. Für Terzen ≥ 400 Hz sind 5 dB bzw. 8 dB als Kriterien heranzuziehen. Das erste Kriterium für eine Tonalität wird erfüllt (D1 = L pAeq, Sum − L pAeq, 200Hz = 2, 2-dB -→-<7-dB), das zweite Kriterium wird dagegen gerade noch nicht erfüllt (D2 = L pAeq, 200Hz − MW =9,9-dB-→-<10-dB). 194 6 Messung von Luft- und Körperschall - Messergebnisse <?page no="197"?> (6.6) (6.7) Bild 6.8: Beispiel für eine Auswertung eines gemessenen Spektrums auf Tonalität der Terz 200-Hz. • MW energetischer Mittelwert der Nachbarterzen 160-Hz und 315-Hz, • D1 soll: Differenzpegel zwischen A und 200-Hz < 7-dB • D2 soll: Differenzpegel zwischen 200-Hz und MW >10-dB 6.3.3 Längenbezogener Schallleistungspegel Zur Kennzeichnung der Schallemissionen von Schienenfahrzeugen wird der längenbezogene A-Schallleistungspegel L W’A herangezogen. Er kann aus dem bei der Geschwindigkeit v gemesse‐ nen Einzelereignispegel L pA,1s (= SEL) wie folgt abgeschätzt werden, [6.15]: L W ′A = L pA, 1s + U 1 Der Summand U 1 hängt ab vom Abstand d des Messmikrofons von Gleismitte im Verhältnis zur Länge l des Fahrzeuges und von der Fahrzeuggeschwindigkeit v. Der Einzelereignispegel L pA,1s wird nach DIN 45642 mit Gl. (6.7) berechnet. L pA, 1s = 10 • lg 1 T 0 • ∫ t A t E p A2 (t) p 02 dt dB mit: 6.3 Messung von Außengeräuschen 195 <?page no="198"?> (6.8) (6.9) T 0 Referenzdauer, 1-s; T Messdauer in Sekunden; p A (t) A-bewertete Schalldruck in Pascal; p 0 Referenzschalldruck; = 20 μPa, t A , t E Anfangs- und Endzeitpunkt der Messung (siehe T A und T E aus Bild 6.6). Für den Summanden U 1 gilt folgender Zusammenhang, Gl. (6.8): U 1 = 10 ⋅ lg 2 ⋅ v 0 ⋅ t 0 d 0 + 10 ⋅ lg dl + 20 ⋅ lg v 0 v mit: v 0 = 100-km/ h (Eingabe in m/ s! ); d 0 = 1-m; t 0 = 1-s; d Abstand des Messmikrofons von Gleismitte (z. B. 7,5-m); l Länge des Fahrzeuges. Der längenbezogene Schallleistungspegel, bezogen auf v 0 , kann auch aus dem Vorbeifahr-Mittelungspegel L pAeq,T,v berechnet werden: L W′A = L pAeq, T , v + 10 • lg 2 • d d 0 + 30 • lg v 0 v mit v 0 = 100-km/ h, v = Vorbeifahrgeschwindigkeit. Bild 6.9 zeigt den Summanden U 1 für d/ l = 0,1/ 0,3/ 1/ und 3 in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit v in km/ h. In Bild 6.10 ist der Zusammenhang zwischen dem längenbezogenen A-Schallleistungspegel und Vorbeifahr-Mittelungspegel für verschiedene Geschwindigkeiten nach Gl. (6.9) aufgetragen. Hierbei wurden folgende Werte eingesetzt: d 0 = 1-m; d = 7,5-m; v 0 = 100-km/ h. 196 6 Messung von Luft- und Körperschall - Messergebnisse <?page no="199"?> -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 20 200 U 1 , dB Geschwindigkeit log v, km/ h d/ l=3 d/ l=1 d/ l=0,3 d/ l=0,1 20 40 80 120 160 200 300 Bild 6.9: Summand U 1 zur Berechnung des längenbezogenen A-bewerteten Schallleistungspegel aus dem gemes‐ senen Einzelereignispegel nach Gl. (6.8) 40 50 60 70 80 90 100 110 120 50 60 70 80 90 100 L W'A , dB(A) L pAeq,T , dB(A) 40 60 80 100 150 200 300 v, km/ h = Bild 6.10: Zusammenhang zwischen längenbezogenem A-bewerteten Schallleistungspegel und Mittelungspegel für verschiedene Geschwindigkeiten, Gl. (6.9). 6.3 Messung von Außengeräuschen 197 <?page no="200"?> (6.10) (6.11) 6.3.4 Zusammenhang zwischen verschiedenen Schallpegelgrößen Die folgenden Ausführungen beruhen auf den Ausführungen in [6.15], Abschnitt A4. Diese Darstellung dient zum einen zur Abschätzung des längenbezogenen Schallleistungspegels für die überarbeitete 16. BImSchV von 2014 ([6.1]) und zum Vergleich von unterschiedlichen Messgrößen. Der Transit Exposure Level TEL ist mit dem Einzelereignispegel verknüpft über [E DIN EN ISO 3095, Ausgabe 2005]: T EL = L pA, 1s − 10 • lg l v • t 0 ; db(A) Weiterhin besteht ein Zusammenhang zwischen dem Einzelereignispegel und dem mittlerem Vorbeifahrpegel: L pA, 1s = L pAeq, T + 10 • lg l v • t 0 ; db(A) Oft ist der Zusammenhang zwischen dem Mittelungspegel L pAeq,T und dem maximalen Vorbei‐ fahrpegel L pAFmax von Interesse. Die Differenz ist grundsätzlich umso höher, je geringer der Messabstand, je größer der Achsabstand, je kleiner die Fahrgeschwindigkeit, je ausgeprägter die Richtwirkung der Abstrahlung und je ungleichmäßiger die Verteilung von Fahrflächenrauheiten ist. Die ersten drei Kenngrößen lassen sich rechnerisch leicht nachbilden, die beiden Letzten erfordern Messungen. Auswertungen von Messungen am 7,5 m-Punkt sind in Tabelle 6.7 zusammengestellt, [6.15]. Gerundet ergibt sich eine Differenz von ca. 1 dB. Bei Sekundärschallmessungen kann die Differenz etwas höher ausfallen, 2-dB bis 3-dB sind hier möglich. Zugart Anzahl der ausgewerteten Wagen v- km/ h L pAFmax - L pAeq,T - dB(A) Standardabweichung dB(A) ICE-Mittelwagen 11 190 0,9 0,2 IC-Wagen 10 194 1,2 0,2 IC G (Autotransport) 15 87 1,2 0,5 G 4-achsig 14 105 0,4 0,1 G 2-achsig 15 89 0,6 0,3 Tabelle 6.7: Differenz zwischen Maximal- und Mittelungspegel am 7,5-m-Punkt Am 25 m-Messpunkt ergaben sich Differenzen unterhalb von 0,5 dB. Danach ist es für diesen Messpunkt, sofern alle Radsätze gleich gut sind, nicht erforderlich, zwischen Maximalpegeln und Mittelungspegeln zu unterscheiden, [6.15]. Schließlich interessiert der Zusammenhang zwischen dem Einzelereignispegel und dem maxi‐ malen Vorbeifahrpegel von Lokomotiven oder anderen angetriebenen Fahrzeugen, deren Länge „l“ kleiner als der Messabstand d oder mit diesem vergleichbar ist. Wiederum hängt die Differenz 198 6 Messung von Luft- und Körperschall - Messergebnisse <?page no="201"?> (6.12) (6.13) (6.14) (6.15) von der Richtwirkung der Abstrahlung ab. Kann davon abgesehen werden, so gilt näherungsweise für d ≥ „l“: L pA,1s,v ≈ L pAFmax,v + 10 • lg π • d v 0 • t 0 + Δ + 10 • lg v 0 v ; dB und für d = 0,5 l L pA,1s,v = L pAFmax,v + 10 • lg π • d v 0 • t 0 + Δ + 10 • lg v 0 v − 1 dB Es folgt für d ≥ l: L W′A, v 0 ≈ L pAFmax,v + 10 • lg 2 • π • d 2 l • d 0 + Δ + 30 • lg v 0 v ; dB Δ bezeichnet ein Korrekturmaß für die Zusatzdämpfung im Ausbreitungsweg des Schalls bis zum Bezugsabstand d von Gleismitte. Mit Gl. (6.14) zeigt sich, dass - selbst bei Vernachlässigung der Richtwirkung der Abstrahlung - mit dem Quotienten d/ l und dem Korrekturmaß Δ Einflussgrößen vorliegen, die keine eindeutige Umrechnung vom Maximalpegel in größerem Abstand, z. B. 25 m, auf den längenbezogenen Schalleistungspegel oder auf den Transit Exposure Level (TEL) zulassen. Eine alternative Vorgehensweise zur Ermittlung des längenbezogenen Schallleistungspegels L W'A,1h wird in [6.16] beschrieben. L W′A, 1h = L pAeq,1h + 10 * lg π • d d 0 − D BM − K mit L pAeq,1h Mittelungspegel bezogen auf eine Mittelungszeit T 0 = 1h, d 7,5-m d 0 Bezugsabstand 1-m, D BM Boden- und Meteorologiedämpfung (Entwurf Schall 03 (2006)), K Korrektursummand zur Anpassung an die Ausbreitungsrechnung nach Entwurf Schall 03 (2006). Mit D BM = 1 dB und K = 0 dB ergeben sich näherungsweise dieselben Ergebnisse wie nach den Gleichungen (6.9) und (6.14). 6.3 Messung von Außengeräuschen 199 <?page no="202"?> 6.4 Messergebnisse Außengeräusche - Beispiele 6.4.1 Vorbeifahrgeräusche Stadtbahnen Gemessene Außenschallpegel an Stadtbahnen (hierunter fallen alle Schienenfahrzeuge des Nah‐ verkehrs, die auch am Straßenverkehr teilnehmen) sind beispielhaft in Bild 6.11 enthalten. Von links nach rechts sind jeweils folgende Werte dargestellt: kleinster (Min), größter (Max), mittlerer Pegel und Differenzpegel zwischen Max und Min für v = 40 km/ h und 60 km/ h, nur Sonderfahrten bei vorgegebenen, weitgehend konstanten Geschwindigkeiten. In diesen beiden Bildern sind die Ergebnisse zusammengefasst, die an mehreren Straßenbahnen Ende der 80er Jahre gemessen worden sind; [6.17], [6.18]. Hierbei wurden nur solche Fahrzeuge in die Messungen einbezogen, die erst seit kurzer Zeit in Betrieb waren (Inbetriebnahme ab An‐ fang/ Mitte der 80er Jahre). Die kleinsten (Min) und die größten (Max) Pegel beziehen sich jeweils auf die mittleren Ergebnisse von einem Fahrzeug bzw. von einer Strecke. Alle Messungen wurden nur mit jeweils einem Messfahrzeug durchgeführt, wobei für die Außengeräuschmessungen in der Regel dasselbe Fahrzeug zur Verfügung stand wie für die Innengeräuschmessungen. Die Messungen erfolgten immer bei 40 km/ h und 60 km/ h sowie teilweise bei 80 km/ h. Meistens erfolgten sechs Messfahrten pro Geschwindigkeitsklasse (entweder tags in einer Richtung oder nachts in beiden Richtungen auf demselben Gleis). Alle Schallmessungen erfolgten auf Schottergleisen mit weitgehend glatten Schienenfahrflä‐ chen (nach visuellem Eindruck). Neben den Messungen an Straßenbahnen erfolgten gleiche Messungen auch an Fahrzeugen, die ausschließlich auf einem unabhängigen Bahnkörper verkehrten (U-Bahnen). Die Ergebnisse dieser Messungen sind in Tabelle 6.8 zusammengefasst. Zum Vergleich: Nach VDV 154 [6.8 aus dem Jahr 2002] ist für v = 60 km/ h und MP a2 ein empfohlener Pegelhöchstwert von 79 dB(A) für L pAFmax festgelegt. Der gemittelte Messwert L pAFmax,m auf „normalen“ Gleisen liegt somit nur 4 dB(A) über diesem Pegelwert. Für U-Bahnen wurde ein Pegelwert von 77 dB(A) festgelegt, der gemittelte Messwert liegt bei 78 dB(A), Tabelle 6.8. Anmerkung: In der VDV-Schrift 154 von 2012 wird für den empfohlenen Pegelhöchstwert anstelle des L pAFmax -Wertes der L pAeq,Tp -Wert (=78 dB(A) bzw. 76 dB(A)) genannt. Es gilt näherungsweise: L pAeq, Tp = L pAFmax − 1 dB . 200 6 Messung von Luft- und Körperschall - Messergebnisse <?page no="203"?> (6.16) Kap06_B6.11_STUVAFB25_91-2019 STUVA Forschungsberichte 25/ 91 LAFmaxstraSB 75 80 67 73 62 68 91 97 81 89 74 83 83 90 75 83 67 75 16 17 14 16 12 15 0 20 40 60 80 100 120 a1 - 40 a1 - 60 a2 - 40 a2 - 60 a3 - 40 a3 - 60 L pAFmax,m , dB(A) Messpunkt - Geschwindigkeit v, km/ h 2,5 m 7,5 m 25 m Bild 6.11: Außengeräuschpegel von Stadtbahnen in verschiedenen Abständen von Gleismitte und unterschiedli‐ chen Geschwindigkeiten (Mindest-, Maximal- und Mittelwert). - L pAFmax,m in dB(A) Messpunkt: a1: 2,5-m a2: 7,5-m a3: 25-m v in km/ h 40 60 40 60 40 60 arithmetischer Mittelwert 79 84 73 78 65 71 Messwertspanne 74-83 82-86 70-76 76-79 64-67 70-72 Tabelle 6.8: Messergebnisse von U-Bahnfahrzeugen aus Berlin, Hamburg, München und Nürnberg, [6.17], [6.18], nur Sonderfahrten bei vorgegebenen Geschwindigkeiten Beispielhaft zeigt Bild 6.12 Messergebnisse L pAeq,T für den MP a3 in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit. Die in diesem Bild ebenfalls dargestellten Einzelereignispegel L T 0 (hier bezogen auf eine Stunde) wurden nach den Angaben in DIN 45642 wie folgt ermittelt: L T 0 = L pAm + 10 ⋅ lg T M T 0 mit: L pAm,V Vorbeifahrt-Mittelungspegel (nach VDI 2716) = L pAeq,TM T M Messdauer während einer Vorbeifahrt (≈T rec ); T 0 Bezugsdauer 1-h (= 3.600-sec). 6.4 Messergebnisse Außengeräusche - Beispiele 201 <?page no="204"?> 20 30 40 50 60 70 80 90 20 30 40 50 60 70 80 90 L pAFmax / L T0 , dB(A) Geschwindigkeit v, km/ h LT0 MP1(a3) LpAFmax MP1(a3) LT0 MP3(a2) LpAFmax MP3(a2) Bild 6.12: Beispiel für Messergebnisse in 7,5 m und 25 m Abstand von Gleismitte (MP a2 und MP a3), Regelfahrten mit Fahrgästen bei verschiedenen Geschwindigkeiten, Maximalpegel L pAFmax und Einzelereignispegel L T0 (auf eine Stunde bezogen) Den Zusammenhang zwischen verschiedenen Schallpegeln von Straßenbahnen zeigt beispielhaft Bild 6.13, [6.7]. Ausgewertet wurden jeweils dieselben Vorbeifahrsignale. Für den dargestellten Geschwindigkeitsbereich besteht nahezu ein linearer Zusammenhang zwischen den einzelnen Größen. Werden die Ergebnisse als repräsentativ angesehen, dann ergibt sich für dieses Ergebnis im Mittel folgender Zusammenhang zwischen den einzelnen Größen (gerundete Pegelwerte): TEL = L pAFmax + 1-dB(A) SEL = L pAFmax + 5-dB(A) L pASmax = L pAFmax - 1-dB(A) L pAeq,Tp = L pAFmax - 1-dB(A) 202 6 Messung von Luft- und Körperschall - Messergebnisse <?page no="205"?> (6.17) 65 70 75 80 85 66 68 70 72 74 76 78 80 82 L pA ; dB(A) L pAFmax ; dB(A) TEL SEL LpASmax LpAeq,Tp Bild 6.13: Vergleich verschiedener Schallpegel zur Beschreibung der Schallemission relativ zu L pAFmax , Beispiel Vorbeifahrten auf einem Schottergleis, Straßenbahn. Messpunkt a2: 7,5-m Abstand von Gleismitte, v zwischen 30-km/ h und 40-km/ h Anhand der Vorgaben in [6.23] können Schall-Außenpegel rechnerisch ermittelt werden (Anmer‐ kung: Die Gleichungen und Korrekturwerte in [6.23] beruhen auf der statistischen Auswertung zahlreicher Ergebnisse von Vorbeifahrmessungen von Schienenfahrzeugen). Für die in dieser Richtlinie aufgeführten Fahrzeugarten sind in Bild 6.14 die Emissionswerte L m,E,RS in 7,5 m Abstand von Gleismitte (MP a2) dargestellt (Schotteroberbau, Fahrzeuglänge l = 100 m). Diese Werte wurden mit folgender Gleichung ermittelt: L m, E, RS, 7, 5 (v) = 10 ⋅ lg ∑ 10 0, 1(51 + D Fz + D D ) + 6, 8dB Anmerkung: Diese Gleichung wird hier nur der Vollständigkeit halber dargestellt. Die hiermit ermittelten Werte können aber durchaus zum Vergleich herangezogen werden. D Fz und D D : Korrekturwerte für Fahrzeugart und Anteil scheibengebremster Fahrzeuge sowie +6,8 dB für die Umrechnung vom Messpunkt a3 (25 m) auf den Messpunkt a2 (7,5m). Der Index „RS“ gilt für Rad-/ Schiene-Geräusche. 6.4 Messergebnisse Außengeräusche - Beispiele 203 <?page no="206"?> 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 L m,E,RS, 7,5m , dB(A) v, km/ h (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) Bild 6.14: Emissionspegel für verschiedene Fahrzeugarten nach [6.1] In Bild 6.14 sind in eckigen Klammern die Fahrzeugkorrekturwerte D Fz für die Fahrzeugarten (1) bis (7) angegeben: • (1): Fahrzeugart mit zulässigen Geschwindigkeiten > 100 km/ h mit Radabsorbern (Baureihe 401, 402) [s-3], • (2): Fahrzeuge mit Radscheibenbremsen (Baureihen 403, 420, 472) [s-2], • (3): Fahrzeuge mit Radscheibenbremsen (Bx-Wagen unter Einbeziehung der Lok) [s-1], • (4): U-Bahn* [s +2], • (5): Straßenbahn [s +3], • (6): alle übrigen Fahrzeuge [s +0], • (7): Güterzüge mit 100% Bremsklötzen aus Grauguss (s +-0**). * Die Werte für U-Bahnen sind zu hoch, realistischer wäre eine Korrekturwert von D Fz,U-Bahn ca. -2-dB! In der neuen 16. BImSchV (Anlage 2 von 2014) wurde dies entsprechend korrigiert! ** Die erhöhten Schallemissionen von Güterfahrzeugen werden durch die Art der Bremsen berücksichtigt [6.23]. 6.4.2 Rundummessungen In DIN EN ISO 3095 werden auch Bedingungen für Schallmessungen von stehenden Fahrzeugen genannt. Diese sind auf einem Schwellengleis mit sauberem Schotter durchzuführen. Für solche Rundummessungen sind die Messmikrofone in 7,5 m Entfernung von Gleismitte in 1,2 m über Schienenoberkante anzuordnen. Eine zweite Messebene in 3,5 m Höhe wird empfohlen. Ein Beispiel einer Messpunktanordnung zeigt Bild 6.15 für ein dieselelektrisches Fahrzeug. 204 6 Messung von Luft- und Körperschall - Messergebnisse <?page no="207"?> Anmerkung: Die beiden Messpunkte „7“ und „15“ sind in der aktuellen Norm 3095 nicht mehr enthalten. Bei Gleisen mit einer Oberleitung könnte eine Aufstellung von Stativen aus Metall für Messungen in 3,5 m Höhe problematisch werden. Bild 6.15: Beispiel für die Anordnung der Messpunkte um einen Dieselelektrischen Triebwagen. Messpunkthöhe über der Schienenoberkante (SO): 1,2-m ± 0,2-m und 3,5-m ± 0,2-m Ein Beispiel für gemessene Schalldruckpegel L pAm,TM an einem Dieselelektrischen Triebwagen zeigt Bild 6.16, [6.19]. Diese Werte wurden an den in Bild 6.15 beschriebenen Messpunkten er‐ mittelt. Dargestellt sind die Ergebnisse für die Motorbetriebszustände Leerlauf und Vollgas (ohne Belastung). Die Messdauer betrug jeweils T M = 16 Sekunden. Der Unterschied der Schallpegel an allen Messpunkten zwischen den Höhen über SO ist gering (< 2 dB(A)). Dies ist u. a. darauf zurückzuführen, dass nur eine Hauptschallquelle (Dieselmotor) vorhanden war. Ein weiteres Ergebnis einer „Rundummessung“ zeigt Bild 6.17. Hier wurden auf einer Seite des Fahrzeugs in verschiedenen Abständen von Gleismitte und Höhen über SO Messungen ausgeführt. Die Messmikrofone blieben stehen und das Fahrzeug wurde jeweils um 5 m nach vorne bewegt. Deutliche Pegelanhebungen sind hier nur am nahen Messpunkt a1 vorhanden. 6.4 Messergebnisse Außengeräusche - Beispiele 205 <?page no="208"?> 30 40 50 60 70 80 90 100 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 MW L pAm,T , dB(A) Messpunkte 1,2 m; LL 1,2 m; VG 3,5 m; LL 3,5 m; VG Seite 1 Kopf 2 Seite 2 Kopf 1 Bild 6.16: Ergebnisse von Rundummessungen an einem Dieselelektrischen Triebwagen in 7,5-m Abstand von Gleismitte (MP 1-5: Seite 1; MP 6-8: Kopf 1; MP 9-13: Seite 2; MP 14-16: Kopf 2), L pAm,TM in dB(A) bei Motor-Leerlauf (LL), und Motor-Vollgas (VG), [6.19] 30 35 40 45 50 55 60 65 70 L pAm,T , dB(A) Position seitlich neben dem Fahrzeug MP a1/ 1,2 MP 4, a2/ 1,2 MP 5, a2/ 3,5 MP 10, a3/ 3,5 Bild 6.17: Ergebnisse einer Schalldruckmessung seitlich eines U-Bahnfahrzeugs 6.5 Messung von Innengeräuschen In DIN EN ISO 3381 werden Messgrößen, Messmethoden, Betriebsbedingungen und weitere Einflussgrößen festgelegt, die beim Messen des Luftschalls innerhalb von Schienenfahrzeugen zu beachten sind. Für Nahverkehrsbahnen besonders relevante Bedingungen werden im Folgenden kurz beschrieben. Für die Messstrecken gelten im Wesentlichen dieselben Randbedingungen wie in DIN EN ISO 3095. Lediglich der Abstand reflektierender Flächen neben der Strecke ist hier deutlich geringer. Häufig erfolgen die Innen- und Außengeräuschmessungen in U- und Straßenbahnen auf jeweils denselben Streckenabschnitten. 206 6 Messung von Luft- und Körperschall - Messergebnisse <?page no="209"?> Es sind mehrere Messpunkte in und am Fahrzeug einzurichten. Im Fahrgastraum werden sie im Gang in 1,6 m Höhe über dem Fußboden und zwischen den Sitzplätzen in ungefährer Kopfhöhe (1,2 m über dem Fußboden oder 0,65 m über der Sitzfläche) angeordnet. Bei Messungen in der Fahrerkabine ist das Mikrofon in Kopfhöhe seitlich neben dem Fahrer anzuordnen. Hierbei wird die Arbeitsplatzbelastung festgestellt. Als Messgröße für die Innengeräusche dient der Mittelungspegel L pAm,T . Bild 6.18 zeigt beispiel‐ haft den Pegelschrieb an einem Messpunkt in einer Straßenbahn. Ein solches Pegel-Zeit-Signal wird für Abnahmemessungen bei gleichmäßig gutem Rad- und Schienenzustand und ohne Fremdeinwirkungen innerhalb des Fahrzeuges gemessen (z. B. ohne Lautsprecherdurchsagen im Fahrzeug). Das Bild 6.18 zeigt Messergebnisse, die auf einem „normalen“ Betriebsgleis und in einem „normalen“ Fahrzeug ermittelt worden sind. In dem Bild sind folgende Messergebnisse dargestellt (außer dem Geschwindigkeitssignal sind hier alle Ergebnisse A- und Sbewertet, der Körperschall (KS) ist als Schwinggeschwindigkeitspegel re 5 • 10 −8 ms dargestellt): • „KS-Boden-vorne“: Köperschall auf dem Fahrzeugfußboden, vertikal, • „KS-RSL-li“: Körperschall Radsatzlager links, vertikal, • „KS-RSL-re“: Körperschall Radsatzlager rechts, vertikal, • „LS-DG-vorne“: Luftschall unter dem Fahrzeug im Drehgestellbereich, • „LS-innen-vorne“: Luftschall vorne im Fahrzeug, mittig und 1,6 m über dem Fahrzeugfußbo‐ den, • „v, km/ h“: Fahrzeuggeschwindigkeit in km/ h. Bei solchen Messungen empfiehlt es sich, die Geschwindigkeit ebenfalls zu erfassen. Eine indi‐ rekte Messung der Schienenrauheit kann über Körperschallmessungen auf einem Radsatzlager und Luftschallmessungen im Drehgestellbereich erfolgen. Bei diesen Messungen (2007) waren die Messergebnisse im Fahrzeug an beiden Messpunkten (vorne und hinten im Fahrzeug) nahezu identisch, der Mittelungspegel beträgt ca. 69 dB(A) für v = 50-km/ h. Im Beschleunigungsbereich verhalten sich bei diesen Messungen nahezu alle Signale ähnlich, die Pegel nehmen mit dem Anstieg der Geschwindigkeit zu. Bei Konstantfahrt sind die Pegelver‐ läufe weitgehend konstant, im Verzögerungsbereich verhält sich nur der Körperschallpegel auf dem Radsatzlager wie das Geschwindigkeitssignal. In den Signalen auf den Radsatzlagern treten sowohl im Beschleunigungsals auch im beginnenden Bremsbereich Pegelspitzen auf. Diese lassen sich ausgefahrenen Schweißstellen der Schienen zuordnen (Schienenlänge = 18 m), die Abstände zwischen den Spitzen nehmen mit steigender Geschwindigkeit ab. Deutlicher ist dies im unbearbeiteten Zeitsignal zu erkennen (siehe unten, links im Bild). Die deutlichen Pegelanhe‐ bungen im Beschleunigungs- und Bremsbereich sind zusätzlichen Anfahr- und Bremsgeräuschen zuzuordnen. 6.5 Messung von Innengeräuschen 207 <?page no="210"?> 25 30 35 40 45 50 55 60 65 30 40 50 60 70 80 90 100 110 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 v, km/ h L pAS / L vAS , dB(A) Zeit t, s (Auflösung 0,02 s) KS-Boden-vorne KS-RSL-li KS-RSL-re LS-DG-vorne LS-innen-vorne v, km/ h Bild 6.18: Pegelverläufe an verschiedenen Messpunkten einer Straßenbahn, Beschleunigen, Konstantfahrt, Ver‐ zögern, Fahrt auf einem begrünten Bahnkörper mit hochliegender Vegetationsebene und Straßenquerungen (Asphaltbereiche). In Bild 6.19 sind Differenzpegel aus Bild 6.18 zwischen folgenden Pegel-Zeitverläufen dargestellt: 1. „LS-DG-vorne - LS-innen-vorne“: Luftschall im Drehgestell minus Luftschall im Fahrzeug (über dem Drehgestell), 2. „KS-RSL-Mit - LS-DG-vorne“: Energetisch gemittelter Körperschall auf den Radsatzlagern minus Luftschall im Drehgestell, 3. „KS-Boden-vorne - LS-innen-vorne“: Körperschall Fußboden vorne im Fahrzeug minus Luftschall vorne im Fahrzeug. Der erste Wert ist ein Maß für die Dämmung des Fahrzeugfußbodens (31 dB(A) ±1 dB(A)), der zweite Wert für den Einfluss der „Schienenfahrflächenrauheit“ auf den Luftschallpegel im Drehgestell (-3 dB(A) ±1 dB(A)) und der dritte Wert für die „Umwandlung“ des „Körperschalls Fußboden“ auf den Luftschall im Fahrzeug (20 dB(A) ±1 dB(A)). Diese Differenzpegel beziehen sich nur auf den Bereich mit weitgehend konstanter Fahrzeuggeschwindigkeit. Beim Luftschall im Drehgestellbereich ist jedoch zu beachten, dass dieser auch den vom Antrieb verursachten Luftschall beinhaltet. Diese Differenzpegel sind abhängig vom Fahrzeugtyp, von der Fahrwegart und der Geschwindigkeit, sie sind somit nur ein Beispiel für entsprechende Pegelwerte. 208 6 Messung von Luft- und Körperschall - Messergebnisse <?page no="211"?> -20 -10 0 10 20 30 40 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Delta L AS , dB Zeit t, s KS-Boden-vorne - LS-innen-vorne KS-RSL-Mit - LS-DG-vorne LS-DG-vorne - LSinnen-vorne Bild 6.19: Differenzpegel verschiedener Luft- und Körperschallmessergebnisse für verschiedene Fahrzustände, Straßenbahn Gemessene Innengeräuschpegel an Stadtbahnen (hierunter fallen alle Schienenfahrzeuge des Nahverkehrs, die auch am Straßenverkehr teilnehmen) sind beispielhaft in Bild 6.20 zusammen‐ gestellt (nähere Beschreibung siehe unter 6.4.1). 67 70 70 75 68 69 63 67 30 40 50 60 70 80 90 FSt-40-Strab FSt-60-Strab FGR-40-Strab FGR-60-Strab FSt-40-U-Bahn FSt-60-U-Bahn FGR-40-U-Bahn FGR-60-U-Bahn L pAm,T , dB(A) Fahrzeugart / Geschwindigkeit Max Mittel Min Bild 6.20: Messwerte in Nahverkehrsfahrzeugen für Geschwindigkeiten von 40-km/ h und 60-km/ h, [6.17], gemit‐ telte Mittelwertpegel sowie gemittelte Maximal- und Mindestpegel: FST: Fahrerstand, FGR: Fahrgastraum Für eine andere Messkampagne zeigt Bild 6.21 das Differenzpegelspektrum zwischen den Geräu‐ schen im Fahrzeug (i2) und unter dem Fahrzeug im Laufdrehgestell (LDG) für ein U-Bahnfahrzeug. Die Messungen erfolgten auf einem Schottergleis mit Holz- und Betonschwellen bei 80 km/ h, 6.5 Messung von Innengeräuschen 209 <?page no="212"?> [6.24]. Der A-bewertete Differenzpegel liegt hier bei ca. 32 dB(A) (vergleiche Bild 6.19), der Einfluss der Schwellenart ist für den Summenpegel gering (<-1-dB). Bild 6.21: Oktavpegel-Differenzspektren für Schallmessungen auf einem Holz- und einem Betonschwellengleis (dasselbe Fahrzeug, dieselben Streckenabschnitte). In [6.24] wird auch gezeigt, dass die Emissionspegel (Summenpegel) nahezu unabhängig vom Schwellenwerkstoff sind. In der VBUSch und in der Anlage 2 zur 16. BImSchV („Schall 03“ von 2014) wird daher nicht mehr zwischen den Schwellenwerkstoffen unterschieden. In einzelnen Oktaven sind jedoch größere Pegelunterschiede möglich. Tendenziell wurden unter ca. 1.000-Hz für Holzschwellen etwas höhere Pegel ermittelt, oberhalb dieser Frequenz etwas höhere Pegel für Betonschwellen, Bild 6.22. Die A-bewerteten Spektren werden durch die eingezeichneten Linien dargestellt. 210 6 Messung von Luft- und Körperschall - Messergebnisse <?page no="213"?> (6.18) 20 30 40 50 60 70 80 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 A Z L pm,Trec , dB Oktavmitten-Frequenz f Okt , Hz BS-7,5m-60-Z HS-7,5m-60-Z BS-7,5m-60-A HS-7,5m-60-A Bild 6.22: Vergleich der Schwellenarten (BS=Betonschwellen, HS=Holzschwellen): Oktavpegelspektren in 7,5-m Abstand von der Gleisachse in 1,2-m über SO, 60-km/ h, Nahverkehrsfahrzeug, A- und Z-bewertet 6.6 Sonstige Schallmessungen 6.6.1 Nachhallzeit Die Nachhallzeit T in einem Raum ist die Zeit, die nach dem Abschalten einer Quelle bis zum Absinken des Schallpegels um 60-dB vergeht. Sie ist besonders groß in Räumen mit schallharten Begrenzungsflächen (z. B. Kirchen). Näherungsweise kann die Nachhallzeit mit der Sabineschen Nachhallformel berechnet werden: T = 0, 163 ⋅ V A mit: V Raumvolumen in m 3 , A (=Σα·S) Äquivalente Absorptionsfläche in m 2 , - α Absorptionsgrad - S Fläche mit einem bestimmten Absorptionsgrad α 0,163 Empirische Konstante in s/ m. Gleichung (6.18) wird hier nur deshalb angeführt, um die Abhängigkeiten der Nachhallzeit von den Räumen, in denen hierzu Messungen durchgeführt werden, aufzuzeigen (z. B.: Fahrzeug- und Gebäudeinnenräume, unterirdische Haltestellen). Sie steht demnach in enger Beziehung zum 6.6 Sonstige Schallmessungen 211 <?page no="214"?> (6.19) Volumen eines Raumes und seiner Gesamtabsorption (mit abnehmender Nachhallzeit steigt die Schallabsorption). Die Nachhallzeit T spiegelt im Wesentlichen das Absorptionsverhalten der Raumbegrenzungs‐ flächen und anderer im Raum vorhandener Gegenstände wider (bei Straßen- und Eisenbahnen z. B. die Sitzpolster). Für Nachhallzeitmessungen in Schienenfahrzeugen existieren derzeit keine Normen. In [6.20] wurde in einer Straßenbahn die Messung der Nachhallzeit wie folgt durchge‐ führt: • Anregung (Breitband- und Oktavrauschen) mit einem hinter dem Fahrerstand auf dem Boden aufgestellten Lautsprecher. Eine Anregung mit dem Knall einer Schreckschusspistole ist auch möglich. • Messung des Oktav-Schalldruckpegelverlaufs (Nachhall) jeweils im vorderen und hinteren Fahrzeugteil nach Abschalten der Signalquelle. Die Nachhallzeiten wurden für die Oktaven 125 Hz bis 8 kHz ermittelt. In Bild 6.23 ist beispielhaft das Ergebnis dieser Messung dargestellt. DIN EN ISO 3382 legt Verfahren zur Messung von Nachhallzeiten in Räumen fest, [6.36]. Hiermit kann das akustische „Raumklima“ in einem Fahrzeug beschrieben werden. Absorbierende Raumauskleidungen (Schallschluckstoffe) führen theoretisch zu folgender Schallpegelminderung: ΔL = 10 ⋅ lg T 1 / T 2 = 10 ⋅ lg A 2 / A 1 mit T 1 Nachhallzeit vor Auskleidung (Absorptionsfläche A 1 ), T 2 Nachhallzeit nach Auskleidung (Absorptionsfläche A 2 ). Bei einer Halbierung von T (Verdopplung von A) ergibt sich somit eine Pegelminderung von 3 dB. Für einen Vergleich werden beispielhaft folgende Nachhallzeiten genannt: Vortragsräume bis 1,2, Opern- und Konzertsäle 1,5 bis 2,2, Kirchen 2,0 bis 3,5, Schienenfahrzeuge 0,8 bis 1,1 (schallharte Innenauskleidung), Schienenfahrzeuge 0,5 bis 0,7 (schallweiche Innenauskleidung. Die Nachhallzeit beeinflusst auch ganz wesentlich den von den Raumbegrenzungsflächen abgestrahlten Sekundärschall in Gebäuden (Kap. 14). 212 6 Messung von Luft- und Körperschall - Messergebnisse <?page no="215"?> (6.20) Bild 6.23: Ergebnis einer Nachhallzeitmessung in einem Straßenbahnfahrzeug 6.6.2 Schalldämmung Bei U- und Hochflurstraßenbahnen liegen die wesentlichsten Schallquellen unterhalb des Fahr‐ zeugbodens. Bei Niederflurfahrzeugen sind auch einige schallabstrahlende Aggregate auf dem Dach angeordnet, z. B. Umrichter, Lüfter. Je nach Anordnung der Schallquellen ergeben sich unterschiedliche Übertragungswege in den Fahrzeuginnenraum. Um diese Übertragungswege besser abzuschirmen, werden u. a. Fußboden, Außenwand, Türen, Fenster und Dach konstruktiv so ausgelegt und gefertigt, dass eine hohe Schalldämmung erreicht wird. Zur Beschreibung der schallmindernden Wirkung dieser Bauteile kann die nachhallzeit-reduzierte Schallpegeldifferenz D nT verwendet werden. Hierfür gilt: D nT = L 1 − L 2 + 10 ⋅ lg T / T 0 mit L 1 Schalldruckpegel ca. 50-cm vor dem Bauteil in dB, L 2 Schalldruckpegel ca. 50-cm hinter dem Bauteil in dB, T Nachhallzeit im Fahrzeug in Sekunden (Abhängig von Raumgröße und Raumabsorption), T 0 Bezugsnachhallzeit. Für Wohnräume ist T 0 = 0,5 s festgelegt (dieser Wert wurde auch in [6.20] angesetzt). 6.6 Sonstige Schallmessungen 213 <?page no="216"?> (6.21) Für manche Fragestellungen reicht auch die Bestimmung der Schallpegeldifferenz D aus. D = L 1 − L 2 Um vergleichende Aussagen über die Schallminderung verschiedener Außenhautausführungen bei Schienenfahrzeugen zu erhalten, können die oben beschriebenen Messungen an Fußböden, Seitenwänden, Türen und Fenstern durchgeführt werden. Hierzu kann mit einem Lautsprecher seitlich neben dem Fahrzeug angeregt und direkt vor „L 1 “ und hinter „L 2 “ den o. g. Bauteilen der Luftschall gemessen werden, [6.19], [6.20]. Die nach den Gleichungen (6.20) oder (6.21) bestimmten Schallpegeldifferenzen zeigen ein Maß für die Dämmung des Wagenkastens auf. Ein solches Ergebnis zeigt Bild 6.24 für ein Fahrzeug, welches als Straßenbahn- und Regionalbahn eingesetzt wird. Die großen Einbrüche in der Dämmwirkung sind im Bereich der Fahrzeugüber‐ gänge (Faltenbälge) vorhanden. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Delta L pm , dB Messpunkte 63Hz 125Hz 250Hz 500Hz 1kHz 2kHz 4kHz 8kHz A Bild 6.24: Ergebnisse von Durchgangsmessungen seitlich von einem Nahverkehrsfahrzeug in etwa 1,2-m Höhe über dem Fahrzeugfußboden, unbewertete Oktavspektren 63-Hz bis 8-kHz und A-bewertetes Spektrum 6.6.3 Intensitätsmessungen Eine Schallquelle emittiert Schallleistung und erzeugt dadurch einen bestimmten Schalldruck, d. h. Schallleistung ist die Ursache und Schalldruck die Wirkung. Der Schalldruck, der vom Menschen wahrgenommen und mit einem Mikrofon gemessen wird, ist abhängig vom Abstand zur Schallquelle und von den akustischen Eigenschaften des Raumes, in dem gemessen wird. z. B. hört sich eine Maschine in einem großen, mit schallabsorbierendem Material ausgekleideten Raum leiser an als in einem kleinen Raum mit schallharten Wänden. Die Schallleistung der Maschine ist jedoch in beiden Fällen gleich groß. Als Beispiel aus dem 214 6 Messung von Luft- und Körperschall - Messergebnisse <?page no="217"?> (6.22) (6.23) (6.24) (6.25) Schienenverkehr ist eine Fahrt im Tunnel (Reflexion an den harten Tunnelwänden) einer Fahrt außerhalb eines Tunnels (mehr oder weniger freie Schallausbreitung) gegenüberzustellen. Zur Messung der Schallleistung einer Maschine / eines Fahrzeuges wird daher eine Messgröße benötigt, die unabhängig von den Umgebungsbedingungen ist und in direkter Beziehung zur Schallleistung steht - die Schallintensität. Nach DIN 45630 ist der Schallleistungspegel L W definiert zu: L W = 10 ⋅ lg W W 0 mit W 0 = 10 -12 -W. Mit W 0 = 10 -12 W stimmen die Zahlenwerte der Schallleistung mit denen des Schalldruckpegels überein, wenn sich die gesamte Schallleistung auf eine Fläche von 1-m 2 verteilt. Die Schallintensität beschreibt den Energiefluss im Raum, d. h. die Energie, die pro Zeitein‐ heit eine senkrecht zur Abstrahlrichtung stehende Einheitsfläche passiert. Die Dimension der Schallintensität ist „Energie pro Zeit und Fläche“ bzw. „Leistung pro Fläche“, sie wird in W/ m 2 angegeben. Im Gegensatz zum Schalldruck, der als skalare Größe nur einen Betrag hat, besitzt die Schallintensität als vektorielle Größe sowohl einen Betrag als auch eine Richtung. Mit einer Schallintensitätssonde kann demnach die Richtung des Energieflusses bestimmt und eine Schallquelle geortet werden. Die Schallintensität „I“ ist ein Vektor, sie beschreibt den Energiefluss pro Fläche an einem bestimmten Punkt. Die akustische Leistung W, die die Fläche S durchdringt, ist das Integral W = ∫ S I n ⋅ dS I n senkrecht zum Flächenelement stehende Komponente des Intensitätsvektors. Für die Schallintensität gelten folgende Beziehungen: Intensität= Leistung Fläche = Energie Fläche⋅Zeit = Kraft⋅Weg Fläche⋅Zeit =Druck⋅Schnelle Die Schallleistung einer Schallquelle kann durch Mitteln der Intensität über die Messfläche bestimmt werden, sie wird berechnet durch die Multiplikation der Teilintensität I n mit der Teilmessfläche S n . Für die praktische Ermittlung der Schallleistung ist daher zuerst die Messfläche zu definieren. W = n = 1 N I n ⋅ S n N Anzahl der Teilflächen n. 6.6 Sonstige Schallmessungen 215 <?page no="218"?> (6.26) (6.27) Ein weiteres Merkmal der Schallintensität ist, dass nur der zeitlich gemittelte Netto-Energiefluss erfasst wird. Hin- und herwandernde Schallenergie - z. B. stehende Wellen - wird nicht gemessen, weil sie keine sich ausbreitende Energie darstellt. Im freien Schallfeld ist I = p 2 ρ ⋅ c = 2, 45 ⋅ 10 −3 ⋅ p 2 = w ⋅ c mit p Schalldruck in N/ m 2 ρ.c Schallwellenwiderstand Z = 410 Ns/ m 3 bei Normalbedingungen in der Luft bei 20 °C w Schallenergiedichte in Ws/ m 3 c Schallgeschwindigkeit in m/ s bzw. I = p ⋅ v mit v Schallschnelle in Richtung der Schallausbreitung. Zur Messung der Schallintensität dienen Sonden, die im Wesentlichen aus zwei einander gegenüberliegenden Mikrofonen bestehen, die durch ein Distanzstück voneinander getrennt sind. Da der Mikrofonabstand den Frequenzbereich der Sonde bestimmt, sind Distanzstücke in verschiedenen Längen einzusetzen (z. B. 6 mm, 12 mm und 50 mm). Zur Messung tieferer Frequenzen dienen ½“- und für höhere Frequenzen ¼“-Mikrofone. Schallintensitätsmessungen werden in folgenden Bereichen angewendet: • Schallleistungsbestimmung, • Messung von Teilschallquellen, • Erstellung von Schallintensitätskarten, • Schallquellenortung und • Messung der Luftschalldämmung. Bei Intensitätsmessungen an Schienenfahrzeugen ist eine punktweise Messung senkrecht zur Teilfläche ausreichend. Für die Ermittlung der Schallleistung kann somit Gl. (6.25) herangezogen werden. Da die Schallintensität eine vektorielle Größe ist, kann mit ihr auch die Richtung des Energieflusses bestimmt werden. Mit Hilfe geeigneter Software ist es möglich, die Intensität dreidimensional (Landscape) oder als Linien gleicher Intensität (Contour) darzustellen. Dazu wird ein Raster über die Schallquelle gelegt und in den Kreuzungspunkten gemessen. Die Spektren werden einzeln aufgenommen und in einem Speicher abgelegt. Durch Interpolation ist es möglich, das Netz im Nachhinein zu verdichten. 216 6 Messung von Luft- und Körperschall - Messergebnisse <?page no="219"?> Schallintensitätsmessungen innerhalb eines Schienenfahrzeuges können vornehmlich für die beiden folgenden Fragestellungen eingesetzt werden: • Schwachstellanalyse beim Schalldurchgang in den Fahrzeuginnenraum und zur • Ermittlung der Schallleistung einzelner Aggregate. Bild 6.25 zeigt die auf dem Fußboden eines Dieseltriebwagens gemessene Intensität für den A-bewerteten Schallpegel und für den unbewerteten Schallpegel. Die einzelnen Messpunkte lagen hierbei jeweils in der Mitte einer 1 m 2 großen Fläche. Bei einem ca. 3 m breiten und ca. 22 m langen Fahrzeug ergeben sich somit 22 Spalten und 3 Reihen. Die Schallleistung kann auch anhand von Schalldruckmessungen ermittelt werden. Ein ent‐ sprechendes Verfahren ist in DIN 45635 beschrieben (s. a. [6.12]). Bild 6.25: Intensitäten auf dem Fußboden eines Dieseltriebwagens bei Leerlauf der bei diesem Fahrzeug an den beiden Kopfenden liegenden Fahrmotoren, Landscape - Darstellung [6.22] 6.7 Beispiel für eine Schallpegelauswertung - Außengeräusche 6.7.1 Vorgaben An einer Nahverkehrsstrecke wurden Außen-Schallmessungen an Regelzügen durchgeführt. Die Messungen erfolgten im Normabstand von 7,5 m (1,2 m über SO) und in 25 m Abstand (3,5 m über SO). Aus der Anzahl der gemessenen Vorbeifahrten wurde eine Fahrt gewählt, bei der das vorbeifahrende Fahrzeug im hinteren Teil Räder mit Flachstellen oder ähnlichen „Störungen“ hatte. Akustisch konnte dies vor Ort vom Messteam wahrgenommen werden. Diese Situation ermöglicht eine getrennte Auswertung der Signale ohne und mit dieser Flachstelle (FSt). Somit ist näherungsweise der Einfluss einer Flachstelle auf die Schallemission zu beschreiben. Die mittlere Vorbeifahrgeschwindigkeit betrug 56,2 km/ h, die Fahrzeuglänge 120 m. Die Messungen erfolgten auf einem geraden Gleis mit einem Schotteroberbau und gepflegten Schienenfahrflächen. Die Geschwindigkeit wurde anhand der Ergebnisse einer neben dem 6.7 Beispiel für eine Schallpegelauswertung - Außengeräusche 217 <?page no="220"?> (6.28) (6.29) (6.30) Gleis aufgestellten Lichtschranke ermittelt (v Zug = l Zug / T p ) mit l Zug die Zuglänge und T p die Vorbeifahrzeit. 6.7.2 Festlegungen für eine Analyse der Vorbeifahrgeräusche In DIN EN ISO 3095 sind Vorgaben für eine Auswertung von Vorbeifahrgeräuschen und in VDV 154 sind einige ergänzende Festlegungen für die Randbedingungen vor Ort enthalten. Beide Regelwerke gelten im Grundsatz nur für Neufahrzeuge auf einem Gleis mit besonderen akustischen Anforderungen. In der Praxis wird sich hierauf aber auch für Schallmessungen von Bestandsfahrzeugen auf „normalen“ Gleisen bezogen. Weitere Festlegungen sind in DIN 45642 enthalten. Diese Norm orientiert sich hinsichtlich der Auswertung stark an die „Schall 03“ von 1990, die im Jahr 2014 durch ein völlig neu konzipiertes Regelwerk abgelöst worden ist. Daher ist die aktuell gültige DIN 45642 nur eingeschränkt für diese messtechnische Aufgabe heranzuziehen. Folgende Größen sind nach den oben genannten Regelwerken zu ermitteln: • Vorbeifahrzeit T p , hiermit und der Kenntnis der Zuglänge ist die mittlere Vorbeifahrgeschwin‐ digkeit v Zug zu ermitteln, • A-bewerteter äquivalenter Dauerschalldruckpegel während der Vorbeifahrzeit L pAeq,T p = 10 • lg 1 T 2 − T 1 ∫ T 1 T 2 p A(t) 2 p 02 dt • A-bewerteter äquivalenter Dauerschalldruckpegel während der Vorbeifahrzeit T p plus den Zeiten für den ansteigenden und abfallenden Schalldruckpegel (T A vor Einfahrt in den Messquerschnitt und T E nach Ausfahrt aus den Messquerschnitt, Bild 6.6). Diese gesamte Expositionszeit wird hier mit T rec bezeichnet, • Vorbeifahrtexpositionspegel TEL T EL = L pAeq,T rec + 10 • lg T rec / T p Für L pAeq,T rec gilt sinngemäß die obige Gleichung für L pAeq,Tp . • AF-bewerteter maximaler Schalldruckpegel L pAFmax • Einzelereignispegel (= SEL) L T 0 = L pAeq,T rec + 10 • lg T rec T 0 Mit T 0 =1-s. Anstelle von T rec kann auch T p eingesetzt werden und für T 0 auch eine Stunde. • Terzspektren für die Zeiten T p oder T rec , sowie Oktavspektren, jeweils für den gemessenen Schalldruck am Messpunkt 7,5 m. Die Oktavspektren sind für die Oktaven von 63 Hz bis 8 kHz zu ermitteln, sie dienen zur Abschätzung der längenbezogenen Schallleistungspegel, siehe Gl. (6.9). Die Terzpegel ermöglichen u. a. eine Überprüfung im Hinblick auf tonale Geräusche (s. VDV 154). Um mögliche Frequenzabhängigkeiten (Ursachenforschung) zu erkennen bietet sich ergänzend eine FFT-Analyse an (Schmalbandanalyse mit konstanter Frequenzauflösung). 218 6 Messung von Luft- und Körperschall - Messergebnisse <?page no="221"?> Die gemessenen, einem konkreten Ereignis zuzuordnenden Schallereignisse sollten immer mehr als 10-dB aus dem Umgebungs- oder Grundgeräuschpegel herausragen, Bild 6.6. Daher ist, neben dem eigentlichen Schallereignis, hier Vorbeifahrt eines Zuges, auch der Schall ohne eine Vorbeifahrt aufzuzeichnen und auszuwerten. 6.7.3 Ergebnisse Für die oben kurz beschriebene Zugvorbeifahrt werden im Folgenden einige wesentliche Ergeb‐ nisse dargestellt. -2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 2 4 6 8 10 12 14 p, Pa t, s MP: K5 -0,8 -0,6 -0,4 -0,20 0,2 0,4 0,6 2 4 6 8 10 12 14 p, Pa t, s MP: K7 40 45 50 55 60 65 70 75 80 0 2 4 6 8 10 12 14 L pAF , dB(A) t, s K5-LpAF K7-LpAF T p = 7,7 s 10 dB 10 dB T e (= T rec ) = 10,6 s Bild 6.26: Darstellung der Zeitsignale p(t) und L pAF (t) für die beiden Messpunkte K5 (7,5-m) und K7 (25-m) 6.7 Beispiel für eine Schallpegelauswertung - Außengeräusche 219 <?page no="222"?> Im oberen Teil zeigt Bild 6.26 die beiden Zeitsignale der gesamten Vorbeifahrt als Schalldruck p(t) und darunter als Schalldruckpegel L pAF (t). Die Flachstellen spiegeln sich deutlich durch die höheren Schalldrücke im Zeitbereich zwischen ca. 8,5 s und 11,5 s in den Darstellungen wider. Aus dem Schalldruckpegelverlauf lassen sich die in Tabelle 6.9 dargestellten Ergebnisse herauslesen. Diese Ergebnisse zeigen die Differenzpegel sowohl zwischen den beiden Messpunkten K5 (7,5 m / a2) und K7 (25-m / a3) als auch zwischen den Signalen mit und ohne Flachstellen. - K5 gesamt K7 gesamt K5 ohne FSt K7 ohne FSt K5 mit FSt K7 mit FSt L pAFmax = 78,0 68,4 74,8 67,2 78,0 68,4 L pAeq,Trec = 72,7 65,7 - - - - L pAeq,Tp = 73,7 66,4 72,6 65,7 74,8 67,2 Tabelle 6.9: Aus den Zeitsignalen ermittelte Schallpegel-Ergebnisse für die beiden Messpunkte K5 und K7, die Zeiten für T rec und T p siehe Bild 6.15 (FST = Flachstelle) Mittlere Terzpegelspektren für die beiden Vorbeifahrgeräusche sind in Bild 6.27 und Bild 6.28 - jeweils Z-bewertet und A-bewertet - für beide Messpunkte dargestellt. Im unteren Teil sind die Differenzpegel zwischen den beiden Messpunkten enthalten, im Mittel ergeben sich hierfür 7 dB. In Bild 6.27 sind zusätzlich die Spektren ohne eine Vorbeifahrt dargestellt (Grundgeräusch). Für die Terzpegel von 80 Hz bis 10 kHz ergeben sich Differenzpegel von über 10 dB. Unter A und Z sind die jeweiligen Summenpegel zu finden. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10 12,5 16 20 25 31,5 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1 1,25 1,6 2 2,5 3,15 45 6,3 8 10 12,5 16 AZ L peq , dB / L pAeq , dB(A) Terzmittenfrequenz f Tn , Hz / kHz K5-Z K5-A K7-Z K7-A K7-K5 K5-Z-Grund K7-Z-Grund ohne Flachstellen (FSt), mit Grundgeräuschpegel (Grund) A- und Z-bewertet Bild 6.27: Terzpegelspektrum für das Vorbeifahrgeräusch ohne Flachstelle (FSt) 220 6 Messung von Luft- und Körperschall - Messergebnisse <?page no="223"?> 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10 12,5 16 20 25 31,5 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1 1,25 1,6 2 2,5 3,15 45 6,3 8 10 12,5 16 AZ L p , dB / L pA , dB(A) Terzmittenfrequenz f Tn , Hz / kHz K5-Z K5-A K7-Z K7-A K5-K7 mit Flachstellen (FSt) A- und Z-bewertet Bild 6.28: Terzpegelspektrum für das Vorbeifahrgeräusch mit Flachstelle (FSt) Im Z-Spektrum ohne FSt ergeben sich Pegelspitzen für die beiden Terzen 50 Hz und 250 Hz. Bei der A-Bewertung (gestrichelte Linien) verschiebt sich die Situation zu den Terzen von ca. 630 Hz bis 4 kHz. Im Spektrum mit FSt dominieren die Terzen um die 160 Hz. Dies bleibt weitgehend auch bei der A-Bewertung bestehen. Eine detaillierte Aussage zum Frequenzverhalten zeigt eine FFT-Analyse. In Bild 6.29 ist diese für den Messpunkt K5 (7,5-m / a2) dargestellt (logarithmische Darstellung der Frequenz). Eine weitere Möglichkeit zur Ergebnisdarstellung zeigt Bild 6.30. Dargestellt sind hier auf der linken Seite die Summenhäufigkeit in % (wie häufig wird ein bestimmter Pegel überschritten? ). Die Grafik auf der rechten Seite im Bild zeigt die relative Häufigkeit. Solche Darstellungen werden oft verwendet, um den Einfluss einer schallmindernden Maßnahme zu dokumentieren. 6.7 Beispiel für eine Schallpegelauswertung - Außengeräusche 221 <?page no="224"?> 10 20 30 40 50 60 70 10 100 1000 10000 L p , dB log Frequenz, Hz K5-FFT_ohne FSt K5-FFT_mit FSt K5-FFT-gesamt Bild 6.29: FFT-Spektren für die gesamte Vorbeifahrt als auch für die Abschnitte mit und ohne Flachstellen (FSt) Bild 6.30: Häufigkeitsverteilung einer Vorbeifahrt Bild 6.26 bis Bild 6.30 zeigen die Ergebnisse für eine einzelne Vorbeifahrt. Dieses Ereignis wurde aus einer großen Anzahl von insgesamt über 30 Vorbeifahrten gewählt. In Bild 6.31 sind die Ergebnisse aller Vorbeifahrten auf demselben Gleis statistisch ausgewertet dargestellt. Es dominieren die Pegel um 74 dB(A). Aus beiden Darstellungen lassen sich die Differenzpegel 222 6 Messung von Luft- und Körperschall - Messergebnisse <?page no="225"?> zwischen den beiden Mittelungspegeln L pAeq,Tp und L pAeq,Trec zu L pAFmax herauslesen. Aus diesen Messungen ergeben sich folgende Differenzpegel (gerundet): L pAeq,Tp = L pAFmax - 1,5 dB(A), L pAeq,Tp = L pAeq,Trec + 0,5 dB(A). Bild 6.31: Häufigkeitsverteilung mehrerer Vorbeifahrten auf demselben Gleis, Messpunkt K5 (a2) Zur Ermittlung der längenbezogenen Schallleistungspegel wurden für den Messpunkt K5 (a2) Oktavspektren ohne und mit einer Flachstelle erstellt. Mit den Gleichungen (6.9) und (6.15) wurden hieraus die Schallleistungspegel berechnet. Die Ergebnisse sind in Bild 6.32 dargestellt. Beide Gleichungen ergeben nahezu dieselben Ergebnisse. Die Summenpegel liegen etwas über 90 dB(A), siehe auch [6.24]. Die Oktavpegel aus den Messungen beziehen sich auf die tatsächliche Vorbeifahrgeschwindigkeit von v = 57 km/ h, die Schallleistungspegel beziehen sich auf v 0 = 100-km/ h. 6.7 Beispiel für eine Schallpegelauswertung - Außengeräusche 223 <?page no="226"?> Bild 6.32: Längenbezogene Schallleistungspegel, links ohne FSt, rechts mit FSt 6.7.4 Zusammenhang verschiedener Schallpegelgrößen Für die Beschreibung von Geräuschen einer Zugvorbeifahrt gibt es verschiedene Möglichkeiten. Bei der Angabe eines entsprechenden Pegels ist immer genau anzugeben, um welchen Pegel es sich handelt. Zusammenfassend sind grundsätzlich folgenden Pegel möglich: • AF-bewerteter maximaler Schalldruckpegel L pAFmax , • AS-bewerteter maximaler Schalldruckpegel L pASmax , • Vorbeifahrtmittelungspegel L pAmV , • A-bewerteter äquivalenter Dauerschalldruckpegel L pAeq,Trec , • A-bewerteter äquivalenter Dauerschalldruckpegel während der Vorbeifahrtzeit T p , L pAeq,Tp , • Schallexpositionspegel SEL, • Vorbeifahrexpositionspegel TEL, • A-bewerteter längenbezogener Schallleistungspegel L W’A,v0 mit z. B. v 0 = 100-km/ h. Diese Pegel haben z. T. deutlich unterschiedliche Zahlenwerte. Dies zeigen die beiden folgenden Beispiele, Bild 6.33 und Bild 6.34. 224 6 Messung von Luft- und Körperschall - Messergebnisse <?page no="227"?> L pAeq,T = 0,79 L pAFmax + 11,84 R 2 = 0,83 TEL = 0,77 L pAFmax + 15,94 R 2 = 0,89 SEL = 0,64 L pAFmax + 30,13 R 2 = 0,7 L pASmax = 0,82 L pAFmax + 11,1 R 2 = 0,92 L pAeq,Tp = 0,81 L pAFmax + 12,26 R 2 = 0,93 55 60 65 70 75 80 85 70 72 74 76 78 80 82 L pA , dB(A) L pAFmax , dB(A) LpAeq,T TEL SEL LpASmax LpAeq,Tp Bild 6.33: Vergleich verschiedener Schallpegel zur Beschreibung der Schallemission eines Zuges, Beispiel Vorbei‐ fahrten auf einem Grüngleis, Straßenbahn. Messpunkt a2: 7,5-m Abstand von Gleismitte, die Vorbeifahrgeschwin‐ digkeit v lag jeweils zwischen 40-km/ h und 50-km/ h 6.7 Beispiel für eine Schallpegelauswertung - Außengeräusche 225 <?page no="228"?> -4 0 4 8 12 16 20 24 70 75 80 85 90 95 100 105 Differenzpegel bezogen auf L pAeq,Tp Pegel, dB(A) Schallpegel-Kenngrößen Bild 6.34: Vergleich verschiedener Schallpegel zur Beschreibung der Schallemission eines Zuges, Beispiel Vorbei‐ fahrten auf einem Schottergleis. Dieseltriebwagen, Messpunkt a2: 7,5-m Abstand von Gleismitte, v≈78-km/ h 6.8 Ergänzende Messungen 6.8.1 Vorbemerkungen In der Regel werden die Schallemissionen bis ca. 200 km/ h durch die Rad-Schiene-Geräusche bestimmt. Um die Emissionen zu ermitteln, die von einem Schienenfahrzeug ausgehen, ist es daher erforderlich, den Einfluss des Gleises so gering wie nur möglich zu halten. Dies kann durch eine geringe Schienenrauheit und einer hohen Dämpfung der beiden Schienen eines Gleises erfolgen. Für akustische Abnahmemessungen von Neufahrzeugen ist demnach nachzuweisen, dass die hierfür festgelegten Grenzwerte eingehalten werden. Dies erfolgt anhand folgender Messungen: • Rauheitsmessungen der Schienenfahrflächen nach DIN EN 15610 [6.25] (siehe auch [6.26]) sowie die • Gleisabklingrate (GAR oder TDR für Track Decay Rate) nach DIN EN 15461 [6.27] (siehe auch [6.28], [6.29]). Durch weitergehende Körperschallmessungen können Aussagen sowohl über die Schienenrau‐ heit als auch die Abklingrate ermittelt werden. Hierzu sind Messungen auf einem Radsatzlager (y-, z-Richtung) als auch entsprechende Messungen an der Schiene (auf der Schwelle) durchzuführen, 226 6 Messung von Luft- und Körperschall - Messergebnisse <?page no="229"?> ebenfalls in y-, z-Richtung. Mit diesen Messungen erhält man die sogenannte kombinierte Rauheit von Rad und Schiene, [6.26]. 6.8.2 Strukturuntersuchungen Anhand von Admittanzmessungen einzelner akustisch wirksamer Bauteile, z. B. Schiene, Schwelle und Rad, lässt sich deren akustisches Verhalten in Zusammenhang mit dem Abstrahlgrad darstellen. Durch Anregung mit einem Prüfhammer (auch Modalhammer oder Impulshammer) lässt sich jede Struktur im Gleis und am Fahrzeug anregen. Hierfür gibt es verschiedene Ausführungen von Hämmern, die sowohl die Größe der Struktur als auch den zu betrachtenden Frequenzbereich berücksichtigen. Bei einem solchen Prüfhammer handelt es sich um einen „normalen“ Hammer mit einem eingebauten Kraftaufnehmer und unterschiedlichen Aufschlagtipps. Je kleiner die Hammermasse und je härter der Aufschlagtipp, desto größer ist der angeregte Frequenzbereich. In Bild 6.35 wird beispielhaft die Anregung einer im Gleis eingebauten Schiene beschrieben. Solche Messungen sind Grundlage für die Ermittlung der Abklingrate einer Schiene. Die Durch‐ führung und Auswertung solcher Messungen ist ausführlich in [6.27] beschrieben. In dem Bild sind folgende Ergebnisse dargestellt: • Oben links: Anregung (Stoß) und Schwingungsantwort als Schwinggeschwindigkeit v. Anregung und Messung erfolgten nahe beieinander in y-Richtung am Schienenkopf, • Oben rechts: Schmalbandspektren der Anregung und der Schwingungsantwort, • Mitte links: Kohärenzfunktion zwischen der Schwingungsantwort und dem Stoß, • Mitte rechts: Realteil und Imaginärteil der Übertragungsfunktion zur Ermittlung der Eigen‐ frequenzen, Einige werden beispielhaft durch vertikale rote Striche gekennzeichnet (357 Hz, 726-Hz, 1.190-Hz, 2.345-Hz, 4.416-Hz, 4.833-Hz, 6.309-Hz), • Unten links: Terzspektren der Anregung und der Schwingungsantwort. Solche Terzspektren sind für die Ermittlung der Gleisabklingrate erforderlich. In Bild 6.35 wurde weitgehend auf die Beschriftung der Ordinate verzichtet, je nach Anwendung (Hammer und Schlagstärke) ergeben sich unterschiedliche Kräfte und Körperschallantworten. Die Übertragungsfunktion ist hiervon aber weitgehend unabhängig. Solche Messungen können sinngemäß für alle schwingenden Strukturen angewendet werden. Beispiele für solche Messungen im Fahrzeug-/ Gleisbereich sind z. B. in [6.30], [6.31] und [6.32] enthalten. 6.8 Ergänzende Messungen 227 <?page no="230"?> 0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04 F, N v, m/ s Zeit t, s Antwort v Abklingkoeffizient d Stoßanregung F v = 0,0036*e -124,2*t 100 1000 10000 Feff, N v eff. m/ s log Frequenz f, Hz Stoßantwort Stoßanregung 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,91 100 1000 10000 Kohärenz log Frequenz f, Hz 357 Hz 714 Hz 1202 Hz 2321 Hz 5738 Hz 214 Hz 100 1000 10000 Imaginärteil (Im) von Transfer v/ F, m/ s/ N Realteil (Re) von Transfer v/ F, m/ s/ N log Frequenz f, Hz Re Im 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10 16 25 40 63 100 160 250 400 630 1 1,6 2,5 4 6,3 10 L F , dB re 1N / L v , dB re 5*10^-8 m/ s Terzmittenfrequenz, Hz / kHz Kraft F in dB Körperschall v in dB Bild 6.35: Körperschallanregung einer Schiene mit einem Prüfhammer 6.8.3 Rauheit von Schiene und Rad Die Rauheit der Fahrflächen von Rad und Schiene sind eine der wesentlichsten Ursachen für die Größe der Schallemissionen. Für akustische Abnahme- und Kontrollmessungen sind die in [6.14] und [6.7] festgelegten Rauheitsgrenzwerte einzuhalten, sie sind daher vor den Schallemissionsmessungen messtechnisch nach den Festlegungen in [6.25] zu bestimmen. In der Regel werden zur Rauheitsmessung Geräte verwendet, die mit einer konstanten Geschwindigkeit mittels eines Wegaufnehmers (oder parallel mehrerer) die Fahrflächen abtasten. Die Wegaufnehmer werden bei der Schienenrauheitsmessung relativ zu einer ebenen Schiene geführt. Häufig beträgt hierbei die Abtastgeschwindigkeit 50 mm/ s. Diese Geschwindigkeit ist wesentlich für die Umrechnung der Frequenzspektren in Wegspektren. 228 6 Messung von Luft- und Körperschall - Messergebnisse <?page no="231"?> Bei der Messung der Radrauheit werden die Wegaufnehmer fest mit der Schiene verbunden (z. B. mit Magnethaltern). Das Rad wird dann mit der Hand gedreht. Auch hierbei ist die Umfangsgeschwindigkeit v R messtechnisch zu erfassen. In manchen Fällen reicht es aus, wenn die Zeit t U einer Umdrehung ermittelt wird und diese auf den Radumfang U bezogen wird (v R = U / t U ). 192 Bild 6.36: Rauheitsmessungen der Fahrflächen von Rad (links) und Schiene (begrünter Bahnkörper und in Straßen eingebettetes Gleis (mittig) sowie Schottergleis (rechts)), STUVA-Messungen, in den roten Kreisen befindet sich der Sensor (Wegaufnehmer) Mit den Wegaufnehmern wird die Rauheit r(t) ermittelt. Aus diesen Signalen wird ein gemitteltes Terzspektrum erstellt. Die einzelnen Terzmitten-Frequenzen sind dann anhand der Gleichung 𝜆𝜆 𝑇𝑇𝑇𝑇 = 𝑣𝑣 𝑇𝑇𝑝𝑝𝑠𝑠𝑡𝑡 / 𝑓𝑓 𝑇𝑇𝑇𝑇 in ein Terzmitten-Wegspektrum (oder Wellenspektrum) umzurechnen. Hierbei sind: 𝜆𝜆 𝑇𝑇𝑇𝑇 : Riffel-Wellenlänge, 𝑣𝑣 𝑇𝑇𝑝𝑝𝑠𝑠𝑡𝑡 : Abtastgeschwindigkeit und 𝑓𝑓 𝑇𝑇𝑇𝑇 : Terzmittenfrequenz. In Bild 6.37 ist beispielhaft die gemessene Rauheit einer stark verriffelten Schiene im Zeit- und Frequenzbereich dargestellt (MW-R3). Außerdem zeigt dieses Bild die Festlegungen für Rauheitsgrenzspektren, die für akustische Abnahmemessungen einzuhalten sind. Bild 6.37: Beispiel für eine stark verriffelte Schienenfahrfläche im Zeit- (links) und Frequenzbereich (rechts) mit Grenzspektren nach DIN EN ISO 3095 und VDV-Schrift 154 -0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0 5 10 15 20 25 30 Rauheit, mm Zeit t, s (oben) / Weglänge cm (unten) R3 0 25 50 75 100 cm 125 150 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 31,3 25,0 20,0 15,9 12,5 10,0 7,9 6,3 5,0 4,0 3,1 2,5 2,0 1,6 1,3 1,0 0,8 0,6 0,5 0,4 0,3 L r , dB re 10 -6 m Frequenz, Hz (unten) / Wellenlänge, mm (oben) MW-R3 VDV (2012) DIN EN 3095 (2014) 1,6 2 2,5 3,2 4 5 6,3 8 10 12,5 16 20 25 31,5 40 50 63 80 100 125 160 Bild 6.36: Rauheitsmessungen der Fahrflächen von Rad (links) und Schiene (begrünter Bahnkörper und in Straßen eingebettetes Gleis (mittig) sowie Schottergleis (rechts)), STUVA-Messungen, in den roten Kreisen befindet sich der Sensor (Wegaufnehmer) Mit den Wegaufnehmern wird die Rauheit r(t) ermittelt. Aus diesen Signalen wird ein gemitteltes Terzspektrum erstellt. Die einzelnen Terzmitten-Frequenzen sind dann anhand der Gleichung λ Tn = v Test / f Tn in ein Terzmitten-Wegspektrum (oder Wellenspektrum) umzurechnen. Hierbei sind: λ Tn : Riffel-Wellenlänge, v Test : Abtastgeschwindigkeit und f Tn : Terzmittenfrequenz. In Bild 6.37 ist beispielhaft die gemessene Rauheit einer stark verriffelten Schiene im Zeit- und Frequenzbereich dargestellt (MW-R3). Außerdem zeigt dieses Bild die Festlegungen für Rauheitsgrenzspektren, die für akustische Abnahmemessungen einzuhalten sind. Bild 6.37: Beispiel für eine stark verriffelte Schienenfahrfläche im Zeit- (links) und Frequenzbereich (rechts) mit Grenzspektren nach DIN EN ISO 3095 und VDV-Schrift 154 6.8 Ergänzende Messungen 229 <?page no="232"?> 6.8.4 Ermittlung des Körperschallverhaltens von Bauteilen Das Körperschallverhalten von Bauteilen - und dies gilt ganz allgemein - beeinflusst deren Schallabstrahlung. Zur Beschreibung des Körperschallverhaltens eignet sich die Eingangs-Admit‐ tanz (oder Eingangs-Impedanz) des betrachteten Bauteils. In den meisten Fällen reicht die Anregung mit einem Prüfhammer hierfür aus. Für ergänzende Untersuchungen kann auch ein Shaker zur Vibrationsprüfung eingesetzt werden. Hiermit sind sowohl Sinus-Anregungen als auch Rauschanregungen möglich. Ergebnisse von solchen Messungen im Gleis- und Fahrzeugbereich sind z. B. in [6.19], [6.30], [6.37], [6.38] zu finden. Die Messung der Gleisabklingrate gehört in dieses Aufgabenfeld. Mit solchen Messungen wird ermittelt, wie eine durch einen Prüfhammer angeregte Schwingung längs einer Schiene abklingt. Hiermit wird das Dämpfungsverhalten einer Schiene zusammen mit der Schienenbefestigung ermittelt. Beides beeinflusst die Schallabstrahlung [6.39]. Die Schallemission als Schallleistung von einzelnen Aggregaten im eingebauten Zustand im Fahrzeug kann auch durch die Messung der Schallintensitäten ermittelt werden [6.19], [6.22]. Hiermit ist um die Schallquelle ein Raster zu legen und in deren Mitte mit einer Schallintensitäts‐ messsonde die Intensität zu messen. 6.8.5 Gleisabklingrate TDR Die Gleisabklingrate beschreibt die Körperschalldämpfung vertikal und horizontal in Schienen‐ längsrichtung. Sie wird vorwiegend beeinflusst von dem Schienenprofil und der Art der Ankopp‐ lung der Schiene an die Schwelle / an den Stützpunkt. Zur Messung der TDR (Track Decay Rate) sind folgende Messgeräte erforderlich: • Körperschallaufnehmer, • Prüfhammer und • ein Daten-Aufzeichnungsgerät (einschließlich Software zur Ermittlung von Terzspektren). In DIN EN 15461 ist das Prozedere zur Messung und Auswertung beschrieben. Grenzspektren sind in DIN EN ISO 3095 enthalten. Diese gelten vorranging für Gleise zur akustischen Abnahme von (neuen) Fahrzeugtypen. Im Prinzip ist der Körperschallaufnehmer am Schienenkopf zu befestigen und in festgelegten Abständen von dem Aufnehmer ist die Schiene mit dem Prüfhammer anzuregen (vertikal und horizontal), Bild 6.38. Im Nahbereich des Beschleunigungsaufnehmers (Körperschall) sind die Abstände recht klein, sie nehmen mit der Entfernung zu. 230 6 Messung von Luft- und Körperschall - Messergebnisse <?page no="233"?> 194 Im Prinzip ist der Körperschallaufnehmer am Schienenkopf zu befestigen und in festgelegten Abständen von dem Aufnehmer ist die Schiene mit dem Prüfhammer anzuregen (vertikal und horizontal), Bild 6.38 . Im Nahbereich des - Beschleunigungsaufnehmers (Körperschall) sind die Abstände recht klein, sie nehmen mit der Entfernung zu. Bild 6.38: Beispiel für die Messung der Gleisabklingrate. Rot: Körperschallaufnehmer, Gelb: Markierung der Anregepunkte in Schienenlängsrichtung Blau: Anregepunkt 6.8.6 Anfahrwinkel eines Rades an der Schiene Der Anfahrwinkel zwischen Rad und Schiene im Gleisbogen ist eine kennzeichnende Größe für das Auftreten von Quietschgeräuschen. Von der STUVA wurden solche Messungen in mehreren Gleisbögen durchgeführt [6.31] und [6.33]. Hierzu wurde ein Laser neben der Schiene angeordnet und die vorbeifahrenden Räder eine Fahrzeugs in etwa 3 cm Höhe über der Schienenoberfläche abgetastet, Bild 6.39. Eingesetzt wurden Messgeräte vom Typ LAM-50-10/ 10V-K und LAM-100-10/ 10V-K der Firma WayCon Positionsmesstechnik GmbH mit folgende technischen Daten: − Messbereich Laser zu Objekt: Typ LAM-50 = 9,5 cm bis 14,5 cm bzw. Typ LAM-100 = 17 cm bis 27 cm. Der zweite Laser war erforderlich für den Einsatz bei Niederflurfahrzeugen, da hier durch tief herunter ragende Teile im Drehgestell das Laser-Schutzgehäuse gestreift wird und hierdurch möglicherweise der Laser zerstört werden kann. − Frequenz: bis 10 kHz; Bild 6.38: Beispiel für die Messung der Gleisabklingrate Rot: Körperschallaufnehmer, Gelb: Markierung der Anregepunkte in Schienenlängsrichtung, Blau: Anregepunkt 6.8.6 Anfahrwinkel eines Rades an der Schiene Der Anfahrwinkel zwischen Rad und Schiene im Gleisbogen ist eine kennzeichnende Größe für das Auftreten von Quietschgeräuschen. Von der STUVA wurden solche Messungen in mehreren Gleisbögen durchgeführt [6.31] und [6.33]. Hierzu wurde ein Laser neben der Schiene angeordnet und die vorbeifahrenden Räder eines Fahrzeugs in etwa 3 cm Höhe über der Schienenober‐ fläche abgetastet, Bild 6.39. Eingesetzt wurden Messgeräte vom Typ LAM-50-10/ 10V-K und LAM-100-10/ 10V-K der Firma WayCon Positionsmesstechnik GmbH mit folgenden technischen Daten: • Messbereich Laser zu Objekt: Typ LAM-50 = 9,5 cm bis 14,5 cm bzw. Typ LAM-100 = 17 cm bis 27 cm. Der zweite Laser war erforderlich für den Einsatz bei Niederflurfahrzeugen, da hier durch tief herunter ragende Teile im Drehgestell das Laser-Schutzgehäuse gestreift wird und hierdurch möglicherweise der Laser zerstört werden kann. • Frequenz: bis 10-kHz; • Genauigkeit: 30-µm bei 4-kHz; • Laserpunkt: 1,5-mm Durchmesser. 6.8 Ergänzende Messungen 231 <?page no="234"?> 195 − Genauigkeit: 30 µm bei 4 kHz; − Laserpunkt: 1,5 mm Durchmesser. Bild 6.39: Abtasthöhe eines Rades mit einem Laser neben einer Schiene, Niederflurstadtbahnwagen [6.31], Beispiel: Messungen im Einfahrbereich zu einer Wendeschleife (Gleisbogen) Ein Ergebnis einer solchen Messung zeigt Bild 6.40, Messung an der Außenschiene (siehe Bild 6.39 rechts). Die Bezeichnungen in diesem Bild bedeuten: - Y L : Stellung der Räder im Gleisbogen, Abtastung mit einem Laser, y W : Auslenkung der Schiene, Messung mit einem Wegsensor, - R n : Radsatz, t DG : Vorbeifahrtszeit der beiden Radsätze eines Drehgestells, - S: Spurspiel (näherungsweise). Die rechte Seite des Bildes zeigt einen vergrößerten Ausschnitt für R1 und R2. Die beiden grünen Linien zeigen die jeweilige Radsatzstellung. Bemerkenswert ist hier, dass sich die beiden Radsätze entgegengesetzt einstellen, die Ursache hierfür wurde nicht weiter untersucht. -1,2 -1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 10 20 30 40 50 60 70 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 y W , mm Abstand Y L , mm Zeit t, sec Laser YL, mm Weg yW, mm t DG R1 R2 R3 R4 R5 R6 Fahrtrichtung s Wegsensor Laserstrahl -1,2 -1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 10 20 30 40 50 60 70 12,4 12,8 13,2 13,6 yW, mm YL, mm t, s Laser YL, mm Weg yW, mm R1 R2 Bild 6.39: Abtasthöhe eines Rades mit einem Laser neben einer Schiene, Niederflurstadtbahnwagen [6.31], Beispiel: Messungen im Einfahrbereich zu einer Wendeschleife (Gleisbogen) Ein Ergebnis einer solchen Messung zeigt Bild 6.40, Messung an der Außenschiene (siehe Bild 6.39 rechts). Die Bezeichnungen in diesem Bild bedeuten: • Y L : Stellung der Räder im Gleisbogen, Abtastung mit einem Laser, • y W : Auslenkung der Schiene, Messung mit einem Wegsensor, • R n : Radsatz, • t DG : Vorbeifahrtzeit der beiden Radsätze eines Drehgestells, • S: Spurspiel (näherungsweise). Die rechte Seite des Bildes zeigt einen vergrößerten Ausschnitt für R1 und R2. Die beiden grünen Linien zeigen die jeweilige Radsatzstellung. Bemerkenswert ist hier, dass sich die beiden Radsätze entgegengesetzt einstellen, die Ursache hierfür wurde nicht weiter untersucht. 195 Genauigkeit: 30 µm bei 4 kHz; − Laserpunkt: 1,5 mm Durchmesser. Bild 6.39: Abtasthöhe eines Rades mit einem Laser neben einer Schiene, Niederflurstadtbahnwagen [6.31], Beispiel: Messungen im Einfahrbereich zu einer Wendeschleife (Gleisbogen) Ein Ergebnis einer solchen Messung zeigt Bild 6.40, Messung an der Außenschiene (siehe Bild 6.39 rechts). Die Bezeichnungen in diesem Bild bedeuten: - Y L : Stellung der Räder im Gleisbogen, Abtastung mit einem Laser, y W : Auslenkung der Schiene, Messung mit einem Wegsensor, - R n : Radsatz, t DG : Vorbeifahrtszeit der beiden Radsätze eines Drehgestells, - S: Spurspiel (näherungsweise). Die rechte Seite des Bildes zeigt einen vergrößerten Ausschnitt für R1 und R2. Die beiden grünen Linien zeigen die jeweilige Radsatzstellung. Bemerkenswert ist hier, dass sich die beiden Radsätze entgegengesetzt einstellen, die Ursache hierfür wurde nicht weiter untersucht. -1,2 -1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 10 20 30 40 50 60 70 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 y W , mm Abstand Y L , mm Zeit t, sec Laser YL, mm Weg yW, mm t DG R1 R2 R3 R4 R5 R6 Fahrtrichtung s Wegsensor Laserstrahl -1,2 -1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 10 20 30 40 50 60 70 12,4 12,8 13,2 13,6 yW, mm YL, mm t, s Laser YL, mm Weg yW, mm R1 R2 Bild 6.40: Beispiel für ein Ergebnis einer Laser- und Wegmessung an einer Rillenschiene 6.8.7 Schallentwicklung beim Anfahren eines Fahrzeugs Nach DIN EN ISO 3095 sind auch Schallmessungen beim Anfahren eines Schienenfahrzeugs durchzuführen. Als Messgröße gilt hier der L pAFmax -Pegel. Insbesondere bei Straßenbahnen können zusätzliche Tonalitäten auftreten, die nach Bild 6.7 (VDV 154) oder nach DIN 45681 zu bewerten sind. Beispielhaft werden in Bild 6.41 und Bild 6.42 Messergebnisse einer U-Bahnan‐ 232 6 Messung von Luft- und Körperschall - Messergebnisse <?page no="235"?> fahrt vorgestellt. In Bild 6.42 sind die Summenpegel „A“ und „Z“ aus den einzelnen Spektren sowie einige Pegel ausgewählter Terzen dargestellt. 196 6.8.7 Schallentwicklung beim Anfahren eines Fahrzeugs Nach DIN EN ISO 3095 sind auch Schallmessungen beim Anfahren eines Schienenfahrzeugs zu ermitteln. Als Messgröße gilt hier der L pAFmax -Pegel. Insbesondere bei Straßenbahnen können zusätzliche Tonalitäten auftreten, die nach Bild 6.7 (VDV 154) oder nach DIN 45681 zu bewerten sind. Beispielhaft werden in Bild 6.41 und Bild 6.42 Messergebnisse einer U-Bahnanfahrt vorgestellt. In Bild 6.42 sind die Summenpegel „A“ und „Z“ aus den einzelnen Spektren sowie einige Pegel ausgewählter Terzen dargestellt. Bild 6.41: Beispiel für Schalldruckpegel-Terzspektren während einer U-Bahn- Anfahrt von null auf 30 km/ h, gemessen nach DIN EN ISO 3095 (2014) Bild 6.42: Auszug aus einem Spektrogramm, aufgenommen während einer U- Bahn-Anfahrt (siehe vorheriges Bild) 80125 200 315 0 20 40 60 80 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Terz, Hz L pAeq , dB(A) Zeit, sec / Spektrum 80 100 125 160 200 250 315 A 800 16003150 0 20 40 60 80 1 3 5 7 9 11 13 15 17 Terz, Hz L pAeq , dB(A) Zeit, sec / Spektrum 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 A 20 30 40 50 60 70 80 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 L pAeq , dB(A) / L pZeq , dB Zeit, sec / Spektrum Nr. 2500 A Z 2000 1250 1000 Bild 6.41: Beispiel für Schalldruckpegel-Terzspektren während einer U-Bahn-Anfahrt von null auf 30 km/ h, gemes‐ sen nach DIN EN ISO 3095 (2014) 20 30 40 50 60 70 80 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 L pAeq / L pAeq,Tn , dB(A) / L pZeq , dB Zeit, s / Spektrum Nr. (Anfahrt) 2500 Hz A Z 2000 Hz 1250 Hz 1000 Hz Bild 6.42: Auszug aus einem Spektrogramm, aufgenommen während einer U-Bahn-Anfahrt (siehe vorheriges Bild) Die einzelnen Terzspektren gelten jeweils für eine Sekunde. Der L pAFmax -Pegel lässt sich aus dem maximalen A-Pegel, in dem Beispiel das 17. Spektrum, ableiten. Näherungsweise gilt hierfür: L pAFmax = L pAeq, max + xdB. Der Wert für „x“ liegt zwischen ca. 1 dB und 3 dB. Somit ergäbe sich für das Beispiel ein L pAFmax von ca. 72,2 dB(A) + 2 dB = 74,2 dB(A). Eine Prüfung auf eine Tonalität nach den Vorgaben der VDV 154 ergab, dass eine solche nicht aufgetreten ist. 6.8 Ergänzende Messungen 233 <?page no="236"?> 6.9 Akustische Überwachung von Fahrzeugen und Gleisen 6.9.1 Überblick Eine Überwachung der Schallemissionen aus dem Schienenverkehr kann u. a. zu folgenden Zwecken erfolgen: • Die Schallemissionen von Schienenfahrzeugen werden maßgeblich bestimmt von dem Rauheitszustand der Fahrflächen von Rad und Schiene. Durch entsprechende Maßnahmen kann ein guter Zustand erhalten werden bzw. wiederhergestellt werden. Der Fahrflächenzu‐ stand kann durch entsprechende akustische Überwachungsmaßnahmen dauerhaft überprüft werden. • Die Anregung von Kurvengeräuschen (Quietschen, Zischen) hängt von vielen Parametern ab (Kap. 5 und 7). Zur Ermittlung der Wirkung von anregungsvermeidenden Maßnahmen sind akustische Langzeitmessungen erforderlich. • In der Regel werden bei Güterzugwagen Klotzbremsen eingesetzt. Bis vor einigen Jahren wurden hierbei ausschließlich Bremsklötze aus Grauguss verwendet. Infolge Reibung zwi‐ schen diesen Klötzen und dem Rad treten beim Bremsen hohe Temperaturen auf. Diese führen dazu, dass die Radfahrflächen stark aufgeraut werden und somit hohe Schallemissionen entstehen. Durch Einsatz von anderen Materialien für die Bremsklötze (Kunststoff oder Komposit-Materialien), sogenannte K-Sohlen oder LL-Sohlen (LL steht für Low friction, Low noise), wird die Aufrauhung weitgehend unterbunden. Eine Umrüstung der Wagen, siehe Kap. 9, wird aktuell durchgeführt. Der Umrüstzustand kann anhand einer akustischen Überwachung überprüft werden. Zur akustischen Überwachung der Gleise wird von der DB AG der sogenannte Schallmesswagen eingesetzt. Hierbei handelt es sich um einen besonders ausgerüsteten IC-Wagen, der in einem Zugverband eingebunden ist. Über einem ungebremsten Drehgestell des Schallmesswagens ist eine Kammer eingerichtet, die mit hoch absorbierendem Material ausgekleidet ist. Über einer kreisförmigen Öffnung im Fahrzeugboden ist ein Mikrofon angeordnet, links in Bild 6.43. Hiermit wird der im Rad-/ Schiene-Bereich erzeugte Schall (Rollgeräusch) messtechnisch erfasst und mit entsprechenden „Grenzkurven“ verglichen. Diese Grenzkurven beschreiben bestimmte Rauheitszustände der überprüften Streckenabschnitte. In Anlage 2 zur 16. BImSchV (Schall 03) wurde eine solche Überwachung mit folgender „Pegelkorrektur“ übernommen (sogenanntes besonders überwachtes Gleis „büG“): 63 Hz 125 Hz 250 Hz 500 Hz 1 kHz 2 kHz 4 kHz 8 kHz 0 dB 0 dB 0 dB -4 dB -5 dB -5 dB -4 dB 0 dB Beim Überschreiten einer bestimmten Grenzkurve ist beim „büG“ eine Wiederherstellung einer Gleisfahrfläche mit einer geringen Rauheit in einem festgelegten Zeitraum erforderlich, die Schienenfahrflächen sind zu schleifen. Zur akustischen Überwachung der Fahrzeuge, insbesondere der Umrüstung auf andere Brems‐ sohlen, werden Schallmessungen vor Ort eingesetzt. Um hierfür einen einheitlichen Standard zu gewährleisten, wurde DIN 38452-1 erstellt [6.35]. 234 6 Messung von Luft- und Körperschall - Messergebnisse <?page no="237"?> 198 herstellung einer Gleisfahrfläche mit einer geringen Rauheit in einem festgelegten Zeitraum erforderlich, die Schienenfahrflächen sind zu schleifen. Zur akustischen Überwachung der Fahrzeuge, insbesondere der Umrüstung auf andere Bremssohlen, werden Schallmessungen vor Ort eingesetzt. Um hierfür einen einheitlichen Standard zu gewährleisten, wurde DIN 38452-1 erstellt [6.35]. Bild 6.43: Schallmesskammer beim Schallmesswagen (links), Mikrofon im Drehgestell und Körperschallaufnehmer auf einem Radsatzlager (rechts) Derzeit werden solche akustischen Überwachungsmaßnahmen nur bei der Eisenbahn eingesetzt. Grundsätzlich könnten entsprechende Maßnahmen auch im Bereich der Straßenbahnen eingesetzt werden, Vorschläge hierfür sind z.B. in [6.3], [6.34] enthalten. Ein Beispiel für mögliche Messpunkte an einer Straßenbahn zeigt Bild 6.43, rechts (im Drehgestellbereich und auf einem Achslager). Ein Messergebnis, welches an diesen beiden Messpunkten erzielt worden ist, zeigt Bild 6.44. Es bedeuten: Bild 6.43: Schallmesskammer beim Schallmesswagen (links), Mikrofon im Drehgestell und Körperschallaufnehmer auf einem Radsatzlager (rechts) Derzeit werden solche akustischen Überwachungsmaßnahmen nur bei der Eisenbahn eingesetzt. Grundsätzlich könnten entsprechende Maßnahmen auch im Bereich der Straßenbahnen einge‐ setzt werden, Vorschläge hierfür sind z. B. in [6.3], [6.34] enthalten. Ein Beispiel für mögliche Messpunkte an einer Straßenbahn zeigt Bild 6.43, rechts (im Drehgestellbereich und auf einem Achslager). Ein Messergebnis, welches an diesen beiden Messpunkten erzielt worden ist, zeigt Bild 6.44. Es bedeuten: • LS innen hinten: Luftschall im Fahrzeuginnenraum im hinteren Teil, • LS 2. DG: Luftschall im Bereich des 2. Drehgestells, • KS RSL links: Körperschall (Schwingbeschleunigung) auf dem linken Radsatzlager. Luft- und Körperschall sind A-bewertet mit der Zeitfunktion Slow. 6.9 Akustische Überwachung von Fahrzeugen und Gleisen 235 <?page no="238"?> 30 35 40 45 50 55 60 50 60 70 80 90 100 110 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 Geschwindigkeit v, km/ h Pegel L AS , dB(A) Messzeit t, s LS innen hinten LS 2.DG KS RSL links Geschw. Bild 6.44: Beispiel für Messsignale im/ unter dem Fahrzeug auf einem in einer Fahrbahn eingebetteten Gleis bei weitgehend konstanter Geschwindigkeit, LS: Luftschall, KS: Körperschall, DG: Drehgestell 6.9.2 Automatische Erkennung einer Vorbeifahrt Für den Einsatz einer automatisch arbeitenden Schallmesseinrichtung ist es erforderlich eine Zugfahrt und das befahrene Gleis zu erkennen. Mit einer solchen Einrichtung kann sowohl der akustische Zustand der Strecke als auch der Fahrzeuge überwacht werden. Im Gegensatz zum Schallmesswagen, der einen langen Streckenabschnitt überwachen kann, ist mit einer solchen stationären Einrichtung nur die Überwachung lokaler Ereignisse möglich. Solche Einrichtungen dienen daher vorwiegend der Überwachung der Wirkung von Schallminderungsmaßnahmen an den Fahrzeugen, z. B. kann hiermit auch der Umrüstungszustand der Güterwagenbremsen überprüft werden. Ein weiterer Anwendungsfall ist die Überprüfung lokaler Gleiseigenschaften, z. B. der akustischen Wirkung von Maßnahmen gegen Kurvengeräusche (z. B. von stationären „Schmiereinrichtungen“) sowie der akustischen Wirkung von schrägen Isolierstößen und beweg‐ lichen Herzstücken. In [7.40] wird z. B. über die akustische Langzeitüberwachung von Gleisbögen berichtet (Maßnahmen und Ergebnisse siehe weiter unten). Zur automatischen Erkennung vorbeifahrender Züge bestehen mehrere Möglichkeiten, z. B.: a) Im / am Gleis (ein Betreten der Gleisanlage ist erforderlich): - Lichtschranken, - Achszähler, Bild 6.45, [7.67], - Beschleunigungs-, Geschwindigkeits-, Wegsensoren usw.) an einer Schiene oder auf einer Schwelle, - sonstige Einrichtungen. b) Neben dem Gleis (kein Betreten der Gleisanlage): - Lichtschranken, Videokamera, - (Beschleunigungs-), Geschwindigkeitssensoren neben dem Gleis im Boden. Hierzu sind zwei Sensoren einzusetzen, die in einem Abstand von mehr als 10 m im Nahbereich des Gleises zu installieren sind. 236 6 Messung von Luft- und Körperschall - Messergebnisse <?page no="239"?> 200 Schiene oder auf einer Schwelle, − sonstige Einrichtungen. b) Neben dem Gleis (kein Betreten der Gleisanlage): − Lichtschranken, Videokamera, − (Beschleunigungs-), Geschwindigkeitssensoren neben dem Gleis im Boden. Hierzu sind zwei Sensoren einzusetzen, die in einem Abstand von mehr als 10 m im Nahbereich des Gleises zu installieren sind. Bild 6.45: Achszähler (Beispiele für eine Anwendung an einer Vignol- und einer Rillenschiene) und Körperschallaufnehmer an der Schiene und auf der Schwelle zur Fahrzeugerkennung Am eindeutigsten sind Sensoren direkt an einer Schiene. Bei der praktischen Umsetzung sollte es möglich sein, das Gleis zu betreten, um dort einen Sensor anzubringen. Nur für den Fall, dass dies nicht möglich ist, bieten Lösungen im Boden neben dem Gleis auch eine Möglichkeit, die Vorbeifahrten zu erfassen und die Fahrrichtung zu ermitteln. Da die Schwingungsausbreitung im Boden frequenzabhängig ist, kann dies genutzt werden, um eindeutige Kriterien festzulegen. Durch Messungen an einer Straßenbahnstecke konnte nachgewiesen werden, dass durch den Einsatz von zwei Geophonen im Abstand von 4 m von Gleismitte und 10 m entfernt in Gleislängsrichtung eindeutige Aussagen sowohl über die Fahrtrichtung als auch über das befahrene Gleis möglich sind. Bei bekannter Fahrzeuglänge ist auch eine Aussage über die mittlere Geschwindigkeit möglich. In Bild 6.46 sind beispielhaft folgende Signale dargestellt (K1 und K2 beschreiben die Geophon-Messpunkte im Boden): − Links im Bild: Pegel-Zeitverläufe der Erschütterungs- und Schallsignale, A- und FAST-bewertet sowie − Rechts im Bild: Multispektren (Zeit-Frequenz-Spektren) der 250 Hz Oktave und die daraus ermittelten Poly-Trendlinien (mit Excel). Bild 6.45: Achszähler (Beispiele für eine Anwendung an einer Vignol- und einer Rillenschiene) und Körperschal‐ laufnehmer an der Schiene und auf der Schwelle zur Fahrzeugerkennung Am eindeutigsten sind Sensoren direkt an einer Schiene. Bei der praktischen Umsetzung sollte es möglich sein, das Gleis zu betreten, um dort einen Sensor anzubringen. Nur für den Fall, dass dies nicht möglich ist, bieten Lösungen im Boden neben dem Gleis auch eine Möglichkeit, die Vorbei‐ fahrten zu erfassen und die Fahrrichtung zu ermitteln. Da die Schwingungsausbreitung im Boden frequenzabhängig ist, kann dies genutzt werden, um eindeutige Kriterien festzulegen. Durch Messungen an einer Straßenbahnstecke konnte nachgewiesen werden, dass durch den Einsatz von zwei Geophonen im Abstand von 4 m von Gleismitte und 10 m entfernt in Gleislängsrichtung eindeutige Aussagen sowohl über die Fahrtrichtung als auch über das befahrene Gleis möglich sind. Bei bekannter Fahrzeuglänge ist auch eine Aussage über die mittlere Geschwindigkeit möglich. In Bild 6.46 sind beispielhaft folgende Signale dargestellt (K1 und K2 beschreiben die Geophon-Messpunkte im Boden): • Links im Bild: Pegel-Zeitverläufe der Erschütterungs- und Schallsignale, A- und FAST-bewer‐ tet sowie • Rechts im Bild: Multispektren (Zeit-Frequenz-Spektren) der 250 Hz Oktave und die daraus ermittelten Poly-Trendlinien (mit Excel). Beide Bilder zeigen ein eindeutiges Ergebnis zur Fahrtrichtung und somit zum befahrenen Gleis. Bild 6.46: Zeit- und Frequenzsignale von zwei Geophonen im Boden neben einer Straßenbahnstrecke zur Ermitt‐ lung der befahrenen Gleise und der Steuerung der Schallaufzeichnung 6.9.3 Überwachung von Rädern Zur Überwachung der Räder von Schienenfahrzeugen (Flachstellen, Polygone) setzen einige Verkehrsunternehmen besondere Einrichtungen ein, die in einem Betriebshof oder auf der freien Strecke (Betriebsgleis) installiert sind. Durch entsprechende Messungen auf einem kurzen 6.9 Akustische Überwachung von Fahrzeugen und Gleisen 237 <?page no="240"?> „Prüfabschnitt“ können diese „Fehler“ erkannt werden. Solche Messeinrichtungen arbeiten mit unterschiedlichen Sensoren, die alle an der Schiene angebracht sind: • Beschleunigungssensoren, • Dehnungsmessstreifen (DMS) und • Laser. Ähnlich wie bei der Gleisüberwachung durch den Schallmesswagen zeigen Abweichungen von einem Referenzsignal, wie stark die Störung am Rad ist. Beim Überschreiten bestimmter Referenzwerte sind das Fahrzeug oder auch nur einzelne Räder / Radsätze zu reprofilieren. Flachstellen und Polygone führen nicht nur zu erhöhten Schall- und Erschütterungsemissionen, sie beanspruchen auch das Gleis (und in gewissen Sinn die Drehgestelle). Diese zusätzliche Be‐ anspruchung kann durch die eingesetzten Sensoren erfasst und an eine zentrale Stelle übermittelt werden. Diese zentrale Stelle ist bei einem Verkehrsunternehmen in der Regel die Fahrzeug-, nicht die Gleisbauwerkstatt. 6.10 Literatur zu Kapitel 6 [6.1] Verordnung zur Änderung der Sechzehnten Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (Verkehrslärmschutzverordnung 16. BImSchV). 16. BImSchV, Anlage 2 (2014) [6.2] Lärmschutz im Schienenverkehr - Alles über Schallpegel, innovative Technik und Lärmschutz an der Quelle. Hrsg.: BMVI, 3. Auflage (Mai 2015) [6.3] Krüger, F. / Amende, D. / Girnau, G. und K. Martini: Handlungsempfehlungen zur Lärmminderung im innerstädtischen Schienenpersonennahverkehr. UBA Forschungs- und Entwicklungsvorhaben 204 54 150 (Dezember 2007) [6.4] Vierundzwanzigste Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (Verkehrswege-Schallschutzmaßnahmenverordnung - 24. BImSchV) [6.5] DIN 18005 - Schallschutz im Städtebau - Teil 1: Grundlagen und Hinweise für die Planung. Ausgabedatum (2002-07) [6.6] DIN 45642 2004-06: Messung von Verkehrsgeräuschen [6.7] VDV-Schrift 154 - Geräusche von Schienenfahrzeugen des Öffentlichen Personen-Nahverkehrs (ÖPNV) ( Juni 2011) Neuauflage 2023 [6.8] VDV-Schrift 611 - Geräusche in Gleisbögen des schienengebundenen ÖPNV - Handlungsempfehlungen zu ihrer Verminderung (November 2011) [6.9] Allgemeine Verwaltungsvorschrift zum Schutz gegen Baulärm (Geräuschimmissionen - AVV Baulärm) (1970) [6.10] Gesetz zum Schutz vor schädlichen Umwelteinwirkungen durch Luftverunreinigungen, Geräusche, Erschütterungen und ähnliche Vorgänge (Bundes-Immissionsschutzgesetz - BImSchG) 1974, letzte Änderung (2019) [6.11] Baumüller, J./ Hoffmann, U. und U. Reuter: Städtebauliche Fibel: Hinweise für die Bauleitplanung. Herausgeber: Innenministerium Baden-Württemberg [6.12] Günter, B.C./ Hansen, K.-H. und I. Veit: Technische Akustik: Ausgewählte Kapitel. expert verlag, Kontakt & Studium Band 18 (1994) [6.13] DIN 45641: Mittelung von Schallpegeln. Ausgabedatum: 1990-06 238 6 Messung von Luft- und Körperschall - Messergebnisse <?page no="241"?> [6.14] DIN EN ISO 3095 2014-07: Akustik - Bahnanwendungen - Messung der Geräuschemission von spurgebundenen Fahrzeugen (ISO 3095: 2013); Deutsche Fassung EN ISO 3095: 2013 [6.15] Kurze, U.J./ Diehl, R./ Weißenberger, W. und J. Schneider: Geräuschemissionen von Schienenfahrzeugen - Ermittlung und Fortentwicklung des Lärmminderungspotentials beim Schienenverkehr und seine Umsetzung in Geräuschvorschriften und Minderung der Lärmemission von Güterwagen durch Optimierung lärmrelevanter Komponenten (insbesondere des Bremssystems). Bericht Nr. 32212 / 53 (1998), UBA Forschungsvorhaben [6.16] Liepert, M./ Möhler, U. u. W. Großmann: Schall 03 2006: Berücksichtigung anderer Bahntechnik und Innovationen anhand eines Beispiels der Stuttgarter Straßenbahnen. DAGA-Tagung (2007) [6.17] Garbe, E./ Kasten, P. / Krüger, F. u. a.: Geräuschsituation bei neuen Schienenfahrzeugen des Stadtverkehrs (U-Bahnen, Stadtbahnen, Straßenbahnen) und Möglichkeiten zur weiteren Geräuschminderung sowie Ergänzungsmessungen an Rasengleisstrecken. STUVA Forschungsberichte (25/ 91) [6.18] Kasten, P. und F. Krüger: Geräuschsituation bei neuen Schienenfahrzeugen des Stadtverkehrs (U-Bahnen, Stadtbahnen, Straßenbahnen). Verkehr und Technik (1994), Teil I Heft 3, S. 83-90 und Teil II Heft 4 S. 123-128 [6.19] Krüger, F. / Becker, H. und P. Prüm: Ermittlung der Grundlagen und messtechnische Untersuchungen zur schall- und schwingungstechnischen Optimierung von Schienenfahrzeugen für den Regionalverkehr. Band II - Messtechnische Analyse, Forschungsauftrag des BMBF an die STUVA (Dezember 1996) [6.20] Krüger, F. / Becker, H. u. a.: Minderung der Geräuschemissionen von Straßenbahnen in den neuen Bundesländern. UBA Forschungsbericht 105 05 51 (Dezember 1993) [6.21] Neumann, J.: Lärmmesspraxis am Arbeitsplatz und in der Nachbarschaft - Einführung in Schallphysik: Schallmesstechnik und Schallschutz. expert verlag, Band 4; 7. Auflage [6.22] Krüger, F.: Messung von Schallintensitäten an Dieseltriebwagen und Ermittlung der Schallleistung. ZEV + DET Glas. Ann. 122 (1988) Nr. 2 Februar, S. 51-59 [6.23] Vorläufige Berechnungsmethode für den Umgebungslärm an Schienenwegen - VBUSch (2006) [6.24] Krüger, F. u. G. Witte: Unterschiede im akustischen Verhalten von Schwellenarten. Geräuschuntersuchungen an Gleisen mit Holz- und Betonschwellen bei der Hamburger U-Bahn - Auswertungen im Frequenzbereich. DER NAHVERKEHR (Mai 2005), S. 34 ff [6.25] Bahnanwendungen - Akustik - Messung der Schienen- und Radrauheit im Hinblick auf die Entstehung von Rollgeräuschen; Deutsche und Englische Fassung prEN 15610: 2017 [6.26] Bahnanwendungen - Akustik - Messverfahren für kombinierte Rauheit, Gleisabklingraten und Übertragungsfunktionen; Deutsche Fassung CEN/ TR 16891: 2016 [6.27] Bahnanwendungen - Schallemission - Charakterisierung der dynamischen Eigenschaften von Gleisabschnitten für Vorbeifahrtgeräuschmessungen; Deutsche Fassung EN 15461: 2008+A1 (2010) [6.28] ISO 7626-1: 2011-07, Mechanische Schwingungen und Stöße - Experimentelle Ermittlung der mechanischen Admittanz - Teil 1: Grundbegriffe und Aufnehmerspezifikationen [6.29] ISO 7626-5: 1994-07, Schwingungen und Stöße - Experimentelle Bestimmung der mechanischen Admittanz - Teil 5: Messungen mit Stoßanregung durch einen Erreger, der nicht an die Struktur angekoppelt ist. (Entwurf ISO/ FDIS 7626-5: 2019-08) [6.30] Fürst, P./ Kühn, R./ Krüger, F./ Becker, H./ R. Schubert u. a.: Minderung der Geräuschemissionen von Straßenbahnen in den neuen Bundesländern, UBA-FB 105 05 151, Projektleiter: Krüger, F. (Dezember 1993) [6.31] Krüger, F./ Martini, K. u. a.: Verbundprojekt Leiser Verkehr Kurvengeräusche. Entwicklung von anwendungsreifen und wirksamen Maßnahmen zur Reduzierung von Kurvenquietschen 6.10 Literatur zu Kapitel 6 239 <?page no="242"?> an Rad und Schiene, Teilvorhaben STUVA: Phänomenologische Beschreibung von Kurvengeräuschen (September 2009) [6.32] Krüger, F.: Schall- und Erschütterungsschutz beim Schienenverkehr. Betonkalender (2014), S. 587 bis S. 676 [6.33] Krüger, F.: Wann tritt Kurvenquietschen auf ? Eine neue Methode zur Ermittlung von Rad/ Schiene-Anlaufwinkeln in Gleisbögen führt zu interessanten Ergebnissen. EI-Eisenbahningenieur (Februar 2011), S. 6-11 [6.34] Krüger, F.: Entwicklung einer Prüfstrecke für die Geräuschtypprüfung von Schienenfahrzeugen des Nahverkehrs UBA - Forschung FKZ: 203 54 115/ 02 (März 2004) [6.35] DIN 38452: Langzeitmessung von Schienenverkehrsgeräuschen - Teil 1: Emissionen [6.36] DIN EN ISO 3382: Messung der Nachhallzeit von Räumen mit Hinweis auf andere akustische Parameter [6.37] Krüger, F. / Becker, H. / Prüm, P. und P. Kasten: Demonstrationsvorhaben zum Einsatz von Schienendämpfungselementen auf Vollbahnbahnstrecken; BMFT-FE-TV 9049 (Oktober 1994) [6.38] Krüger, F.: Ermittlung von Grundlagen und meßtechnische Untersuchungen zur schall- und schwingungstechnischen Optimierung von Schienenfahrzeugen für den Regionalverkehr - Band I Literaturauswertung, BMFT-FE-Nr. TV 9364 (April 1994) [6.39] DB Netze: DBS 918290 -Technische Lieferbedingungen „Schienenstegdämpfer“ (2017) (siehe auch DBS 918291 -Technische Lieferbedingungen „Schienenabschirmungen“ (2018) [6.40] Salz, D.: Terzspektrenbasierte Bewertung der Tonhaltigkeit von Schienenfahrzeuggeräuschen - Verfahrensentwicklung und -validierung aus Laborstudien. Dissertation TU Berlin (2005) 240 6 Messung von Luft- und Körperschall - Messergebnisse <?page no="243"?> 1 Dieses Kapitel beruht zum Teil auf den Ausführungen der Erst- und Zweitauflage dieses Buches mit den Co-Autoren M. Hecht, G. Hölzl und P. Grütz. 7 Schallminderungsmaßnahmen F. Krüger  1 7.1 Allgemeine Grundlagen 7.1.1 Überblick Schallminderungsmaßnahmen können die Vermeidung von Schall direkt an der Quelle (Emission) beinhalten - primäre Maßnahmen, oder deren Auswirkung (Immission) reduzieren - sekundäre Maßnahmen. Aktive Minderungsmaßnahmen greifen unmittelbar in den Erregervorgang ein, sie bewirken eine Vermeidung bzw. Reduzierung der geräuschverursachenden Anregungen (z. B. Kräfte). Passive Minderungsmaßnahmen behindern dagegen eine Übertragung der generierten Geräusche auf die Umgebung. Auf einige dieser Maßnahmen wird im Folgenden näher eingegangen. 7.1.2 Primäre Maßnahmen Schall entsteht stets durch Bewegungen. Je unstetiger diese Bewegungen ablaufen, desto mehr Schwingungen (Körperschall) werden angeregt und umso mehr Schall kann abgestrahlt werden. Ein Ansatz zur primären Schallminderung ist es, dafür zu sorgen, dass Abläufe weniger abrupt oder stoßartig verlaufen und damit weniger Schall emittieren. Schall tritt bei sich lokal plötzlich ändernden Situationen auf oder bei spielbehafteten, hin- und hergehenden Maschinenteilen, beim Luftaustritt an einer Düse, der umgebende Luftpartikel mitreißt, oder beim Zahneingriff in einem Zahnradgetriebe. Bei der primären Schallminderung muss stets versucht werden, entweder die Änderungshöhe zu reduzieren oder die Änderungsge‐ schwindigkeit zu verringern. Der Übergang von der Radbremse mit Graugussbremsklötzen auf die Scheibenbremse (oder Einsatz von Komposit-Bremsklötzen, z. B. Kunststoffbremsklötzen), wodurch die anregende Rauheit der Radlauffläche bei Schienenfahrzeugen deutlich geringer wird, oder der Übergang vom Kolbenauf den Schraubenkompressor, wodurch hin- und hergehende Maschinenteile durch rotierende ersetzt werden, führt zu einer deutlichen Minderung der Schallemissionen. Sinterbronzeschalldämpfer an pneumatischen Apparaten, z. B. an Scheibenwischermotoren oder Bremsventilen vergleichmäßigen und verbreitern den Auslassluftstrom und reduzieren so das Strömungsgeräusch. Bei Getrieben wird die Höhe der plötzlichen Kraftänderung im Zahneingriff durch eine größere Überdeckung vermindert, d. h. mehr Zähne sind dauernd im Eingriff, z. B. drei Zähne statt nur einem Zahn. Durch Schrägverzahnung [7.16] kann eine zeitliche Verlängerung des Zahneingriffs erreicht werden. <?page no="244"?> (7.1) (7.2) 7.1.3 Sekundäre Maßnahmen Wenn primäre Maßnahmen ausgeschöpft oder nicht anwendbar sind, muss auf sekundäre Maßnahmen zurückgegriffen werden, die die Schallabstrahlung und / oder die Schallausbreitung vermindern. Diese Maßnahmen beinhalten: • Dämmung, • Absorption, • Entdröhnung. - 7.1.3.1 Dämmung Als Dämmung wird die Minderung der Schallübertragung durch eine Wand bezeichnet. Kenn‐ zeichnend für die Schalldämmung ist das Luftschalldämm-Maß R in dB, das den Unterschied der Schalldruckpegel L 1 und L 2 zwischen zwei durch eine Wand getrennte Räume angibt, Bild 7.1. Bild 7.1: Prinzip der Schalldämmung, z. B. zur Minderung der Schallübertragung vom Drehgestell in den Fahrgast‐ raum Das Reduktionspotential R für Dämmmaßnahmen ist frequenzabhängig und mit 15-dB bis 45-dB sehr groß, es kann mit der folgenden Beziehung als Einfügungsdämm-Maß abgeschätzt werden: R = L 1 − L 2 Bei der Neueinführung von Dämmmaßnahmen ist das Einfügungsdämm-Maß eine praktische Größe zur Charakterisierung der Wirkung: Es gibt die Pegeldifferenz zwischen Lösungen mit (L 2 ) und ohne (L 1 ) Dämmmaßnahme an. Für die Abschätzung der Dämmwirkung R einer Einfachwand gilt das Massegesetz, [7.23]: R = 10 ⋅ lg 1 + π ⋅ f ⋅ m′ ⋅ cosϑ ρ ⋅ c 2 ; dB mit f Frequenz in Hz, m´ Masse der Wandflächen in kg/ m 2 , θ Winkel zwischen Plattensenkrechter und Schalleinfallsrichtung, 242 7 Schallminderungsmaßnahmen <?page no="245"?> ρ Dichte der Wand in kg/ m 3 , c Schallgeschwindigkeit in der Wand in m/ s. Dies bedeutet einen Zuwachs der Schalldämmung von 6 dB je Massenverdopplung und ebenfalls 6 dB je Frequenzverdopplung. Bei extremen Anforderungen, z. B. Fußböden von Reisezugwagen, müssen zweischalige Konstruktionen verwendet werden (Bild 7.2), die theoretisch eine Erhöhung der Dämmung von 18-dB je Oktave (Frequenzverdopplung) aufweisen ([7.23, Diagramm 30]). Bild 7.2: Hochdämmende zweischalige Fußbodenkonstruktion, Maße in mm In der Praxis bestehen Dämmmaßnahmen entweder aus Kapselungen, z. B. für Kompressoren oder im Abdichten vorhandener Wände. So werden z. B. Maschinenräume von Lokomotiven nicht nur als Witterungsschutz, sondern auch als Schallkapsel ausgelegt. Innerhalb einer Kapsel muss durch Einfügen von Absorption, siehe nächsten Abschnitt, die Auswirkung von Reflexionen vermindert und dadurch der Schallpegel in der Kapsel verringert werden. Dies gilt auch für zweischalige Bodenkonstruktionen. Besonders zu beachten ist die gleichmäßige und spaltfreie Ausführung der Dämmmaßnahmen. Notwendige Durchlässe, z. B. für Drehmomentübertragung, Bild 7.3, oder für Kühlluftzuführung und -abführung, Bild 7.4, müssen als Schalldämpfer ausgebildet werden. 7.1 Allgemeine Grundlagen 243 <?page no="246"?> (7.3) (7.4) Bild 7.3: Drehmomentdurchführung durch Schalldämmwand mit Schalldämpfer Bild 7.4: Belüftete Schallkapsel - 7.1.3.2 Absorption Mit Absorption wird die Umwandlung der Luftschallenergie in Wärme bezeichnet. Als Kenngröße wird der Absorptionsgrad α verwendet, für den gilt: α = absorbierte Energie auftreffende Energie Die Werte schwanken zwischen 0 und 1. Bei α = 0 wird keine Energie absorbiert, α = 1 entspricht einer vollständigen Absorption. Das Reduktionspotential für Absorptionsmaßnahmen ist meist klein (2 dB bis 10 dB), allerdings kosten die verwendeten Materialien, meist Schäume oder Mineralwolle, wenig und sind sehr leicht, belasten also die Massebilanz des Fahrzeugs in vernachlässigbarer Weise. Die Absorptionskörper sollten möglichst offenporig und großvolumig gewählt werden. Für die Dimensionierung der Absorber ist die zu beeinflussende Frequenz entscheidend. Über die Gleichung λ = c f mit λ Wellenlänge in m, c Schallgeschwindigkeit (343,2 m/ s in der Luft bei 20°C), f Frequenz in Hz. wird der jeweiligen Frequenz eine Wellenlänge zugeordnet. Die Dicke des Absorbers sollte mindestens 0,25-mal der Wellenlänge der zu beeinflussenden Frequenz betragen. Mit üblichen 5 cm dicken Absorptionsmatten in Motorräumen können so nur Frequenzen oberhalb von 500 Hz sicher absorbiert werden. 244 7 Schallminderungsmaßnahmen <?page no="247"?> (7.5) Da im Eisenbahnwesen in aller Regel tiefe Frequenzen besonders stören, und diese gemäß Gleichung (7.2) durch Dämmung wenig beeinflusst werden können, sollten Absorber stets so großvolumig wie möglich gewählt werden. Es sind jedoch auch Absorber auf dem Markt, die durch besondere Gestaltung, z. B. Massenkonzent‐ ration auf der Oberfläche, tieffrequente Bereiche besser erreichen können als homogene Schäume. Absorber zur Verminderung der Ventilationsgeräusche von elektrischen Triebfahrzeugen werden erst in jüngster Zeit verwendet. Ein Beispiel ist die Lok 2000, bei der ein Absorptions‐ schalldämpfer den Schallpegel um 11-dB(A) verringert, [7.18] und [7.24]. - 7.1.3.3 Entdröhnung Mit Entdröhnung wird die Bedämpfung von Strukturschwingungen bezeichnet. Durch eine Bedämpfung werden die Körperschallamplituden verringert, wodurch in der Regel auch weniger Luftschall abgestrahlt wird. Als Kenngröße der Entdröhnung dient der Verlustfaktor d. d = umgewandelte Energie wiedergewinnbare Energie Die Werte für d schwanken auch hier zwischen 0 und 1, je näher der Wert bei 1 ist, desto besser. Die im Schienenfahrzeugbereich üblichen Materialien Stahl und Aluminium haben sehr kleine Verlustfaktoren. Deshalb müssen die Strukturen über Beschichtungen eine höhere Dämpfung erhalten. Bei dünnwandigen Strukturen, z. B. Wagenkästen, werden diese einschichtig ausgeführt, bei dickwandigen, z. B. Räder und Schienen, zweischichtig. 7.2 Grundlagen des „Schallarmen Konstruierens“ Zu diesem, für die schallarme Konstruktion sehr wichtigen Thema, werden in diesem Abschnitt nur einige grundlegende Prinzipien aufgezeigt. Nähere Angaben sind u. a. in [7.1], [7.2] und [7.3] enthalten. In [7.1] werden die Zielsetzungen des „Schallarmen Konstruierens“ wie folgt zusammengefasst: „Das wichtigste Ziel des ‚Schallarmen Konstruierens‘ besteht darin, durch Wahl geeigneter Arbeits‐ prinzipien oder durch Beeinflussung der Arbeitsvorgänge die Schallentstehung gering zu halten. Des Weiteren ist die Weiterleitung von unvermeidlichem Schall zu verringern, indem Schallenergie in der Nähe des Entstehungsortes in Wärme umgewandelt (Dämpfung, Absorption) und/ oder durch spezielle Isolationsmaßnahmen (Dämmung) auf ein möglichst kleines Gebiet begrenzt wird. Außerdem soll auch die Abstrahlung von schwingenden Flächen so weit als möglich reduziert werden.“ So einfach diese Ziele zu formulieren sind, so schwierig sind sie oft in der Praxis zu realisieren. Abgesehen von den Problemen, die mit jeder Konstruktionsänderung verbunden sind (Wirtschaftlich‐ keit, Betriebssicherheit etc.), treten bei Konstruktionsänderungen, die aus Gründen des Schallschutzes vorgenommen werden, manchmal noch weitere Probleme auf: Im Normalfall ist das Gesamtgeräusch einer Konstruktion komplexer Natur, weil es auf zahlreiche Einzelquellen zurückzuführen ist und weil es auf mehreren Wegen übertragen wird. In [7.1] wird als Beispiel ein Verbrennungsmotor (z. B. für einen Dieseltriebwagen) erwähnt, bei dem außer dem Auspuff- und Ansaugvorgang noch folgende Entstehungsmechanismen für Geräusche von Bedeutung sein können: Schnelle Verbrennung im Zylinder, Kolbenkippen, Ventilantrieb, Einspritzpumpe, Kühllüfter, Lager etc. Die so erzeugten Geräusche werden teils unmittelbar an die Luft abgestrahlt, teils als Körperschall über Zylinderwan‐ dung, Pleuelstange, Kurbelwelle, Gestänge etc. an die Motorgehäuseoberfläche, an angeschlossene 7.2 Grundlagen des „Schallarmen Konstruierens“ 245 <?page no="248"?> Aggregate und in die Aufhängung eingeleitet. Es ist daher durchaus möglich, dass eine wirkungsvolle geräuschmindernde Maßnahme sich kaum auf das Gesamtgeräusch auswirkt, weil ihre Wirkung nur auf einen Entstehungsmechanismus oder einen Übertragungsweg beschränkt ist. Dieser Effekt tritt am ehesten bei solchen Konstruktionen auf, die einen hohen Entwicklungsstand erreicht haben, so dass im Laufe der Zeit die Hauptschallquellen schon beseitigt oder zumindest reduziert wurden und eine weitere Verbesserung nur dann erzielt wird, wenn Schallminderungsmaßnahmen gleichzeitig an mehreren Stellen angebracht werden. Die beim „Schallarmen Konstruieren“ angewandten Maßnahmen lassen sich auf einige Grund‐ regeln zurückführen, die in Tabelle 7.1 zusammengefasst sind. Gleichzeitig enthält diese Tabelle noch einige spezielle Beispiele für den Schienenverkehr. Viele Geräuschprobleme sind zurückzuführen auf eine Kraftanregung. Durch eingeleitete dynamische Kräfte F(if) wird in mechanischen Strukturen Körperschall v(if) angeregt, der dann am Anregungsort oder einer entfernten Stelle infolge Körperschallübertragung eine Luftschall‐ anregung bewirkt. Maßnahme [7.1] Beispiel Schienenverkehr 1 2 1 Wechselkräfte und Wechselbewegungen klein halten Vermeidung von verriffelten Schienen- und Radfahrflächen sowie unrunden Rädern (z. B. Polygone und Flachstellen) 2 Plötzliche Änderungen der Kräfte und Bewegungen vermeiden Vermeidung von Stößen in Weichen und Kreuzungen, Flachstellen 3 Gegenphasige Quellen so kombinieren, dass ein möglichst vollständiger Ausgleich erfolgt Kolben bei Dieselmotoren 4 Schallschutzmaßnahmen möglichst nahe an der Quelle anbringen Abschirmung der Räder, der Antriebsanlage (Diesel- oder E-Motor) 5 Schwingungs- und Schallenergie durch Dämpfung (Absorption) in Wärme umwandeln Absorber an den Rädern und Schienen, Bedämpfung der Räder und des Wagenkastens 6 Mit Hilfe von Konstruktionsteilen, die sehr unterschiedliche Steifigkeiten aufweisen, die Schallübertragung verringern, ohne dass durch derartige Maßnahmen Resonanzen im störenden Frequenzbereich auftreten Übergang Drehgestell - Wagenkasten, Gummigefederte Räder - 7 Anregung von Eigenfrequenzen und Eigenformen möglichst gering halten Bauteildämpfung 8 Rückkopplung- und stick-slip-Vorgänge unterbinden Kurvenquietschen, Reibung beeinflussen 9 Hohe Fertigungs- und Einbaugenauigkeit anstreben Gute Gleislage, Vermeidung von unrunden Rädern 10 Berücksichtigen, dass das Gesamtgeräusch einer Konstruktion im allgemeinen auf mehrere Entstehungsmechanismen zurückzuführen ist und dass die Übertragung auf mehreren Wegen erfolgt Ermittlung der dominanten Schallquellen (Räder, Schienen), Dieselmotor, Klimaanlage, Lüfter ([7.4] bis [7.10]) Tabelle 7.1: Maßnahmen zum „Schallarmen Konstruieren“ mit Beispielen aus dem Schienenverkehr 246 7 Schallminderungsmaßnahmen <?page no="249"?> Eine Zusammenfassung der einzelnen Schritte zum schall- oder schallarmen Konstruieren zeigt Bild 7.5. Ein Optimum zwischen geringen Kosten und niedrigen Schallemissionen kann nur durch eine systematische Problemlösung erreicht werden. Hierzu gehören: • Akustische Konstruktionsmethoden: Eine Berücksichtigung schalltechnischer Themen in jeder Konstruktionsphase ist erforderlich. • Akustische Modellierung: Bei dieser Vorgehensweise werden die verschiedenen Schallquellen und Schallausbreitungswege erkannt und angemessen berücksichtigt ([7.27], [7.28], [7.30]). Schallvorgaben von: - Richtlinien, Gesetzgeber - Kundenanforderungen, Stand der Technik - Wettbewerb,Verkaufsargumente, - Eigene Erfahrungen Konstruktionsaufgabe Konstruktionsprozess Schalltechnik 1. Aufgabenklärung - Richtlinien, normative Anforderungen, Stand der Technik - Liste der Spezifikationen 2. Konzepterstellung - Suche nach prinzipiellen Lösungen - Vergleich verschiedener Konzepte - Konzeptauswahl Akustische Erfahrungen und Kenntnisse für den Vergleich verschiedener Lösungen - Akustische Regeln, Formeln - Diagnose-Informationen - Erfahrungen und Beispiele - Literatur und Zeichnungen - Akustische Modelle (FEM, REM, SEA)* ) - Schallmindernde Bauteile - Schallleistung der Teilquellen (Luft- oder Körperschall) Schallmessungen und minderung an einem Prototyp - Analyse und Modifikation - Akustische Diagnose - Erstmusterprüfung / Endtest - Vergleich mit den akustischen Vorgaben, z.B. n. VDV 154 3. Detailkonstruktion - Wahl der Abmessungen und Materialien - Vergleich (Berechnungen und Modellierung) - Detailkonstruktion (Auswahl) 4. Erstellung eines Prototyps - Messungen am Prototyp - Bewertung des Schallverhaltens - Vergleich mit Referenzen Serienfreigabe Bild 7.5: Phasen einer „Schallarmen Konstruktionsmethode“. Bei der Beschaffung von neuen Schienenfahrzeugen sind weitere Schritte vor- und nachgeschaltet, siehe Kapitel 4. * ) FEM: Finite Elemente Methode, REM: Randelementmethode (engl. BEM - boundary element method), SEA: Statistische Energieanalyse 7.2 Grundlagen des „Schallarmen Konstruierens“ 247 <?page no="250"?> Die Vorgehensweise bei einer geräuscharmen Konstruktion kann in vier Phasen aufgeteilt werden: 1. Klärung der Aufgabenstellung: Erstellen einer Liste mit allen schalltechnischen Anforderun‐ gen. In diese Liste gehören auch Angaben zu rechtlichen Vorgaben, Stand der Technik, Wettbewerber, Kundenanforderungen, Einfluss auf das Gewicht der Bauteile oder des gesam‐ ten Fahrzeugs. Leise Fahrzeuge sind auch ein gutes Vertriebsargument. 2. Konzeption: Diese Phase konzentriert sich auf die Hauptfunktionen. Im allg. sind noch wenige Informationen über das Verhalten des fertigen Produktes verfügbar. Das Verhalten vergleich‐ barer Konstruktionen ist heranzuziehen. Einsatz von numerischen Berechnungsmethoden (Schall-Berechnungssoftware). 3. Detailkonstruktion: Durch die Gestaltung der einzelnen Konstruktionsteile und durch die Wahl der einzubauenden Komponenten (z. B. Fahrmotoren, Lüfter, Kompressor etc.) kann wesentlich das Geräuschverhalten der Gesamtkonstruktion beeinflusst werden. 4. Erstellung eines Prototyps: Messungen an einem Prototyp erlauben eine Quantifizierung wesentlicher Schallquellen und der Übertragungswege. Dies kann u. U. zu Konstruktions‐ änderungen führen. Messungen können die Übereinstimmung mit den Anforderungen verifizieren (oder auch nicht). 7.3 Betriebszustände und Anhaltwerte Der Schienenverkehr lässt sich in drei verschiedene Aufgabenbereiche unterteilen, den Güter- und Personenverkehr sowie den Baustellenverkehr. Auch für Nahverkehrsbahnen ist diese Unterteilung, mit Einschränkung, gültig, wobei in jedem Bereich spezifische Fahrzeuge zu finden sind. Im Schienenverkehr werden lokbetriebene Züge und Triebwagen eingesetzt, die mit Elektro- oder Dieselmotoren angetrieben werden. Auf Betriebsfahrzeuge für die Instandhaltung, die vorwiegend mit Dieselmotoren angetrieben werden, wird hier nicht näher eingegangen. Nähere Informationen zu diesem Thema sind in Kapitel 4 enthalten. 7.3.1 Standardbetriebszustände Schienenfahrzeuge weisen gegenüber stationären Maschinen stark wechselnde Betriebszustände auf. Dazu gehören z. B. Stillstand, Fahrt mit verschiedenen Geschwindigkeiten und Zugkräften, Fahrt in der Geraden, im Bogen, Fahrt im Freien oder im Tunnel, auf Brücken und Viadukten sowie Fahrt auf unterschiedlichen Oberbauformen. Zusätzlich können auch die Hilfsantriebe unterschiedliche Zustände annehmen: Lüfter drehen je nach Kühlanforderungen mit unterschiedlichen Drehzahlen, der Kompressor ist entweder an oder aus, die Klimaanlage läuft je nach Besetzungsgrad und Temperatur mit unterschiedlichen Luftmengen usw. Um vergleichbare und reproduzierbare Messungen durchführen zu können, werden in spezi‐ ellen Messvorschriften ([7.14], [7.15]) Hinweise zu relevanten Betriebszuständen gegeben. Bei Fahrt auf gerader Strecke, in der Ebene und in der Beharrung (konstante Geschwindigkeit) wird der Schallpegel durch das Rollgeräusch von Rad und Schiene bestimmt [7.16]. Durch Unebenheiten auf der Berührfläche von Rad und Schiene werden diese zu Körperschall angeregt und strahlen Geräusche ab. Die Pegel dieser Geräusche weisen eine starke Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit auf. Dies kann u. a. darauf zurückgeführt werden, dass Unebenheiten 248 7 Schallminderungsmaßnahmen <?page no="251"?> (7.6) auf den Fahrflächen Frequenzen in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit anregen, und somit werden verschiedene Eigenfrequenzen von Rad und Schiene angeregt, f v, λ = v / λ. Für den maximalen Vorbeifahrpegel L pAFmax wird empfohlen, dass folgende Werte am Mess‐ punkt in 7,5 m Abstand zur Gleismitte und 1,2 m über Schienenoberkante (SO) eingehalten werden [7.17]: L pAFmax = 80 dB(A) + 30 • lg v v 0 mit v 0 = 80-km/ h. Dies bedeutet folgende Schallpegel L pAFmax (v) für einige typische Geschwindigkeiten verschie‐ dener Züge: v, km/ h 40 50 60 80 100 120 160 200 250 300 L pAFmax , dB(A) 71,0 73,9 76,3 80,0 82,9 85,3 89,0 91,9 94,8 97,2 In der VDV-Schrift 154 von 2002 wurden z. B. für v = 60 km/ h Pegelhöchstwerte für Straßenbahn‐ fahrzeuge (niederflurig) von 79 dB(A) und für U-Bahn- und Stadtbahnfahrzeuge (hochflurig) von 77 dB(A) empfohlen. In der Neuausgabe dieser Schrift im Jahr 2011 wurde der L pAFmax durch den L pAeq,Tp ersetzt, näherungsweise ist dieser Pegel 1 dB(A) kleiner als der Maximalpegel, entsprechend wurden in der neuen Schrift [7.29] für die oben genannten Fahrzeuge 78 dB(A) bzw. 76-dB(A) angegeben. Je nach Fahrzeugtyp sind die Rollgeräusche oberhalb von 40 km/ h ± 10 km/ h dominant. Beim Anfahren dominieren zumeist die Geräusche der Antriebsanlage. Dies sind z. B. Fahrmotoren (diesel- oder elektrisch angetrieben), Getriebe, Umrichter und diverse Lüfter. Die Anfahrgeräusche werden sehr stark von der verfügbaren Zugkraft des Fahrzeugs und der Masse des gesamten Zuges beeinflusst. Mittlere maximale Schalldruckpegel L pAFmax,m von leisen Fahrzeugen liegen beim Anfahren unter den Bedingungen von [7.14] und [7.15] deutlich unter 80-dB(A). Standgeräusche werden vor allem durch die Lüfter, Kompressoren und Umrichter verursacht. Obwohl die Schallpegel vergleichsweise gering sind, stellen diese Geräusche - besonders bei Abstellanlagen in der Nähe von Wohngebieten - ein großes Problem dar. Für abgestellte Fahrzeuge sollte in 7,5 m Querabstand ein Schallpegel von L pAFmax = 60 dB(A) nicht überschritten werden, siehe [7.29], [7.32]. Fahrzeuge, die sich in betrieblichem Einsatz befinden, sollten beim Halt in Bahnhöfen 70 dB(A) bis 75 dB(A) (je nach geforderter Qualität des Fahrzeugs) in keinem Betriebszustand überschreiten. 7.3.2 Sonderbetriebszustände Zusätzlich zu den genannten betrieblichen Gegebenheiten sind je nach Einsatzgebiet weitere schalltechnisch relevante Situationen zu berücksichtigen. Im Nahverkehr wird dies fast immer die Fahrt auf Gleisen mit engen Bogenradien und die Fahrt im Tunnel oder auf einem Viadukt sein. Bei Lokomotiven sind Anfahrten mit maximaler Zugkraft bei nassen Schienen kritisch (ein Auftreten von Makroschlupfpfeifen ist möglich [7.18]). Da die Bogenfahrt in sehr engen Bögen, z. B. in Wendeschleifen von Straßenbahnen, mit sehr niedrigen Geschwindigkeiten erfolgt, ist hierfür ein geschwindigkeitsunabhängiger Anhaltswert 7.3 Betriebszustände und Anhaltwerte 249 <?page no="252"?> zu definieren, z. B. ein Maximalpegel L pAFmax von 72 dB(A) in 7,5 m Abstand auf der Bogenaußen‐ seite. Für weitere Bögen und größere Geschwindigkeiten kann ein Bogenzuschlag auf Gleichung (7.6) von 3 dB(A) bis 5 dB(A) festgelegt werden, z. B. 3 dB(A) für sich radial einstellende Räder und 5-dB(A) für übliche starr geführte Räder (Radsatz). Für Tunnelfahrten ist der Anhaltswert als Funktion der Verweildauer der Fahrgäste und der örtlichen Gegebenheiten, insbesondere der Absorption im Tunnel und dessen Geometrie festzulegen. Hier können keine allgemeingültigen Vorgaben genannt werden. Die Fahrzeuginnengeräusche als Komfortgrenzen orientieren sich häufig an den Werten für Fernverkehrsfahrzeuge mit L pAeq,T = 68 dB(A) in der 2. Klasse [7.19]. Für Niederflurstraßenbahnen sind diese Werte jedoch kaum erreichbar. Bei maximaler Geschwindigkeit sollten für hohe An‐ sprüche 72 dB(A) und für niedrigere Ansprüche 75 dB(A) nicht überschritten werden. Im Stillstand ist bei maximaler Lüftung oder Heizung mit Untersitzheizlüftern 55 dB(A) ein anspruchsvoller Wert, 60 dB(A) sollten für geringere Ansprüche genügen ([7.20], [7.29]). Da die Angaben zu den zulässigen Innengeräuschpegeln immer wieder den Komfortansprüchen der Kunden angepasst werden, sind die Festlegungen in den entsprechenden Schriften zu beachten. Letztendlich gelten für den Fahrgast- und den Fahrerraum die Festlegungen in den Lastenheften. Für den Fahrerraum sind dabei die Festlegungen für einen Arbeitsplatz gemäß DIN EN 14750-1 und DIN 5566-1 zu beachten. Bei obigen Werten ist zu beachten, dass sie für breitbandige Geräusche gelten. Liegt ein deutlich tonhaltiges Geräusch vor, so ist zum gemessen A-Pegel noch zusätzlich ein Tonhaltigkeitszuschlag zu addieren, bevor der Vergleich mit dem Anhaltswert durchgeführt werden kann, [7.29]. Dieser Tonhaltigkeitszuschlag kann bis zu 6 dB(A) betragen. Sehr anfällig auf tonhaltige Anteile in den Geräuschen sind Umrichter, Getriebe und Lüfter. Wenn diese Quellen dominieren, ist fast immer ein Tonhaltigkeitszuschlag zu berücksichtigen. Beim Rad-/ Schiene-Geräusch ist vor allem das Kurvenquietschen stets tonhaltig, [7.22] und [7.33]. Sind tonale Anteile zu störend, so kann anhand von Frequenzanalysen bei Kenntnis der Daten der Aggregate und deren Betriebszustände der Verursacher (Schallquelle) erkannt werden (Kapitel 5). 7.4 Schallminderungsmaßnahmen im Schienenverkehr 7.4.1 Überblick Die Wirkung von Schallminderungsmaßnahmen kann nur dann durch Messungen eindeutig ermittelt werden, wenn die Randbedingungen vorab geklärt worden sind. Nicht zuletzt aus diesem Grund wurden in den beiden Normen DIN EN ISO 3095 / 3381 einzuhaltende Vorgaben an das Gleis, die (akustischen) Umgebungsbedingungen, den Fahrzeugzustand, die Geschwindigkeit und die Messpunkte für akustische Abnahmemessungen festgelegt. Bei einer Bewertung von Schallminderungspegeln, dies gilt ebenso für die absoluten Schallpegel, sind immer die Randbe‐ dingungen so weit als möglich zu beschreiben. Ergänzende Messungen der Schienenrauheit (DIN EN 15640) und der Abklingrate (DIN EN 15461) sind vorgegeben. Messungen des Körperschalls im Gleis- und Drehgestellbereich können zusätzliche Hilfestellungen für eine Interpretation der Messergebnisse sein. Dies gilt insbesondere für Körperschallmessungen an der Schiene und auf dem Radsatzlager, jeweils in vertikaler und horizontaler Richtung. In Kapitel 6 werden solche Messungen beschrieben, daher wird hierauf in den folgenden Ausführungen nicht näher eingegangen. Sofern Aussagen zu den Randbedingungen vorliegen, werden sie bei den hier genannten Schallminderungspegeln mit angegeben. 250 7 Schallminderungsmaßnahmen <?page no="253"?> Bei der Angabe von Differenzpegeln ist ebenfalls darauf zu achten, um welche Schallpegel es sich handelt: Mittelungspegel, Maximalpegel, Terz- oder Oktavpegel, A- oder Z-bewertet usw., siehe Kapitel 3 und 6. In jedem Fall ist bei der Bewertung von Minderungsmaßnahmen die loga‐ rithmische Addition bzw. Subtraktion zu beachten. Wird z. B. angenommen, dass Rad und Schiene beim Rollgeräusch gleich stark Luftschall emittieren, dann ergibt eine völlige Abschirmung eines der beiden Emittenten Rad oder Schiene nur eine Minderung der gesamten Schallemission von maximal 3 dB. Dies ist z. B. bei Maßnahmen zur Abschirmung oder Bedämpfung der Schienen zu beachten. Nur wenn Maßnahmen an beiden Emittenten durchgeführt werden, kommt es zu einer größeren Schall-Emissionsminderung. Emittieren z. B. beide Komponenten je einen Schallpegel von 60 dB, dann ergibt sich eine Gesamtemission von 63 dB. Bei einer völligen Abschirmung von Rad oder Schiene bleibt die Schallemission eines Bauteils übrig, dies ergibt dann eine Gesamtemission von 60 dB. Nur wenn ein Bauteil deutlich stärker Schall abstrahlt und dieses durch eine Maßnahme gedämpft wird, ergibt sich eine wesentlich größere Minderung des gesamten Emissionspegels. In Bild 7.6 und Bild 7.7 sind die wesentlichen Bereiche dargestellt in denen Schallminde‐ rungsmaßnahmen im Schienenverkehr eingesetzt werden können. Je nach Fahrzeugtyp und Streckenverlauf ergeben sich unterschiedliche Ansatzpunkte hierfür. Grundsätzlich ist zu unter‐ scheiden nach den Maßnahmen in den folgenden Bereichen: • Fahrzeug, • Rad-/ Schiene-Kontakt, • Oberbau, • Ausbreitung, • Streckenführung, • Akustische Überwachung Fahrzeug und Fahrweg, • Fahrzeuginnengeräusche, • Haltestellen und • Kurvenquietschen. Die in Bild 7.6 genannten Minderungsmaßnahmen betreffen die in Bild 7.8 dargestellten Fre‐ quenzbereiche (Körper- und Luftschall). In den folgenden Abschnitten werden diese Maßnahmen näher beschrieben und das Minderungspotential aufgezeigt. Die Zahlen in den unterlegten Feldern geben jeweils die „Grenzfrequenzen“ für die Emissions- und Immissionsgrößen an. Bis auf die Angaben für die Frequenzbereiche der 16. BImSchV und die Erschütterungen (Normenreihe DIN 4150) sind dies keine festen Größen, sie variieren je nach Aufgabenstellung und Betrach‐ tungsweise. Auf die Themen Erschütterungen und Sekundärschall wird in den Kapiteln 11 ff näher eingegangen (f<-250-Hz). 7.4 Schallminderungsmaßnahmen im Schienenverkehr 251 <?page no="254"?> Niedrige (und hohe) Schallschutzwände, absorbierend Schallabsorbierender Fahrweg, z.B. Grünes Gleis (Schotter) Fahrflächenkonditionierung, z.B. Beregnung Schienenstegabsorber und -dämpfer Radschallabsorber Radabdeckung Aggregate Unterflur Rauheit Schiene Elastizität der Schienenlagerung (Decay-Rate) Bei Hochgeschwindigkeitsfahrzeugen: Aerodynamische Geräusche Stromabnehmer usw. Aggregate auf dem Dach Rauheit Rad Bild 7.6: Grundsätzliche Möglichkeiten zur Anwendung von Schall-Minderungsmaßnahmen am Beispiel eines Stadtbahnfahrzeugs auf einem Grünen Gleis Bild 7.7: Grundsätzliche Möglichkeiten zur Anwendung von Schall-Minderungsmaßnahmen am Beispiel einer S-Bahn auf einem Viadukt (oder in einer Tunnelhaltestelle) 252 7 Schallminderungsmaßnahmen <?page no="255"?> 3 1 16 10 3 45 16 1 1 Erschütterungen (Menschen) ; 80 Erschütterungen (Gebäude); 100 Sekundärschall; 160 Sekundärschall +; 250 Körperschall Boden-Gebäude; 250 16. BImSchV (Oktaven 63 Hz bis 8 kHz); 11220 Luftschall; 16000 Körperschall gesamt; 20000 Schwingungen; 20000 1 10 100 1000 10000 log Frequenz f, Hz Schwingungsausbreitung vom Fahrweg / Oberbau in Gebäude Innenu. Außengeräusche, Emissionen u. Immissionen Bild 7.8: Frequenzbereiche für Körper- und Luftschall, die in diesem Kapitel betrachtet werden (grüne Balken). Die gelb markierten Bereiche werden in den Kap. 11 ff behandelt. 7.5 Schallminderungsmaßnahmen Fahrzeug - Außengeräusche 7.5.1 Einführung Im Folgenden werden zusammenfassend wesentliche Maßnahmen aufgezeigt, die einen nennens‐ werten Einfluss auf die Außengeräuschpegel haben (s. a. [7.11], [7.13], [7.26], [7.42], [7.43] und [7.44]): • Geschwindigkeit, • Einsatz gummigefederter Räder anstelle starrer Räder bei Straßenbahnen (Wirkung ist gering, < 3-dB(A)), • Erhöhung der Radsatzlast (sofern erlaubt, z. B. durch Verringerung der Anzahl der Achsen), • Verwendung von kunststoffbeschichteten Rädern (Dämpfung), • Verwendung von Radschallabsorbern, • regelmäßiges Schleifen der Radlaufflächen, • optimiertes Radprofil sowie • leise Antriebe und Aggregate. 7.5.2 Anfahr- und Bremsgeräusche Beim Anfahren und Bremsen können im Spektrum herausragende Frequenzen (Töne) auftre‐ ten, die vom Antrieb oder von der Antriebssteuerung verursacht werden. Diese Töne haben Frequenzen und Pegel, die abhängig von der Geschwindigkeit sind. Beim Bremsen können zusätzlich auch Quietschgeräusche durch Anregung der Bremsscheiben auftreten. Elektrisch angetriebene Fahrzeuge werden bis zu einer Geschwindigkeit von ca. 5 km/ h bis 10 km/ h 7.5 Schallminderungsmaßnahmen Fahrzeug - Außengeräusche 253 <?page no="256"?> (7.7) elektrisch (Generatorprinzip) gebremst. Unterhalb dieser Geschwindigkeit tritt die mechanische Bremse in Aktion. Bei Güterzügen reicht die Bremswirkung der Lokomotiven alleine nicht aus, bei einer Bremsung werden daher auch die einzelnen Wagen über Klotzbremsen gebremst. In [7.68] konnte gezeigt werden, dass das Bremsenquietschen auf eine Erregung der Eigenfre‐ quenzen der Bremsscheibe infolge der Reibkräfte zwischen Belag und Scheibe zurückgeführt werden kann. Als wirksame Lösungen zur Verringerung des Bremsenquietschens werden fol‐ gende Maßnahmen genannt: • Verwendung geräuscharmer Beläge, • Vermeidung von Quernuten im Belag, • Verwendung mehrteilig aufgebauter Bremsscheiben, • Anbringen zusätzlicher Dämpfungselemente (z. B. am Belaghalter) sowie • Minimierung der Spiele in den Gelenken. In [7.69] werden Ergebnisse von Untersuchungen zu einer „Quietschfreien Hochleistungsschei‐ benbremse“ dargestellt. Eine Reduzierung des Bremsenquietschens konnte durch Modifikationen konstruktiver Art am Bremssystem (Belagaufbau und Scheibe) und durch Werkstoffentwicklun‐ gen (Sinterreibmaterial) erreicht werden. Im Fahrzeugtest ergab sich eine Quietschgeräuschmin‐ derung im Mittel von 8-dB(A). 7.5.3 Konstante Geschwindigkeit Bei Geschwindigkeiten zwischen 30 km/ h und 100 km/ h (und darüber hinaus) lässt sich näherungsweise die Geschwindigkeitsabhängigkeit des Maximalpegels L pAFmax mit folgender Gleichung beschreiben: L pAF max, v2 − L pAF max, v1 ≈ 30 • lg v2 v1 Eine Verdopplung der Geschwindigkeit führt demnach zu einem Pegelanstieg von 9 dB(A). Durch eine Veränderung der Fahrgeschwindigkeit (betriebliche Maßnahme) lässt sich demnach die Schallemission beeinflussen. Ein Beispiel für gemessene Schalldruckpegel für verschiedene Geschwindigkeiten und Höhen über SO zeigt Bild 7.9. Dargestellt sind hierin von links nach rechts folgende Schalldruckpegel: Kleinster Pegel, größter Pegel, gemittelter Pegel und Pegeldifferenz zwischen größtem und kleinsten Pegel. Die Messungen erfolgten ausschließlich an Straßenbahn-Hochflurfahrzeugen bei verschiedenen Verkehrsunternehmen in Deutschland auf (geraden) Schottergleisen ohne messtechnischen Nachweis der Schienenrauheit und der Abklingrate, [7.60], [7.61]. Optisch wurden die Gleise in einem guten Zustand klassifiziert. 254 7 Schallminderungsmaßnahmen <?page no="257"?> Kap07_B7.9_STUVAFB25_91-Schallmesswerte-außen-B STUVA Forschungsberichte 25/ 91 LAFmaxstraSB 75 80 67 73 62 68 91 97 81 89 74 83 83 90 75 83 67 75 16 17 14 16 12 15 0 20 40 60 80 100 120 a1 - 40 a1 - 60 a2 - 40 a2 - 60 a3 - 40 a3 - 60 L pAFmax,m , dB(A) Messpunkt - Geschwindigkeit v, km/ h MP a1 = 2,5 m MP a2 = 7,5 m MP a3 = 25 m Bild 7.9: Gemittelte Maximalpegel an verschieden Messpunkten und bei Geschwindigkeiten von 40-km/ h und 60-km/ h (Nahverkehrs-Hochflurfahrzeuge) Die Messungen erfolgten jeweils an folgenden Messpunkten: Abstand zur Gleismitte und Höhe über Schienenoberkante (SO): a1 (2,5 m/ 0,65 m), a2 (7,5 m/ 1,2 m) und a3 (25 m/ 3,5 m). Für die Schallmessungen wurden weder das Fahrzeug noch das Gleis besonders bearbeitet (z. B. kein Schleifen der Schienenfahrflächen vor den Messungen). Bei heutigen Fahrzeugen auf gut gepflegten Gleisen liegen die Maximalpegel ca. 5 dB(A) niedriger. Für den Mittelungspegel bedeutet das eine Minderung um ca. 4-dB(A). Die gestrichelten grünen Linien zeigen die (mittlere) Pegelabnahme mit Zunahme des Abstan‐ des der Messpunkte von der Gleismitte. 7.5.4 Radbauart Durch gummigefederte Räder kann die Geräuschsituation bei gerader Streckenführung gering‐ fügig verbessert werden (Minderung < 3 dB(A)). Ein Einfluss auf das Kurvenquietschen im Gleisbogen konnte bisher nicht eindeutig nachgewiesen werden. Bedämpfte Räder zeigen ein ähnliches Verhalten. Beim Auftreten von Kurvenquietschen zeigen gummigefederte Räder im Allgemeinen ein anderes Schwingungsverhalten als ungedämpfte Räder. Wegen der geringeren, von der Radscheibe entkoppelten Radreifenmasse, ist eine Frequenzverschiebung nach oben vorhanden (siehe unter Kurvengeräusche). Für die Größe der Schallabstrahlung ist u. a. die Admittanz des Rades wesentlich. Je größer die Admittanz, je leichter lässt sich das Rad anregen und strahlt dann entsprechend mehr Luftschall ab. Mit zunehmender Masse (z. B. Radkranzdicke) nimmt die Admittanz ab, diese führt dann zu einer geringeren Schallabstrahlung (jedoch auch zu einer höheren Fahrzeuggesamtmasse). Zur Ermittlung des Einflusses der Radgeometrie auf die Minderung der Schallemission eines Rades wurden bei der DB AG umfangreiche Simulationsrechnungen mit anschließenden Labor‐ untersuchungen durchgeführt, [7.58]. Das „schalloptimierte Rad“ hat, wie das Normalrad für Rei‐ sezugwagen bei der DB AG, einen Durchmesser von 920 mm. Gegenüber dem Normalrad wurde hauptsächlich die Form des Scheibenradkörpers mit symmetrisch zum Radaufstandspunkt verteil‐ ter Masse und Korbbogenausrundungen der Übergänge Nabe-Radscheibe und Radscheibe-Rad‐ 7.5 Schallminderungsmaßnahmen Fahrzeug - Außengeräusche 255 <?page no="258"?> kranz vergrößert. Damit gelang es, die Anregung von axialen Radscheibenschwingungen, die sehr viel zum abgestrahlten Schall beitragen, gering zu halten. Die akustisch optimierte Radgeometrie führte in einem Versuch zu einer Schallpegelminderung von ca. 6 dB(A). Wegen der höheren Masse von 60 kg je Radscheibe kamen die optimierten Räder jedoch (noch) nicht zum weiteren Einsatz. 7.5.5 Radschürzen, Radblenden Zur Schallemissionsminderung sind Abdeckhauben der Räder bzw. des gesamten Fahrwerks (aber nicht bei ausdrehbaren Drehgestellen! ) möglich. Diese Hauben behindern jedoch in der Regel die Wartungsarbeiten und erbringen nur Schallpegelminderungen bis maximal ca. 3 dB(A), da eine vollständige Abdeckung nicht bzw. nur schwer zu realisieren ist, Bild 7.10. Bereits durch einen schmalen Spalt wird jedoch der Schall nahezu ungemindert übertragen (vgl. Schallübertragung zwischen geschlossenem und angelehntem Fenster in einem Wohnhaus). Dieses Bild zeigt auch sehr deutlich, dass die Räder den Schall nach beiden Seiten abstrahlen. Der nach innen abgestrahlte Schall kann dann über den Fahrzeugboden in den Fahrzeuginnenraum übertragen werden. Eine gute Fußbodenisolation ist daher hilfreich für einen geringen Innenschallpegel. Zum Nachweis der Wirkung wurden entsprechende Versuche durchgeführt: Entdröhnte Abschirmbleche wurden innen und außen vor der Radscheibe auf der Radnabe befestigt. Die erzielte Geräuschminderung lag bei ca. 2 dB(A). In einem weiteren Schritt wurde zwischen den Blechen und der Radscheibe noch Absorptionsmaterial eingebracht. Dadurch konnte die Wirkung um ca. 1-dB(A) erhöht werden. 256 7 Schallminderungsmaßnahmen <?page no="259"?> Elastomer (Straßenbahn) el. Zwischenplatte Schiene Radreifen Spurkranz Radscheibe Scheibenbremse Schwelle (oder Beton- Platte) Schotter Schall Bild 7.10: Schallemissionen Rad/ Schiene/ Schwelle Rad und Schiene mit Schall-Abschirmmaßnahmen (grün) Abschirmung von Radreifen und Schiene (braun/ grün) • Abdeckung des Rades, Radschürze • Niedrigst-Schallschutzwand • Minderungsmaßnahmen Schiene 7.5.6 Radschallabsorber Im Netz der DB AG verkehren eine Anzahl unterschiedlicher Fahrzeuge, die grob folgendermaßen eingeteilt werden können: Triebfahrzeuge, wie elektrische Loks, Dieselloks, Triebköpfe von Hochgeschwindigkeitszügen, Triebzüge und Triebwagen sowie Reisezugwagen und Güterwagen, [7.56] und [7.57]. Wie bereits erwähnt, sind die Räder von Schienenfahrzeugen eine wesentliche Schallquelle innerhalb des Gesamtsystems „Schienenbahnen“. Das Bestreben zur Ausschöpfung der Möglich‐ keiten der Reduzierung der Schallemission führte zur Entwicklung von sog. Radschallabsorbern. Zur Minderung der Schallemission eines Rades ist das Anbringen von Absorbern (oder Tilgern) geeignet, Bild 7.11. Durch Absorber am Radkranz wird dem Rad Schwingungsenergie entzogen und in Wärme umgewandelt. Hierdurch werden die Amplituden der radialen und axialen Eigenschwingungen des Rades im wichtigen Frequenzbereich über 1.000 Hz gemindert. Dabei 7.5 Schallminderungsmaßnahmen Fahrzeug - Außengeräusche 257 <?page no="260"?> ist allerdings zu beachten, dass wegen der ellipsenförmigen Aufstandsfläche zwischen Rad und Schiene (ca. 2 cm lang (quer zur Schiene) und 1 cm breit) das Rad über diesen Wellenlängenbereich der Rauheit mittelt und hierdurch nur wenig Körperschall angeregt wird. Einer Wellenlänge λ von ≈ 2 cm entspricht bei einer Geschwindigkeit von 80 km/ h, z. B. eines Güterzuges, einer maximalen anregenden Frequenz von 1.100 Hz (f = v / λ). Die wichtigen schallabstrahlenden Eigenfrequenzen des Rades liegen aber höher (s. Kap. 5, Bild 5.9) und können durch die Rauheit kaum angeregt werden. Ein Radabsorber wäre hierfür weitgehend wirkungslos. Bild 7.11: Radschallabsorber (zur Rollgeräuschminderung) Montiert sind diese Schwingungsabsorber im Bereich zwischen Radkranz und Radscheibe, an der Stelle, wo die Schwingungsmaxima des Rades liegen. Zwei unterschiedliche Typen von Schwingungsabsorbern kommen beim ICE zum Einsatz. Beide Absorber sind kraftschlüssig nahe am Laufkranz des Rades in einer Nut befestigt. Der Absorber der Bauart Krupp (Bild 7.11) besteht aus schwingfähigen nichtrostenden Stahlzungen unterschiedlicher Dicke und mit einer Dämpf‐ ungsmasse zwischen den Zungen. Beginnt das Rad in seinen Eigenfrequenzen zu schwingen, so werden ebenfalls frequenzmäßig passende Eigenfrequenzen des gedämpften Zungenpakets zu intensiven Schwingungen angeregt. Dadurch wird dem Rad Schwingungsenergie entzogen (getilgt). Ein anderer Schwingungsabsorber ist eine Entwicklung der Firma MAN-GHH. Dieser Schwin‐ gungsabsorber ist wie ein kreisförmiger Schirm aufgebaut, der aus einzelnen Segmenten (Hör‐ nern) besteht, ein Beispiel zeigt Bild 7.12. Die Segmente sind aus zwei parallelen phosphatierten Blechen unterschiedlicher Dicke (3,5 mm und 4 mm) mit dazwischenliegender Dämpfungsschicht zusammengeklebt. Die Segmente sind in vier Zungen geschnitten. Eine Verjüngung der einzel‐ nen Segmente führt an deren Enden zu immer größeren und damit besser zu dämpfenden Schwingungsausschlägen. Durch Schwingungsabsorber an den Rädern von Hochgeschwindig‐ keitsfahrzeugen konnte der Schallpegel um bis zu 8-dB(A) abgesenkt werden. 258 7 Schallminderungsmaßnahmen <?page no="261"?> 278 Bild 7.12: Rad mit Schallabsorber (links), Rad ohne Absorber (rechts) 7.5.7 Komponentenerprobungsträger „Leiser Güterzug“ In den 1990-er Jahren bis Anfang des ersten Jahrzehnts wurden zahlreiche Schallminderungsmaßnahmen an Schienenfahrzeugen und am Fahrweg theoretisch und praktisch erforscht. Diese Maßnahmen wurden an einem Versuchsobjekt umgesetzt. Mit dem Komponentenerprobungsträger „Leiser Güterzug“ konnte auf einer Versuchsstrecke im Inntal eine deutliche Senkung der Schallemission demonstriert werden. Dabei kamen folgende Schallschutzmaßnahmen zum Einsatz: Maßnahme Wirkung Anmerkungen Glatte Rad- und Schienenlauffläche 8 dB(A) Radabsorber 4 dB(A) Niedrigst-Schallschutzwand in Kombination mit Fahrzeug-Radschürzen 8 dB(A) Bild 7.10 Diese Untersuchungen wurden im Rahmen eines Projektes der DB AG zusammen mit der ÖBB (Österreich) und der FS (Italien) durchgeführt. Die oben genannten Pegelminderungen können nicht arithmetisch addiert werden. Die gesamte Schallminderung kann nur messtechnisch durch den Vergleich der Schallpegel ohne und mit den genannten Maßnahmen ermittelt werden. 7.5.8 Messergebnisse „Leiser Stadtbahnwagen“ Anfang der 1980-er Jahre wurden zahlreiche Untersuchungen mit Maßnahmen an einem Stadtbahnfahrzeug durchgeführt, [7.4] und [7.10], von denen eine den Schall mindernde Wirkung erwartet worden ist. Tabelle 7.2 zeigt hiervon einige Bild 7.12: Rad mit Schallabsorber (links), Rad ohne Absorber (rechts) 7.5.7 Komponentenerprobungsträger „Leiser Güterzug“ In den 1990er Jahren bis Anfang des ersten Jahrzehnts wurden zahlreiche Schallminderungsmaß‐ nahmen an Schienenfahrzeugen und am Fahrweg theoretisch und praktisch erforscht. Diese Maßnahmen wurden an einem Versuchsobjekt umgesetzt. Mit dem Komponentenerprobungs‐ träger „Leiser Güterzug“ konnte auf einer Versuchsstrecke im Inntal eine deutliche Senkung der Schallemission demonstriert werden. Dabei kamen folgende Schallschutzmaßnahmen zum Einsatz: Maßnahme Wirkung Anmerkungen Glatte Rad- und Schienenlauffläche 8-dB(A) - Radabsorber 4-dB(A) - Niedrigst-Schallschutzwand in Kombination mit Fahrzeug-Radschürzen 8-dB(A) Bild 7.10 Diese Untersuchungen wurden im Rahmen eines Projektes der DB AG zusammen mit der ÖBB (Österreich) und der FS (Italien) durchgeführt. Die oben genannten Pegelminderungen können nicht arithmetisch addiert werden. Die ge‐ samte Schallminderung kann nur messtechnisch durch den Vergleich der Schallpegel ohne und mit den genannten Maßnahmen ermittelt werden. 7.5.8 Messergebnisse „Leiser Stadtbahnwagen“ Anfang der 1980er Jahre wurden zahlreiche Untersuchungen mit Maßnahmen an einem Stadt‐ bahnfahrzeug durchgeführt, [7.4] und [7.10], von denen eine den Schall mindernde Wirkung erwartet worden ist. Tabelle 7.2 zeigt hiervon einige messtechnisch ermittelte Schallpegelminde‐ rungen durch Änderungen im Bereich der Anregung und Übertragung. Es ist davon auszugehen, dass ähnliche Pegelminderungen auch bei modernen Fahrzeugen möglich sind. Die konkreten Wirkungen der Maßnahmen sind von den örtlichen Randbedingungen (Fahrzeug / Fahrweg) abhängig. 7.5 Schallminderungsmaßnahmen Fahrzeug - Außengeräusche 259 <?page no="262"?> Maßnahme Schallpegelminderung in dB(A) - L R(25) * ) L K(Nah) ** ) Gummi-Notfeder als Sekundär-Feder 0 - Paketkupplung 0 - Drehhemmung 0 - 2 doppelreihige Pendelrollenlager 0 - 1 doppelreihiges Pendelrollenlager - 0 bis -3 Radsatzführung • Längslenker • Querlenker - 0 0 - -1 0 Längsu. Querlenker • Stahlschraubenfeder • Gummidruckfeder - 1 0 - - 0 Verstimmung der Radsatzparallelität 0 -2 bis -4 gelenkte Radsätze (Beispiel Fahrzeug aus Rotterdam) 3 bis 4 10 bis 18 Radabsorber der Hersteller: • Klöckner • Krupp • MAN/ GHH - 1 bis 2 1 bis 2 1 - 3 12 8 Hohlraumausschäumung (Ausschäumung der Räume zwischen den Gummipuffern elastisch gelagerter Radreifen) 1 bis 2 4 Radschürzen 0 bis 1(3) - (Niedrige) Schallschürzen (im Gleis) 0 bis 3 - * ) L R(25) Rollgeräusch am 25-m-Messpunkt, ** ) L K(Nah) Kurvenquietschen im Nahfeld. Tabelle 7.2: Beispiele für erzielte Minderungen der maximalen Schalldruckpegel durch Änderungen im Bereich der Anregung und Übertragung (Stadtbahnwagen B100). Das Minuszeichen kennzeichnet keine bzw. eine negative Wirkung 7.6 Maßnahmen im Bereich Rad/ Schiene 7.6.1 Die glatte Radlauffläche Raue Radlaufflächen führen zu deutlich höheren Schallpegeln. So können unrunde Räder und sol‐ che mit Flachstellen oder Anhaftungen (z. B. Kaugummi, Teer oder andere haftende Materialien) auf den Radlaufflächen Pegelerhöhungen bis zu 15 dB(A) ergeben. Die Rauheit der Radlauffläche ist daher im Hinblick auf die Schallemission von entscheidender Bedeutung. Aus akustischer Sicht sind die Radlaufflächen daher möglichst (dauerhaft) glatt zu erhalten. 260 7 Schallminderungsmaßnahmen <?page no="263"?> Bei Fahrzeugen mit Bremsklötzen aus Grauguss (Auslaufmodell) entstehen auf den Radlauff‐ lächen durch den Bremsvorgang Unebenheiten mit Wellenlängen von 1 cm bis 10 cm, auch Radriffeln genannt. Diese werden verursacht durch die beim Bremsen auftretenden hohen Temperaturen im Kontaktbereich von Rad und Bremsklotz. Fahrzeuge ohne Grauguss-Bremsklötze - auch ohne sogenannte Putzklötze aus Grauguss - stellen eine effektive Schallminderungsmaßnahme dar. Als Alternative zum Grauguss-Bremsklotz kommt ein Sinter- oder Kompositbremsklotz in‐ frage, sogenannte K- und LL-Sohlen (LL: Low Noise/ Low Friction). Radlaufflächen, auf die solche Bremsklötze einwirken, sind glatter und damit ist auch das Rollgeräusch dieser Fahrzeuge niedriger als bei Fahrzeugen mit Grauguss-Bremsklötzen (ca. 8 dB(A) bis 10 dB(A)). Nachdem die UIC diese Bremssohlen für den Betrieb zugelassen hat, haben mehrere europäische Bahnen beschlossen, dass neu zu beschaffende Güterwagen mit dieser Verbundstoff-Bremse ausgerüstet werden, bei vorhandenen Güterwagen kann der Bremsklotz aus Grauguss durch die LL-Sohle ersetzt werden. Gemessene Schallpegel in 7,5 m Abstand von Gleismitte für verschiedene Fahrzeugtypen für ein Gleis mit sehr glatten Schienenfahrflächen zeigt Bild 7.13, [7.70]. Der Pegelunterschied der Fahrzeugtypen beträgt nahezu 20 dB(A). Die hohen Schallpegel wurden von Fahrzeugen mit Grauguss-Bremsklötzen verursacht. 7.6 Maßnahmen im Bereich Rad/ Schiene 261 <?page no="264"?> Kap07_B7.13_Fz-Pegel1-Einzahlwerte Fz-Pegel 70 80 90 100 E-Tfz,S E-Tfz,K ICE IC IR Rzw,K Gw,2-a Gw,4-a Gw,6-a L pAeq,Trec , dB(A) Zugart Bild 7.13: Vorbeifahrpegel in 7,5-m Abstand bei v = 80-km/ h (arithmetischer Mittelwert) auf sehr glatten Schienenfahrfahrflächen Erläuterungen: E Elektroantrieb Tfz Triebfahrzeug S Scheibenbremse K Klotzbremse (Grauguss) ICE InterCityExpress-Triebfahrzeug IC InterCity IR InterRegio (ersetzt durch Regionalexpress/ Regionalbahn) Rzw Reisezugwagen Gw,n Güterwagen mit unterschiedlicher Anzahl von Achsen a (n = 2-a/ 4-a/ 6-a) 7.6.2 Glatte, riffelfreie Schienenfahrfläche Neben den quasiperiodischen Unebenheiten auf den Radlaufflächen (Radriffeln) im Wellenlängen‐ bereich von 1 cm bis 10 cm sind ähnliche quasiperiodische Wellenlängen auf den Schienenfahr‐ flächen (Schienenriffeln) die Hauptursache für die Entstehung des Rollgeräusches bei Zugfahrten [7.53]. Das riffelfreie, möglichst glatte Gleis ist demnach die wirksamste Schallschutzmaßnahme (glatte Räder auf glatten Schienen! ). In DIN EN ISO 3095 ist die Messung der Schienenrauheit (Fahrfläche) für akustische Abnahme- und Kontrollmessungen vorgeschrieben. Das in Bild 7.14 dargestellte Grenzspektrum für die Schienenrauheit ist für solche Messungen einzuhalten. Das Verfahren zur Messung der Fahrflä‐ 262 7 Schallminderungsmaßnahmen <?page no="265"?> chenrauheit von Schienen (und Rädern) ist in DIN EN 15610 genormt. In Bild 7.15 sind beispielhaft verriffelte, raue und glatte Schienenfahrflächen dargestellt. Neben dem ISO-Spektrum ist in Bild 7.14 auch ein entsprechendes Grenz-Spektrum für Nahver‐ kehrsbahnen dargestellt, welches aus Messungen in Nahverkehrsunternehmen abgeleitet worden ist [7.29]. Die unterschiedlichen Grenzspektren können auf zwei wesentliche Unterschiede zwischen Straßen- und Eisenbahnrädern zurückgeführt werden: 1. Die in beiden Systemen eingesetzten Räder zeigen ein unterschiedliches Schwingungsverhal‐ ten. Dies ist zurückzuführen auf z. B. unterschiedliche Radprofile, Raddurchmesser, teilweiser Einsatz von gummigefederten Rädern usw. 2. Durch raue Schienenfahrflächen werden, in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit, unter‐ schiedliche Rad-Frequenzen angeregt (f λ = v Fz / λ . Bild 7.14: Grenzspektren der Schienenfahrflächenrauheit nach DIN EN ISO 3095 / 3381 und VDV/ VDB [7.29] 7.6 Maßnahmen im Bereich Rad/ Schiene 263 <?page no="266"?> 282 Bild 7.14: Grenzspektren der Schienenfahrflächenrauheit nach DIN EN ISO 3095 / 3381 und VDV/ VDB [7.29] a) verriffelt b) rau c) glatt Bild 7.15: Beispiele für Schienenfahrflächen a) Schienen im Schottergleis einer Eisenbahn (Vollbahn, Bahnhofseinfahrt) b) Raue Schiene einer Stadtbahn kurz vor einer Haltestelle (mögliche Ursache: Sand auf der Schiene) c) Sehr glatte Schiene einer Straßenbahn mit Beschleunigungsaufnehmern zur Erfassung von Schienen- und Schwellenkörperschall Bei Schienenriffeln oder an Schienenstößen (Weichen, Kreuzungen Schweiß- und Isolierstöße) können Pegelerhöhungen bis zu 15 dB(A) auftreten. Bei verriffelten Schienen (und Rädern) ist die Schallpegelerhöhung über die gesamte Riffelstrecke vorhanden. Die Pegelerhöhungen an den Schienenstößen sind jedoch lokal begrenzt auf die Stoßstelle. Im ersten Fall handelt es sich um eine Linienquelle, im zweiten Fall um eine Punktquelle. 40 31,6 25 20 16 12 10 8 6,3 5 4 3,16 2,5 2 1,6 1,25 1 0,8 0,63 0,5 0,4 0,32 A 11,4 10 8,8 7,3 6 4,8 3,3 1,9 0,5 -0,8 -2,1 -3,5 -4,9 -6,1 -7,5 -7,5 -7,5 -7,5 -7,5 -7,5 -7,5 -7,5 B 17,1 15 13 11 9 7 4,9 2,9 0,9 -1,1 -3,2 -5 -5,6 -6,2 -6,8 -7,4 -8 -8,6 -9,2 -9,8 -10 -11 -15 -10 Rauheitspegel L Wellenlänge im Terzband, cm 3,16E-04 1,78E-04 1. verriffelt 1. rau 1. glatt Bild 7.15: Beispiele für Schienenfahrflächen a) Schienen im Schottergleis einer Eisenbahn (Vollbahn, Bahnhofseinfahrt) b) Raue Schiene einer Stadtbahn kurz vor einer Haltestelle (mögliche Ursache: Sand auf der Schiene) c) Sehr glatte Schiene einer Straßenbahn mit Beschleunigungsaufnehmern zur Erfassung von Schienen- und Schwellenkörperschall Bei Schienenriffeln oder an Schienenstößen (Weichen, Kreuzungen, Schweiß- und Isolierstöße) können Pegelerhöhungen bis zu 15 dB(A) auftreten. Bei verriffelten Schienen (und Rädern) ist die Schallpegelerhöhung über die gesamte Riffelstrecke vorhanden. Die Pegelerhöhungen an den Schienenstößen sind jedoch lokal begrenzt auf die Stoßstelle. Im ersten Fall handelt es sich um eine Linienquelle, im zweiten Fall um eine Punktquelle. Durch Schleifen der Schienenfahrflächen kann eine deutliche Pegelminderung erreicht werden, die Höhe der auftretenden Minderung hängt vom Ausgangs- und Endzustand sowie dem verwendeten Schleifverfahren ab. Rutschersteine ergeben das beste Ergebnis. Durch die hierbei auftretenden Schleifriefen in Schienenlängsrichtung liegt der Pegel unmittelbar nach dem Schlei‐ fen noch nicht auf dem niedrigsten Wert. Erst ca. zwei bis vier Wochen nach dem Schleifen wird dieser infolge Glattwalzen der Riefen erreicht. Dies ist bei der Durchführung von Schallmessungen zu berücksichtigen, z. B. zur schalltechnischen Abnahme von Schienenfahrzeugen auf einer Referenzstrecke. Schienenriffeln im geraden Gleis sind noch immer das größte schalltechnische Problem. In Bild 7.16 sind sowohl die generellen Abhängigkeiten als auch die möglichen Pegelminderungen durch Schienenschleifen schematisch dargestellt. Die zeitliche Entwicklung hängt sehr stark von der Belastung und weiteren Parametern (z. B. Verschmutzung der Fahrflächen) ab. Nach dem derzeitigen Kenntnisstand wird ein langsameres Riffelwachstum durch eine gute Gleislage, kleine Anfangswelligkeiten der Schienenfahrfläche im Wellenlängenbereich von 1 cm bis 10 cm und weichere Schienenlagerung erreicht. Riffeln können nur durch Schleifen der Schienenfahrflächen entfernt werden, deswegen werden Schleifverfahren weiter optimiert [7.55], z. B. Entwicklung des Hochgeschwindigkeitsschleifens (High-Speed-Grinding - HSG). Eine Stre‐ ckensperrung ist hierfür nicht mehr erforderlich. 264 7 Schallminderungsmaßnahmen <?page no="267"?> (7.8) -10 -5 0 5 10 15 20 Delta L p , dB Zeit (Monate/ Jahre) Start ungeschliffen kein Standard geschliffen und geglättet durch Überrrollungen glatte Schienenfahrfläche = geringes Rollgeräusch frisch geschliffen Schiene im Walzzustand ohne Riffelbildung Minderung durch Neuschliff starke Verriffelung Pegeldifferenz mit Riffelbildung Bild 7.16: Einfluss des Schienenschleifens auf die Rollgeräuschentwicklung mit der Zeit Bei neu verlegten Schienen hat sich das Präventivschleifen bewährt. Die Riffelbildung tritt dann später auf als bei nicht geschliffenen neuen Schienen. Der Grund hierfür ist die Beseitigung einer herstellungsbedingten Anfangswelligkeit im Wellenlängenbereich von 1 cm bis 10 cm, also im Wellenlängenbereich der Schienenriffeln. 7.6.3 Schlupfriffeln auf geraden Streckenabschnitten durch Anfahrt von Zügen. Dass bei rascher Aufschaltung hoher Motorleistungen tatsächlich Riffelfolgen mit zunehmendem Riffelabstand auftreten können, wurde im Betriebsgleis experimentell ermittelt. Die kleinsten Anfangswellenlängen wurden bei ca. 20 mm und die größten Endwellenlängen bei ca. 140 mm gefunden. Diese Riffelfolgen erzeugen bei Überfahrt eines Zuges einen abnehmenden Heulton. Man kann annehmen, dass es sich hierbei um eine stick-slip - Schwingungsanregung mit einer Torsionsschwingung der Radsatzwelle handelt, deren niedrigste Frequenz bei elektrischen Lokomotiven bei ca. 50 Hz liegt. Dabei handelt es sich um einen frequenzkonstanten Vorgang und die Riffelwellenlänge ergibt sich mit folgender Formel: λ = v Lok / f Dasselbe wurde auch für extreme Bremsvorgänge nachgewiesen, die Riffelwellenlängen nehmen hier ab. Noch nicht nachgewiesen ist, dass auch bei höherer Fahrgeschwindigkeit und rascher Zugkrafterhöhung diese Art von Riffeln entstehen. 7.6 Maßnahmen im Bereich Rad/ Schiene 265 <?page no="268"?> 7.6.4 Schlupfwellen in Kurven Schlupfwellen in Kurven stellen für die Vollbahnen und Stadtbahnen ein großes schalltechnisches Problem dar, da sie den Luftschall- und Körperschallpegel beträchtlich anheben. Trotz vieler Bemühungen konnte bis jetzt keine geeignete Maßnahme gefunden werden, um sie zu reduzieren oder Ihre Entstehung zu verhindern. Für Straßenbahnen mit geringeren Achslasten gibt es teilweise effektive Maßnahmen zur Vermeidung oder Verringerung von Schlupfwellen in Kurven [7.59], z. B. Aufschweißungen auf der Schienenfahrfläche. 7.6.5 Minderungsmaßnahmen im Rad-/ Schienenbereich Zusammenfassend sind in Tabelle 7.3 die möglichen Schall-Minderungsmaßnahmen im Rad-Schienenbereich und deren Wirkung dargestellt. Die konkreten Pegelminderungen hängen jeweils von den Zuständen Vorher/ Nachher und den lokalen Randbedingungen ab. Im Einzelnen sind folgende Maßnahmen möglich: • Bedämpfte Räder, Radschallabsorber, K- oder LL-Sohle, Scheibenbremse • Einbau von schalldämpfenden und schalldämmenden Materialien am Schienensteg und -fuß (z. B. Elemente zur Dämpfung, Absorption und Abschirmung), • Oberflächenbehandlung der Schienenfahrfläche, • regelmäßiges Schleifen der Schienenfahrflächen, • Oberflächenhärtung, • Auftragsschweißung (Antiriffelschweißung), • Verwendung von Schienenlagern (Stützpunkten) mit hoher Dämpfung und hoher Steifigkeit, hierdurch wird die Impedanz (Abklingrate) der Schiene erhöht und somit die Schwingungen (Körperschall) der Schiene verringert, • Einhausung der Schiene bis zur Schienenoberkante (z. B. Rillenschienen im Straßenbereich, Grüngleise mit hochliegender Vegetationsebene). In Bild 7.17 sind einige Minderungsmaßnahmen an der Schiene dargestellt. Maßnahme Wirkung (qualitativ) Wirkung (quantitativ), dB(A) Glatte Radfahrflächen (K-oder LL-Sohle, Scheibenbremsen) sehr groß bis 10 Bedämpfte Räder, Radschallabsorber groß bis 6 Glatte Schienenfahrflächen (keine Riffel, Flachstellen und Polygone) sehr groß bis 15 Unterschiedliche Steifigkeit der Schienenlagerung groß bis 6 Unterschiedliche Schienenprofile gering bis 3 Unterschiedliche Schwellenwerkstoffe eher gering ± 1 Bedämpfung der Schiene gering bis 3 Schienenstegabsorber gering bis 3 266 7 Schallminderungsmaßnahmen <?page no="269"?> Maßnahme Wirkung (qualitativ) Wirkung (quantitativ), dB(A) Schienenstegabschirmung gering bis 3 Steifigkeit der Zwischenlage gering bis 2, teilweise auch mehr Tabelle 7.3: Wirkung von Maßnahmen auf eine Minderung der Rollgeräusche a b c d Bild 7.17: Beispiele für Maßnahmen an der Schiene zur Schallemissionsminderung; a bis c: Schienensteg-Dämpfung (SSD) und d: Schienensteg-Abschirmung (SSA) 7.7 Schallschutzmaßnahmen am Fahrweg 7.7.1 Einführung Zur Schallminderung am Oberbau sind folgende Maßnahmen zu nennen: Vermeidung einer glatten, harten gleistragenden Fläche. Solche Flächen absorbieren die auftreffenden Schallwellen nicht, sie reflektieren sie und verstärken somit die Schallemissionen. Im Umkehrschluss bedeutet dies die Verwendung einer absorbierenden Oberfläche (Schottergleise, Grüne Gleise). Bei der Festen Fahrbahn kann dies durch Belegen der Fahrbahnplatte mit Absorberelementen erreicht werden. Die o.g. Maßnahmen sind jeweils in Abhängigkeit von den örtlichen Randbedingungen und den dominanten Schallquellen zu bewerten, eine gegenseitige Beeinflussung von Fahrzeug und Fahrweg ist ebenfalls zu berücksichtigen. Bei der Deutschen Bahn AG werden die beiden Oberbauformen „Schotteroberbau“ mit Holz oder Betonschwellen und der „schotterlose Oberbau“ oder die „Feste Fahrbahn“ eingesetzt ([7.51] bis [7.52]). Zweiblockschwellen werden derzeit bei der DB AG und bei den Nahverkehrsunternehmen in Deutschland beim Schotteroberbau nicht eingesetzt. Beim Schotteroberbau sind die Schienen über steife Zwischenlagen von in der Regel ca. 6 mm Dicke auf Betonschwellen montiert. Dieser Gleisrost wird in ein Schotterbett mit einer Dicke von meist 30 cm unter Schwellenunterkante fest eingerüttelt (Bild 7.18, links). Bei der Festen Fahrbahn wird die Schiene mittels elastischer Schienenstützpunkte gehalten. Diese sind ihrerseits entweder auf Betonschwellen befestigt, die dann in eine Betonfahrbahnplatte einbetoniert werden, oder unmittelbar auf der Tragplatte über Höhenausgleichssockel verdübelt oder verschraubt (Bild 7.18, rechts). Bei Fahrt auf einer Festen Fahrbahn erzeugen Schienenfahrzeuge höhere Schallemissionen als bei Fahrt auf einem Schotteroberbau. Verursacht wird dies durch die Reflexion an der schallharten Betonplatte und durch eine erhöhte Bild 7.17: Beispiele für Maßnahmen an der Schiene zur Schallemissionsminderung; a bis c: Schienensteg-Dämp‐ fung (SSD) und d: Schienensteg-Abschirmung (SSA) 7.7 Schallschutzmaßnahmen am Fahrweg 7.7.1 Einführung Zur Schallminderung am Oberbau sind folgende Maßnahmen zu nennen: Vermeidung einer glatten, harten gleistragenden Fläche. Solche Flächen absorbieren die auf‐ treffenden Schallwellen nicht, sie reflektieren sie und verstärken somit die Schallemissionen. Im Umkehrschluss bedeutet dies die Verwendung einer absorbierenden Oberfläche (Schottergleise, Grüne Gleise). Bei der Festen Fahrbahn kann dies durch Belegen der Fahrbahnplatte mit Absorberelementen erreicht werden. Die o. g. Maßnahmen sind jeweils in Abhängigkeit von den örtlichen Randbedingungen und den dominanten Schallquellen zu bewerten, eine gegenseitige Beeinflussung von Fahrzeug und Fahrweg ist ebenfalls zu berücksichtigen. Bei der Deutschen Bahn AG werden die beiden Oberbauformen „Schotteroberbau“ mit Holz oder Betonschwellen und der „schotterlose Oberbau“ oder die „Feste Fahrbahn“ eingesetzt ([7.51] bis [7.52]). Zweiblockschwellen werden derzeit bei der DB AG und bei den Nahverkehrsunter‐ nehmen in Deutschland beim Schotteroberbau nicht eingesetzt. Beim Schotteroberbau sind die Schienen über steife Zwischenlagen von in der Regel ca. 6 mm Dicke auf Betonschwellen montiert. Dieser Gleisrost wird in ein Schotterbett mit einer Dicke von meist 30 cm unter Schwellenunterkante fest eingerüttelt (Bild 7.18, links). Bei der Festen Fahrbahn wird die Schiene mittels elastischer Schienenstützpunkte gehalten. Diese sind ihrerseits entweder auf Betonschwellen befestigt, die dann in eine Betonfahrbahnplatte einbetoniert werden, oder unmittelbar auf der Tragplatte über Höhenausgleichssockel verdübelt oder verschraubt (Bild 7.18, rechts). Bei Fahrt auf einer Festen Fahrbahn erzeugen Schienenfahrzeuge höhere Schallemissionen als bei Fahrt auf einem Schotteroberbau. Verursacht wird dies durch die Reflexion an der schallharten Betonplatte und durch eine erhöhte Schienenschwingung bei der Festen Fahrbahn, aufgrund 7.7 Schallschutzmaßnahmen am Fahrweg 267 <?page no="270"?> der weicheren Schienenlagerung im Stützpunkt. Umfangreiche Untersuchungen wurden durch‐ geführt, um durch Absorptionsschichten auf der Festen Fahrbahn die erhöhte Schallabstrahlung gegenüber dem Schotteroberbau zu reduzieren. Ergebnisse zeigen, dass mit reduziertem und optimiertem Materialeinsatz die Gleichwertigkeit der Festen Fahrbahn mit dem Schotteroberbau bezüglich der Luftschallemission gegeben ist. Zudem bewirken Feste Fahrbahnen geringere Innenschallpegel bei niedrigen Frequenzen in den Reisezügen und schneiden bzgl. der Emission von Erschütterungen teilweise günstiger ab als der Schotteroberbau. Wie bereits erwähnt, hat die Schienenform nur einen geringen, die Lagerung der Schiene jedoch einen nicht unwesentlichen Einfluss auf die Schienenschwingungen und damit auf die Schallemission der Schiene. Weich gelagerte Schienen schwingen stärker und strahlen damit auch mehr Schall ab. Bild 7.18: Vergleich der Oberbauformen „Schotter mit Schwellen“ und „Feste Fahrbahn“ im Hinblick auf ihre akustischen Auswirkungen [7.70] Der Einbau von schallabsorbierenden Oberbauformen (Schotterbettung oder Grüne Gleise) führt zu einer deutlichen Minderung der Schallemissionen gegenüber einer Festen Fahrbahn oder einem in der Straße eingebauten Gleis. Bei schotterlosen Oberbauformen (in Straßenfahrbahnen eingebettete Gleise mit Rillenschie‐ nen oder Feste Fahrbahnen mit rillenlosen Schienen) können Pegelerhöhungen zwischen etwa 3 dB(A) und 7 dB(A) gegenüber dem Schotteroberbau auftreten. Durch geeignete Maßnahmen kann die fehlende Absorption des Schotters teilweise ausgeglichen werden. Hierzu gehören poröse Materialien, die zwischen und neben den Schienen auf die Fahrbahn gelegt werden. 268 7 Schallminderungsmaßnahmen <?page no="271"?> Niedrige Schallschutzschirme in unmittelbarer Nähe zum Gleis können noch zu einer weiteren Schallemissionsminderung beitragen. Grüne Gleise mit einer tiefliegenden Vegetationsebene haben eine ähnliche schallmindernde Wirkung wie der Schotteroberbau, solche mit hochliegender Vegetationsebene dagegen eine erhöhte mindernde Wirkung (die Schallabstrahlung der Schienen wird hierbei weitgehend unterbunden), siehe Anlage 2 zur 16. BImSchV und [7.45]. In Bild 7.19 sind einige Beispiele für Minderungsmaßnahmen im Gleis dargestellt: Gleis-Ab‐ sorberelemente aus Leicht- oder Porenbetone auf einer harten Gleistragplatte (S-Bahn Berlin), Grünes Gleis mit hochliegender Vegetationsebene, Schottergleis. 288 e Fahrbahnen mit rillenlosen Schienen) können Pegelerhöhungen zwischen etwa 3 dB(A) und 7 dB(A) gegenüber dem Schotteroberbau auftreten. Durch geeignete Maßnahmen kann die fehlende Absorption des Schotters teilweise ausgeglichen werden. Hierzu gehören poröse Materialien, die zwischen und neben den Schienen auf die Fahrbahn gelegt werden. Niedrige Schallschutzschirme in unmittelbarer Nähe zum Gleis können noch zu einer weiteren Schallemissionsminderung beitragen. Grüne Gleise mit einer tiefliegenden Vegetationsebene haben eine ähnliche schallmindernde Wirkung wie der Schotteroberbau, solche mit hochliegender Vegetationsebene dagegen eine erhöhte mindernde Wirkung (die Schallabstrahlung der Schienen wird hierbei weitgehend unterbunden), siehe Anlage 2 zur 16. BImSchV und [7.45]. In Bild 7.19 sind einige Beispiele für Minderungsmaßnahmen im Gleis dargestellt: Gleis-Absorberelemente aus Leicht- oder Porenbetone auf einer harten Gleistragplatte (S-Bahn Berlin), Grünes Gleis mit hochliegender Vegetationsebene, Schottergleis. Absorberplatten im Gleis (S-Bahn Berlin) Begrünter Bahnkörper Schottergleis Bild 7.19: „Minderungsmaßnahmen“ Oberbau: Absorberplatten im Gleisbereich, begrünter Bahnkörper und Schottergleis 7.8 Schallminderungsmaßnahmen Ausbreitung 7.8.1 Schallschutzwände und -wälle Näherungsweise nimmt der Schallpegel bei Verdopplung des Abstands um 3 dB bis 6 dB ab. Zwischen den beiden Emissionspunkten 7,5 m und 25 m beträgt die Schallminderung ca. 7 dB. Daher gilt in der Regel: Je größer der Abstand eines Gebäudes von der Trasse, desto geringer die Schallimmission. Bei beidseitiger Bebauung längs einer Strecke sind, je nach Höhe und Abstand der Bebauung gegenüber unbebauten Strecken, Pegelerhöhungen infolge Mehrfach-Reflexionen von bis zu 6 dB(A) in 1 m Abstand vor der Bebauung zu erwarten. Besonders trifft dies bei Straßenbahnstrecken in engen Innenstadtbereichen zu. Bei der Berechnung der Schallimmission nach [7.31] wird dies berücksichtigt. Bild 7.19: „Minderungsmaßnahmen“ Oberbau: Absorberplatten im Gleisbereich, begrünter Bahnkörper und Schot‐ tergleis 7.8 Schallminderungsmaßnahmen im Bereich der Ausbreitung 7.8.1 Schallschutzwände und -wälle Näherungsweise nimmt der Schallpegel bei Verdopplung des Abstands um 3 dB bis 6 dB ab. Zwischen den beiden Emissionspunkten 7,5 m und 25 m beträgt die Schallminderung ca. 7 dB. Daher gilt in der Regel: Je größer der Abstand eines Gebäudes von der Trasse, desto geringer die Schallimmission. Bei beidseitiger Bebauung längs einer Strecke sind, je nach Höhe und Abstand der Bebauung gegenüber unbebauten Strecken, Pegelerhöhungen infolge Mehrfach-Reflexionen von bis zu 6 dB(A) in 1 m Abstand vor der Bebauung zu erwarten. Besonders trifft dies bei Straßenbahnstrecken in engen Innenstadtbereichen zu. Bei der Berechnung der Schallimmission nach [7.31] wird dies berücksichtigt. Schallschutzwände führen zu Pegelminderungen im abgeschirmten Bereich. Wände von etwa 1,5 m Höhe über Schienenoberkante (SO) und 0,5 m Abstand vom Fahrzeug können Pegelminde‐ rungen bis zu 12 dB(A) ergeben (gemessen in 25 m Abstand von Gleismitte und 1,2 m Höhe über SO). Deutlich höhere Schallminderungen sind mit Schallschutzwänden im Allgemeinen nicht zu erzielen. Wichtige Elemente des Schallschutzes von Bahnanlagen sind Schallschutzwände (SSW) und -wälle, welche die Schallübertragung seitlich von Eisenbahnstrecken reduzieren, Beispiele zeigt Bild 7.20. Über die Ergebnisse von umfangreichen Messungen seitlich einer Hochgeschwindig‐ keitsstrecke ohne und mit unterschiedlichen Schallschutzwandtypen und über die Herleitung einer Berechnungsformel der Wirkung von Schallschutzwänden wird in [7.47] berichtet. In [7.48] wird der Schallschutz im Freien ausführlich behandelt. Für die Errichtung von Schallschutz‐ wänden bei der DB AG gilt die Schallschutzwandrichtlinie 800.2001 (Richtlinie für bauliche Lärmschutzanlagen [7.47]), welche die baulichen und akustischen Anforderungen festlegt. 7.8 Schallminderungsmaßnahmen im Bereich der Ausbreitung 269 <?page no="272"?> Schallschutzwände werden aus den unterschiedlichsten Materialien hergestellt. Sie müssen bestimmten Anforderungen entsprechen. Einige wesentliche Punkte sind: • SSW müssen bestimmten Windlasten standhalten (auch den im Hochgeschwindigkeitsver‐ kehr auftretenden Luftdruckschwankungen). • Aus Sicherheitsgründen werden aus Metall hergestellte SSW geerdet und sie müssen einen Mindestabstand zum Gleis aufweisen. • Folgende Mindestwerte für die Schalldämmung sind vorgeschrieben: Terz-Frequenz in Hz 100 125 250 500 1000 2000 4000 Schalldämmmaß R (dB) 10 12 18 24 30 35 35 • Es sind folgende Mindestwerte für den Schallabsorptionsgrad auf der der Schallquelle zugewandten Wandseite einzuhalten: Terz-Frequenz in Hz 100 125 250 500 1000 2000 4000 Schallabsorptionsgrad α S 0,2 0,3 0,5 0,8 0,9 0,9 0,8 Die Schallschutzwände werden aus Beton, Kunststoff, Aluminium, Ziegelsteinen, Holz, Gabionen oder aus Mischprodukten hergestellt. In Bild 7.21 sind einige Ausführungen von Schallschutz‐ wänden dargestellt. Von links nach rechts sind dies Lösungen aus: • Beton und Glas, • Holz und Glasaufsatz, • Aluminium mit geringer Höhe und Anwendung zwischen den Gleisen sowie • Beton und Aluminium. 270 7 Schallminderungsmaßnahmen <?page no="273"?> Bild 7.20: Prinzipielle Möglichkeiten zur Ausführung von Schallschutzmaßnahmen an Eisenbahnstrecken; h Sch = Höhe der Maßnahme über die Schienenoberkante (SO) [7.35] 7.8 Schallminderungsmaßnahmen im Bereich der Ausbreitung 271 <?page no="274"?> (7.9) zwischen Emissionsort (EO) und Immissionsort (IO) maßgebend. Die Differenz beider Wege wird Schirmwert z k genannt und errechnet sich nach Gl. (7. 7.22. Bild 7.21: Schallschutzwände aus unterschiedlichen Materialien und mit verschiedenen Höhen - Beispiele 7.8.2 Wirkung Für die Wirkung von Schallschutzwänden und -wällen ist der Umweg über das Hindernis (effektive Schirmhöhe h Sch ) gegenüber der direkten Verbindungslinie zwischen Emissionsort (EO) und Immissionsort (IO) maßgebend. Die Differenz beider Wege wird Schirmwert z k genannt und errechnet sich nach Gl. (7.9), Bild 7.22. z k = a Q, k + a A, k − s k A,k a s Q,k 0,k s EO a h Sch h IO,k EO: Emissionspunkt, Gleismitte in Höhe Schienenoberkante SO IO: Immissionspunkt vor dem Gebäude SSW: Schallschutzwand IO Q k Gleisachse Wand (SSW) IO EO s k SSW Bild 7.22: Größen zur Berechnung des Schirmwertes einer Schallschutzwand 272 7 Schallminderungsmaßnahmen <?page no="275"?> (7.10) Durch die bei Schienenverkehrsgeräuschen vorhandene Richtwirkung der Schallquellen ergeben sich an Schienenwegen geringere erforderliche Überstandslängen (Verlängerung der SSW über das zu schützende Objekt hinaus) als bei Straßen. Bei Brücken und Viadukten ist zu beachten, dass die von der Brückenkonstruktion selbst stammende Abstrahlung durch eine Schallschutzwand nicht verringert wird. Die Minderung von Bahngeräuschen in Abhängigkeit vom z k -Wert zeigt Bild 7.23, [7.35]. Dargestellt ist die mittlere Abnahme für Reisezüge bei zweigleisigem Zugverkehr. Die dargestellte Kurve lässt sich durch folgende Gleichung beschreiben: ΔL pAeq = 9, 4 • lg 2 + 50 • z k ; dB(A) 0 5 10 15 20 0,01 0,1 1 L pAeq,T , dB(A) log z k Bild 7.23: Minderung von Bahngeräuschen durch absorbierende Schallschutzwandtypen in Abhängigkeit vom z k -Wert [7.35] Zusammenfassend wird die Schallausbreitung von der Strecke zum Immissionsort beeinflusst durch: 1. Schallschutzwand: Art, Höhe über SO, Abstand zur Strecke. Für Schallschutzwände gilt: Je höher über SO und je näher zum Gleis, desto besser die abschirmende Wirkung. 2. Schallschutzwall (Neben den Einflüssen, die für Schallschutzwände genannt wurden, ist hier noch die Breite der Dammkrone zu erwähnen, da sie die Länge des Schallstrahls über das Hindernis beeinflusst), 3. Dammlage (Bei Strecken auf einem Damm ist für Immissionsorte, die tiefer liegen als das Gleis, ggf. die pegelmindernde Wirkung durch die Dammkrone zu berücksichtigen, da ähnliche Wirkung wie bei einem Schallschutzwall), 7.8 Schallminderungsmaßnahmen im Bereich der Ausbreitung 273 <?page no="276"?> (7.11) (7.12) 4. Einschnitt (Ein Einschnitt entspricht in seiner Wirkung einer Schallschutzwand), 5. Gebäude (Eine geschlossene Häuserzeile wirkt wie ein Schallschutzwall), 6. Gehölz (Eine Baumreihe neben einer Trasse wird meistens in seiner akustischen Wirkung überschätzt, ähnlich wie die subjektive Wirkung beim Grünen Gleis). In der Schall 03: 90 wird folgende Pegelminderung D G durch ein Gehölz mit bleibender Unterholzausbildung angegeben: D G = − 0, 05 ⋅ s G, k ≥ − 5 s G,k ist näherungsweise die Breite des zwischen Emissionsort und Immissionsort gelegenen Gehölzes. Für s G,k = 100 m ergibt sich demnach eine Pegelminderung von -5 dB (genauere Angaben hierzu sind in der Schall 03: 90 zu finden). 7. Reflexionen (Durch Reflexionen an einer Häuserzeile oder an einer schallharten Mauer parallel zu einem Gleis, kann der Beurteilungspegel auf der gegenüberliegenden Seite geringfügig erhöht werden). Dies wird, bei bestimmten geometrischen Abmessungen durch einen Korrekturwert D R,1,k = 2 dB berücksichtigt, falls keine Abschirmung vorhanden ist (näheres s. Schall 03: 90) bzw. Anlage 2 zur 16. BImSchV von 2014). 8. Wenn ein Gleis zwischen parallelen reflektierenden Stützmauern oder weitgehend geschlos‐ senen Häuserzeilen verläuft, sind die Beurteilungspegel in diesem Bereich zusätzlich um den Wert D R,2,k zu erhöhen, der wie folgt berechnet wird: D R, 2, k = 4 • ℎ w ≤ 3, 2 mit h: mittlere Gebäudehöhe, w: mittlerer Abstand zwischen den Häuserzeilen bzw. Stützmauern. Straßenbahnstrecken im Innenstadtbereich führen häufig zwischen geschlossenen Häuser‐ zeilen hindurch. Für h = 12 m, dies entspricht ca. 4 Geschossen, ergibt sich die in Bild 7.24 dargestellte Abhängigkeit für D R,2,k von dem Abstand w. Versuche durch Maßnahmen an der Wandoberkante die Wirksamkeit einer Schallschutzwand zu erhöhen erbrachten unterschiedliche Ergebnisse. Hierüber wird u. a. in [7.49] und [7.50] berichtet. Eine großflächige Umsetzung solcher Maßnahmen ist nicht bekannt. 274 7 Schallminderungsmaßnahmen <?page no="277"?> 0 2 4 6 8 10 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 D R,2,k , dB(A) w, m h=12m h=6m h=3m Bild 7.24: Einfluss von Reflexionen auf den Beurteilungspegel in Straßen mit geschlossenen Häuserzeilen, n. Gl. (7.12) Zur Wirkung von Schallschutzwänden seitlich von Eisenbahnstrecken sind in [7.35] die in Bild 7.25 enthaltenen Werte angegeben. Bild 7.25: Wirkung von Schallschutzwänden seitlich von Eisenbahnstrecken am Beispiel eines dreigeschossigen Wohnhauses in 50 m, 100 m und 200 m Entfernung vom Gleis für unterschiedlich hohe Schallschutzschirme h 1 bis h 3 ; [7.35] 7.8 Schallminderungsmaßnahmen im Bereich der Ausbreitung 275 <?page no="278"?> 7.8.3 Passiver Schallschutz in Gebäuden Der Schallschutz an Gebäuden, der sogenannte passive Schallschutz, ist im Zusammenhang mit dem Neubau oder der wesentlichen Änderung von Straßenbahnstrecken ein wichtiger Untersuchungsgegenstand, da Schallschutzwände oder -wälle längs einer Straßenbahnstrecke im Allgemeinen aus Gründen der Ortsgestaltung und Erschließung nicht in Frage kommen. Zum Schallschutzanspruch gehören auch Belüftungseinrichtungen für Räume, die zum Schla‐ fen genutzt oder mit sauerstoffverbrauchenden Feuerungen beheizt werden. Aus Schallschutz‐ gründen sind für die Belüftung nur sog. Flüsterlüfter geeignet. Sie weisen in 1 m Abstand einen Schalldruckpegel von nur 20-dB(A) auf. Je nach Schallschutzklasse und Frequenz sind durch Fenster Schallpegelminderungen bis zu ca. 60-dB(A) zu erreichen. 7.9 Schallminderungsmaßnahmen Streckenführung 7.9.1 Gleisbögen In engen Gleisbögen, insbesondere mit Radien unter 500 m bei Eisenbahnen und unter 200 m bei Straßenbahnen, können Quietsch- oder Kreischgeräusche mit Frequenzen bis über 10 kHz und mit Maximalpegeln L pAFmax bis zu 120 dB(A) im Nahfeld der Fahrzeuge (2 m Abstand von Gleismitte) auftreten. Diese Geräusche werden von Rädern und Schienen abgestrahlt, sie werden durch das Quergleiten der Räder auf der Schiene während des Bogenlaufs angeregt. Die Anregung wird bestimmt vom Oberflächenzustand der Schienenfahrfläche. Sie hängt außerdem ab vom Anfahrwinkel zwischen Rad und Schiene. Ein Besprühen der Fahrfläche mit Wasser oder anderen Flüssigkeiten zur Minderung des stick-slip-Effektes kann in Gleisabschnitten mit Radien unter ca. 500 m Kurvenquietschen unterdrücken. Die Geräusche durch das Spurkranzanlaufen werden ebenfalls verringert, hierfür wird aber vorwiegend die Spurkranzschmierung eingesetzt. In Bild 7.26 ist der Anfahrwinkel zwischen Rad und Schiene dargestellt. Dieser Winkel ist eine wesentliche Größe für das Auftreten von Kurvenquietschen. Schiene Rad Bild 7.26: Anfahrwinkel zwischen Rad und Schiene 276 7 Schallminderungsmaßnahmen <?page no="279"?> 7.9.2 Gleise auf Brücken/ Viadukten und in Einschnitten Beim Befahren von Brücken und Viadukten werden die von den Radlasten aufgebrachten mechanischen Wechselkräfte über die Schiene und ihre Unterlage auf die tragende Konstruktion übertragen und regen diese (einschließlich der übrigen Brückenkonstruktion) zu Biegeschwin‐ gungen an, Bild 7.27. Diese Schwingungen strahlen Luftschall ab, vor allem im Bereich tiefer Frequenzen (< 300-Hz). Bild 7.27: Ansatzpunkte zur Minderung der Schallabstrahlung von Brücken/ Viadukten Die folgende Übersicht zeigt ungefähre Erhöhungen der von einer Brücke abgestrahlten Schall‐ pegel gegenüber der freien Strecke: 1. Stahlbrücke ohne Schotterbett: 15-dB(A) 2. Stahlbrücke mit Schotterbett: 5-dB(A) 3. Stahlbrücke mit Schotterbett und Matte (USM): 2-dB(A) 4. Verbundbrücke, Massivbrücke: 1-dB(A). Durch geeignete schalltechnische Maßnahmen lassen sich die vorgenannten Pegelerhöhungen vermindern. Im Wesentlichen handelt es sich hierbei um Schallschutzschirme an beiden Seiten der Brücke. Eine zusätzliche Anordnung in der Mitte kann die Wirkung erhöhen, Bild 7.28. Maßnahmen zur Erschütterungsminderung (s. Kap. 13) können auch hier eingesetzt werden (aus Gewichtsgründen keine Masse-Feder-Systeme), eine tieffrequente Anregung der Brücken‐ struktur wird damit reduziert. Die Abstrahlung von Stahlbrücken kann durch Anbringen von Dämmmaterial oder Schallabsorbern gemindert werden, Bild 7.28. 7.9 Schallminderungsmaßnahmen Streckenführung 277 <?page no="280"?> Bild 7.28: Mögliche Schallminderungsmaßnahen an brücken / Viadukten, Abschirmung und / Oder Entdröhnung Es ist hier anzumerken, dass die Pegelerhöhungen, je nach den lokalen Randbedingungen, sehr unterschiedlich ausfallen können. In Einzelfällen sind vergleichende Messungen zur Ermittlung der Differenzpegel zwischen der freien Strecke und der Brücke durchzuführen. Nach Anlage 2 zur 16. BImSchV [7.31] sind bei aufgeständerten Strecken (Viadukte und Brücken) im Vergleich zu ebenerdigen Strecken die in Tabelle 7.4 enthaltenen Pegelerhöhungen anzusetzen. Hierbei handelt es sich um gemittelte Pegelwerte, in konkreten Situationen können sie in beide Richtungen mehr oder weniger stark abweichen. Grundlage für die festgelegten Korrekturwerte sind Schallmessungen an Strecken der DB AG. In Bild 7.29 sind beispielhaft die so gefundenen Differenzpegel ermittelt worden (links im Bild), [7.71]. Außerdem sind die Mittelwerte (arithmetisch und energetisch) sowie die Standardabweichung σ n − 1 dargestellt. Rechts im Bild sind die daraus abgeleiteten Pegelkorrekturen ohne Schallschutzmaßnahmen K Br und mit Schallschutzmaßnahmen K Br -K Lm enthalten. Das Beispiel in Bild 7.29 gilt für die Brückenkategorie „Direkt befahrene Stahlbrücke“: • A: Direkt befahrene Stahlbrücken, • B: Stahlbrücken mit Schotteroberbau, • C: Betonbrücke mit Schotteroberbau, • D: Brücke mit Fester Fahrbahn. 278 7 Schallminderungsmaßnahmen <?page no="281"?> 297 − C: Betonbrücke mit Schotteroberbau, − D: Brücke mit Fester Fahrbahn. Bild 7.29: Links: Differenz-Pegelwerte zur Ableitung von Brücken-Korrekturpegeln zur Schallimmissionsberechnung nach Anlage 2 zur 16. BImSchV (2014), rechts Die Angaben in Tabelle 7.4 und Bild 7.29 bedeuten: K Br Pegelkorrektur zur Berücksichtigung des rad- und schienenbedingten Rollgeräusches bei der Fahrt über Brücken ohne Schallschutzmaßnahmen. K Lm Pegelkorrektur zu K Br zur Berücksichtigung des rad- und schienenbedingten Rollgeräusches bei der Fahrt über Brücken / Viadukten mit Schallschutzmaßnahmen (z.B. Unterschottermatten). Weitere Hinweise sind [7.31] zu entnehmen. Tabelle 7.4: Brückenkorrekturwerte Spalte A B C Zeile Brücken- und Fahrbahnart K Br dB K Lm dB 1 Brücken mit stählernem Überbau, Gleise direkt aufgelagert 12 -6 2 Brücken mit stählernem Überbau und Schwellengleis im Schotter 6 -3 3 Brücken mit stählernem Überbau oder massiver Fahrbahnplatte, Gleise in Straßenfahrbahn eingebettet (Rillenschiene) 4 - 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 MW-a MW-e sn-1 Delta L pA , dB Brücken-Nr. / MW und Standardabweichung 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 A B C D K Br / K Br -K Lm , dB Brückenkathegorie KBr KBr-KLm Bild 7.29: Links: Differenz-Pegelwerte zur Ableitung von Brücken-Korrekturpegeln zur Schallimmissionsberechnung nach Anlage 2 zur 16. BImSchV (2014), rechts Die Angaben in Tabelle 7.4 und Bild 7.29 bedeuten: K Br Pegelkorrektur zur Berücksichtigung des rad- und schienenbedingten Rollgeräusches bei der Fahrt über Brücken ohne Schallschutzmaßnahmen. K Lm Pegelkorrektur zu K Br zur Berücksichtigung des rad- und schienenbedingten Rollgeräusches bei der Fahrt über Brücken / Viadukten mit Schallschutzmaßnahmen (z. B. Unterschottermatten). Weitere Hinweise sind [7.31] zu entnehmen. Spalte A B C Zeile Brücken- und Fahrbahnart K Br dB K Lm dB 1 Brücken mit stählernem Überbau, Gleise direkt aufgelagert 12 -6 2 Brücken mit stählernem Überbau und Schwellengleis im Schotter 6 -3 3 Brücken mit stählernem Überbau oder massiver Fahrbahnplatte, Gleise in Straßenfahrbahn eingebettet (Rillenschiene) 4 - 4 Brücken mit massiver Fahrbahnplatte oder mit besonderem stählernen Überbau, Gleise auf Schwellen im Schotterbett 3 -3 5 Brücken mit massiver Fahrbahnplatte, Gleise direkt aufgelagert (feste Fahrbahn) 4 - Tabelle 7.4: Brückenkorrekturwerte nach 16. BImschV (2014) Die höheren Schallpegel bei Stahlkonstruktionen ergeben sich insbesondere durch die gegenüber Betonkonstruktionen stärkere Schallabstrahlung der Brückenteile. Eine deutliche Minderung der Schallabstrahlung der Brückenkonstruktion kann durch Maß‐ nahmen erreicht werden, die zu einer weitgehenden Entkopplung der Fahrbahn von der Brücken‐ konstruktion führt. Hierzu können Unterschottermatten, elastische Schienen- und Schwellenla‐ 7.9 Schallminderungsmaßnahmen Streckenführung 279 <?page no="282"?> 2 Diese Richtlinie wurde in den Jahren 2002 bis 2006 überarbeitet und 2014 neu herausgegeben. ger eingesetzt werden. In der konstruktiven Gestaltung der Brücken und dem Anbringen von Dämpfungsmaterialien (Absorbern) bestehen ebenfalls Möglichkeiten, die Schallabstrahlung von Stahlbrücken deutlich zu senken. Strecken in Einschnitten führen - in Abhängigkeit von Höhe, Neigung und Beschaffenheit der seitlichen Böschungen bzw. Wände - zu Pegelminderungen gegenüber ebenerdigen Strecken von bis zu 10 dB(A), bei besonders tiefen Einschnitten (> 15 m) sind noch höhere Pegelminderungen möglich (bis zu 15-dB(A)). Die Wirkung auf benachbarte Gebäude hängt dabei von dem Abstand zur Beugekante ab. 7.10 Besonders überwachtes Gleis In dem Bemühen, den Schienenverkehrslärm zu verringern, ist es wichtig, den Schall bereits an seiner Quelle zu reduzieren, z. B. im Rad-Schiene-Kontakt (Schienenfahrfläche). Je glatter der Fahrflächenzustand der Schiene, desto geringer ist auch die Schallemission der vorbeifahrenden Schienenfahrzeuge. Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse basiert das Verfahren des „besonders überwachten Gleises“ (büG), welches das Eisenbahn-Bundesamt im März 1998 für den Bereich der DB AG genehmigt hat. Beim Einsatz dieses Verfahrens werden bestimmte Gleisabschnitte mit einem besonderen Schleifverfahren geschliffen. In regelmäßigen Abständen wird der akustische Zustand mit dem „Schallmesswagen“ überprüft und im Bedarfsfalle nachgeschliffen, siehe Abschnitt-6.9. Für das „besonders überwachte Gleis“ bei der DB AG können nach Tabelle 8 der Anlage 2 (Schall 03) 2 zur 16. BImSchV folgende Korrektur-Werte angesetzt werden: Oktave Hz 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 c2, dB 0 0 0 -4 -5 -5 -4 0 Der Schallmesswagen kann Angaben über den Fahrflächenzustand des gesamten Schienennetzes liefern und bildet die messtechnische Grundlage für die Anwendung und Überwachung des Verfahrens „besonders überwachtes Gleis“. In einer absorbierend ausgekleideten Kabine eines für diesen Zweck umgerüsteten IC-Wagens ist ein Mikrofon über einer kreisförmigen Öffnung im Wagenfußboden angeordnet, mit welchem das Rollgeräusch direkt über einem ungebremsten Drehgestell gemessen wird. Die Messsignale werden über verschiedene Filter und elektronische Schaltungen zu einem Rechner geleitet und dort für die weitere Verwendung bzw. Veranschauli‐ chung aufbereitet. Die Messwerte werden auf einem Display direkt angezeigt, s. Bild 7.30. Dabei stellt der dB-Wert die Abweichung von einem definierten guten Fahrflächenzustand dar. 280 7 Schallminderungsmaßnahmen <?page no="283"?> Bild 7.30: Schallpegelschrieb entlang einer Strecke vor und nach dem Schleifen der Schienenfahrflächen. Die Gleisabschnitte a) bis e) werden überwacht, die obere Linie zeigt den Zustand vor, die untere nach dem Schleifen. 7.11 Fahrzeuginnengeräusche - Schalldämmung Wagenkasten 7.11.1 Überblick Fahrzeuginnengeräusche müssen unter dem Aspekt der Kommunikationsmöglichkeit gesehen werden. Anzustreben sind Fahrgeräuschpegel, die bei Querbestuhlung eine Sprachverständigung gegenübersitzender Fahrgäste bei mäßigem Stimmaufwand ermöglichen, das Mithören von Gesprächen fremder Fahrgäste aber weitestgehend vermeiden. Anzustreben sind demnach Innen‐ schallpegel L pAm,T bei Nahverkehrsfahrzeugen zwischen 65-dB(A) und 70-dB(A), [7.29]. Die Fahrzeuginnengeräusche werden wesentlich bestimmt von den Außengeräuschen. Daher sind sie in starkem Maße von der Schalldämmung des Wagenkastens abhängig. Dies zeigt sich z. B. an der Spanne von bis zu 15 dB(A) für die Schallpegeldifferenz zwischen Außen- (7,5 m Abstand) und Innenschallpegeln. Entscheidend zu beeinflussen ist die akustische Innen‐ raumisolierung durch eine schalldämmende Fußbodenausführung. Bei Fahrzeugen mit Gelenken ist deren vollständige Verkleidung akustisch günstiger als nur eine teilweise Verkleidung. Als Schallminderungsmaßnahmen für den Fahrgastraum sind zu nennen: • Einsatz doppelwandiger Faltenbälge in den Wagenübergängen, • Verwendung von gepolsterten Sitzen (Vergrößerung der Absorption), • Verwendung von schallabsorbierenden Fußbodenbelägen, • Entkopplung des Fußbodens von dem Fahrzeugaufbau (Vermeidung einer Körperschallüber‐ tragung), • Minimierung von Durchbrüchen im Fußboden, • Anbringen einer gelochten Innendecke mit hinterlegtem Absorptionsmaterial, • Abgrenzungen der Sitzplätze zu den Türen und zwischen den Sitzreihen, • weitgehende Verkleidung der Fahrwerke (Räder), • Entdröhnung der Fußbodenbeblechung, der Seitenbeplankungen und der Dachhaut sowie • weitgehende Abdichtung und Verkleidung von Gelenken. 7.11.2 Einflüsse auf den Innenschallpegel Innengeräusche werden durch den Mittelungspegel L pAm,T beschrieben. Im Folgenden werden einige Parameter und deren Auswirkungen auf die Innengeräusche dargestellt. 7.11 Fahrzeuginnengeräusche - Schalldämmung Wagenkasten 281 <?page no="284"?> (7.13) (7.14) a) Geschwindigkeit Bei Fahrgeschwindigkeiten zwischen 30 km/ h und 80 km/ h ergibt sich eine geringere Abhängig‐ keit des Innengeräuschpegels L pAm,T von der Geschwindigkeit v als für die Außengeräuschpegel. L pAm1 − L pAm2 ≈ 15 bis 25 • lg v 1 v 2 ; dB(A) In [7.26] wurde außerdem folgende Abhängigkeit für L pAm,T ermittelt: L pAm,T ≈ 72 bis 86 + 14 bis 33 • lg 0, 01 • v ; dB(A) mit T = Mittelungszeit (je nach Möglichkeit sollte sie zwischen 10 Sekunden und 60 Sekunden betragen). Beispielhaft zeigt Tabelle 7.5 gemessene Schalldruckpegel in Straßenbahnfahrzeugen, Fahr‐ gastraum und Fahrerraum [7.60]. Dargestellt sind folgende Mittelungspegel und die Pegelspanne. Der Einfluss der Geschwindigkeit beträgt hier ca. 3 dB(A) bis 5 dB(A) bei einer Geschwindigkeits‐ erhöhung von 40 km/ h auf 60 km/ h. Bemerkenswert ist die große Bandbreite der gemessenen Schallpegel. Einheit Messort Geschwindigkeit Mittelungspegel Pegelspanne km/ h dB(A) dB(A) Fahrerraum 40 67 61-81 60 70 65-81 Fahrgastraum 40 70 64-80 60 75 68-84 Tabelle 7.5: Gemessene Schalldruckpegel (gemittelte Mittelungspegel) in Straßenbahnfahrzeuge für 40 km/ h und 60-km/ h (Hochflurfahrzeuge) - b) Tunnel Bei Fahrten im Tunnel treten - bei sonst gleichen Bedingungen - etwa 3 dB(A) bis 10 dB(A) höhere Schallpegel gegenüber oberirdischen Strecken auf. Besonders im Sommer bei Fahrten mit geöffneten Fenstern ist hier ein erheblicher Pegelanstieg vorhanden. Dies führt teilweise dazu, dass in solchen Situationen Haltestellenansagen nicht mehr verstanden werden. Bei klimatisierten Fahrzeugen ist in der Regel eine Öffnung der Fenster nicht möglich. - c) Oberbau Bei schotterlosen Oberbauformen (Feste Fahrbahn) können Pegelerhöhungen bis zu etwa 5 dB(A), teilweise sogar bis zu 7 dB(A), gegenüber dem Schotteroberbau auftreten, wenn nicht die fehlende Absorption des Schotters durch andere Maßnahmen ausgeglichen wird. Dieser Unterschied macht sich bei Fahrten auf Tunnelstrecken noch stärker durch Reflexionen an den Tunnelwänden bemerkbar. 282 7 Schallminderungsmaßnahmen <?page no="285"?> Auch hochelastische Schienenlagerungen können zu höheren Schallpegeln in der Größenord‐ nung bis 3-dB(A) - außen wie innen - führen. - d) Fahrzeugbesetzung In stark besetzten Fahrzeugen können sich aufgrund der höheren Absorption durch die Fahrgäste deutliche Pegelminderungen gegenüber unbesetzten Fahrzeugen ergeben. - e) Radfahrflächenrauheit Siehe Außengeräusche. Es sind Pegelanhebungen bis zu 10-dB(A) und mehr möglich. - f) Schienenfahrflächenrauheit Siehe Außengeräusche. Die Pegel können hierdurch bis zu 10 dB(A) und mehr angehoben werden. Durch regelmäßiges (akustisches) Schienenschleifen ist auch hier eine deutliche Pegelminderung möglich. - g) Radbauart Siehe Außengeräusche - h) Antrieb Durch den Antrieb (Motor, Motorsteuerung, Getriebe) verursachte Geräusche können zu deutli‐ chen Pegelerhöhungen führen. Über Triebdrehgestellen sind im Fahrzeug daher häufig höhere Pegel vorhanden (bis zu 8 dB(A)) als über Laufdrehgestellen. Für den Fahrgast besonders störend sind tonale Geräuschanteile (Pfeifen). In Terzspektren sollten solche Anteile nicht mehr als 5 dB bis 10 dB über den benachbarten Terzen liegen. Bild 7.31 zeigt beispielhaft Terzspektren während einer Fahrt mit 80 km/ h für die Messpunkte über einem Trieb- (TDG) und einem Laufdrehgestell (LDG), jeweils Z- und A-bewertet. In einzelnen Terzen ist der Schallpegel über dem Triebdrehge‐ stell bis ca. 16 dB höher als über dem Laufdrehgestell. Die tonalen Geräuschanteile ragen über dem Triebdrehgestell bei 100 Hz, 200 Hz und - abgeschwächt - bei 500 Hz deutlich im Spektrum hervor. Eine solche Schallsituation sollte nach Möglichkeit vermieden werden. Die A-bewerteten Pegel unterscheiden sich bei diesem Beispiel um ca. 9 dB(A), die Z-bewerteten Pegel um nur ca. 1-dB. - i) Lüfter, Klimaanlage Hierdurch werden Strömungsgeräusche verursacht, die die Rollgeräusche des Fahrzeugs über‐ steigen können (auch bei Geschwindigkeiten über 40-km/ h). - j) Umrichter Bei modernen Fahrzeugen sind statische Bordnetz-Umrichter (BNU) anstelle von rotierenden die Regel. Die Geräusche von Umrichtern (Umformer) sind vorwiegend nur bei Fahrzeugen im Stand, 7.11 Fahrzeuginnengeräusche - Schalldämmung Wagenkasten 283 <?page no="286"?> bei Traktionsumrichtern auch bei Anfahrt, zu hören, sie werden bei Geschwindigkeiten über ca. 30-km/ h von den Rollgeräuschen überdeckt. Kap07_B7.31_Hamburg-4cTerzinA_B12.11.2021 30 40 50 60 70 80 90 25 31,5 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 6300 8000 10000 AZ L peq,T, dB / L pAeq,T , dB(A) Terzmittenfrequenz f Tn , Hz TDG-Z LDG-Z TDG-A LDG-A Bild 7.31: Terzspektren von Schalldruckpegeln L peq , T und L pAeq,T gemessen in einem Nahverkehrsschienenfahrzeug über einem Trieb- (TDG) und einem Laufdrehgestell (LDG) bei 80-km/ h, T ca. 13-s. A: A-Bewertung, Z: unbewertet (Zero) - k) Faltenbälge Bei Gelenkfahrzeugen stellen Faltenbalgbereiche eine akustische Schwachstelle dar. Es treten hier Pegelanhebungen bis zu 6 dB(A) im näheren Bereich der Gelenke auf. Durch doppelwandige Ausführungen sind hier Pegelminderungen um 5-dB(A) möglich. - l) Türen und Fenster Durch dicht schließende Türen sind deutliche Pegelminderungen möglich. Doppelverglaste Fenster führen ebenfalls zu einer Schallpegelminderung im Fahrzeug. 7.12 Einrichtungen in Tunnel-Haltestellen Für den Schallschutz in unterirdischen Haltestellen ist die Anwendung absorbierender Beläge in folgenden Bereichen, Bild 7.32 und Bild 7.33, möglich (solche Maßnahmen sind insbesondere bei schotterlosen Oberbauformen zu empfehlen): • unterhalb der Bahnsteigkanten (A), • bei Seitenbahnsteigen beidseitig absorbierender „Schallschirm“ zwischen den Gleisen (B) (bei Mittelbahnsteigen absorbierender Belag an den Wänden bis Bahnsteighöhe), • bei einer Festen Fahrbahn zwischen und neben den Gleisen (C), • Verkleidung der Decke (D). 284 7 Schallminderungsmaßnahmen <?page no="287"?> Bild 7.32: Möglicher Einsatz von Schallabsorptionsmaßnahmen in Tunnelhaltestellen (A bis D) Bild 7.33: Beispiel für Schallschutzmaßnahmen in einem unterirdischen Bahnhof (hier Hbf Berlin) A: Seitenwand, B: Seitlich im Gleisbereich, C: Gleistragplatte, D: Decke. Schallabsorbierende Maßnahmen im Gleisbereich ermöglichen theoretisch hohe Pegelminde‐ rungen, weil die Erstreflexion verhindert wird. Hinsichtlich der Raumakustik wird damit bei schotterlosem Oberbau ein Schotterbett nachgebildet. Ein hierfür geeignetes Material muss folgende Eigenschaften aufweisen: • begehbar (straßenbündig auch befahrbar mit Pkw und Lkw), • nicht brennbar, 7.12 Einrichtungen in Tunnel-Haltestellen 285 <?page no="288"?> • unempfindlich gegen geringe Benetzung mit Wasser und Öl (oberirdisch gegen starke Benetzung mit Regenwasser sowie gegen Frost), • leicht zu reinigen, • Absorptionskoeffizienten um 0,6 bei Frequenzen > 500-Hz. Bisher wurden im Gleisbereich (teilweise nur im Oberflächenverkehr) folgende Absorptionsma‐ terialien eingesetzt: • Holzwolle-Leichtbauplatten, • Platten bzw. Steine aus porösem Leichtbeton oder Blähton, • Aufschotterung bis max. Schienenkopf-Unterkante, • Matten aus mehrfach geschichteten, gelochten Folien. Eine etwa gleiche Wirkung wie von einem guten Absorptionsbelag im Gleisbereich ist durch einen - zusätzlich zu den Absorbern (z. B. Matten aus Mineralwolle) unterhalb der Bahnsteigkanten - beidseitig absorbierenden Schallschirm zwischen den Gleisen gegeben (nur bei Seitenbahnstei‐ gen). Die gesamten für den Haltestellenbereich empfohlenen Absorptionsmaßnahmen sind in Tabelle 7.6 zusammengestellt, die damit zu erzielenden Schallpegelminderungen zeigt Tabelle 7.7. Maßnahme Schotteroberbau Feste Fahrbahn 1 2 3 Haltestelle mit Seitenbahnsteig Decke: mindestens 20-mm Matten aus Mineralwolle hinter schalldurchlässiger Abdeckung • Gleis: Absorbierender Belag zwischen und neben den Schienen (bis Unterkante Schienenkopf) • Decke: mindestens 20-mm Mineralwollematten hinter schalldurchlässiger Abdeckung • Bahnsteigkante: 30-mm bis 40-mm Mineralwollematten hinter schalldurchlässiger Abdeckung • Schallschirm (Höhe bis 1,80-m über SO) zwischen den Gleisen: Beidseitig 30 mm bis 40 mm Mineralwollematten hinter schalldurchlässiger Abdeckung Haltestelle mit Mittelbahnsteig Decke: s.o. • Gleis: s.o. • Decke: s.o. • Bahnsteigkante: s.o. • Wände: 30-mm bis 40-mm Mineralwollematten hinter schalldurchlässiger Abdeckung bis 1,8-m über SO Streckentunnel - • Wände: 15-mm bis 20-mm aluminium-kaschierte Mineralwolleplatten (Alu-Folie gelocht) bis 2,50-m über SO, Länge ca. 60-m vor und hinter der Haltestelle Tabelle 7.6: Zusammenstellung der empfohlenen Schallschutzmaßnahmen für Haltestellen im Tunnelbereich 286 7 Schallminderungsmaßnahmen <?page no="289"?> Maßnahme Schallpegelminderung ΔL pAm in dB(A) bei - - Schotteroberbau Fester Fahrbahn 1 Decke vollflächig absorbierend 3 5 2 Wände vollflächig absorbierend 1 3 3 Gleisbereich absorbierend - 8 4 Beidseitig absorbierende Abschirmwand und Absorption unterhalb der Bahnsteigkante - 2 - 8 5 Decke und Wände absorbierend 4 6 6 Decke und Gleisbereich absorbierend - 11 7 Decke, Wände und Gleisbereich absorbierend - 12 8 Decke absorbierend, beidseitig absorbierende Abschirmwand und Absorption unterhalb der Bahnsteigkante - 4 - 11 9 Decke und Wände absorbierend, beidseitig absorbierende Abschirmwand und Absorption unterhalb der Bahnsteigkante - 5 - 12 Tabelle 7.7: Zusammenstellung möglicher Schallschutzmaßnahmen auf Haltestellen und die zu erwartenden Minderungen der Mittelungspegel (näherungsweise) 7.13 Kurvengeräusche 7.13.1 Übersicht Zur Minderung/ Vermeidung von Kurvengeräuschen bestehen mehrere Möglichkeiten [7.33]: 1. Durch eine Minimierung des Anlaufwinkels α (dieser Winkel wird auch mit γ bezeichnet) wird das Quergleiten weitgehend unterbunden. Erzielt wird dies z. B. durch große Gleisbogen‐ radien und radial einstellbare Radsätze. Der Einfluss von Losrädern oder einem Differential ist bisher nicht eindeutig geklärt. Grundsätzlich können auch bei solchen Lösungen Querver‐ schiebungen zwischen Rad und Schiene auftreten und somit Quietschgeräusche verursachen. 2. Ein Angleichen der Haft- und Gleitreibungsbeiwerte verhindert, dass das Quergleiten ruckweise verläuft (Laufflächenbeeinflussung von Rad und Schiene). Ein Besprühen der Fahrflächen mit Wasser oder anderen Flüssigkeiten zur Minderung des stick-slip-Effektes wird angewendet. Hiermit kann das Auftreten von Quietschen völlig unterdrückt werden (bei Regenwetter tritt in der Regel kein Quietschen auf). 3. Das Schwingungsverhalten der Räder und Schienen kann dahingehend beeinflusst werden, dass ein Auftreten von Resonanzen unterdrückt bzw. verringert wird (Anbringen von Absorbern und / oder Dämpfungselementen an den Rädern), 4. Beschichtung der Schienen (Fuß und Steg) mit Dämpfungs- und Absorberelementen, 5. Abschirmung der Schienen (hat nur einen geringen Effekt), 7.13 Kurvengeräusche 287 <?page no="290"?> 6. Verwendung von Stählen mit einer geringen Reiboxidation, z. B. Verwendung von bleihalti‐ gen Schienen. Es tritt jedoch ein größerer Verschleiß und damit verbunden eine erhöhte Luftverschmutzung auf. Diese Lösung wird daher nicht mehr angewendet. 7. Gleichwertig, aber verschleißfest ist das Aufschweißen von molybdänhaltigen Stählen (An‐ tiquietschschweißung). In der Praxis wird diese Lösung nur selten angewendet. 8. Der Einbau gummigefederter Räder kann zu einer Verringerung des Quietschens beitragen, die Wirkung dieser Maßnahme ist jedoch nicht in allen Fällen gleich. Eine völlige Vermeidung von Kurvenquietschgeräuschen ist hierdurch nicht möglich. Die beiden zuerst genannten Möglichkeiten beeinflussen unmittelbar den Anregungsprozess. Gelingt es, die genannten Ziele zu realisieren, dann wird hiermit die Anregung von Kurvenquiet‐ schen unterbunden. Mit den weiteren Möglichkeiten wird bei nahezu unveränderter Anregung deren Auswirkung beeinflusst. Im Folgenden werden die Maßnahmen zur Minderung des Kur‐ venquietschens ausführlich dargestellt und diskutiert. Bild 7.34 zeigt hierzu zusammenfassend die Möglichkeiten auf, die das Auftreten von Kurvenquietschen unterdrücken oder mindern. 288 7 Schallminderungsmaßnahmen <?page no="291"?> Bild 7.34: Grundsätzliche Möglichkeiten, Quietschgeräusche in engen Gleisbögen zu unterdrücken oder zu ver‐ meiden (Nah- und Fernverkehr): 1: Radialeinstellung Radsatz, 2: Absorber, Radscheibenbedämpfung, 3: Reibwertbeeinflussung zwischen Rad und Schiene (stationär oder vom Fahrzeug aus), 4: Profilierung Schienenkopf 5: Absorber / Abschirmung Schiene 7.13 Kurvengeräusche 289 <?page no="292"?> 7.13.2 Radsatzzwangssteuerung Untersuchungen auf einem Rollenprüfstand haben gezeigt, dass Quietschen bereits bei Schräg‐ laufwinkeln zwischen α = 0,2° und 0,4° auftritt. Die Größe des kritischen Winkels ist dabei abhängig von der Werkstoffpaarung. Der Schräglaufwinkel lässt sich am wirkungsvollsten durch eine Radsatzzwangssteuerung beeinflussen. Bei geeigneter Auslegung der erforderlichen Steuerungseinheit ist ein gegen Null gehender Winkel zu erreichen. Hierzu wird in Abhängigkeit vom Ausdrehwinkel des Drehgestells gegenüber dem Wagenkasten der vorlaufende Radsatz über ein Hebelsystem (oder einem anderen Mechanismus) radial eingestellt [7.2], [7.10]. Bei Einrichtungsfahrzeugen reicht eine solche Steuerung aus, da sich der nachlaufende Radsatz bei längsweicher Führung aufgrund vorhandener Reibungskräfte bereits weitgehend radial einstellt. Drehgestelle mit einer solchen Steuerung eignen sich auch zur Verschleißminderung von Rad und Schiene. Der Einfluss der gesteuerten Radialeinstellung des vorlaufenden Radsatzes wurde anhand von Vergleichsmessungen an einem Stadtbahnwagen mit radialeinstellbaren Radsätzen auf einer Teststrecke ermittelt [7.4]. Hierbei wurden Messreihen mit starr geführten (Radialeinstellung blockiert) und gelenkten Radsätzen vorgenommen. Der Luftschall wurde dabei neben den vor‐ laufenden Rädern des ersten und letzten Drehgestells (mitgeführte Messpunkte) und stationär in 7,5 m Abstand von Gleismitte (1,2 m über Schienenoberkante) nahe dem Bogenauslauf gemessen. Die Mikrophone waren alle auf der Bogeninnenseite angeordnet. Die Gleisbögen wurden mit ca. 15-km/ h und 25-km/ h durchfahren. Mit diesen Messungen wurden im Wesentlichen folgende Ergebnisse erzielt: • Der subjektive Höreindruck während der Messungen zeigte, dass bei wirksamer Radsatz‐ steuerung, abgesehen von kurzen Ansätzen beim Bogeneinlauf und Bogenauslauf, kein Kurvenquietschen auftrat. • Die Auswertung nach der Pegel-Summenhäufigkeit ergab eine Minderung der Maximalpegel um ca. 18-dB(A) für die mitgeführten Messmikrofone vor den Rädern. • Eine spektrale Auswertung zeigt, dass gegenüber der starren Radsatzführung keine ausge‐ prägten Resonanzerscheinungen mehr auftreten. z. B. wurde die bei starrer Radsatzführung dominierende Spitze bei 1.500-Hz um mehr als 30-dB vermindert (fahrzeugseitige Messung). • Am stationären Messpunkt waren die Pegeldifferenzen nicht ganz so ausgeprägt wie an den mitgeführten Messmikrofonen. Im Mittel wurden hier aber auch noch Differenzpegel zwischen 6-dB(A) und 13-dB(A) festgestellt. Das erzielte Ergebnis der beiden Messreihen zeigt Bild 7.35 als Summenhäufigkeit für das mitgeführte Mikrofon. Die in diesem Bild dargestellten Summenhäufigkeiten gelten für den Maximalpegel, sie sind durchaus typisch für Schallpegel mit und ohne Quietschen. Die gestrichelte Linie beschreibt das Ergebnis der starr geführten Radsätze (mit blockierter Radialeinstellung). Für diesen Zustand wurde ein L pAm -Wert (= L pAeq,T ) von 100,8 dB(A) gemessen. Die durchgezogene Linie zeigt das Ergebnis mit gelenkten Radsätzen, hierbei wurde ein L pAm -Wert von 93,9 dB(A) gemessen. Der Mittelungspegel konnte demnach durch die Radialeinstellung um ca. 7 dB(A) gemindert werden. 290 7 Schallminderungsmaßnahmen <?page no="293"?> 0,5 5,0 50,0 80 85 90 95 100 105 110 115 120 Summenhäufigkeit in % Schalldruckpegel L pAFmax , dB(A) gesteuert: Kein Quietschen, LpAeq,T = 93,9 dB(A) nicht gesteuert: Mit Quietschen, LpAeq,T = 100,8 dB(A) 100 0,5 Bild 7.35: Einfluss einer Radsatzsteuerung auf die Schallpegel L pAFmax im Gleisbogen, Messpunkte im Drehgestell. Aufgrund der guten Ergebnisse mit der Radsatz-Zwangssteuerung wurden neue Drehgestelle konstruiert und gebaut. Ein größerer praktischer Einsatz solcher Drehgestell-Konstruktionen ist nur aus Wien bekannt, hier werden sie erfolgreich bei der U-Bahn auf einer Strecke mit engen Gleisbögen - vorwiegend zur Verschleißminderung - eingesetzt. Über weitere Untersuchungen mit zwei schwenkbaren Radpaaren ausgerüsteten Test-Drehge‐ stelle wird in [7.2] berichtet. Im Wesentlichen wurden hierbei folgende markante Ergebnisse erzielt: • beim Geradeauslauf traten keine Schlingererscheinungen auf, • Bogenein- und -auslauf erfolgten bemerkenswert ruckarm und frei von störenden Rück‐ schwingeffekten, • Weichen und Kreuzungen wurden stoß- und verschleißschonend befahren, • Nach Veränderung des Radprofils (Beseitigung des Übergangsbogens zwischen Radlauffläche und Spurkranzstirnfläche) konnte der stick-slip-Effekt, und damit auch das Kurvenquiet‐ schen, unterdrückt werden. Bisher wurde diese Entwicklung jedoch nicht weiterverfolgt. 7.13.3 Maßnahmen in einem Gleisbogen In [7.40] wurden in einem Gleisbogen (Wendeschleife einer Stadtbahn) die in Tabelle 7.8 beschriebenen Maßnahmen über einen längeren Zeitraum untersucht. Ein Ergebnis zeigt Bild 7.36. Die untersuchten Lösungsansätze zeigen sehr unterschiedliche Ergebnisse. 7.13 Kurvengeräusche 291 <?page no="294"?> Maßnahme linke Schiene in Fahr‐ richtung Maßnahme rechte Schiene in Fahrrichtung Anzahl ausge‐ werteter Fahr‐ ten pro Messqu‐ erschnitt MQ Erläuterungen Wasser Wasser 170 Wasser Rillenbewässerung -aus: keine Maßnahme 266 aus Wasser 270 Wasser aus 123 aus F+R-Schmierung 163 Flanke- + Rückenschmierung F+R Schmierung aus 339 - aus K-Schmierung 330 - K Schmierung aus 169 - aus F+R+K-Schmierung 273 Flanke- + Rücken- + Kopfschmierung F+R+K Schmierung aus 388 aus Stegabsorber 839 - Hy-Power Hy-Power 1147 Produkt eines Herstellers Ohne Maßnahmen Ohne Maßnahmen 168 - In der Darstellung von Ergebnissen im folgenden Bild entspricht „Öl“ der „KVB-Lösung“ (KVB: Kölner Verkehrsbetriebe) Tabelle 7.8: Lösungsansätze zur Minderung / Vermeidung von Kurvenquietschen, Untersuchungen in den Jahren 2008 / 2009 [7.40] F: Schienenkopfflanke R: Rillenflanke K: Schienenkopf, Fahrfläche 292 7 Schallminderungsmaßnahmen <?page no="295"?> 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 70 74 78 82 86 90 94 98 102 106 110 rel. Summenhäufigkeit, % L pAFmax , dB(A) MQ1 Wasser an_an Wasser aus_an Wasser an_aus Öl aus_F+R Öl F+R_aus Öl aus_Kopf Öl Kopf_aus Öl aus_F+R+K Öl F+R+K_aus Stegabsorber aus_Steg Nullmessung Hy power Bild 7.36: Rel. Summenhäufigkeit über L pAFmax [7.40] 7.13.4 Reibwertbeeinflussung zwischen Rad und Schiene Es wurde bereits ausgeführt, dass das Kurvenquietschen auf das Quergleiten der bogeninnen laufenden Räder zurückgeführt werden kann (die Außenräder der vorlaufenden Radpaare werden über den Spurkranz geführt; beim Spießgang sind umgekehrte Verhältnisse vorhanden). Das Ruckgleiten wiederum wird hervorgerufen durch unterschiedliche Gleitreib- und Haftreibbei‐ werte. Durch eine Oberflächenbenetzung kann dieser Unterschied verringert werden. Bei Regenwetter (nasse Schienen) tritt kein Quietschen auf. Diese Möglichkeit zur Verringerung des Kurvenquietschens wird durch Einrichtung künstlicher Beregnungsanlagen genutzt (z. B. Wassersprühanlagen). Ein Besprühen mit Wasser ist jedoch während der Frostperiode nur mit erheblichem Mehraufwand zu realisieren (z. B. mit Heizungsanlagen). Diese Maßnahme führt durch permanente Feuchtigkeitsbeaufschlagung auch zur Korrosion am Oberbau. Versuche mit Phosphatlösungen, die auf die Schiene gestrichen wurden, haben nur eine geringe Dauerhaftig‐ keit, die Witterungsbeständigkeit der aufgebrachten Schicht war unbefriedigend [7.3]. Die prinzipielle Wirkung solcher Schichten zeigt Bild 7.37. Dargestellt sind hier Reibkraftver‐ läufe über der Zeit, gemessen auf einem Tribometer im Labor [7.3]. Links ist der Reibverlauf ohne jede Oberflächenbeschichtung dargestellt. Es bildet sich die oben bereits beschriebene stick-slip-Bewegung aus. Die Reibkraft steigt steil an (Vorspannung zwischen Rad und Schiene) und geht dann ruckartig auf null zurück. Dieser Vorgang wiederholt sich periodisch und führt - insbesondere in Resonanzfällen - zur Anregung von Quietschgeräuschen. Wird die Oberfläche beschichtet („geschmiert“ bzw. „konditioniert“), dann stellen sich abweichende Kraftverläufe ein: 7.13 Kurvengeräusche 293 <?page no="296"?> Im ersten Fall (Lösung 1) ergibt sich bereits eine völlig andere Zeitabhängigkeit der Reibkraft. Auch hier steigt die Reibkraft bis zu einem bestimmten Wert an, um dann überzugehen in eine mehr oder weniger gleitende Bewegung (es ist noch eine leichte stick-slip-Bewegung vorhanden). In diesem Fall wurde eine phosphathaltige Schicht aufgetragen (s.o.), die jedoch nicht reproduzierbar war. Weitere Versuche mit anderen Beschichtungen ergaben u. a. den rechts im Bild dargestellten Verlauf. Der Reibbeiwert bleibt nahezu konstant, eine stick-slip-Bewegung ist nicht mehr vorhanden. In diesem Fall liegt Δμ bei ca. 0,003. Ein solcher Reibkraftverlauf zwischen Rad und Schiene ist demnach zur Minderung oder Vermeidung des Kurvenquietschens gut geeignet. Bild 7.37: Mit einem Tribometer gemessene Reibverläufe im Labor (Hübner-Tribometer) [7.3] Seit einiger Zeit werden auf Metallbasis aufbauende Konditionierer („Schmiermittel“) eingesetzt (z. B. Raillub, Headlub oder TRAM-SILENCE). Diese Mittel können manuell oder automatisch mit entsprechend ausgerüsteten Fahrzeugen auf die Schienenfahrfläche (Innenbogenschiene) aufgebracht werden. Die Standzeit solcher Mittel ist begrenzt, daher ist - insbesondere bei trockenem Wetter - ein häufiges Auftragen erforderlich (alle ein bis zwei Tage). Bevor solche Mittel eingesetzt werden dürfen, sind hiermit entsprechende Bremsmessfahrten durchzuführen. Stationäre Einrichtungen zur Reibwertbeeinflussung an den Schienen, Bild 7.38, und mobile Einrichtungen an den Fahrzeugen sind ebenfalls mit Erfolg im Einsatz. 294 7 Schallminderungsmaßnahmen <?page no="297"?> 313 auf die Schienenfahrfläche (Innenbogenschiene) aufgebracht werden. Die Standzeit solcher Mittel ist begrenzt, daher ist insbesondere bei trockenem Wetter ein häufiges Auftragen erforderlich (alle ein bis zwei Tage). Bevor solche Mittel eingesetzt werden dürfen, sind hiermit entsprechende Bremsmessfahrten durchzuführen. Stationäre Einrichtungen zur Reibwertbeeinflussung an den Schienen, Bild 7.38, und mobile Einrichtungen an den Fahrzeugen sind ebenfalls mit Erfolg im Einsatz. Bild 7.38: Links: Beispiel einer Schienenkonditionierung im Schottergleis und bei einem straßenbündigen Gleis, rechts: Beispiel einer Schienenberegnung (mit grünem Gleis und niedrigen Schallschutzschirmen) Zur Bekämpfung des Kurvenquietschens mittels Beeinflussung der Reibungsverhältnisse zwischen Rad und Schiene gehören auch verschiedene Arten des Schienenaufschweißens (Antiquietschschweißung). Die Erfahrungen hiermit Bild 7.38: Links: Beispiel einer Schienenkonditionierung im Schottergleis und bei einem straßenbündigen Gleis, rechts: Beispiel einer Schienenberegnung (mit grünem Gleis und niedrigen Schallschutzschirmen) Zur Bekämpfung des Kurvenquietschens mittels Beeinflussung der Reibungsverhältnisse zwi‐ schen Rad und Schiene gehören auch verschiedene Arten des Schienenaufschweißens (Anti‐ quietschschweißung). Die Erfahrungen hiermit sind jedoch recht uneinheitlich. Ein Problem stellt hier auch der Verschleiß dar (Ausbröckelungen der Aufschweißung). 7.13.5 Rad-/ Schiene-Materialpaarung Eine Reibwertbeeinflussung ist auch durch die Wahl der am Abrollprozess beteiligten Werkstoffe möglich. Durch intensive Laborversuche wurde der Einfluss verschiedener Werkstoffpaarungen bei sonst konstanten Bedingungen in Abhängigkeit vom Anfahrwinkel untersucht [7.5]. Der Stahl für die Schienen, die Schienen wurden auf dem Prüfstand durch Schienenrollen ersetzt, blieb für alle Versuche konstant (Schienenstahl der UIC 60). Für die Räder wurden Stahl‐ sorten gewählt, die eine geringere Differenz zwischen den Haft- und Gleitreibwerten erwarten ließen. Ein entsprechendes Reibwertverhalten kann zum einen durch Legierungsbestandteile mit einem Schmiereffekt (z. B. Kupfer, Blei) und zum anderen durch Stähle mit geringer Neigung zur Reiboxidation (Fe 2 O 3 ) erreicht werden. Mit den durchgeführten Laborversuchen konnte gezeigt werden, dass Stähle mit geringer Neigung zur Reiboxidation den kritischen Anfahrwinkel α (Einsetzen von Quietschgeräuschen) gegenüber anderen Stahlsorten von ca. 0,25° auf ca. 0,4° heraufsetzen. In den engsten Kurven von Straßenbahnstrecken treten Anfahrwinkel bis zu 3° auf. Für solche Fälle kann hiermit das Kurvenquietschen nicht mehr unterdrückt werden. Die beschriebene Erhöhung des kritischen Anfahrwinkels kann jedoch auf Streckennetzen mit vorwiegend großen Gleisbogenradien und als flankierende Maßnahme, z. B. bei der Radsatzsteuerung, auf Straßenbahnstecken zur Vermin‐ derung des Kurvenquietschens beitragen. Diese Aussagen gelten allerdings nur dann, wenn die im Labor erzielten Ergebnisse sich auch auf die Praxis übertragen lassen. Versuche in den 1980er Jahren mit anderem Schienenstahl (Blei- oder Kupferlegierung) erbrachten zwar gewisse Erfolge, durch die „schmierenden“ Legierungsbestandteile wurde der Stahl jedoch so verändert, dass ein hoher Verschleiß die Folge war. 7.13 Kurvengeräusche 295 <?page no="298"?> 7.13.6 Absorber und Dämpfung Bei Bogenfahrt können Fahrzeugräder zu ausgeprägten Resonanzschwingungen angeregt wer‐ den. Eine Minderung der Schwingungsamplituden in den Resonanzbereichen führt zu einer wesentlichen Reduzierung des Radkörperschalls und somit auch zu geringeren Luftschallemissi‐ onen. Folgende Möglichkeiten am Rad zur Minderung der Quietschgeräusche wurden in [7.6] und [7.7] an U-Bahn-Fahrzeugen auf Radien mit 60-m bis 90-m untersucht. • Beschichtungen der Radscheiben (verschiedene Bauarten und Hersteller), • Absorber (ebenfalls verschiedene Bauarten und Hersteller), • Gummifederung im Rad. Die Wirkung eines Resonanz-Absorbers beruht im Wesentlichen auf dem Tilgerprinzip (Bild 7.39): Durch gegenphasiges Schwingen (Resonanz) des i.a. auf die Grundschwingung des Rad‐ kranzes abgestimmten Absorbers (Zungen) wirken Gegenkräfte gegen die Radschwingungen. Das eingebaute Dämpfungsmaterial zwischen den Zungen dämpft die Schwingungen (große Amplituden im Resonanzbereich) und verbreitert gleichzeitig den wirksamen Frequenzbereich. Hierdurch sind Resonanzverschiebungen aufgrund von Verschleiß / Reprofilierung am Radkranz teilweise aufzufangen. - Gummifederung im Rad. Die Wirkung eines Resonanz-Absorbers beruht im Wesentlichen auf dem Tilgerprinzip (Bild 7.39): Durch gegenphasiges Schwingen (Resonanz) des i.a. auf die Grundschwingung des Radkranzes abgestimmten Absorbers (Zungen) wirken Gegenkräfte gegen die Radschwingungen. Das eingebaute Dämpfungsmaterial zwischen den Zungen dämpft die Schwingungen (große Amplituden im Resonanzbereich) und verbreitert gleichzeitig den wirksamen Frequenzbereich. Hierdurch sind Resonanzverschiebungen aufgrund von Verschleiß / Reprofilierung am Radkranz teilweise aufzufangen. Bild 7.39: Aufbau eine Resonanzabsorbers (Grundplatte, Dämpfungselemente und Zungen), [7.36], [7.37], [7.38] Zur Beurteilung der einzelnen Maßnahmen kann u.a. der Maximalpegel (Summenhäufigkeit 5 %) herangezogen werden, siehe z.B. Bild 7.36. Gemessene Minderungen sind in Tabelle 7.9 zusammengefasst. Die Wirkungsweise der beiden anderen o.g. Maßnahmen (Beschichtungen, gummigefederte Räder) beruht auf der Umwandlung der Schwingungsenergie in den Kunststoffschichten bzw. den Gummikörpern in Wärme (Dämpfung). Folgende wesentliche Ergebnisse wurden erzielt: - Kunststoffbeschichtete Räder führten bei Kurvenfahrten zu 3 dB(A) bis 10 dB(A) niedrigeren Pegeln (Ansätze von Kurvenquietschen traten noch auf). Bild 7.39: Aufbau eine Resonanzabsorbers (Grundplatte, Dämpfungselemente und Zungen), [7.36], [7.37], [7.38] Zur Beurteilung der einzelnen Maßnahmen kann u. a. der Maximalpegel (Summenhäufigkeit 5 %) herangezogen werden, siehe z. B. Bild 7.36. Gemessene Minderungen sind in Tabelle 7.9 zusammengefasst. Die Wirkungsweise der beiden anderen o. g. Maßnahmen (Beschichtungen, gummigefederte Räder) beruht auf der Umwandlung der Schwingungsenergie in den Kunststoffschichten bzw. den Gummikörpern in Wärme (Dämpfung). 296 7 Schallminderungsmaßnahmen <?page no="299"?> Engineered in Germany - Built for the World Rail and tracks Rail vehicles Railway bridges System dampers For the following areas www.sundv.de Schrey & Veit GmbH Graf-von-Sponheim-Str. 2 55576 Sprendlingen / GERMANY Tel.: +49 (0) 6701 205 84-0 Solutions for silence Schrey & Veit VICON AMSA Rail Damper - A Vision Turned Reality <?page no="301"?> Folgende wesentliche Ergebnisse wurden erzielt: • Kunststoffbeschichtete Räder führten bei Kurvenfahrten zu 3 dB(A) bis 10 dB(A) niedrigeren Pegeln (Ansätze von Kurvenquietschen traten noch auf). • Absorbergedämpfte Räder zeigten kein Quietschen mehr, die Pegelminderung für den Maximalpegel L pAFmax beträgt zwischen 20-dB(A) und 30-dB(A). • Gummigefederte Räder zeigten ein uneinheitliches Verhalten, eine deutliche Minderung des Kurvenquietschens konnte bisher nicht nachgewiesen werden. Absorbertyp Wirkung Bemerkungen 1 2 3 Krupp-Absorber 17-dB(A) - GHH-Absorber 12-dB(A) - Klöckner-Absorber 5-dB(A) gegenüber durch Beschichtung vorgedämpften Rädern Hohlraumausschäumung bei gummigefederten Rädern 5-dB(A) gegenüber absorbergedämpften Rädern Tabelle 7.9: Wirkung von Maßnahmen gegen Kurvenquietschen [7.4] Weitere Versuche mit einem Stadtbahnwagen auf Strecken mit 25 m-Radien ergaben die im Folgenden dargestellten Ergebnisse. Hierin einbezogen wurden von verschiedenen Herstellern angebotene Absorber mit unterschiedlicher Wirkungsweise. Trotz der teilweise erheblichen Pegelminderungen traten bei allen Rädern auch im gedämpften Zustand noch Ansätze von Kur‐ venquietschen auf. Bei den starren Rädern dominierte dabei die Grundschwingung um 1.400 Hz, während bei den gummigefederten Rädern der Bereich um 3 kHz hervortrat. Die Dämpfung durch die untersuchten Absorber reicht somit allein nicht aus, um das Kurvenquietschen in 25 m-Radien vollständig zu unterdrücken. Diese Aussage trifft auch für neu ausgelieferte Fahrzeuge zu. Bei einigen Verkehrsunternehmen fielen einige Absorber aufgrund zu hoher Beanspruchung nach einer gewissen Zeit während der Fahrt ab (vorwiegend durch im Gleis vorhandene Hindernisse, z. B. über SO hinausragende Steine). Andere Verkehrsunternehmen haben bei Ihren Fahrzeugen Probleme mit dem zur Verfügung stehenden Raum zur Befestigung an den Rädern. Die Industrie hat deshalb unterschiedlichste geometrische Formen von Absorbern entwickelt. In der VDV-Schrift 611 [7.34] wird daher gefordert, dass bei der Konstruktion von Fahrzeugen (Drehgestellen, Fahrwerken) ein ausreichender Bauraum für eine evtl. Nachrüstung vorzusehen ist. Ein nicht zu vernachlässigendes Problem stellt die im Laufe der Zeit abnehmende Spurkranz‐ stärke (durch Reprofilierung der Räder) und die Alterung der Dämpfungsschichten in den Absorbern dar. Beides führt zu einer Verschiebung von Eigenfrequenzen in dem System, eine optimale Abstimmung zwischen Rad und Absorber ist dann nicht mehr vollständig vorhanden. Einen zusammenfassenden Überblick zu Maßnahmen (Radschallabsorber) an den Rädern zeigt Tabelle 7.10. 7.13 Kurvengeräusche 297 <?page no="302"?> 317 Einen zusammenfassenden Überblick zu Maßnahmen (Radschallabsorber) an den Rädern zeigt Tabelle 7.10. Tabelle 7.10: Zusammenstellung von Radschallabsorberbauarten als Beispiel für die Entdröhnung dickwandiger Strukturen (Räder von Schienenfahrzeugen). A B C D E F G Absorbertyp - Kunststoff Sandwich Zungen Platte Reibring Scheiben Zusatzmasse in kg 0 20 8 20 bis 85 * ) 40 bis 100 * ) 8 10 Klotzbremse möglich? Ja Nein Nein Ja Ja Ja Ja Radbauart Monoblock / bereift - Beides Beides Monoblock Monoblock Monoblock Beides Wirkung ∆ L in dB Kurvenquietschen, Macroschlupfpfeifen 0 0 bis -15 -5 bis -25 -10 bis -5 -10 bis -30 -10 bis -30 -10 bis -30 Rollgeräusch ** ) 0 0 0 bis -3 0 bis -5 0 bis -7 0 bis -3 0 bis -5 * ) In Abhängigkeit von der Befestigung und der Anzahl der bestückten Räder, ** ) Das Minuszeichen bedeutet eine Minderung der Schallemissionen 7.13.7 Schienendämpfungselemente Außer vom Rad, und hier besonders vom Radkranz, wird auch von der Schiene Luftschall abgestrahlt (Bild 7.40). Dargestellt sind hierin MAX-HOLD-Spektren von Luft- und Körperschall. Beide Spektren zeigen deutliche Pegelanhebungen Tabelle 7.10: Zusammenstellung von Radschallabsorberbauarten als Beispiel für die Entdröhnung dickwandiger Strukturen (Räder von Schienenfahrzeugen) 7.13.7 Schienendämpfungselemente Außer vom Rad, und hier besonders vom Radkranz, wird auch von der Schiene Luftschall abgestrahlt (Bild 7.40). Dargestellt sind hierin Max-Hold-Spektren von Luft- und Körperschall. Beide Spektren zeigen deutliche Pegelanhebungen in denselben Frequenzen. In diesem Fall beträgt die Grundfrequenz ca. 1,6 kHz. Zur Dämpfung der Schienenschwingungen werden Dämpfungs‐ elemente eingesetzt, bei denen ein dämpfender Belag (Polyurethan oder Gummi) auf einer Länge von jeweils 60 cm über ein Gegenblech von einer entsprechend gestalteten Spannklemme gegen Schienensteg und -fuß gedrückt wird. Solche Elemente wurden an mehreren Stellen im praktischen Einsatz erprobt ([7.8] und [7.9]). Es werden auch Elemente ohne Federklammern angeboten. 298 7 Schallminderungsmaßnahmen <?page no="303"?> 120 1,6 Lp Lv dB 100 0 2 3,2 .. .......... Lp Lv 8, 1 4,8 6,4 9,7 4 6 8 10 Frequenz f, kHz Bild 7.40: Max-Hold-FFT-Spektren während einer Straßenbahnvorbeifahrt im Gleisbogen, Linienbandbreite Δf = 25-Hz. • Körperschall L v : Messpunkt am Schienenkopf horizontal quer zum Gleis = durchgezogene Linie, • Luftschall L p : Messpunkt in 2 m Abstand von Gleismitte (bogeninnen) und 0,6 m über SO = gepunktete Linie. Bei Messfahrten mit einem U-Bahn-Fahrzeug wurden auf gedämpften Schienen 9 dB(A) bis 12-dB(A) geringere Luftschallmaximalpegel als bei ungedämpften Schienen gemessen [7.8]. Eine weitere Pegelminderung um ca. 10 dB(A) wurde bei Messfahrten mit zusätzlich kunststoffbe‐ schichteten Radscheiben erzielt. Als lokal begrenzte Maßnahme kann mit bedämpften Schienen eine wesentliche Minderung der Kurvengeräuschemissionen erreicht werden. Eine vollständige Vermeidung von Quietschge‐ räuschen ist nach derzeitigem Erkenntnisstand nur in Kombination mit anderen Maßnahmen erreichbar. Weitere Untersuchungen zeigten, dass mit einer optimierten Ausführung auch Roll‐ geräusche bis zu 3-dB(A) zu mindern sind [7.9]. Analog zu Radschallabsorbern können auch entsprechende Elemente an den Schienen ange‐ bracht werden, Bild 7.39. Diese Elemente mindern sowohl die Rollgeräusche als auch die Kurvengeräusche. 7.13.8 Asymmetrische Schienenprofile Als weitere Maßnahme zur Vermeidung oder Minderung erfolgten Versuche mit geometrisch veränderten Schienenköpfen [7.12]. Die beiden Schienen-Fahrflächen werden so geformt, dass bei Bogenfahrt aufgrund der konischen Radlaufflächen das bogenaußen laufende Rad auf einem größeren Radius läuft als das bogeninnen laufende Rad. Hierdurch wird der Schlupf in tangentialer Richtung zwischen Rad und Schiene verringert (Bild 7.41). Diese Maßnahme wird derzeit nicht weiterverfolgt. 7.13 Kurvengeräusche 299 <?page no="304"?> 3 Dies veranlasste den Autor Mitte der 1990er-Jahre ein FuE-Vorhaben zu beantragen, in dem diese Lösung für die praktische Anwendung umgesetzt werden sollte. Leider wurde dieses Projekt damals nicht gefördert. Aktuell wird diese Lösung bei mehreren Verkehrsunternehmen (VU) mit unterschiedlicher Technik angewendet. Bild 7.41: Asymmetrisch geschliffene Schienenkopfprofile zur Reduzierung des Kurvenquietschens (Innen- und Außenräder laufen auf unterschiedlichen Durchmessern, D a > D i ) 7.13.9 Beobachtungen zum Auftreten von Quietschgeräuschen In Köln wurde Anfang der 1990er Jahre beobachtet, dass das Quietschen in einem engen Gleisbogen (Rillenschienen) nach dem Reinigen der Schienen nicht mehr auftrat. Die Reinigung erfolgte mechanisch mit einem rotierenden Besen unter Einsatz einer Wasserlauge. In 7,5 m Abstand von Gleismitte wurde der Maximalpegel L pAFmax im Mittel von ca. 103 dB(A) auf ca. 65 dB(A) gemindert (es traten nach dem „Bewässern“ und Reinigen keine Quietschgeräusche mehr auf) 3 . Derselbe Effekt konnte auch bei Schallmessungen in einer Wendeschleife beobachtet werden [7.40]. Ein ähnlicher Effekt war auch in einer zweigleisigen Wendeschleife zu beobachten, bei der zu Beginn der Wendeschleife eine Weichenschmieranlage vorhanden ist. Der hierdurch hervorgebrachte Schmierfilm wurde durch die Räder auf den gesamten Bogen übertragen, Quietschgeräusche traten nicht auf. Eine weitere Beobachtung zeigte, dass an einem warmen Tag ab mittags das Quietschen zurückging. Möglicherweise ist dies auf eine Erwärmung der Gummifedern im Drehgestell und bei der elastischen Schienenlagerung zurückzuführen. Hierdurch wird das Schwingungssystem weicher, eine radiale Einstellung der Räder ist u. a. so eher möglich. Eine andere mögliche Ursache könnte auch eine veränderte Luftfeuchte gewesen sein. Des Weiteren wird oft beobachtet, dass bei verriffelten Schienen kein oder nur ein vermindertes Quietschen auftritt. Erklärt wird dies, dass durch die angeregten Schwingungen von Rad und Schiene der Kontakt zwischen diesen beiden Komponenten kurzzeitig unterbrochen wird und dadurch die Reibungsverhältnisse verändert werden. Durch die verriffelten Schienen wird jedoch das Rollgeräusch angehoben, so dass dies keine sinnvolle Lösung des Problems darstellt. Grundsätzlich tritt Quietschen sowohl bei rillenlosen Schienen (Vignolschienen) als auch bei Rillenschienen auf. Bei Rillenschienen mit flachen Rillen bekommt der Spurkranzkopf Kontakt mit dem Rillenfuß, der Kontakt zwischen den beiden Laufflächen von Rad und Schiene wird dadurch unterbrochen und hierdurch eine Anregung in diesem Bereich unterdrückt. Dieses Phänomen konnte in einem Gleisbogen in Köln (KVB) beobachtet werden. Unter bestimmten Umständen kann ein Rad auch in Kontakt mit dem Rillenkopf kommen, hierdurch können zischende Geräusche wie beim Spurkranzanlaufen auftreten. 300 7 Schallminderungsmaßnahmen <?page no="305"?> (7.15) 7.13.10 Schallschutzmaßnahmen für Anwohner Werden die Immissionsgrenzwerte nach 16. BlmSchV (Neubau, wesentliche Änderung) über‐ schritten, dann besteht ein Anspruch auf die Durchführung von Schallschutzmaßnahmen. Hierbei ist zu unterscheiden zwischen aktiven und passiven Schallschutzmaßnahmen. Zu den aktiven Schallschutzmaßnahmen zählen - aus Sicht der Anwohner - Schallschutzwälle und -wände sowie Kombinationen dieser Anlagen. Diese baulichen Maßnahmen werden zwischen der Schallquelle und dem Immissionsort errichtet. Die beste Wirkung wird erreicht, wenn die Schallschutzmaßnahme so nah wie möglich am Emissionsort angeordnet wird. Maßnahmen vor den Gebäuden sollten nur in Ausnahmefällen in Erwägung gezogen werden, da sie normalerweise schlechter abschirmen und höher gebaut werden müssen. Als passive Schallschutzmaßnahmen gelten in erster Linie Schallschutzfenster, der Einbau schallgedämmter Lüftungseinrichtungen sowie Maßnahmen an Wänden und Dächern. Als Grundlage für die Bemessung des passiven Schallschutzes ist die Verkehrswege-Schall‐ schutzmaßnahmenverordnung (24. BImSchV vom 4. Februar 1997) heranzuziehen [7.41]. Die Verordnung legt im § 1 (Anwendungsbereich) Art und Umfang der zum Schutz vor schädli‐ chen Umwelteinwirkungen durch Verkehrsgeräusche notwendigen Schallschutzmaßnahmen für schutzbedürftige Räume in baulichen Anlagen fest, soweit durch den Neubau oder die wesentliche Änderung öffentlicher Straßen sowie von Schienenwegen der Eisenbahn und Straßenbahnen die in § 2 der Verkehrslärmschutzverordnung festgelegten Immissionsgrenzwerte überschritten werden. In der 24. BImSchV werden keine Grenzwerte für den Innenwohnbereich festgelegt. Falls die Immissionsgrenzwerte der 16. BImSchV nicht eingehalten werden können, sind Anforderungen an das erforderliche bewertete Schalldämm-Maß der gesamten Außenfläche und einzelner zu optimierender Bauteile definiert. So wird das erforderliche bewertete Schalldämm-Maß der ge‐ samten Außenfläche des Raumes (hier Schlafraum) in Dezibel (dB) nach der folgenden Gleichung berechnet (Anlage zur 24. BImSchV): R w, res ′ = L r, N + 10 ⋅ lg S g A − D + E Es bedeuten: R’ w,res erforderliches bewertetes Schalldämm-Maß in dB(A), L r,N Beurteilungspegel für die Nacht in dB(A) nach den Anlagen 1 und 2 der 16. BImSchV (für Räume, die nur tags genutzt werden gilt L r,T ), S g vom Raum aus gesehene gesamte Außenfläche in m 2 (Summe aller Teilflächen), A äquivalente Absorptionsfläche des Raumes in m 2 (A = 0,8 x Gesamtgrundfläche), D Korrektursummand in dB zur Berücksichtigung der Raumnutzung. Je nach Raumnutzung liegt dieser Pegel zwischen 27-dB (Schlafräume) und 47-dB (Großraumbüros etc.). E Korrektursummand in dB (der sich aus dem Spektrum des Außengeräusches und der Frequenzabhängigkeit der Schalldämm-Maße von Fenstern ergibt). Für Schienenwege liegt dieser Wert zwischen 0 (Schienenwege von Eisenbahnen allgemein) und 4 dB (Güterbahnhöfe). Für Straßenbahnen (§ 4 PBefG) ist ein Pegel von 3-dB einzusetzen. Entsprechende Gleichungen werden für eine Verbesserung einzelner Bauteile genannt. 7.13 Kurvengeräusche 301 <?page no="306"?> Bei einem Planfeststellungsverfahren liegen die o. g. Gebäudeangaben i. d. R. nicht vor und werden auch nicht erhoben. Sie sind in diesem Stadium auch nicht zwingend erforderlich, da zunächst nur der grundsätzliche Anspruch festgestellt wird. Es werden daher qualifizierte Annahmen für die Gebäudenutzung und Schalldämmung getroffen. Durch aktive Schallschutzmaßnahmen werden im allgemeinen umfassendere Verbesserungen der Immissionssituation erreicht, sie sind daher grundsätzlich den passiven Maßnahmen vorzu‐ ziehen. Aktive Schallschutzmaßnahmen schützen sowohl Freiflächen und Außenwohnbereiche als auch Innenräume. Die Dimensionierung der notwendigen aktiven Schallschutzmaßnahmen (Länge und Höhe) erfolgt über die eingesetzte Schallimmissions-Berechnungssoftware. Hierzu wird der Beurtei‐ lungspegel zunächst ohne und - falls die Grenzwerte überschritten werden - danach mit einer Schallschutzmaßnahme berechnet. Hierbei zeigt sich häufig, dass die erforderlichen Maßnahmen in der Praxis aus ökonomischen, bautechnischen, ökologischen und/ oder städtebaulichen Grün‐ den in Relation zu dem erzielbaren Nutzen nicht durchführbar sind. z. B. können 6 m hohe Schallschutzwände unter bestimmten örtlichen Gegebenheiten erforderlich sein. Solche hohen Wände sind unter den o. g. Gesichtspunkten nicht überall einzurichten. Bei innerstädtischen Strecken bereitet die Errichtung von Schallschutzwänden grundsätzlich erhebliche Schwierig‐ keiten bzw. sind überhaupt nicht möglich (z. B. bei in Straßenfahrbahnen verlegten Gleisen für Straßenbahnen). In solchen Fällen führen nur Kombinationen aus aktiven und passiven Maßnahmen oder ausschließlich passive Maßnahmen zu einem ausreichenden Schallschutz. Bei der Abwägung zwischen aktiven und/ oder passiven Schallschutzmaßnahmen sind grund‐ sätzlich folgende Kriterien zu berücksichtigen [7.10]: 1. Höhe der Überschreitung der Grenzwerte, 2. Umfang der Überschreitung in Hinsicht auf Fläche bzw. Anzahl der Objekte, 3. Wirkung der aktiven Maßnahme, 4. das Kosten-/ Nutzenverhältnis (Verhältnismäßigkeit gemäß § 41 Abs. 2 BImSchG), 5. technische Machbarkeit, 6. andere umweltrelevante Aspekte, z. B. Stadtbzw. Landschaftsbild, Klimaauswirkungen, ökologische Auswirkungen, Unterbrechung von Sichtbeziehungen. Bei der Kombination von aktiven und passiven Maßnahmen können sich zahlreiche Varianten ergeben, die sehr sorgfältig gegeneinander abzuwägen sind. Zielsetzung sollte sein, den betrof‐ fenen Bürgern einen ausreichenden Schallschutz unter Berücksichtigung der aufzuwendenden Kosten zu bieten. Auch sollten in Bürgerversammlungen den Betroffenen nachvollziehbare Begründungen für die gewählten Maßnahmen dargelegt werden. Sie sind es, die mit diesen Maßnahmen leben müssen. Mit gewöhnlichen Fenstern ist eine Pegelminderung von ca. 25 dB zu erreichen, das Schall‐ dämmmaß bei Schallschutzfenstern liegt bei über 50 dB. Die Schallschutzklasse der Fenster nach VDI-Richtlinie 2719 gibt Auskunft darüber, wie gut der Schall von außen gemindert werden kann. Insgesamt gibt es sechs Schallschutzklassen. Der Verein Deutscher Ingenieure stellt in seiner VDI-Richtlinie 2719 sechs Schallschutzklassen (SK) für Fenster auf, Tabelle 7.11. Die jeweiligen Schalldämmwerte beziehen sich dabei auf die gesamte Fenstereinheit, also Glas und Rahmen einschließlich Mauerwerksanschluss. Es gilt: Je höher die Schallschutzklasse, desto besser ist der Schallschutz des eingebauten Fensters. 302 7 Schallminderungsmaßnahmen <?page no="307"?> (7.16) (7.17) 323 Tabelle 7.11: Schallschutzklassen nach VDI 2719 und Beispiel für ein Schalldämmmaß eines Fensters SK bewertetes Schalldämmmaß R´w nach DIN 52210 Teil 5 Fensterarten 1 25-29 − Einfachfenster − Einfachfenster mit Isolierverglasung 2 30 - 34 − Einfachfenster mit Isolierverglasung − Einfachfenster mit Einfachverglasung 3 35 - 39 − Einfachfenster mit Isolierverglasung − Verbundfenster 4 40 - 44 − Verbundfenster 5 45 - 49 − Verbundfenster − Kastenfenster 6 >50 − Kastenfenster 7.15 Geschwindigkeitsabhängigkeit - Vorbeifahrtpegel versus Stundenpegel Die Geschwindigkeit der Fahrzeuge hat einen wesentlichen Einfluss auf die Schallemissionen und somit auch auf Schallimmissionen. Zur Berechnung der Schallimmissionen nach Anlage 2 zur 16. BImSchV (2014) werden unterschiedliche Geschwindigkeitsfaktoren je Oktave für Eisenbahnen und Straßenbahnen - getrennt nach Niederflur-/ Hochflurfahrzeugen und U-Bahnen - genannt. Bei der Eisenbahn reichen diese für die reinen Rollgeräusche von -5 für die unteren Oktaven bis 25 für die oberen Oktaven. Für die klassische Straßenbahn werden für die Fahrgeräusche (die Fahrgeräusche beinhalten hier Geräuschquellen der Rauheiten von Rad und Schiene sowie vom Motor und Getriebe) Faktoren zwischen -5 und 20 sowie für die U-Bahnen zwischen 10 und 30 genannt. Nach Anlage 2 zur 16. BImSchV (1990) war einheitlich für den Summenpegel ein Geschwindigkeitsfaktor von 20 anzusetzen. In den Geschwindigkeitsbereichen, in denen das Rollgeräusch dominiert, stellt dieser Wert einen guten mittleren Wert dar. Nach der genannten Verordnung wird von einem auf eine Stunde bezogenen Pegel ausgegangen. Für einzelne Vorbeifahrgeräusche lässt sich im Mittel aus Messungen ein Geschwindigkeitsfaktor von 30 ableiten. Demnach gilt für unterschiedliche Geschwindigkeiten v 1 und v 2 : Vorbeifahrtpegel: 𝐿𝐿 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑎𝑎𝑝𝑝,𝑇𝑇𝑝𝑝,𝑣𝑣2 = 𝐿𝐿 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑎𝑎𝑝𝑝,𝑇𝑇𝑝𝑝,𝑣𝑣1 + 30 ∙ 𝑙𝑙𝑙𝑙 � 𝑣𝑣 2 𝑣𝑣 1 � (7.16) Stundenpegel: 𝐿𝐿 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑎𝑎𝑝𝑝,1ℎ,𝑣𝑣2 = 𝐿𝐿 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑎𝑎𝑝𝑝,1ℎ,𝑣𝑣1 + 20 ∙ lg � 𝑣𝑣 2 𝑣𝑣 1 � (7.17) 10 20 30 40 50 60 63 125 250 500 1 2 4 Schalldämmmaß R in dB Terzmittenfrequenz, Hz / kHz Tabelle 7.11: Schallschutzklassen nach VDI 2719 und Beispiel für ein Schalldämmmaß eines Fensters 7.13.11 Geschwindigkeitsabhängigkeit - Vorbeifahrpegel versus Stundenpegel Die Geschwindigkeit der Fahrzeuge hat einen wesentlichen Einfluss auf die Schallemissionen und somit auch auf Schallimmissionen. Zur Berechnung der Schallimmissionen nach Anlage 2 zur 16. BImSchV (2014) werden unterschiedliche Geschwindigkeitsfaktoren je Oktave für Eisenbahnen und Straßenbahnen - getrennt nach Niederflur-/ Hochflurfahrzeugen und U-Bahnen - genannt. Bei der Eisenbahn reichen diese für die reinen Rollgeräusche von -5 für die unteren Oktaven bis 25 für die oberen Oktaven. Für die klassische Straßenbahn werden für die Fahrgeräusche (die Fahrgeräusche beinhalten hier Geräuschquellen der Rauheiten von Rad und Schiene sowie vom Motor und Getriebe) Faktoren zwischen -5 und 20 sowie für die U-Bahnen zwischen 10 und 30 genannt. Nach Anlage 2 zur 16. BImSchV (1990) war einheitlich für den Summenpegel ein Geschwindigkeitsfaktor von 20 anzusetzen. In den Geschwindigkeitsbereichen, in denen das Rollgeräusch dominiert, stellt dieser Wert einen guten mittleren Wert dar. Nach der genannten Verordnung wird von einem auf eine Stunde bezogenen Pegel ausgegangen. Für einzelne Vorbeifahrgeräusche lässt sich im Mittel aus Messungen ein Geschwindigkeitsfaktor von 30 ableiten. Demnach gilt für unterschiedliche Geschwindigkeiten v 1 und v 2 : Vorbeifahrpegel: L pAeq,Tp,v2 = L pAeq,Tp,v1 + 30 • lg v 2 v 1 Stundenpegel: L pAeq,1h,v2 = L pAeq,1h,v1 + 20 • lg v 2 v 1 7.13 Kurvengeräusche 303 <?page no="308"?> (7.18) Dieser Zusammenhang gilt für den Summenpegel, für einzelne Terzen oder Oktaven ergeben sich andere Faktoren (siehe oben). Die in der 16. BImSchV angegebenen Geschwindigkeitsfaktoren wurden aus vorliegenden Messergebnissen abgeleitet. Bei einem praktischen Vergleich (Messung versus Rechnung) können durchaus hiervon abweichend Faktoren auftreten. Mit den beiden oben genannten Gleichungen ergeben sich für den Vorbeifahrpegel und den Stundenpegel unterschiedliche Pegelabhängigkeiten von der Geschwindigkeit. Dies wird mit fol‐ gendem Beispiel verdeutlicht, Tabelle 7.12. Der Vergleich bezieht sich auf eine Verdopplung der Geschwindigkeit. Mit dieser Vorgabe folgt, dass die Vorbeifahrzeit T p , bei identischer Zuglänge, halbiert wird. Die gemachten Vorgaben lassen sich auf andere Situationen übertragen. Situation 1 2 Differenz, dB Formel v, km/ h 40 80 - - T p , s 6,0 3,0 - - L pAeq,Tp , dB 71,0 80,0 9,0 L pAeq,Tp,v2 = L pAeq,Tp,v1 + 30 • lg v 2 / v 1 Umrechnung mit L pAeq,1h = L pAeq,Tp + 10 • lg T p 3600s L pAeq,1h , dB 43,2 49,2 6,0 L pAeq,1h,v2 = L pAeq,1h,v1 + 20 • lg v 2 / v 1 Tabelle 7.12: Erläuterung zur unterschiedlichen Pegelerhöhung der Vorbeifahrpegel und der Stundenpegel mit der Geschwindigkeit 7.13.12 Schallarme Fahrzeuge - konstruktive Vorgaben Schallarme Fahrzeuge entstehen nicht zufällig, vielmehr wird das Schallverhalten durch die Konstruktion bei vorgegebenen Betriebsbedingungen bestimmt. Aus diesem Grunde muss das sogenannte Schalldesign konstruktionsbegleitend erfolgen. Sind die Anhaltswerte gemäß Anforderungsprofil vorgegeben, so ist es die Aufgabe des Fahrzeuglieferanten, diese in Anforderungen für die einzelnen Komponenten zu teilen. Die Addition von n unabhängigen Pegelgrößen L i erfolgt mit folgender Gleichung (7.18): L ges = 10 • lg∑ i n 10 0, 1 • L i Eine Addition zweier gleich lauter, eng benachbarter Schallquellen bedeutet demnach eine Pegelerhöhung um 3 dB. Dabei geht es nicht nur um eine Aufteilung gemäß Gleichung (7.18), sondern insbesondere um eine Überführung der Schalldruckkennwerte des Gesamtsystems in Schallleistungsdaten für die einzelnen Komponenten. 304 7 Schallminderungsmaßnahmen <?page no="309"?> (7.19) Für die kugelförmige Ausbreitung im Freifeld gilt der in Gleichung (7.19) dargestellte Zusam‐ menhang zwischen Schalldruck und Schallleistung ([7.16], S. 441) L p (r) = L W − 11 − 20 ⋅ lg r r 0 mit L p Schalldruck in dB(A), L w Schallleistung in dB(A), r Abstand von der Schallquelle in m, r 0 = 1-m. Die tatsächliche Ausbreitung weicht von dieser Idealform erheblich ab. Sie kann größer sein, z. B. bei den Rädern, da diese als Dipole quer zur Fahrtrichtung wesentlich stärker Schall aussenden als in Fahrrichtung. Andere Schallquellen wirken schwächer, z. B. die Getriebe, da die Räder, Schienen und allenfalls Schürzen sie abschirmen und der Schotter unter den Schienen (falls vorhanden) zusätzlich den Schall absorbiert. Die Auslegung kann entweder im Analogieschluss erfolgen, d. h. durch Heranziehen von Messdaten möglichst ähnlicher Konstruktionen, oder sie wird mit Simulationsprogrammen nachgebildet [7.24]. Der Umgang mit den Schallleistungsangaben der Unterlieferanten erfordert vom Fahrzeuglie‐ feranten große Fachkenntnis, da diese z. B. für eine ideale Gerätelagerung gemacht werden dürfen. Im Schienenfahrzeug sind aufgrund der Randbedingungen beim Aufprall, z. B. schadensfreier 3-g-Stoß, meist härtere Lager erforderlich, die im Normalfall eine unzureichende Körperschall‐ isolation bieten. Eine Lagerung mit nichtlinearer Kennung, gut entkoppelt bei normalem Betrieb mit kleinen Bewegungsamplituden und eng geführt in Extremsituationen mit großen Amplituden, bei der das Geräuschverhalten keine Rolle mehr spielt, kann dieses Problem lösen. Zusätzlich zu den Schallleistungsdaten bei Nennbedingungen und Leerlauf ist vom Unter‐ lieferanten auch das Spektrum für diese Situationen anzugeben, damit der Systemintegrator notwendige frequenzabhängige Maßnahmen ergreifen kann. In aller Regel sind die Schallquellen akustisch unabhängig, d. h. es sind für jede Schallquelle andere Frequenzen charakteristisch. Nur in Sonderfällen sind mehrere ähnliche Teilquellen vorhanden, z. B. die Fahrmotorlüfter einer Elektrolokomotive oder die Zylinder eines Verbren‐ nungsmotors. In diesen Fällen beeinflussen sich die Signale je nach Phasenlage gegenseitig. Nur selten können sie auch gezielt zur gegenseitigen Auslöschung verwendet werden, z. B. durch geeignete Zündfolge und Abgasrohrführung bei Verbrennungsmotoren. 7.14 Beispiel für eine Rekonstruktion von Straßenbahnfahrzeugen Im Rahmen der Rekonstruktion von Tatra-Straßenbahnen wurden u. a. die in Tabelle 7.13 und Tabelle 7.14 zusammengefassten Maßnahmen ergriffen, [7.26]. 7.14 Beispiel für eine Rekonstruktion von Straßenbahnfahrzeugen 305 <?page no="310"?> Nicht für jeden einzelnen Fall der oben aufgeführten Maßnahmen konnte ein Einfluss auf die Schallemission messtechnisch nachgewiesen werden. Insgesamt ergaben sich jedoch Schallpegel‐ minderungen durch die jeweils umgesetzten Rekonstruktionsmaßnahmen in der Größenordnung von 2-dB(A) bis 6-dB(A). Dies trifft insbesondere auf die Innengeräusche zu. Baugruppe Maßnahme 1 2 Sitze • Kunststoffschalensitze mit Polsterauflage. • Neue gepolsterte GFK-Fahrgastsitze. Wagenkasten • Entdröhnung und bessere Isolation des Wagenkastens, • Neues Dach mit allen An- und Einbauten, • Seitenwände, Dach sowie Stirn- und Heckpartie mit schalldämmender Schicht und mit in Folie verpackten Matten aus Mineralwolle versehen (auch zur Wärmedämmung), • Neue Gummi-Schicht auf Fußbodenplatten, Gummi-Schicht (5-mm dick) unter den Fußbodenplatten, • Neue Innenverkleidung (Decke und Wände), • Neuer Fußbodenaufbau (16 mm Sperrholzfußboden, darunter 5-mm Gummischicht; neuer, an den Seiten hochgezogener Fußbodenbelag), • Wagendach ohne Dachluken, • Drehteil abgedichtet. Türen und Fenster • Außenschwingtüren bzw. Falttüren, • Neue Trittstufen und Gerätekästen, • Neue Fenster als Festfenster, einige mit Klappfenstern in neuen Gummiprofilen. Innenraumbelüftung • Neuartige Zwangsbelüftung, • Bessere Innenbelüftung, • Umluftheizgeräte im Fahrgastraum. Umformer • Ersatz des rotierenden durch einen statischen Umformer (DBU). Tabelle 7.13: Maßnahmen bei der Rekonstruktion von Tatra-Straßenbahnen mit möglichen Einflüssen auf die Innengeräusche Baugruppe Maßnahme 1 2 Räder • gummigefederte Räder (Bochumer Räder), • Einbau einer Spurkranzschmierung • Einbau neuer Sandstreuer mit Kleinkompressoren Motor, Antrieb, Federung • Chopper Steuerung • Elektrohydraulische Bremse • Umgestaltung der Antriebsachsen • Veränderung der Motorlagerung • Änderung der Drehgestell-Abfederung • Einbau einer Megi-Primärfederung • Neue Wiegenfederung und Einbau von Stoßdämpfern • Getriebesanierung 306 7 Schallminderungsmaßnahmen <?page no="311"?> Baugruppe Maßnahme Schürzen • Einbau von Schallschutzschürzen im Drehgestellbereich (mit Absorptionsmaterial) Umformer • Ersatz des rotierenden durch einen statischen Umformer (DBU) Tabelle 7.14: Maßnahmen bei der Rekonstruktion von Tatra-Straßenbahnen mit möglichen Einflüssen auf die Außengeräusche 7.15 Fazit 7.15.1 Vorbemerkungen In diesem Kapitel werden die generellen Möglichkeiten zur Minderung der Schallemissionen und Schallimmissionen aufgezeigt, es werden die schallmindernden Wirkungen dieser Maßnahmen zusammenfassend dargestellt. Die Bewertung dieser Maßnahmen beruht sowohl auf Messergeb‐ nissen, vorrangig der STUVA, als auch auf Ergebnissen aus der Literatur und Festlegungen in der Anlage 2 zur 16. BImSchV (2014). Bei der Angabe von Minderungswirkungen ist immer die konkrete Situation zu berücksichti‐ gen. Pauschal sind nur generelle Wirkungen anzugeben, die im Mittel durchaus die reale Situation in der Praxis widerspiegeln. Größere Abweichungen beruhen bisweilen auf eine unzureichende Pflege von Fahrzeug und Fahrweg. 7.15.2 Fahrzeug - 7.15.2.1 Innengeräusche Im Bereich der Fahrzeuge ist zu unterscheiden nach Innen- und Außengeräuschen. Innengeräu‐ sche teilen sich auf den Fahrerraum (Arbeitsplatz) und Fahrgastraum. Für beide Bereiche gelten unterschiedliche Normen und Richtwerte (siehe z. B. [7.29], [7.65]). In [7.64] wird ein Richtwert für den Innengeräuschpegel im Sitzbereich bei geschlossenen Türen, bei gleichzeitigem Betrieb aller Hilfsbetriebe, bei Höchstgeschwindigkeit L pAeq,T = 72 dB(A) mit T = 20 s genannt. Einstiege, Übergänge und Toiletten können höhere Werte aufweisen (siehe hierzu auch Festlegungen in der VDV 154). In der VDV 154 werden bei 60 km/ h Pegelwerte für den Fahrgastraum zwischen 65 dB(A) und 70 dB(A) genannt (75 dB(A) in besonderen Bereichen). Für den Fahrerraum gelten 65 dB(A). Diese Pegelhöchstwerte gelten sowohl für rein elektrische als auch für dieselelektrische Fahrzeuge. Die Innengeräusche werden beeinflusst sowohl durch die von außen einwirkenden Schalle als auch von Schallquellen innerhalb der entsprechenden Räume. Die von außen einwirkenden Schalle, z. B. Rollgeräusch, beeinflussen sowohl die Innengräusche als auch die Außengeräusche. Die Minderungsmaßnahmen in diesen Bereichen werden im nächsten Abschnitt behandelt. Bei modernen Fahrzeugen sind die Klimaanlagen wesentliche Schallquellen. Auf die Gestaltung dieser Anlagen wird auf entsprechende Richtlinien und Normen verwiesen (siehe [7.62]). Geräuschmindernd wirkt vor allem die Innenauskleidung der Fahrzeuge, so führen z. B. gepolsterte Sitze zu geringeren Schallpegeln als harte, ungepolsterte Sitze, [7.26]. 7.15 Fazit 307 <?page no="312"?> 7.15.2.2 Außengeräusche Zusammenfassend sind für das Fahrzeug die wichtigsten Maßnahmen in Tabelle 7.15 beschrie‐ ben. Einzuhaltende Schallpegel-Anhaltswerte sind u. a. in [7.29], [7.32], [7.63] und [7.65] zu finden. Geräuschart Maßnahme Bewer‐ tung Bemerkung Aggregatgeräusche Leise Aggregate + Gilt für alle Fahrzeugarten mit Aggregaten Dämmung/ Abschirmung, Kapselung + Elastische Lagerung, Entkopplung vom Fahrzeugkasten ++ Resonanzen vermeiden + Antriebsgeräusche Motor: Wasserkühlung ++ - Getriebe: Große Zahnflankenüberdeckung ++ Lüfter optimieren + Bremsgeräusche Scheibenbremsen: Bremsscheiben und Bremsbeläge anpassen. Radbremsen: K-Sohlen - Bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen wird elektrodynamisch bis zu ca. 5 km/ h und 10-km/ h gebremst Rollgeräusche Kontinuierliche Überwachung der Schallemissionen - Hier gilt: Anregung, Abstrahlung und Ausbreitung mindern. Glatte Radfahrflächen +++ Flachstellen vermeiden, frühzeitig beheben ++ Radschallabsorber ++ Radscheibenbedämpfung + Gummigefederte Räder + Optimierung der Radgeometrie ++ Abschirmung der Räder, Schallschirme + Absorbierende Unterbodenauskleidung + Geschwindigkeitsbegrenzung ++ Sonstige Lösungen ? 308 7 Schallminderungsmaßnahmen <?page no="313"?> Geräuschart Maßnahme Bewer‐ tung Bemerkung Kurvengeräusche - Radialeinstellbare Radachsen ++ Eine vollständige Vermeidung von KG führt zu Minderungen des Maxmalpegels bis zu ca. 25-dB(A). (siehe z. B. VDV-Schrift 611) Radschallabsorber +++ Radscheibenbedämpfung + Rad-Werkstoff optimieren (mit Schmiereffekt) + Spurkranzschmierung + Benetzung der Fahrflächen vom Fahrzeug aus +++ Aerodynamische Geräusche Gestaltung der Fahrzeugenden ++ Hierzu werden nur die Bereiche genannt, die bei Hochgeschwindigkeitsfahrzeugen zu beachten sind. Turbolenzen vermeiden Stromabnehmer, z. B. Einholmstromabnehmer. ++ Drehgestell ++ Fahrzeugübergänge ++ Geschwindigkeitsbegrenzung ++ Bewertung (näherungsweise, diese Angaben beziehen sich immer auf den Vergleich zwischen Maßnahme und Ausgangzustand): + bis 3-dB(A); ++ bis 6-dB(A); +++ bis 9-dB(A); ++++ bis ca. 15-dB(A) Tabelle 7.15: Schallminderungsmaßnahmen am Fahrzeug - 7.15.2.3 Fahrweg Zusammenfassend sind für den Fahrweg die wichtigsten Maßnahmen in Tabelle 7.16 beschrie‐ ben. Im Gegensatz zu den Fahrzeugen sind bisher keine Schallpegel-Anhaltswerte für den Fahrweg vorhanden. Für Abnahmemessungen sind jedoch Vorgaben für die Schienenrauheit und die Gleisabklingrate einzuhalten. 7.15 Fazit 309 <?page no="314"?> Geräuschart Maßnahme Bewertung Bemerkung Rollgeräusche Kontinuierliche Überwachung der Schallemissionen ? Glatte Räder auf glatten Schienen! Hiermit kann die Schallanregung vermindert werden. Erhöhung der Absorption durch „weiche“ Gleisflächen. - Schleifen/ Fräsen: glatte Schienenfahrflächen +++ Absorbierender Oberbau: - Schotter ++ Bei Fester Fahrbahn Absorberelemente auf der Fahrbahnfläche + Begrünte Bahnkörper, hochliegende Vegetationsebene ++ Begrünte Bahnkörper, tiefliegende Vegetationsebene + Schienenstegabsorber + Verminderung der Schallabstrahlung der Schienen Schienenstegabschirmung + Verschäumter Schotter ? Diese Maßnahmen haben nur eine geringe akustische Wirkung Elastische Schwellenlagerung ? Brückengeräusche Unterschottermatten ++ Siehe hierzu Anlage 2 zur 16. BImSchV Elastische Schienenlagerungen + Feste Betonbrücken ++ Bei Stahlbrücken: Absorber an der Brückenkontur ++ Elastische Schwellenlagerung + - Stoßgeräusche Schräger Isolierstoß + Weichen und Kreuzungen Bewegliche Herzstücke + Schleifen der Schienen + Ausgefahrene Schweiß- und Isolierstöße Kurvengeräusche Große Radien - Siehe Angaben in Anlage 2 zur 16. BImSchV Benetzung der Fahrflächen, stationäre Anlagen +++ Hierzu gibt es unterschiedliche Lösungen Schienenstegbedämpfung + Schienenstegabschirmung + Bewertung (näherungsweise, diese Angaben beziehen sich immer auf den Vergleich zwischen Maßnahme und Ausgangzustand): + bis 3-dB(A); ++ bis 6-dB(A); +++ bis 9-dB(A); ++++ bis ca. 15-dB(A) Tabelle 7.16: Schallminderungsmaßnahmen am Fahrweg 310 7 Schallminderungsmaßnahmen <?page no="315"?> 7.15.3 Ausbreitung Zusammenfassend sind für die Schallausbreitung die wichtigsten Maßnahmen in Tabelle 7.17 beschrieben. Geräuschart Maßnahme Bewertung Bemerkung Roll- und Antriebsgeräusche (niedrigste) Schallschutzschirme, absorbierend ++ Die Wirkung von Schallschutzschirmen hängt ab von: • Abstand zum Gleis • Höhe über SO • Absorption • Gestaltung des „Kopfes“ (niedrige) Schallschutzschirme, absorbierend (auch zwischen den Gleisen) ++ Aggregate auf dem Dach, Aerodynamische Geräusche Hohe Schallschutzschirme, absorbierend +++ Bewertung (näherungsweise, diese Angaben beziehen sich immer auf den Vergleich zwischen Maßnahme und Ausgangzustand): + bis 3-dB(A); ++ bis 6-dB(A); +++ bis 9-dB(A); ++++ bis ca. 15-dB(A) Tabelle 7.17: Schallminderungsmaßnahmen im Übertragungsweg 7.15.4 Maßnahmen speziell bei Eisenbahnen und deren Wirkung In Anlehnung an [7.66] zeigt Tabelle 7.18 zusammenfassend sowohl mögliche schallmindernde Lösungen als auch deren Wirkungen. Bei den dargestellten Wirkungen ist immer der Ausgangs‐ zustand zu betrachten. Daher zeigen sie nur Minderungen an, die gegenüber beschreibbaren Ausgangszuständen möglich sind. Maßnahmen Schallquelle Minderung (Lokal / Netzweit) Schallmindernde Wir‐ kung K-Sohlen Rollgeräusche Netzweit 8-dB(A) bis 10-dB(A) LL-Sohle Rollgeräusche Netzweit 8-dB(A) bis 10-dB(A) Schienenschleifen Rollgeräusche Lokal 10-dB(A) bis 12-dB(A), bis zu 20-dB(A) bei stark aufgerauten Schienenfahrflächen Akustisches Schleifen Rollgeräusche Lokal 1-dB(A) bis 4-dB(A) (in Abhängigkeit von den lokalen Rauheitsbedingungen der Schienen), im Mittel rund 2-dB(A) Scheibenbremsen Rollgeräusche Netzweit 10-dB(A) Radschallabsorber Radschall Netzweit 2-dB(A) bis 7-dB(A) 7.15 Fazit 311 <?page no="316"?> Maßnahmen Schallquelle Minderung (Lokal / Netzweit) Schallmindernde Wir‐ kung Drehgestellschürzen + niedrige Schallschutzwände Radschall Lokal 8-dB(A) bis 10-dB(A) Schienenschallabsorber Schienenschall lokal 3-dB(A) bis 7-dB(A), im Mittel rund 3-dB(A) Feste Fahrbahn Schienenschall lokal Bis 5-dB(A) Zwischenlagen (Steifigkeit, Dämpfung) Schienenschall lokal 3-dB(A) bis 4-dB(A) Quietschen, Maßnahmen an der Schiene Quietschgeräusche lokal Bis zu 20-dB(A) je nach Maßnahme und lokalen Randbedingungen Quietschen, Maßnahmen am Rad Quietschgeräusche Netzweit in Gleisbögen Bis zu 20-dB(A) je nach Maßnahme und lokalen Randbedingungen Stromabnehmerabschirmung Hochgeschwindigkeitszüge Netzweit bei Geschwindigkeiten über 200-km/ h 5-dB(A) bis 10-dB(A) Schallschutzwände 2-m hoch Alle Quellen lokal Bis zu 10-dB(A) Schallschutzwände 3-m bis 4-m hoch Alle Quellen lokal Bis zu 15-dB(A) Schallschutzfenster Alle Quellen Lokal, nur betroffenes Gebäude 10-dB(A) bis 30-dB(A), hängt ab vom Ausgangszustand Tabelle 7.18: Schallminderungsmaßnahmen und deren Wirkungen 7.15.5 Maßnahmen gegen Kurvengeräusche In [7.34] werden mögliche Maßnahmen zur Minderung der Kurvengeräusche aufgeführt und deren Wirkung bewertet. Diese Zusammenstellung beruht auf ein im Rahmen eines Forschungs‐ projektes erstelltes Handbuch [7.72]. Diese Maßnahmen werden unterteilt nach (Tabelle 7.19 bis Tabelle 7.21): • Fahrweg, • Kontaktbereich Rad/ Schiene und • Fahrzeug (Fahrwerke/ Drehgestelle). Die jeweilige „Bewertung“ der genannten Maßnahmen beruht sowohl auf praktischen Erprobun‐ gen als auch auf theoretischen Überlegungen. Die Bewertung bezieht sich sowohl auf Quietschals auch auf Zischgeräusche (Reibung am Spurkranz). 312 7 Schallminderungsmaßnahmen <?page no="317"?> Angriffspunkte für Änderungen, Einbau von Bauteilen, Maß‐ nahmen Geänderte Ein‐ flussfaktoren, Eigenschaften, Bauteile und Maßnahmen Einfluss auf Quiet‐ schen Ein‐ fluss auf Zi‐ schen Nachrüstbar‐ keit Wartungsbe‐ darf Trassierung, Gleisgeometrie Radius ja ja nein nein Änderung der Spurweite (kleiner oder größer als „Nennmaß“) nein nein nein nein Überhöhung ? ? ja 1) nein Oberbauform Konstruktion nein nein nein nein Gleiselastizität nein nein ja 1) nein Art der Schienen (Schienenprofil) rillenlose Schiene, z. B. 49E1 oder 54E3 nein ja 2) ja 1) nein Rillenschiene, z. B. 60R2 nein nein ja nein Schienenkopf Schleifen nein nein ja ja Reprofilieren nein nein ja ja unsymmetrische Kopfprofile ? ? ja ja Schienengüte Härte nein nein ja ja Werkstoff der Schienen mit spezieller Legierung nein nein ja nein Schienenstegbedämpfung Gummi-Metall- Konstruktion ja nein ja nein Polyurethankörper ja nein ja nein Schienenabsorber Gummi-Metall- Konstruktion ja nein ja nein Profilverspannung (Verspannung zwischen Schienenkopf und -fuß) nein nein ja nein Auftragsschweißung (Antiquietschschweißung) Doppelnutschweißung ja nein ja 1) ja Bronzeaufschweißung ja nein ja 1) ja Tabelle 7.19: Maßnahmen am Fahrweg 7.15 Fazit 313 <?page no="318"?> Angriffspunkte für Änderungen, Einbau von Bautei‐ len, Maßnahmen Geänderte Einflussfakto‐ ren, Eigenschaften, Bau‐ teile und Maßnahmen Einfluss auf Quiet‐ schen Ein‐ fluss auf Zi‐ schen Nachrüstbar‐ keit War‐ tungs‐ bedarf Schmierstoffe Schiene, ortsfest Flankenschmierung nein ja ja ja Kopfschmierung ja nein ja 1) ja Schmierstoffe Rad, fahrzeugfest Spurkranzschmierung nein ja ja ja Fahrflächenschmierung ja nein ja 1) ja Flüssigkeiten Wasserbefeuchtung, sonstige Flüssigkeiten ja ja ja 1) ja Oberflächenbehandlung Ultraschallbehandlung nein nein ja 1) nein Schwingungseintrag Ultraschallanregung der Schiene nein nein ja ja Spurspiel Größe nein nein ja nein Tabelle 7.20: Maßnahmen im Kontaktbereich Rad/ Schiene Angriffspunkte für Änderungen, Einbau von Bau‐ teilen, Maßnah‐ men Geänderte Einfluss‐ faktoren, Eigen‐ schaften, Bauteile und Maßnahmen Einfluss auf Quiet‐ schen Ein‐ fluss auf Zi‐ schen Nachrüstbar‐ keit Wartungsbe‐ darf Fahrwerkskonstruktion Ausführung mit Drehgestell nein nein nein - Ausführung mit Einzelradfahrwerk nein nein nein gelenkte (radial einstellbare) Radsätze ja nein nein - Losräder ja 4) nein nein - Achsabstände (weitgehend anderweitig festgelegt) nein nein nein - Elastizitäten, Primärfederung nein nein nein - Werkstoff der Räder Legierungsbestandteile mit reibungsmindernder Wirkung nein nein ja nein Härte nein nein ja nein Radschallabsorber Elastomer-Metall- Konstruktion ja nein ja 1) ja Reibring nein nein ja 1) nein 314 7 Schallminderungsmaßnahmen <?page no="319"?> Angriffspunkte für Änderungen, Einbau von Bau‐ teilen, Maßnah‐ men Geänderte Einfluss‐ faktoren, Eigen‐ schaften, Bauteile und Maßnahmen Einfluss auf Quiet‐ schen Ein‐ fluss auf Zi‐ schen Nachrüstbar‐ keit Wartungsbe‐ darf Radbedämpfung Sandwichelemente nein nein ja nein Polyurethanbeschichtung ja ja ja nein Tilger Aktuatoren ja nein nein ja Radschürzen und Radblenden als Schallschirm nein nein ja 3) ja mit Absorption nein nein ja 1) ja Tabelle 7.21: Maßnahmen am Fahrzeug (Fahrwerke/ Drehgestelle) 1) gilt mit Einschränkung, Einzelfallbetrachtung erforderlich 2) Vermeidung des Entstehens von Zischgeräuschen durch nicht vorhandene Radrückenführung 3) Profilfreiheit beachten 4) Losräder können zu erhöhtem Kurvenquietschen führen. 7.15.6 Maßnahmen gegen Rollgeräusche Im Rahmen eines Programms erfolgten umfangreiche akustische Untersuchungen von der DB AG zur Ermittlung der Schallemissionsminderung von innovativen Maßnahmen am Fahrweg. In [7.44] werden das Vorgehen bei der Maßnahmenfestlegung und deren Umsetzung, die Grundlagen für die Messung der akustischen Effekte sowie die erprobten Technologien und die mit ihnen ermittelten Ergebnisse dargestellt. Die Auswahl der Standorte erfolgte mit dem Ziel, Anwohner von Geräuschimmissionen zu entlasten und der Anforderung, örtliche Bedingungen zu finden, die einen normgerechten messtechnischen Nachweis der Minderungseffekte erlaubten. Es wurden insgesamt 13 „innovative“ Technologien einzeln und in Kombination erprobt. Dabei wurden 82 Maßnahmen, zum Teil mit Ergänzungsmaßnahmen erweitert, realisiert. Die Bewertung der Minderungseffekte für den Luftschall erfolgte nach der Systematik des Entwurfs der Anlage 2 zur 16. BImSchV aus dem Jahr 2012. Mit dem Programm konnten die „klassischen“ Schallminderungsmaßnahmen für den Schutz des Außenwohnbereichs erweitert werden. Des Weiteren werden Potentiale aufgezeigt, um die erprobten Technologien sowohl auf der Wirkungsals auch auf der Kostenseite weiterzuentwi‐ ckeln. 7.15 Fazit 315 <?page no="320"?> Technologien Effekte in dB 1) Bewertung 1a Schienenstegdämpfer (SSD) 2 (SSD) SSD: 4 Hersteller 1b Schienenstegabschirmung (SSA) 3 (SSA) SSA: 1 Hersteller 2 Schienenschmiereinrichtungen (SSE) 3 Auswertung der Berliner Ringbahn bei Radien 300-m bis 500-m 3 Verschäumter Schotter 2) 0 Kein Minderungsbeitrag auf Luft- und Körperschallemissionen, aber auch kein Zuschlag von 3-dB wie bei Fester Fahrbahn erforderlich 4 Brückenentdröhnung 6 Reduktionspotenzial im Luft- und Körperschall, Verringerung der Brückenzuschläge nach Schall 03 (2012) bis 6-dB (brückenunabhängig) 5 Reibmodifikator für Gleisbremsen 3 bis 8 Bergbremse 3-dB, Talbremse 8-dB 6a Niedrige Schallschutzwände (nSSW) 6/ 5 H = 74 cm: wandnahes Gleis / wandentferntes Gleis 6b 3/ 2 H = 55 cm: wandnahes Gleis / wandentferntes Gleis 7 Hochgeschwindigkeitsschleifen, (High Speed Grinding (HSG) 3 Wirkung entsprechend büG (besonders überwachtes Gleis) 8 Unterschottermatten (USM) 3) Erschütterungen Eine Maßnahme, nicht repräsentativ 9 Besohlte Schwellen Erschütterungen Bei mittelweicher Besohlung wurden Effekte im erschütterungsrelevanten Frequenzbereich von bis zu 7 dB festgestellt. Gute Wirksamkeit auf Brücken. 10 Gabionenwände Wie herkömmliche SSW Gleichwertigkeit der Gabionenwände nachgewiesen 11 Beschäumte Schienen - Keine belastbaren Ergebnisse 12 Fotovoltaik auf Schallschutzwänden - Akustischer Zusatznutzen bei Weiterentwicklung möglich 13 Aufsatz auf beugungskante von schallschutzwänden (Schallspoiler) - Keine Zusatzeffekte gegenüber Referenzhöhe nachgewiesen Tabelle 7.22: Minderungspotential der untersuchten Technologien 1) : nach Schall 03 (1990), 2) : Mit dieser Maßnahme soll vorrangig eine stabile Gleislage über einen langen Zeitraum mit akustisch guten Eigenschaften erzielt werden, 3) : Unterschottermatten werden auch auf Brücken/ Viadukten zur Minderung der (tieffrequenten) Schallabstrahlung der Brücke eingesetzt. 316 7 Schallminderungsmaßnahmen <?page no="321"?> 7.16 Literatur zu Kapitel 7 [7.1] Heckl, M.: Lärmarm Konstruieren: Beispiele aus der Praxis. BAU-Forschungsberichte (Dortmund) Nr. 129, ISBN-10 : 3920320441 [7.2] Bugarcic, H./ Moradi, M./ Bierke, A. und L.-M. Schmidt: Entwicklung und Erprobung der zur Verbesserung des Bogenlaufverhaltens dienenden schwenkbaren Radpaare innerhalb des Drehgestells einer Stadtbahn-Gelenkwagenkonstruktion. Forschungsvorhaben des Bundesministers für Verkehr Nr. 70319/ 90 (Dez. 1990) [7.3] Studt, P.: Entwicklung von Reagenzien zur Reibungsbeeinflussung und Minderung des Verkehrslärms von Schienenfahrzeugen. BAM Berlin (Dezember 1982), Bericht 6* ) [7.4] Meschede, K./ Geers, L. u. a.: Erprobung verbesserter Komponenten an einem Stadtbahnwagen mit dem Ziel der Lärmminderung. Rhein Consult GmbH, Düsseldorf / DUEWAG AG, Düsseldorf (Mai 1983), Bericht 14* ) [7.5] Bugarcic, H. und K. Lipinski: Laboruntersuchungen zur werkstoffseitigen Unterdrückung der geräuschbildenden stick-slip-Bewegungen zwischen Rad und Schiene. TU Berlin, Institut für Fahrzeugtechnik ( Januar 1982), Bericht 4* ) [7.6] Raquet, E.: Untersuchung zum Einfluss der Betriebsbedingungen von schallgedämpften Rädern (absorbergedämpft). Krupp Stahl AG, Bochum (August 1980), Bericht 10* ) [7.7] Raquet, E.: Untersuchungen zur Schallminderung durch absorbergedämpfte Räder. Krupp Stahl AG, Bochum (Oktober 1981), Bericht 11* ) [7.8] Herbst, W. und R. Waßmann: Untersuchungen zur Entwicklung geräuschdämpfender Schienenbefestigungen. Rothe Erde-Schmiedag AG, Dortmund (Dezember 1983), Bericht 13* ) [7.9] Krüger, F./ Kasten, P. u. a.: Demonstrationsvorhaben zum Einsatz von Schienendämpfungselementen auf Vollbahnstrecken zur Verminderung des Kurvenquietschens. BMFT-Forschungsvorhaben TV 9049, (Oktober 1994) [7.10] Groß, K. und F. Blennemann: Lärm- und Erschütterungsminderung im Schienennahverkehr: Forschungsprogramm des Bundesministers für Forschung und Technologie. Bonn; Forschung + Praxis Band 28, Herausgeber: STUVA e.V., Köln; Vertrieb: Alba-Fachverlag, Düsseldorf (November 1985). Siehe auch Bericht 16 [7.11] Krüger, F.: Schall- und Erschütterungsschutz im Schienennahverkehr: Übersicht über die Ergebnisse des Forschungsprogramms 1978 bis 1993. STUVA e.V., Köln (November 1993), unveröffentlicht* ) [7.12] Schöch, W. und E. Kopp: Versuche mit symmetrischen Schienenprofilen in engen Bögen bei den Österreichischen Bundesbahnen. ETR 38 (1989), H.9 - September, S. 565-568 [7.13] VDI Richtlinie 2716: Geräuschsituation bei Stadtbahnen. Juli 1975 und 2001 (diese Richtlinie wurde 2015 zurückgezogen) [7.14] Messung der Geräuschemission von spurgebundenen Fahrzeugen. DIN EN ISO 3095 (1999) [7.15] Vorschrift für die Messung des Schienenverkehrslärms. ORE, Frage C163, Bericht Nr. 2, Utrecht 1985 [7.16] Heckl, M. u. H. A. Müller: Taschenbuch der Technischen Akustik. Springer Verlag, Berlin, 2. Auflage 1995 [7.17] Jäcker, M.: The Necessity of a Regulation for Noise Emissions from Railway Vehicles. Documentation of “Noise Abatement of Railway Vehicles” Dec 9-10, 1996, Umweltbundesamt Berlin [7.18] Hecht, M. u. H. Zogg: Lärmdesign moderner Triebfahrzeuge am Beispiel der Lok 2000-Familie. ZEV+DET Glasers Annalen 119 (1995), S. 463-472 7.16 Literatur zu Kapitel 7 317 <?page no="322"?> [7.19] UIC-Richtlinie 567-1, Im internationalen Verkehr zugelassene Einheitsreisezugwagen der Bauarten X und Y. 4. Ausgabe 1.1.78, 7. Änderung 1.1.94 [7.20] UIC-Richtlinie 553, Lüftung, Heizung und Klimatisierung der Reisezugwagen. 5. Ausgabe 01.01.1990 [7.21] Bestimmung der Tonhaltigkeit von Geräuschen und Ermittlung eines Tonzuschlages für die Beurteilung von Geräuschemissionen. DIN 45681, Entwurf Januar 1992 [7.22] Hecht, M.: Kurvenkreischen: Ursachen und Gegenmaßnahmen. Schweizer Eisenbahnrevue 3/ 1995, Seite 103 bis 108. [7.23] Schmidt, H.: Schalltechnisches Taschenbuch: Schwingungskompendium. fünfte Auflage, VDI-Verlag, Düsseldorf, 1996 [7.24] Hecht, M. u. B. Kühn: Lärmarme Umrichter- und Fahrmotorventilation der SBB Re 460. Schweizer Eisenbahnrevue 9/ 1993, Seite 396 bis 399 [7.25] Hecht, M.: Fahrwerkkomponenten - neue Anforderungen und Entwicklungshilfsmittel. Eisenbahntechnische Rundschau ETR 11/ 98, S. 679-684 [7.26] Krüger, F. u. a.: Minderung der Geräuschimmissionen von Straßenbahnen in den neuen Bundesländern. UBA Forschungsbericht 105 05 151, Dezember 1993 [7.27] Krüger, F.: Ermittlung von Grundlagen und messtechnische Untersuchungen zur schall- und schwingungstechnischen Optimierung von Schienenfahrzeugen für den Regionalverkehr. STUVA e.V. - Köln, Band I Literaturauswertung - April 1994 [7.28] Broschart, T./ Neumann, D./ Rodemerk, T. und J. Schüler: Optimierung des akustischen und schwingungstechnischen Verhaltens wirtschaftlicher Dieselleichttriebwagen für den Regionalverkehr. DUEWAG-UERDINGEN, BMBF-FB TV 9361, November 1996 (akustischer Teil) [7.29] VDV Schrift 154 - Geräusche von Schienenfahrzeugen des Öffentlichen Personen-Nahverkehrs (ÖPNV). Ausgabe Juni 2011, Neuauflage 2023 [7.30] Krüger, F./ Becker, H. und P. Prüm: Ermittlung von Grundlagen und messtechnische Untersuchungen zur schall- und schwingungstechnischen Optimierung von Schienenfahrzeugen für den Regionalverkehr. BMBF-Forschungsvorhaben mit dem Förderkennzeichen 19 N 9364 6, Band II Messtechnische Analyse - Dezember 1996 [7.31] Sechzehnte Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes - Verkehrslärmschutzverordnung (16. BImSchV), Anlage 2 - Schall 03, Stand 1.1.2015 [7.32] VDV-Mitteilung 1541: Geräusche von Eisenbahnfahrzeugen in der Fahrzeugabstellung einschl. Vorbereitungs- und Abschlussdienst. 11/ 2017 [7.33] Krüger, F. (Hrsg.): Kurvengeräusche Messung, Bewertung und Minderungsmaßnahmen. Schriftenreihe für Verkehr und Technik. Band 97 (2013). Erich Schmidt Verlag [7.34] VDV-Schrift 611 - Geräusche in Gleisbögen des schienengebundenen ÖPNV - Handlungsempfehlungen zu ihrer Verminderung. 11-2011 [7.35] Landwehr, E. u. G. Hölzl: Bauliche Schallschutzanlagen an Neubau- und Ausbaustrecken der Deutschen Bundesbahn. Die Bundesbahn 10/ 1981, S. 823-828 [7.36] Thomas Gerlach: Beschreibung von lärmmindernden Maßnahmen von Straßenbahnen Darstellung und Kurzbeschreibung von Radschallabsorbern für gummigefederte Räder von Straßenbahnen. Technische Strategien zur geräuscharmen Kurvenfahrt, Ergebnisse aus Forschung und Praxis. Gutehoffnungshütte Radsatz GmbH (GHH-Radsatz), (2019) [7.37] Fehndrich, M.: Bochumer Verein Verkehrstechnik GmbH (BVV) [7.38] Gramowski, Ch.: Lärmbekämpfung mit S&V Schwingungsabsorbern, Präsentation Schrey & Veit GmbH 318 7 Schallminderungsmaßnahmen <?page no="323"?> [7.39] Landwehr, E. u. G. Hölzl: Bauliche Schallschutzanlagen an Neubau- und Ausbaustrecken der Deutschen Bundesbahn. Die Bundesbahn 57 (1981) Nr. 10, S. 823 - 828 [7.40] Krüger, F. u. K. Martini: Verbundprojekt Leiser Verkehr - Kurvengeräusche. Entwicklung von anwendungsreifen und wirksamen Maßnahmen zur Reduzierung von Kurvenquietschen an Rad und Schiene, Teilvorhaben STUVA: Phänomenologische Beschreibung von Kurvengeräuschen. BMBF/ BMWi - Forschung, Abschlussbericht Förderungskennzeichen: 19 U 5001H. September 2009 [7.41] Vierundzwanzigste Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (Verkehrswege-Schallschutzmaßnahmenverordnung - 24. BlmSchV). 4. Februar 1997 [7.42] Krüger, F.: Handbuch - Schall und Erschütterungen beim Schienennahverkehr, (Vertrieb durch BEKA, Köln) (2002), (im Auftrag VDV) [7.43] Krüger, F./ Girnau, G./ Martini, K. u. D. Amende: Handlungsempfehlungen zur Lärmminderung im innerstädtischen Schienenpersonennahverkehr. Forschungs- und Entwicklungsvorhaben 205 54 150 im Rahmen des Umweltforschungsplans 2004. Dez. 2007 [7.44] Asmussen, B. u. K. G. Degen: Innovative Maßnahmen zum Lärm- und Erschütterungsschutz am Fahrweg - Schlussbericht. Erstellt am: 14.11.2013. Deutsche Bahn AG [7.45] Kappis, Ch. / Schreiter, H. u. a.: Handbuch Gleisbegrünung - Planung - Ausführung - Pflege. ISBN 978-3-96245-045-8. September 2014 [7.46] Hölzl, G. und Chr. Kellermann: Innenschallpegel in bestehenden Reisezugwagen, die für den Verkehr mit 200 km/ h auf den Neubaustrecken vorgesehen sind. Archiv für Eisenbahntechnik Folge 41, Oktober 1986 [7.47] Hölzl, G. und P. Hafner: Schienenverkehrsgeräusche und ihre Minderung durch Schallschutzwände. Lärmbekämpfung 27, 92-99 (1980) [7.48] VDI 2720, Blatt 1 (Schallschutz durch Abschirmungen) [7.49] Möser, M.: Die Wirkung von zylindrischen Aufsätzen an Schallschirmen. Acustica 81 (95) 6, S.565 ff [7.50] Möser, M. u. R. Volz: Improvement of Sound Barriers Using Headpieces with Finite Acoustic Impedance. JASA 106 (99) 6, p. 3049 ff [7.51] Hölzl, G./ Holm, P. und G. Müller: Akustische Vorteile der Festen Fahrbahn gegenüber dem Schotteroberbau bei tiefen Frequenzen. ETR, 45 (1996), H. 1/ 2, Januar/ Februar [7.52] Hölzl, G. und K. Werner: Schlupfriffeln bei zu schneller Lokomotivanfahrt. ZEV + DET Glas. Ann. 118 (1994) Nr. 4 April. [7.53] Groß, K.: Zusammenhänge zwischen den Geräuschpegeln von Schienenbahnen und Oberflächenrauhigkeiten von Rad und Schiene. TV 7842 2 ( Januar 1982), STUVA, Köln, Bericht 15* ) [7.54] Danneskiold-Samsøe, U./ Kalivoda, M./ Degn, U./ Krüger, F. u. B. Barsikow: A Study of European Priorities and Strategies for Railway Noise Abatement. Final Report (2002). Erstellt für: EU Commission, Directorate-General for Energy and Transport [7.55] Hulsch, E. u. P. Uhlemann: Straßenbahn-Gleisinstandhaltung und kommunaler Lärmschutz: Schienenriffel erfordern kontinuierliches Schleifen. DER NAHVERKEHR 12/ 99; S. 34-36 [7.56] Hölzl, G.: Moderne Fahrzeugtechnik: Durchgeführte Maßnahmen zur Reduzierung der Schallemission am Beispiel des ICE. ETR 42 (1993), H. 3 - März. [7.57] Hölzl, G. und B. Barsikow: Schallminderungsmaßnahmen an Güterwagen. DAGA 1995. [7.58] Kellermann, Chr. und G. Hölzl: Schalldämmung in Reisezugwagen für den Schnellverkehr auf NBS. Eisenbahntechnische Rundschau, H. 12 - Dezember (1987) 7.16 Literatur zu Kapitel 7 319 <?page no="324"?> [7.59] Auer, F.: Zur Reduktion der Schlupfwellenbildung - Konstruktive Möglichkeiten zur Verzögerung der Schlupfwellenbildung an den bogeninneren Schienen in engen Gleisbögen. EI-Eisenbahningenieur | März 2012 [7.60] Garbe, E./ Kasten, P. / Krüger, F. u. a.: Geräuschsituation bei neuen Schienenfahrzeugen des Stadtverkehrs (U-Bahnen, Stadtbahnen, Straßenbahnen) und Möglichkeiten zur weiteren Geräuschminderung sowie Ergänzungsmessungen an Rasengleisstrecken. STUVA Forschungsberichte 25/ 91 [7.61] Kasten, P. und F. Krüger: Geräuschsituation bei neuen Schienenfahrzeugen des Stadtverkehrs (U-Bahnen, Stadtbahnen, Straßenbahnen). Verkehr und Technik 1994, Teil I Heft 3, S. 83-90 und Teil II Heft 4 S. 123-128 [7.62] VDB: R744-Klimaanlagen in Schienenfahrzeugen: technische Auslegungsgrundlagen und Sicherheitsnachweise [7.63] Lutzenberger, St. und Ch. Gutmann: Ermittlung des Standes der Technik der Geräuschemissionen europäischer Schienenfahrzeuge und deren Lärmminderungspotenzial mit Darstellung von Best-Practice Beispielen. Müller-BBM. Umweltforschungsplan des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, Forschungskennzahl 3709 54 145 UBA-FB 001700 (2013), http: / / www.ub a.de/ uba-info-medien/ 4441.html [7.64] Empfehlungen für Anforderungen an Fahrzeuge in Vergabeverfahren für Mitglieder der BAG-SPNV 3. Ausgabe Berlin, März 2016 [7.65] Amtsblatt der Europäischen Union: Technische Spezifikation für Interoperabilität Teilsystem: konventionelle Fahrzeuge Anwendungsbereich: Lärm Teilbereich: von Güterwagen, Lokomotiven, Triebzügen und Reisezugwagen ausgehende Lärmemissionen, L 99/ 5 [7.66] Clausen, U. / Doll, C. / Franklin, F. J. / Franklin, G. V. / Heinrichmeyer, H. / Kochsiek, J. / Rothengatter, W. und N. Sieber: Reduzierung der Lärmbelästigung durch Schienenverkehr, Studie (2012), http: / / www.europarl.europa.eu/ studies [7.67] https: / / www.frauscher.com/ de/ produkte/ axel-counting, letzter Zugriff am 15.08.2021 [7.68] Berndt, P.: Untersuchung zur Geräuschminderung bei Scheibenbremsen im Schienennahverkehr. Knorr-Bremse GmbH. München, November 1987, Bericht 12* ) [7.69] Quietschfreie Hochleistungsscheibenbremse DISSQ - Disc Suppressing Squeal (2005) - Beier, M.: Akustische Untersuchungen und Fahrversuche - Teilvorhaben Deutsche Bahn AG - Becker-Lindhorst, K.: Konstruktive Bremsentwicklung und Prüfstandtests - Teilvorhaben Knorr-Bremse GmbH - Schiffers, T.: Entwicklung des Bremsbelages - Teilvorhaben Becorit GmbH [7.70] Hölzl, G.: Schall- und Erschütterungsschutz im Schienenverkehr. expert verlag, Band 565 (2001), Kap. 13 [7.71] Stiebel, D.: Schulung Voestalpine BWG (2015), Brückendröhnen (unveröffentlicht) [7.72] Lenz, U./ Krüger, F. u. a.: Forschungsverbund Leiser Verkehr - Leise Züge und Trassen - Geräusche im Schienennahverkehr, Handbuch: Maßnahmen zur Verminderung der in Gleisbögen auftretenden Geräusche (Mai 2008). Gefördert aus Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung und des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie unter dem Förderkennzeichen 19U5001 - * ) Berichte aus BMFT-Forschungsprogramm „Verminderung des Verkehrslärms in Städten und Gemeinden“ - Teilprogramm „Schienennahverkehr“). 320 7 Schallminderungsmaßnahmen <?page no="325"?> 7.16.1 Ergänzende Literatur zum Thema Schallminderung 1. NN: Unter dem Titel „Lärmarm Konstruieren“ sind bis 1985 BAU-Forschungsberichte (Dortmund) folgender Nummern erschienen: - - 1.01 129 I Beispiele für die Praxis - - 1.02 135 II Bestandsaufnahme bestimmter Maßnahmen - - 1/ 03 169 III Änderung der Eingangsimpedanz als Maßnahme zur Lärmminderung - - 1.04 203 IV Körperschalldämpfung mittels Gas- und Flüssigkeitsschichten - - 1.05 204 V Lärmminderung an Bürooffsetdruckmaschinen - - 1.06 312 VI Körperschalldämpfung durch Kunststoffschichten an Strukturen aus Stahl - - 1.07 321 VII Gestaltung dünnwandiger Blechbauteile - - 1.08 353 VIII Impedanztabellen von Normprofilen - - 1.09 355 IX Lärmminderung von Hydraulik-Ventilen - - 1.10 387 X Luftschallabstrahlung von krafterregten Strukturen - - 1.11 394 XI Lärmminderung an Büromaschinen - - 1.12 398 XII Mechanische Impedanzen 2. VDI 3720: Lärmarm konstruieren; Bl. 1: - Allgemeine Grundlagen (1980), Bl. 2: - Beispielsammlung (1982) 3. Kasten, P. und F. Krüger: Geräusche bei neuen Schienenfahrzeugen des Stadtverkehrs (U-Bahnen, Stadtbahnen, Straßenbahnen), Eine Bestandsaufnahme aus den alten Bundesländern; Verkehr und Technik 1994, Teil 1: Heft 3, S. 83-90/ Teil 2: Heft 4, S. 123-128 4. Krüger. F.: Kurvenquietschen und seine Minderung durch Schienendämpfungselemente - Grundlagen, Anordnungsoptimierung und vorbereitende Untersuchungen für einen Feldversuch. Verkehr und Technik 1995, Heft 9, S. 364 ff 5. Krüger, F.: Das Kurvenquietschen im Schienennahverkehr - Ermittlung von Korrekturwerten zur Berücksichtigung in der Schall 03. DER NAHVERKEHR 7-8/ 95, S. 62 ff 6. Hölzl, G.: Die Schallabstrahlung von Schnellfahrzügen. Leichtbau der Verkehrs-Fahrzeuge, 1 + 2 (1979) 23. Jahrgang. 7. Hölzl, G.: Das leise Rad. Die Deutsche Bahn 3/ 1993 8. Hölzl, G. und Chr. Kellermann: Der Hochgeschwindigkeitszug ICE/ V - schneller und leiser. Eisenbahntechnische Rundschau, Januar/ Februar 1989 9. Hölzl, G.: Schalloptimiertes Rad - ein Beitrag zur leisen Bahn. ZEV + DET Glas. Ann. 118 (1994) Nr. 1 Januar. 10. Günter, B.C./ Hansen, K.-H. und I. Veit: Technische Akustik - Ausgewählte Kapitel: Grundlagen, aktuelle Probleme und Messtechnik. Expert-Verlag, Band 18 - Schienenverkehrslärm - Forschungsprojekte von 1970 bis 2011, Datenbankauszug aus der Umweltforschungsdatenbank UFORDAT von Dirk Groh, Larissa Pipke Umweltbundesamt. Diese Publikation ist ausschließlich als Download unter http: / / www.uba.de/ uba-info-medien/ 4157.html verfügbar. 7.16 Literatur zu Kapitel 7 321 <?page no="326"?> 8 Prognose- und Bewertungsverfahren für Luftschall F. Krüger 8.1 Überblick Das Bundes-Immissionsschutzgesetz - BImSchG [8.1] ist die Grundlage für die Ermittlung und Bewertung der Schallimmissionen von Eisenbahnen und Straßenbahnen. In Kap. 9 wird hierauf intensiver eingegangen. Besondere Bedeutung haben hierbei die beiden §§ 41 und 43 des Gesetzes. In § 41 ist festgelegt, dass beim Bau oder der wesentlichen Änderung öffentlicher Straßen sowie von Eisenbahnen und Straßenbahnen sicherzustellen ist, dass durch diese keine schädlichen Umwelteinwirkungen durch Verkehrsgeräusche hervorgerufen werden können, die nach dem Stand der Technik vermeidbar sind. In § 43 wird die Bundesregierung ermächtigt, nach Anhörung der beteiligten Kreise durch Rechtsverordnung mit Zustimmung des Bundesrates die zur Durchführung des § 41 erforderlichen Vorschriften zu erlassen. Dies mündete in der Veröffentlichung der Verkehrslärmschutzverordnung - 16. BImSchV von 1990, letzte Änderung 2014 [8.2]. Die Beurteilung des Verkehrslärms erfolgt anhand von Mittelungspegeln. In die Mittelungs‐ pegel gehen Stärke und Dauer der Einzelgeräusche ein. Die berechneten Mittelungspegel in dB(A) (energieäquivalente Dauerschalldruckpegel) sind die zeitlichen Mittelungspegel des A-bewerte‐ ten Schalldruckpegels. Nach Vorgabe des Gesetzgebers ist der Beurteilungspegel grundsätzlich zu berechnen, da nur diese Methode eine direkte Vergleichbarkeit von verschiedenen Untersuchungsgebieten ermöglicht (Grundsatz der Gleichbehandlung aller Betroffenen). Wie bereits in Kapitel 6 erwähnt, sind Messergebnisse von vielen örtlichen und zeitlichen Parametern abhängig. Schalldruckpe‐ gel-Messergebnisse beschreiben demnach immer nur den Zustand z. Z. der Messung, es sei denn, dass sie über eine Dauermessstation oder mehreren Stichprobenmessungen erhalten werden. Des Weiteren sind Schallpegelmessungen bei geplanten Strecken nicht möglich. Mit den im Folgenden beschriebenen Gleichungen sind aber auch für Planungssituationen Prognosen des Beurteilungspegels machbar und in der Regel auch erforderlich. Dies ermöglicht die rechtzeitige Festlegung von Schallschutzmaßnahmen - falls benötigt - an der Strecke (z. B. Schallschutzwände, Erdwälle) oder an den Gebäuden (z. B. Schallschutzfenster). Die berechneten Beurteilungspegel sind dann mit den Grenzwerten zu vergleichen, wobei die Rechenergebnisse immer auf ganze Pegelwerte aufzurunden sind (z. B. von 48,1 dB(A) auf 49 dB(A)). In die Berechnungen gehen die Parameter wie Wind, Temperatur, Inversionswetterlage usw. ein. Es werden folgende Witterungsparameter zugrunde gelegt: • Leichter Wind (ca. 3-m/ s), der von der Schiene zum Immissionsort weht (leichter Mitwind), • Temperaturinversionen, die zu etwas höheren Schallpegeln führen können. Die hiermit berechneten Mittelungspegel können etwas höher sein als die gemessenen Schallpegel (je nach Witterungslage während der Messungen und in Abhängigkeit vom Zustand Fahrzeug und Gleis). Zur Berechnung der Schallimmissionen wird spezielle Software eingesetzt. Mit dieser Software wird anhand der digitalisierten Geometrie der Strecke, der Umgebung und der Gebäude <?page no="327"?> sowie weiteren Kennwerten, wie z. B. Anzahl, Geschwindigkeit und Länge (Anzahl der Radachsen) der im Beurteilungszeitraum verkehrenden Züge, der Beurteilungspegel berechnet. Das Berechnungsverfahren zur Ermittlung des Beurteilungspegels ist in der Anlage 2 zur 16. BImSchV (2014) beschrieben. Bei der Bestimmung der Beurteilungspegel sind auch die in der Richtlinie genannten Besonderheiten für Brücken, Bahnübergänge, Bahnhöfe, Streckenführung (Gleisbögen) usw. zu beachten. 8.2 Verkehrslärmschutzverordnung 8.2.1 Anwendungsbereich Der Anwendungsbereich dieser Verordnung ist in § 1 wie folgt festgelegt ([8.2], [8.3]): § 1 Anwendungsbereich Die Verordnung gilt für den Bau oder die wesentliche Änderung von Schienenwegen der Eisenbahnen und Straßenbahnen. Eine Änderung ist wesentlich, wenn: 1. Ein Schienenweg um ein oder mehrere durchgehende Gleise baulich erweitert wird oder 2. durch einen erheblichen baulichen Eingriff der Beurteilungspegel L r des von dem zu ändern‐ den Verkehrsweg ausgehenden Verkehrslärms wie folgt erhöht wird: Erhöhung um mindestens 3 dB(A) Erhöhung auf mindestens: - 70-dB(A) am Tage, - 60-dB(A) in der Nacht Eine Änderung ist auch wesentlich, wenn der Beurteilungspegel des von dem zu verändernden Verkehrsweg ausgehenden Verkehrslärms von mindestens 70 Dezibel (A) am Tage oder 60 Dezibel (A) in der Nacht durch einen erheblichen baulichen Eingriff erhöht wird; dies gilt nicht in Gewerbegebieten. Die 16. BImSchV ist immer dann anzuwenden, wenn eine Strecke neu gebaut wird oder an einer bestehenden Strecke eine wesentliche (bauliche) Änderung vorgenommen wird. § 3 Berechnung des Beurteilungspegels Der Beurteilungspegel L r ist nach Anlage 2 der 16. BImSchV (Schall 03), getrennt für den Tag T (06: 00 Uhr bis 22: 00 Uhr) und für die Nacht N (22: 00 Uhr bis 06: 00 Uhr) zu berechnen. Bei der Berechnung sind insbesondere folgende Rahmenbedingungen zu beachten: 1. Die Schallpegelkennwerte von Fahrzeugen und Fahrwegen, 2. die Einflüsse auf dem Ausbreitungsweg, 3. die Besonderheiten des Schienenverkehrs durch Zu- und Abschläge: a. für die Lästigkeit von Geräuschen infolge ihres zeitlichen Verlaufs, ihrer Dauer, ihrer Häufigkeit und ihrer Frequenz sowie b. für die Lästigkeit ton- und impulshaltiger Geräusche. Die Berechnung des Beurteilungspegels geht, unter Berücksichtigung der oben genannten Rah‐ menbedingungen, vom längenbezogenen Schallleistungspegel aus. Der Pegel der längenbezoge‐ 8.2 Verkehrslärmschutzverordnung 323 <?page no="328"?> (8.1) (8.2) nen Schallleistung L W'A,ƒ,h,m,Fz im Oktavband ƒ, im Höhenbereich h, infolge einer Teil-Schallquelle m, für eine Fahrzeugeinheit der Fahrzeug-Kategorie Fz je Stunde wird nach Gleichung (8.1) berechnet: L W ′A, f , ℎ, m, Fz = a A, ℎ, m, Fz + Δa f , ℎ, m, Fz + 10 • lg n Q n Q, 0 dB + b f , ℎ, m • lg v Fz v 0 ; dB + ∑ c c1 f , ℎ, m, c + c2 f , ℎ, m, c + ∑ k K k Dabei bezeichnen: ɑ A,h,m,Fz A-bewerteter Gesamtpegel der längenbezogenen Schallleistung bei der Bezugsgeschwindigkeit v 0 -=-100-km/ h auf Schwellengleis mit durchschnittlichem Fahrflächenzustand, in dB, Δɑ ƒ,h,m,Fz Pegeldifferenz im Oktavband ƒ, in dB, n Q Anzahl der Schallquellen der Fahrzeugeinheit, n Q,0 Bezugsanzahl der Schallquellen der Fahrzeugeinheit, b ƒ,h,m Geschwindigkeitsfaktor, v Fz Geschwindigkeit in km/ h, v 0 Bezugsgeschwindigkeit,-v 0 -=-100-km/ h, ∑ C c1 f , ℎ, m, c + c2 f , ℎ, m, c Summe der-c-Pegelkorrekturen für Fahrbahnart (c1) und Fahrfläche (c2), in dB, ∑ k K k Summe der „k“ Pegelkorrekturen für Brücken und die Auffälligkeit von Geräuschen, in dB. Anmerkung: In den Beiblättern 1 und 2 der 16. BImSchV sind die Indizes h, m und Fz nicht mitgeführt. In den Berechnungen werden die acht Oktavbänder ƒ mit den Mittenfrequenzen von 63 Hz bis 8.000 Hz berücksichtigt. Die zu verwendenden Parameter sind in Nummer 4 für Eisenbahnen und in Nummer 5 für Straßenbahnen zusammengestellt, [8.2]. Bei Verkehr von n Fz Fahrzeugeinheiten pro Stunde der Fahrzeugart wird der Pegel der längen‐ bezogenen Schallleistung im Oktavband ƒ und Höhenbereich h nach Gleichung (8.2) berechnet: L W ′A, f , ℎ = 10 • lg ∑ m, Fz n Fz • 10 0, 1 • L W ′A, f , ℎ, m, Fz Die zu beurteilenden Strecken werden in Abschnitte mit gleichmäßiger Schallemission eingeteilt. 8.2.2 Vergleich Eisenbahn - Straßenbahn Um die unterschiedlichen Parameter von Eisenbahn und Straßenbahn besser darstellen zu können, wurde je ein getrenntes Kap. für die Emissionen beider Systeme eingefügt. In Tabelle 8.1 sind einige wesentliche Unterschiede zwischen der Eisenbahn und der Straßenbahn enthalten. Unter dem Begriff „Straßenbahn“ werden Straßen-, Stadt- und U-Bahnen zusammengefasst. 324 8 Prognose- und Bewertungsverfahren für Luftschall <?page no="329"?> Kriterium Eisenbahn Straßenbahn Fahrzeugarten Zehn Fahrzeugarten Drei Fahrzeugarten Verkehrszusammensetzung 19 Zugarten mit einer unterschiedlichen Anzahl von Fahrzeugeinheiten je Fahrzeugkategorie Keine Angaben Geschwindigkeitsklassen unterschiedliche Höchstgeschwindigkeiten, von 100-km/ h (Güterzug) bis 300-km/ h (ICE/ Thalis). Keine Angaben (in der Regel 70-km/ h oder 80-km/ h). Bezugsgeschwindigkeit v 0 100-km/ h 100-km/ h Anzusetzende Geschwindigkeit für die Berechnung - Streckenhöchstgeschwindigkeit v Str oder Fahrzeughöchstgeschwindigkeit v Fz , wenn v Fz < v Str , ist. Schallquellen • Rollgeräusche • Aerodynamische Geräusche • Aggregatgeräusche • Antriebsgeräusche • Fahrgeräusche (Rollgeräusche + Motor- und Getriebegeräusche) • Aggregatgeräusche Fahrbahnart • Schottergleis oder Schwellengleis (Bezugsfahrbahn), keine Unterschiede des Schwellenwerkstoffs (Holz, Beton, Stahl), dies gilt auch für die Straßenbahn • Feste Fahrbahn (ohne/ mit Absorber, Dämpfer) • Schottergleis (Bezugsfahrbahn), • Straßenbündiger Bahnkörper und • Feste Fahrbahn, • Begrünter Bahnkörper - Gleiseindeckung mit tiefliegender Vegetationsebene und • Begrünter Bahnkörper - Gleiseindeckung mit hochliegender Vegetationsebene Fahrflächenzustand Unterschiedliche Rauheitszustände von Rad und Schiene. Dies gilt insbesondere (noch) für Güterwagen. Es wird von einem durchschnittlichen Fahrflächenzustand und ohne besondere akustische Maßnahmen an der Schiene ausgegangen. Gleiche Rauheitszustände von Rad und Schiene. Es wird eine „Spiegelung“ der Rauheiten angenommen. Es wird von einem „durchschnittlich gepflegten Rad-Schiene-System“ ausgegangen. Bahnhofsbereiche und Haltestellen Berechnung mit v der freien Strecke, mindestens mit v = 70-km/ h und einer Länge von l = l Haltestelle ± 100-m. Hiermit Berücksichtigung der Geräusche von Weichenüberfahrten, Anfahren und Bremsen usw. Berechnung mit v = 50-km/ h und einer Länge von l = l Haltestelle ± 25 m; außer Bereiche mit v max ≤ 30 km/ h, dann Berechnung mit v = 30-km/ h 8.2 Verkehrslärmschutzverordnung 325 <?page no="330"?> Kriterium Eisenbahn Straßenbahn Brücken und Viadukte Vier unterschiedliche Brücken und Fahrbahnarten, ohne und mit Minderungsmaßnahmen. Die Schwankungsbreite der ermittelten Korrekturwerte ist sehr groß, die angegebenen Korrekturwerte repräsentieren daher nur die Mittelwerte. Wie bei der Eisenbahn Anmerkung: Mangels vorliegen‐ der schalltechnischer Untersu‐ chungen wurden die Korrektur‐ werte der Eisenbahn übernommen. Es kann davon ausgegangen wer‐ den, dass diese Werte für Viadukte zu hoch sind. Bahnübergänge Erhöhte Schienenrauheit und Reflexionen an der Fahrbahn (Asphalt/ Beton) Entfällt in der Regel Kurvenradien Übernahme der Korrekturwerte der Schall 03 (1990) • Berechnung mit v-=-50-km/ h sowie • für r < 200-m ohne Schallmindernde Maßnahmen + K L = 4-dB r in m K L dB K LA dB r < 300 8 -3 300 ≤ r < 500 3 -3 r ≥ 500 0 - K L Pegelkorrektur ohne SMN K LA Pegelkorrektur mit SMN, SMN = Schallminderungsmaßnahme (K ges = K L + K LA ) Weichen und Kreuzungen Keine Angaben zu erhöhten Schallemissionen in Weichenbereichen, siehe unter Bahnhöfe Berechnung mit v = 50-km/ h mit einer Länge von l = l Weiche, Kreuzung ± 25-m Minderungsmaßnahmen Rollgeräusch am Gleis • besonders überwachtes Gleis, • Schienenstegdämpfer, • Schienenstegabschirmung - Minderungsmaßnahmen Kurvengeräusche [8.4] Anwendung von „Reibmodifikatoren“, die das Auftreten von Quietschgeräuschen dauerhaft verhindern. Dies gilt auch für Bremsanlagen in Rangierbahnhöfen. • Behandlungsmaßnahmen am Schienenkopf, • Radabsorber, • (Spurkranzschmiereinrichtung, diese haben nur eine eingeschränkte den Schall mindernde Wirkung). Rangier- und Umschlagbahnhöfe Siehe 4.8 und 4.9 der 16.-BImSchV entfällt Tabelle 8.1: Kriterien zur Berechnung der Schallleistung, Vergleich Eisenbahnen - Straßenbahnen Alle Korrekturwerte beruhen auf umfangreiche Schallpegelmessungen im gesamten Bundesge‐ biet. Die ermittelten Messwerte wurden in einer Datenbank zusammengeführt und statistisch ausgewertet. Insbesondere gilt dies für die Geräusche (Anregung und Minderung in den Oktav‐ bändern von 63-Hz bis 8-kHz) für: 326 8 Prognose- und Bewertungsverfahren für Luftschall <?page no="331"?> • Fahrzeugart, • Rad- und Schienenrauheit (Rollgeräusche), • Kurven (Abhängigkeit vom Bogenradius), • Brücken und Viadukte, • Haltestellen, Weichen und Kreuzungen, • Rangier- und Umschlagbahnhöfen, • Geschwindigkeit sowie • der Schallquellenhöhe. Für alle genannten Kriterien sind in [8.2] entsprechende Korrekturwerte enthalten. 8.2.3 Basis für die Angaben in der 16. BImSchV Als ein Beispiel zur Ermittlung der Korrekturwerte für Straßenbahnen dienen Tabelle 8.2 und Tabelle 8.3. Vorhandene und neue Messungen wurden gemäß den Vorgaben dieser Tabellen ausgewertet, [8.7]. Diese Daten sind dann in eine „große“ Datenbank eingeflossen. Ein Beispiel hierfür zeigt Tabelle 8.4. Entsprechende Vorgaben erfolgten auch für die Eisenbahn. - Bezugswert Einheit Beispiel 1 2 3 4 Fahrzeugtyp - - A 3) Anzahl der Achsen / Einheit - - 6 Messpunkt: Abstand zur Gleisachse zum 7,5 m - Messpunkt: Höhe über Schienenoberkante (SO) 1,2 m - Schienenoberkante über Grund (SOüG) - m - v (mittlere Vorbeifahrgeschwindigkeit) - km/ h 20 Bezugsgeschwindigkeit v 0 100 km/ h - l (gesamte Fahrzeuglänge) - m 21,1 Messort - - A7 Fahrbahnart / Zustand - - 1 / DS 1) Fahrzeugart / Zustand - - NF 2) / DS Kurve/ Gerade (Gerade R > 500 m) - - K Kurvenradius R - m 25 T rec (T p + Zeiten für an- und abschwellenden Schallpegel) - sec. 4,2 1) : DS: Durchschnittlicher Zustand 2) : NF: Niederflurfahrzeug 3) : Siehe nächste Tabelle Tabelle 8.2: Zusammenstellung der Messdaten in eine Tabelle (Beispiel für eine Vorgabe, hier Fahrt durch einen Gleisbogen) 8.2 Verkehrslärmschutzverordnung 327 <?page no="332"?> Fahrzeugart Fahrbahnart Straßen‐ bahn, niederflur - Straßen‐ bahn, hochflur 1) Stadtbahn, niederflur Stadtbahn, hochflur U-Bahn, (hochflur) - A B C D E Schottergleis HS / BS X X - X X Straßenbündig Rillenschienen X - - - - FF, offener Oberbau ohne Absorber - - - - - FF, offener Oberbau mit Absorber - - - - - FF, geschlossener Oberbau 4) - - - - - Rasengleis tiefliegender Rasen X - - X - Rasengleis hochliegender Rasen X X - X - Hochelastische Schienenlager 2) - - - - - Masse-Feder-System 3) - - - - - 1) Hochflurstraßenbahnen sind ein „Auslaufmodell“, sie sind allerdings noch einige Jahre im Einsatz. 2) In Kombination mit? 3) Immer mit schallharter Oberfläche 4) Es ist zu prüfen, ob es so etwas gibt (Infundo) FF: Feste Fahrbahn HS: Holzschwellen BS: Betonschwellen Tabelle 8.3: Kombinationsmöglichkeiten Fahrbahnarten (Oberbauformen) zu Fahrzeugarten 328 8 Prognose- und Bewertungsverfahren für Luftschall <?page no="333"?> Strecke Fahrzeug Messpunkt lfd. Nr. Oberbauart Zustand Schiene Kurve / Gerade Kurvenradius Fahrzeugart Zustand Rad Länge pro Einheit Anzahl Wagen Zuglänge gesamt Achsen pro Wagen Messort Gleis, Fahrrichtung SOüG - Code - - m Code - m - m - Code - m 23 1 DS G - E DS 31,7 1 31,7 8 C11 1 6 26 1 DS G - E DS 31,7 1 31,7 8 C11 1 6 - Messwerte Stundenpegel L pAeq,1h je Oktave lfd. Nr v T m L pAeq,T L pAFmax 63 Hz 125 Hz 250 Hz 500 Hz 1000 Hz 2000 Hz 4000 Hz 8000 Hz - km/ h sec. dB(A) dB(A) dB(A) 23 60 2,22 77,3 79,6 12,6 22,8 33,0 37,6 41,6 39,9 34,0 24,2 24 60 2,26 77,0 79,3 12,1 22,5 32,3 36,9 41,5 39,6 33,7 24,0 Tabelle 8.4: Beispiel für eine Datentabelle zur Ermittlung der Korrekturwerte nach Anlage 2 zur 16. BImSchV (2014) für Straßenbahnen 8.3 Einflüsse auf dem Ausbreitungsweg und Bahnhöfe Nähere Ausführungen zur Minderung durch Schallschutzmaßnahmen auf dem Ausbreitungsweg sind in Kapitel 7 enthalten. Die Emissionspegel von Zug- und Rangierfahrten in Personenbahnhöfen werden vereinfachend wie für die freie Strecke berechnet. Abschirmungen durch Bahnsteigkanten u. ä. sind nicht zu berücksichtigen; ebenso nicht die Emission von Karrenfahrten, Lautsprecheransagen u. ä. Für den Einfluss der Fahrgeschwindigkeit der Züge sind die in Tabelle 8.1 genannten Korrekturwerte anzusetzen. Hierbei handelt es sich in der Regel um die maximal zulässigen Geschwindigkeiten der einzelnen Zugarten, ist die zulässige Streckenhöchstgeschwindigkeit niedriger, dann ist diese anzusetzen. Für Rangierbahnhöfe und Knotenpunktsysteme in anderen Bahnhöfen, Umschlag‐ bahnhöfe und sonstige Bahnhöfe gelten besondere Regelungen, [8.2]. 8.4 Durchführung einer schalltechnischen Untersuchung nach 16. BImSchV 8.4.1 Überblick Unter Berücksichtigung der gesetzlichen Vorgaben ergeben sich eine Reihe von Fragestellungen im Hinblick auf die praktische Vorgehensweise bei schalltechnischen Untersuchungen, [8.5]. 8.3 Einflüsse auf dem Ausbreitungsweg und Bahnhöfe 329 <?page no="334"?> Diese werden im Folgenden aufgezeigt und diskutiert. Hierzu gehören auch Fragen hinsichtlich der technischen Umsetzung unter Anwendung geeigneter Software sowie der Aufbereitung und Darstellung der Rechenergebnisse. 8.4.2 Wesentliche Änderung In der 16. BImSchV wird die wesentliche Änderung durch die Erweiterung einer bestehenden Strecke durch ein oder mehrere durchgehende Gleise definiert. Außerdem ist hierfür auch der berechnete Beurteilungspegel als Kriterium heranzuziehen (siehe Abschnitt 8.2). Nach dieser Definition werden Unterschiede der Beurteilungspegel zur Festlegung der er‐ heblichen Änderung herangezogen, somit ist es bei einer Planfeststellung erforderlich, die Beurteilungspegel für den derzeitigen und den künftigen baulichen Zustand zu ermitteln. Den Berechnungen ist ein einheitlicher Datensatz zugrunde zu legen, da nicht die Verkehrsentwick‐ lung, sondern die Auswirkungen der baulichen Änderung des Verkehrsweges zu bewerten ist. Hieraus folgt, dass die zukünftige Verkehrsbelastung auch bei der Berechnung für die derzeitige Situation (Ist-Zustand) zu berücksichtigen ist. 8.4.3 Erheblicher baulicher Eingriff Die 16. BImSchV ist anzuwenden beim (Neu-)Bau und bei einer wesentlichen (baulichen) Änderung von Schienenwegen der Eisen- und Straßenbahnen. In der Regel besteht Einigkeit bei Festlegung hinsichtlich des Baus eines (neuen) Schienenweges. Auch die Frage nach der baulichen Erweiterung eines vorhandenen Schienenweges (Erweiterung einer vorhandenen Strecke um ein oder mehrere durchgehende Gleise) stellt meistens kein Problem dar. Anders verhält es sich bei der Frage, ob eine wesentliche Änderung infolge eines erheblichen baulichen Eingriffs vorliegt oder nicht (s. § 1, Abs. 2.2 und Satz 2 der 16. BImSchV). Es ist hierbei grundsätzlich zu beachten, dass ein baulicher Eingriff als Voraussetzung für eine wesentliche Änderung vorliegen muss, [8.6]. Eine geringe Veränderung der Überhöhung der Fahrbahn (z. B., um schneller fahren zu können) und das Versetzen von Weichen ist nicht als erheblicher baulicher Eingriff zu bewerten. Folgende bauliche Maßnahmen gelten als „erheblicher baulicher Eingriff “: • Lageverschiebungen größer als ca. 1-m, • Gradientenänderungen größer als ca. 0,5-m, • der Bau von Brücken und die Elektrifizierung der Strecke. 8.4.4 Vorgehensweise - 8.4.4.1 Berechnung des Schallleistungspegels Ergibt die Voruntersuchung, dass der Bau oder die geplante bauliche Maßnahme eine wesentliche Änderung darstellt, dann ist eine schalltechnische Untersuchung nach Anlage 2 der 16. BImSchV (Schall 03) durchzuführen. Zu Beginn einer solchen Untersuchung steht die Zusammenstellung und Aufbereitung der für die durchzuführenden Schallberechnungen erforderlichen Daten. Für die computergestützte Berechnung sind alle erforderlichen Informationen (Daten) entweder in 330 8 Prognose- und Bewertungsverfahren für Luftschall <?page no="335"?> digitaler Form bereitzustellen oder in solche zu überführen. Ergibt die Berechnung, dass die Grenzwerte überschritten werden, dann sind geeignete Schallschutzmaßnahmen festzulegen. Aus den oben aufgeführten Gleichungen (8.1) und (8.2) zur Berechnung der Schallleistung ergeben sich die für die durchzuführenden Berechnungen erforderlichen Angaben. Im allg. setzt sich eine schalltechnische Untersuchung aus den folgenden Aufgaben zusammen. In Abhängigkeit von dem geplanten Bauvorhaben (Neubau oder bauliche Erweiterung um ein durchgehendes Gleis bzw. erheblicher baulicher Eingriff und Prüfung auf wesentliche Änderung) sind die entsprechenden Schallleistungspegel unter Berücksichtigung der Zug- und Fahrbahnparameter und des künftigen Betriebskonzeptes zu berechnen. Sie bilden die Basis für die Berechnungen. Hierzu gehört die Erhebung folgender Daten (getrennt für jede Zugart und jedes Gleis): • Verkehrsbelastung (Zugzahlen tags/ nachts), • Zugart (z. B. Güterzug, ICE, Nahverkehrsfahrzeug etc.), • Fahrgeschwindigkeit, • Anzahl der Achsen, • Fahrbahnart (von km „x“ bis km „y“), • Bahnübergang (von km „x“ bis km „y“), • Angaben zu Brücken / Viadukten (von km „x“ bis km „y“), • Angaben zur Gleislage (Achsen und Gradienten, Gleisbogenradius usw.), • Bereits vorhandene, die Schallemissionen mindernde Maßnahmen. Mit diesen Werten ist der Schallleistungspegel zu berechnen. In Bild 8.1 ist beispielhaft der Schallleistungspegel je Oktave für Straßenbahnen und verschie‐ dene Fahrbahnarten, berechnet mit Gleichung (8.1), dargestellt. 20 30 40 50 60 70 80 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 L W'A,100 , dB(A) Oktavmittenfrequenz f Okt , Hz Schotter FF grün-tief grün-hoch Bild 8.1: Beispiel für das Ergebnis einer Schallleistungsberechnung, Schotteroberbau (Referenz), FF = Feste Fahrbahn und in Straßenfahrbahnen eingebettete Gleise, grün tief = begrünter Bahnkörper mit tiefliegender Vegetationsebene, grün hoch = begrünter Bahnkörper mit hochliegender Vegetationsebene 8.4 Durchführung einer schalltechnischen Untersuchung nach 16. BImSchV 331 <?page no="336"?> 8.4.4.2 Berechnung der Schallimmissionspegel Der maßgebende Immissionsort richtet sich nach den Umständen im Einzelfall; vor Gebäuden liegt er in Höhe der Geschossdecke (0,2 m über der Fensteroberkante) des zu schützenden Raumes; bei Außenwohnbereichen liegt der Immissionsort 2 m über der Mitte der als Außenwohnbereich (z. B. Terrasse) genutzten Fläche. Zur Immissionsberechnung sind folgende weitere Daten erforderlich: • kürzester horizontaler Abstand s 0 zwischen Gleisachse und betrachtetem Immissionsort, • Topographische Gegebenheiten, die die Schallausbreitung beeinflussen, • Lage der Gleise im (Lärmschutz-) Tunnel, Trog, Einschnitt, mit Stützwänden oder auf einem Damm, • Lage und Art der Immissionsorte. Für die Berechnungen am PC müssen alle o. g. Daten in digitaler Form vorliegen. Die jeweilige Vorgehensweise ist den entsprechenden Softwareprodukten zu entnehmen. Eine entsprechende Vorgehensweise wird auch bei der Eingabe der Topographie angewendet. Das Geländemodell muss in eine entsprechende digitale Form gebracht werden. Eine besondere Sorgfalt bei der Eingabe dieser Daten ist erforderlich, da die Immissionspegel sehr stark hiervon beeinflusst werden. So sind auch bei Böschungen und Dämmen die Beugungskanten und deren relative Höhe zur Umgebung sowie die Gebäude genau zu erfassen. Grundsätzlich besteht die Möglichkeit auch den mittleren Maximalpegel L pAFmax,m nach Anlage 2 zur 16. BImSchV (2014) zu berechnen. Eine eindeutige Definition dieses Wertes ist - zumindest für die Eisenbahnen - nicht vorhanden [8.8]. In VDV 154 [4.10] wird hierzu der während einer Zugvorbeifahrt auftretende Maximalpegel als Basis für eine messtechnische Ermittlung herangezogen. 8.4.5 Untersuchungsgebiet Beim Neubau einer Strecke und der Beurteilung nach 16. BlmSchV besteht grundsätzlich dann ein Anspruch auf Schallschutzmaßnahmen, wenn der Beurteilungspegel an einem schutzbedürftigen Gebäude den zutreffenden Immissionsgrenzwert (IGW) überschreitet. Wird eine Baumaßnahme an einer bestehenden Strecke durchgeführt, dann ist zu prüfen, ob die Baumaßnahme in den Geltungsbereich der Verordnung fällt (Prüfung auf wesentliche Änderung des Schienenweges). In beiden Fällen ist es zweckmäßig, das zu betrachtende Untersuchungsgebiet einzugrenzen. Beim Neubau oder der baulichen Erweiterung um ein durchgehendes Gleis wird das Gebiet begrenzt durch Anfang und Ende der Baumaßnahme. Die Breite des zu untersuchenden Gebietes wird beidseitig der Strecke durch den Abstand der jeweiligen Isophonen für die Grenzwerte (Linien gleichen Schallpegels) für den maßgebenden Beurteilungszeitraum (Tag/ Nacht) begrenzt. Die Isophonen haben einen waagerechten Abstand von der Strecke, über den hinaus der Immissionsgrenzwert eingehalten wird. Rechenprogramme bieten die Möglichkeit zur flächendeckenden (Raster-)Berechnung am PC. Für die angrenzende Bebauung (vorhanden oder geplant) können für eine bestimmte Höhe über dem Boden die Immissionen berechnet und grafisch dargestellt werden. Mit dieser Vorgehensweise sind repräsentative (kritische) Gebäude zu ermitteln, für die dann eine Einzel‐ punktberechnung durchzuführen ist (Bild 8.2). 332 8 Prognose- und Bewertungsverfahren für Luftschall <?page no="337"?> Bild 8.2: Beispiel für das Ergebnis einer Schallimmissionsberechnung nach 16. BImSchV, Anlage 2 (Schall 03) für eine eingleisige Strecke (Rasterlärmkarte) Liegt ein erheblicher baulicher Eingriff vor, so ist zu prüfen, ob es sich auch um eine wesentliche Änderung handelt. Hierfür ist zur Ermittlung des Auswirkungsbereiches für beide Zustände (Ist- und Planzustand) eine flächendeckende Berechnung vorzunehmen. Die (Raster-)Berechnungser‐ gebnisse werden anschließend subtrahiert („Planzustand“ minus „Ist-Zustand“) und das Ergebnis als Differenz der Pegel der Isophonen dargestellt. Hierdurch werden die Bereiche ermittelt, in denen positive Pegeländerungen vorhanden sind und wie groß sie ausfallen. Sowohl die absoluten Pegelwerte als auch die relativen Pegeländerungen sind erforderlich für eine Festlegung, ob eine wesentliche Änderung vorliegt (3 dB(A)-Kriterium und/ oder Überschreitung von 70 dB(A) / 60-dB(A)). 8.4.6 Beurteilung Für die Gebäude in dem eingegrenzten Untersuchungsgebiet ist dann der nach der 16. BImSchV erforderliche rechnerische Nachweis der zu erwartenden Beurteilungspegel durch Einzelpunkt‐ berechnungen zu erbringen. Werden für bestimmte Streckenbereiche die Immissionsgrenzwerte überschritten, dann sind Schallschutzmaßnahmen zu planen. Wesentlich hierfür ist die genaue Festlegung von Anfang und Ende der Maßnahme sowie - bei Schallschutzwänden - dessen Höhe über Schienenoberkante SO und Abstand s zum Gleis. Eine Bewertung, die sich nur an Isophonen orientiert, ist rechtlich nicht zulässig, da sie - u. a. aufgrund der Interpolationen - nicht die ausreichende Genauigkeit für die einzelnen Immissionsorte besitzt. 8.4 Durchführung einer schalltechnischen Untersuchung nach 16. BImSchV 333 <?page no="338"?> Bei einer Immissionsberechnung werden die Beurteilungspegel je Gebäudefassade und für jedes Stockwerk berechnet. Zur Auswertung werden die Ergebnisse tabellarisch dargestellt. In Abhängigkeit von der Anzahl der untersuchten Gebäude ergeben sich hierbei z. T. große Datenmengen. Tabelle 8.5 zeigt beispielhaft die für eine Überprüfung auf eine wesentliche Änderung erforderlichen Werte. Immissionsort IO Stockwerk/ Gebäudeseite Nutzung Grenzwert Istzustand Planzustand Ist- / Planzustand Wesentl. Änderung? - - - - L r,T L r,N L r,T L r,N L r,T L r,N ja nein 1 1/ SO 2/ SO Mi Mi 64/ 54 - - - - - - - - 2 1/ SO 2/ SO - - - - - - - - - - 3 - - - - - - - - - - - Erläuterungen: • SO: Süd-Ost, • Mi: Mischgebiet, • L r : Beurteilungspegel (Tag / Nacht), • Der Grenzwert hängt ab von der Nutzung des Gebäudes und dem Wohngebiet gemäß Baunutzungsverordnung (Verordnung über die bauliche Nutzung der Grundstücke) Tabelle 8.5: Erforderliche Angaben für eine Überprüfung auf eine wesentliche Änderung Bei einer Neubaustrecke sind für eine Beurteilung im Wesentlichen dieselben Werte, wie in Tabelle 8.5 dargestellt, erforderlich. Hierzu gehören Angaben über: Immissionsort, Grenzwert, Beurteilungspegel, Grenzwertüberschreitung etc. Sind Schallschutzmaßnahmen notwendig, dann werden folgende Angaben benötigt: • Gebietsnutzung (nach Flächennutzungsplan oder Baunutzungsverordnung), • Name der Gemeinde, Stadtteil etc., • Baumaßnahme ohne aktive Schallschutzmaßnahmen von km „x“ bis km „y“, • Aktive Schallschutzmaßnahmen - Beschreibung: • Schallschutzwand: von km „x“ bis km „y“ / Höhe ü. Schienenoberkante • Schallschutzwall: von km „x“ bis km „y“ / Höhe ü. Schienenoberkante • Kosten der aktiven Maßnahmen in T€, • Passive Maßnahmen (Anzahl der Häuser), • Kosten der passiven Schallschutzmaßnahmen in T€ In Kapitel 7 sind mögliche Schallschutzmaßnahmen beschrieben. Weitere Erläuterungen zu diesem Thema sind in Kapitel 9 enthalten. 334 8 Prognose- und Bewertungsverfahren für Luftschall <?page no="339"?> 8.5 Literatur zu Kapitel 8 [8.1] Bundes- Immissionsschutzgesetz vom 14. Mai 1990. (BGBl. I, S. 880) [8.2] 16. Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes vom 12. Juni 1990. (BGBl. I, S. 1036), letzte Änderung 18.12.2014, Zuletzt geändert durch Art. 1 V v. 4.11.2020 I 2334 [8.3] Lärmschutz im Schienenverkehr. Alles über Schallpegel, innovative Technik und Lärmschutz an der Quelle. Hrsg.: Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur, 4. Auflage 2016 [8.4] Krüger, F. (Hrsg): Kurvengeräusche - Messung, Bewertung und Minderungsmaßnahmen. Schriftenreihe für Verkehr und Technik, Band 97 (2013) [8.5] Stankewitz, W.: Systematik einer schalltechnischen Untersuchung. Eisenbahningenieur (48), 11/ 97, S. 24-29 [8.6] Erläuterungen zur Anlage 2 der Sechzehnten Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (Verkehrslärmschutzverordnung - 16. BImSchV). Berechnung des Beurteilungspegels für Schienenwege (Schall 03) Teil 1: Erläuterungsbericht. Stand 23. Februar 2015, Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur [8.7] Krüger, F. u. K. Martini: Fortschreibung Schall 03 - Auswertung von Daten zur Erstellung der erforderlichen Datenblätter für Straßenbahnen nach BOStrab, Erhebung aktueller Daten an neuen Fahrzeugen. Projekt-Nummer: 70.0781/ 2005 (August 2006) [8.9] Steger, G.: Der Maximalpegel in der DIN 4109. Lärmbekämpfung 17 (2022) NR. 5; S. 148 ff 8.5.1 Weitergehende Literatur zum Thema a) Garbe, E./ Kasten, P./ Prüm, P. und F. Krüger: Geräuschsituation bei neuen Schienenfahr‐ zeugen des Stadtverkehrs (U-Bahnen, Stadtbahnen, Straßenbahnen) und Möglichkeiten zur weiteren Geräuschminderung sowie Ergänzungsmessungen an Rasengleisen. STUVA-For‐ schungsberichte 25/ 91, Mai 1991 b) Möhler, U./ Prestele, G./ Giesler, H.-J. und W. Hendlmeier: Schallemissionen von Schienen‐ nahverkehrsbahnen. Zeitschrift für Lärmbekämpfung / 6/ 98 / Nov. / 45. Jg. / S. 209-215 c) Becker, H./ Krüger, F./ Krüger, R. und P. Prüm: Kurvenquietschen im Nahverkehr - Schall 03 - Ermittlung von Korrekturwerten zur Berücksichtigung des pegelerhöhenden Kurven‐ quietschens in der Schall 03 beim Durchfahren enger Gleisbogen im Schienennahverkehr. BMV-FE-Nr. 70 413/ 93, August 1994 d) Beschluss des OVG Berlin, OVG 2 S 18.90 vom 8. Februar 1991 e) Lärmschutz an Fahrwegprojekten: Hinweise und Handhabung zur 16. BImSchV. Deutsche Bahn AG, 6. September 1993 f) Heinze, Ch.: Eisenbahn-Planfeststellung - Systematische Darstellung der Rechtsprechung. Erich Schmidt Verlag GmbH & Co., 1997 g) Berechnung der Schallimmission durch Schienenverkehr - Zugverkehr, Verschub- und Umschlagbetrieb. ÖNORM S 5011, 1. Entwurf Dezember 1994 h) Giesler, H.-J.: Geräuschemissionen von Straßenbahnen: Deutschlandweite messtechnische Erhebung. DER NAHVERKEHR 4/ 2000; S. 10-14 i) Rekenen Meetvoorschrift Railverkeerslawaai '96, Ministerie Volkshuisvesting, Ruimtelijke Ordening en Milieubeheer, 20 November 1996 8.5 Literatur zu Kapitel 8 335 <?page no="340"?> j) CNOSSOS: Richtlinie (EU) 2015/ 996 der Kommission vom 19. Mai 2015 zur Festlegung gemeinsamer Lärmbewertungsmethoden gemäß der Richtlinie 2002/ 49/ EG des Europäischen Parlaments und des Rates 336 8 Prognose- und Bewertungsverfahren für Luftschall <?page no="341"?> 9 Rechtsschutz der Anwohner vor Lärm des Schienenverkehrs M. Jäcker-Cüppers 9.1 Einleitung 9.1.1 Thematische Abgrenzungen Die Beeinträchtigung der Bevölkerung durch Lärm ist eines der gravierendsten Umweltprobleme des Schienenverkehrs. Gemäß dem Verursacherprinzip ist es vorrangig Aufgabe der Eisenbahn‐ verkehrs- und infrastrukturunternehmen EVU, EIU) und der kommunalen Verkehrsbetriebe, bestehende Beeinträchtigungen abzubauen und neue gar nicht erst entstehen zu lassen. Da aber bedeutende Teile dieser Unternehmen und Betriebe in staatlichem Eigentum sind, kommt den staatlichen Organen eine besondere Verantwortung zu. Die staatlichen Organe setzen überdies die Rahmenbedingungen für den Lärmschutz, sie sind zuständig für die Genehmigung und Überwa‐ chung von emittierenden Anlagen und entscheiden in Konfliktfällen zwischen Betroffenen und Verursachern. Im Folgenden soll dargestellt werden, welche staatlichen Instrumente zum Schutz der Bevöl‐ kerung vor Lärm aus dem Schienenverkehr eingesetzt werden, wie diese zu bewerten sind und welche Defizite bestehen. Die staatlichen Instrumente sind allerdings in einen komplexen Gesamtzusammenhang von Problembeschreibung und rechtlichen, ökonomischen sowie techni‐ schen Lösungen eingebettet; ein wirksamer Lärmschutz ist nur in Kooperation aller beteiligten Akteure zu erreichen. Das Beispiel des deutschen Umrüstprogramms für die lauten Güterwagen in Abschnitt 9.10.3 zeigt diese exemplarisch. Dabei ist ferner zu beachten, dass der Schienenverkehr als relativ umweltfreundliches Ver‐ kehrsmittel angesehen wird und deshalb, anders als beim Straßenverkehr, Strategien wie Ver‐ kehrsmengenbegrenzung, Verlagerung auf andere Verkehrsmittel oder Verlangsamung möglichst nicht angewandt werden sollen. Es verbleiben damit die staatlichen Instrumente, mit denen die Anwendung der klassischen planerischen und technischen Maßnahmen zur Verkehrsvermeidung und zur Lärmminderung an Fahrzeugen und -wegen sowie auf dem Schallausbreitungsweg initiiert, vorgeschrieben oder gefördert werden. Unter Schienenverkehr wird im Folgenden sowohl der Verkehr der Eisenbahnen (geregelt im Allgemeinen Eisenbahngesetz AEG) als auch der Stadt-, Straßen- und U-Bahnen (geregelt im Personenbeförderungsgesetz PBefG bzw. in der Verordnung für den Bau und Betrieb von Straßenbahnen BOStrab) verstanden. Beim Schienenverkehr gibt es drei wesentliche Problemfelder des Lärmschutzes • Neubau und wesentliche Änderung von Schienenverkehrsanlagen, • Bestehende Schienenverkehrsanlagen (siehe die Abgrenzung in Abschnitt 9.3.1) • Wohnbebauungen, die an Schienenverkehrsanlagen heranrücken. Das Ausmaß der Probleme, ihr Lösungspotenziale, die Rechtsgrundlagen und die Zuständigkeiten sind sowohl für die drei Problemfelder als auch die beiden Hauptverkehrsarten der Eisenbahnen und des ÖPNV deutlich verschieden, dies hat eine Darstellung des Rechtsschutzes zu berücksich‐ tigen. <?page no="342"?> Schließlich ist der Schutz vor Schienenverkehrslärm im Zusammenhang mit der allgemeinen Lärmschutzpolitik zu sehen: Zum einen ist aus Gründen einer fairen Gleichbehandlung aller Quellen dasselbe Schutzniveau anzustreben, Deshalb wird an vielen Stellen der Vergleich mit der Bekämpfung des Straßenverkehrslärms herangezogen. Zum anderen ist - im Falle einer Mehrfachbelastung durch unterschiedliche Quellen - grundsätzlich eine Betrachtung der Gesamt‐ lärmbelastung anzustreben, um akzeptable Lösungen zu erreichen. Das ist z. B. bei Straßenbahnen im öffentlichen Straßenraum erforderlich. Als wichtige weiterführende Literatur zum Thema Rechtsschutz werden empfohlen: • Die laufend aktualisierte Broschüre des Bundesministeriums für Verkehr und digitale In‐ frastruktur (BMVI) „Lärmschutz im Schienenverkehr“, in der die wichtigsten gesetzlichen Grundlagen und Unterlagen des bundespolitischen Schutzes gegen Schienenverkehrslärm (Schwerpunkt: Eisenbahnen) zusammengestellt sind (sowohl online wie auch in gedruckter Form erhältlich) [9.1]; • Die Broschüre des Arbeitsrings Lärm der DEGA (ALD) „Schienenverkehrslärm - Ursachen - Wirkungen - Schutz“ von 2018ff, die eine Hilfestellung für betroffene Bürgerinnen und Bürger geben möchte [9.2]. Der vorliegende Aufsatz ist eine grundlegende Überarbeitung des Abschnitts 4 in dem Buch „Schall- und Erschütterungsschutz im Schienenverkehr“, 2. Auflage von 2006 [9.3]. 9.1.2 Beeinträchtigung der Bevölkerung durch Schienenverkehrslärm Wie bei allen anderen Problemen des Umweltschutzes werden auch die Regelungen und Maß‐ nahmen zum Schutz der Bevölkerung vor Schienenverkehrslärm wesentlich davon beeinflusst, in welchem Ausmaß die von ihm verursachten Beeinträchtigungen vorhanden sind bzw. von der Bevölkerung artikuliert werden. Die Bekämpfung des Schienenverkehrslärms steht dabei in der Konkurrenz zur Lösung anderer Lärm- und - noch umfassender - anderer Umweltprobleme. Die Beeinträchtigungen durch Schienenverkehrslärm bestehen im Wesentlichen in: • Belästigungen; • Schlafstörungen; • Gesundheitlichen Risiken für Schlaganfälle, Herzinfarkte, Herzinsuffizienz und Depressionen durch lang andauernde und hohe Geräuschbelastungen; • Monetären Schäden: Nach Schätzungen des UBA betragen die externen Lärmkosten des Schienengüterverkehrs in Deutschland etwa 1 Mrd. € pro Jahr (Stand 2011) [9.4] Das Ausmaß des Schienenverkehrslärms wird vorwiegend durch den Umfang der Belastungen d.h. den objektiv bestimmbaren Immissionspegeln - und der Belästigungen - den in Umfragen ermittelten subjektiven Angaben zur Störung durch Lärm - beschrieben. Als Kenngröße für die Belastungen wird traditionell der Mittelungspegel L m oder daraus abgeleitete Größen (z. B. der gewichtete Ganztagespegel L den ) außen vor den Fassaden der Gebäude benutzt. Nach beiden Kenngrößen führt der Schienenverkehrslärm bundesweit zu geringeren Beein‐ trächtigungen als der Straßenverkehrslärm - die wichtigste Quelle der Beeinträchtigungen - , wobei allerdings der nächtliche Schienenverkehr (überwiegend Güterverkehr) zu annähernd gleichen Belastungen wie der Straßenverkehr führt (siehe Tabelle 9.1). Die Beeinträchtigungen des Schienenverkehrs umfassen sowohl die der Eisenbahnen als auch des schienengebundenen ÖPNV. 338 9 Rechtsschutz der Anwohner vor Lärm des Schienenverkehrs <?page no="343"?> Straße Schiene Belästigungen (Umfrageergebnisse 2018) • Gestörte • Stark Gestörte 75 24 35 5 Belastete (Mittelungspegel ) 2017 • ganztags > 65 dB(A) • ganztags > 55 dB(A) • nachts > 55 dB(A) • nachts > 50 dB(A) 2,8 10,5 3,3 6,8 1,6 8,1 2,4 6,2 Tabelle 9.1: Beeinträchtigung durch Straßen- und Schienenverkehrslärm in Deutschland (in % der Bevölkerung) nach [9.5], [9.6] An Strecken mit sehr hohem Verkehrsaufkommen und dicht an der Trasse stehenden Gebäuden wie im Mittelrheintal, [9.7] werden Mittelungspegel außen pro Nacht bis zu 82 dB(A) gemessen (am 15.01.2018 in Assmannshausen), die Maximalpegel außen erreichen Werte bis 109 dB(A) (07.11.2013). Derart hohe Pegel sind nur als Folge von Defekten zu erklären, die in die berechneten Pegel in Tabelle 9.1 nicht eingehen. Inwieweit die Belastungen als beeinträchtigend zu bewerten sind, ergibt sich aus dem Vergleich mit den Zielwerten, die durch die Lärmwirkungsforschung abgeleitet werden (siehe Abschnitt 9.1.3). Danach führen bereits Pegel über 50/ 40 dB(A) tags/ nachts zu Störungen. Die in Tabelle 9.1 genannten Belastungen liegen für einen relevanten Teil der Bevölkerung deutlich darüber. In Deutschland ist die befürchtete Zunahme der Lärmbelastung einer der wichtigsten Gründe für den Widerstand der Bevölkerung gegen den Ausbau und die intensivere Nutzung der Schienenverkehrsinfrastruktur. So lagen gegen den Aus- und Neubau der Rheintalbahn beim Regierungspräsidium Freiburg im Jahr 2009 über 170 000 Einwendungen vor, die vor allem „spürbare Verbesserungen des Lärmschutzkonzepts“ verlangten [9.8]. Als Folge verzögern sich die Planfeststellungsbeschlüsse (PFB) um mindestens 12 Jahre, mit gravierenden finanziellen Folgen. Vergleicht man die Verkehrsleistungen von Straße und Schiene, so wird die geringere Beein‐ trächtigung beim Schienenverkehrslärm deutlich relativiert. Im Personenverkehr erbringt nämlich die Straße die 10-fache Verkehrsleistung der Schiene, beim Güterverkehr immerhin noch die 4-fache (Stand 2015). Es ist deshalb anzunehmen, dass sich die verkehrsleistungsbezogenen Beeinträchtigungen von Straße und Schiene nicht gravierend unterscheiden. Dies belegt auch der Vergleich der spezifischen - d. h. verkehrsleistungsbezogenen Emissionen von Straße und Schiene, die durchweg in gleicher Größenordnung sind ([9.3], Tabelle 4.2). Erst durch die Umrüstung der Güterwagen (siehe Abschnitt 9.10.3) sind die Güterwagen in etwa so leise wie moderne Schwerlastkraftwagen. Das bedeutet, dass die umweltpolitisch befürwortete Verlagerung von Verkehrsleistungen von der Straße auf die Schiene jedenfalls beim Lärm nicht zu relevanten Entlastungen führt, solange nicht auch die Fahrzeuge und -wege des Schienenverkehrs leiser werden. Dazu muss das im Folgenden beschriebene Maßnahmen- und Regelungsdefizit beim Schienenverkehrslärm beseitigt werden. 9.1 Einleitung 339 <?page no="344"?> 1 z. B. der Korrekturpegel für das Kurvenfahrgeräusch von Eisenbahnen in Tabelle 11 der Schall 03: 2014 [9.13]. Die Pegelkorrektur zur Berücksichtigung der geringeren Störwirkung des Schienenverkehrslärms, der so genannte Schienenbonus, galt bis Ende 2014 (Eisenbahnen) bzw. Ende 2018 (Straßenbahnen). 2 Nach der Internationalen statistischen Klassifikation der Krankheiten und verwandter Gesundheitsprobleme (ICD, englisch: International Statistical Classification of Diseases and Related Health Problems) der WHO. 9.1.3 Zielwerte des Schutzes vor Lärm Die Beeinträchtigungen durch Schienenverkehrslärm belegen, dass Handlungsbedarf besteht, insbesondere, wenn zukünftig mehr Verkehr von der Straße auf die Schiene verlagert wird, wie vom Masterplan „Schienenverkehr“ des BMVI [9.9] von 2020 eingefordert: Danach sollen bis 2030 die Fahrgastzahlen im Schienenpersonenverkehr verdoppelt und der Anteil des Schienengüter‐ verkehrs an den Verkehrsleistungen von heute ca. 18 auf 25 % steigen. In der traditionellen Lärmschutzpolitik werden Expositions-Wirkungs-Beziehungen ermittelt, also die Beeinträchtigungskenngrößen akustischen Kenngrößen zugeordnet, z. B. der Prozentsatz erheblich Belästigter dem Immissionspegel an der Fassade der betroffenen Wohneinheiten. Es wird dann zu einer noch zulässigen Beeinträchtigung der entsprechende Immissionspegel als Grenz- oder Zielwert festgelegt. Die Minderung der Beeinträchtigungen wird damit in eine Pegel‐ minderung überführt. Diese Vorgehensweise hat den großen Vorteil, dass die Beeinträchtigungen durch akustische Kenngrößen abgebildet werden können (siehe die Angaben zur Belastung in Tabelle 9.1) und ihre Minderung auf Maßnahmen aufgebaut werden kann, deren Pegelminderung bekannt ist. Da allerdings der Pegel der Belastung die Wirkung auf die Beeinträchtigungen maximal nur zu einem Drittel erklärt, ist es auch von Bedeutung, die Wirkung nichtakustischer Einflussgrößen - z. B. Bepflanzungen - zu berücksichtigen. Die Psychoakustik schlägt verbes‐ serte, am Hörereignis orientierte Kenngrößen vor. Nach wie vor sind aber die pegelorientierten Schutzkonzepte die dominierende Vorgehensweis und sind deshalb auch Gegenstand dieser Darstellung. Das Umweltbundesamt, der Sachverständigenrat für Umweltfragen und die WHO Europe haben für die Reduktion der Beeinträchtigungen Zielwerte für die Immissionspegel formuliert, die in Tabelle 9.2 für Wohngebiete wiedergegeben sind [9.10], [9.11], [9.12]. Die Zielwerte basieren auf den Ergebnissen der Lärmwirkungsforschung. Kenngrößen der Zielwerte sind entsprechend der Ermittlung der Belastungen (siehe Tabelle 9.1) die Außen-Mittelungspegel L m bzw. die darauf fußenden Beurteilungspegel L r (L m + wirkungs‐ bezogene Pegelkorrekturen 1 ). Bei der rechnerischen Bestimmung von L m bzw. L r werden die „ausbreitungsgünstigen Witterungsbedingungen, wie sie bei leichtem Mitwind oder/ und leichter Bodeninversion auftreten“ [9.13, Abschnitt 6.1, Anmerkung 1], berücksichtigt. Die Zielwerte der WHO von 2018 hingegen fußen gemäß den Vorgaben der EU auf durchschnittlichen meteorolo‐ gischen Bedingungen. Das UBA schlägt einen dreistufigen Ansatz vor: Das Ziel, frei von Beeinträchtigungen durch Schienenverkehrslärm zu sein, ist im Mittel dann erreicht, wenn tagsüber 50 dB(A) und nachts 40 dB(A) nicht überschritten werden. Mittelfristig sollten erhebliche Belästigungen vermieden werden (55/ 45 dB(A) tags/ nachts) und kurzfristig ist der Abbau gesundheitlicher Risiken geboten (65/ 55 dB(A) tags/ nachts). In der Tabelle 9.2 wird der Schutz der Gesundheit in unterschiedlicher Definition verwendet. Während der Gesundheitsbegriff des UBA sich an der Abwesenheit von klassifizierten Krankhei‐ ten 2 orientiert und sich damit auf das Recht der körperlichen Unversehrtheit nach GG Art. 2 bezieht, verwendet die WHO einen umfassenderen Gesundheitsbegriff, der z. B. schon erhebliche Belästigungen durch Lärm umfasst. Deshalb schlägt die WHO mit 54/ 44 dB(A) Zielwerte vor, 340 9 Rechtsschutz der Anwohner vor Lärm des Schienenverkehrs <?page no="345"?> die dem mittelfristigen Ziel des UBA entsprechen. Für den Schutz der Gesundheit im strengen Sinn formuliert die WHO in ihren Empfehlungen von 2018 nur eine Schwelle zur Vermeidung relevanter Risiken für die Erkrankung an Ischämischen Herzkrankheiten (auf der Basis des L den ) für den Straßenverkehrslärm (59 dB(A)). Für andere klassifizierte Krankheiten und für den Schie‐ nenverkehrslärm liegen keine stark begründeten Untersuchungen vor. Im Forschungsprojekt NORAH, dessen Ergebnisse nur zu einem geringen Teil in die WHO-Studie eingingen, wurden die Expositions-Wirkungs-Beziehungen für das Relative Risiko von vier Krankheiten (Herzinfarkt, Herzinsuffizienz, Schlaganfall, Depressionen) infolge des Verkehrslärms ermittelt. Im Ergebnis sind die Risiken von Schienen- und Straßenverkehrslärm von gleicher Größenordnung. Der ALD schlägt deshalb in einem Positionspapier vom April 2020 [9.15] vor, auch für den Schienenver‐ kehrslärm einen Ganztagesgrenzwert von 59 dB(A) als gesundheitliches Schutzziel im engeren Sinn zu verwenden. Immissionsgrenzwerte IGW im strengen Sinn gibt es beim Schienenverkehr nur für den Neubau und die wesentliche Änderung von Schienentrassen. Sie liegen deutlich über den Zielwerten zur Vermeidung erheblicher Belästigungen. Für alle anderen Anwendungsbereiche gibt es nur Richtwerte. Die Empfehlungen für die Bauleitplanung entsprechen den mittelfristigen Zielwerten des UBA. Die Ziel-, Grenz- und Richtwerte werden nicht nach den Eisenbahnen und dem ÖPNV unterschieden. Auch für den Fall der heranrückenden Wohnbebauung gelten gemäß dem Prinzip der Spiegelbildlichkeit die gleichen Schutzziele. In jüngerer Zeit ist vermehrt diskutiert worden, ob mittelungsbasierte Kenngrößen geeignet sind, die Störwirkung der Bahngeräusche adäquat zu beschreiben. Vor allem während der Nacht wird geräuschbedingtes Aufwachen jeweils von den einzelnen Zugvorbeifahrten verursacht, ähnlich wie beim Fluglärm, weshalb es hier ein Maximalpegel-Häufigkeitskriterium zur Bestim‐ mung der Nacht-Schutzzonen nach dem Gesetz zum Schutz gegen Fluglärm von 2007 gibt. In einem Gutachten für das Land Hessen wurde 2017 ein Vorschlag für ein umsetzbares Maximal‐ pegel-Kriterium erarbeitet [9.16], das alternativ auf der Begrenzung der Aufwachreaktionen und der subjektiv bewerteten Störwirkung des Schlafes beruht. Der Verfahrensvorschlag wird seitdem zwischen Bund und Ländern diskutiert. Die WHO hatte in ihren Richtlinien von 2000 empfohlen, den Maximalpegel in den Schlafräu‐ men auf 45 dB(A) zu begrenzen [9.17]. 9.1 Einleitung 341 <?page no="346"?> Zielwerte Minderungsziel Quelle tags - nachts - - ≤ 65 ≤ 55 Schutz der Gesundheit UBA [9.10] ≤ 55 ≤ 45 Abbau erheblicher Belästigungen UBA [9.10], SRU [9.11] ≤ 50 ≤ 40 Abbau von Belästigungen UBA [9.10] < 54 (ganztags) < 44 Vermeidung gesundheitlicher Risiken durch Schienenverkehrslärm WHO 2018 [9.12] < 59 (< 49) Vermeidung des Risikos klassifizierter Krankheiten ALD [9.15] nach WHO 2018 [9.12] Grenzwerte Anwendungsbereich - ≤ 59 ≤ 49 Neubau und wesentliche Änderung Straße, Schiene VLärmSchV 1990 [9.14] Richtwerte Anwendungsbereich - ≤ 59 ≤ 49 Lärmminderungsplan zu § 47a BImSchG* LAI [9.18] ≤ 64 ≤ 57 Lärmsanierung an Bundesfernstraßen BMVI 1986ff [9.19] ≤ 64 ≤ 57 Lärmsanierung an Eisenbahnen des Bundes BMVI 1999ff [9.20] ≤ 55 ≤ 45 Lärmschutz in der Bauleitplanung DIN 18005, 1987 [9.21] Tabelle 9.2: Ziel-, Grenz- und Richtwerte des Verkehrslärmschutzes auf der Basis gemittelter Pegel 9.2 Grundsätzliche Strategien zum Schutz vor Schienenverkehrslärm in Deutschland 9.2.1 Grundsätzliche Minderungskonzepte Für die Reduktion der Beeinträchtigungen durch Schienenverkehrslärm steht ein umfangreiches Maßnahmenbündel zur Verfügung, vom Einsatz leiserer Fahrzeuge und der akustischen Pflege der Schienenwege über den Bau von Schallschutzwänden bis zum baulichen Schallschutz, z. B. durch Schallschutzfenster. Aufgabe und Praxis des staatlichen Handelns ist es, diese Maßnahmen durch geeignete Instrumente auf den Weg zu bringen, z. B. durch Rechtsvorschriften. Maßnah‐ men und Instrumente können nach ihrem Eingriffsort in der Wirkungskette unterschieden werden: • Vorrang in den deutschen und europäischen Umweltstrategien hat die Vermeidung der Ent‐ stehung von schädlichen Umweltfolgen, für den Verkehr also die Vermeidung emittierender Verkehre. • Zweitens wird angestrebt, umweltschädliche Verkehre auf solche mit geringeren Emissionen zu verlagern (Verkehrsverlagerung). 342 9 Rechtsschutz der Anwohner vor Lärm des Schienenverkehrs <?page no="347"?> • Drittens sollten die Emissionen der Verkehrsmittel nach dem Stand der Technik vermindert werden. • Viertens können beim Lärm Maßnahmen auf dem Ausbreitungsweg getroffen werden, die zur weiteren Verringerung der Immissionen führen. • Schließlich können bei unzureichenden Möglichkeiten des „aktiven“ Schallschutzes (diese umfassen die zuvor genannten Aktionen) Maßnahmen an der baulichen Hülle vorgesehen werden, die allerdings nur den Innenbereich schützen („passiver“ Schutz). Die Verkehrsvermeidung ist Aufgabe der Verkehrs- und Siedlungspolitik (Verdichtung, Nut‐ zungsmischung), z. B. durch Reduktion der Transportwege und die umweltorientierte Optimie‐ rung des europäischen Schienengüterverkehrs: Wichtiges Instrument ist die Schaffung der Kostenwahrheit im Verkehr durch die Internalisie‐ rung externer Kosten und durch Subventionsabbau, damit Verkehr nicht nur deswegen erzeugt wird, weil die Transportpreise nicht die wahren Kosten decken. Die Europäische Union setzt entsprechende Rahmenbedingungen für Straßen- und Schienenbenutzungsgebühren. Verkehr bzw. Fahrleistungen können auch durch eine Erhöhung der Auslastung reduziert werden (so liegt die Auslastung der Fahrzeuge des ÖPNV nur bei ca. 20% (VDV-Statistik 2018 [9.22]) Eine Verlagerung des Schienenverkehrs auf andere Transportmittel ist umweltpolitisch nur begrenzt anwendbar: Der Schienenverkehr gilt als „umweltfreundlich“ (bezüglich Energie, Klimaschutz, Abgasen, Flächenverbrauch, (Sicherheit)). Die aktuelle Klimaschutzpolitik der Bundesregierung sieht deshalb u. a. eine Verkehrsverlagerung von der Straße auf die Schiene vor, um die Treibhausgase THG im Verkehr von 162 Mio. t CO 2 -Äquivalenten in 2018 auf 95 Mio. t in 2030 zu reduzieren (Bundes-Klimaschutzgesetz vom 15.11.2019 [9.23]). Die Verkehrsleistung im Schienengüterverkehr soll dazu von 2015 bis 2030 von 121 auf bis zu 205 Mrd. tkm erhöht werden [9.24] und im Schienenpersonenverkehr wird eine Verdopplung der Fahrgastzahlen bis 2030 angestrebt [9.25] (Koalitionsvertrag von 2018) (siehe auch den Masterplan Schienenverkehr [9.9]). 9.2.2 Instrumentarien des Schutzes Das klassische staatliche Instrumentarium zur Verminderung der Emissionen und Immis‐ sionen ist die verbindliche Vorgabe von Standards, wie etwa die Festlegung von Grenzwerten für Geräuschimmissionen und -emissionen im Ordnungsrecht, aber auch im Vergaberecht oder in Nahverkehrsplänen. Zum Ordnungsrecht zählen auch Vorgaben zu Betriebsbeschränkungen, wie Vorgaben für die zulässigen Geschwindigkeiten oder Fahrverbote für bestimmte laute Fahrzeugarten. Geschwin‐ digkeitsbeschränkungen werden im Gegensatz zum Straßenverkehr beim Schienenverkehr nur selten angewandt, auch das Instrument der Fahrverbote ist relativ neu: Ab dem Fahrplanwechsel Ende 2020 untersagt das Schienenlärmschutzgesetz [9.26] grundsätzlich den Betrieb von lauten Güterwagen in Deutschland, Ende 2024 tritt eine entsprechende Regel der EU in Kraft (siehe Abschnitt 9.9). Zunehmend an Bedeutung gewinnen ökonomische Instrumente der Umweltpolitik. Danach entstehen dem Lärmverursacher Kosten, die sich nach dem Ausmaß des Lärms richten. Beim Schienenverkehr wurden in Deutschland seit 2012 „lärmabhängige“ Trassenpreise eingeführt (siehe Abschnitt 9.10.3). Neben ordnungsrechtlichen und marktwirtschaftlichen Strategien gibt es - insbesondere beim nachsorgenden Umweltschutz - das Instrument der staatlichen Bereitstellung von Haushaltsmit‐ 9.2 Grundsätzliche Strategien zum Schutz vor Schienenverkehrslärm in Deutschland 343 <?page no="348"?> teln. So stellt der Bund seit 1978 Mittel für die Lärmsanierung an bestehenden Bundesfernstraßen zur Verfügung. 1999 wurde mit einem seit langem geforderten Programm für die Lärmsanierung an Schienenwegen des Bundes begonnen. 9.2.3 Zuständigkeiten Teil eines strategischen Gesamtkonzepts ist auch immer, die jeweils für einzelnen Maßnahmen oder Instrumente zuständigen Instanzen zu benennen. Beim Schienenverkehrslärm sind das jeweils Legislative, Exekutive und Jurisdiktion auf der lokalen, regionalen, nationalen und europäischen Ebene: • Die EU ist zuständig für Produktvorschriften und damit auch für die Regelungen der zulässigen Geräuschemissionen von Schienenfahrzeugen. • Sie setzt zudem Rahmenbedingungen für die nationalen Schutzregelungen vor Umgebungs‐ lärm (Umgebungslärmrichtlinie mit der Harmonisierung der Ermittlung der Beeinträchtigun‐ gen und der Minderungsverfahren) und für die ökonomischen Instrumente (z. B. lärmabhän‐ gige Infrastrukturbenutzungsentgelte). • Die EU finanziert zudem im Rahmen der Connecting Europe Facility Lärmschutzmaßnahmen in den Mitgliedsstaaten. • Der Bund ist verantwortlich für den Immissionsschutz - für den landgebundenen Verkehr ist als Exekutivorgan das BMVI federführend, für die Umsetzung der Umgebungslärmricht‐ linie das Bundesumweltministerium BMU. Wichtige nachgeordnete Behörden sind das Eisenbahn-Bundesamt EBA und das Umweltbundesamt UBA. • Der Bund ist zudem Eigentümer des wichtigsten deutschen Eisenbahnverkehrs- und - infrastrukturunternehmens (EVU, EIU), der Deutschen Bahn. • Die Länder wirken bei der Gesetzgebung und den Verordnungen nach Maßgabe des Grund‐ gesetzes mit. Sie sind ferner zuständig für den Regionalverkehr und die Verkehrsverbünde und können dort Emissionsstandards festlegen. • Die Gemeinden sind zuständig für den Öffentlichen Schienenpersonennahverkehr, soweit nicht in überkommunalen Verkehrsverbünden organisiert, und regeln das Problemfeld der heranrückenden Wohnbebauung im Rahmen der Bauleitplanung. • Die Jurisdiktion schließlich gewährleistet den Rechtsweg in strittigen Verfahren zum Lärm‐ schutz. Die Rechtsvorschriften enthalten viele „unbestimmte Rechtsbegriffe“, die oft zu juristischen Auseinandersetzungen führen. Zentrale Streitfrage ist die Verhältnismäßigkeit des Lärmschutzes im Abwägungsprozess zwischen den Belangen des Immissionsschutzes einerseits und den verkehrlichen bzw. ökonomischen Belangen andererseits. Im Folgenden wird zunächst das ordnungsrechtliche Instrumentarium zum Lärmschutz allgemein beschrieben. Danach werden die Grundzüge des Lärmsanierungsprogramms dargestellt. 9.3 Ordnungsrechtliche Vorschriften zum Schutz der Bevölkerung vor Schienenverkehrslärm Das Ordnungsrecht umfasst alle verbindlichen staatlichen Regulierungen zum Schutz der Bevöl‐ kerung vor Lärm. Dieser Schutz ist in verschiedenen Gesetzen, Verordnungen und Verwaltungs‐ vorschriften verankert, die zudem unterschiedlichen Rechtsbereichen sowie dem nationalen oder europäischen (EU) Recht zugeordnet sind: 344 9 Rechtsschutz der Anwohner vor Lärm des Schienenverkehrs <?page no="349"?> • Verfassungsrecht • Privatrecht • Verwaltungsrecht Nationale Rechtsvorschriften regeln i. A. die Zulässigkeit von Geräuschimmissionen, während die Vorschriften der EU - im Rahmen der europaweiten Harmonisierung von Produktvorschriften - die zulässigen Geräuschemissionen von Fahrzeugen festlegen. Die entsprechenden nationalen emissionsbezogenen Vorgaben setzen dann im Wesentlichen die EU-Vorschriften in nationales Recht um. Mit der im Jahr 2002 verabschiedeten Richtlinie zum Umgebungslärm [9.27] hat die EU allerdings begonnen, auch immissionsrelevante Regelungen einzuführen. Diese wurden 2005 in nationales Recht umgesetzt [9.28]. 9.3.1 Verwaltungsrecht Die konkreteste Ausformung dieses Rechtsschutzes findet sich im Verwaltungsrecht, das im Wesentlichen den Rechtsverkehr zwischen staatlichen Instanzen als Aufsichts- und Genehmi‐ gungsbehörden und den Trägern von emissionsrelevanten Vorhaben sowie den Betreibern von Geräusch emittierenden Verkehrsmitteln beschreibt. Hierbei ist wiederum zwischen Fachplanungsrecht und Immissionsschutzrecht zu unterscheiden. Während Fachplanungen (Bauleitplanung, Planung von Schienenwegen etc.) die rechtlichen Vorgaben für das jeweilige Planungsobjekt insgesamt liefern, konzentriert sich das Immissions‐ schutzrecht auf den Aspekt der vom Vorhaben verursachten Emissionen und Immissionen und enthält naturgemäß die konkretesten Vorgaben dazu. Es wird deshalb vorrangig beschrieben. Wichtigste Rechtsgrundlage ist das Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG) von 1974ff [9.29]. Zweck des Gesetzes ist der Schutz von Menschen, Natur und Sachgütern vor schädlichen Umwelteinwirkungen (§ 1) u. a. beim Bau von Eisen- und Straßenbahnen und dem Betrieb von Schienenfahrzeugen (§ 2). Schädliche Umwelteinwirkungen sind „Immissionen, die ... Gefahren, erhebliche Nachteile oder erhebliche Belästigungen“ herbeiführen können (§ 3). Zu ihnen zählen auch Geräusche und Erschütterungen (§ 3 (2)). Beachtenswert ist, dass das BImSchG nicht schlechthin vor Nachteilen und Belästigungen schützt, sondern nur vor solchen erheblichen Ausmaßes (vgl. dagegen die Zielwerte der Tabelle 9.2). Offensichtlich ist eine wesentliche Lücke des Gesetzes: Es regelt nicht den Schutz an beste‐ henden, d.h. vor Inkrafttreten des BImSchG genehmigten und seitdem nicht mehr wesentlich geänderten Bahnstrecken. Das Inkrafttreten des BImSchG am 01.04.1974 gibt somit auch das Da‐ tum für die Abgrenzung von Bestand und Neubau/ Wesentliche Änderung bei den Problemfeldern des Schienenverkehrslärms (siehe Abschnitt 9.1.1) vor. Die Bedingungen für den Betrieb von Fahrzeugen werden in § 38 konkretisiert, der Bau und die wesentliche Änderung von Schienenwegen ist im Detail in den §§ 41 bis 43 geregelt. § 38 ermächtigt die Bundesregierung (BMVI, BMU) zum Erlass von Rechtsvorschriften für die Emissionen u. a. von Schienenfahrzeugen (siehe Abschnitt 9.4). Beim Bau und der wesentlichen Änderung von Schienenverkehrswegen ist nach § 41 sicherzu‐ stellen, dass durch diese keine schädlichen Umwelteinwirkungen durch Geräusche hervorgerufen 9.3 Ordnungsrechtliche Vorschriften zum Schutz der Bevölkerung vor Schienenverkehrslärm 345 <?page no="350"?> 3 Zur Vermeidung von schädlichen Umwelteinwirkungen durch Erschütterungen enthält das BImSchG keine den §§41-43 entsprechenden Regelungen. werden 3 . Das BImSchG konkretisiert das Maß der Schädlichkeit selbst nicht, sondern ermächtigt zu einer entsprechenden Rechtsverordnung (§ 43), die unter dem Namen „Verkehrslärmschutzver‐ ordnung“ (16. BImSchV bzw. VLärmSchV [9.14]) seit Juni 1990 in Kraft ist und seitdem mehrfach geändert wurde. Die Anwendung der §§41 bis 43 BImSchG und der VLärmSchV wird detailliert in Abschnitt 9.7.3 dargestellt. Integraler Bestandteil der VLärmSchV ist das Berechnungsverfahren, das zur Ermittlung der Immissionen zu verwenden ist, ab 1990 war dieses zunächst die Schall 03 der Deutschen Bundesbahn, aktuell ist es die Anlage 2 der Verordnung, Schall 03; 2014 [9.13]) Die VLärmSchV hatte keine rückwirkende Kraft. Für neugebaute oder wesentlich geänderte Schienenwege zwischen 1974 und 1990 ist der im BImSchG festgelegte Schutz vor schädlichen Umwelteinwirkungen durch die Festlegung von maximal zulässigen Immissionswerten im Rah‐ men von Planfeststellungen (siehe unten) umgesetzt worden. Wurden diese gerichtlich angefoch‐ ten, wurde durch richterliche Einzelfallentscheidung das Schutzmaß festgelegt. Während beim Straßenneubau zahlreiche derartige Rechtsurteile gefällt worden sind, ist Vergleichbares beim Schienenwegebau allerdings nicht bekannt. Immissionsschützende Festlegungen werden im Rahmen der schon erwähnten Planfeststel‐ lungsbeschlüsse oder - z. B. bei neuer Wohnbebauung an bestehenden Bahnstrecken - im Rahmen der Bauleitplanung nach dem Baugesetzbuch [9.30] getroffen. Das Planfeststellungsverfahren ist im Allgemeinen Eisenbahngesetz (AEG) geregelt [9.31]. AEG § 18 sieht beim Bau und der Änderung von Schienenwegen grundsätzlich die Planfeststel‐ lung (bzw. die Plangenehmigung) vor, bei der „die von dem Vorhaben berührten öffentlichen und privaten Belange einschließlich der Umweltverträglichkeit im Rahmen der Abwägung zu berücksichtigen“ sind. Für das Planfeststellungsverfahren gelten ferner die §§ 72 bis 78 des Verwaltungsverfahrensgesetzes. Werden die Immissionsgrenzwerte der VLärmSchV im Falle von unverhältnismäßigen Kosten aktiver Lärmschutzmaßnahmen oder auf Grund anderer prioritärer Belange überschritten, wird der Schutz der Betroffenen nach § 42 BImSchG durch Erstattung von Aufwendungen für die notwenigen Lärmschutzmaßnahmen an baulichen Anlagen sichergestellt. Einzelheiten dazu regelt die 24. Verordnung zum BImSchG vom 04.02.1997 (Verkehrswege-Schallschutzmaßnah‐ menverordnung [9.32]. 9.3.2 Verfassungs- und Privatrecht Das BImSchG gewährt keinen Rechtsschutz vor Geräuschimmissionen von bestehenden Bahn‐ anlagen. Der belastete Bürger bleibt dennoch nicht gänzlich ungeschützt. Er kann sich mit den Mitteln des Privatrechtes oder des Verfassungsrechtes gegen unzumutbare Beeinträchtigungen wehren. Entscheidend dabei ist aber, dass er diese Rechte nur auf gerichtlichem Wege einklagen kann, was im Allgemeinen zu langwierigen und kostspieligen Verfahren führt, Die Bundesregie‐ rung hat deshalb verschiedentlich geplant, den Lärmschutz an bestehenden Verkehrswegen auf eine verbesserte gesetzliche Grundlage zu stellen (siehe z. B. [9.33]). Die privatrechtliche Grundlage des Rechtsschutzes vor Geräuschen und Erschütterungen ist im Wesentlichen im § 906 des Bürgerlichen Gesetzbuches (BGB) formuliert. 346 9 Rechtsschutz der Anwohner vor Lärm des Schienenverkehrs <?page no="351"?> 4 Die genannten Mittelungspegel ergeben durch den Abzug des damals noch geltenden Schienenbonus um 5 dB(A) niedrigere Beurteilungspegel von 72/ 62 dB(A) tags/ nachts. Danach können nur „wesentliche Beeinträchtigungen“ abgewehrt werden, und dies auch nur dann, wenn diese nicht „ortsüblich“ und nicht durch wirtschaftlich zumutbare Maßnahmen verhindert werden können. Die unbestimmten Rechtsbegriffe „ortsüblich“ und „wirtschaftlich zumutbar“ müssen im Einzelfall im Rahmen der Rechtsprechung konkretisiert werden. Der Begriff „unwesentlich“ ist durch die Novellierung des BGB Ende 1994 präzisiert worden. Danach sind Beeinträchtigungen unwesentlich, wenn in Gesetzen und Verordnungen festgelegte Grenzwerte nicht überschritten werden. Für den Schutz vor Immissionen des Bahnverkehrs war bislang der auf die Grundrechte gegrün‐ dete Abwehranspruch bedeutsamer, da vor der Privatisierung der Bundes- und Reichsbahn der Schienenverkehr als öffentlich-rechtlich eingestuft wurde. Die beiden wichtigsten Grundrechte zur Abwehr von Beeinträchtigungen sind die Artikel 2 (2) (Recht auf körperliche Unversehrtheit) und 14 {1) (Gewährleistung des Eigentums) des Grundgesetzes. Eine exemplarische Interpretation dieser Grundrechte ist im Urteil des Oberverwaltungsge‐ richtes Bremen (OVG Bremen) vom 19.01.1993 enthalten [9.34]: Das OVG Bremen verneint einen Abwehranspruch auf der Grundlage des Artikels 2 (2), da nach seiner Auffassung verkehrslärmbedingte organische Krankheiten nicht bekannt seien und Schwellenwerte für Gesundheitsschäden psychologischer Art wissenschaftlich gesichert nicht nachgewiesen werden können. In mehreren Studien ist das Umweltbundesamt hingegen zu der Erkenntnis gekommen, dass zumindest beim Straßenverkehr bei Belastungen ab 65 dB(A) tags das Risiko für Herz-Kreis‐ lauf-Erkrankungen zunimmt (siehe Abschnitt 9.1.3). Es widerspricht zudem dem Vorsorgeprinzip, das Risiko von Gesundheitsschäden, deren Entstehung wissenschaftlich noch nicht gesichert ist, allein den Betroffenen zuzuweisen. Hingegen bejaht das OVG einen Abwehranspruch auf der Grundlage des Artikels 14(1) GG. Es formuliert dazu als Grenzwerte (Mittelungspegel) für Mischgebiete 77 dB(A) tags und 67 dB(A) nachts 4 (für Wohngebiete ergäben sich analog um jeweils 2 dB(A) niedrigere Schwellenwerte). Das OVG nimmt auch zu den möglichen Schutzmaßnahmen Stellung. Es verwirft betriebliche Vorkehrungen (Geschwindigkeits- oder Verkehrsmengenreduzierung), da dies zu einer Funkti‐ onsbeeinträchtigung des Schienenverkehrs führen würde. Bauliche Maßnahmen der Bahn wären mit einem unverhältnismäßig hohen Aufwand verbunden. Schienenschleifen wird als noch nicht technisch erprobte Maßnahme angesehen. So verbleiben nach Auffassung des Gerichtes nur Schallschutzmaßnahmen am Gebäude selbst. Das Schienenschleifen wird allerdings inzwischen von der DB AG als auch vom UBA als erprobte und bei scheibengebremsten Fahrzeugen wirksame Maßnahme angesehen. So kann nach einer Verfügung des Eisenbahn-Bundesamts von 1998 für das so genannte „Besonders überwachte Gleis“ (akustisch optimiertes Schienenschleifen und halbjährliche Kontrolle der Emissionen, vgl. [9.13], Abschnitt 4.5, Anmerkung 2) einen Abschlag von 3 dB(A) angesetzt werden. 9.4 Vorschriften für die Geräuschemissionen von Schienenfahrzeugen Die EU bereitete etwa seit dem Jahr 2000 die Verabschiedung von Geräuschvorschriften für den interoperablen Schienenverkehr (auf dem TEN-T, dem transeuropäischen Schienennetz verkehrend) vor. Grundlage dafür waren die EG-Richtlinien zur 9.4 Vorschriften für die Geräuschemissionen von Schienenfahrzeugen 347 <?page no="352"?> 5 Sie werden in den TSI genauer definiert. • Interoperabilität des Hochgeschwindigkeitsverkehrs (96/ 48/ EG vom 23. Juli 1996) und des • konventionellen Schienenverkehrs (2001/ 16/ EG vom 19.03. 2001). In den zugeordneten Technischen Spezifikationen für die Interoperabilität (TSI) werden u. a. Geräusch‐ grenzwerte für neue und wesentlich geänderte Schienenfahrzeuge und das jeweilige Messverfahren festgelegt („TSI Fahrzeuge -Lärm“). Da die Lebensdauer der Schienenfahrzeuge sehr hoch ist (Güterwagen laufen z. B. ca. 40 Jahre), sind Geräuschvorschriften für Neufahrzeuge nur langfristig effektiv. Für eine raschere Minderung des Schienenverkehrslärms sind deshalb auch Instrumente und Maßnahmen an den Bestandsfahrzeugen erforderlich (siehe Abschnitt 9.10.3). Ursprünglich waren auch TSI-Regelungen für die Infrastruktur vorgesehen, da diese bekanntlich einen gewichtigen Anteil an den Geräuschemissionen des Schienenverkehrs hat. Aus Gründen des Subsidiaritätsprinzips werden diese aber in der Zuständigkeit der Mitgliedsstaaten belassen. Für den Hochgeschwindigkeitsverkehr (HGV) wurden Geräuschgrenzwerte erstmals 1.12.2002 in Kraft gesetzt. Grenzwerte für den konventionellen Verkehr traten am 23.06.2006 in Kraft. Die TSI wurden mehrfach überarbeitet, die letzte Revision der Grenzwerte wurde am 01.01.2015 gültig (Verordnung (EU) Nr. 1304/ 2014 der Kommission vom 26. November 2014 über die technische Spezifikation für die Interoperabilität des Teilsystems „Fahrzeuge - Lärm“) kurz TSI Lärm 2014 [9.35]) Dabei wurden die Vorschriften für den konventionellen und den HGV in einer gemeinsamen TSI harmonisiert. Nach wie vor gibt es keine Geräuschvorschriften in Deutschland und der EU für Straßen- und U-Bahnen. Im Folgenden werden die Vorgaben der TSI Lärm 2014 beschrieben. 9.4.1 Anwendungsbereich Die Geräuschemissionsgrenzwerte gelten für alle neuen und wesentlich geänderten Schienen‐ fahrzeuge, die auf dem „gesamten Eisenbahnnetz der EU“ betrieben werden. Ursprünglich war nur der Betrieb auf den so genannten transeuropäischen Eisenbahnsystemen TEN-T gemäß Entscheidung 1692/ 96/ EG reguliert, die eine Auswahl wichtiger Hauptverkehrstrassen sind. Die regulierten Schienenfahrzeuge 5 sind: • Verbrennungstriebfahrzeuge oder elektrische Triebfahrzeuge (z. B. Lokomotiven) • Verbrennungstriebzüge oder elektrische Triebzüge • Reisezugwagen und andere artverwandte Wagen • Güterwagen • Gleisbaumaschinen Nicht unter den Anwendungsbereich der TSI Lärm fallen u. a. Untergrundbahnen, Straßenbahnen und andere Stadt- und Regionalbahnsysteme und vom Eisenbahnnetz funktional getrennte und lokale oder private Netze. Geräuschemissionsgrenzwerte bestehen für die folgenden Betriebssituationen • Standgeräusch • Anfahrgeräusch • Vorbeifahrgeräusch • Innengeräusch im Führerstand 348 9 Rechtsschutz der Anwohner vor Lärm des Schienenverkehrs <?page no="353"?> 6 Die Fahrgeräuschmessungen bei Geschwindigkeiten ab 250 km/ h dürfen auch auf fester Fahrbahn durchgeführt werden. In diesem Fall sind die Grenzwerte um 2 dB höher als in Tabelle 9.4 angegeben. 7 Ist diese kleiner oder gleich 80 km/ h wird nur bei V gemessen. Dieser Wert muss den 80-km/ h- Grenzwert einhalten. Wichtige, oft störende Betriebssituationen wie das Bremsen oder das Fahren in Kurven werden bislang nicht reguliert. 9.4.2 Messverfahren Das Messverfahren für die Typprüfung oder auch Zulassung von Einzelfahrzeugen ist in der internationalen Norm ISO 3095: 2013 „Acoustics - Railway applications - Measurement of noise emitted by railbound vehicles“ [9.36] festgelegt. Für spezielle Betriebsbedingungen werden in der TSI Abweichungen formuliert. In der Norm werden Vorgaben für das Testbzw. „Referenz“gleis gemacht, damit der Einfluss der Infrastruktur auf die Geräuschemissionen der Fahrzeuge minimiert wird und die Ergebnisse von verschiedenen Teststrecken vergleichbar sind: • Es ist grundsätzlich auf einem Schwellengleis im Schotterbett zu messen 6 . • Die akustische Schienenrauheit muss unterhalb einer Grenzkurve liegen. • Die vertikalen und horizontalen Körperschallabklingraten TDR -Track Decay Rates - , die das Dämpfungsverhalten der Schienen charakterisieren, müssen eine Mindestgröße haben. Allerdings dürfen auch Gleise verwendet werden, die bezüglich der akustisch relevanten Schie‐ nenrauheit und der Schallabklingrate nicht den Bedingungen des Referenzgleises entsprechen, sofern Geräuschpegel die Grenzwerte nicht überschreiten. Diese Messungen werden aber als „nicht vergleichbar“ klassifiziert. 9.4.3 Geräuschgrenzwerte und Vorbeifahrgeräusch Akustische Kenngröße ist der über die Vorbeifahrtzeit Tp - die sich aus der Länge des Schienen‐ fahrzeugs von Puffer zu Puffer und der Fahrgeschwindigkeit ergibt - gemittelte energieäquival‐ ente und A-bewertete Schalldruckpegel L pAeq,Tp in 7,5 m Abstand von der Gleismitte und in 1.2 bzw. 3,5 m (bei Geschwindigkeiten ab 250 km/ h) Höhe über Schienenoberkante. Die Vorbeifahrgeräusche wachsen mit der Geschwindigkeit eines Schienenfahrzeuges. So liegt die Geräuschemission eines Fahrzeugs bei 250 km/ h im Mittel um 15 dB(A) über der bei 80 km/ h. Im Geschwindigkeitsbereich bis unter 250 km/ h wird dieser Anstieg durch das Rollgeräusch dominiert, ab 250 km/ h durch die aerodynamischen Geräusche. Die Grenzwerte sind deshalb abhängig von der Fahrgeschwindigkeit. Sie werden für die Geschwindigkeiten von 80 und 250 km/ h festgelegt. Ein Schienenfahrzeug muss jeweils bei der Geschwindigkeit von 80 km/ h und bei der Höchstgeschwindigkeit V 7 gemessen werden und die Grenzwerte für beide Geschwindigkeiten einhalten. Die Umrechnung auf die Bezugsgeschwindigkeiten 80 und 250 km/ h erfolgt nach den Formeln L pAeq,Tp (80 km/ h) = L pAeq,Tp (V) - 30 . log (V/ 80) und L pAeq,Tp (250 km/ h) = L pAeq,Tp (V) - 50 . log (V/ 250) 9.4 Vorschriften für die Geräuschemissionen von Schienenfahrzeugen 349 <?page no="354"?> Eine Besonderheit weist der Grenzwert für Güterwagen auf. Da die Achsen eines Güterwagens als Geräuschquellen betrachtet werden, hängt der auf die Güterwagenlänge bezogene Pegel von der Achsanzahl pro Länge APL ab. Ein vierachsiger Güterwagen z. B. hat deshalb einen 3 dB(A) höheren Vorbeifahrpegel als ein zweiachsiger Wagen gleicher Länge und gleicher technischer Ausstattung. Der jeweilige Messwert ist deshalb auf den APL-Referenzwert (APLref) von 0,225 umzurechnen: L pAeq,Tp (APLref) = L pAeq,Tp (APL) - 10 . log (APL/ 0,225) Fahrzeugkategorie L pAeq,Tp (80 km/ h) L pAeq,Tp (250 km/ h) - dB dB Elektrolokomotiven und Gleisbaumaschinen mit elektrischem Antrieb 84 992 Diesellokomotiven und Gleisbaumaschinen mit Dieselantrieb 85 entfällt Elektrische Triebzüge 80 95 Dieseltriebzüge 81 96 Reisezugwagen 79 entfällt Güterwagen (umgerechnet auf APL = 0,225) 83 entfällt Tabelle 9.3: Grenzwerte für das Vorbeifahrgeräusch von Schienenfahrzeugen Schon die EU-Grenzwerte der ersten Stufe im Jahr 2006 hatten zur Folge, dass neue Schienen‐ fahrzeuge mit Graugussklotzbremsen (GG) nicht mehr zulassungsfähig waren. Das betrifft vor allem die Güterwagen, die seitdem mit alternativen Bremssystemen wie Scheibenbremsen oder Kompositbremsklötzen ausgerüstet sein müssen (Ausnahmen gibt es für solche Fahrzeuge, für die technische Lösungen nicht verfügbar sind). Das Minderungspotenzial infolge dieser Regelung ist - bezogen auf den einzelnen neuen Güterwagen - beträchtlich: • Gemäß der Schall 03 von 2014 [9.13] betragen die Reduktionen auf durchschnittlich gepfleg‐ tem Gleis etwa 5 dB(A), auf besonders glatten Schienen, wie sie durch das Besonders überwachte Gleis BüG definiert sind, etwa 8 dB(A). • Umfangreiche Messungen in der Schweiz zeigen, dass das Minderungspotenzial auf beson‐ ders glatten Schienen bei den Kompositklötzen des Typs LL (low noise - low friction, der für die Umrüstung in Deutschland genutzte Bremsklotz) etwa 8 dB(A) und für die K-Sohlen (die Standardlösung für Neufahrzeuge) etwa 11 bis 13 dB(A) betragen. Mit Scheibenbremsen lassen sich sogar noch weitere Minderungen bis zu 2 dB(A) erreichen [9.37]. Um diese Reduktionen für die gesamte Güterwagenflotte zu erreichen, mussten Strategien für die Umrüstung der Bestandsflotten erarbeitet werden (siehe Abschnitt 9.10.3). 9.4.4 Anfahrgeräusch Messgröße ist der maximale Vorbeifahrpegel L pAFmax (7,5m/ 1,2m). Die Geräuschgrenzwerte sind in Tabelle 3 der TSI Fahrzeuge - Lärm angegeben. 350 9 Rechtsschutz der Anwohner vor Lärm des Schienenverkehrs <?page no="355"?> 9.4.5 Standgeräusch Messgröße ist der L pAeq,T , ebenfalls bei 7,5m/ 1,2m. Die Geräuschgrenzwerte sind in Tabelle 2 der TSI Fahrzeuge - Lärm angegeben. Die Grenzwerte im Rahmen der Typprüfung beziehen sich auf Fahrzeuge in einwandfreiem Zustand. Wie Messungen zeigen (siehe Abschnitt 9.1.2), treten aber infolge von Defekten höhere Pegel auf, die vor allem im Maximalpegel der Vorbeifahrt messbar werden und besonders störend sind. Geräuschemissionsgrenzwerte müssen deshalb dauerhaft eingehalten werden. In den Vorschriften der EU ist dies bislang nicht in konkrete, auf die akustische Qualität bezogenen Wartungsvorschriften umgesetzt worden. 9.5 Geräuschmindernde Vorschriften für die Fahrwege Die Gesamtemissionen des Schienenverkehrs werden von Fahrzeug und Fahrweg gemeinsam erzeugt. Besonders wichtig ist dieses Zusammenwirken bei der Entstehung des Rollgeräusches, das über einen weiten Geschwindigkeitsbereich dominant ist und von der kombinierten Rauheit von Rad und Schienen erzeugt wird Deshalb setzt eine wirksame Lärmminderung voraus, dass der Stand der Technik sowohl bei den Fahrzeugen wie den Fahrwegen umgesetzt wird („Glattes Rad auf glatter Schiene“). Da die Schienenrauheit im Fahrbetrieb mit der Zeit anwächst - eine verriffelte Schienenfahrfläche kann den Gesamtpegel selbst bei sehr leisen Fahrzeugen um bis zu 20 dB(A) erhöhen - setzt eine dauerhafte Begrenzung der Schienenrauheit ein Konzept der Infrastrukturbetreiber zu ihrer Begrenzung voraus. In der Regel werden die Schienenfahrflächen aus betrieblichen Gründen mit unterschiedlichen Schleifmethoden periodisch „geglättet“ bzw. Defekte beseitigt, in jüngerer Zeit hat aber auch das akustisch begründetet Schleifen vermehrt Verbreitung gefunden. Explizite Vorgaben für die anteiligen Geräuschemissionen der Fahrwege gibt es bislang weder auf europäischer noch auf nationaler Ebene. Sie sind aber implizit in den Berechnungsvorschriften für die Geräuschimmissionen enthalten. In der Schall 03 von 1990 [9.38] und 2014 [9.13] beruhen die Emissionsannahmen auf einem „durchschnittlichen Fahrflächenzustand“. Für die Schienenfahrflächen der Eisenbahnen wurde in der Schall 03 von 1990 angenommen, dass durch das übliche Wartungsschleifen - das aus betrieblichen Gründen erfolgt - ein Pegel L 0 (unterer Schwellenwert) erreicht wird und wieder geschliffen wird, wenn der Emissionspegel auf L 0 + 5,7 dB(A) (oberer Schwellenwert) angestiegen ist. Der über einen Schleifzyklus energetisch gemittelte Emissionspegel liegt dann bei L 0 + 3 dB(A) und entspricht dem durchschnittlichen Fahrflächenzustand [9.39]. Dieses Konzept wurde unverändert in die neue Schall 03 als Anlage 2 zur 16. BImSchV übernommen und gilt auch für die Straßenbahnen. Problematisch ist, dass die entsprechenden Wartungsvorgaben - akustische Qualität des Wartungsschleifens, Überwachung der Emissionen, Einführung eines Schwellenwertes für das Erfordernis erneuten Schleifens - nicht normativ festgelegt worden sind. Es ist bekannt, dass auf Grund unterlassenen Schienenschleifens Pegelerhöhungen bis zu 15 dB(A) selbst auf planfestge‐ stellten Neubaustrecken der DB vorgekommen sind. Während die DB Netz AG bei den Eisenbahnen durchaus über Instrumente verfügt, die Einhal‐ tung der Emissionsannahmen sicherzustellen (Emissionskontrolle durch den Schallmesswagen, geeignete akustisch optimierte Schleifverfahren), ist die Situation bei den Straßenbahnen sehr viel weniger transparent. Details zu den Schleifverfahren, den erreichbaren Minderungen und dem Überwachungssystem sind in der Regel nicht zugänglich. 9.5 Geräuschmindernde Vorschriften für die Fahrwege 351 <?page no="356"?> Die Anlage 2 zur 16. BImSchV [9.13] zeigt auch den grundsätzlichen Weg zur Verbesserung der akustischen Schienenqualität auf: Für die Eisenbahnen wurde das Konzept des „Besonders überwachten Gleises“ (BüG) normiert (Abschnitt 4.5 der Anlage 2 zur 16. BImSchV): • Mit besonderen akustisch optimierten Schleifverfahren werden besonders niedrige Aus‐ gangspegel L 0 erreicht. • Zudem wird ein Überwachungssystem festgelegt, in dem die Emissionen regelmäßig mit dem Schallmesswagen der DB gemessen werden. • Bei Erreichen des oberen Schwellenwerts muss erneut geschliffen werden. 9.6 Vorgaben für die Geräuschemissionen in Nahverkehrsplänen Nahverkehrspläne NVP nach § 8 Abs. 3 PBefG [9.40] definieren u. a. die Umweltqualität des Angebots von Verkehrsleistungen und damit auch die Qualität des Lärmschutzes. Sie können als gewissermaßen lokale Emissionsvorschriften die Lücken im bestehenden nationalen und europäischen Recht ausfüllen. Sie legen Vorgaben für den Lärmschutz vornehmlich für die Beschaffung von Fahrzeugen, aber auch für die Wartung von Fahrzeugen und Fahrwegen fest. Sie können Bindungswirkung sowohl für den kommunalen Eigenbetrieb als auch für die Vergabe von Verkehrsleistungen im Wettbewerb entfalten. Die Vorgaben für die Geräuschemissionen des Nahverkehrs sollen exemplarisch am Beispiel des Berliner Nahverkehrsplans (NVP) 2019-2023 mit Stand vom 25. Februar 2019 [9.41] dargestellt werden. Im Berliner NVP werden im Abschnitt „III.6.4 Lärmschutz“ Anforderungen an die Geräusch‐ emissionen von Straßenbahnen formuliert. u. a. ist die VDV-Schrift 154 „Geräusche von Schie‐ nenfahrzeugen des Öffentlichen Personen-Nahverkehrs“ [9.42] zu beachten. So dürfen “vom gesamten Fahrzeug und von allen Antriebs- und Hilfsbetrieben [...] keine tonhaltigen Geräusche gemäß VDV-Schrift 154 Kapitel 4.5 ausgehen“ ([9.41] S. 207). „Die Fahrzeughersteller sind vom Betreiber verbindlich auf Geräuschpegelhöchstwerte ent‐ sprechend dem Stand der Technik sowie der nachfolgenden Ausführungen zu verpflichten. Die Schallpegelwerte der Fahrzeugtypen sind unmittelbar vor bzw. nach Lieferung sowie nach 2 Jahren Betriebseinsatz zu ermitteln und müssen (bei ordnungsgemäßer betriebsüblicher Wartung der Fahrzeuge) die gleichen Grenzwerte einhalten.“ Bei der Neubeschaffung von Straßenbahnen und U-Bahnen hat der Betreiber Pegelhöchstwerte für Außengeräusche vorzugeben ([9.41] S. 207, Tabelle 6). Bemerkenswert ist ferner, dass im Berliner NVP Pegelbereiche für die Grenzwerte angeben werden. Die jeweiligen niedrigeren Schalldruckpegel können für ein Bonussystem bei der Aus‐ schreibung von Neufahrzeugen herangezogen werden, die jeweiligen höheren Schalldruckpegel sind aktuell die Höchstwerte für die zulässigen Geräuschemissionen, die später infolge der technischen Entwicklung auf den unteren Spannenwert gesenkt werden sollten. Der Nahverkehrsplan macht auch Vorgaben für die Laufflächenkonditionierung von Straßen‐ bahnen zur Vermeidung von Kurvenquietschen. 352 9 Rechtsschutz der Anwohner vor Lärm des Schienenverkehrs <?page no="357"?> 9.7 Vorschriften für die Geräuschimmissionen neuer bzw. wesentlich geänderter Schienenwege 9.7.1 Grundsätzliches Vor dem Neubau oder vor größeren Umbauten von Strecken spurgeführter Bahnsysteme - ebenso vor Baumaßnahmen im Rahmen der Lärmsanierung, die sich auf Dritte auswirken (können) - sind Planfeststellungsverfahren nach den einschlägigen Gesetzen durchzuführen. Dies sind: • das Allgemeine Eisenbahngesetz - AEG [9.31] für die Eisenbahnen einschließlich der Anschlussbahnen (§ 18), • das Magnetschwebebahnplanungsgesetz - MBPlG [9.43] für Magnetschwebebahnen (§ 1), • das Personenbeförderungsgesetz - PBefG [9.40] für die Straßenbahnen (§ 28). Zu den Straßenbahnen gehören • die Straßenbahnen im engeren Sinn; das sind Schienenbahnen, die mit straßengängigen Hochflur- oder - seit den neunziger Jahren - zunehmend mit Niederflurfahrzeugen betrieben werden und deren Haltestellen entweder im Straßenniveau liegen oder niedrige Bahnsteige besitzen, außerdem • die Stadtbahnen; das sind Schienenbahnen, die durch den Umbau klassischer Straßenbahn‐ netze entstanden sind und echten U-Bahnen ähneln, jedoch teilweise noch schienengleiche Bahnübergänge oder Bahnsteigzugänge besitzen. Soweit die Haltestellen teils hohe, teils niedrige Bahnsteige aufweisen, müssen die Fahrzeuge mit Klapptrittstufen ausgestattet sein; • die echten U-Bahnen, deren Stromzufuhr über eine Stromschiene erfolgt. Sie müssen deshalb frei von schienengleichen Bahnübergängen und Bahnsteigzugängen sein. Sie ähneln nach Strecken- und Fahrzeugstandard einer S-Bahn. Die Planfeststellungsverfahren enden in der Regel mit einem Planfeststellungsbeschluss, der meist mit gewissen Auflagen versehen ist. Im Planfeststellungsverfahren sind die Schallschutzansprü‐ che zu prüfen und zweckmäßig auch die Umweltverträglichkeit, um die Betroffenen offen zu informieren und Widerstände gegen das Vorhaben möglichst gering zu halten. Diese Gesichts‐ punkte haben manche Projektträger in der Vergangenheit immer wieder gering eingeschätzt und sich deshalb auf den angeblich unbedingt notwendigen Prüfungsumfang beschränkt. Nicht bedacht haben sie dabei, dass sich mit einer solchen Vorgehensweise ein Projekt nur „schlecht verkaufen“ lässt. Die im Rahmen der Planfeststellung erforderlichen oder dringend zu empfehlenden Prüfungen für den Schallschutz werden im Folgenden genannt. 9.7.2 Die Umweltverträglichkeitsprüfung Für folgende Bauvorhaben von Schienenbahnen ist in Verbindung mit der Anlage 1 des Gesetzes über die Umweltverträglichkeitsprüfung - UVPG [9.44] eine Umweltverträglichkeitsprüfung (UVP) vorgeschrieben, entweder in jedem der genannten Fälle (§6, im Folgenden „unbedingt UVP-pflichtig“) oder nur dann, wenn sie nach dem Ergebnis der allgemeinen Vorprüfung des Einzelfalles erforderlich ist (§7, im Folgenden „bedingt UVP-pflichtig“): • Bau eines Schienenweges von Eisenbahnen mit den dazu gehörenden Betriebsanlagen einschließlich Bahnstromfernleitungen (unbedingt UVP-pflichtig; jedoch intermodale Um‐ 9.7 Vorschriften für die Geräuschimmissionen neuer bzw. wesentlich geänderter Schienenwege 353 <?page no="358"?> schlaganlage und Terminal nur bedingt UVP-pflichtig, außer letztere Anlagen werden zusammen mit einer neuen Strecke gebaut); • Bau einer Straßenbahn, Stadtbahn oder U-Bahn oder einer anderen Bahnstrecke mit den dazugehörenden Betriebsanlagen (bedingt UVP-pflichtig); • Bau einer Magnetschwebebahn mit den dazugehörenden Betriebsanlagen (unbedingt UVP-pflichtig). Für die Änderung der genannten Bahnen und ihrer Betriebsanlagen ist seit dem 27. Juli 2001 keine Umweltverträglichkeitsprüfung mehr erforderlich. Trotzdem ist sie wenigstens für den Bereich Schallimmissionen beim Bau oder Umbau von Verkehrswegen in durch Lärm vorbelasteten Ge‐ bieten dringend zu empfehlen, um den Anliegern aufzuzeigen, wie sich die Gesamtlärmbelastung infolge des Bauvorhabens verändern wird. Hier ist zu betonen, dass eine offene Vorgehensweise mit Aufzeigen aller Vorzüge - aber auch Schwierigkeiten - eines Projektes dazu beiträgt, bei den betroffenen Bürgern Ärger und Staatsverdrossenheit abzubauen oder wenigstens gering zu halten. Die Feststellung, z. B. im Erläuterungsbericht von Raumordnungs- oder Planfeststellungs‐ unterlagen, dass Lärmschutz nach § 41 ff. Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG) [9.29] in Verbindung mit der Verkehrslärmschutzverordnung - 16. BImSchV [9.14] gewährt wird, genügt im Rahmen der Umweltverträglichkeitsprüfung nicht. Schienenbahnen gelten wegen ihres geringen Flächenverbrauches infolge der Spurführung und wegen ihres häufig elektrischen Antriebes als umweltfreundliche Verkehrsmittel. Bezogen auf die gleiche stündliche Verkehrs- oder Transportleistung unterscheidet sich die Schallemission von Straßen- und Schienenverkehrsmitteln allerdings nicht wesentlich (siehe Abschnitt 9.1.2). Eine Betrachtung der Gesamtbeurteilungspegel (auch: Summenpegelbetrachtung) ist im Rahmen der Umweltverträglichkeitsprüfung durchzuführen. Geschieht dies nicht, kann die Auswirkung des Vorhabens auf den Menschen, d.h. die Betroffenheit, nicht ausreichend dargestellt werden. Die Allgemeine Verwaltungsvorschrift zur Ausführung des Gesetzes über die Umweltverträglich‐ keitsprüfung- UVPVwV [9.45] enthält zu den Stichworten „Ruhe, Lärmbetroffenheit, Lärmschutz“ leider keine Hinweise. Gesichtspunkte der Lärmwirkung erfordern jedoch • beim Neubau oder beim erheblichen Umbau eines Verkehrsweges die Gegenüberstellung der Gesamtbelastung aus den Geräuschen aller einwirkenden Landverkehrswege vor und nach Fertigstellung des geplanten bzw. verfahrensgegenständlichen Verkehrsweges, • bei Trassenvergleichen auch einen Vergleich der größenordnungsmäßigen Anzahl derjenigen Einwohner, die durch bestimmte Gesamtbeurteilungspegel betroffen werden. 9.7.3 Prüfung auf Lärmvorsorgeansprüche nach 16. BImSchV - 9.7.3.1 Allgemeine Hinweise für die schalltechnische Berechnung und Beurteilung Die schalltechnische Beurteilung des Neubaus oder Ausbaus von Schienenwegen ist in §§ 41 und 42 BImSchG und in der aufgrund von § 43 Abs. 1 Nr. 1 BImSchG erlassenen 16. BImSchV [9.14] geregelt. Sie unterscheidet zwischen dem „Neubau“ und der „wesentlichen Änderung“. Bei letzterer handelt es sich um eine wesentliche akustische Änderung, verursacht durch einen erheblichen baulichen Eingriff. Eine Erhöhung der Beurteilungspegel infolge von betrieblichen Änderungen führt wegen §-2 Abs. 1 Nr. 4 BImSchG nicht zu Schallschutzansprüchen. Vorrangig sind Schallschutzmaßnahmen an der Quelle (Fahrzeuge und Verkehrswege), z. B. leise Straßenbeläge und Gleispflege, sowie auf dem Ausbreitungsweg, z. B. Lärmschutzwälle und 354 9 Rechtsschutz der Anwohner vor Lärm des Schienenverkehrs <?page no="359"?> -wände (sog. aktiver Schallschutz), zu verwirklichen. Erst wenn die Kosten hierfür nach § 41 Abs. 2 BImSchG außer Verhältnis zum Schutzzweck stehen würden, also unverhältnismäßig teuer wären, kann auf Schallschutzmaßnahmen am Gebäude (sog. passiver Schallschutz), z. B. Lärmschutzfenster, ausgewichen werden. Einen Überblick über die nicht gerade übersichtliche Rechtslage zur Ermittlung von Schallschutzansprüchen bei Immissionen aus Landverkehrslärm bietet Bild 9.1. Aktuell ist die Rechtsprechung zur Frage der Verletzung der Grundrechte in Bewegung gekommen. In einem Beschluss des BVerwG von 2018 wird diese Schwelle inzwischen für Wohngebiete bei 67/ 57 dB(A) gesehen [9.46 BVerwG]. Um reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten, werden die Schallimmissionen von Straßen und Schienenwegen nicht gemessen, sondern nach bestimmten Regelwerken berechnet [9.13], [9.38], [9.66]. Im Übrigen ließen sich Schallschutzmaßnahmen an geplanten Verkehrswegen ohne vorherige Berechnung nicht bemessen. Bei der Prüfung auf „wesentliche Änderung“ im Falle eines erheblichen baulichen Eingriffs sind für die Bauzustände vor dem Umbau und nach dem Umbau jeweils die Prognoseverkehrsmengen anzusetzen und die daraus jeweils entstehenden Beurteilungspegel miteinander zu vergleichen. Die Bestimmung des Prognosezeitpunkts und des geplanten Betriebsprogramms ist nicht normiert, beides muss aber in „methodisch einwandfreier Weise“ erarbeitet worden und „nachvollziehbar“ sein ([9.2] S. 42/ 43). Der Emissionspegel für den Nachtzeitraum wird aus der Anzahl der Züge für den gesamten Nacht-Zeitraum (8 Stunden von 22: 00 Uhr bis 06: 00 Uhr) errechnet. Es wird also die Anzahl der Züge nicht nur auf die nächtliche Spitzenstunde oder auf die nächtliche Betriebsdauer, z. B. 4 Stunden von 22: 00 Uhr bis 01: 00 Uhr und von 05: 00 Uhr bis 06: 00 Uhr, bezogen, auch dann, wenn der Betrieb nur in weniger als 8 Nachtstunden stattfindet. 9.7 Vorschriften für die Geräuschimmissionen neuer bzw. wesentlich geänderter Schienenwege 355 <?page no="360"?> Bild 9.1: Rechtsanspruch auf Schutz vor Verkehrslärm Bei der Bewertung, ob die Immissionen eines neuen oder wesentlich geänderten Verkehrsweges die Immissionsgrenzwerte nach Tabelle 9.4 einhalten und bei Überschreitung Maßnahmen zu treffen sind, die die Einhaltung sicherstellen, sind die folgenden Fälle zu unterscheiden 1. Bau eines Verkehrsweges 2. Erweiterung eines Verkehrswegs um ein oder mehrere durchgehende Fahrstreifen bzw. Gleise (wesentliche Änderung, Fall 1) 3. Erheblicher baulicher Eingriff, a. der eine Pegelerhöhung um 3 dB(A) bewirkt; (wesentliche Änderung Fall 2.a) b. der eine Pegelerhöhung bewirkt auf mindestens 70/ 60 dB(A) tags/ nachts (wesentliche Änderung Fall 2.b); 356 9 Rechtsschutz der Anwohner vor Lärm des Schienenverkehrs <?page no="361"?> 8 Deutscher Bundesrat (1989): Entwurf der Bundesregierung - 16. Verordnung zur Durchführung des Bundes-Im‐ missionsschutzgesetzes. Bundesrats-Drucksache 661/ 89 vom 27.11.1989. http: / / dipbt.bundestag.de/ doc/ brd/ 1989/ D661+89.pdf 9 In der VlärmSchV von 1990 wurden auch die aufgerundeten Beurteilungspegel im Fall 3.2 und 3.3 mit den Auslösewerten verglichen (siehe Anhang 2): „Die Gesamtbeurteilungspegel .... sind auf ganze dB(A) aufzurunden“, also eine subtile Schlechterstellung. c. der eine Pegelerhöhung bei einer schon bestehenden Belastung von mindestens 70/ 60 dB(A) tags/ nachts bewirkt (wesentliche Änderung Fall 2.c). Beim erheblichen baulichen Eingriff muss die Substanz des Verkehrsweges berührt werden. Das EBA hat in [9.47] eine Liste der erheblichen baulichen Eingriffe zusammengestellt. Als „erhebli‐ cher baulicher Eingriff “ gilt z. B. die Verschwenkung von Fahrstreifen oder Gleisen oder ihre Höhenänderung. Aus lärmschutzfachlicher Sicht und auch bautechnisch ist der Einbau von Straßenbahngleisen ein erheblicher Eingriff in den Straßenkörper. Baumaßnahmen zur Straßen- und Bahnstreckenunterhaltung, außerdem der Einbau von Verkehrsinseln und der Einbau von Weichen, z. B. zur Verbindung von zwei Gleisen, und ähnliche Baumaßnahmen gelten rechtlich entsprechend der Begründung zur 16. BImSchV 8 nicht als erheblicher baulicher Eingriff. Bei den soeben genannten Baumaßnahmen entfällt eine schalltechnische Berechnung und Beurteilung. Zugunsten der Betroffenen wird der ermittelte Beurteilungspegel in den Fällen 1 und 2 und die Pegelerhöhung im Fall 3.1 auf einen ganzzahligen Betrag aufgerundet und mit den Immissionsgrenzwerte verglichen, d h. z. B. dass eine verursachte Mehrbelastung von 2,1 dB(A) bereits eine wesentliche Änderung beschreibt (vgl. Schall 03: 2014, Abschnitt 8.2.1 und 8.3). In den Fällen 3.2 und 3.3 wird der nichtgerundete Wert mit den „Auslösewerten der Lärmvorsorge im Sinne der Lärmsanierung“ verglichen. 9 Die in § 2 Abs. 1 der 16. BImSchV festgelegten Lärm-Immissionsgrenzwerte (Tabelle 9.4) sind somit streng genommen keine Grenzwerte, sondern Auslösewerte für den Anspruch auf Lärmschutzmaßnahmen. Lärmschutzansprüche ohne einschränkende Randbedingungen können nur beim Neubau von Verkehrswegen sowie beim Anbau durchgehender Fahrstreifen bzw. Gleise entstehen. Die schalltechnische Untersuchung muss mindestens alle Immissionsorte innerhalb des Plan‐ feststellungsbereiches enthalten. Bei den Emissionen sind auch die wegführenden Streckenab‐ schnitte außerhalb des Planfeststellungsbereiches einzubeziehen. Art der Flächennutzung Immissionsgrenzwert - tags nachts Krankenhäuser, Schulen, Kurheime und Altenheime 57 Dezibel (A) 47 Dezibel (A) Reine und allgemeine Wohngebiete und Kleinsiedlungsgebiete 59 Dezibel (A) 49 Dezibel (A) Kerngebiete, Dorfgebiete, Mischgebiete und Urbane Gebiete 64 Dezibel (A) 54 Dezibel (A) Gewerbegebiete 69 Dezibel (A) 59 Dezibel (A) Tabelle 9.4: Immissionsgrenzwerte nach der Verkehrslärmschutzverordnung - 16. BImSchV [9.14] 9.7 Vorschriften für die Geräuschimmissionen neuer bzw. wesentlich geänderter Schienenwege 357 <?page no="362"?> Im Gegensatz zur Umweltverträglichkeitsprüfung wird i. d. R. bei der Ermittlung des Rechtsan‐ spruches auf Lärmschutz nach BImSchG die aus Lärmwirkungsgründen erforderliche Gesamtpe‐ gelbetrachtung nur ausnahmsweise durchgeführt, nämlich dann, • wenn Verkehrswege (z. B. Straße und Straßenbahn) gleichzeitig gebaut oder umgebaut werden oder • wenn die Gesamtbeurteilungspegel aus bestehenden und neu zu errichtenden Verkehrswegen in eigentumsrechtlich kritischer Höhe liegen (vgl. Abschnitte 9.7.3.6, 9.7.3.7) Ist dies nicht der Fall, werden nur Verkehrswege berücksichtigt, die neu gebaut oder durch „erheblichen baulichen Eingriff“ verändert werden. - 9.7.3.2 Bewertung der Verhältnismäßigkeit aktiver Schutzmaßnahmen Falls die Immissionsgrenzwerte überschritten werden, sind vorrangig Schallschutzmaßnahmen am Verkehrsweg, z. B. leise Straßenbeläge und Gleispflege, sowie auf dem Ausbreitungsweg, z. B. Lärmschutzwälle und -wände (sog. aktiver Schallschutz), zu verwirklichen. Erst wenn die Kosten hierfür nach § 41 Abs. 2 BImSchG außer Verhältnis zum Schutzzweck stehen würden, also unverhältnismäßig teuer wären, kann auf Schallschutzmaßnahmen am Gebäude (sog. passi‐ ver Schallschutz), z. B. Lärmschutzfenster, ausgewichen werden. Die Verhältnismäßigkeit einer Maßnahme ist rechtlich nicht konkretisiert worden. Das EBA hat in seinem Umwelt-Leitfaden [9.47] das folgende Verfahren vorgeschlagen: • Ermittlung der Kosten K aktiver Maßnahmen pro geschützter Wohneinheit für verschiedene Schutzvarianten (ausgehend vom „Vollschutz“ V1 - d. h. bei allen Wohneinheiten werden durch die aktiven Maßnahmen die Immissionsgrenzwerte eingehalten) als Funktion • der Zahl verbleibender Schutzfälle SF verb siehe Bild 9.2 • Ermittlung des Minimums der Funktion K = f (SF verb ), in der Abbildung die Variante V5 0 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000 30.000 35.000 0 200 400 600 800 Kosten je gelöstem Schutzfall in € verbleibende Schutzfälle K = f(SF verb ) V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8 V9 Bild 9.2: Kosten pro gelöstem Schutzfall in € als diskrete Funktion K = f (SF verb ) der verbleibenden Schutzfälle in verschiedenen Varianten (Diagramm nach [9.47]) 358 9 Rechtsschutz der Anwohner vor Lärm des Schienenverkehrs <?page no="363"?> Die Vorgehensweise setzt voraus, dass ein echtes Minimum existiert. Begründeter wäre ein Vergleich der Kosten aktiver Maßnahmen mit dem monetär bewerteten Nutzen entsprechend der Kosten-Nutzen-Analyse in der Aktiv-Passiv-Abwägung in der Förder‐ richtlinie für die Lärmsanierung an Schienenwegen ([9.48], Anhang 1). - 9.7.3.3 Schalltechnische Berechnung und Beurteilung von Bahnen nach dem Personenbeförderungsgesetz („Straßenbahnen“) In Stadtstraßen ist der öffentliche Nahverkehr ein Bestandteil des Straßenverkehrs. Aus Lärm‐ schutzgründen ist es im Wesentlichen gleichgültig, ob der öffentliche Linienverkehr mit Straßen‐ bahntriebwagen oder mit Omnibussen durchgeführt wird. Wenn Straßenbahn-Rillenschieneng‐ leise in eine Straße eingebaut oder mit Gleisverschwenkung neu trassiert werden sollen, würde es daher genügen, die Straße einschließlich der Straßenbahnstrecke als akustische Einheit zu betrachten und entsprechend der 16. BImSchV auf wesentliche Änderung zu prüfen. Beim plan‐ feststellungspflichtigen Umbau einer Straße mit integrierter Straßenbahnstrecke ohne eigenen Bahnkörper sind also die Teil-Beurteilungspegel aus schienengebundenem und nichtschienenge‐ bundenem Verkehr zu ermitteln, zum Gesamt-Beurteilungspegel jeweils für den Zustand vor und nach der baulichen Änderung zu addieren und im Falle einer wesentlichen Änderung (Pegelerhöhung in bestimmter Höhe) anhand der Immissionsgrenzwerte der 16. BImSchV zu beurteilen. Beim Neubau - nicht beim Umbau - einer Straßenbahnstrecke in einer bestehenden Straße wird üblicherweise für die einzelnen Immissionsorte auch noch geprüft, ob aus dem Neubau der Straßenbahn allein Schallschutzansprüche entstehen. Es können sich dann Schallschutzansprüche im Falle der Überschreitung der Immissionsgrenzwerte ergeben • einerseits dadurch, dass der Verkehr auf der neuen Straßenbahnstrecke für sich allein die Immissionsgrenzwerte überschreitet; • andererseits durch eine „wesentliche Änderung“ (§ 1 Abs. 2 Nr. 2 in [9.14]) der Summenpegel aus Straßen- und Straßenbahnverkehr. Hierbei handelt es sich um eine Pegelerhöhung von mindestens 0,1-dB(A) bis 2,1-dB(A) beim Vergleich Vorher - nachher. In diesem Zusammenhang wird auf den Planfeststellungsbeschluss der Regierung von Mittelfran‐ ken vom 09.07.1999 hingewiesen, in dem es zur schalltechnischen Beurteilung des Straßenbahn‐ verkehrs ohne eigenen Bahnkörper auf S. 15 heißt: „Aufgrund seiner untrennbaren Einbettung in die Straße ist für die schalltechnische Beurteilung ein Gesamtbeurteilungspegel aus Straßen- und Schienenverkehr (Summenpegel) heranzuziehen“ [9.49]. - 9.7.3.4 Erhöhung der Beurteilungspegel außerhalb des Baubereiches eines Verkehrsweges Falls infolge von punktuellen Baumaßnahmen, z. B. zur Steigerung der Leistungsfähigkeit eines Verkehrsweges zwischen zwei Knotenpunkten, auf dem gesamten Streckenabschnitt eine Erhö‐ hung der Beurteilungspegel eintritt, könnte nach Auffassung des Bayer. Verwaltungsgerichtshofes ein Lärmvorsorgeanspruch auf dem gesamten „größeren verkehrswirksamen Abschnitt“ entste‐ hen, wenn bei einheitlicher Planung des Streckenausbaues „die Mehrzahl der Bahnkilometer“ von den Ausbaumaßnahmen betroffen wäre [9.50]. Die bestehenden Unklarheiten der derzeitigen Regelungen führen aus Kostengründen allerdings i. d. R. zu einer Auslegung der Regelwerke zu Lasten des Immissionsschutzes. Danach werden entsprechend der Verwaltungspraxis bei Pege‐ lerhöhungen infolge einer Baumaßnahme Lärmvorsorgeansprüche im Sinne einer wesentlichen 9.7 Vorschriften für die Geräuschimmissionen neuer bzw. wesentlich geänderter Schienenwege 359 <?page no="364"?> Änderung nach § 1 Abs. 2 Nr. 2 der 16. BImSchV nur neben dem neuen oder auszubauenden Verkehrsweg geprüft, nicht in der Fortsetzung des Verkehrsweges, auch dann nicht, wenn die Pegelerhöhungen unmittelbare Folge des Neubaus oder Ausbaues eines Verkehrsweges sind. Sollte die Zunahme der Geräuschimmissionen außerhalb des Baubereichs allerdings „mehr als unerheblich“ sein, ist sie in die Abwägung des Planfeststellungbeschlusses einzubeziehen. Liegen die Immissionen nach dem Ausbau über den Immissionsgrenzwerten für die Dorfbzw. Mischge‐ biete (64/ 54 dB(A) Tags/ nachts), kann ein Anspruch auf Lärmschutzmaßnahmen begründet sein (Urteil des Bundesverwaltungsgerichtes vom 17.03.2005 [9.51], „Frankenschnellweg“). - 9.7.3.5 Schallschutzmaßnahmen am Gebäude Der Schallschutz an den Gebäuden, der sog. passive Schallschutz, ist besonders beim Neubau oder bei der wesentlichen Änderung von Straßenbahnstrecken ein wichtiger Untersuchungs‐ gegenstand; denn Lärmschutzwände oder -wälle längs der Straßenbahnstrecke kommen aus Gründen der Ortsgestaltung und Erschließung nicht in Frage. Nach der 16. BImSchV wird nur ein (theoretischer) Rechtsanspruch auf Schallschutz ermittelt, d.h. ein „Schallschutzanspruch dem Grunde nach“. Die Immissionsgrenzwerte dürfen zwar überschritten werden, jedoch entsteht bei deren Überschreitung ein Rechtsanspruch auf Schallschutzmaßnahmen am Gebäude (§ 42 Abs. 1 BImSchG [9.29] in Verbindung mit der Verkehrswege-Schallschutzmaßnahmenverordnung - 24. BImSchV [9.32]). Ob bei einem Rechtsanspruch auf Schallschutz nach der 16. BImSchV dann auch ein tatsächlicher Anspruch, z. B. auf Kostenersatz für den Einbau von Schallschutzfenstern, gegeben ist, muss vor Ort z. B. ein schalltechnisches Büro auf der Grundlage der 24. BImSchV prüfen. Mit ihr wird ein schlechterer Schallschutz am Gebäude als mit der VDI-Richtlinie 2719 [9.52] berechnet (vgl. Abschnitt 9.11.2, 6. Spiegelstrich). Zum Schallschutzanspruch gehören auch Belüftungseinrichtungen für Räume, die zum Schla‐ fen genutzt oder mit Sauerstoff verbrauchenden Feuerungen beheizt werden. Aus Schallschutz‐ gründen sind für die Belüftung nur sog. Flüsterlüfter geeignet. Sie weisen in 1 m Abstand einen Schalldruckpegel von nur 20-dB(A) auf. - 9.7.3.6 Gesamtlärmbelastung im Einwirkungsbereich eines neuen Verkehrsweges in eigentumsrechtlich kritischer Höhe Auch ohne gesetzliche Regelung der Lärmsanierung ist es nicht zulässig, Grundrechte zu beein‐ trächtigen. Zu hohe Lärmeinwirkungen können als „schädliche Umwelteinwirkungen“ das Recht auf körperliche Unversehrtheit (Art. 2 GG) oder die Nutzung des Eigentums (sog. eigentums‐ rechtlicher Eingriff nach Art. 14 GG) und somit Grundrechte unzulässig beeinträchtigen. Wenn sich infolge eines Verkehrswege-Neubau- oder -Umbauvorhabens Gesamtbeurteilungspegel in gesundheitlich bedenklicher oder eigentumsrechtlich kritischer Höhe weiter erhöhen, wären nach Auffassung des Bundesverwaltungsgerichtes [9.53] „unterschiedliche Lösungen“ denkbar, „um einen verfassungskonformen Zustand zu gewährleisten. Dazu könnte die Pflicht zählen, das neue Vorhaben zu unterlassen oder die Vorbelastung durch eine gleichzeitig eingeleitete Lärmsanierung zu verringern.“ Daraus folgt: 360 9 Rechtsschutz der Anwohner vor Lärm des Schienenverkehrs <?page no="365"?> 10 Der Gesamtbeurteilungspegel kann auf verschiedene Weise gebildet werden, im einfachsten Fall durch energe‐ tische Addition der Teilbeurteilungspegel, Wirkungsgerechter ist aber eine Addition, die über lärmwirkungsbe‐ zogene Korrekturen erlaubt, unterschiedliche Beeinträchtigungswirkung der verschiedenen Quellen zu berück‐ sichtigen. Wenn sich im Einwirkungsbereich eines geplanten Verkehrsweges andere laute Verkehrswege befinden und wenn sich die Gesamtbeurteilungspegel 10 aus allen Verkehrswegen infolge des Verkehrsbauvor‐ habens erhöhen, sind die Gesamtbeurteilungspegel zumindest nachrichtlich zu nennen. Ggf. sind Lärmsanierungsmaßnahmen durchzuführen. Dies ist auch erforderlich, um bei der „Lärmvorsorge“ nach der 16. BImSchV Schallschutzmaßnahmen zu vermeiden, die im Hinblick auf den Summenpegel wenig wirksam und daher unwirtschaftlich wären (vgl. §-41 Abs. 2 BImSchG). Das Thema „Beurteilung der Gesamtgeräuschverhältnisse“ ist u. a. in folgenden Urteilen behandelt worden: a) Bundesverwaltungsgericht am 21.03.1996 [9.53]: Aus der Begründung zu diesem Urteil ließe sich zwar bei Neu- und Ausbauvorhaben ein Schallschutzanspruch auch außerhalb des Neu- oder Ausbaubereiches ableiten, wenn infolge der Baumaßnahmen, z. B. im Anschluss an einen Straßen- oder Bahnneubau oder bei punktuellem Ausbau zur Erhöhung der Streckenleistungsfähigkeit, die Schallimmissionen in den anschließenden Straßen- und Streckenabschnitten bereits in eigentumsrechtlich kritischer Höhe liegen und weiter zunehmen und diese Zunahme nicht ausschließlich auf die allgemeine Verkehrszunahme zurückzuführen ist. Projektträger und Rechtsprechung haben allerdings im Einzelfall einen solchen Anspruch bisher i. d. R. verneint. b) Bayerischer Verwaltungsgerichtshof am 20.06.1996 [9.54]: In diesem Urteil wurde ein gewisser Lärmsanierungsanspruch außerhalb des Baubereiches anerkannt, wobei die Baumaßnahme zu einer Erhöhung der Beurteilungspegel auch außer‐ halb des Baubereiches führte. Dabei wurden die später in das Lärmsanierungsprogramm ab 1999 übernommenen Auslösewerte zu Grunde gelegt, z. B. für reine und allgemeine Wohngebiete tags 70 dB(A) und nachts 60 dB(A) (siehe Tabelle 9.5). c) Bayerischer Verwaltungsgerichtshof am 18.07.1996 [9.55]: Das Anwesen des Klägers in Ochsenfurt war damals beschallt von der Hauptbahnstrecke Würzburg - Treuchtlingen, künftig zusätzlich von der zu diesem Zeitpunkt geplanten Südtangente Ochsenfurt. Die hohe Lärmbelastung wirft die Frage nach der Ausgewogenheit der Planung auf. Obwohl im Allgemeinen Straßen- und Schienenlärm getrennt ermittelt und bewertet werden, ist nach Meinung des Gerichtes von diesem Grundsatz dann abzugehen, „wenn die Grenze zur Gesundheitsgefährdung und zur Gewährleistung der Substanz des Eigentums überschritten zu werden droht.“ Am Anwesen des Klägers wäre nach dem Bau der Straße eine Gesamtbelastung aus Straßen- und Schienenlärm von 70 dB(A) tags und 71 dB(A) nachts aufgetreten. Die Beurteilungspegel hätten damit im eigentumsrechtlich kritischen Bereich gelegen, der nach damaliger Rechtsprechung z. B. bei Wohngebieten dann vorliegt, wenn die Beurteilungspegel tagsüber 70-dB(A) und nachts 60 dB(A) überschreiten. Ein einklagbarer Anspruch auf Lärmsanierung ist nach ständiger Rechtsprechung jedoch auch im Falle eigentumsrechtlich kritischer oder gesundheitlich bedenklicher Lärmeinwirkungen nur dann gegeben, wenn der betroffene Hauseigentümer nicht in den Lärmeinwirkungsbereich hineingebaut hat oder wenn eine Funktionsänderung des Verkehrsweges vorgenommen worden ist. Die allgemeine Verkehrszunahme führt nicht zu einem Schallschutzanspruch; denn nach 9.7 Vorschriften für die Geräuschimmissionen neuer bzw. wesentlich geänderter Schienenwege 361 <?page no="366"?> Auffassung der Gerichte muss ein Hauseigentümer damit rechnen, dass z. B. klassifizierte Straßen oder Hauptbahnlinien bis zur Kapazitätsgrenze ausgelastet werden. - 9.7.3.7 Lärmbelastung beim erheblichen baulichen Eingriff zwar in eigentumsrechtlich kritischer Höhe, jedoch teilweise keine „wesentliche Änderung“ Insbesondere beim Ausbau bestehender Straßen tritt immer wieder der Fall ein, dass es infolge des erheblichen baulichen Eingriffes - unabhängig von der Höhe der Beurteilungspegel - an einem Teil der Immissionsorte im Baubzw. Planfeststellungsbereich zu Schallschutzansprüchen kommt, an einem anderen Teil nicht. Ursache dafür ist das Kriterium der „wesentlichen Änderung“ (§ 1 Abs. 2 Nr. 2 der 16. BImSchV), nach der eine Erhöhung der Beurteilungspegel unabdingbar ist. So kommt es zu problematischen Lösungen, wenn z. B. Gebäude auf einer Seite des Verkehrsweges einen Schallschutzanspruch zugebilligt bekommen, weil sich der Nacht-Beurteilungspegel von 60,0 auf 60,1 dB(A) erhöht, während die Gebäude auf der anderen Seite des Verkehrsweges leer ausgehen, weil dort ein deutlich höherer Pegel gleichbleibt oder sich verringert. Den betroffenen Hauseigentümern ist diese Regelung kaum zu vermitteln; denn sie kann dazu führen, dass für manche sehr laute Immissionsorte im Gegensatz zu weniger lauten kein Schallschutzanspruch entsteht. Hier sollte eine Gleichbehandlung eingeführt werden. - 9.7.3.8 Körperschall Die Beurteilung des durch Körperschallübertragung entstehenden sekundären Luftschalls ist ebenfalls nicht verbindlich geregelt. Sie sollte aus fachlicher Sicht nach der Technischen Anleitung zum Schutz gegen Lärm - TA Lärm [9.56] Nr. 6.2 erfolgen. Danach sollen in Wohn- und Schlafräumen während der Nachtzeit (22: 00 Uhr bis 06: 00 Uhr) der Beurteilungspegel nicht über 25-dB(A) und einzelne Schallpegelspitzen nicht über 35 dB(A) liegen. Bei Abständen von weniger als 50 m zwischen Eisenbahngleisen und Gebäuden oder von weniger als 10 m zwischen Straßenbahngleisen und Gebäuden können bei einer Gleislagerung ohne Schwingungsisolierung die Anhaltswerte der DIN 4150-2 für Erschütterungsimmissionen und die Immissionsrichtwerte der TA Lärm für sekundären Luftschall überschritten werden. Bei den o. g. geringen Abständen hat sich seit einigen Jahren bei der Münchner Straßenbahn ein Oberbau mit Unterschottermatten bewährt. Im Übrigen ist zur Minderung der Erschütterungs- und Körperschallimmissionen - ebenso wie zur Minderung der Luftschallemissionen - darauf zu achten, dass die Immissionen durch regelmäßige Gleis- und Radsatzpflege möglichst gering‐ gehalten werden. 9.8 Schutz vor Schienenverkehrslärm im Rahmen der Bauleitplanung: Problemfeld Heranrückende Wohnbebauung Als drittes Problemfeld des Schienenverkehrslärms wurde im Abschnitt 9.1.1 die Wohnbebauung genannt, die an Schienenverkehrsanlagen heranrückt. Dazu gehört auch der Sonderfall des Lückenschlusses der Bebauung, z. B. bei Straßenbahnen, die im Straßenraum fahren. In diesen Fällen ist der Schienenverkehr selbst nicht der Verursacher, vielmehr gilt der Bauträger als Veranlasser des Lärmproblems. Das entstehende Problem der Lärmbelastung ist grundsätzlich im Rahmen der Bauleitplanung der Gemeinden zu lösen, Rechtsgrundlage ist das Baugesetzbuch BauGB [9.30]. 362 9 Rechtsschutz der Anwohner vor Lärm des Schienenverkehrs <?page no="367"?> 11 Im §1 (6) Nr. 7 h BauGB wird explizit auf die Vorgaben zur Luftreinhaltung der EU verwiesen, eine vergleichbare Detaillierung zum Lärmschutz findet sich nicht, da die entsprechenden Richtlinien der EU zum Lärmschutz (siehe Abschnitt 9.10.2) keine Schutzziele vorgeben. Bauleitpläne sind der Flächennutzungsplan (vorbereitender Bauleitplan) und der Bebauungs‐ plan (verbindlicher Bauleitplan). Bei der Bauleitplanung sind u. a. die Belange der „allgemeinen Anforderungen an gesunde Wohn- und Arbeitsverhältnisse“ (§1 (6) Nr. 1 BauGB) und des „Umweltschutzes“ 11 (§1 (6) Nr. 7 BauGB) zu berücksichtigen (§1 BauGB). Das BauGB verwendet also andere Schutzkategorien als das BImSchG, das den Schutz vor „schädliche Umwelteinwirkungen“ postuliert. Bei Aufstellung der Bauleitpläne sind die öffentlichen und privaten Belange gegeneinander und untereinander gerecht abzuwägen (§1 (7) BauGB). Die Begründung der Bauleitpläne hat einen Umweltbericht zu enthalten, in dem die Berücksichtigung der Belange des Umweltschutzes darzulegen ist (§2a BauGB). Im Unterschied zum BImSchG werden im BauGB und dem nachgeordneten Regelwerk keine Vorgaben zum Lärmschutz konkretisiert. Es werden ersatzweise die Orientierungswerte für städtebaulichen Neuplanungen in der DIN 18005 „Schallschutz im Städtebau“ von 1987 herangezogen [9.21]: • Für Allgemeine Wohngebiete (WA) sollen die Beurteilungspegel L r 55 dB(A) außen tags und 45 dB(A) außen nachts nicht überschreiten. • Für Reine Wohngebiete (WR) sind die entsprechenden Pegel 50 dB(A) außen tags, 40 dB(A) außen nachts (diese Werte entsprechen dem langfristigen Schutzziel des UBA in Tabelle 9.2) Die Orientierungswerte formulieren noch am ehesten Schutzziele, die sich an den Anforderungen der Lärmwirkungsforschung ausrichten. Sie sind aber keine Grenzwerte und unterliegen der Ab‐ wägung mit anderen Belangen. Problematisch ist zudem, dass hier auf ein privatwirtschaftliches Regelwerk zurückgegriffen wird, das überdies nicht in allen Bundesländern eingeführt worden ist. Für Einzelvorhaben nach §34 BauGB fehlt jegliche konkretisierende Schutzregel. 9.9 Betriebsbeschränkungen Betriebsbeschränkungen bestehen im Wesentlichen aus Limitierungen der zulässigen Fahrge‐ schwindigkeiten (die Emissionen steigen bekanntlich mit der Fahrgeschwindigkeit) und in Fahr‐ verboten zu bestimmten Zeiten und/ oder bestimmten Fahrzeugarten. Betriebsbeschränkungen sind eine sehr preisgünstige und schnell umsetzbare Minderungsmaßnahme. Sie können sich negativ auf die wirtschaftliche Leistungsfähigkeit des Schienenverkehrs auswirken und werden darum vom Eisenbahnsektor grundsätzlich abgelehnt. Vor allem im Zusammenhang mit dem nächtlichen Güterverkehrslärm auf hoch belasteten Trassen wie dem Mittelrheintal wurden und werden Fahrverbote oder deutliche Geschwindig‐ keitssenkungen für die traditionellen lauten Güterwagen mit Graugussklotzbremsen verlangt. So forderte ein Antrag der CDU-Landtagsfraktion (! ) von Rheinland-Pfalz vom 09.05.2014 die Landesregierung auf „ein nächtliches Tempolimit von 50 km/ h zwischen 22.00 und 6.00 Uhr für nicht umgebaute bzw. modernisierte Züge und ein Nachtfahrverbot für alle nicht bis zum Ende 2015 umgebauten bzw. modernisierten Zuge anzustreben“. [9.57]) 9.9 Betriebsbeschränkungen 363 <?page no="368"?> Rechtsgrundlage für Betriebsbeschränkungen aus Gründen des Lärmschutzes bei den Eisen‐ bahnen könnte die Aufgabe der Gefahrenabwehr seitens der Eisenbahnaufsichtsbehörden sein (nach AEG §5a (1) Nr. 1 [9.31]) In [9.58] wird die Zulässigkeit eine solchen Eingriffs bejaht. Bei den Straßenbahnen ist ein Beispiel aus Prag bekannt [9.59]. Teilweise wird in Berlin in Ausnahmefällen wie z. B. in der Langhansstraße oder der Berliner Allee eine Geschwindig‐ keits-Reduzierung zur Lärmminderung angeordnet. [9.60] 9.9.1 Das Schienenlärmschutzgesetz von 2017 Die aktuell wichtigste Einzelmaßnahme zur Minderung des Schienenverkehrslärms ist das Umrüstprogramm für Güterwagen, die die Hauptquelle der Beeinträchtigungen durch Lärm im Schienenverkehr sind. Es ruht auf zwei Säulen: Einem staatlichen Förderprogramm und den lärm‐ abhängigen Trassenpreisen - beide Programmelemente gewähren einen laufleistungsabhängigen Bonus für umgerüstete Güterwagen (die traditionellen Graugussklotzbremsen GG werden durch solche aus Kompositmaterial ausgetauscht). Das Programm läuft bis zum Fahrplanwechsel Ende 2020 (siehe Bild 9.4) Zur Unterstützung des Prozesses und zur Absicherung des Umrüstprogramms hat die Bundesregierung ein Gesetz zum Verbot des Betriebes von GG-Wagen konzipiert. Der Bundestag hat dieses als „Gesetz zum Verbot des Betriebs lauter Güterwagen (Schienen‐ lärmschutzgesetz - SchlärmschG)“ am 20. Juli 2017 beschlossen [9.26]. Das Gesetz sieht ein Verbot des Betriebs der lauten Güterwagen in Deutschland vor, erlaubt aber Ausnahmen vom Verbot vor allem im so genannten Gelegenheitsverkehr (das sind kurzfristig angemeldete Transporte). Führt ein Zug Wagen mit sich, die die aktuellen europäischen Geräuschvorschriften (TSI Fahrzeuge - Lärm) für Güterwagen nicht erfüllen - z. B. wenn sie noch über Graugussklötze verfügen - dann dürfen diese Züge nur auf Strecken fahren, an denen die Immissionsgrenzwerte der Lärmvorsorge (Verkehrslärmschutzverordnung, siehe Tabelle 9.4) eingehalten werden. Gleichzeitig müssen diese Züge ihre Geschwindigkeit so weit reduzieren, dass ihre Geräuschemissionen denen eines TSI-konformen Zugs entsprechen. Die Bestimmung der erforderlichen Geschwindigkeitsreduk‐ tion erfolgt gemäß Schall 03-2014 [9.13]: Für einen Zug auf Gleisen mit durchschnittlichem Fahrflächenzustand müsste dann z. B. die Geschwindigkeit von 100 km/ h auf deutlich unter 50 km/ h reduziert werden. Mit der Ausnahmeregelung soll grundsätzlich die Warenverkehrsfreiheit im europäischen Schienengüterverkehr gewährleistet bleiben, damit das Gesetz nicht gegen europäisches Recht verstößt. Im Mai 2020 hat aber die EU-Kommission ein aktuell noch laufendes Vertragsverlet‐ zungsverfahren [9.61] gegen die Bundesrepublik bezüglich des Schienenlärmschutzgesetzes eingeleitet. 9.9.2 Die Europäischen Betriebsbeschränkungen ab 2024 Traditionell gelten europäische Geräuschemissionsvorschriften aus Gründen des Bestandsschut‐ zes jeweils nur für neue oder wesentlich geänderte Geräte, Maschinen, Fahrzeuge und ihre Komponenten. Für Produkte, die eine lange Lebensdauer haben und bei denen sich der Bestand entsprechend langsam erneuert, ist die Wirksamkeit von verbesserten Geräuschvorschriften gering. Dies betrifft unter anderem die Schienenfahrzeuge, bei denen eine Lebensdauer von bis zu 40 Jahren nicht ungewöhnlich ist. Das ist dann besonders problematisch, wenn technische Lösungen bereitstehen, die zu einer deutlichen Senkung der Geräuschemissionen führen, wie das bei den Güterwagen der Fall ist: Je nach Glattheit der Schienenfahrflächen lassen sich 364 9 Rechtsschutz der Anwohner vor Lärm des Schienenverkehrs <?page no="369"?> 12 Dazu hat sicherlich das 2017 verabschiedete deutsche Schienenlärmschutzgesetz [9.26] beigetragen. durch Verwendung von Verbundstoffbremssohlen anstelle der bisherigen Graugusssohlen (GG) Emissionsminderungen zwischen 5 und 8 dB(A) (gemäß Schall 03) erreichen. Auf europäischer Ebene ist deshalb schon seit etlichen Jahren über eine Strategie zur Einbe‐ ziehung der Bestandsflotten in den technischen Fortschritt nachgedacht worden. Die EU hat schließlich nach einem langen Diskussionsprozess mit der Durchführungsverordnung 2019/ 774 vom 16. Mai 2019 die Anwendung der TSI „Fahrzeuge - Lärm“ auf die Bestandsflotten beschlossen [9.62] 12 . Danach ist der Betrieb von Güterwagen, die der TSI-Geräuschvorschrift nicht genügen - also die GG-Wagen -auf den so genannten „Leiseren Strecken“ (Quieter Routes) ab dem 08.12.2024 untersagt. Quieter Routes sind alle Schienenstrecken mit einer Minimallänge von 20 km, auf denen nachts durchschnittlich mehr als 12 Güterzüge fahren. Die Vorschrift entlastet somit lediglich einen Teil der Anwohner von Schienenwegen vom Lärm durch den Schienengüterverkehr. Nichtsdestotrotz ist das Betriebsverbot im Regelwerk der EU-Geräuschvorschriften ein bemerkenswerter Schritt. Es bleibt zu hoffen, dass ein Verbot auf den stark befahrenen Schienenstrecken aus logistischen Gründen zur europaweiten Elimination der GG-Wagen führt. 9.10 Lärmsanierung an Schienenwegen Unter „Lärmsanierung“ versteht man Schallschutzmaßnahmen an bestehenden lauten Verkehrs‐ wegen. Wie oben beschrieben, gibt es für bestehende Schienenwege (wie auch bei den Straßen) keine Grenzwerte für die Geräuschimmissionen, obwohl die Bestandsstrecken zu den gravie‐ rendsten Beeinträchtigungen führen. Ersatzweise hat der Bund für seine Verkehrswege die so genannten Lärmsanierungsprogramme aufgelegt. So gibt es seit 1978 ein Lärmsanierungspro‐ gramm für Bundesfernstraßen, das haushaltsrechtlich definiert ist: Im Bundeshaushalt wurde ein Titel für die Lärmsanierung geschaffen und es wurden Auslösewerte festgelegt (Beurteilungsbzw. Mittelungspegel für die Immissionen außen), deren Überschreitung je nach verfügbaren Mitteln eine Lärmsanierung auslösen können. Seitdem gibt es die Forderungen der Betroffenen und ihrer Verbände, sowie von Politik und Administration (u. a. vom Umweltbundesamt), ein entsprechendes Programm für die Schienenwege des Bundes einzurichten. Das wurde endlich im Haushalt 1999 umgesetzt. Damit begann die gleiche Behandlung der Lärmprobleme an bestehenden Schienenwegen des Bundes und an Bundesfernstraßen. Das Programm wird im nächsten Abschnitt 9.10.1 beschrieben. Mit der Richtlinie des Europäischen Parlaments und des Rates über die Bewertung und die Bekämpfung von Umgebungslärm vom 25. Juni 2002 [9.27] hat die EU ein zweites Instrument zur Minderung der Geräuschbelastungen an bestehenden Verkehrswegen geschaffen. Es ist dies auch die erste Regelung der EU in Bezug auf die Geräuschimmissionen. Im Unterschied zum Lärmsanierungsprogramm des Bundes fällt auch der öffentliche Schienenpersonennahverkehr auf den isolierten lokalen Netzen der Straßen- und U-Bahnen unter den Anwendungsbereich der Richtlinie. Die Lärmsanierung nach der Richtlinie zum Umgebungslärm wird in Abschnitt 9.10.2 beschrieben. Aus der Erkenntnis, dass für die Lärmsanierung die Lärmminderung an den Bestandsflotten von herausragender Bedeutung ist, hat schließlich der Bund in Zusammenarbeit mit der DB im 9.10 Lärmsanierung an Schienenwegen 365 <?page no="370"?> 13 EBA (2020): Ausführungsbestimmungen des Eisenbahn-Bundesamtes zur Richtlinie zur Förderung von Maßnah‐ men zur Lärmsanierung an bestehenden Schienenwegen der Eisenbahnen des Bundes vom 07.04.2020. https: / / w ww.eba.bund.de/ SharedDocs/ Downloads/ DE/ Finanzierung/ Laermsanierung/ 00_Ausfuehrungsbestimmungen.pd f ? __blob=publicationFile&v=7 14 Der L mE in dB(A) ist entsprechend der Schall 03: 1990 der nächtliche energieäquivalente Schalldruckpegel im Abstand von 25 m zur Mitte des nächstgelegenen Gleises und in 3,5 m Höhe über Schienenoberkante, bei freier Schallausbreitung und ohne Berücksichtigung des Schienenbonus. Jahr 2012 als drittes Instrument der Lärmsanierung ein Umrüstprogramm für die Güterwagen‐ bestandsflotten begonnen, das die oben beschriebenen (siehe Abschnitt 9.4) großen Minderung‐ spotenziale nutzen soll (siehe Abschnitt 9.10.3). 9.10.1 Das nationale Lärmsanierungsprogramm Im Haushalt 1999 wurden in einem neuen Titel „Maßnahmen zur Lärmsanierung an bestehenden Schienenwegen der Eisenbahnen des Bundes“ für die Jahre 1999 bis 2003 Mittel in Höhe von jeweils 100 Mio. DM bzw. 51 Mio. € bereitgestellt. Das Programm wurde bis heute fortgesetzt. Die Haushaltsmittel wurden deutlich erhöht und die Auslösewerte gesenkt. Für das Lärmsanierungsprogramm an Schienenwegen des Bundes hat das Bundesverkehrsmi‐ nisterium die Federführung. Unter der Internet-Adresse https: / / www.bmvi.de/ SharedDocs/ DE/ Artikel/ E/ laermvorsorge-und-laermsanierung.html sind die wesentlichen Dokumente zum Pro‐ gramm zusammengestellt, u. a. die „Richtlinie zur Förderung von Maßnahmen zur Lärmsanierung an bestehenden Schienenwegen der Eisenbahnen des Bundes - überarbeitete Fassung 2018“ vom 06. Dezember 2018 [9.48]. Das EBA hat die Vorgaben der Förderrichtlinie in Ausführungsbestim‐ mungen 13 konkretisiert. Auf der Internetseite der DB AG https: / / laermsanierung.deutschebahn.com/ aktuelles-21.html wird ebenfalls ausführlich über das Lärmsanierungsprogramm informiert. Die haushaltsrechtlichen Festlegungen erfolgen im jeweiligen Bundeshaushaltsplan Einzelplan 12, Kapitel 1202, Titel 891 05. „Die operative Gesamtprojektleitung (Bauherrenfunktion) für die vordringlich zu bearbeitenden Lärmsanierungsabschnitte nimmt die DB Netz AG, Portfolio Lärmsanierung, Hermann-Pünder-Straße 3, 50679 Köln wahr“ (BMVI). Lärmsanierungsmaßnahmen werden bei Überschreiten der Auslösewerte eingeleitet. Wegen der beschränkten Haushaltsmittel pro Jahr wurde ein Gesamtkonzept erarbeitet, in dem die zeitliche Reihenfolge der Lärmsanierung festgelegt wurde. Priorität haben Streckenabschnitte mit hoher Belastung und vielen Betroffenen. Die Festlegung der Sanierungsbereiche und die Ermitt‐ lung der Prioritäten erfolgt überschlägig auf der Basis des streckenbezogenen Emissionspegels 14 L mE . Die Auslösewerte entsprechen den Vorgaben für die Lärmsanierung an Bundesfernstraßen und sind in der Tabelle 9.5 zusammengestellt. In der ersten Phase der Lärmsanierung wurde auf der Basis eines L mE von 65 dB(A) nachts ein Sanierungsbedarf von ca. 3.700 km ermittelt. Aktuell wird wegen der Senkung der Auslösewerte mit einem Umfang von 6.500 km gerechnet ([9.1] S. 54). 366 9 Rechtsschutz der Anwohner vor Lärm des Schienenverkehrs <?page no="371"?> Objekte, Baugebiete 1999-2014 2015 Ab 2016 tags nachts tags nachts tags nachts Krankenhäuser, Schulen, Kur-, Altenheime, reine und allgemeine Wohngebiete, Kleinsiedlungsgebiete 75 65 70 60 67 57 Kern-, Dorf- Mischgebiete, besondere Wohngebiete 77 67 72 62 69 59 Gewerbe- und Industriegebiete 80 70 75 65 72 62 Tabelle 9.5: Auslösewerte (Mittelungspegel) für die Lärmsanierung an Schienenwegen der Eisenbahnen des Bundes. Ab 2022 wurden die Werte zusätzlich um 3 dB(A) gesenkt. Die Auslösewerte sind baugebietsabhängig. Sie sind von 1999 bis 2016 um beachtliche 8 dB(A) gesenkt worden, davon beruhen 5 dB(A) auf der Abschaffung des so genannten Schienenbonus ab 2015 für die Eisenbahnen. Sie liegen allerdings immer noch über den aus Sicht der Lärmwir‐ kungsforschung erforderlichen Zielwerten (siehe Abschnitt 9.1.3) Die verfügbaren Haushaltsmittel sind seit 1999 sukzessive deutlich erhöht worden, wie Bild 9.3 zeigt. 51 76 100 100 100 100 100 100 100 130 130 150 150 150 176 139 185 175 0 50 100 150 200 1999-2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 Jährliche Haushaltsmittel für die Lärmsanierung der Eisenbahnen in Mio. € Bild 9.3: Verfügbare jährliche Bundeshaushaltsmittel für die Lärmsanierung der Eisenbahnen des Bundes 9.10 Lärmsanierung an Schienenwegen 367 <?page no="372"?> 15 Eigene Zusammenstellung aus den jeweiligen Daten der Bundeshaushaltsgesetze. 16 In früheren Förderrichtlinien war das "Besonders überwachtes Gleis" BüG noch explizit als Maßnahme des aktiven Schallschutzes genannt worden. Offensichtlich waren die Förderkonditionen für die DB Netz nicht attraktiv genug, denn in den Dokumentationen zu den in den letzten Jahren vor 2018 durchgeführten Maßnahmen wird das BüG nicht aufgeführt. Real ausgegeben wurden bis Ende 2018 insgesamt 1.373 Mio. € (das sind 74,4 % des verfügbaren Volumens) 15 . Es sind die folgenden Lärmminderungsmaßnahmen förderfähig: • Aktiver Lärmschutz an Bahnanlagen: Errichtung von Lärmschutzwänden oder -wällen, Einbau von Schienenstegdämpfern, Schienenstegabschirmungen und Schienenschmierein‐ richtungen, Maßnahmen zur Lärmminderung an Brückenbauwerken und innovative Maß‐ nahmen nach §5 der 16.-BImSchV 16 . • Passiver Lärmschutz an baulichen Anlagen wie z. B. Einbau von Schallschutzfenstern und Lüftungseinrichtungen Bis Ende 2019 wurden von den insgesamt 3.700 km Lärmsanierungsumfang der ersten Phase 1.844 km lärmsaniert [9.64]. Auf einer interaktiven Karte der DB AG sind die jeweils lokal durchgeführten und geplanten Maßnahmen zur Lärmsanierung dargestellt: https: / / laermsanie‐ rung.deutschebahn.com/ karte/ index.html#/ . Aktiver Lärmschutz hat auch bei der Sanierung Vorrang vor den passiven Maßnahmen. Er ist zulässig, wenn sein monetär bewerteter Nutzen den Kosten der Maßnahmen mindestens gleich ist. Der Nutzen wird nach Anhang 1 der Förderrichtlinie wie folgt bestimmt: Aus dem schalltechnischen Gutachten wird die mittlere Pegelminderung ΔL infolge der aktiven Maßnahmen für einen Sanierungsabschnitt bestimmt. Diese wird mit dem Einheitsnutzen von n = 66 €/ dB(A) und Jahr, der Zahl der betroffenen Einwohner E und der durchschnittlichen Nutzungsdauer t der aktiven Maßnahmen multipliziert (für eine Lärmschutzwand wird z. B. eine Nutzungsdauer von 25 Jahren angesetzt). Der Gesamtnutzen ist dann 66*ΔL * E * t. Bemerkenswert ist, dass bei Sanierungsbereichen, die von Bedeutung für den Tourismus oder die Gesundheitswirtschaft sind, besonders gestalteten Wänden, die sich besser in die städtebauliche Umgebung einpassen, ein Zuschlagsfaktor für den Nutzen zuerkannt wird, der zwischen 2,5 und 3 liegt. 9.10.2 Die EU-Richtlinie zum Umgebungslärm - 9.10.2.1 Grundzüge der Richtlinie Mit der Richtlinie des Europäischen Parlaments und des Rates über die Bewertung und die Bekämpfung von Umgebungslärm vom 25. Juni 2002 [9.27] hat die EU zum ersten Mal Regelungen zur Minderung der Geräuschimmissionen getroffen. Ziel der Richtlinie ist: „(1) Mit dieser Richtlinie soll ein gemeinsames Konzept festgelegt werden, um vorzugsweise schädliche Auswirkungen, einschließlich Belästigung, durch Umgebungslärm zu verhindern, ihnen vorzubeugen oder sie zu mindern. Hierzu werden schrittweise die folgenden Maßnahmen durchgeführt“: • Ermittlung der Belastung durch Umgebungslärm anhand von Lärmkarten nach für die Mitgliedstaaten gemeinsamen Bewertungsmethoden; 368 9 Rechtsschutz der Anwohner vor Lärm des Schienenverkehrs <?page no="373"?> • Sicherstellung der Information der Öffentlichkeit über Umgebungslärm und seine Auswirkun‐ gen; • auf der Grundlage der Ergebnisse von Lärmkarten Annahme von Aktionsplänen durch die Mitgliedstaaten mit dem Ziel, den Umgebungslärm so weit erforderlich und insbesondere in Fällen, in denen das Ausmaß der Belastung gesundheitsschädliche Auswirkungen haben kann, zu verhindern und zu mindern und die Umweltqualität in den Fällen zu erhalten, in denen sie zufrieden stellend ist." (Artikel 1 (1)) Die Belastungsdaten sollen in einer „strategischen Lärmkarte“ erfasst werden. Gemäß der Defi‐ nition in Art. 3 der Richtlinie ist diese „eine Karte zur Gesamtbewertung der auf verschiedenen Lärmquellen zurückzuführenden Lärmbelastung in einem bestimmten Gebiet...“. Diese vom Im‐ missionsschutz schon lange geforderte Vorgehensweise ist allerdings praktisch kaum umgesetzt worden, zumal die Richtlinie auch keine Hilfestellung für eine entsprechende methodische Vorgehensweise liefert. Die Ermittlung der Belastung kann rechnerisch oder durch Messung erfolgen. Für die Be‐ rechnung der Immissionen des Schienenverkehrs empfiehlt die Richtlinie die niederländische Berechnungsmethode von 1996. Wählt ein Mitgliedstaat ein eigenes Verfahren, hat er die Gleichwertigkeit der Ergebnisse mit dem empfohlenen Verfahren nachzuweisen, damit die Berechnungsergebnisse in der EU vergleichbar sind. Die Richtlinie führt neue Kenngrößen für die Geräuschbelastung in dB(A) ein: • Den Nachtpegel L night • Den Tag-Abend-Nacht-Pegel L den : L den = 10 lg 1/ 24 *[(12)*10 Lday/ 10 + 4*10 (Levening+5)/ 10 + 8*10 (Lnight+10)/ 10 ] • Die Pegel L day , Levening, Lnight sind Mittelungspegel für den Tag, den Abend und die Nacht mit den Beurteilungszeiträumen von 12 bzw. 4 bzw. 8 Stunden. Abend- und Nachtpegel bekommen einen Zuschlag von 5 bzw. 10 dB(A), um die höhere Störwirkung von Belastungen am Abend und in der Nacht zu berücksichtigen. Damit ist der Lden kein klassischer Mittelungspegel mehr, sondern ein mit der Lärmwirkung gewichteter Ganztagespegel. • Er weicht somit von dem im deutschen Immissionsschutzrecht gebräuchlichen Tages-Beur‐ teilungspegel L r,T ab. An Bahnstrecken mit hohem nächtlichen Güterverkehrsaufkommen und damit über den Tag annähernd konstantem Stundenmittelungspegel kann die Differenz zwischen dem Lden und dem L r,T bis zu 6 dB(A) betragen. • Zudem sieht die Richtlinie vor, dass die Ausbreitungsrechnung mit durchschnittlichen meteorologischen Bedingungen durchzuführen ist, im Gegensatz zum deutschen Regelwerk, das zugunsten der Betroffenen mit Mitwind bzw. Inversion rechnet, wodurch sich höhere Immissionen ergeben. Strategische Lärmkarten und Aktionspläne sind mindestens in einem Rhythmus von 5 Jahren zu erarbeiten: • Stufe 1: Strategische Lärmkarten bis zum 30. Juni 2007, Aktionspläne bis 18. Juli 2008 für - Haupteisenbahnstrecken mit > 60.000 Zügen pro Jahr und - Agglomerationen > 250.000 Einwohner 9.10 Lärmsanierung an Schienenwegen 369 <?page no="374"?> 17 Der „alte“ §47a sah Lärmminderungsplanung grundsätzlich unabhängig von der Quellenanzahl im Falle schädli‐ cher Umwelteinwirkungen durch Lärm vor; er enthielt allerdings keine Fristen zur Lärmkartierung oder zum Aufstellen und Umsetzen der Lärmminderungspläne. 18 http: / / www.umweltbundesamt.de/ sites/ default/ files/ medien/ pdfs/ UBA_Kriterien_ULR.pdf • Stufe 2 und folgende: Strategische Lärmkarten bis 30. Juni 2012 und danach alle fünf Jahre, Aktionspläne bis zum 18. Juli 2013 etc. für - Haupteisenbahnstrecken mit >30.000 Zügen/ Jahr und - Agglomerationen >100.000 - 9.10.2.2 Umsetzung der Richtlinie in nationales Recht Die Bundesregierung hat die Richtlinie mit dem „Gesetz zur Umsetzung der EG-Richtlinie über die Bewertung und die Bekämpfung von Umgebungslärm“ am 25.06.2005 mit den neu geschaffenen §§47a-f in das BImSchG überführt [9.28]. Der bisherige §47a des BImSchG „Lärmminderungs‐ pläne“ von 1990 wurde gestrichen. Damit wird die Lärmminderungsplanung einerseits auf Großflughäfen, Hauptverkehrswege und Ballungsräume reduziert 17 , andererseits werden nun für die schalltechnische Bestandaufnahme (strategische Lärmkarten) und die Aufstellung von Lärmminderungsplänen (in der EU-Terminologie „Lärmaktionspläne“) Fristen vorgegeben. Für die Kartierung wurde in Deutschland die Verordnung über die Lärmkartierung [9.65] erlassen. Sie regelt die Rahmenbedingungen für die Kartierung. Als Berechnungsverfahren für den Schienenverkehrslärm wurde das „Vorläufige Berechnungsverfahren für den Umgebungslärm an Schienenwegen (VBUSch)“ im Jahr 2006 [9.66] bekanntgemacht. Die VBUSch ist eine modifizierte und aktualisierte Schall 03: 1990: Zur Erfüllung der Vorgaben der Richtlinie ist mit durchschnitt‐ lichen Witterungsbedingungen und ohne den Schienenbonus zu rechen. Zudem wurden einige Defekte der alten Schall 03 behoben, z. B. die Nichtberücksichtigung hoch liegender Quellen. Zuständig für die Lärmkartierung der Schienenwege von Eisenbahnen des Bundes ist das Eisenbahn-Bundesamt EBA, für Straßenbahnen und oberirdischen U-Bahnen in den Ballungszen‐ tren sind es in der Regel die Ballungszentren bzw. die darin liegenden Kommunen. Für die Lärmaktionsplanung gibt Art. 8 der Richtlinie vor „... Die in den (Aktions)Plänen genannten Maßnahmen sind in das Ermessen der zuständigen Behörden gestellt, sollten aber insbesondere auf die Prioritäten eingehen, die sich gegebenenfalls aus der Über‐ schreitung relevanter Grenzwerte oder aufgrund anderer von den Mitgliedsstaaten festgelegter Kriterien ergeben ...“ Die deutsche Umsetzung der Richtlinie hatte von einer bundesweiten Festlegung von Grenz- oder Zielwerten abgesehen, sodass die zuständigen Behörden selbst entscheiden mussten. Die in Deutschland üblichen Zielwerte für den L den / L night liegen zwischen 70/ 65 und 55/ 45 dB(A) und umfassen damit eine große Spannbreite. Das UBA hatte für die 2.Stufe 60/ 50 dB(A) für die Gesamtbelastung vorgeschlagen 18 . - 9.10.2.3 Zuständigkeiten Die Zuständigkeit für die LAP der Eisenbahnen war bis 2014 je nach Land unterschiedlich geregelt, z.-B.: • waren es in Bayern jeweils die Regierungen der Regierungsbezirke, 370 9 Rechtsschutz der Anwohner vor Lärm des Schienenverkehrs <?page no="375"?> • in Niedersachsen die Kommunen an den Haupteisenbahnstrecken, die • in der Regel ohne große Eingriffsmöglichkeiten verfügen. Dieser unbefriedigende Zustand wurde geändert: Ab dem 1. Januar 2015 ist „das Eisenbahn-Bun‐ desamt zuständig für die Aufstellung eines bundesweiten Lärmaktionsplanes für die Hauptei‐ senbahnstrecken des Bundes mit Maßnahmen in Bundeshoheit. Bei Lärmaktionsplänen für Ballungsräume wirkt das Eisenbahn-Bundesamt an der Lärmaktionsplanung mit“ (§ 47e (4) BImSchG). Den ersten umfassenden Lärmaktionsplan (Teil A) hat das EBA im Februar 2018 zur 3. Runde vorgelegt [9.67]. Der Plan stellt die Belastungen durch Eisenbahnlärm vor und beschreibt Lärmminderungsstrategien und - maßnahmen. Im Anhang zum Lärmaktionsplan werden die Ergebnisse der Lärmkartierung, der Öffentlichkeitsbeteiligung und der Zuordnung zum Lärmsa‐ nierungsprogramm für alle betroffenen Gemeinden dargestellt [9.68]. Im Teil B des LAP wird vor allem die Mitwirkung des EBA bei den Lärmaktionsplänen in den Ballungsräumen beschrieben [9.69]. Im strengen Sinn genügt der EBA-LAP den Vorgaben der Richtlinie zum Umgebungslärm nicht, da es kein Plan von konkreten und lokal verorteten Maßnahmen zur Minderung des Eisenbahnlärms ist. Der Verweis auf das Lärmsanierungsprogramm verdeutlicht, dass eine sinnvolle Lärmaktionsplanung nur durch die Verschmelzung beider Programme erreicht werden kann. - 9.10.2.4 Fortschreibung der Richtlinie Ab 2019 gilt ein gemeinsames Berechnungsverfahren zur Bestimmung der Geräuschimmissionen des Umgebungslärms in der EU. Es wurde durch die Richtlinie (EU) 2015/ 996 der Kommission vom 19. Mai 2015 [9.70] eingeführt. Das Verfahren ist für die nächste Runde der Kartierung anzuwenden. Die Transformation in deutsches Recht erfolgte im Dez. 2018 [9.71] (CNOSSOS-DE) - 9.10.2.5 Harmonisierung von Lärmsanierungsprogramm und Lärmaktionsplanung in Deutschland Das Nebeneinander von Lärmsanierungsprogramm und der Lärmaktionsplanung hatte auf Grund der unterschiedlichen Indikatoren, Berechnungsverfahren und Finanzierung zu einer unbefriedigenden Situation geführt. Den Bürgerinnen und Bürger waren - in besonderem Maß in der Phase bis 2014, in der in der Lärmsanierung noch der Schienenbonus angewandt wurde, - die Differenzen in den Belastungsdaten schwer verständlich zu machen. Vor allem aber war die Lärmaktionsplanung wegen fehlender Finanzierung und unzureichender Zuständigkeiten saft- und kraftlos (siehe oben). Das BMVI lässt deshalb aktuell ein Forschungsprojekt zur Harmonisierung der Lärmsanierung und der Lärmaktionsplanung durchführen. 9.10.3 Das nationale Umrüstprogramm für Güterwagen Dieses erfolgreiche Programm steht exemplarisch für eine gelungene Kooperation staatlicher und privater Akteure. Es zeigt anschaulich die komplexe Abhängigkeit der Lärmminderung von technischen Lösungen. 9.10 Lärmsanierung an Schienenwegen 371 <?page no="376"?> 9.10.3.1 Technische Voraussetzungen Wie bereits bemerkt, gelten die Geräuschvorschriften der EU bislang nur für neue oder wesentlich geänderte Schienenfahrzeuge. Bei einer Lebensdauer der Fahrzeuge bis zu 40 Jahren sind Geräuschvorschriften allein für Neufahrzeuge nur langfristig effektiv. Das ist besonders proble‐ matisch bei Güterwagen, die wegen der Graugussbremsklötze GG die höchsten Emissionen haben und an den Güterstrecken der Bahn die nächtlichen Belastungen dominieren. Seit langem wird im Eisenbahnsektor selbst und in der Politik darüber diskutiert, wie eine Umrüstung der GG-Wagen erreicht werden könnte. Im Sommer 1998 haben die internationalen Eisenbahnverbände UIC, UIP und CER das “Freight Traffic Noise Reduction - Action Programme“ (siehe z. B. [9.72]) gestartet, in dem bereits eine duale Strategie für die Neubeschaffung leiserer Güterwagen einerseits und die Umrüstung („retrofitting“) der bestehenden Fahrzeugflotte andererseits vorgeschlagen wurde. Für die Neuwagen wurden die so genannten K-Sohlen aus Komposit-Material vorgeschlagen, für die Nachrüstung Kompositsohlen, die die gleichen Bremseigenschaften wie GG-Sohlen haben und damit im Idealfall einen kostengünstigen Umtausch der Sohlen ermöglichen würden, die so genannten LL-Sohlen (low noise -low friction). Für beide Sohlentypen lagen allerdings 1998 noch keine allgemein zugelassenen technischen Lösungen vor. Diese wurden in verschiedenen Forschungsprojekten entwickelt (z. B. in den von der EU geförderten Projekten EuroSabot von 1996 bis 1999 und Euro Rolling Silently (ERS) Projekt (2002-2005)) [9.73]. Im Juni 2001 erfolgte dann durch die UIC eine vorläufige Zulassung einiger K-Sohlen-Typen (die unbefristete internationale Zulassung der ersten K-Sohlen geschah im Oktober 2003) und die Schweiz begann ihr Umrüstprogramm mit diesem Sohlentyp, das mit der Umrüstung von 9500 Schweizer Güterwagen Mitte 2015 abgeschlossen wurde. Die unbefristete Zulassung ermöglichte die Verabschiedung der ersten Geräuschvorschrift für Güterwagen im Jahr 2005, die faktisch Neuwagen mit GG-Sohlen nicht mehr zuließ. Wegen der hohen Kosten einer Umrüstung mit K-Sohlen setzte man in Deutschland auf die kostengünstige Umrüstung mit den LL-Sohlen. Die Minderungspotenziale durch die Umrüstung der Güterwagen (Ersatz GG durch LL-Sohlen oder K-Sohlen) hängen stark vom Schienenzustand ab, da für das Rollgeräusch die kombinierte Rauheit von Rad und Schienenfahrfläche entscheidend ist: Ein glattes Rad auf einer verriffelten Schiene bewirkt kaum Minderungen. In Berechnungsprogrammen für die Geräuschimmissionen des Schienenverkehrs werden für diese Minderungspotenziale angesetzt: • Deutschland: Schall 03.2014: 5 bis 8 dB(A) • Schweiz: sonRAil: 8 bis 13 dB(A) Aktuelle reale Minderungswerte wurden im Rahmen des Bahnlärmmonitorings der Schweiz er‐ mittelt: Auf sehr glatten Schienen bewirken LL-Sohlen gegenüber GG-Sohlen 8 dB(A) Minderung, bei K-Sohlen sind Minderungen zwischen 11 und 13 dB(A) möglich [9.37]. Das Konzept des deutschen Umrüstprogramms Das Konzept wurde im Jahr 2011 festgelegt. Es besteht aus zwei Instrumenten: • Staatliches Förderprogramm: Der Bund zahlt einen laufleistungsabhängigen Bonus für umgerüstete Güterwagen aus Mitteln des Lärmsanierungsprogramms an die Wagenhalter (0,5 Cent/ Achskilometer, max. 211 €/ Achse) [9.74], • Die DB Netz AG führt ein aufkommensneutrales Lärmabhängiges Trassenpreissystem (LaTPS) ein und zahlt ebenfalls einen laufleistungsabhängigen Bonus für umgerüstete 372 9 Rechtsschutz der Anwohner vor Lärm des Schienenverkehrs <?page no="377"?> Güterwagen in gleicher Höhe. Dieser wird gegenfinanziert durch eine allgemeine Trassen‐ preiserhöhung für laute Güterzüge (ab 01.06.2013 - nach Zulassung der LL-Sohlen). Der Bonus wird an die EVU ausgezahlt, die umgerüstete Güterwagen einsetzen. Es wurde erwartet, dass für den Fall, dass die EVU nicht gleichzeitig Wagenhalter sind, die Boni über Marktmechanismen, z. B. über höhere Mietpreise, an die Wagenhalter gehen, die die Umrüstentscheidung getroffen haben. Die Boni können für Laufleistungen von Dez. 2012 bis 2020 generiert und bis Ende 2021 abgerechnet werden, das gilt auch für ausländische Wagenhalter oder EVU mit Laufleistungen auf dem deutschen Netz. Das eigentliche Fördervolumen ist aus Gründen des EU-Beihilferechts auf 152 Mio.€ gedeckelt. Die Bonussummen darf 211 € pro Achse nicht überschreiten. Bild 9.4 veranschaulicht das Konzept. Wagenhalter EVU Bonustopf 2 Bund DB Netz 1 % (12/ 2019 7 %) Trassenpreiserhöhung für laute Güterzüge* 50 %, max. 152 Mio. € 0,5 Cent/ Achskilometer Max. 211 €/ Achse Bonustopf 1 Marktmechanismen 0,5 Cent/ Achskilometer Max. 211 €/ Achse Bild 9.4: Nationales Umrüstprogramm für laute Güterwagen 2012 bis 2020 - 2-Säulen-Konzept Da die DB Netz AG im Rahmen der gesetzlichen Rahmenbedingungen (damals die EU-Richtlinie 2001/ 14/ EG und ihre nationale Umsetzung in der Eisenbahninfrastruktur-Benutzungsverordnung - EIBV) frei in der Gestaltung der Trassenpreise war - nach §21 (2) EIBV konnte sie den Kosten umweltbezogener Auswirkungen des Zugbetriebs Rechnung tragen - musste die DB AG für die Einführung des LaTPS gewonnen werden. Dies geschah mit der Eckpunktevereinbarung zwischen Bundesverkehrsministerium und der DB Netz AG vom 05.07.2011 [9.75]. DB Netz hat dann die konkreten Konditionen des LaTPS in den Schienennetz-Benutzungsbedin‐ gungen SNB 2013 [9.76] festgelegt (Kapitel 6.2.4 der SNB 2013: Einführung einer Lärmabhängigen Entgeltkomponente im Trassenpreissystem) und laufend aktualisiert. So ist der Trassenpreiszu‐ schlag für laute Züge kontinuierlich von 1% auf 7% angestiegen (siehe die SNB 2020 [9.77]). 9.10 Lärmsanierung an Schienenwegen 373 <?page no="378"?> 9.10.3.2 Stand der Umrüstung Von den 183.000 Güterwagen, die nach Schätzungen im Jahr 2011 auf dem deutschen Netz verkehren, sind zum 02.06.2020 etwa 161.600 Wagen „leise“, d. h. TSI-konform, entsprechend 88,3 %. Davon sind 104.841 Wagen im Nationalen Fahrzeugregister und im Umrüstregister des Eisenbahn-Bundesamts enthalten. Unsicherheiten bestehen bezüglich der ausländischen Wagen. Von den TSI-konformen Wagen waren in den Registern 70.900 mit LL-Sohlen (67,7 %), und 33.941 mit K-Sohlen (32,3 %) ausgestattet. Der Anteil der Umrüstung (im Wesentlichen auf LL-Sohlen) ist damit mehr als doppelt so hoch wie die Beschaffung neuer Wagen mit K-Sohlen [9.78]. Eine Auswertung der Bahnlärmmessungen des EBA zeigt beträchtliche Fortschritte beim Anstieg des Anteils leiser Wagen von Juli 2019 bis Mai 2020: Im Juli war noch deutlich der Anteil lauter Wagen in der Pegelhäufigkeitsverteilung als separates Maximum zu erkennen, das ist im Mai 2020 nicht mehr der Fall. Die energetisch gemittelten Vorbeifahrpegel sind in diesem Zeitraum um etwa 3 dB(A) gesunken [9.78]. Die Erhebung des Zuschlags der Lärmabhängigen Entgeltkomponente endet zum 12.12.2020. Für das Netzfahrplanjahr 2020/ 21 erfolgt eine letztmalige Auszahlung der Boni. 9.11 Bewertung der Schutzregelungen 9.11.1 Deutliche Verbesserungen der Schutzregelungen Das staatliche Instrumentarium zum Schutz der Bevölkerung vor Schienenverkehrslärm ist seit der Jahrtausendwende deutlich verbessert worden. Hervorzuheben ist: • Die Bundesregierung hat das 1999 begonnene Lärmsanierungsprogramm an Schienenwegen des Bundes intensiviert. Sie hat die jährlich verfügbaren Haushaltsmittel von 51 Mio. €/ Jahr zu Beginn des Programms bis aktuell auf 150 Mio. € in den Haushaltsjahren 2016 bis 2019 laufend erhöht (2020: 139 Mio. €. Die Auslöseschwellen der Lärmsanierung (Beurteilungspegel außen) sind von 75/ 65 dB(A) auf inzwischen 64/ 54 dB(A) gesenkt worden. • Die Europäische Union hat endlich auch für neue Schienenfahrzeuge, die auf dem transeu‐ ropäischen Netz fahren können (so genannte interoperable Fahrzeuge) Geräuschgrenzwerte eingeführt, 2002 für den Hochgeschwindigkeitsverkehr und 2006 für den konventionellen Verkehr. Wichtigstes Teilergebnis dieser Vorschriften ist es, dass neue Güterwagen mit Graugussklotzbremsen (GG-Wagen) nicht mehr zugelassen werden können. • Die Bundesregierung hat zur Lösung der Lärmprobleme bei der Bestandsflotte ein Programm entwickelt, das die Umrüstung der GG-Güterwagen auf alternative Bremssysteme stimuliert und auf zwei Säulen ruht: • Die Bundesregierung fördert die Umrüstung von Ende 2012 bis Ende 2020 mit einem laufleistungsabhängigen Bonus aus dem Haushaltstitel für die Lärmsanierung. • DB Netz hat eine lärmabhängige Komponente im Trassenpreissystem ab Dezember 2012 eingeführt. Umgerüstete Wagen erhalten ebenfalls einen laufleistungsabhängigen Bonus. Finanziert wird dieser Bonus durch einen Malus für laute Güterzüge. • Bundestag und Bundesrat haben im Frühjahr 2017 das „Schienenlärmschutzgesetz“ verab‐ schiedet, mit dem der Verkehr von Güterwagen mit Graugussklotzbremsen in Deutschland 374 9 Rechtsschutz der Anwohner vor Lärm des Schienenverkehrs <?page no="379"?> ab dem 13.12.2020 verboten wird. Ausgenommen sind Wagen im Gelegenheitsverkehr, die dann aber mit reduzierter Geschwindigkeit die Emissionen leiserer Wagen einhalten müssen. • Europaweit tritt ein vergleichbares Fahrverbot auf den so genannten „Quieter Routes“ ab dem 08.12.2024 in Kraft. • Mit weiteren Programmen finanzieren Bund und Länder zusätzliche Maßnahmen an be‐ sonders hoch belasteten Strecken, an denen die Lärmsanierung nicht zu befriedigenden Ergebnissen geführt hat (z. B. im Mittelrheintal) (siehe [9.1], S. 55 - 57). • Mit der Änderung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (§ 43 BImSchG) im Jahr 2013 [9.79] wurde der so genannte Schienenbonus abgeschafft, der bei der Lärmvorsorge (im Zusammenhang mit dem Neubau und der wesentlichen Änderung von Verkehrswegen) für die Schiene im Vergleich zur Straße 5 dB(A) höhere Immissionsgrenzwerte vorsah. • Inzwischen sind auch die Belastungen zurückgegangen und die Erfolge der Umrüstung werden deutlich messbar. Dennoch sind die Beeinträchtigungen noch nicht auf ein akzeptables Maß reduziert worden sind. Nach wie vor sind relevante Teil der Bevölkerung Belastungen ausgesetzt, die im Sinne klassifizierter Krankheiten die Gesundheitsrisiken erhöhen. Das Lärmsanierungsprogramm wird bei gleichbleibendem Umfang mindestens noch 20 Jahre brauchen, ehe überall die Auslösewerte der Lärmsanierung unterschritten sind. Und es gibt im geltenden Recht noch weitere Lücken und Mängel, die im Folgenden beschrieben werden. 9.11.2 Lücken und Mängel im gegenwärtigen Regelwerk Die rechtlichen Regelungen auf dem Gebiet des Verkehrslärmschutzes sind in Deutschland und Europa verbesserungswürdig. Die teilweise schon erwähnten Hauptkritikpunkte sind folgende: • Die europäischen Vorschriften für die Geräuschemissionen der Fahrzeuge schöpfen nicht den Stand der Technik aus (vgl. den Forschungsbericht des UBA [9.80] von Best-Practice-Beispie‐ len). Für Fahrzeuge auf lokalen Netzen wie Straßenbahnen fehlen sie gänzlich. • Die besonders wichtigen Vorgaben für die Fahrwege sind zwar implizit in den Emissionsan‐ nahmen für die Berechnung der Immissionen enthalten, unterliegen aber keinem Nachweis- und Kontrollsystem. Alternativen wären die Einführung eines solchen Kontrollsystems nach dem Beispiel des Besonders überwachten Gleises oder die Definition von Grenzkurven für die akustische Qualität, d. h. die Schienenfahrflächenrauheit, die Körperschallabstrahlung der Schienen und die Absorption der Fahrwege. • Auch die Vorgaben für eine dauerhafte Einhaltung der akustischen Qualität von Fahrzeugen und -wegen ist bislang unzureichend, obwohl Defekte wie Flachstellen bei einem insgesamt leiseren Rollmaterial eine höhere Relevanz bekommen. Besonders problematisch ist die mangelhafte Sicherstellung der dauerhaften akustischen Qualität bei den Fahrwegen, da sich diese erheblich verschlechtern kann. Deshalb ist eine Festlegung von Vorgaben erforderlich, die im laufenden Betrieb überprüft werden und ggfs. Verbesserungen nach sich ziehen müs‐ sen. Bedauerlich ist auch, dass beim Lärmsanierungsprogramm das Besonders überwachte Gleis BüG kaum genutzt wurde und in der aktuellen Förderrichtlinie von 2018 [9.48] als aktive Maßnahme nicht mehr aufgeführt wird. Inwieweit das Hochgeschwindigkeitsschleifen als Alternative zum BüG gemäß Abschnitt 4.5, Anmerkung 2 der Schall 03; 2014 bei der Lärmsanierung eingesetzt wird, ist nicht dokumentiert. • Bis heute gibt es keinen gesetzlich verankerten Anspruch auf Lärmsanierung an lauten Stra‐ ßen und Schienenwegen. Als teilweiser Ersatz dienen einerseits Lärmsanierungsprogramme, 9.11 Bewertung der Schutzregelungen 375 <?page no="380"?> und zwar seit 1978 für die Bundesfernstraßen und erst seit 1999 auch für Eisenbahnstrecken des Bundes, d.h. der DB Netz AG. Lärmsanierungsmaßnahmen werden allerdings nur verwirklicht, soweit Haushaltsmittel zur Verfügung stehen. Einzelheiten der Lärmsanierung sind für die Bundesfernstraße in [9.19], für Strecken der Deutschen Bahn AG in [9.20] geregelt. Zum anderen sind alle hochbelasteten Verkehrswege und solche in Ballungsräumen Gegen‐ stand der Lärmaktionsplanung gemäß der EU-Richtlinie zum Umgebungslärm und somit auch die Straßenbahnen. Eine der Lärmsanierung vergleichbare verlässliche Finanzierung von Maßnahmen ist nicht gewährleistet. Auch sind die Zielwerte der Aktionsplanung nicht bundeseinheitlich geregelt und keine wirklichen Grenzwerte, die einen Rechtsanspruch der Bürgerinnen und Bürger auslösen würden. • Die fehlende Verpflichtung zu einer Gesamt-Beurteilungspegel-Betrachtung für die Verkehrs‐ geräusche führt zu nicht wirkungsgerechten Regelungen beim Verkehrslärmschutz. Bei der Ermittlung des öffentlich-rechtlichen Anspruches auf Schutzmaßnahmen vor Verkehrs‐ lärm (gem. § 2 Abs. 1 Nr. 4 und § 41 BImSchG [9.29]) müssen in Verbindung mit der Verkehrslärmschutzverordnung (16. BImSchV) [9.14]) nur die Teilpegel der neu zu bauenden oder umzubauenden Verkehrswege einbezogen werden. Das bedeutet, dass i. d. R. keine Beurteilung aus allen einwirkenden Verkehrsgeräuschen vorgenommen wird, obwohl nur dadurch „schädliche Umwelteinwirkungen“ im Sinne von § 3 Abs. 1 BImSchG zu erkennen und zu beseitigen sind. Die von Prof. Koch im Jahr 2000 geäußerte Kritik hat deshalb immer noch Bestand: „Als umweltrechtliches Glanzlicht kann dieses Regelwerk (Anm.: die 16. BImSchV) allerdings nicht eingestuft werden. Insbesondere wird die hochgradig segmentierte Betrachtungsweise der Lärmimmissionen dem akzeptorbezogenen Ansatz des BImSchG nicht gerecht. ... Nicht einmal Vorbelastungen durch anderweitigen Straßenverkehr sollen nach der 16. BImSchV berücksichtigt werden, geschweige denn andere Vorbelastungen. (Anmerkung: für die Schienenbahnen) [9.81]. Auch kann die formaljuristisch eingeschränkte Betrachtung nicht das Risiko vermeiden, dass im Hinblick auf eine Gesamtlärmminderung wenig wirksame und damit unwirtschaftliche Schall‐ schutzmaßnahmen verwirklicht werden; denn die Nichtberücksichtigung aller immissionswirk‐ samen Teilbeurteilungspegel der einwirkenden Straßen und Bahnen kann gerade bei aufwendigen Schallschutzmaßnahmen zu Fehlinvestitionen führen, wenn z. B. ein lauter (pegelbestimmender) Hauptverkehrsweg nur deshalb unberücksichtigt bleibt, weil ein erheblicher baulicher Eingriff in ihn unterbleibt. • Selbst eine relativ konkrete Vorschrift wie die Verkehrslärmschutzverordnung (16. BImSchV) für den Anwendungsfall Bau oder wesentliche Änderung von Verkehrswegen weist einige Defizite auf, die behoben werden sollten: • Die Immissionsgrenzwerte IGW sind gemessen an den Erkenntnissen der Lärmwirkungsfor‐ schung zu hoch (vgl. Tabelle 9.2). Besonders problematisch sind die hohen IGW für gemischte Baugebiete von 64/ 54 dB(A) tags/ nachts in Tabelle 9.4. Sie liegen deutlich über der Schwelle der Risikoerhöhung für klassifizierte Krankheiten der WHO von 59 dB(A) für den L den . Das Wertepaar ist zudem identisch mit dem geplanten Auslösewert für die Lärmsanierung an Schienenwegen des Bundes ab 2022 für Wohngebiete, obwohl es für die Lärmvorsorge gilt. • Auch die Auslösewerte einer wesentlichen Änderung bei hohen Belastungen von 70/ 60 dB(A) tags/ nachts sind angesichts der neueren Erkenntnisse der Lärmwirkungsforschung und der geplanten Senkung der Auslösewerte für die Lärmsanierung deutlich zu hoch. 376 9 Rechtsschutz der Anwohner vor Lärm des Schienenverkehrs <?page no="381"?> • Für die nächtlichen Störungen durch Schienenverkehrslärm ist die alleinige Betrachtung gemittelter Pegel unzureichend. Wie beim Fluglärm sollte ein Maximalpegel-Kriterium eingeführt werden. • Die sog. wesentliche Änderung ist keine lärmwirkungsgerechte Regelung. Sie ist derzeit Voraussetzung für Schallschutzmaßnahmen an bestehenden Verkehrswegen, die durch erheblichen baulichen Eingriff verändert werden sollen. Bei dieser Regelung kommt es nur bedingt auf die absolute Höhe der Beurteilungspegel nach dem Umbau an, jedoch unabdingbar auf eine Pegelerhöhung. Sie muss mindestens 2,1 dB(A) betragen, bei Be‐ urteilungspegeln in eigentumsrechtlich und gesundheitlich kritischer Höhe mindestens 0,1 dB(A). Diese Voraussetzungen für den Anspruch auf Schallschutz an Verkehrswegen mit erheblichem baulichem Eingriff sollten geändert werden. Es kommt nämlich in den Übergangsbereichen zwischen Neubau und erheblichem baulichen Eingriff einerseits sowie zwischen erheblichem baulichem Eingriff und unverändertem Verkehrsweg andererseits immer wieder zu ungerechten Regelungen, wenn zwei gleich beschallte Immissionsorte unterschiedliche Schallschutzansprüche zugestanden bekommen. Auf die Problematik einer erforderlichen Pegelerhöhung wurde bereits im Abschnitt 9.7.3.1 hingewiesen • Besonders nachteilig für die Betroffenen ist, dass Pegelerhöhungen infolge betrieblicher Änderungen, z. B. die Erhöhung der Zugzahlen oder der Geschwindigkeiten, zu keinem Schallschutzanspruch führen. • Die Regelungen für den sog. passiven Schallschutz, d.h. für die Entschädigung für Schallschutz‐ maßnahmen am Gebäude, sind ebenfalls unzureichend. Der Bemessung des passiven Schall‐ schutzes werden oft nur die (Teil-)Beurteilungspegel der 16. BImSchV zu Grunde gelegt, d.h. die Schallimmissionen aus einwirkenden unveränderten Verkehrswegen werden vernachläs‐ sigt (erst in jüngerer Zeit wird zur Dimensionierung des passiven Schallschutzes vermehrt eine Gesamtbetrachtung vorgeschlagen). Die tatsächliche Lärmbelastung wird daher vielfach nicht berücksichtigt, was im Hinblick auf eine ausreichende Würdigung der Lärmwirkungen bedenklich ist. Damit zeigt die 24. BImSchV [9.32] deutlich, dass bei ihrer Erarbeitung weniger Lärmschutzgründe als Spargesichtspunkte eine Rolle gespielt haben. Dies hat zur Folge, dass man unter Ansatz der niedrigen Anhaltswerte nach VDI 2719 [9.52] für Innenräume eine Schallschutzklasse mehr ermitteln würde, unter Ansatz von Gesamtbeurteilungspegel u.U. mehr als eine Schallschutzklasse, verglichen mit dem Verfahren der 24. BImSchV. Falls die Gesamtbeurteilungspegel bei der Ermittlung der Schallschutzfensterklasse unberücksichtigt bleiben, ist es aus Kulanzgründen erforderlich, die anspruchsberechtigten Hauseigentümer im Laufe des Planfeststellungsverfahrens, spätestens aber bei der Ermittlung vor Ort, darauf hinzuweisen, dass die nach 24. BImSchV ermittelte Fensterklasse nicht ausreichend gegen den Gesamtlärm schützt und dass man ihnen daher empfiehlt, unter Selbstbeteiligung solche Fenster einzubauen, die eine um 1 bis 2 Stufen höhere Schallschutzklasse besitzen als man sie bei restriktiver Auslegung der 24. BImSchV ermittelt. • Für die Bauleitplanung fehlt bislang eine rechtsverbindliche Konkretisierung der Belange des Lärmschutzes. Auch wenn die Orientierungswerte der DIN 18005 [9.21] die anspruchsvollste Formulierung von Schutzzielen sind, sollten diese in verbindlichen Rechtsvorschriften fest‐ gelegt werden. Das BauGB sollte zur Harmonisierung des Umweltrechts die Begrifflichkeit des BImSchG („schädliche Umwelteinwirkungen“) übernehmen. Letztlich führt die Absicht, beim Lärmschutz Kosten zu sparen, zu spitzfindigen und für die Lärmbetroffenen schwer verständlichen Regelungen mit weitem Ermessensspielraum. Trotz der begrenzten Haushaltsmittel wäre es im Hinblick auf den nach Art. 3 Grundgesetz (GG) zu 9.11 Bewertung der Schutzregelungen 377 <?page no="382"?> beachtenden Gleichheitsgrundsatz Aufgabe von Bundestag und Bundesregierung, den Verkehrs‐ lärmschutz mit dem Ziel einer sinnvollen und gerechten Regelung neu zu gestalten. Hier sei auch auf die Aussage des Rates von Sachverständigen für Umweltfragen hingewiesen, der in [9.11] u. a. feststellt, dass es auf die Dauer nicht akzeptabel ist, die Lärmsanierung fast völlig von fiskalischen Gesichtspunkten abhängig zu machen. 9.11.3 Vorschläge für einen verbesserten Schutz vor Straßen- und Schienenverkehrslärm - 9.11.3.1 Verbesserung der Emissionsvorgaben Da die Lärmminderung an der Quelle Vorrang vor der Lärmminderung auf dem Ausbreitungsweg oder am Immissionsort hat, sind die Schallemissionen aller Fahrzeuge nach dem Stand der Technik durch Fortschreibung und Harmonisierung der Vorgaben der Europäischen Union zu begrenzen. Die Regelungslücken sind zu beseitigen (Straßenbahnen, Geräuschemissionen der Fahrwege, dauerhafte Einhaltung der akustischen Qualität der Fahrzeuge und -wege). - 9.11.3.2 Verbesserung der Immissionsvorgaben Wichtigste Aufgabe ist die Einführung einer verbindlichen Begrenzung der Immissionen auch für Strecken des Bestands. Das Schutzniveau ist insgesamt gemäß den neueren Erkenntnissen der Lärmwirkungsfor‐ schung zu verbessern, Dabei sollte vermehrt der „Vollschutz“ Anwendung finden (Einhaltung der Immissionsgrenzwerte ausschließlich durch aktive Maßnahmen). Das entspricht auch dem grundsätzlichen Konsens von Betroffenen und Politik bei den wichtigen Neu- und Ausbaupro‐ jekten der Eisenbahn [9.82], [9.83], [9.84]. Zudem: Nur die Gesamtpegelbetrachtung aller einwirkenden Verkehrswege ist lärmwirkungs‐ gerecht. Diese Regelung müsste mit einem praktikablen Verfahren verbunden sein, nach dem die Kosten unter den verschiedenen Verkehrsträgern aufzuteilen wären. Ansätze zu einer sinnvollen Kostenaufteilung bei einer Gesamtlärmbetrachtung enthielt bereits die bayerische Bekanntmachung „Verkehrslärmschutz im Straßenbau“ vom 20.12.1982, die im Juni 1990 durch die 16. BImSchV abgelöst worden ist. Zur Finanzierung von Lärmschutzmaßnahmen bei bestehenden Verkehrswegen sind natürlich Stufenpläne erforderlich, die gemäß dem Verursacherprinzip ganz oder mindestens teilweise aus dem Mineralölsteueraufkommen sowie aus den Fahr- und Trassenpreisen finanziert werden könnten. Aktuelle Vorschläge zum Umgang mit dem Gesamtlärm liegen seitens des UBA [9.85], [9.86] und des Verkehrsministeriums von Baden-Württemberg [9.87] vor. Ziel sollte die umfassende harmonisierte Minderung des Lärms, mindestens aber des Verkehrslärms sein. Vor allem in den Lärmaktionsplanen der Ballungsräume sollte die von der Umgebungslärm‐ richtlinie eigentlich eingeforderte Gesamtbetrachtung (siehe Abschnitt 9.10.2) umgesetzt werden. - 9.11.3.3 Fortentwicklung der ökonomischen Instrumente Das ökonomische Instrument der Anlastung der externen sozialen und ökologischen Kosten des Verkehrs hat eine große Bedeutung in der europäischen Verkehrspolitik. Es ist ein gutes Instrument, um faire Bedingungen für die einzelnen Verkehrsarten zu schaffen und um wett‐ bewerbsverzerrende und nicht durch den Gemeinwohlaspekt der Daseinsvorsorge begründete 378 9 Rechtsschutz der Anwohner vor Lärm des Schienenverkehrs <?page no="383"?> 19 Die externen Kosten (ohne Staukosten) in der EU 28 betrugen 2016 für den Pkw-Verkehr pro Personenkilometer 7,8 €Cent, für die Schiene 2,8 €Cent, im Güterverkehr betrugen die Tonnenkilometer-spezifischen Kosten für den Schwerlastverkehr 3,4 und den Schienengüterverkehr 1,2 €Cent (Tabellen 68 bis 72) 20 Abschaffung des Schienenbonus seit 2015 bzw. 2018 Subventionen abzubauen. Es verhindert eine Verkehrserzeugung und damit eine Geräuschbelas‐ tung, die nur zustande kommt, weil die Transportpreise nicht die fairen Kosten widerspiegeln. Die spezifischen - d. h. verkehrsleistungsbezogenen - externen Kosten des Schienenverkehrs sind deutlich niedriger als beim motorisierten Individualverkehr und beim Luftverkehr (siehe [9.88] 19 ). Eine konsequente Anlastung der externen Kosten würde deshalb die angestrebte Verlagerung von der Straße und dem Luftraum auf die Schiene in rationaler und begründeter Art und Weise unterstützen. Beim Schienenverkehr sollte die Internalisierung von externen Lärmkosten in der Form der lärmabhängigen Trassenpreise ausgebaut und detailliert werden. Differenzierte lärmabhängige Trassenpreise sind ein wichtiges Instrument, damit: • bei der zunehmenden Trennung von Infrastruktur und Schienenverkehrsbetrieb für den Lärmschutz übergreifende optimale Lösungen entwickelt werden und • Anreize für die Fortentwicklung des Stands der Technik bei den Schienenfahrzeugen geschaf‐ fen werden, der zu Geräuschemissionen unterhalb der Grenzwerte führt. 9.12 Fazit Der Staat hat in den letzten 20 Jahren die Instrumente zum Schutz der Bevölkerung gegen Schienenverkehrslärm erheblich verbessert: • Mit dem Umrüstprogramm und dem Schienenlärmschutzgesetz ist das Ziel, die lauten Güterwagen zu eliminieren, in greifbare Nähe gerückt. • Seit dem Inkrafttreten und der Novellierung 20 der VLärmSchV ist der Bürger beim Bau und der wesentlichen baulichen Änderung von Schienenwegen vor Gefahren, erheblichen Nachteilen und Belästigungen durch Lärm im Wesentlichen geschützt, so lange nicht weitere Quellen einwirken. Erhebliche Defizite bestehen vor allem bei nicht baulich bedingten deutlichen Erhöhungen der Lärmbelastung und beim Einwirken mehrerer Quellen. Der Begriff der wesentlichen Änderung in der VLärmSchV muss deshalb im Sinne der Betroffenen lärmwirkungsbezogen modifiziert werden. Die Immissionsgrenzwerte und die Auslösewerte für die wesentliche Änderung sollten auf der Basis der neueren Erkenntnisse der Lärm‐ wirkungsforschung gesenkt werden. Ein Maximalpegel-Kriterium könnte den nächtlichen Schutz verbessern. • Das Lärmsanierungsprogramm ist in diesem Zeitraum deutlich verbessert worden, hinsicht‐ lich der Verbindlichkeit bleibt es bislang unzureichend, da es nicht durch Immissionsschutz‐ recht konkretisiert wird. Aus der Sicht des Immissionsschutzes hat nach wie vor die Schaffung eines gesetzlichen Anspruchs auf Lärmschutz Vorrang, bei dem auch das Einwirken mehrerer Quellen geregelt wird. • Seit 2002 bzw. 2006 gibt es Geräuschvorschrift für die Schallemission von Schienenfahrzeugen für neue interoperable Fahrzeuge. Die Geräuschgrenzwerte für neue Güterwagen haben einen bedeutenden Anteil an der Elimination der lauten Wagen dieser Kategorie. Wünschenswert 9.12 Fazit 379 <?page no="384"?> ist die Komplettierung der Geräuschvorschriften für die Straßenbahnen und die Fahrwege. Die dauerhafte Einhaltung der Grenzwerte muss sichergestellt werden. Die für das kommende Jahrzehnt geplante Verlagerung von Verkehrsleistungen von der Straße auf die Schiene muss von einer Beseitigung der im Abschnitt 9.11.2 genannten Schutzdefizite begleitet werden. Die Chancen dazu haben sich in der jüngeren Zeit deutlich verbessert. 9.13 Literatur [9.1] Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (Online 2019): BMVI: Lärmschutz im Schienenverkehr, April 2019, 6. Auflage https: / / www.bmvi.de/ SharedDocs/ DE/ Publikationen/ E/ laermschutz-im-schienenverkehr-broschuere.pdf ? __blob=publication [9.2] ALD (Online 2018): "Schienenverkehrslärm - Ursachen, Wirkungen, Schutz“ http: / / www.ald-laerm.de/ fileadmin/ ald-laerm.de/ Publikationen/ Druckschriften/ ALD-Broschuere_Schienenverkehrslaerm_Web.pd [9.3] Jäcker, M., Hendlmeier, W. (2006): Rechtsschutz der Anwohner vor Lärm und Erschütterungen des Schienenverkehrs. In: Krüger, F. et al (2006) Schall- und Erschütterungsschutz im Schienenverkehr. 2. Überarbeitete Auflage, expert-verlag, Renningen [9.4] Jäcker-Cüppers, M., Weinandy, R. (2011): Lärmabhängige Trassenpreise - ein Instrument zur Minderung der Lärmbelastungen durch den Schienenverkehr". Lärmbekämpfung Bd. 6 (2011) Nr. 4 - Juli, S. 135 - 150., 2011. [9.5] BMU/ UBA (2019): Umweltbewusstsein in Deutschland - Datenband https: / / www.umweltbundesamt.de/ sites/ default/ files/ medien/ 2378/ dokumente/ ubs_2018_repraesentativbefragung_nacherhebung_tabellen_soziodemografie_forsa.xlsx [9.6] Umweltbundesamt (Online 2020) Lärmkartierung: https: / / www.umweltbundesamt.de/ daten/ umwelt-gesundheit/ laermkartierung-laermaktionsplanung [9.7] Hessisches Landesamt für Naturschutz, Umwelt und Geologie (Online 2020): Lärmmessungen. https: / / www.hlnug.de/ themen/ laerm/ schienenverkehrslaerm/ laermmessungen [9.8] Regierungspräsidium Freiburg (2009): Planfeststellungsabschnitt 8.2 (Freiburg - Schallstadt) - Überblick über das Planfeststellungsverfahren zur ursprünglichen Planung sowie die Entscheidungen des Projektbeirats und des Deutschen Bundestages für den Bereich zwischen Riegel und Schallstadt. https: / / rp.baden-wuerttemberg.de/ rpf/ Abt2/ Ref24/ Rheintalbahn/ Seiten/ PfA82.aspx (Stand: 01.05.2017) [9.9] Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (Online 2020): Masterplan Schienenverkehr. https: / / www.bmvi.de/ SharedDocs/ DE/ Anlage/ E/ masterplan-schienenverkehr.pdf ? __blob=publicationFile [9.10] Umweltbundesamt (Online 2020): Verkehrslärm/ Zielwerte der Lärmbekämpfung https: / / www.umweltbundesamt.de/ themen/ verkehr-laerm/ verkehrslaerm#zielwerte-der-larmbekampfung [9.11] Rat von Sachverständigen für Umweltfragen (1999): „Sondergutachten Umwelt und Gesundheit“, 31.08.1999. [9.12] WHO - Europe (2019): Environmental Noise Guidelines for the European Region, http: / / www.euro.who.int/ en/ health-topics/ environment-and-health/ noise/ publications/ 2018/ environmental-noise-guidelines-for-the-european-region-2018 [9.13] Schall 03; 2014: Berechnung des Beurteilungspegels für Schienenwege (Schall 03), Anlage 2 (zu § 4) der Sechzehnten Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (Verkehrslärmschutzverordnung - 16.BImSchV) vom 12. Juni 1990 (BGBl. I S. 1036), zuletzt geändert durch Artikel 1 der Verordnung vom 18.Dezember 2014 (BGBl. I S. 2269). 380 9 Rechtsschutz der Anwohner vor Lärm des Schienenverkehrs <?page no="385"?> [9.14] 16. Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (Verkehrslärmschutzverordnung)vom 12. Juni 1990, BGBl. I, S. 1036, zuletzt geändert durch Artikel 1 der Verordnung vom 18.12.2014 (BGBl. I S. 2269) [9.15] ALD (Online 2020): ALD-Position zum Lärmschutzniveau beim Schienenverkehrslärm Handlungsoptionen für die nächste Dekade. http: / / www.ald-laerm.de/ fileadmin/ ald-laerm.de/ Aktuelle_Informationen/ 2020-04-27_ALD-Position_Schiene.pdf [9.16] Möhler et al (2017): Gutachten zur Berücksichtigung eines Maximalpegelkriteriums bei der Beurteilung von Schienenverkehrslärm in der Nacht. https: / / umwelt.hessen.de/ sites/ default/ files/ media/ hmuelv/ 171114_schlussbericht_moe.pdf [9.17] World Health Organization (2000): Guidelines for Community Noise. Genf, 2000. http: / / whqlibdoc.who.int/ hq/ 1999/ a68672.pdf (Stand: 01.05.2017) [9.18] Unterausschuss Lärmbekämpfung des Länderausschusses für Immissionsschutz (1992): Muster-Verwaltungsvorschrift zur Durchführung des §47a BImSchG. (vgl. die Version in Brandenburg 1995: https: / / bravors.brandenburg.de/ de/ verwaltungsvorschriften-216160 [9.19] Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (Online 2020): Lärmvorsorge und Lärmsanierung an Bundesfernstraßen. https: / / www.bmvi.de/ DE/ Themen/ Mobilitaet/ Laerm-Umweltschutz/ Laermvorsorge-Laermsanierung-Bundesfernstrassen/ Laermvorsorge-Laermsanierung-Bundesfernstrassen.html [9.20] Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (Online 2020): Lärmvorsorge und Lärmsanierung an Schienenwegen. https: / / www.bmvi.de/ SharedDocs/ DE/ Artikel/ E/ schiene-laerm-umwelt-klimaschutz/ laermvorsorge-und-laermsanierung.html [9.21] Deutsches Institut für Normung (2002): DIN 18005-1 - Schallschutz im Städtebau, Ausgabe Juli 2002. Teil 1: Grundlagen und Hinweise für die Planung; dazu Beiblatt 1: -; Schalltechnische Orientierungswerte für die städtebauliche Planung. Mai 1987 [9.22] Verband Deutscher Verkehrsunternehmen (VDV) (2019): Statistik 2018. https: / / www.vdv.de/ vdv-statistik-2018.pdfx [9.23] Bundes-Klimaschutzgesetz (KSG) vom 12. Dezember 2019 (BGBl. I S. 2513 (Online 2020). http: / / www.gesetze-im-internet.de/ ksg/ KSG.pdf [9.24] Nationale Plattform Zukunft der Mobilität (Online 2019): Wege zur Erreichung der Klimaziele 2030 im Verkehrssektor. Zwischenbericht 03/ 2019. https: / / www.plattform-zukunft-mobilitaet.de/ wp-content/ uploads/ 2020/ 03/ NPM-AG-1-Wege-zur-Erreichung-der-Klimaziele-2030-im-Verkehrssektor.pdf [9.25] CDU, CSU und SPD (2018): Koalitionsvertrag "Ein neuer Aufbruch für Europa - Eine neue Dynamik für Deutschland - Ein neuer Zusammenhalt für unser Land. https: / / www.bundesregierung.de/ Content/ DE/ _Anlagen/ 2018/ 03/ 2018-03-14-koalitionsvertrag.pdf; jsessionid=D9B879267307FB3806F38E61B5D9BB38.s2t2? __blob=publicationFile&v=6 () [9.26] Gesetz zum Verbot des Betriebs lauter Güterwagen (Schienenlärmschutzgesetz - SchlärmschG) vom 20. Juli 2017 (BGBl. I S. 2804 [9.27] Richtlinie 2002/ 49/ EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 25.06.2002 über die Bewertung und Bekämpfung von Umgebungslärm. Amtsblatt der Europäischen Gemeinschaften vom 18.07.2002, L189. http: / / eur-lex.europa.eu/ LexUriServ/ LexUriServ.do? uri=OJ: L: 2002: 189: 0012: 0025: DE: PDF (Stand: 17.11.2016) [9.28] Gesetz zur Umsetzung der EG-Richtlinie über die Bewertung und Bekämpfung von Umgebungslärm vom 24.06.2005. Bundesgesetzblatt Jahrgang 2005 Teil I Nr. 38, ausgegeben am 29.06.2005, Seite 1794 [9.29] Bundes-Immissionsschutzgesetz - BImSchG vom 15. März 1974, in der Fassung der Bekanntmachung vom 17. Mai 2013 (BGBl. I S. 1274), das zuletzt durch Artikel 103 der Verordnung vom 19. Juni 2020 (BGBl. I S. 1328) geändert worden ist. 9.13 Literatur 381 <?page no="386"?> [9.30] Baugesetzbuch In der Fassung der Bekanntmachung vom 23.09.2004 (BGBl. I S. 2414), zuletzt geändert durch Gesetz vom 27.03.2020 (BGBl. I S. 587) m. W. v. 28.03.202 [9.31] Allgemeines Eisenbahngesetz vom 27. Dezember 1993 (BGBl. I S. 2378, 2396; 1994 I S. 2439), das zuletzt durch Artikel 1 des Gesetzes vom 29. Juni 2020 (BGBl. I S. 1531) geändert worden ist" [9.32] Vierundzwanzigste Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (Verkehrswege-Schallschutzmaßnahmenverordnung - 24. BImSchV vom 4.2.1997; BGBl I 1997, S. 172. Zuletzt geändert durch Artikel 3 der Verordnung vom 23. September 1997, BGBL. I S. 232 [9.33] Deutscher Bundestag (1978): Entwurf eins Gesetzes gegen Verkehrslärm an Straßen und Schienenwegen -Verkehrslärmschutzgesetz (VLärmSchG). Bundestags-Drucksache 08/ 1671 vom 23.03.78. http: / / dip21.bundestag.de/ dip21/ btd/ 08/ 016/ 0801671.pdf [9.34] Urteil des Oberverwaltungsgerichts Bremen - OVG Bremen vom 19.01.1993 - 1 BA 11/ 92 NVwZ-RR 1993. Heft 9, S. 468 [9.35] Verordnung der Kommission (EU) Nr. 1304/ 2014 vom 26.November 2014 über die technische Spezifikation für die Interoperabilität des Teilsystems „Fahrzeuge - Lärm“ sowie zur Änderung der Entscheidung 2008/ 232/ EG und Aufhebung des Beschlusses 2011/ 229/ EU, Amtsblatt der Europäischen Union L356/ 421ff vom 12.12.2014. http: / / eur-lex.europa.eu/ legal-content/ DE/ TXT/ PDF/ ? uri=CELEX: 32014R1304&from=DE (Stand: 01.05.2017) [9.36] ISO 3095: 2013 „Acoustics - Railway applications - Measurement of noise emitted by railbound vehicles“ [9.37] Bundesamt für Verkehr BAV (Online 2020): Monitoring Güterwagen; 1. Quartal 2020, 1. Januar - 31. März 2020. https: / / www.bav.admin.ch/ dam/ bav/ de/ dokumente/ themen/ laermsanierung/ monitoring_gueterwagen/ monitoring-gueterwagen-bericht-jan-mar2020.pdf.download.pdf/ Monitoring_G%C3%BCterwagen_Jan_Mar_2020.pdf [9.38] Deutsche Bundesbahn (1990): Richtlinie zur Berechnung der Schallimmissionen von Schienenwegen - Schall 03. Bundesbahn-Zentralamt München, 1990. [9.39] Werner, M. (1991): Schall 03 - Entstehungsgeschichte und Dokumentation. In: Zeitschrift für Lärmbekämpfung 38 (5), S. 128-131. [9.40] Personenbeförderungsgesetz in der Fassung der Bekanntmachung vom 8. August 1990 (BGBl. I S. 1690), zuletzt geändert durch Artikel 2 des Gesetzes vom 22. November 2011 (BGBl. I S. 2272 [9.41] Land Berlin (Online 2019): Nahverkehrsplan Berlin 2019 - 2023. Stand 27. Februar 2019. Berlin. https: / / www.berlin.de/ senuvk/ verkehr/ politik_planung/ oepnv/ nahverkehrsplan/ de/ downloads.shtml [9.42] Verband Deutscher Verkehrsunternehmen e. V. (VDV) (2011): Geräusche von Schienenfahrzeugen des Öffentlichen Personen-Nahverkehrs (ÖPNV). Köln (VDV-Schriften, 154). [9.43] Gesetz zur Regelung des Planungsverfahrens für Magnetschwebebahnen (Magnetschwebebahnplanungsgesetz - MBPlG) vom 23.11.1994 (BGBl. I S. 3486), das zuletzt durch Artikel 330 der Verordnung vom 19. Juni 2020 (BGBl. I S. 1328) geändert worden ist. [9.44] Gesetz über die Umweltverträglichkeitsprüfung in der Fassung der Bekanntmachung vom 24. Februar 2010 (BGBl. I S. 94), das zuletzt durch Artikel 117 der Verordnung vom 19. Juni 2020 (BGBl. I S. 1328) geändert worden ist. [9.45] Allg. Verwaltungsvorschrift zur Ausführung des Gesetzes über die Umweltverträglichkeitsprüfung - UVPVwV vom 18.09.1995 (GMBl 1995, S. 671) [9.46] Bundesverwaltungsgericht (2018); Beschluss vom 25.04.2018 (BVerwG 9 A 16.16) https: / / www.bverwg.de/ de/ 250418B9A16.16.1 (Nummern 86 und 87) [9.47] EBA (2012): Umwelt-Leitfaden zur eisenbahnrechtlichen Planfeststellung und Plangenehmigung sowie für Magnetschwebebahnen - Stand: Dezember 2012 - Teil VI Schutz vor Schallimmissionen 382 9 Rechtsschutz der Anwohner vor Lärm des Schienenverkehrs <?page no="387"?> aus Schienenverkehr. https: / / www.eba.bund.de/ SharedDocs/ Downloads/ DE/ PF/ Umweltauswirkungen/ 23_Umwelt-Leitfaden_Teil_6_Schall.html? nn=1567000 [9.48] Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (Online 2020): Richtlinie zur Förderung von Maßnahmen zur Lärmsanierung an bestehenden Schienenwegen der Eisenbahnen des Bundes - überarbeitete Fassung 2018 -. 06. Dezember 2018. https: / / www.bmvi.de/ SharedDocs/ DE/ Anlage/ E/ foerderrichtlinie-laermsanierung-schiene.pdf ? __blob=publicationFile [9.49] Planfeststellungsbeschluss der Regierung von Mittelfranken vom 09.07.1999, Az. 225-4354.6-1/ 94, für den Neubau einer Straßenbahnstrecke in Nürnberg, Ostendstraße. [9.50] Urteil des Bayer. Verwaltungsgerichtshofes - BayVGH vom 15.10.1996, Az. 20 A 95.40052 u. a. [9.51] Entscheidung des Bundesverwaltungsgerichtes 17.03.2005, Az. BVerwG 4 A 18.04 [9.52] VDI-Richtlinie 2719 „Schalldämmung von Fenstern und deren Zusatzeinrichtungen“, Ausgabe August 1987. [9.53] Entscheidung des Bundesverwaltungsgerichtes vom 21.03.1996, Az. BVerwG 4 C 9.95 (sog. A-99-Urteil). [9.54] Urteil des Bayer. Verwaltungsgerichtshofes - BayVGH vom 20.06.1996, Az. 20 B 92.1055 (Pass. Schallschutz bei Lauf an der Strecke Nürnberg -Marktredwitz). [9.55] Urteil des Bayer. Verwaltungsgerichtshofes - BayVGH vom 18.07.1996, Az. 8 C 5 96.1612 (Klage gegen den Sofortvollzug der Planfeststellung der Südtangente Ochsenfurt). [9.56] Technische Anleitung zum Schutz gegen Lärm - TA Lärm“ vom 26.08.1998. [9.57] CDU-Landtagsfraktion Rheinland-Pfalz (2014): Antrag „Weniger Bahnlärm: Lärmschutzkonzept für den Mittelrhein“. Drucksache 16/ 3541 vom09. 05. 2014. https: / / dokumente.landtag.rlp.de/ landtag/ drucksachen/ 3541-16.pdf [9.58] Kramer, U. (2013): Die Zulässigkeit von Geschwindigkeits-und Durchfahrtbeschränkungen für laute Güterzüge im Mittleren Rheintal aus der Warte des deutschen und europäischen Rechts. http: / / mulewf.rlp.de/ uploads/ media/ Gutachten_Laerm_Mittelrheintal_Endfassung.pdf [9.59] Noise rules may stop night trams“ http: / / prague.tv/ en/ s72/ Directory/ c207-Travel/ n8029-Noise-rules-may-stop-night-trams () [9.60] https: / / www.berlin.de/ senuvk/ umwelt/ laerm/ laermminderungsplanung/ download/ laermaktionsplan/ materialien/ bericht_lokale_bahnen.pdf [9.61] Vertragsverletzungsverfahren 20204033 „Incorrect application of Directive (EU) 2016/ 797 on the interoperability of the rail system within the European Union - Subsystem rolling stock - noise” vom 14 May 2020 http: / / europa.eu/ rapid/ press-release_INF-20-859_EN.htm [9.62] Änderung der Verordnung (EU) Nr. 1304/ 2014 in Bezug auf die Anwendung der technischen Spezifikation für die Interoperabilität des Teilsystems „Fahrzeuge - Lärm“ auf Bestandsgüterwagen“ veröffentlicht (im Amtsblatt der Europäischen Union L 139 I/ 89ff vom 27.5.2019, https: / / eur-lex.europa.eu/ legal-content/ DE/ TXT/ PDF/ ? uri=CELEX: 32019R0774&from=EN) [9.63] M. Jäcker-Cüppers (2020): “Zukunftsbündnis für einen leiseren Schienenverkehr“ Editorial „Lärmbekämpfung“, 15 (2020) Nr. 4, S. 97 [9.64] Deutsche Bahn AG (Online 2020): Lärmschutzbericht 2019 „Nur eine leise Schiene ist eine starke Schiene“ vom 29.04.2020 http: / / gruen.deutschebahn.com/ 08_Dokumente/ Veroeffentlichungen/ DB_Laermschutzbericht_2019.pdf [9.65] 34. Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (Verordnung über Lärmkartierung) vom 6. März 2006. BGBl. I, S. 516, zuletzt geändert durch Artikel 84 der Verordnung vom 31. August 2015 (BGBl. I S. 1474). 9.13 Literatur 383 <?page no="388"?> [9.66] Vorläufige Berechnungsmethode für den Umgebungslärm an Schienenwegen (VBUSch), Bekanntmachung der Vorläufigen Berechnungsverfahren für den Umgebungslärm nach § 5 Abs. 1 der Verordnung über die Lärmkartierung (34. BImSchV) vom 22.Mai 2006, Bundesanzeiger Nr. 154a vom 17.08.2006. http: / / www.bmu.de/ files/ pdfs/ allgemein/ application/ pdf/ bundesanzeiger_154a.pdf (Stand: 01.05.2017) [9.67] Eisenbahn-Bundesamt (Online 2020): Lärmaktionsplan für die Haupteisenbahnstrecken des Bundes. (Teil A) vom11.01.2018. https: / / www.eba.bund.de/ download/ LAP_Teil_A_2018.pdf [9.68] Eisenbahn-Bundesamt (Online 2020): Anhang zum Lärmaktionsplan für die Haupteisenbahnstrecken des Bundes (Teil A) vom 11.01.2018. https: / / www.eba.bund.de/ download/ LAP_Teil_A_2018_Anhang.pdf [9.69] Eisenbahn-Bundesamt (Online 2020): Lärmaktionsplan für die Haupteisenbahnstrecken des Bundes (Teil B) vom 18.07.2018. http: / / www.eba.bund.de/ download/ LAP_TEIL_B_2018.pdf [9.70] Richtlinie (EU) 2015/ 996 der Kommission vom 19. Mai 2015 zur Festlegung gemeinsamer Lärmbewertungsmethoden gemäß der Richtlinie 2002/ 49/ EG des Europäischen Parlaments und des Rates. Amtsblatt der Europäischen Union, L 168/ 1-823 vom 01.07.2015. http: / / eur-lex.europa.eu/ legal-content/ DE/ TXT/ PDF/ ? uri=CELEX: 32015L0996&from=EN [9.71] Bundesanzeiger (BAnz AT 28.12.2018 B7) vom 28.12.2018: Bekanntmachung der - • Berechnungsmethode für den Umgebungslärm von bodennahen Quellen (Straßen, Schienenwege, Industrie und Gewerbe) (BUB) - • Berechnungsmethode für den Umgebungslärm von bodennahen Quellen (Straßen, Schienenwege, Industrie und Gewerbe) (BUB) - • Berechnungsmethode für den Umgebungslärm von Flugplätzen (BUF) - • Berechnungsmethode zur Ermittlung der Belastetenzahlen durch Umgebungslärm (BEB) - • Datenbank für die Berechnungsmethode für den Umgebungslärm von bodennahen Quellen (Straßen, Schienenwege, Industrie und Gewerbe) (BUB-D) - • Datenbank für die Berechnungsmethode für den Umgebungslärm von Flugplätzen (BUF-D) [9.72] UIC, CER (2006): Rail Freight Noise Abatement - A report on the state of the art. Juli 2006. https: / / www.uic.org/ IMG/ pdf/ 2005_rail_freight_noise_abatement.pdf [9.73] ScienceDirect (2020): Iron Brake Block https: / / www.sciencedirect.com/ topics/ engineering/ iron-brake-block [9.74] Eisenbahn-Bundesamt (2018): Verfahrensanweisung zur Anwendung der Förderrichtlinie laTPS. https: / / www.eba.bund.de/ SharedDocs/ Downloads/ DE/ Finanzierung/ laTPS/ rl_latps_I_verfahrensanweisung.pdf ? __blob=publicationFile&v=8 [9.75] Eckpunktevereinbarung zur Einführung eines lärmabhängigen Trassenpreissystems auf dem Schienennetz der DB Netz AG zwischen dem Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung vertreten durch Dr. Peter Ramsauer MDB, Bundesminister und der DB Netz AG vertreten durch Dr. Rüdiger Grube, Vorstandsvorsitzender, 5. Juli 2011 [9.76] DB Netz AG (2012): Schienennutzungsbedingungen 2013 [9.77] DB Netz AG (2019): Schienennutzungsbedingungen 2020. https: / / fahrweg.dbnetze.com/ resource/ blob/ 4606064/ 8b8889688386891d09e9ae405b4516f3/ SNB-2020-data.pdf [9.78] Brammer, Henning (2020): Umrüstung von Güterwagen auf Rollgeräusch-reduzierende Bremstechniken bis zum Fahrplanwechsel 2020/ 2021. Lärmbekämpfung 15 (2020) Nr. 4, S. 104 - 108 [9.79] Elftes Gesetzes zur Änderung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes vom 2. Juli 2013, Bundesgesetzblatt Jg. 2013 Teil I Nr. 34, ausgegeben zu Bonn am 5. Juli 2013. https: / / www.bgbl.de/ xaver/ bgbl/ start.xav? startbk=Bundesanzeiger_BGBl&start=/ / *[@attr_id=%27bgbl113s1943.pdf%27] 384 9 Rechtsschutz der Anwohner vor Lärm des Schienenverkehrs <?page no="389"?> [9.80] Lutzenberger, S., Gutmann C. (2013): Ermittlung des Standes der Technik der Geräuschemissionen europäischer Schienenfahrzeuge und deren Lärmminderungspotenzial mit Darstellung von Best-Practice-Beispielen. Umweltbundesamt, Texte | 12/ 2013, Dessau Roßlau. https: / / www.umweltbundesamt.de/ sites/ default/ files/ medien/ 461/ publikationen/ 4441.pdf [9.81] Koch, H.-J. (2000): Fünfzig Jahre Lärmschutzrecht, in „Zeitschrift für Lärmbekämpfung“ 6/ 2000 S. 235. [9.82] Deutscher Bundestag (2016): Antrag der Fraktionen der CDU/ CSU und SPD. Menschen- und umweltgerechten Ausbau der Rheintalbahn realisieren. Bundestags-Drucksache 18/ 7364 vom 26.01.2016 http: / / dip21.bundestag.de/ dip21/ btd/ 18/ 073/ 1807364.pdf (Stand 01.05.2017) [9.83] Deutscher Bundestag (2016): Antrag der Fraktionen der CDU/ CSU und SPD. Menschen- und umweltgerechte Realisierung europäischer Schienennetze. Bundestags-Drucksache 18/ 7365 vom 26.01.2016 http: / / dip21.bundestag.de/ dip21/ btd/ 18/ 073/ 1807365.pdf (Stand 01.05.2017) [9.84] Dialogforum Schiene Nord (2015): Kapazitätserweiterung der Schieneninfrastruktur im Raum Bremen-Hamburg-Hannover: Abschlussdokument zum Dialogverfahren. Celle, 05.11.2015. https: / / beirat-alpha.de/ wp-content/ uploads/ 2017/ 06/ Abschlussdokument_DSN.pdf [9.85] Umweltbundesamt (Online 2019): Texte 60/ 2019. Modell zur Gesamtlärmbewertung https: / / www.umweltbundesamt.de/ sites/ default/ files/ medien/ 1410/ publikationen/ 2019-06-19_texte_60-2019_modell_zur_gesamtlaermbewertung_abschlussbericht.pdf [9.86] Umweltbundesamt (Online 2019): Anwendungsleitfaden für eine Gesamtlärmbewertung. https: / / www.umweltbundesamt.de/ publikationen/ anwendungsleitfaden-fuer-eine-gesamtlaermbewertung [9.87] Ministerium für Verkehr und Infrastruktur Baden-Württemberg (2013): Konzept für eine ruhigere Umwelt - Lärmsanierung bei Mehrfachbelastungen durch Straßen und Schienenwege. https: / / vm.baden-wuerttemberg.de/ fileadmin/ redaktion/ m-mvi/ intern/ Dateien/ Brosch%C3%BCren/ Laerm_Konzept-f%C3%BCr-ruhigere-Umwelt.pdf [9.88] European Commission (Online 2019) Handbook on the external costs of transport - Version 2019. https: / / ec.europa.eu/ transport/ sites/ transport/ files/ studies/ internalisation-handbook-isbn-978-92-79-96917-1.pdf 9.13 Literatur 385 <?page no="390"?> 10 Oberbau im Schienenverkehr Th. Rupp 10.1 Anforderungen an den Oberbau Der Oberbau, sowohl seine konstruktive Ausformung als auch sein Wartungs- und Verschleißzu‐ stand, beeinflusst maßgebend die Schall- und Erschütterungsemissionen aus dem Schienenver‐ kehr. In [10.1] wird daher gefordert: „Der Oberbau muss so gebaut und beschaffen sein, dass die im Betrieb entstehenden Geräusche und Erschütterungen das nach den Regeln der Technik unvermeidbare Maß nicht überschreiten“. Nicht zuletzt aus diesem Grund wird im vorliegenden Kapitel der Oberbau von Schienenbahnen vorgestellt. Auf die relevanten Unterschiede zwischen den typischen Anwendungsformen bei Eisenbahnen im Vergleich zu Straßenbahnen wird hinge‐ wiesen. Die Aufgaben und Bestandteile des Oberbaus werden inhaltlich übereinstimmend in den VDV-Schriften 600 [10.1] (Straßenbahn) und 612 [10.2] (NE-Bahn) definiert: Diese beiden Schrif‐ ten bilden die Grundlage für die folgenden Ausführungen. Für die DB AG finden sich in ihren Richtlinien 820 ff. [10.3] ebenfalls sinngemäß gleiche Inhalte. Die Anforderungen an den Oberbau umfassen in erster Linie die Lastabtragung vom Schienen‐ fahrzeug in den Unterbau bzw. Untergrund unter allen betrieblich vorkommenden mechanischen, elektrischen und thermischen Beanspruchungen sowie die Sicherstellung der Maße, die eine sichere Spurführung erfordern. Dazu gehören vor allem die Spurweite und die Gleislage, aber auch die Maße am Schienenkopf, die im Zusammenwirken mit den vorgegebenen Maßen am Radprofil die Entgleisungssicherheit gewährleisten. Bei Strecken, die eine Fahrstromversorgung (Oberleitung/ Stromschiene) aufweisen, kommt als weitere Anforderungen eine sichere elektrische Leitbzw. Isolierfähigkeit hinzu. Bei Gleich‐ strombahnen sind durch geeignete Isolierungsmaßnahmen Streuströme zu unterbinden. Ferner soll der Oberbau hinsichtlich der Schall- und Erschütterungsemissionen günstig gewählt werden, und schließlich ist auch die Wirtschaftlichkeit sowohl beim Neubau als auch bei der Instandhaltung zu beachten. Wesentlich ist dabei die Feststellung, dass die o. g. Eigenschaften auch im zulässigen Verschleiß‐ zustand gewährleistet sein müssen. Der Oberbau ist ein Teil des „Bahnkörpers“, dieser umfasst zusätzlich den ihn tragenden Unter‐ bau, der aus Erd-, Stütz- oder Ingenieurbauwerken bestehen kann, [10.11]. Es gibt straßenbündige, besondere oder unabhängige Bahnkörper, Beispiele siehe Bild 10.1. Straßenbündige Bahnkörper sind mit ihren Gleisen in Fahrbahnen oder Gehwege eingebettet. Besondere Bahnkörper liegen im Verkehrsraum öffentlicher Straßen, sind jedoch vom übrigen Verkehrsraum mindestens durch Bordsteine oder Hecken oder Baumreihen oder andere ortsfeste körperliche Hindernisse getrennt. Zum besonderen Bahnkörper gehören auch Bahnübergänge mit Vorrang für die Straßenbahn, wenn sie entsprechend gesichert sind. Unabhängige Bahnkörper befinden sich auf Grund ihrer Lage oder Bauart außerhalb des Verkehrsraums öffentlicher Straßen, Gleise der DB AG gehören in der Regel hierzu. <?page no="391"?> 3 mindestens durch Bordsteine oder Hecken oder Baumreihen oder andere ortsfeste körperliche Hindernisse getrennt. Zum besonderen Bahnkörper gehören auch Bahnübergänge mit Vorrang für die Straßenbahn, wenn sie entsprechend gesichert sind. Unabhängige Bahnkörper befinden sich auf Grund ihrer Lage oder Bauart außerhalb des Verkehrsraums öffentlicher Straßen, Gleise der DB AG gehören in der Regel hierzu. A B C1 C2 Bild 10.1: Beispiele für straßenbündige (A), besondere (B) und unabhängige (C) Bahnkörper 10.2 Begriffsbestimmungen Der Oberbau umfasst die Einrichtungen, Bauteile und Bauelemente, die dem Gleis und den Tragschichten zugeordnet werden. Die nachfolgende Übersicht (Bild 10.2), die die Zusammenhänge verdeutlicht, wurde der VDV-Schrift 600 ([10.1]) entnommen. Die Bestandteile des Oberbaus werden im Abschnitt 10.3 näher erläutert. Anmerkung: In älteren Fassungen der Regelwerke des Erdbaus und in der entsprechenden Fachliteratur wurden Trag- und Schutzschichten (Planumsschutzschicht, Frostschutzschicht) meist dem Unterbau zugeordnet. Nach den aktuellen Fassungen der einschlägigen Regelwerke, z.B. ZTV E-StB [10.5] der FGSV für den Straßenbau, der Ril 836 [10.6] der DB AG für den Eisenbahnbau sowie der VDV-Schrift 600 für den Straßenbahnbau, sind sie nun Teil des Oberbaus. 10.3 Bestandteile des Oberbaus 10.3.1 Überblick Zum Oberbau gehören folgende Bauteile bzw. Stoffe (gemäß VDV-Schrift 612 [10.2]) − Gleise, Weichen und Kreuzungen − Fahrschienen, Leit- und Schutzschienen, Spurstangen, Schienenauszugsvorrichtungen, Schienenbefestigungsmittel, Schienenstützpunkte (Schwellen/ Längsbalken) Bild 10.1: Beispiele für straßenbündige (A), besondere (B) und unabhängige (C) Bahnkörper (Fotos F. Krüger) 10.2 Begriffsbestimmungen Der Oberbau umfasst die Einrichtungen, Bauteile und Bauelemente, die dem Gleis und den Trag‐ schichten zugeordnet werden. Die nachfolgende Übersicht (Bild 10.2), die die Zusammenhänge verdeutlicht, wurde der VDV-Schrift 600 ([10.1]) entnommen. Die Bestandteile des Oberbaus werden im Abschnitt 10.3 näher erläutert. Anmerkung: In älteren Fassungen der Regelwerke des Erdbaus und in der entsprechen‐ den Fachliteratur wurden Trag- und Schutzschichten (Planumsschutzschicht, Frostschutz‐ schicht) meist dem Unterbau zugeordnet. Nach den aktuellen Fassungen der einschlägigen Regelwerke, z. B. ZTV E-StB [10.5] der FGSV für den Straßenbau, der Ril 836 [10.6] der DB AG für den Eisenbahnbau sowie der VDV-Schrift 600 für den Straßenbahnbau, sind sie nun Teil des Oberbaus. 10.3 Bestandteile des Oberbaus 10.3.1 Überblick Zum Oberbau gehören folgende Bauteile bzw. Stoffe (gemäß VDV-Schrift 612 [10.2]) • Gleise, Weichen und Kreuzungen • Fahrschienen, Leit- und Schutzschienen, Spurstangen, Schienenauszugsvorrichtungen, Schienenbefestigungsmittel, Schienenstützpunkte (Schwellen/ Längsbalken) • Bettung, i. d. R. Schotter • Tragelemente und besondere Tragkonstruktionen (z. B. Gleistragplatten) • Trag- und Schutzschichten (z. B. Planumsschutzschicht, Frostschutzschicht), einschließlich Trennschichten, z. B. Unterschottermatten • Gleiseindeckungen (z. B. Stahlbeton-Großflächenplatten, Natur- und Kunststeinpflaster, Asphalt, begeh- und befahrbare Gitterroste) • Schienenentwässerungseinrichtungen 10.2 Begriffsbestimmungen 387 <?page no="392"?> • Oberbautechnische Zusatzeinrichtungen wie z. B. Gleisbremsen, Isolierstöße, Schienen‐ schmiereinrichtungen, Sicherungskappen, Wanderschutzklemmen • Gleisabschlüsse und mit dem Oberbau verbundene Fahrwegschutzeinrichtungen, z. B. Gleis‐ abschlüsse (Prellböcke), Gleisendschutzeinrichtungen (Bremsschuhe) und Hemmschuh-Aus‐ wurfvorrichtungen Flächen Gleis Schienenoberkante obere Tragschicht Schienenstützungsunterkante untere Tragschicht Planum Unterbau Oberfläche Untergrund verdichteter oder verbesserter Unterbau Brücken, Tunnelsohlen, Stützbauwerke, sonstige Kunstbauten (z.B. Masse-Feder- Systeme), Entwässerung, Dämme, Aufschüttungen Untergrund Tragschichten Bahnkörper Oberbegriffe Gleise, Weichen und Kreuzungen Bettung, z.B. Gleisschotter, Mineralgemische Betontragschicht, Asphalttragschicht Unterschottermatten Planumsschutzschicht Frostschutzschicht verdichteter oder verbesserter Untergrund gewachsener Boden Schichten/ Bauteile Bild 10.2: Begriffsbestimmungen sowie Zuordnung zum Oberbau, Unterbau und Untergrund (VDV-Schrift 600, Bild 3.1-3 [10.1]) Am Oberbau befestigte und mit ihm verbundene Bauteile sind insbesondere Einrichtungen der Elektrotechnik wie der Stromzuführung und der Leit- und Sicherungstechnik. Sie sind nicht Be‐ standteil des Oberbaus, aber mit ihm baulich verbunden. Beispiele: Stromschienen, Gleissperren, Weichenstellvorrichtungen, Weichenantriebe, die verschiedenen Arten von Gleisschaltmitteln (z. B. Achszähler, Gleisstromkreise), Weichenheizungen oder Heißläuferortungsanlagen. Nachfolgend werden die wesentlichen Bestandteile des Oberbaus beschrieben. Näheres kann der VDV-Schrift 600 [10.1] entnommen werden. 10.3.2 Schienen Man unterscheidet Rillenschienen und rillenlose Schienen, auch Vignolschienen genannt. Die Vignolschiene, Bild 10.3, ist die klassische Eisenbahnschiene, bei der sich die Eindeckung des Gleises im Wesentlichen auf den Fall eines Bahnübergangs beschränkt. Dieser Schienentyp wird auch bei Straßenbahnen eingesetzt, insbesondere bei U-Bahnen auf unabhängigem Bahnkörper. Rillenschienen, Bild 10.4, sind die klassischen Straßenbahnschienen. Sie werden u. a. beim eingedeckten Gleis eingesetzt. 388 10 Oberbau im Schienenverkehr <?page no="393"?> Daneben gibt es Konstruktionsschienen. Das sind genormte Schienenprofile, z. B. zur Herstel‐ lung von Weichenzungen oder von Radlenkern. Leitschienen sind Bauteile, die zur Sicherstellung der Entgleisungssicherheit benötigt werden. Leitschienen können separate Bauteile sein, die an der Innenseite einer Vignolschiene ange‐ schraubt werden. Im Fall der Rillenschiene dient der Rillenkopf als Leitschiene. Er ist Bestandteil des Schienenprofils. Bild 10.3: Vignolschiene oder rillenlose Schiene (Foto Rupp) A Fahrkopf B: Schienensteg C: Schienenfuß Bild 10.4: Rillenschiene (Foto Rupp) A: Fahrkopf B: Rillenkopf (ggf. abschnittsweise Leitflanke bzw. Leitschiene) C: Rillenboden D: Schienensteg E: Schienenfuß 10.3.3 (Schienen-) Kammerfüllelement Schienen-Kammerfüllelemente, Bild 10.5, sind vorzugsweise aus Kunststoff hergestellte Form‐ stücke, die in die Schienenkammer eingelegt oder geklebt werden. Sie dienen nicht nur der elektrischen Isolation der Schienen gegenüber der Eindeckung, was besonders beim „Grüngleis“ (siehe unter Abschnitt 10.4) wichtig ist, sondern bilden zugleich eine vertikale Abgrenzung zur Pflaster- oder Asphalteindeckung, die im Schienenfugenverguss seine Fortsetzung findet. 10.3 Bestandteile des Oberbaus 389 <?page no="394"?> Bild 10.5: Schienenkammerfüllelement für Rillenschienen aus Kunststoff, hier im Bereich eines Schweißstoßes (Foto Rupp, Augsburg 2019) 10.3.4 Schwellen Die klassischen Schwellenbauarten sind solche aus Holz, Stahl, Beton oder Kunststoff. Die Schienen werden über Schienenbefestigungen mit der Schwelle verbunden. Die Schwellen werden in regelmäßigem Abstand (i. d. R. zwischen 60 cm bis 65 cm) im Gleisschotter eingebaut. Schwellen werden für die Lastverteilung, zur Sicherstellung von Spurweite und Rahmensteifigkeit und zur Lagesicherung benötigt. In Bild 10.6 und Bild 10.7 sind einige Beispiele für den eingebauten Zustand im Gleis dargestellt. 6 10.3.3 (Schienen-) Kammerfüllelement Schienen-Kammerfüllelemente, Bild 10.5, sind vorzugsweise aus Kunststoff hergestellte Formstücke, die in die Schienenkammer eingelegt oder geklebt werden. Sie dienen nicht nur der elektrischen Isolation der Schienen gegenüber der Eindeckung, was besonders beim „Grüngleis“ (siehe unter Abschnitt 10.4) wichtig ist, sondern bilden zugleich eine vertikale Abgrenzung zur Pflaster- oder Asphalteindeckung, die im Schienenfugenverguss seine Fortsetzung findet. Bild 10.5: Schienenkammerfüllelement für Rillenschienen aus Kunststoff, hier im Bereich eines Schweißstoßes (Foto Rupp, Augsburg 2019) 10.3.4 Schwellen Die klassischen Schwellenbauarten sind solche aus Holz, Stahl, Beton oder Kunststoff. Die Schienen werden über Schienenbefestigungen mit der Schwelle verbunden. Die Schwellen werden in regelmäßigem Abstand (i.d.R. zwischen 60 cm bis 75 cm) im Gleisschotter eingebaut. Schwellen werden für die Lastverteilung, zur Sicherstellung von Spurweite und Rahmensteifigkeit und zur Lagesicherung benötigt. In Bild 10.6 und Bild 10.7 sind einige Beispiele für den eingebauten Zustand im Gleis dargestellt. Bild 10.6: (Vignolschienen-) Gleis: links: Betonschwellen; rechts Holzschwellen (Foto Rupp) Bild 10.6: (Vignolschienen-) Gleis: links: Betonschwellen; rechts Holzschwellen (Foto Rupp) 390 10 Oberbau im Schienenverkehr <?page no="395"?> Bild 10.7: Gleis mit Stahlschwellen: links ältere Bauart ohne eine elektrische Isolierung; rechts Y-Schwellen (mit Mikrofonen in 7,5 m und 25 m Abstand von Gleismitte für Schalluntersuchungen) Im Fall der Festen Fahrbahn (FF) übernimmt die Betontragkonstruktion (Betonplatte/ Längsbalken) diese Funktion. Oft sind in diesem Fall Spurstangen zur Sicherung von Spurweite und Rahmensteifigkeit erforderlich. 10.3.5 Spurstangen Spurstangen sind das klassische Element, um aus Rillenschienen einen steifen Gleisrahmen mit definierter Spurweite herzustellen, Bild 10.8. Die Spurstangen werden am Schienensteg mit Schrauben befestigt. Soweit zur Einstellung der Spurweite erforderlich, können Spurausgleichsplättchen eingeschoben werden. Spurstangen sind auch in isolierter Ausführung erhältlich. Sie werden z.B. im Bereich von Gleisstromkreisen benötigt, wo beide Schienen elektrisch voneinander isoliert sein müssen. Bild 10.8: Gleisrahmen aus Rillenschienen und Spurstangen (Foto Rupp, Würzburg 2014) Bild 10.7: Gleis mit Stahlschwellen: links ältere Bauart ohne eine elektrische Isolierung; rechts Y-Schwellen (mit Mikrofonen in 7,5-m und 25-m Abstand von Gleismitte für Schalluntersuchungen, Fotos F. Krüger) Im Fall der Festen Fahrbahn (FF) übernimmt die Betontragkonstruktion (Betonplatte/ Längsbal‐ ken) diese Funktion. Oft sind in diesem Fall Spurstangen zur Sicherung von Spurweite und Rahmensteifigkeit erforderlich. 10.3.5 Spurstangen Spurstangen sind das klassische Element, um aus Rillenschienen einen steifen Gleisrahmen mit definierter Spurweite herzustellen, Bild 10.8. Die Spurstangen werden am Schienensteg mit Schrauben befestigt. Soweit zur Einstellung der Spurweite erforderlich, können Spurausgleichs‐ plättchen eingeschoben werden. Spurstangen sind auch in isolierter Ausführung erhältlich. Sie werden z. B. im Bereich von Gleisstromkreisen benötigt, wo beide Schienen elektrisch voneinander isoliert sein müssen. Bild 10.8: Gleisrahmen aus Rillenschienen und Spurstangen (Foto Rupp, Würzburg 2014) 10.3 Bestandteile des Oberbaus 391 <?page no="396"?> 10.3.6 Schienenbefestigung Die Schienenbefestigung, auch „Kleineisen“ genannt, dient der kraftschlüssigen Verbindung mit dem Tragelement (Schwelle oder Betontragplatte) sowie der Spurführung im Verbund mit dem Tragelement, Bild 10.9. Abgesehen von Sonderbauarten verhindert die Schienenbefestigung, dass die Schiene in Längsrichtung durchrutscht (Durchschubwiderstand) oder kippt (Verdreh‐ widerstand). Schließlich ermöglicht die Schienenbefestigung die erforderliche Elastizität der Befestigung. Punktförmige Schienenbefestigungen werden auch „Schienenstützpunkt“ genannt. Es werden mittelbare und unmittelbare Befestigungsarten unterschieden. Bild 10.9: Beispiel einer doppelt mittelbaren Befestigung ([10.1]) 1: Zwischenlage 2: Spannklemme mit Hakenschraube und Mutter 3: Ankerschraube mit selbst-sichernder Mutter 4: Druckfeder 5: Isolierkragenbuchse 6: Rippenplatte 7: Elastische Zwischenplatte 8: Trennplatte 9: Schwindarmer Zementverguss 10: Verklebung 11: Beton (-platte/ -balken) Dübel für die Befestigung von Rillenschienen auf einer Ortbetonplatte können die o. g. Anforde‐ rungen an Spurführung und Rahmensteifigkeit nicht oder nur teilweise erfüllen. Deshalb sind i. d. R. Spurstangen erforderlich. Nach dem Ausrichten des Gleisrahmens in Lage und Höhe werden die Gewindestäbe in Bohrlöcher eingeklebt. Mit den Exzenterschrauben wird die Lage des Gleises fixiert. Spindeln oder Keile halten den Gleisrahmen in der erforderlichen Höhe. Nach dem Einbau des elastischen Schienenuntergusses werden sie wieder entfernt. 392 10 Oberbau im Schienenverkehr <?page no="397"?> Bild 10.10 zeigt den fertigen Zustand mit eingeklebten Kunststoff-Kammerfüllelementen und mit eingebrachtem elastischem Schienenunterguss. Nun kann die Eindeckung folgen. Bild 10.10: Klebedübel auf Betonplatte im Bauzustand und im fertigen Zustand (Fotos Rupp) 10.3.7 Gleis und Weichen Das Gleis setzt sich aus den Schienen und der zugehörigen Tragkonstruktion, die auch der Spurführung dient, zusammen. Dies sind z.B. Vignolschienen mit Schwellen oder Rillenschienen mit Spurstangen auf einer Tragplatte, Beispiele siehe Bild 10.6 und Bild 10.7. Eine Skizze einer Weiche im Schottergleis zeigt Bild 10.11. Für die Akustik und Schwingungstechnik ist die Überfahrt über das Herzstück zu betrachten (offene Lücke bei einem feststehenden Herzstück). 1: Zungenvorrichtung, (Zungen/ Backenschienen) 2: Zwischenschienenbereich 3: Herzstück 4: Flügelschiene 5: Radlenker Bild 10.11: Skizze einer Weiche (Stoßanregung im Herzstückbereich) (Zeichnung VBK) 10.3.8 Flachrille/ Tiefrille Bei großen Abzweigwinkeln von Weichen und Kreuzungen, wie sie im Straßenbahnbereich nicht immer vermieden werden können, muss der Herzstückbereich als Flachrille ausgebildet werden. 1 2 3 4 5 5 Bild 10.10: Klebedübel auf Betonplatte im Bauzustand und im fertigen Zustand (Fotos Rupp) 10.3.7 Gleis und Weichen Das Gleis setzt sich aus den Schienen und der zugehörigen Tragkonstruktion, die auch der Spurführung dient, zusammen. Dies sind z. B. Vignolschienen mit Schwellen oder Rillenschienen mit Spurstangen auf einer Tragplatte, Beispiele siehe Bild 10.6 und Bild 10.8. Eine Skizze einer Weiche im Schottergleis zeigt Bild 10.11. Für die Akustik und Schwingungstechnik ist die Überfahrt über das Herzstück zu betrachten (offene Lücke bei einem feststehenden Herzstück). Bild 10.11: Skizze einer Weiche (Stoßanregung im Herzstückbereich) (Zeichnung VBK) 1: Zungenvorrichtung, (Zungen/ Backenschienen) 2: Zwischenschienenbereich 3: Herzstück 4: Flügelschiene 5: Radlenker 10.3 Bestandteile des Oberbaus 393 <?page no="398"?> 10.3.8 Flachrille/ Tiefrille Bei großen Abzweigwinkeln von Weichen und Kreuzungen, wie sie im Straßenbahnbereich nicht immer vermieden werden können, muss der Herzstückbereich als Flachrille ausgebildet werden. Dabei wird der Spurkranz des Rades seitlich durch die Rillenschiene, d. h. Fahrkopf und Rillenkopf, geführt. Er befährt eine Anrampung innerhalb der Rillenschiene, wo der Lastabtrag von der Fahrfläche des Rades auf den Spurkranz übergeht, Bild 10.12. Das Rad wird leicht angehoben und überbrückt, auf dem Spurkranz fahrend, die Herzstücklücke. Außerhalb von definierten Flachrillenbereichen sind Rillenschienen als Tiefrillen auszubilden, bei denen der Spurkranz keinen Kontakt zum Rillenboden aufweist. Die spurführungstechnischen Randbedingungen und Berechnungsbeispiele sind in den Tech‐ nischen Regeln Spurführung näher beschrieben [10.7]. Bild 10.12: Flachrillenkreuzung (Foto Rupp) A: Flachrille im Herzstück der Kreuzung B: Übergangspunkt der Kraftübertragung am Rad von der Fahrfläche auf den Spurkranz C: Anrampung 394 10 Oberbau im Schienenverkehr <?page no="399"?> Akustisch und schwingungstechnisch gesehen ist der Flachrillenbereich als problematisch einzu‐ stufen. Eine regelmäßige Reinigung der Rille ist erforderlich. Zu diesem für Straßenbahnen beim Befahren von Rillenschienen im Straßenbereich typischen und wichtigen spurführungstechnischen Zweck sind die Radprofile an ihrer Spurkranzkuppe mit einer ebenen Fläche ausgestattet, links in Bild 10.13. Eisenbahnräder haben dagegen eine runde Spurkranzkuppe, rechts in Bild 10.13. Sie sind nicht dafür vorgesehen, auf Flachrillen aufzufahren. Flachrillen sind im Eisenbahnbereich i. d. R. unter‐ sagt, da eine Flachrille in den freizuhaltenden Lichtraum eines Rades im Spurkanal hineinragen würde (EBO § 9 (3)). Bild 10.13: Typische Radprofilgeometrien bei Schienenbahnen. Links, mit flachem Spurkranz: Straßenbahnen; rechts: Eisenbahn (Zeichnung VBK) 10.3.9 Schienenauszugsvorrichtung und -entwässerungskasten Da Brücken in größerem Maße temperaturbedingte Ausdehnungsbewegungen vollführen als ein voll verschweißtes Schienenband, müssen je nach Brückenbauart und Spannweite Schienenaus‐ zugsvorrichtungen vorhanden sein, Bild 10.14. Zur Entwässerung von Rillenschienengleisen sind entsprechende Entwässerungskästen an die Schiene anzubringen, Bild 10.15. 10.3 Bestandteile des Oberbaus 395 <?page no="400"?> Bild 10.14: Schienenauszugvorrichtung, Beispiel: Bannwaldbrücke VBK, Karlsruhe (Foto Rupp) Bild 10.15: Schienenentwässerungskasten (Fabrikat Riecken) an einer Rillenschiene (Foto Rupp) 10.4 Oberbau-Arten Gemäß dem VDV-Regelwerk für Straßenbahnen (VDV-Schriften 600/ 604 ([10.1], [10.4]) werden folgende Oberbauarten unterschieden: • offener Oberbau = ohne Eindeckung der Gleise • Geschlossener Oberbau = mit Eindeckung der Gleise • Oberbau mit planmäßiger Vegetation = „Grüngleis“ Bei Eisenbahnen ist das Grüngleis nicht gebräuchlich. In der VDV-Schrift 612 [10.2] wird daher als dritte Oberbauart anstelle des „Grüngleises“ der „teilweise geschlossene Oberbau“ als Sonder‐ lösung aufgeführt. Er weist eine Eindeckung entweder zwischen den Schienen oder außerhalb davon auf. Dies findet gelegentlich z. B. in Haltestellen, an Ladegleisen oder in Umschlagbereichen Verwendung. Auf diese Sonderlösungen wird im Folgenden nicht weiter eingegangen. 10.4.1 Offener Oberbau Dies ist nach wie vor die „klassische“ Art eines Oberbaus, der bei der Eisenbahn wie auch bei der Straßenbahn, zumindest auf unabhängigem oder besonderem Bahnkörper, Verwendung findet. Der offene Oberbau wird durch Vignolschienen auf Querschwellen und Schotterbettung charakterisiert. Anstelle von Querschwellen können auch massive Tragelemente eingesetzt werden (siehe unten: Feste Fahrbahn). Mit diesen und weiteren Änderungen können einzelne Eigenschaften des offenen Oberbaus gezielt verbessert werden, etwa: • Erhöhung der Lagestabilität, • Reduktion der Schall- und Erschütterungsemissionen, z. B. durch ein Grüngleis (insbesondere mit hochliegender Vegetationsebene) oder den Einsatz eines Masse-Feder-Systems, vgl. Kapitel 13, 396 10 Oberbau im Schienenverkehr <?page no="401"?> • Städtebauliche Anforderungen, • Reduktion des Reinigungsaufwandes des Gleiskörpers. Der offene Oberbau ist grundsätzlich nicht mit Straßenfahrzeugen befahrbar. Ausnahmen sind nur höhengleiche Kreuzungen, wo der Oberbau, ohne dass die Oberbauart geändert wurde, eine Eindeckung erhalten hat. 10.4.2 Geschlossener Oberbau Der geschlossene Oberbau wird in der Ebene der Schienenoberkante straßenartig hergestellt. Er kommt überall dort zur Anwendung, wo der Oberbau befahren oder begangen werden soll, also in Straßen oder in Flächen, die auch von anderen Verkehrsteilnehmern mit genutzt werden dürfen. Die Konstruktion bzw. die Wahl der Eindeckung werden maßgeblich von den Anforderungen an die Befahrbarkeit bestimmt, also insbesondere durch den motorisierten Straßenverkehr. Oft muss nicht nur die Eindeckung, sondern bereits der Oberbau bzw. der Unterbau verstärkt werden, damit die Belastungen aus dem Individualverkehr schadlos abgetragen werden können. Beachte: Beim Straßenbahnoberbau ist der maßgebliche Lastenzug der Straßenverkehr und hier insbesondere der Linienbusverkehr! Die Gleiseindeckung kann auch als konstruktives und aussteifendes Element des Gleisbaus mit genutzt werden, etwa bei massiven Gleistragplatten. Eindeckungen, die rein aus städtebaulich-gestalterischen Gründen gewählt werden, wie z. B. Pflaster, können dagegen nicht zur konstruktiven Verbesserung von Gleislage und Spurhaltefä‐ higkeit herangezogen werden. 10.4.3 Oberbau mit planmäßiger Vegetation Die Oberbauform mit Grüneindeckung hat sich inzwischen zum Standard bei Straßenbahn-Neu‐ baustrecken bzw. bei der Grunderneuerung von bestehenden Streckenabschnitten entwickelt, Bild 10.16. Diese Oberbauart, die auch kurz als „Grüngleis“ bezeichnet wird, hat nicht nur städtebauliche und gestalterische Vorteile, sondern verbessert auch das Kleinklima, [10.9]. Nicht zuletzt ist das Grüngleis hinsichtlich der Reduktion von (Luft-)Schallemissionen vorteilhaft. Die Vegetation kann bestehen aus: • Rasensaat (örtlich ausgesät) oder Rollrasen (aus Kostengründen seltener) • Niedrig wachsenden Pflanzen (z. B. Sedum), die auf einer Vegetationsmatte oder einem speziellen Pflanzensubstrat herangezüchtet wurden Eine wesentliche Unterscheidung betrifft die Höhenlage der Vegetation in Relation zu den Schienen: • Hochliegende Vegetationsebene: in der Höhe der Schienenoberkante, • Tiefliegende Vegetationsebene: in der Höhe des Schienenfußes. Anmerkung: Das hochliegende Grüngleis wird hinsichtlich der Schallemissionen als vorteilhaf‐ ter eingestuft, da bei dieser Gleisform die Schiene weitgehend als Schallquelle ausfällt. 10.4 Oberbau-Arten 397 <?page no="402"?> Bild 10.16: Hochliegendes Grüngleis (Foto Rupp, Karlsruhe), nach 16. BImSchV „mit hochliegender Vegetations‐ ebene“, besonderer Bahnkörper Bei Eisenbahnen ist das Grüngleis nicht gebräuchlich. Oft ist es sogar ausdrücklich untersagt, da durch die Eindeckung die Inspektion der Schienenbefestigung erschwert ist, insbesondere bei Verwendung von Kammerfüllelementen. Daneben steht der Eindruck einer zum Begehen einladenden Rasenfläche im Gegensatz zum grundsätzlichen Betretungsverbot einer Eisenbahn‐ betriebsanlage. 10.5 Oberbau-Formen Oberbauformen sind unterschiedliche Ausführungen der Einzelbauarten, die sich aus Kombina‐ tionen der Bauteile, d. h. im Wesentlichen der Schienen, Befestigungsmittel, Schwellen, Schotter, ergeben. Die Oberbauformen können • offen (z. B. klassischer Eisenbahnoberbau), • geschlossen (z. B. in Straßenfahrbahnen eingebettet) und • eingedeckt (z. B. Grüngleis, befahrbare Eindeckung) sein. 398 10 Oberbau im Schienenverkehr <?page no="403"?> Oberbauformen für Straßen- und Eisenbahnen Schotterbett Schwellen aus Holz, Beton, Stahl, Kunststoff Splitt Rillenschienen mit Spurstangen Feste Fahrbahn Beton, Asphalt, Platte/ Balken Standard elastische Schienenlager Besohlte Schwellen Unterschottermatten Masse-Feder- Systeme einfach elastisch (s* <= 1,5 mm) hochelastisch (s* > 1,5 mm) einfach elastisch auf Schotter, Beton, Asphalt (mit Rillenschienen) hochelastisch auf Beton (-platte, -längsbalken) Fertigteiltröge auf Elastomer- oder Stahlfedern - Fertigteil (-tröge, platten) - Ortbeton (große Platten) Schienenbefestigung auf Schwellen oder Einzelstütz-punkten; Betontragplatte auf Elastomer- oder Stahlfedern elastische Schienenlager Kontinuierliche Schienenlagerung, elastisch und starr Besohlte Schwellen elastische Matten unter Betontragplatte Masse-Feder- Systeme s*: Schieneneinsenkung Bild 10.17: Übersicht der Oberbauformen (Quelle: VDV 604 [10.4] und [10.8]) Im Folgenden werden einige wesentliche Oberbauformen kurz beschrieben ([10.8], [10.9], [10.10]). Auf eine detaillierte Beschreibung des klassischen offenen Oberbaus wird an dieser Stelle verzichtet. a) Offener Oberbau mit besohlten Schwellen: Was in Österreich bei den ÖBB in den letzten Jahren starke Verbreitung gefunden hat, ist die Verwendung besohlter Schwellen als zumindest optisch nicht erkennbare Variante des offenen Oberbaus. Diese Schwellen werden in Österreich allerdings weniger aus Schallschutzgründen verwendet, sondern vielmehr zu Optimierung der Instandhaltung. Denn die elastische Sohle auf der Unterseite der Betonschwellen sorgt dafür, dass die Spitzenspannungen zwischen Beton und Schotterkorn reduziert werden. Damit werden die Durcharbeitungszyklen (Durchstopfen des Schotters zur Herstellung der Gleis-Solllage) deutlich verlängert. 10.5 Oberbau-Formen 399 <?page no="404"?> b) Feste Fahrbahn auf (Ort-) Betonplatte: Eine weit verbreitete Bauweise bei Straßenbahnen ist die Ortbetonplatte, meist unbewehrt in einer Stärke von 20 cm bis 30 cm. Darauf werden Rillenschienengleisrahmen, d. h. vormontierte Gleisstücke aus Rillenschienen und Spurstangen, aufgedübelt und mit einem elastischen Schienenunterguss versehen. Darunter wird ein Heißeinbau von flüssigem Unter‐ gussmaterial verstanden, welches nach dem Abkühlen fest (elastisch) wird. In die Kammern der Rillenschienen werden zur Streustromisolation beidseitig (Kunststoff-)Kammerfüllkörper eingebaut und somit für die Eindeckung des Gleises vorbereitet. Prinzipiell kann damit sowohl ein Straßenbelag (Asphalt/ Pflaster bzw. Beton) als auch ein Grüngleis hergestellt werden. Im Fall einer befahrbaren Eindeckung bildet der beidseitige, oft bituminöse, Schie‐ nenlängsverguss den Abschluss der Bauarbeiten. c) Feste Fahrbahn in Fertigteilbauweise: Weit verbreitet sind Fertigteilsysteme mit Zweiblockschwellen. Dies sind Halbfertigteile, die erst im Verbund mit einer Ortbetonplatte ihre Systemfestigkeit erreichen. Die Zwei‐ blockschwellen verfügen über Schienenbefestigungspunkte, die mit denen herkömmlicher Querschwellen vergleichbar sind. Diese Bauform ist sowohl für Rillenschienen als auch für Vignolschienen erhältlich. Die Elastizität wird durch eine elastische Schienenfußumman‐ telung erreicht. Der Ortbeton wird von unten gegen den vormontierten und fertig ausge‐ richteten Gleisrost eingebracht. Prinzipiell eignet sich diese Bauart für alle gebräuchlichen Eindeckungsarten. d) Masse-Feder-System: Unter dieser Überschrift findet sich eine Vielzahl verschiedener Oberbauformen. Gemeinsam ist ihnen eine elastisch gelagerte Betontragkonstruktion, auf der die Schienen befestigt sind. Die elastische Lagerung kann - je nach Anforderungsprofil - aus Elastomerplatten oder auch aus Stahlfederpaketen bestehen. Bei außergewöhnlichen Beanspruchungen sind auch Kombinationen mehrerer elastischer Ebenen möglich. Hinsichtlich der geeigneten Auswahl und korrekter Anwendung der jeweiligen Oberbauform mit dem Ziel, Schall- und Erschütterungsemissionen zu mindern, wird auf das Kapitel 13 verwiesen. 10.6 Akustisch wirksame Instandhaltungsmaßnahmen Hinweis: gemeint sind Pflegemaßnahmen des Oberbaus zur Reduzierung von Schall- und Erschütterungsemissionen, aber keine baulichen Minderungsmaßnahmen wie z. B. Einbau einer Unterschottermatte. Diese werden im Kapitel 13 beschrieben. a) Schienenreinigung: Bei Straßenbahnen mit geschlossenem Oberbau mit Rillenschienen ist die regelmäßige Rei‐ nigung der Schienen eine Standardmaßnahme. Dazu zählt das Aussaugen der Schienenrille von Straßenschmutz, Bremssand und Laub mit einem speziellen Schienenreinigungswagen. Dies ist oft ein Zweiwegefahrzeug, das aus einer Straßenkehrmaschine entwickelt wurde. Im Fall von Weichen wird die Schienenrille nicht nur ausgesaugt, sondern mit der Reinigung der Umstellvorrichtung mittels Hochdruckwasserstrahl verknüpft. 400 10 Oberbau im Schienenverkehr <?page no="405"?> b) Präventive Schienenpflege: Die präventive, d. h. vorbeugende regelmäßige Bearbeitung des Schienenkopfes mit einem Fahrzeug mit Schleifvorrichtung, erbringt nur einen sehr geringen Materialabtrag. Bei regelmäßiger, z. B. wöchentlicher Fahrt, wird die Entstehung von Schlupfwellen oder Riffel wirksam verhindert. Viele Straßenbahnbetriebe haben zu diesem Zweck Schienenfahrzeuge, die mit Rutscher‐ stein-Schleifvorrichtungen ausgestattet sind, und die im täglichen Regelbetrieb mitschwim‐ mend das gesamte Schienennetz befahren. Damit wird die Schienenoberfläche nicht nur sauber, sondern vor allem glatt gehalten. Bei Eisenbahnen ist prinzipiell auch eine präventive Schienenbearbeitung mit Hilfe von Schleiffahrzeugen möglich. Allerdings entsteht auf Grund der eingeschränkten Bearbeitungs‐ geschwindigkeit oft eine Beeinträchtigung des Regelbetriebes, weswegen der Bearbeitungs‐ turnus länger und der Abtrag pro Bearbeitungsgang größer sein muss. Nicht zuletzt ist die präventive Schienenpflege aus wirtschaftlichen Gründen noch eher selten. c) Schienenschleifen: Oberflächenschäden können oft schleiftechnisch entfernt werden. Je nach erforderlichem Schienenabtrag müssen die Bereiche mehrfach bearbeitet werden. Dies geschieht unter Vollsperrung des Streckenabschnittes. Im Fall des „besonders überwachten Gleises“ (büG) bei der DB AG wird durch einen Messzug ermittelt, ob ein Schienenschleifen erforderlich ist. Binnen definierter Eingriffszeit muss dann ein Schleifzug den entsprechenden Streckenabschnitt bearbeiten. Bei Straßenbahnbetrieben erfolgt die Schienenpflege oft in einer Kombination aus dem eigenen Rutschersteinfahrzeug, das die regelmäßige präventive Bearbeitung erbringt und einem Schleiffahrzeug eines Dienstleisters, der das Schienennetz in einem mehrjährigen Turnus zusätzlich korrektiv bearbeitet und ggf. reprofiliert. d) Reprofilierung: Verschleißbedingt verändert sich das Profil der Schienen über die Zeit. Eine Reprofilierung, d. h. Wiederherstellung des Sollprofils einer Schiene, dient nicht nur der Verbesserung des Fahrkomforts und der Laufruhe, sondern auch zur Beseitigung von größeren Oberflächen‐ fehlern wie Schlupfwellen oder Riffel. Dies erfordert einen Materialabtrag, der bis zu einer Größenordnung von 1 bis 2 Millimetern reichen kann. Dazu eignen sich Fräsmaschinen, die neben dem Fräskopf mit einer nachlaufenden rotierenden Schleifscheibe ausgestattet sind. Diese egalisiert die durch das Fräsen entstandenen Facetten. Für die wirtschaftliche Bearbeitung von Eisenbahnstrecken sind Großmaschinen im Einsatz, die pro Schicht mehrere Kilometer Bearbeitungsleistung erreichen. Bei Straßenbahnen sind dagegen Zweiwegemaschinen in der Größe kleiner bis mittelgroßer LKW gebräuchlich. e) Instandsetzung von punktuellen Oberflächenfehlern: Ausgefahrene Herzstücke von Weichen, schlagende Schweißstöße u.dgl. können schweiß- und schleiftechnisch aufgearbeitet werden, ohne sie auszubauen. Dasselbe gilt für Flachrillenbereiche von Weichen und Kreuzungen. Die Fahrspuren des Spurkranzes von Straßenbahnrädern werden ausgeschliffen. Anschließend werden die An‐ rampung des Rillenbodens und der Flachrillenbereich schweißtechnisch instandgesetzt, d. h. aufgeschweißt. Dies geschieht üblicherweise in den Nachtstunden bzw. nächtlicher Sperrung der Gleise und in Handarbeit durch speziell ausgebildete Schweißertrupps. 10.6 Akustisch wirksame Instandhaltungsmaßnahmen 401 <?page no="406"?> 10.7 Literatur zu Kapitel 10 [10.1] VDV-Schrift 600: Oberbau-Richtlinien und Oberbau-Zusatzrichtlinien für Bahnen im Geltungsbereich der BOStrab [10.2] VDV-Schrift 612 (Ob-Ri NE): Oberbau-Richtlinien für Nichtbundeseigene Eisenbahnen [10.3] Ril 820 der DB AG: Grundlagen des Oberbaues (Modulfamilie 820), siehe auch: Oberbau inspizieren (Modulfamilie 821); Oberbauarbeiten planen (Richtlinienfamilie 823), Oberbauarbeiten durchführen (Richtlinien 824) [10.4] VDV-Schrift 604: Oberbau-Arten und Oberbau-Formen bei Nahverkehrsbahnen [10.5] ZTV E-StB der FGSV: Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Erdarbeiten im Straßenbau, Ausgabe 2017, [10.6] Ril 836 der DB AG: Erdbauwerke planen, bauen und instand halten [10.7] Technische Regeln Spurführung (TR Sp): Technische Regeln für die Spurführung von Schienenbahnen nach der Verordnung über den Bau und Betrieb der Straßenbahnen (BOStrab) [10.8] VDV, VDV-Förderkreis (Hrsg.): Fahrwege der Bahnen im Nah- und Regionalverkehr in Deutschland. ISBN 978-3-87094-674-6 (2007). Bearbeitung durch STUVA e.V., Köln. Zweisprachig deutsch und englisch [10.9] Kappis, C. / Schreiter, H. / Reichenbacher, K. u. a.: Handbuch Gleisbegrünung-Planung, Ausführung, Pflege. - Eurailpress in DVV Media Group. (2014) [10.10] Ostermann, N. u. W. Rollinger (Hrsg.): Handbuch ÖPNV - Schwerpunkt Österreich (2016). ISBN 978-3-87154-550-4 [10.11] BOStrab: Verordnung über den Bau und Betrieb der Straßenbahnen (Straßenbahn-Bau- und Betriebsordnung) 402 10 Oberbau im Schienenverkehr <?page no="407"?> 11 Erschütterungsanregung F. Krüger 11.1 Schwingungsanregung - Überblick In diesem Kapitel werden Schwingungen im Frequenzbereich bis etwa 350 Hz behandelt. Nach DIN 4150 umfasst der Frequenzbereich für Erschütterungen, die auf Menschen in Gebäuden einwirken, Schwingungen von 1 Hz bis 80 Hz, Schwingungen, die auf die Gebäude einwirken einen leicht erweiterten Bereich bis 100 Hz. Für Erschütterungen aus dem Schienenverkehr wird die untere Frequenz auf 4 Hz angehoben. Der Frequenzbereich bis ca. 350 Hz beinhaltet den Sekundärschall, der in Gebäuden durch vorbeifahrende Züge angeregt werden kann. In der Regel wird der Sekundärschall durch Frequenzen im Bereich von ca. 16 Hz, z. B. bei Holzbalkendecken, bis ca. 160-Hz dominiert. Die beim Rollen der Räder auf der Schiene generierten Kräfte bewirken eine Körperschallan‐ regung von Rad und Schiene (Schwelle / Fahrbahnplatte). Bild 11.1 zeigt zusammenfassend die wesentlichsten Anregungsursachen für diese Schwingungen. Bild 11.1: Schwingungsanregungsmechanismen im Rad-/ Schiene-Bereich infolge von Unebenheiten auf den Laufflächen von Rad und Schiene, Rauheiten, Lücken (eben und versetzt, Δz), Flachstellen, Polygone, Auskehlungen usw. Eine wesentliche Quelle von Schwingungen sind im weitesten Sinn Stöße. Diese treten vorwie‐ gend in folgenden Bereichen bzw. aufgrund folgender „Störstellen“ auf: • Herzstücke in Weichen (Herzstücklücken), • Kreuzungen, <?page no="408"?> (11.1) • Isolierung, • Schweißverbindungen, • Flachstellen und Anhaftungen (z. B. Kaugummi oder Teer), • Ausbröckelungen an den Rad- und Schienenlaufflächen, • Lagerung der Schienen auf Einzelstützpunkten (unterschiedliche Steifigkeiten der Bereiche zwischen den und auf den Stützpunkten), • hohlliegende Schwellen und • Schienenriffeln, Schienenwellen. Durch Stöße werden die Eigenfrequenzen der hierdurch angeregten Bauteile angeregt. In Abhän‐ gigkeit von der Stoßdauer, die wiederum von der „Härte“ des Stoßes bestimmt wird, werden unterschiedliche Frequenzbereiche angeregt (Bild 11.2). Die eingeleitete Stoßkraft verteilt sich bei „harten“ Stößen (Stahl auf Stahl im Rad-/ Schiene-Bereich) auf einen größeren Frequenzbereich, d. h. die Amplituden nehmen ab. Bei weichen Stößen (Schiene auf elastische Lagerung) verhält es sich umgekehrt. Außer den Eigenfrequenzen ist auch die Stoßfrequenz f a selber im Schwingungs‐ signal enthalten. Diese Frequenz ist bei Störstellen im Rad-/ Schiene-Bereich abhängig von der Fahrgeschwindigkeit v in m/ s und dem Abstand a in m der Störstellen. Es gilt: f a = va Hz Z. B. ergibt eine Flachstelle auf einem Rad mit 0,6 m Durchmesser und einer Geschwindigkeit von 80 km/ h eine Stoßfrequenz von f a = 37 Hz. Diese Frequenz ist bedeutsam für die Anregung von Erschütterungen. Für Riffeln mit einem mittleren „Wellenabstand“ von 0,04 m ergibt sich dagegen eine Frequenz von 556-Hz, diese ist für das Erschütterungsproblem nicht von Bedeutung. 178 − Schweißverbindungen, − Flachstellen und Anhaftungen (z.B. Kaugummi oder Teer), − Ausbröckelungen an den Rad- und Schienenlaufflächen, − Lagerung der Schienen auf Einzelstützpunkten (unterschiedliche Steifigkeiten der Bereich zwischen den und auf den Stützpunkten), − Hohlliegende Schwellen und − Schienenriffeln, Schienenwellen. Durch Stöße werden die Eigenfrequenzen der hierdurch angeregten Bauteile angeregt. In Abhängigkeit von der Stoßdauer, die wiederum von der „Härte“ des Stoßes bestimmt wird, werden unterschiedliche Frequenzbereiche angeregt (Bild 11.2). Die eingeleitete Stoßkraft verteilt sich bei „harten“ Stößen (Stahl auf Stahl im Rad-/ Schiene-Bereich) auf einen größeren Frequenzbereich, d.h. die Amplituden nehmen ab. Bei weichen Stößen (Schiene auf elastische Lagerung) verhält es sich umgekehrt. Außer den Eigenfrequenzen ist auch die Stoßfrequenz f a selber im Schwingungssignal enthalten. Diese Frequenz ist bei Störstellen im Rad-/ Schiene-Bereich abhängig von der Fahrgeschwindigkeit v in m/ s und dem Abstand a in m der Störstellen. Es gilt: 𝑓 𝑎 = 𝑣 𝑎 Hz (11.1) Z.B. ergibt eine Flachstelle auf einem Rad mit 0,6 m Durchmesser und einer Geschwindigkeit von 80 km/ h eine Stoßfrequenz von f a = 37 Hz. Diese Frequenz ist bedeutsam für die Anregung von Erschütterungen. Für Riffeln mit einem mittleren „Wellenabstand“ von 0,04 m ergibt sich dagegen eine Frequenz von 556 Hz, diese ist für das Erschütterungsproblem nicht von Bedeutung. Bild 11.2: Generelle Abhängigkeit der angeregten Schwingungen durch die „Härte“ (Zeitdauer) eines Stoßes, Darstellung im Zeit- und Frequenzbereich Stoßkraft F, N Zeit t, ms hart weich sehr weich Stoßkraft F, N log f, Hz hart weich sehr weich Bild 11.2: Generelle Abhängigkeit der angeregten Schwingungen durch die „Härte“ (Zeitdauer) eines Stoßes, Darstellung im Zeit- und Frequenzbereich 11.2 Schwingungsanregung - Schienenverkehr 11.2.1 Grundlagen Die konstruktive Gestaltung und der Zustand des Oberbaus haben maßgebenden Einfluss auf die Schwingungsanregung. Unter Oberbau wird hier - je nach Ausführung - die Zusammenfas‐ sung folgender Komponenten verstanden: Schienen, Befestigungsteile, Rippenplatte, Schwellen, Schotter, zusätzliche Massen (Betontröge oder -platten) sowie elastische Platten, elastische Zwischenplatten/ Zwischenlager oder Matten, nähere Erläuterungen hierzu siehe Kapitel 10. 404 11 Erschütterungsanregung <?page no="409"?> (11.2) Der Oberbau dient vorrangig zur Lastübertragung und Spurführung bei Schienenbahnen. Er wird unterschieden nach offenem (Schienen liegen frei) und geschlossenem (Schienen sind eingebettet) Oberbau. Mischformen sind möglich. Die Art und Form des Oberbaus beeinflusst sowohl die Schallemission als auch die Erschütterungsemission in den Boden. Er hat daher für den Schall- und Erschütterungsschutz eine wesentliche Aufgabe zu übernehmen. Aus der Differentialgleichung eines einfachen Einmassenschwingers (Tabelle 11.1) lassen sich die beiden wesentlichsten Erregermechanismen erkennen: • Die krafterregten Schwingungen F(t) und • die parametererregten Schwingungen k(t) und b(t). Differentialgleichung eines einfachen Schwingers mz¨ + b t z˙ + k t z = F err t mit: m Masse; b Dämpfung; k Steifigkeit; z Auslenkung; F err Erregerkraft Krafterregung F err (t): • Unregelmäßig (stochastisch), • Periodisch (z. B. Stützpunktabstand), • Harmonisch, • Stöße (z. B. in Weichen, bei Kreuzungen und an ausgefahrenen Isolierverbindungen). Parameteranregung: - • Dämpfungsvariation in Gleislängsrichtung, • Steifigkeitsvariation in Gleislängsrichtung (z. B. hohlliegende Schwellen, Weichen (Herzstückbereich), Schweißstellen, Isolierstöße etc.) Reibungskräfte: • Kurvenquietschen, Kurvenzischen Tabelle 11.1: Schwingungsanregung beim Schienenverkehr - Übersicht Zu den krafterregten Schwingungen gehören im Wesentlichen solche Schwingungen, die einer vertikalen Bewegung z der Schiene und des Rades zugeordnet werden können. Ursachen hierfür sind u. a.: • Fahrflächenunebenheiten der Schiene (Bild 11.1) sowie • die Sekundärdurchbiegung der Schiene zwischen zwei Stützpunkten oder Schwellen, Bild 11.3. Die Größe der Sekundärdurchbiegung z’ lässt sich wie folgt abschätzen, [11.1]: z′ = Q 96 ⋅ E ⋅ I 0, 322 ⋅ b 3 − 0, 3 ⋅ b 2 ⋅ a − 0, 6 ⋅ b ⋅ a 2 + 1, 1 ⋅ a 3 mit Q Radlast, a Schwellenabstand, Stützpunktabstand, b Schwellenbreite, Stützpunktbreite, E Elastizitätsmodul (Stahl), I Flächenmoment für Schiene 49E1 (1819 cm 4 ). 11.2 Schwingungsanregung - Schienenverkehr 405 <?page no="410"?> Die Sekundärdurchbiegung z‘ beträgt für übliche Stützpunktabstände von 50 cm bis 90 cm ca. 0,05-mm bis 0,25-mm. Bild 11.3: Schienenverformung z bei kontinuierlicher Lagerung und zusätzliche Sekundärdurchbiegung z’ aufgrund diskontinuierlicher Lagerung (oben) und Sekundärdurchbiegung z’ als Funktion des Stützpunktabstandes a und der Radlast Q (unten) Bild 11.4 zeigt die nach Gl. (11.2) berechneten Sekundärdurchbiegungen in Abhängigkeit von dem Stützpunktabstand a und der Stützpunktbreite b für verschiedene Radlasten Q. Dieses Bild zeigt auch sehr eindrucksvoll, dass bei einem gegen null gehenden Stützpunktabstand die Sekundärduchbiegung ebenfalls gegen null geht. Dies ist einer der Gründe für die Entwicklung kontinuierlich gelagerter Schienen, [11.2]. 406 11 Erschütterungsanregung <?page no="411"?> (11.3) 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 30 40 50 60 70 80 90 100 Sekundärdurchbiegung z', mm Stützpunktabstand a, cm Q1=33kN Q2=44kN Q3=80kN Q4=100kN Q5=120kN Bild 11.4: Sekundärdurchbiegung z‘ als Funktion des Stützpunktabstandes a für verschiedene Radlasten Q. Schienenprofil 49E1 (S49), b = 0,2-m In Bild 11.5 ist beispielhaft die Erregerfrequenz nach Gl. (11.1) in Abhängigkeit vom Stützpunkt‐ abstand a dargestellt. Für übliche Stützpunktabstände (a-= 0,6 m bis 0,9 m, blau markiert) folgen, je nach Geschwindigkeit, Frequenzen zwischen 18-Hz und 140-Hz. Wie oben ausgeführt worden ist, sind dies Frequenzen, die sowohl auf die Erschütterungen als auch auf den Sekundärschall einwirken können. Die Größenordnung der aus der Sekundärdurchbiegung hervorgerufenen dynamischen Kräfte lässt sich nach Gl. (11.3) abschätzen. F dyn = m ⋅ z ⋅ 2 ⋅ π ⋅ f a ) 2 in N mit m die Masse eines Radsatzes, z dessen Vertikalverschiebung und f a die Frequenz der Anregung. In Bild 11.6 sind die Erregerkräfte in Abhängigkeit von der Frequenz und der Vertikalbewegung dargestellt. Gleichung (11.3) gilt sinngemäß auch für Störstellen auf den Rollflächen von Rad und Schiene (Flachstellen, Auskehlungen, Anhaftungen usw.). Bei hohen Geschwindigkeiten kann davon ausgegangen werden, dass die Sekundärdurchbie‐ gung sich nicht voll ausbilden kann. Sinngemäß gilt dies auch für die anderen „Störstellen“, sie werden „überflogen“. 11.2 Schwingungsanregung - Schienenverkehr 407 <?page no="412"?> Im Vergleich zur statischen Achslast (über 30 kN) sind dies relativ geringe Kräfte. Dynamische Kräfte in dieser Größenordnung können jedoch bereits zu erheblichen Erschütterungs- und Sekundärschallimmissionen führen [11.3]. 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Erregerfrequenz f a , Hz Stützpunktabstand a, m 40 km/ h 60 km/ h 80 km/ h 100 km/ h 120 km/ h 160 km/ h 200 km/ h 300 km/ h üblicher Bereich Bild 11.5: Abhängigkeit der Erregerfrequenz f a vom Abstand a (diskontinuierliche Schienenstützung auf Schwellen oder Einzellager) und von der Fahrgeschwindigkeit v 0,01 0,1 1 10 100 0 20 40 60 80 100 120 140 Erregerkraft log F err , kN Erregerfrequenz f a , Hz z'=0,0125 mm z'=0,025 mm z'=0,05 mm z'=0,1 mm z'=0,2 mm z'=0,3 mm Bild 11.6: Dynamische Erregerkräfte durch Vertikalbewegungen einer Radachse infolge der Sekundärdurchbie‐ gung bei diskontinuierlicher Schienenlagerung 408 11 Erschütterungsanregung <?page no="413"?> Stöße, die z. B. beim Überfahren von Herzstücklücken auftreten, beinhalten eine breitbandige Anregung, wobei die obere angeregte Frequenz von der Zeitdauer des Stoßes bestimmt wird, Bild 11.2. Durch „weiche“ Stöße infolge der elastischen Lagerung der Schienen erfolgt eine Anregung, die vor allem die unteren Eigenfrequenzen des Radsatzes und des Oberbaus zu verstärkten Schwingungen anregt. Dies ist u. a. bei Weichen zu beachten, die auf einem Masse-Feder-System gelagert werden sollen. Solche Systeme haben Eigenfrequenzen zwischen ca. 5 Hz und 18 Hz. Durch die Stöße wird in diesem Frequenzbereich eine hohe Energie in den Oberbau eingeleitet, hierdurch kann es zu verstärkten Erschütterungsimmissionen - auch bei einem Masse-Feder-Sys‐ tem mit entsprechender Eigenfrequenz - in benachbarten Gebäuden kommen. Ein Beispiel für die Anregung durch einen Stoß auf der Tunnelsohle und der Reaktion in einem benachbarten Gebäude zeigt Bild 11.7. Die Anregung erfolgte mit einem schweren Prüfhammer. Die gemessene Schwinggeschwindigkeit (Maximalwert) auf einer Decke im Gebäude (Decken‐ mitte) lag in dieser Situation nahezu in gleicher Größenordnung wie durch vorbeifahrende U-Bahn-Fahrzeuge. Als Oberbau eingebaut war eine Feste Fahrbahn mit elastischer Schienenla‐ gerung auf Einzelstützpunkten. Durch einen solchen Schlag (Stoß) werden die Eigenfrequenzen der auf dem gesamten Übertragungsweg vorhandenen Teilsysteme angeregt. Solche Messungen eignen sich demnach sehr gut zur messtechnischen Ermittlung der Eigenfrequenzen [11.3]. 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 F, N (unskaliert) v, m/ s (unskaliert) Zeit t, s (Zeitfenster für eine FFT-Analyse) Antwort v Decke (vertikal) Stoßkraft F Tunnelsohle (vertikal) Bild 11.7: Vertikaler Hammerschlag auf der Tunnelsohle und dadurch hervorgerufenes Schwinggeschwindigkeits‐ signal (vertikal) auf der Decke eines benachbarten Gebäudes (Deckenmitte) jeweils als Funktion der Zeit 11.2.2 Spezielle Fragestellungen zur Anregung und Ausbreitung bei der Eisenbahn Neben den Luftschallemissionen löst der Betrieb schienengebundener Verkehrssysteme Schwin‐ gungsemissionen aus, die über den Gleisoberbau und das Planum in den Baugrund eingeleitet und über das umgebende Erdreich auf die Fundamente benachbarter Gebäude übertragen werden. Die Gebäudestrukturen, insbesondere die Geschossdecken, werden ihrerseits zu Erschütterungen (f ≤ 100 Hz) angeregt, die für die Bewohner durch direkte oder indirekte Ankopplung an den Fußboden beim Stehen, Sitzen oder Liegen, je nach ihrer Amplitude oder ihrem Zeitverlauf, spürbar und als störend oder belästigend empfunden werden können (DIN 4150-2). Auch der Betrieb schwingungsempfindlicher Geräte und Anlagen kann beeinträchtigt werden. Daneben strahlen die zu Körperschall angeregten Raumbegrenzungsflächen „sekundären Luftschall“ ab, der, insbesondere in gleisabgewandten Räumen, oft lästiger als die (kaum) wahrnehmbaren Erschütterungen ist. 11.2 Schwingungsanregung - Schienenverkehr 409 <?page no="414"?> Das Erschütterungssignal (Emission) von Schienenfahrzeugen (ICE-, IC-, Güter- und Nahverkehrs‐ züge) wird nach DIN 45672-1 an oberirdischen Strecken 8 m von Gleismitte und an unterirdischen Strecken an der Tunnelsohle (Gleismitte) oder an der Tunnelwand gemessen (Bild 11.8). Bild 11.8: Messpunkte zur Ermittlung der Schwingungsemission Seitlich einer Eisenbahnstrecke breiten sich die Erschütterungen als Oberflächenwelle aus, deren Amplitude mit der Entfernung nicht abnimmt und nur in Abhängigkeit von der Zusammenset‐ zung des Bodens (Fels, Kies, Grundwasser) eine Materialdämpfung erfährt. Die Erschütterungen entstehen aus der Wechselwirkung der Schienenfahrzeuge mit der Fahr‐ bahn und dem Untergrund. Auf die Höhe der Erschütterungsimmission haben der Zug mit seiner Geschwindigkeit und seinen (unabgefederten) Achsfahrmassen, Radsatzfehler (Unrundheiten, Unwuchten, Flachstellen), die Oberbaukonstruktion, Störstellen im Gleis und Gleislagefehler, die Trassierung, der Untergrund und vor allem das Gebäude einen Einfluss. Die Anregung und Emission von Erschütterungen wird dabei durch folgende Effekte beeinflusst: • Masse-Feder-Effekte der unabgefederten Radsatzmasse auf der elastisch gelagerten Schiene und dem Oberbau, • Schwellen- oder Stützpunktabstand sowie • Achsabstände im Drehgestell, im Wagen und zwischen den gekoppelten Wagen. Im Folgenden werden die prinzipiellen Auswirkungen der Parameter zur Anregung dargestellt. Eine wesentliche Körperschallanregung erfolgt im Bereich der Resonanz, deren Frequenz sich aus der unabgefederten Radsatzmasse der Schienenfahrzeuge auf dem als Feder wirkenden Oberbau ergibt (Oberbauresonanz). Diese Anregung liegt je nach Untergrund im Frequenzbe‐ reich zwischen 40 Hz bis 80 Hz (Bild 11.9). Durch den Einbau von Schutzmaßnahmen, z. B. 410 11 Erschütterungsanregung <?page no="415"?> Unterschottermatten oder Masse-Feder-Systemen, wird diese Resonanz und damit die Anregung des Untergrundes zu tieferen Frequenzen hin verschoben und die Körperschallanregung im Frequenzbereich oberhalb der Resonanz reduziert. Diese Anregung ist unabhängig von der Geschwindigkeit der Züge. Rad, Schiene, Trog, Schotter Rad, Schiene Rad, Schiene m 3 m 2 m 1 1. Systeme k el. Lager k Schotter k USM k Schotter 2. Eigenfrequenz f 3. Übertragungsfunktion f 6 - 16 Hz f10 - 20 Hz f40 - 90 Hz e3 e2 e1 e Bild 11.9: Körperschallanregung durch Masse-Feder-Effekte des Oberbaus, m: Masse, k: Steifigkeit, USM: Unter‐ schottermatte Beim Überfahren eines Gleises mit Einzelpunktlagerung (Schwellengleis, elastische Schienen‐ stützpunkte) ändert sich, gesehen vom Rad aus, die Steifigkeit des Fahrwegs periodisch mit dem Abstand der Stützpunkte, Gl. (11.1). Einen solchen Vorgang, bei dem sich ein Parameter zeitlich ändert, wird als Parameteranregung bezeichnet. Die hierbei entstehenden dynamischen Kräfte können, zusammen mit der statischen Einsenkung, wie folgt abgeschätzt werden: F ≈ s ∼ ξ ξ = Fs F ≈ s ∼ s F Dabei ist F die statische Kraft, ξ die statische Einsenkung, s die mittlere dynamische Steife des Fahrwegs und s ∼ die Steifigkeitsänderung. Ein Teil der statischen Achslast wird somit in eine dynamische Kraft umgewandelt. Die parametrische Körperschallanregung steigt mit der statischen Achslast. So liefert z. B. die Körperschallanregung, die durch den Schwellenabstand verursacht wird, bei einer Zuggeschwindigkeit von 160 km/ h einen wesentlichen Beitrag bei einer Frequenz von ca. 74 Hz (Bild 11.10). Der Effekt kann sich noch verstärken, wenn er mit der Oberbauresonanz zusammenfällt. Bei höheren Fahrgeschwindigkeiten liefert auch der Achsabstand von 2,5 m im Zusammenwirken mit dem Überfahren der diskreten Schienenstützpunkte einen deutlichen Körperschallanteil, der z. B. bei einer Zuggeschwindigkeit von 280 km/ h bei einer Frequenz von 31-Hz liegt (Bild 11.11). Um die Anregung und Ausbreitung von Erschütterungen seitlich von Eisenbahnstrecken zu ermitteln, wurde bei der DB AG eine spezielle Schwingungsausbreitungsstudie durchgeführt [11.8]. Für diese Studie wurden umfangreiche Messungen mit unterschiedlichen Zugarten bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten auf verschiedenen Böden durchgeführt. Gemessen wurde 11.2 Schwingungsanregung - Schienenverkehr 411 <?page no="416"?> in Entfernungen zwischen 3 m und 100 m von Gleismitte. Dabei untersuchte man auch die Ausbreitung von Erschütterungen aus Einschnitten, Dammlagen und Tunneln [11.9], [11.10]. Ein Ergebnis für die Schwingungsabnahme im Boden zeigt Bild 11.12. Bild 11.10: Körperschallanregung durch Schwellen- oder Stützpunktabstand a Bild 11.11: Körperschallanregung durch Achsabstand A im Drehgestell 412 11 Erschütterungsanregung <?page no="417"?> (11.4) Bild 11.12: Schwingungsabnahme im Boden mit der Entfernung Ein großes Problem bei der Festlegung von Normspektren für bestimmte Zuggattungen liegt derzeit noch in der großen Streuung der Messergebnisse. Ein Beispiel der Streuung der Emissi‐ onsspektren von IR-Zügen mit einer Geschwindigkeit von 150 km/ h bis 170 km/ h, gemessen in 8 m Entfernung von Gleismitte an unterschiedlichen Messorten, zeigt Bild 11.13. Die energetisch gemittelten Terzpegel aus diesem Bild sind in Tabelle-11.2 als gerundete Pegel dargestellt. Zur Berechnung der Erschütterungsimmission kann folgende vereinfachte Formel dienen: L v, I mm = L v, Em − ΔL v, Aus ± ΔL v, Geb + ΔL v, Stör (Immission = Emission - Ausbreitungsverluste ± Gebäudeübertragung + Störungen). Die Erschütterungsimmission auf einer Gebäudedecke kann demnach abgeschätzt werden aus dem Emissionswert sowie aus der Ausbreitungsabnahme im Untergrund und im Gebäude. Unbekannte Störungen (= Abweichungen von idealen Annahmen) auf dem Ausbreitungsweg beeinflussen maßgeblich die Erschütterungsimmissionen. 11.2 Schwingungsanregung - Schienenverkehr 413 <?page no="418"?> 20 30 40 50 60 70 80 90 4568 10 13 16 20 25 32 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 L v,Max-Hold , dB re 510 -8 m/ s Terzmitten-Frequenz, Hz - Oberbau: Schotter - Zuggattung: IR (InterRegio) - Geschwindigkeit: 150 km/ h bis 170 km/ h - Auswertung: Max-Hold-Spektren. - Mit: energetischer Mittelwert der Max-Hold-Spektren - Min/ Max: Pegelbereich (näherungsweise) Max Mit Min Pegel(bereich) der Emission L v (f Tn ) Bild 11.13: Gemessene Max-Hold-Terzpegelspektren am Emissionsort in 8-m Entfernung von Gleismitte. Quelle: Datenbank VIBRA / DB AG Terz 4 5 6,3 8 10 12,5 16 20 25 31,6 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 L v,mit 53 46 46 47 52 56 60 66 72 77 76 76 74 68 64 55 48 41 38 31 Tabelle 11.2: Auf ganze Zahlen gerundete Pegelwerte aus Bild 11.13 für den energetischen Mittelwert der Max- Hold-Terzspektren 11.3 Erregerspektren - Schwinggeschwindigkeit Für Prognosen von Erschütterungen und Sekundärschall ist ein Erregerspektrum erforderlich. Solche Spektren werden oft aus Schwingungsmessungen abgeleitet (Kapitel 12). In der Regel handelt es sich hierbei um Terzspektren, welche die konkreten Situationen beschreiben. Hierzu gehören vorrangig: • Fahrzeugart (Fahrzeuggattung) und Fahrzeuggeschwindigkeit, • Streckenführung (Gerade, Bogen, Weiche, Kreuzung, Neigung usw.), • Oberbauart (Schienenprofil, Schwellen, Stützpunkt, Stützpunktart und -abstand, Elastizitäten usw.), • Unterbau (Brückenträger, Bodenart, Tunnelbauart usw.). Unter Umständen ist der Zustand der Fahrflächen von Rad und Schiene zu beschreiben. Solche Erregerspektren beziehen sich oft auf Punkte im Nahbereich einer Strecke. Beispielhaft sind in Bild 11.14 Terzspektren aus Messungen an Tunnelstrecken für verschiedene Messpunkte, unterschiedliche Fahrzeuge und Geschwindigkeiten (40 km/ h, 60 km/ h und 80 km/ h) dargestellt, [11.6]. 414 11 Erschütterungsanregung <?page no="419"?> 190 Bild 11.14: Terzspektren der Schwinggeschwindigkeit, vertikale Komponente für die Messpunkte 1.2/ 2.2 (Tunnelsohle in Gleismitte), 1.5/ 2.5 (Boden mittig über dem Tunnel), 1.6/ 2.6 (Boden 7,5 m von Tunnelmitte) 1.7/ 2.7 (Boden 15 m von Tunnelmitte) und 1.8/ 2.8 (Boden 30 m von Tunnelmitte). Vier verschiedene Städte. S-Bahnen (HAM, MUN), Stadtbahn (HAN) und U-Bahn (NUR) Die dargestellten Spektren zeigen ein sehr unterschiedliches Verhalten sowohl für Schwingungen der Tunnelsohle als auch für die Schwingungsantworten im Boden. Hierbei ist zu beachten, dass die Ausbreitungsbedingungen sehr unterschiedlich waren. Die Messungen erfolgten alle im Innenstadtbereich, überall waren in der näheren Umgebung Gebäude vorhanden. Bis auf „NUR“ (Feste Fahrbahn) waren Schotteroberbauformen vorhanden. Mit diesem Bild soll gezeigt werden, dass unter solchen Umständen sowohl die Anregung als auch die Ausbreitung sich sehr unterschiedlich verhält. Bei Prognosen ist das zu berücksichtigen. 10 20 30 40 50 60 70 80 2,5 3,1545 6,38 10 12,5 16 20 25 31,5 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 SUM= L v,Trec , dB Terzmittenfrequenz f, Hz HAM1.2Z/ 40 HAM1.5Z/ 40 HAM1.6Z/ 40 HAM1.7Z/ 40 10 20 30 40 50 60 70 80 2,5 3,1545 6,38 10 12,5 16 20 25 31,5 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 SUM= L v,Trec , dB Terzmittenfrequenz f, Hz MUN1.2Z/ 60 MUN1.5Z/ 60 MUN1.6Z/ 60 MUN1.7Z/ 60 10 20 30 40 50 60 70 80 2 2,5 3,1545 6,38 10 12,5 16 20 25 31,5 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 SUM= L v, Trec , dB Terzmittenfrequenz f, Hz HAN1.2Z/ 80 HAN1.5/ 80 HAN1.6Z/ 80 HAN1.7/ 80 HAN1.8/ 80 10 20 30 40 50 60 70 80 2,5 3,1545 6,38 10 12,5 16 20 25 31,5 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 SUM= L v,Trec , dB Terzmittenfrequenz f, Hz NUR2.2Z.80 NUR2.5Z.80 NUR2.6Z.80 NUR2.7Z.80 NUR2.8Z.80 Bild 11.14: Terzspektren der Schwinggeschwindigkeit, vertikale Komponente für die Messpunkte 1.2/ 2.2 (Tunnel‐ sohle in Gleismitte), 1.5/ 2.5 (Boden mittig über dem Tunnel), 1.6/ 2.6 (Boden 7,5 m von Tunnelmitte) 1.7/ 2.7 (Boden 15 m von Tunnelmitte) und 1.8/ 2.8 (Boden 30 m von Tunnelmitte). Vier verschiedene Städte. S-Bahnen (HAM, MUN), Stadtbahn (HAN) und U-Bahn (NUR) . Die Messungen wurden jeweils in zwei ca. 20-m voneinander entfernten Messquerschnitten durchgeführt (1.x und 2.x). Die dargestellten Spektren zeigen ein sehr unterschiedliches Verhalten sowohl für Schwingungen der Tunnelsohle als auch für die Schwingungsantworten im Boden. Hierbei ist zu beachten, dass die Ausbreitungsbedingungen sehr unterschiedlich waren. Die Messungen erfolgten alle im Innenstadtbereich, überall waren in der näheren Umgebung Gebäude vorhanden. Bis auf „NUR“ (Feste Fahrbahn) waren Schotteroberbauformen vorhanden. Mit diesem Bild soll gezeigt werden, dass unter solchen Umständen sowohl die Anregung als auch die Ausbreitung sich sehr unterschiedlich verhält. Bei Prognosen ist das zu berücksichtigen. Neben der Beschreibung der Anregung durch Schwinggeschwindigkeits-Terzspektren kann die Anregung auch durch normierte Kraftspektren dargestellt werden. So kann durch gemessene Antwortsignale im Boden und Anwendung der Finite-Elemente-Methode (FEM), hiermit wird 11.3 Erregerspektren - Schwinggeschwindigkeit 415 <?page no="420"?> das Ausbreitungsgeschehen im Tunnel und Boden beschrieben, auf eine Krafterregung zurück‐ gerechnet werden, [11.4]. In [11.2] und [11.5] wurden Erregerkräfte während Zugvorbeifahrten direkt unter einem Schienenlager in je einem Tunnel gemessen. In beiden Fällen lag eine Feste Fahrbahn vor. Die Kraftsensoren, jeweils 4, deren Messsignale zu einem Ausgangssignal zusammengeführt worden sind, wurden zwischen einer „Rippenplatte“ und der Tunnelsohle eingebaut. Beispielhaft zeigt Bild 11.15 Ergebnisse solcher Messungen, [11.5]. Einige wesentliche Parameter für die in Bild 11.15 dargestellten Ergebnisse einer Kraftmessung sind in Tabelle 11.3 zusammengefasst. 191 Neben der Beschreibung der Anregung durch Schwinggeschwindigkeits-Terzspektren kann die Anregung auch durch normierte Kraftspektren dargestellt werden. So kann durch gemessene Antwortsignale im Boden und Anwendung der Finite-Elemente-Methode (FEM), hiermit wird das Ausbreitungsgeschehen im (Tunnel) und Boden beschrieben, auf eine Krafterregung zurückgerechnet werden, [11.4]. In [11.2] und [11.5] wurden Erregerkräfte während Zugvorbeifahrten direkt unter einem Schienenlager in je einem Tunnel gemessen. In beiden Fällen lag eine Feste Fahrbahn vor. Die Kraftsensoren, jeweils 4, deren Messsignale zu einem Ausgangssignal zusammengeführt worden sind, wurden zwischen einer „Rippenplatte“ und der Tunnelsohle eingebaut. Beispielhaft zeigt Bild 11.15 Ergebnisse solcher Messungen, [11.5]. Einige wesentliche Parameter für die in Bild 11.15 dargestellten Ergebnisse einer Kraftmessung sind in Tabelle 11.2 zusammengefasst. Bild 11.15: Schmalband-Spektren (FFT) der unter einem Schienenlager gemessenen dyn. Kräfte. CC-1 bis CC-3: verschiedene Steifigkeiten (Vorspannstufen) desselben Schienenlagers (CentriCon), el. ZP: elastische Zwischenplatte. Tabelle 11.2: Wesentliche Parameter bei der Kraftmessung unter einem Schienenlager [11.5], Stadtbahnfahrzeug B6 (Q TDG : Achslast Triebdrehgestell, Q LDG : Achslast Laufdrehgestell) Parameter el. ZP CC-1 CC-2 CC-3 v Q TDG Q LDG Einheit kN/ mm (statisch) km/ h kN (leer) 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 1 10 100 F, N/ Hz log f, Hz (  f = 0,5 Hz) CC-1 CC-2 1 5 10 50 100 200 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 1 10 100 F, N/ Hz log f, Hz (  f = 0,5 Hz) CC-3 el. ZP 1 5 10 50 100 200 Bild 11.15: Schmalband-Spektren (FFT) der unter einem Schienenlager gemessenen dyn. Kräfte. CC-1 bis CC-3: verschiedene Steifigkeiten (Vorspannstufen) desselben Schienenlagers (CentriCon), el. ZwP: elastische Zwischen‐ platte. Parameter el. ZwP CC-1 CC-2 CC-3 v Q TDG Q LDG Einheit kN/ mm (statisch) km/ h kN (leer) Wert 16,04 8,83 6,20 4,58 62 68,5/ 53,0 Tabelle 11.3: Wesentliche Parameter bei der Kraftmessung unter einem Schienenlager [11.5], Stadtbahnfahrzeug B6 (Q TDG : Achslast Triebdrehgestell, Q LDG : Achslast Laufdrehgestell) 11.4 Ermittlung von Erregerkraftspektren In [11.7] wird zur Ermittlung von Krafterregerspektren für Fahrten auf Tunnelstrecken ein (alternatives) Verfahren vorgeschlagen. Prinzipiell kann dieses Verfahren auch bei einer (oberir‐ dischen) Festen Fahrbahn in gleicher Weise angewendet werden. Dieses Verfahren wird wie folgt beschrieben: Ein Erregerkraftspektrum lässt sich aus dem Schwinggeschwindigkeitssignal unter Fahrzeugerregung an der Tunnelsohle und der Admittanz (oder Impedanz) der Tunnelsohle ermitteln, Bild 11.16. 416 11 Erschütterungsanregung <?page no="421"?> (11.5) (11.6) Bild 11.16: Anregung Tunnelsohle (TS) durch ein Fahrzeug (Fz) und einem Prüfhammer (PH) Es gilt folgender Zusammenhang: v F z, TS F F z, TS = v P H , TS F P H , TS = Y P H , TS Es folgt für die Fahrzeugerregerkraft F F z, TS = v F z, TS Y P H , TS Mit • F F z, TS = Fahrzeugerregerkraft Tunnelsohle, N • v F z, TS = Schwinggeschwindigkeitsspektrum unter Fahrzeuganregung an der Tunnelsohle, m/ s. Dieses Spektrum gilt für bestimmte Parameter von Fahrzeug, Oberbau und Tunnelsohle (im oberirdischen Bereich vom Unterbau), • Y P H , TS = Tunnelsohlenadmittanz, (m/ s)/ N • TS = Tunnelsohle, • PH = Prüfhammer (Impedanzhammer, Impacthammer). Anstelle der Tunnelsohle gelten diese Beziehungen auch für Messpunkte im Ausbreitungsbereich bis hin zu den Gebäuden. Ein auf diese Weise ermitteltes Kraftspektrum zeigt beispielsweise Bild 11.17. Weitere Ergeb‐ nisse sind in [11.7] enthalten. Näherungsweise kann die so ermittelte dynamische Kraft einem Drehgestell zugeordnet werden. Dies entspricht in dem Beispiel einer Länge von rund drei bis vier Metern. 11.4 Ermittlung von Erregerkraftspektren 417 <?page no="422"?> 0 100 200 300 400 500 600 700 800 20 25 30 35 40 45 50 55 60 2 20 200 F, N L F , dB re 1 N Frequenz log f, Hz (f = 1 Hz) Log Lin 2 6 10 20 60 100 200 5 6,3 8 10 12,5 16 20 25 31,5 40 50 63 80 100 125 160 LF dB 45,4 56,4 58,4 49,2 53,5 54,5 60,6 57,3 53,0 49,8 54,1 57,6 56,5 57,7 57,6 49,0 40 50 60 70 L F , dB re 1 N Terzmitten-Frequenz, Hz Bild 11.17: Kraftspektrum auf der Tunnelsohle für ein U-Bahnfahrzeug ohne Fahrgäste mit v = 60 km/ h, Oberbau: Schienenlager Nürnberg 1a mit einer elastischen, 20 mm dicken Zwischenplatte aus Polyurethan (Feste Fahrbahn) In Bild 11.18 sind beispielhaft das Anregekraftsignal eines Prüfhammers auf einer festen Struktur (Tunnelsohle) und die Schwinggeschwindigkeits-Antwortsignale in einem Gebäude (Mitte Ge‐ bäudefußboden) unter Anregung mit einem Fahrzeug, einem Prüfhammer und einer Rüttelplatte dargestellt. Im unteren Frequenzbereich (ca. < 50 Hz) dominiert die Anregung durch das Fahrzeug, im Frequenzbereich darüber die Anregung durch die beiden „Ersatzerreger“. Weitere Beispiele hierzu sind in [11.3] und [11.7] zu finden. In der Tendenz zeigen sie ähnliche Ergebnisse. Zur abschließenden Darstellung des Anregungsprozesses zeigt Bild 11.19 [11.7], dass hierfür ein sehr komplexes mechanische System zu betrachten ist. Ein solches Modell (so oder so ähnlich) kann für weitergehende theoretische Studien herangezogen werden. Hierauf wird hier nicht näher eingegangen. 418 11 Erschütterungsanregung <?page no="423"?> Bild 11.18: Kraftspektrum eines Prüfhammers (oben) und Antwortsignale in einem Gebäude neben einem Tunnel (Gebäudefußboden) unter Anregung mit einem Fahrzeug „Fz“ (U-Bahnfahrzeug, v = 60-km/ h, Oberbau: Schienen‐ lager Nürnberg 1a, Feste Fahrbahn), einem Prüfhammer „PH“ und einer Rüttelplatte „RP“ (unten) 11.4 Ermittlung von Erregerkraftspektren 419 <?page no="424"?> Bild 11.19: Beispiel für ein Rad-Schiene-Oberbau-Modell F R Erregerkraft im Rad/ Schiene-Bereich (Radkraft); F S Sohlkraft v R Schwinggeschwindigkeit der Rippenplatte v S Schwinggeschwindigkeit der Tunnelsohle b Dämpfung, k Steifigkeit, m Masse, P Primärfeder, S Sekundärfeder. 420 11 Erschütterungsanregung <?page no="425"?> 11.5 Literatur zu Kapitel 11 [11.1] Eisenmann, J. und R. Reinfelder: Theoretische Studie über die Ermittlung der Sekundärdurchbiegung der Schiene. ZEV - Glas. Ann. 99 (1975) Nr. 11 - November, S. 301 ff [11.2] Krüger, F./ Becker, H. und P. Prüm: Schwingungsminderung bei Schienenbahnen des Stadtverkehrs durch kontinuierliche Schienenlagerung, Bericht 24* ) , Juni 1990, Projektleiter; F. Blennemann [11.3] Krüger, F.: Entwicklung eines admittanzorientierten Prognoseverfahrens zur immissionsgerechten Gestaltung des Gleisoberbaus im Rohbaustadium von Tunnelstrecken. Dissertation TU Berlin 1989 [11.4] Rücker, W.: Ermittlung der Schwingungserregung beim Betrieb schienengebundener Fahrzeuge in Tunneln sowie Untersuchung des Einflusses einzelner Parameter auf die Ausbreitung von Erschütterungen im Tunnel und dessen Umgebung; Forschungsbericht 64 der Bundesanstalt für Materialprüfung, Berlin (1980) [11.5] Krüger, F. / H. Becker / Jürgensen, R. und H. Stank: Minderung der Schwingungsabstrahlung von U-Bahntunneln durch hochelastische Gleisisolationssysteme unter verschiedenen Tunnelrandbedingungen; Bericht 17* ) , Februar 1985, Projektleitung: F. Blennemann und D. Uderstädt. [11.6] Krüger, F. / Schug, H.-P. / Volberg, G. u. a.: Schwingungsmessungen in der Umgebung innerstädtischer Bahn- und Straßentunnel. STUVA Forschungsberichte 14/ 81 (1980) [11.7] Krüger, F./ Becker, H. und P. Prüm: Ermittlung von Kenngrößen aus Messungen an Rohbautunneln zur Festlegung des aus Immissionsschutzgründen notwendigen Oberbaus. BMFT-Vorhaben TV 8329-AP11000, Bericht 20* ) ( Juni 1986), Projektleiter; F. Blennemann [11.8] DB AG: Schwingungsausbreitung an Schienenverkehrswegen. Durchgeführt im Auftrag des Bundesbahn-Zentralamtes München der Deutschen Bundesbahn von der Arbeitsgemeinschaft Schwingungsausbreitung (Ingenieur-Geologisches Institut Niedermeyer (Westheim); Landesgewerbeanstalt Bayern (Nürnberg); Müller-BBM GmbH (München) ( Juli 1980) [11.9] Hölzl, G.: Praktischer Schallschutz bei Schienenverkehrsmittel. Lärmbekämpfung 27, 160-167 (1980) [11.10] Kellermann, Chr. und G. Hölzl: Schalldämmung in Reisezugwagen für den Schnellverkehr auf NBS. Eisenbahntechnische Rundschau, H. 12 - (Dezember 1987) * ) Berichte aus einem FuE-Programm des Bundesministers für Forschung und Entwicklung (BmFT) „Verminderung des Verkehrslärms in Städten und Gemeinden - Teilprogramm Schienennahverkehr“ 11.5 Literatur zu Kapitel 11 421 <?page no="426"?> 12 Messung von Erschütterungen und Sekundärschall F. Krüger 12.1 Schwingungs- und Sekundärschallmessungen - Überblick Schwingungs- und Sekundärschallmessungen an Schienenbahnen werden u. a. aus den folgenden Gründen durchgeführt (s.a. DIN Reihe 45672 und ISO 14837-31): 1. zur Beurteilung bestehender Situationen auf der Grundlage von Regelwerken und Messungen am Einwirkungsort (Immission), also bei der Einwirkung auf Menschen, Gebäude und schwingungsempfindliche Geräte (Bewertung nach DIN 4150-2 und 4150-3), 2. zur Durchführung von Immissionsprognosen für verschiedene Situationen des Systems „Quelle → Ausbreitungsweg → Empfänger“ (Vorgehensweise siehe z. B. DIN 4150-1 und DIN 45672, Teile 3 und 4), 3. zur Ermittlung der Wirkung von schwingungsmindernden Maßnahmen an der Quelle (Oberbau), im Ausbreitungsweg oder beim Empfänger, 4. zur Messung von Körperschall an der Schiene, auf der Fahrbahn (Schwelle), auf dem Radsatzlager, am Motor und Getriebe sowie an sonstigen Bauteilen des Fahrzeuges, 5. zur Messung des Fahrkomforts auf dem Fahrzeugfußboden, 6. für Messungen, die aus Forschungszwecken erforderlich sind. Für die Durchführung und Auswertung von Schwingungsmessungen sind folgende Punkte besonders zu beachten: • Wahl des geeigneten Messsystems, insbesondere der Messaufnehmer, • Wahl der geeigneten Messpunkte (falls nicht vorgegeben), • Wahl der Ankopplung der Aufnehmer an das Messobjekt, • Erfassung der Quelle (Zugvorbeifahrt), Triggerung des Messsystems, • Art der Auswertung der gemessenen Signale. Auf diese Punkte wird im Folgenden näher eingegangen. 12.2 Erschütterungsmessungen 12.2.1 Aufnehmer, Messsystem Nach DIN 4150 sind Erschütterungen Schwingungen (groundborne vibration) im Frequenzbereich von 1 Hz bis 80 Hz bzw. 100 Hz. Da in der Regel mit solchen Messungen auch Aussagen über den Sekundärschall getroffen werden, ist der zu erfassende Frequenzbereich auf ca. 350 Hz zu erweitern. Mit dem einzusetzenden Messsystem ist demnach dieser Frequenzbereich zu erfassen. Als Aufnehmer (Sensoren) sind hierfür sowohl Geschwindigkeitsaufnehmer (Geophone) als auch Beschleunigungsaufnehmer einsetzbar. Die Empfindlichkeit der Aufnehmer ist an die zu erwar‐ tenden Schwingungsamplituden anzupassen, evtl. sind vor Ort Probemessungen durchzuführen und anhand der Ergebnisse die entsprechenden Sensoren zu wählen. <?page no="427"?> Beim Einsatz von Geophonen ist zu beachten, dass sie - aufgrund ihrer Eigenfrequenz unter 10 Hz - im unteren Frequenzbereich gedämpft sind. Sowohl Phase als auch Betrag sind demnach anzupassen. Beschleunigungsaufnehmer sind dagegen in diesem Frequenzbereich linear, sie benötigen somit keine Korrekturen. Beispielhaft zeigt Bild 12.1 den Frequenzgang von einem Geschwindigkeitsaufnehmer. Es ist zu beachten, dass jeder Aufnehmer, auch desselben Typs, hiervon abweichende Werte zeigt. Es gibt Schwinggeschwindigkeitsaufnehmer, die entsprechend korrigiert sind, eine nachträgliche Korrektur ist ebenfalls möglich. Eine mögliche Betragskorrek‐ tur eines Terzspektrums ist rechts von Bild 12.1 enthalten. Als Aufnehmer (Sensoren) sind hierfür sowohl Geschwindigkeitsaufnehmer (Geophone) als auch Beschleunigungsaufnehmer einsetzbar. Die Empfindlichkeit der Aufnehmer ist an die zu erwartenden Schwingungsamplituden anzupassen, evtl. sind vor Ort Probemessungen durchzuführen und anhand der Ergebnisse die entsprechenden Sensoren zu wählen. Beim Einsatz von Geophonen ist zu beachten, dass sie - aufgrund ihrer Eigenfrequenz unter 10 Hz - im unteren Frequenzbereich gedämpft sind. Sowohl Phase als auch Betrag sind demnach anzupassen. Beschleunigungsaufnehmer sind dagegen in diesem Frequenzbereich linear, sie benötigen somit keine Korrekturen. Beispielhaft zeigt Bild 12.1 den Frequenzgang von einem Geschwindigkeitsaufnehmer. Es ist zu beachten, dass jeder Aufnehmer, auch desselben Typs, hiervon abweichende Werte zeigt. Es gibt Schwinggeschwindigkeitsaufnehmer, die entsprechend korrigiert sind, eine nachträgliche Korrektur ist ebenfalls möglich. Eine mögliche Betragskorrektur eines Terzspektrums ist rechts von Bild 12.1 enthalten. Bild 12.1: Beispiel für den Frequenzgang eines Geophons (Phase und Betrag, links) und Terzpegelkorrekturen, rechts (näherungsweise) Weiterhin sind folgende Punkte zu beachten: - Das Messsystem ist der aktuellen Aufgabe anzupassen. Insbesondere ist darauf zu achten, dass der Messbereich ausreichend ist und Störsignaleinstreuungen, z.B. 16 2/ 3 Hz an Strecken der DB AG oder 50 Hz, vermieden -10 010 20 30 40 50 60 70 80 90 100 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -101 0 5 10 15 20 25 30 35 40  ,  L, dB Frequenz f, Hz Betrag Phase 10,5 6,4 3,5 2 0,8 0,5 0,1 0 2 4 6 8 10 12 2,5 3,15 4 5 6,3 8 10  L, dB Terz f Tn , Hz Bild 12.1: Beispiel für den Frequenzgang eines Geophons (Phase und Betrag, links) und Terzpegelkorrekturen, rechts (näherungsweise) Weiterhin sind folgende Punkte zu beachten: • Das Messsystem ist der aktuellen Aufgabe anzupassen. Insbesondere ist darauf zu achten, dass der Messbereich ausreichend ist und Störsignaleinstreuungen, z. B. 16 2/ 3 Hz an Strecken der DB AG oder 50 Hz, vermieden werden. Ein 50 Hz-Signal kann sowohl bei Messungen innerhalb eines Tunnels als auch bei Messungen oberirdisch oder in Gebäuden auftreten. Die Zwischenschaltung eines Trenntrafos kann zu einer Lösung führen. • Bei der Verwendung von piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmern ohne eingebaute Ladungsverstärker ist darauf zu achten, dass sich die Kabel nicht bewegen können - gilt vor allem bei Messungen am bewegten Fahrzeug - und Feuchtigkeit (Tau, Regen) nicht in die Steckverbindungen eindringen kann. Nähere Angaben zu Schwingungsmessungen sind z. B. in [12.2] enthalten. • Häufig wird auch die sogenannte ICP-Technik (integrated circuit piezoelectric) bei Beschleu‐ nigungs-Sensoren angewendet (auch bei Kraft- und Drucksensoren sowie für Messmikro‐ fone). ICP ist eine Herstellerbezeichnung für IEPE (Integrated Electronics Piezo Electric). Ein Vorteil dieser Sensoren ist, dass sie über (einfache) BNC-Kabel (Koaxial-Kabel) und entspre‐ chende Steckverbindungen mit dem Aufzeichnungssystem verbunden werden können (BNC Bayonet Neill Concelman), • Vor dem Beginn der Messungen ist die gesamte Messkette zu prüfen, z. B. mit einem Kalibrator, • Da heute vorwiegend bzw. ausschließlich eine digitale Aufzeichnung erfolgt, ist auf eine hinreichende Abtastrate zu achten (mindestens 2 x der oberen zu erfassenden Frequenz, eine höhere Abtastung wird empfohlen (s. hierzu ISO 14837-31). Grundsätzlich sind die Hinweise der Hersteller zu beachten. 12.2 Erschütterungsmessungen 423 <?page no="428"?> 12.2.2 Messpunkte Die Messpunkte für Schwingungsmessungen in der Umgebung von Schienenverkehrswegen sind in DIN 45672-1 [12.19] und in DIN 4150-2 sowie teilweise in DIN 45669-1 [12.20] enthalten. Für Schwingungsmessungen in/ an Schienenfahrzeugen sind nur im Hinblick auf den Fahrkomfort Angaben in Regelwerken vorhanden. In der Umgebung von Schienenbahnen werden Messungen zur Ermittlung: • der Emission (Tunnel- und Brückenbauwerk, Boden), • der Transmission im Boden (8 m, 16 m, 32 m, 64 m und 128 m von Gleismitte, für Messungen bei Gleisen auf Dämmen, in Einschnitten und an Brücken bzw. Viadukten gelten besondere Messpunkte) und • der Immission im Gebäude (Fundament, Außenwand in oberen Stockwerken sowie in bzw. nahe der Fußbodenmitte) durchgeführt. Diese Messungen dienen vorrangig zur Feststellung der durch vorbeifahrende Züge verursachten Immissionen sowie zur Unterstützung bei Erschütterungsprognosen. So wurden aufgrund von Schwingungsmessungen verschiedene Prognosemodelle entwickelt. Hierauf wird in Kap. 14 näher eingegangen. Immissionsmessungen in Gebäuden werden durchgeführt zur Feststellung der vorhandenen Belastung, z. B. bei Beschwerden. DIN 4150-2 enthält das hierfür anzuwendende Bewertungsver‐ fahren. In Bild 12.2 und Bild 12.3 sind mögliche bzw. festgelegte Messpunktanordnungen nach Norm dargestellt, Tunneldeckenmesspunkte sind in Normen nicht enthalten (sie dienen nur dazu, um das Schwingungsverhalten eines Tunnels zu beschreiben). Außerdem sind die Abstände zum Gebäude markiert. Diese sind für Prognosen von Bedeutung. Die einzelnen Parameter werden zusammenfassend in Tabelle 12.1 beschrieben. 424 12 Messung von Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="429"?> h MP Referenz-Punkt (Emissionsort) Bodenoberfläche Gleis 2 a) Viadukt, Brücke, oder Damm Grundwasserpegel Gleis 1 4 1 2 3 m Gl h Gl R 0 Beispiele für Tunnelquerschnitte (ein- oder mehrgleisig) c) Tunnel oder Einschnitt b) ebenerdig MP: Tunnel T, Boden, Viadukt (Brücke) MP: Gebäude (Fundament, OG (Decke, Fußbodenmitte) MP: Gebäude (Sekundärschall, Raummitte) SO: Schienenoberkante Gl: Gleis MP: Messpunkt LS: sek. Luftschall Mögliche Streckenführungen: Beim oberirdischen Verkehr MP für Sekundärschall vorwiegend in den hinteren Räumen H MP,LS Bild 12.2: Mögliche Schwingungsmesspunkte im Tunnel, Boden und Gebäude, im Gebäude auch Schallmesspunkte für den Sekundärschall 12.2 Erschütterungsmessungen 425 <?page no="430"?> x, y z y 4.7 m Rc Rw x, y, z x Rc Rw y z Gleis 2 Gleis 1 x sek-LS sek-LS EP 8 m 16 m 32 m mögliche Messpunkte im Gebäude mögliche Messpunkte im Boden, EP: Emissionspunkt sek-LS sek-LS Bild 12.3: Messpunkte im Boden und im Gebäude sowie Bezeichnung der Schwingungsachsen und der Abstände zwischen Gleisachse und Messpunkte Parameter Beschreibung a GM Abstand Gleismitte von der Tunnelwand b G Gebäudebreite (-tiefe) d Gleis Gleismittenabstand d i Tunnelinnendurchmesser d w ; t w Tunnel-Wandstärken EP Emissionspunkt h n Verschiedene Höhen (oder Tiefen) im Boden (Schichten, Bodenprofile, Grundwasserstand usw.) sowie von Gebäuden und Viadukten R n Abstände n zwischen der Gleisachse und den Messpunkten im Boden und Gebäude SO Schienenoberkante x, y, z Koordinaten Tabelle 12.1: Beschreibung der Parameter für die Anordnung der Messpunkte im Tunnel, an Viadukten, im Boden und Gebäude (und für Prognosen), siehe Bild 12.2 426 12 Messung von Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="431"?> Neben den in den genannten Normen enthaltenen Festlegungen zur Durchführung von reprodu‐ zierbaren Messungen sind noch die im Folgenden dargestellten Hinweise zu beachten. 12.2.3 Ankopplung Auf eine gute Ankopplung der Aufnehmer an das Messobjekt (Schiene, Masse bei Masse-Feder- Systemen, Tunnel, Brücke/ Viadukt, Boden, Gebäudefußboden und -wand sowie an ausgewählten Fahrzeugstrukturen) ist zu achten. Es sind die Festlegungen in DIN 45669 und die Hinweise der Produkthersteller zu beachten. Insbesondere die Ankopplung an den Boden ist oft mit einigen Problemen behaftet. Der in DIN 45669-1 genannte Spieß von 60 cm Länge muss vollständig in den Boden gerammt werden. Gerade bei Messungen an Nahverkehrsbahnen ist die Verwendung eines solchen Spießes oft nicht oder nur mit einem hohen Aufwand verbunden. Messungen auf Kanaldeckeln etc. sollten aber nicht als Ersatz für fehlende, geeignete Messpunkte herangezogen werden, da sie häufig Eigenschwingungen im interessierenden Frequenzbereich haben und so zu Signalverfälschungen führen können. Für die Messung in Gebäuden wird in DIN 45699 eine Stahlplatte mit drei Spießen empfohlen. Für glatte, feste Bodenflächen sind die Spieße unten abgerundet, für Teppichböden angespitzt. In Bild 12.4 ist eine solche Platte, zusammen mit einem Stativ zur Erfassung des Sekundärschalls dargestellt. Alternativ können die Schwingungsaufnehmer, z. B. auf gefliesten Böden oder Par‐ kettböden (keine Laminatböden), über Doppelklebeband befestigt werden. Im Tunnel können die Aufnehmer über an die Struktur angeklebte/ angeschraubte Plättchen befestigt werden. Im Schottergleis kann der Schotter entfernt und über ein Rohr oder einen Holzrahmen stabilisiert werden. So kann die Tunnelsohle erreicht und dort die Aufnehmer angeordnet werden. Ein Beispiel ist rechts unten in Bild 12.4 dargestellt. Auf der Tunnelsohle bzw. auch nahe an den Gebäudewänden kann alternativ auch die in der Norm beschriebene Stahlplatte verwendet werden. In jedem Fall ist zu beachten, dass die Eigenschwingungen des Ankopplungselementes das Messergebnis nicht beeinflusst. Liegt ein Teppich auf dem Fußboden und kann dieser entfernt werden, dann ist ein Ankleben der Aufnehmer vorzuziehen (Bild 12.4 rechts in der Mitte). Die Ankopplung an den Baugrund ist in der Regel deutlich schwerer umzusetzen. In ISO 14837 werden u. a. die drei oben rechts in Bild 12.5 dargestellten Lösungen genannt. In [12.4] wurde eine Hülse aus Aluminium zur Aufnahme von zwei Beschleunigungsaufnehmern für die vertikale und eine horizontale Schwingungs-Komponente konstruiert und angewendet (siehe auch [12.3]). Diese Hülse wurde in einem Bohrloch ca. 50 cm bis 80 cm heruntergelassen und anschließend mit Sand verfüllt, siehe links und rechts unten in Bild 12.5. Über ein Seil und einen Flaschenzug konnte die Hülse nach den Messungen aus dem Bohrloch gezogen werden. In DIN 45669 werden hierzu weitere Alternativen beschrieben. Als Alternative zu dem oben erwähnten 60 cm langen Stahlspieß werden auch bei einem festen Boden (z. B. Rasenfläche) ca. 15 cm lange Spieße aus Aluminium eingesetzt. Diese können auch bei einer lockeren Bodenoberschicht verwendet werden. In solchen Fällen ist die „lockere“ Schicht abzutragen und der Spieß in den festen Boden bis zum Anschlag zu drücken. 12.2 Erschütterungsmessungen 427 <?page no="432"?> Als Alternative zu dem oben erwähnten 60 cm langen Stahlspieß werden auch bei einem festen Boden (z.B. Rasenfläche) ca. 15 cm lange Spieße aus Aluminium eingesetzt. Diese können auch bei einer lockeren Bodenoberschicht verwendet werden. In solchen Fällen ist die „lockere“ Schicht abzutragen und der Spieß in den festen Boden bis zum Anschlag zu drücken. Bild 12.4: Mögliche Ankopplungen eines Messaufnehmers auf einem Fußboden (inklusive Messmikrofon für den Sekundärschall) und Ankopplung auf der Tunnelsohle beim Schotteroberbau (siehe auch DIN 45669) Bild 12.4: Mögliche Ankopplungen eines Messaufnehmers auf einem Fußboden (inklusive Messmikrofon für den Sekundärschall) und Ankopplung auf der Tunnelsohle beim Schotteroberbau (siehe auch DIN 45669) 428 12 Messung von Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="433"?> Bild 12.5: Ankoppelungsmöglichkeiten an den Boden (s. a. DIN 45669 und ISO 14837-31) 12.2.4 Triggerung Zur späteren - oder sofortigen Auswertung vor Ort - kann eine Signaltriggerung hilfreich sein. Dies ist z.B. wichtig zur automatischen Signalauswertung (Spektrenerstellung) oder zur Ermittlung des Vorbeifahrt-Mittelungspegels aus den aufgezeichneten Vorbeifahrtsignalen (gilt auch für Luftschallmessungen neben einem Gleis). Hierzu können verschiedene Möglichkeiten angewendet werden: − Lichtschranken (einseitig oder beidseitig an einer Strecke), − Schwingungsaufnehmer im Boden neben der Strecke. Diese sind so anzuordnen, dass hierdurch das Signal des ankommenden (Startpunkt: vorderer Radsatz) und den Messquerschnitt wieder verlassenden Zuges (Stopppunkt: letzter Radsatz) erfasst wird. Die über diese beiden Aufnehmer gemessenen Bild 12.5: Ankoppelungsmöglichkeiten an den Boden (s. a. DIN 45669 und ISO 14837-31) 12.2.4 Triggerung Zur späteren - oder sofortigen Auswertung vor Ort - kann eine Signaltriggerung hilfreich sein. Dies ist z. B. wichtig zur automatischen Signalauswertung (Spektrenerstellung) oder zur Ermittlung des Vorbeifahr-Mittelungspegels aus den aufgezeichneten Vorbeifahrtsignalen (gilt auch für Luftschallmessungen neben einem Gleis). Hierzu können verschiedene Möglichkeiten angewendet werden: • Lichtschranken (einseitig oder beidseitig an einer Strecke), • Schwingungsaufnehmer im Boden neben der Strecke. Diese sind so anzuordnen, dass hier‐ durch das Signal des ankommenden (Startpunkt: vorderer Radsatz) und den Messquerschnitt wieder verlassenden Zuges (Stopppunkt: letzter Radsatz) erfasst wird. Die über diese beiden Aufnehmer gemessenen Signale können dann zur Triggerung des Messsignals eingesetzt werden. Noch besser geeignet sind Messaufnehmer direkt im Gleis, z. B. auf einer Schwelle oder an der Schiene [12.5]. Bild 12.6 zeigt diese Anordnung und die Ergebnisse einer 12.2 Erschütterungsmessungen 429 <?page no="434"?> Vorbeifahrt mit 80 km/ h auf einem geraden Gleisabschnitt. Dieses Bild zeigt auch, dass im geraden Gleis die y-Komponente für solche Messungen nicht geeignet ist. • an der Schiene angebrachte Achszähler, • Lasermesssysteme neben einer Schiene [12.6]. Alle Maßnahmen im Gleisbereich erfordern eine Berechtigung zum Betreten der Gleisanlage. Bild 12.6: Beispiel für Triggermöglichkeiten im Gleisbereich (links im Bild), Fast-bewertete Zeitsignale der drei Beschleunigungsaufnehmer (rechts im Bild) A: Reflexionslichtschranke, B: Beschleunigungsaufnehmer an der Schiene, y- und z-Komponenten, C: Beschleunigungsaufnehmer auf der Schwelle, z-Komponente. 12.3 Auswertung von Schwingungsmessungen 12.3.1 Überblick Die Auswertung von aufgezeichneten Schwingungszeitsignalen orientiert sich an der Aufgaben‐ stellung (DIN 45672-2). Vorrangig erfolgen solche Messungen zur Ermittlung der unter Abschnitt 12.1 genannten Aufgabenstellungen. Grundsätzlich sind, orientiert an der Aufgabenstellung, die in Bild 12.7 dargestellten Auswer‐ tungen möglich bzw. erforderlich. Weitere Auswertungen sind z. B. Oktav- oder 1/ 6 Oktavspektren und Spektrogramme sowie Übertragungsfunktionen (Admittanzen und Impedanzen). Solche Auswertungen können u. U. erforderlich sein bzw. führen zu einer eindeutigeren Beschreibung des Schwingungsgeschehens. 430 12 Messung von Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="435"?> Auswertung im Frequenzbereich Auswertung im Zeitbereich Schmalbandanalyse (FFT) Terzanalyse (3 Hz bis 315 Hz) L veq,Tn MaxHold z.B. f = 1 Hz Frequenzbewertung (KB F -Filterung) Gleitender Effektivwert, Maximalwert (z.B. KB FTi ), Intervall-Effektivwert Amplituden- (v eff in m/ s) oder Pegelspektrum (L v,eff re 5 . 10 -8 m/ s) Spektrale Leistungsdichte in (m/ s) 2 / Hz s.a.: DIN 45669-1 DIN 45672-2 ISO 14837-31 Mittelungspegel L veq,T / L vAeq,T ) T = T rec / T p / T 4s Unbewertetes, bandbegrenztes (z.B. < 350 Hz oder <= 80/ 100 Hz) Schwingungssignal a(t) oder v(t) Gutachten - Bewertung Gutachten - Prognose Forschung Messgröße Schwingbeschleunigung a(t) oder Schwinggeschwindigkeit v(t) Bild 12.7: Übersicht zur Auswertung gemessener Schwingungssignale, gemessen am Fahrzeug, Oberbau, Viadukt (Brücke) sowie im Tunnel, Baugrund und Gebäude (Fußboden, Wand) 12.3.2 Ermittlung von Beurteilungsgrößen Gemäß DIN 4150-2 und DIN 4150-3 sind Erschütterungsmessungen in Gebäuden durchzuführen. Mit solchen Messungen sollen die Einwirkungen auf Menschen in Gebäuden (Teil 2) und auf die Gebäude selber (Teil 3) ermittelt und bewertet werden. Nach derzeitigem Kenntnisstand kommen Schäden im Sinne einer Verminderung des Gebrauchs‐ wertes von Gebäuden durch den Schienenverkehr nicht vor. Die durch den Schienenverkehr verursachten Gebäudeschwingungen liegen in der Regel deutlich unterhalb der in der Norm genannten Anhaltswerte. Es ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass durch die Einwirkungen der Bahnerschütterungen Risse in Gebäuden erkennbar werden (der Putz bröckelt oberhalb der Risse ab). Bei sandigem Untergrund kann dieser aufgrund jahrelanger Erschütterungseinwirkungen „flie‐ ßen“ und als Folge davon Gebäudesetzungen ermöglichen. Ob Gebäudeschäden möglicherweise hierdurch verursacht worden sind, das muss im Einzelfall geprüft werden. Anders verhält es sich mit Einwirkungen auf Menschen in Gebäuden. Die durch den Schienen‐ verkehr verursachten Erschütterungen können die in der Norm enthaltenen Anhaltswerte durch‐ aus überschreiten. Werden jedoch die Anhaltswerte eingehalten, dann kann davon ausgegangen werden, dass erhebliche Belästigungen der Menschen in den Gebäuden nicht gegeben sind. In [12.8] und [12.9] werden hierzu umfangreiche Untersuchungsergebnisse an Straßenbahnen und Eisenbahnen vorgestellt. Diese Untersuchungen beinhalten sowohl intensive Befragungen als 12.3 Auswertung von Schwingungsmessungen 431 <?page no="436"?> 1 In einer überarbeiteten Neuausgabe der Norm (2023) ist grundsätzlich je Zugvorbeifahrt nur ein KB FTi -Wert zu ermitteln und für die Gesamtbewertung heranzuziehen. auch Messungen, deren Auswertungen und die „Zusammenschau“ der subjektiven Beurteilungen mit den objektiven Messergebnissen. Die Festlegung der in DIN 4150-2 enthaltenen Anhaltwerte aus den 1990er Jahren beruhen weitgehend auf den Ergebnissen dieser beiden Studien. Grundlage für die Bewertung nach DIN 4150-2 ist der aus den Messaufzeichnungen ermittelte KB FTi -Wert [12.10]. Näherungsweise ist dies der maximale KB F (t)-Wert einer Zugvorbeifahrt. Nur bei langen und langsam fahrenden Güterzügen mit einer Vorbeifahrtzeit T p > 30 Sekunden können weitere KB F -Werte in die Gesamtbewertung einbezogen werden 1 . In Bild 12.8 sind beispielhaft folgende Signale dargestellt: • Links: Schwinggeschwindigkeits-Zeitsignal und KB F (t)-Signal, • Rechts: FFT Spektrum gemittelt über das gesamte KB F -bewertete Zeitsignal. Dieses Signal wurde auf dem Fußboden in einem Gebäude in etwa 23 m Abstand von der Strecke gemessen. Der Abstand ist das Maß zwischen der Gleisachse des nahen Gleises und der Gebäudeaußenwand, Bilder 12.2 und 12.3. Die Anregung erfolgte durch einen IC-Zug mit einer Geschwindigkeit von ca. 160-km/ h. Für eine Auswertung nach DIN 4150-2 (1999) sind die KB FTi -Werte von einer Mindestanzahl von Vorbeifahrten zu ermitteln. Hierbei sind streckentypische Ereignisse zu erfassen: • Zugart (z. B. Straßenbahntyp, Nahverkehrsfahrzeug, IC, ICE, Güterzug usw.), • Geschwindigkeit, • befahrenes Gleis. Da in der Regel keine Langzeitmessungen in einer Wohnung möglich sind, kann immer nur ein gewisser Ausschnitt der tatsächlichen Belastung erfasst werden. Aus diesem Ausschnitt ist dann auf die Tages- und Nachtbelastung hochzurechnen. Besonders schwierig gestaltet sich dies bei Eisenbahnstrecken, da hier in der Regel sehr unterschiedliche Zugarten (Zuggattungen) tags und nachts verkehren. Da in der Regel keine Langzeitmessungen in einer Wohnung möglich sind, kann immer nur ein gewisser Ausschnitt der tatsächlichen Belastung erfasst werden. Aus diesem Ausschnitt ist dann auf die Tages- und Nachtbelastung hochzurechnen. Besonders schwierig gestaltet sich dies bei Eisenbahnstrecken, da hier in der Regel sehr unterschiedliche Zugarten tags und nachts verkehren. Bild 12.8: Beispiel eines Schwinggeschwindigkeitssignals und des hieraus ermittelten KB F (t)-Signals mit KB FTi als Maximalwert sowie das gemittelte FFT- Spektrum In Bild 12.9 sind beispielhaft die KB F,z -Werte, gemessen in einem Gebäude an einer Eisenbahnstrecke, dargestellt. Aufgezeichnet wurde immer nur die einzelne Zugfahrt. Die Maximalwerte der einzelnen Vorbeifahrten ergeben die KB FTi -Werte. In Tabelle 12.2 sind die hieraus ermittelten KB Fmax und KB FTi - Werte je Zugart und befahrenem Gleis (Gl1, Gl2) sowie das Verhältnis zwischen diesen beiden Werten, die Anzahl „n“ der jeweils erfassten Fahrten und die Standardabweichung in Bezug auf den quadratischen Mittelwert enthalten. -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 v z , mm/ s / KB F Zeit t, sec vz KBF KB FTi 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 0 20 40 60 80 100 v z , mm/ s Frequenz f, Hz Bild 12.8: Beispiel eines Schwinggeschwindigkeitssignals und des hieraus ermittelten KB F (t)-Signals mit KB FTi als Maximalwert sowie das gemittelte FFT-Spektrum über die gesamte Vorbeifahrt 432 12 Messung von Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="437"?> In Bild 12.9 sind beispielhaft die KB F,z -Werte, gemessen in einem Gebäude an einer Eisenbahn‐ strecke, dargestellt. Aufgezeichnet wurde immer nur die einzelne Zugfahrt. Die Maximalwerte der einzelnen Vorbeifahrten ergeben die KB FTi -Werte. In Tabelle 12.2 sind die hieraus ermittelten KB Fmax und KB FTi -Werte je Zugart und befahrenem Gleis (Gl1, Gl2) sowie das Verhältnis zwischen diesen beiden Werten, die Anzahl „n“ der jeweils erfassten Fahrten und die Standardabweichung in Bezug auf den quadratischen Mittelwert enthalten. Anmerkung - In der ab 2018 überarbeiteten DIN 4150-2 wird der KB Fmax -Wert für den Schienenverkehr neu festgelegt. Es gilt dann KB Fmax = 1,5 ⋅ KB FTm . 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 KB F Zeit t, sec Bild 12.9: KB F (t)-Signale, gemessen innerhalb von ca. vier Stunden, z-Komponente - IC-Gl1 IC-Gl2 NVZ-Gl1 NVZ-Gl2 GZ-Gl1 GZ-Gl2 alle KB Fmax 0,306 0,378 0,150 0,395 0,179 0,146 0,395 KB FTm 0,182 0,291 0,118 0,266 0,132 0,146 0,223 KB Fmax / KB FTm 1,683 1,297 1,276 1,483 1,358 1,000 1,771 n 9 9 4 3 3 1 29 0,024 0,025 0,006 0,074 0,013 - 0,042 Tabelle 12.2: Zusammenfassende Darstellung der aus den einzelnen KB FTi -Werten ermittelten Kenngrößen für eine Beurteilung nach DIN 4150-2 (Gl = befahrenes Gleis) Das Verhältnis KB Fmax / KB FTm zeigt an, wie stark maximale Signale aus dem gesamten Kollektiv herausragen können. Für Straßenbahnvorbeifahrten wurde hierfür z. B. das in Bild 12.10 dargestellte Ergebnis erzielt, das Verhältnis ergibt sich hierbei zu ca. 1,29. Für einzelne Ereignisse in Tabelle 12.2 ergeben sich nahezu gleiche Ergebnisse, andere weichen deutlich hiervon ab. 12.3 Auswertung von Schwingungsmessungen 433 <?page no="438"?> KB FTm = 0,774 KB Fmax - 0,065 R² = 0,947 KB FTm = 0,127 KB Fmax ^2 + 0,477 KB Fmax + 0,026 R² = 0,962 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 KB FTm KB Fmax Bild 12.10: Darstellung der Beziehung KB FTm von KB Fmax für Messungen an Straßenbahnstrecken in mehreren westdeutschen Städten [12.8] Bild 12.10: Darstellung der Beziehung KB FTm von KB Fmax für Messungen an Straßenbahnstrecken in mehreren westdeutschen Städten [12.8] Bild 12.11: Vergleich der Ergebnisse der Schwingungskomponenten z-, x- und yauf Holz-und Betondecken in Gebäuden an Eisenbahnstrecken In Bild 12.12 sind die Ergebnisse der Schwingungskomponenten z-, x- und yin Raummitte sowie an der Außenwand auf Holzbalkendecken für zwei Räume in einem Mehrfamilienhaus dargestellt. Dieses Bild zeigt deutlich die großen Unterschiede bei Holzbalkendecken in Raummitte in z-Richtung auf. Im Vergleich zu den Ergebnissen in Raummitte liegen die Ergebnisse an der Wand deutlich niedriger. Auch dieses Ergebnis zeigt eindeutig, dass die vertikale Schwingungskomponente dominiert. In der Regel reicht es daher in der Praxis aus, nur die vertikale Schwingungskomponente zu erfassen. An dieser Stelle sei auch noch darauf hingewiesen, dass zur Ermittlung des KB FTi -Wertes keine besondere Triggerung des zu erfassenden Schwingungssignals erforderlich ist (sofern es sich um oberirdischen Schienenverkehr handelt). Es ist jeweils nur der Maximalwert einer Zugvorbeifahrt zu ermitteln. Dies gilt auch für den Sekundärschall falls zur Bewertung der Pegel L pAFmax,i oder L pASmax,i herangezogen wird. Im Messprotokoll sind jedoch evtl. Zugbegegnungen zu notieren. Große Aufmerksamkeit ist aber darauf zu legen, dass keine „Fremdanregungen“ durch Menschen oder andere Schwingungsanreger im Gebäude das Zugsignal verfälschen. Dies gilt insbesondere bei Holzbalkendecken, da diese leichter als Betondecken anzuregen sind. KB FTm = 0,774 KB Fmax - 0,065 R² = 0,947 KB FTm = 0,127 KB Fm ax ^2 + 0,477 KB Fm ax + 0,026 R² = 0,962 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 KB FTm KB Fmax 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 KB FTi_z KB FTi_x KB FTi_y Holzbalkendecken s() KBFTm 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 KB FTi_z KB FTi_x KB FTi_y Betondecken s() KBFTm Bild 12.11: Vergleich der Ergebnisse der Schwingungskomponenten z-, x- und yauf Holz-und Betondecken in Gebäuden an Eisenbahnstrecken In Bild 12.12 sind die Ergebnisse der Schwingungskomponenten z-, x- und yin Raummitte sowie an der Außenwand auf Holzbalkendecken für zwei Räume in einem Mehrfamilienhaus dargestellt. Dieses Bild zeigt deutlich die großen Unterschiede bei Holzbalkendecken in Raum‐ mitte in z-Richtung auf. Im Vergleich zu den Ergebnissen in Raummitte liegen die Ergebnisse an der Wand deutlich niedriger. Auch dieses Ergebnis zeigt eindeutig, dass die vertikale Schwin‐ gungskomponente dominiert. In der Praxis reicht es daher in der Regel aus, nur die vertikale Schwingungskomponente zu erfassen. An dieser Stelle sei auch noch darauf hingewiesen, dass zur Ermittlung des KB FTi -Wertes keine besondere Triggerung des zu erfassenden Schwingungssignals erforderlich ist (sofern es sich um oberirdischen Schienenverkehr handelt). Es ist jeweils nur der Maximalwert einer Zugvorbeifahrt zu ermitteln. Dies gilt auch für den Sekundärschall falls zur Bewertung der Pegel L pAFmax,i oder L pASmax,i herangezogen wird. Im Messprotokoll sind jedoch evtl. Zugbegegnungen zu notieren. Große Aufmerksamkeit ist aber darauf zu legen, dass keine „Fremdanregungen“ durch Menschen oder andere Schwingungsanreger im Gebäude das Zugsignal verfälschen. Dies gilt insbesondere bei Holzbalkendecken, da diese leichter als Betondecken anzuregen sind. Bei Tunnelstrecken kann, sofern keine Kommunikation mit dem Geschehen im Tunnel möglich ist, ein Messaufnehmer im Baugrund über dem Tunnel helfen, die Zugvorbeifahrt zu detektieren. Beim innerstädtischen Betrieb ist z. B. eine Kommunikation über ein Funksignal aus den Haltestellen möglich. 434 12 Messung von Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="439"?> 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 WZ_z-W WZ_x-M WZ_y-M WZ_z-M SZ_z-W SZ_x-M SZ_y-M SZ_z-M s((KB FTm,j ) 2 ) / KB FTm / KB Fmax Messpunkte s((KBFTm,j)^2) KBFTm KBFmax Bild 12.12: Vergleich der aus den in allen drei Richtungen (x, y, z) gemessenen KB FTi -Werten abgeleiteten Größen: KB FTm , KB Fmax und s((KB FTm,j ) 2 ). Anregung durch Straßenbahnen bei Überfahrt von Weichenanlagen. SZ: Schlafzimmer, WZ: Wohnzimmer, -M: Raummitte, -W: neben der Wand 12.3.3 Grundlage für Prognosen Zur Abschätzung der möglichen Schwingungseinwirkungen auf Gebäude für • neue Strecken, • Umbau oder Erweiterung von vorhandenen Strecken oder • Neubau von Gebäuden an vorhandenen Strecken sind Prognosen der Erschütterungen und des Sekundärschalls erforderlich (siehe Kap. 14). Hierzu werden in der Regel Schwinggeschwindigkeitsspektren (Terzspektren nach DIN 45672-3 und Schmalbandspektren nach VDI 3837) herangezogen. In [12.11] wird für die Erschütterungs‐ prognose ein sogenanntes fast-bewertetes Max-Hold-Terzspektrum für die Erschütterungsprog‐ nose benötigt. In Bild 12.14 sind beispielhaft Terzspektren für das in Bild 12.13 gezeigte Pegel-Zeitsignal dargestellt. In dem Bild sind sowohl Mittelungsspektren für verschiedene Zeiten T p und T rec als auch MAX HOLD-Spektren und die Differenzen zwischen diesen Pegeln enthalten. Die Differenzpegel zwischen Max-Hold-Spektren und gemittelten Spektren liegen im Mittel bei ca. 8-dB. Die Zeiten in Bild 12.13 haben folgende Bedeutung: T P reine Vorbeifahrtzeit (über die beiden Enden, Puffer oder Kupplungen, eines Fahrzeugs), T rec T p + ansteigenden und abklingenden Ast der Schwingung (≥ 10 dB unterhalb von Beginn und Ende von T p ), T Aufz. T rec + T v (ca. je zwei Sekunden bis vier Sekunden oder mehr), T max Zeit um den Maximalwert des Schwingungssignals. Welche Zeiten für die Auswertung herangezogen werden, das hängt immer von dem Zweck der Untersuchung und den Festlegungen in Normen ab. 12.3 Auswertung von Schwingungsmessungen 435 <?page no="440"?> 2 Períodos „Umgang, Umlauf, Kreislauf “. Zeit für eine Schwingung, Durchgang durch den Nullpunkt. Bild 12.13: Zeiten zur Auswertung von Schwingungssignalen nach DIN 45672-2 (obiges Signal wurde am Emissi‐ onspunkt in 8 m Abstand von Gleismitte im Baugrund neben einer Eisenbahnstrecke gemessen). Für reine Erschütterungsprognosen reichen Frequenzen bis 80 Hz bzw. 100 Hz aus. Für Sekundärschallprognosen wird dieser Frequenzbereich bis ca. 350-Hz (Terzmittenfrequenz von 315-Hz) erweitert. T Aufz. T rec T v (ca. je zwei Sekunden bis vier Sekunden oder mehr), T max Zeit um den Maximalwert des Schwingungssignals. Welche Zeiten für die Auswertung herangezogen werden, das hängt immer von dem Zweck der Untersuchung und den Festlegungen in Normen ab. Bild 12.13: Zeiten zur Auswertung von Schwingungssignalen nach DIN 45672-2 (obiges Signal wurde am Emissionspunkt im Baugrund neben einer Eisenbahnstrecke gemessen) Für reine Erschütterungsprognosen reichen Frequenzen bis 80 Hz bzw. 100 Hz aus. Für Sekundärschallprognosen wird dieser Frequenzbereich bis ca. 350 Hz (Terzmittenfrequenz von 315 Hz) erweitert. 40 45 50 55 60 65 70 0 1 2 3 4 5 6 7 8 L vF , dB Zeit t, sec T p T rec T Aufzeichnung T max T v >4  10 dB 10 dB 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 3,15 45 6,3 8 10 12,5 16 20 25 31,5 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 SUM L v , dB Terzmittenfrequenz f Tn , Hz Lv-Mit-Trec Lv-MAXHOLD-Trec Delta-Trec Lv-Mit-Tp Lv-MAXHOLD-Tp Delta-Tp 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0 50 100 150 200 250 300 v, mm/ s Frequenz f, Hz Bild 12.14: Vergleich der Spektren für verschiedene Zeiten und für Mittelungsspektren und MAX HOLD-Spektren (links) und FFT-Spektrum (rechts) Um einen möglichen Brummton zu detektieren eignet sich die Analyse des Schwingungssignals ohne Vorbeifahrt (Ruhesignal), Bild 12.15. Aus dem Zeitsignal kann für die beiden Schwingungs‐ bereiche Perioden 2 von T 1 = 0,0283 s und T 2 = 0,0247 s abgelesen werden. Mit f = 1/ T folgen hierzu Frequenzen von f 1 = 35,3 Hz und f 2 = 40,5 Hz. Die FFT-Analyse für diesen kurzen Zeitabschnitt 436 12 Messung von Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="441"?> (12.1) ergibt die folgenden vier dominanten Frequenzen: 20,9 Hz / 33,5 Hz / 41,9 Hz und 54,4 Hz. Ein ausgeprägter Brummton ist somit nicht vorhanden. Dieses Beispiel zeigt die Bedeutung der Erfassung des „Ruhesignals“. Die Messung des Ruhesignals dient auch zur Ermittlung des Signal-Rausch-Verhältnis (S/ N: signal-to-noise ratio). Anzustreben ist ein Pegel > 10 dB über den gesamten zur Beurteilung heranzuziehenden Frequenzbereich. -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 5 5,1 5,2 5,3 5,4 5,5 5,6 v z , mm/ s t, s T 1 T 2 0 20 40 60 80 100 120 Frequenz f, Hz Bild 12.15: Darstellung eines Ruhesignals im Zeit- und Frequenzbereich 12.3.4 Bewertung von schwingungsmindernden Maßnahmen Zur Bewertung schwingungsmindernder Maßnahmen wird die Einfügedämmung oder das Ein‐ fügungsdämm-Maß D e (f Tn ) herangezogen. Für Betroffene in den Gebäuden ist die Minderung des KB F -Wertes und/ oder des Sekundärschallpegels L pAFmax,m bzw. L pAeq von Bedeutung. Das Einfügungsdämm-Maß ist wie folgt für Terzspektren definiert: D e f Tn = L v, 1 f Tn − L v, 2 f Tn = L a, 1 f Tn − L a, 2 f Tn ; dB Dabei bedeuten: L v, 1 f Tn bzw . L a, 1 f Tn Körperschall-Terzpegel für den Ausgangszustand, L v, 2 f Tn bzw . L a, 2 f Tn Körperschall-Terzpegel nach dem Einbau eines zusätzlichen elastischen Elementes bzw. einer sonstigen schwingungsmindernden Maßnahme (z. B. Einbau eines Masse-Feder-Systems oder Durchführung einer Pflegemaßnahme), f Tn Mittenfrequenz der n-ten Terz. Die Anwendung von Gleichung (12.1) setzt eine messtechnische Untersuchung voraus. In der Praxis bestehen hierzu grundsätzlich folgende Möglichkeiten (DIN 45673-3): • Vorher-/ Nachher-Verfahren: Die Minderungsmaßnahme wird in demselben Streckenab‐ schnitt eingebaut, die Messungen erfolgen demnach zu unterschiedlichen Zeiten. Wichtig hierbei ist, dass die Randbedingungen (weitgehend) gleich sind. Besonders gilt dies für die Quelle (Zugparameter) und den Messpunkt. Bei einem Messpunkt im Baugrund ist auf die Ankopplung zu achten (s. oben). Bei Tunnel- und Viaduktstrecken ist jeweils derselbe 12.3 Auswertung von Schwingungsmessungen 437 <?page no="442"?> (12.2) Messpunkt zu verwenden. In [12.21] werden z. B. Ergebnisse einer solchen Vorgehensweise beschrieben. • Links-/ Rechts-Verfahren: Hier werden in einem längeren Gleisabschnitt hintereinander die Gleise mit und ohne Maßnahme messtechnisch untersucht. Hierbei ist die Anregung (gleiches Fahrzeug und gleiche Geschwindigkeit) vorhanden. Die Schwingungsübertragung vom Gleis zum Messpunkt kann dabei aber sehr unterschiedlich sein. Dies gilt sowohl für Messpunkte im Baugrund als auch, falls die Strecke im Tunnel liegt und dort Messungen durchgeführt werden, auch für diese Messpunkte. Um dies zu prüfen sind ergänzende Messungen durch Anregung mit einer anderen Quelle, z. B. mit einem Prüfhammer, erforderlich. Evtl. sind die Messwerte anschließend mit den Ergebnissen der „künstlichen“ Anregung zu korrigieren (Anhang A.4 zur DIN 45673-3). Beispiele für die Ergebnisse solcher Untersuchungen sind in Kapitel 13 enthalten. 12.3.5 Messungen zur Ermittlung von Einflussgrößen In Bild 12.16 sind Schwinggeschwindigkeits-Terzspektren verschiedener Zugfahrten auf einer Tunnelstrecke dargestellt. Die Abweichungen in einzelnen Terzen sind zurückzuführen auf unterschiedliche Fahrrichtungen. In dem Beispiel sind Pegelspitzen in den Terzen 3,15 Hz / 6,3 Hz / 20 Hz / 50 Hz und 160 Hz vorhanden. Durch die Abstände „a“ der Räder des Testfahrzeugs und dem Stützpunktabstand werden mit v = 70km/ h folgende Frequenzen angeregt: f a = v 3, 6 • a a, m 0,65 2,1 4,45 6,55 f a , Hz 29,9 9,3 4,4 3,0 438 12 Messung von Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="443"?> 0 10 20 30 40 50 60 2 2,5 3,1545 6,38 10 12,5 16 20 25 31,5 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 L v,avg , dB re 5 × 10 -8 m/ s Terzmittenfrequenz f Tn , Hz Fahrt 1-K2 Fahrt 2-K2 Fahrt 3-K2 Fahrt 4-K2 Fahrt 5-K2 Fahrt 6-K2 Fahrt 7-K2 Mit arith. Bild 12.16: Schwinggeschwindigkeitsspektren mehrerer Zugfahrten auf einer Tunnelstrecke (Feste Fahrbahn) - Fahrten in beide Richtungen auf demselben Gleis mit einem U-Bahnfahrzeug, Messpunkt auf der Tunnelsohle in Gleismitte, vertikale Schwingungsrichtung Die Frequenz von ca. 50 Hz kann der Eigenfrequenz des Rad-Schiene-Systems zugeordnet werden (Oberbaueigenfrequenz). Eigenfrequenzen der Primär- und Sekundärfeder des Fahrzeugs liegen unter 10-Hz. Weitere geometrische Abstände in dem Schwingungssystem (Radabstand im Drehgestell, Drehgestellabstand im Fahrzeug) ergeben nach obiger Gleichung Frequenzen unter 15 Hz (bei den im Nahverkehr gefahrenen Geschwindigkeiten bis maximal 100 km/ h). Mit steigender Ge‐ schwindigkeit nehmen diese Frequenzen zu. Z. B. wird bei v = 300 km/ h und einem Radsatzabstand von 2,2-m eine Frequenz von rund 38-Hz angeregt. Ein Beispiel für die Ermittlung der mittleren Geschwindigkeit aus der aufgezeichneten Schie‐ neneinsenkung zeigt Bild 12.17. Dargestellt ist eine U-Bahn-Vorbeifahrt ohne Fahrgäste. Aus den maximalen Einsenkungen der vorderen und der hinteren Achse lässt sich über die auf der Abszisse aufgetragenen Zeit die mittlere Vorbeifahrzeit ermittelt, sie beträgt hier 1,96 sec. Mit dem bekannten Abstand zwischen erster und letzter Radachse des Fahrzeuges von 32,65 m folgt eine Geschwindigkeit von 69,6-km/ h. Als Sollgeschwindigkeit war v = 70-km/ h vorgegeben. Die mittlere Einsenkung - gemittelt über alle Radachsen - beträgt in diesem Beispiel 0,7 mm ± 0,14-mm. 12.3 Auswertung von Schwingungsmessungen 439 <?page no="444"?> Bild 12.17: Schieneneinsenkung, (Feste Fahrbahn mit elastischen Zwischenplatten) Vorgegeben: v = 70-km/ h Aus dem Diagramm entnommen: v ≈ 69,6 km/ h 12.4 Sekundärschallmessungen 12.4.1 Messung Mit Sekundärschall (Groundborne Noise) wird der von den Raumbegrenzungsflächen abge‐ strahlte Schall bezeichnet. Die Raumbegrenzungsflächen werden durch die Zugvorbeifahrten zu Körperschall angeregt. Das Schwingungs- und Abstrahlverhalten dieser Flächen beeinflusst den im Raum auftretenden Sekundärschall. Zusätzlich auftretender Schall, z. B. Klirren von Glasscheiben, Klingen von Gläsern usw., werden nicht dem Sekundärschall zugeordnet. Dieser Schall kann Frequenzen oberhalb der dem Sekundärschall zuzuordnenden Frequenzen aufweisen. Bei der Durchführung von Messungen ist daher darauf zu achten, dass diese Effekte möglichst vermieden werden (z. B. durch Abdecken oder Dämpfen dieser Schallquellen). Ebenfalls ist darauf zu achten, dass die Schalleinstrahlung durch die Fenster und die Einwirkung anderer Quellen im Haus (Aufzug, Kühlschrank, Waschmaschine usw.) weitestgehend vermieden werden. Um diese Probleme zu minimieren, bieten sich Messungen sowohl in streckenabgewandten Räumen als auch nachts an. Je nach Aufgabenstellung und Größe der zu untersuchenden Räume sind eine unterschiedlich große Anzahl von Mikrofonen im Raum zu platzieren. Häufig wird mit einem Mikrofon nahe Raummitte der Sekundärschall ermittelt, Bild 12.4 (siehe auch ISO 14837-1, ISO 14837-31, DIN 45672-4 und [12.12] bis [12.16] sowie TA Lärm [12.17]). 440 12 Messung von Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="445"?> 12.4.2 Auswertung In ähnlicher Weise, wie oben für die Schwingungen beschrieben, erfolgt auch die Auswertung des Sekundärschalls. In Bild 12.18 wird die grundsätzliche Vorgehensweise gezeigt. Die gestrichelten Kästchen zeigen optionale Auswertungen. Messgröße Schalldruck p(t) Forschung Gutachten - Prognose Gutachten - Bewertung Unbewertetes, bandbegrenztes Schalldrucksignal p(t) (z.B. f <= 350 Hz ) Auswertung im Frequenzbereich Auswertung im Zeitbereich Schmalbandanalyse (FFT) Terzanalyse (3 Hz bis 315 Hz) L peq,Tn L pAeq,Tn z.B. f = 1 Hz Frequenzbewertung (Fast oder Slow) Gleitender Effektivwert, Maximalwert (z.B. L pAFmax / L pASmax ) Amplituden- (p eff in Pa) oder Pegelspektrum (L p,eff re 2 . 10 -5 Pa) s.a.: DIN 45672-2 DIN 45672-4 ISO 14837-1 u. -31 Mittelungspegel L pAeq,T T = T rec / T p / T 4s Bild 12.18: Übersicht zur Auswertung gemessener Sekundär-Schallsignale in Wohnungen neben Gleisen der Eisenbahnen und Straßenbahnen 12.5 Bodenkennwerte Für vergleichende Schwingungsmessungen an verschiedenen Streckenabschnitten ist es erfor‐ derlich, Baugrundkennwerte aufzuzeichnen. Hierzu kann die Admittanz Y(if) (oder die Impedanz Z(if)) und/ oder die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit gemessen werden ([12.3], Anhang B zur DIN 45672-1 und ISO 14837-32 [12.18]). Beide Größen geben Auskunft über dynamischen Eigenschaften des Baugrunds. Dies ist insofern von Bedeutung, da die Bodenart einen wesentli‐ 12.5 Bodenkennwerte 441 <?page no="446"?> (12.3) (12.4) (12.5) (12.6) (12.7) chen Einfluss sowohl auf die Größe der angeregten Schwingungsamplituden als auch auf die Amplitudenabnahme mit der Entfernung hat (siehe DIN 4150-1). Die genannten Größen können z. B. durch Anregung mit einem Prüfhammer und Messung der Schwingungsantworten an den eingerichteten Schwingungsmessstellen ermittelt werden. Bei dieser Methode wird mit einem Fallgewicht (z. B. mit einem Prüfhammer) ein Stoß auf die Bodenoberfläche eingeprägt. Es entstehen Kompressions- und Rayleighwellen, die deutlich unterscheidbare Ausbreitungsgeschwindigkeiten besitzen. Auf einer Achse werden in verschie‐ denen Abständen vom Erreger die Schwinggeschwindigkeiten gemessen und aufgezeichnet. Die Auswertung liefert die Kompressions- und die Scherwellen-(Rayleighwellen-)geschwindigkeit v p und v s , aus denen, neben der Schubsteifigkeit, auch die Querkontraktionszahl ν ermittelt werden kann. ν = k − 2 2 • k − 2 mit k = v p v s 2 Die Scherwellengeschwindigkeit ergibt sich aus der Verbindung der positiven Nulldurchgänge der Schwingungsantworten mit der größten Amplitude und die Kompressionswellengeschwindigkeit aus der Verbindung der ersten Einsätze (Auslenkungen) der Schwingungsantworten. Ein Beispiel für diese Mess- und Auswertemethode zeigt Bild 12.19. Die Scherwellengeschwindigkeit ergibt sich dann zu v s = S s / t s und die Kompressionswellengeschwindigkeit zu v p = S p / t p . Näherungsweise ergeben sich folgende Werte aus dem Beispiel: v p = 500-m/ s; v s = 230-m/ s und ν = 0,37. Der Schubmodul G kann nach [12.3] und DIN 45672-1 wie folgt berechnet werden: G = ρ • ν s2 Mit ρ Dichte des Bodens in kg/ m 3 . Mit ρ = 1,7 • 10 3 kg/ m 3 und der oben bestimmten Scherwellengeschwindigkeit v s ergibt sich für das Beispiel ein Schubmodul von G = 9 . 10 7 -N/ m 2 . Werden die Amplituden der Schwingungsantworten maßstäblich aufgetragen, so ist die Materi‐ aldämpfung ebenfalls aus diesen Signalen abzuschätzen. Dies ist möglich, weil bei punktförmiger Anregung die geometrische Ausbreitungsdämpfung bekannt ist. Es gilt für die Schwingungsam‐ plitude an der Stelle „n“ und dem Abstand R von einer Referenzstelle (z. B. erster Messpunkt im Boden) mit der Amplitude A 0 A n = A 0 • 1 R 0, 5 (Rayleigℎwelle) Wird an der Stelle „n“ die Amplitude A n ‘ gemessen, so ergibt sich die Bodendämpfung zu D = A n − A′ n A n • 100 % Genauere Ergebnisse werden durch Anregung mit einem Unwuchterreger erhalten. Insbesondere ist hiermit eine frequenzabhängige Parameterbestimmung möglich [12.3]. 442 12 Messung von Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="447"?> -65 -55 -45 -35 -25 -15 -5 5 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 Entfernung vom Nullpunkt, m t, s t p ; v p t s ; v s Bild 12.19: Beispiel für eine Laufzeitmessung zur Ermittlung der Scher- und Kompressionswellengeschwindigkeit im Baugrund, Anregung mit einem Prüfhammer (Stoß) 12.6 Literatur zu Kapitel 12 [12.1] Baumüller, J./ Hoffmann, U. und U. Reuter: Städtebauliche Fibel: Hinweise für die Bauleitplanung. Herausgeber: Innenministerium Baden-Württemberg [12.2] Günter, B.C./ Hansen, K.-H. und I. Veit: Technische Akustik: Ausgewählte Kapitel. expert verlag, Kontakt & Studium Band 18 (1994) [12.3] Auersch, L. und F. Krüger: Untersuchung zur Ausbreitung und Minderung von Erschütterungen an Trassen des schienengebundenen Stadtverkehrs im Geländeniveau. Bericht 9* April 1983, Herausgeber: STUVA e.V., Köln (Forschungsbericht), BMFT-Forschungsprogramm: Verminderung des Verkehrslärms in Städten und Gemeinden - Teilprogramm Schienennahverkehr [12.4] Krüger, F. und H.-P. Schug: Schwingungsmessungen in der Umgebung innerstädtischer Bahn- und Straßentunnel; Hauptstufe Teil I: Bahntunnel, STUVA-Forschungsberichte 14/ 81 (Dezember 1980), Projektleitung: Blennemann, F. [12.5] Krüger, F. / Kasten, P./ Becker, H. u. a.: Demonstrationsvorhaben zum Einsatz von Schienendämpfungselementen auf Vollbahnbahnstrecken; BMFT-FE-TV 9049, Projektleiter: Krüger, F. (Oktober 1994) [12.6] Krüger, F. u. K. Martini u. a.: Verbundprojekt Leiser Verkehr - Kurvengeräusche. Entwicklung von anwendungsreifen und wirksamen Maßnahmen zur Reduzierung von Kurvenquietschen an Rad und Schiene, Teilvorhaben STUVA: Phänomenologische Beschreibung von Kurvengeräuschen (September 2009) [12.7] Blennemann, F./ Kraemer, S./ Krüger, F. und J. Melke: Vergleichende Bewertung der angewandten Meß- und Auswertemethoden für Körperschall- und Erschütterungsmessungen in U-Bahn-Tunneln, gemeinsamer Bericht von TÜV-Rheinland und STUVA (September 1982) [12.8] Eickschen E./ Brandenburg, W. u. H. Becker: Erschütterungen in der Umgebung von ÖPNV-Schienenbahnen - Messungen im Vergleich zu Anlieger-Beurteilungen. STUVA Forschungsberichte 17/ 84 ( Juni 1984) 12.6 Literatur zu Kapitel 12 443 <?page no="448"?> [12.9] Zeichert, K./ Sinz, A./ Schuemer, R. u. A. Schuemer-Kohrs: Erschütterungswirkungen aus dem Schienenverkehr. Bericht über ein interdisziplinäres Forschungsvorhaben im Auftrag des Umweltbundesamtes (Berlin) und des Bundesbahnzentralamtes (München), (November 1993) (unter Mitwirkung der STUVA e.V. bei den Messungen, Auswertungen und Berichtserstellung) [12.10] Krüger, F.: Bewertung der Erschütterungsimmissionen durch den Schienenverkehr. V+T (09.2019) und V+T (10.2019) [12.11] DB AG-Richtlinie 820.2050 - Grundlagen des Oberbaus - Erschütterungen und sekundärer Luftschall (Ausgabe 2017) [12.12] Said, A./ Grütz, H.-P. und R. Garburg: Ermittlung des sekundären Luftschalls aus dem Schienenverkehr. Zeitschrift für Lärmbekämpfung ( Januar 2006) [12.13] Krüger, F. und K. Martini: Praxisgerechtes Prognoseverfahren für Schienenverkehrserschütterungen - Erschütterungsprognose. BMBF-Forschung Förderungskennzeichen: 19-U 00 39A. Empfehlungen zur Erstellung von Prognosen von Sekundärschallimmissionen in Gebäuden an unterirdisch und oberirdisch geführten Schienenwegen (2006). [12.14] Workshop EMBE bei B&H, Zürich (Schweiz), Sekundärschall in Gebäuden an Schienenwegen. unveröffentlicht (05.11.2012) - • Steinhauser, P.: Berechnung des Sekundärschallpegels nach ONR 199 005 • Müller, R.: Erfahrungen der SBB mit Körperschall EMBE und Projekt RIVAS • Krüger, F.: Sekundärschall in Gebäuden an Schienenwegen • Herrmann, W.: Datenbestand zur Ermittlung des sekundären Luftschalls • Müller, G.: Sekundärer Luftschall - Grundlagen, Prognose, Messung, Beurteilung • Garburg, R.: Sekundärer Luftschall - Ermittlung und Prognose bei der Deutschen Bahn • Egger, A.: Analysen und Vergleiche zur EMBE-Methodik der Körperschallberechnung • Villot, M.: Main ideas developed in RIVAS deliverable D1.6 about re-radiated noise • Flesch, R. / Ralbovsky, M u. H. Friedl: Neueste Entwicklungen auf dem Gebiet der Erschütterungs- und Körperschallprognose in Österreich [12.15] Krüger, F.: Sekundärschall - Prognose und Bewertung. VDI-Berichte 1941; Baudynamik Kassel (2006) [12.16] Krüger, F./ Becker, H. und P. Prüm: Ermittlung von Kenngrößen aus Messungen an Rohbautunneln zur Festlegung des aus Immissionsschutzgründen notwendigen Oberbaus; Projektleitung: Blennemann, F., Bericht 20* ( Juni 1986) [12.17] TA Lärm - Sechste Allgemeine Verwaltungsvorschrift zum Bundes-Immissionsschutzgesetz (Technische Anleitung zum Schutz gegen Lärm - TA Lärm) [12.18] ISO/ TS 14837-32: 2015-12 - Mechanische Schwingungen - Erschütterungen und sekundärer Luftschall aus dem Schienenverkehr - Teil 31: Anleitung für Messungen vor Ort zur Ermittlung der Einwirkung auf den Menschen in Gebäuden - Teil 32: Messung von dynamischen Eigenschaften des Untergrunds [12.19] DIN 45672 - Schwingungsmessung an Schienenverkehrswegen - Teil 1: Messverfahren für Schwingungen - Teil 2: Auswerteverfahren - Teil 3: Prognose - Teil 4: Sekundärschall (in Arbeit) [12.20] DIN 45669 - Messung von Schwingungsimmissionen - Teil 1: Schwingungsmesser - Anforderungen und Prüfungen 444 12 Messung von Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="449"?> [12.21] Krüger, F. / H.-P. Schug / H. Becker u. a.: Untersuchung verschiedener Oberbauformen in einem U-Bahntunnel im Hinblick auf Schall- und Erschütterungsemissionen. Bericht 8* (März 1982) * Siehe Literatur zu Kap. 1 12.6 Literatur zu Kapitel 12 445 <?page no="450"?> 1 Dieses Kap. beruht weitgehend auf Kap. 7 aus [13.13]. Vorwiegend werden in diesem Kapitel verschiedene Lösungen für die praktische Umsetzung von Minderungsmaßnahmen sowie für die theoretische Abschätzung der Wirkung dieser Maßnahmen aufgezeigt. Viele Bilder wurden auf Basis der alten Vorlagen neu gezeichnet. 2 Ausführliche Beschreibung s. Kap. 9 und Kap. 15 13 Schwingungsminderung im Schienenverkehr Th. Jaquet, A. Repczuk, F. Krüger  1 13.1 Einführung Lärm- und Erschütterungsprobleme gehören zu den unbeliebten Begleiterscheinungen unserer Mobilität. Sie sind Zeichen von unkontrollierten Bewegungsabläufen und verraten z.-T. mangel‐ hafte Technik bzw. ungenügenden Willen bekannte Techniken konsequent anzuwenden. Wach‐ sendes Umweltbewusstsein und die Zunahme des Freizeitwertes, verbunden mit der Erhaltung bzw. Steigerung der Lebensqualität gerade in Ballungszentren, verlangen nach geeigneten Maß‐ nahmen zum Schutz vor zu hohen Schall- und Erschütterungsimmissionen. Auch die Betreiberge‐ sellschaften des schienengebundenen Verkehrs können sich solchen Forderungen nicht entziehen. Gesetzliche Grundlagen hierzu existieren mit Inkrafttreten des Bundesimmissionsschutzgesetzes BlmSchG 2 bereits seit 1974. Es regelt die von allen Arten von Fahrzeugen bzw. landgebundenen Verkehrswegen ausgehenden umweltschädlichen Wirkungen. Andere normative Vorgaben, z. B. für die Messung von Schwingungsimmissionen, existieren u. a. mit DIN 45669 und DIN 45672 sowie zur Beurteilung DIN 4150-2 (Normenzusammenstellung siehe Anhang B). Die Schwingungsentstehung im Bereich Rad/ Schiene lässt sich durch eine Veränderung der Anregungsmechanismen nicht beliebig reduzieren. In der Kontaktzone Rad/ Schiene werden die dynamischen Kräfte der mit z. T. hohen Geschwindigkeiten fahrenden Fahrzeuge auf wenige Quadratmillimeter Kontaktfläche (Stahl auf Stahl) abgetragen. Aufgrund der auftretenden hohen Hertz’schen Pressungen sind keine anderen Materialpaarungen geeignet, diese Belastungen bei gleicher Standzeit der Materialien aufzunehmen. Seit geraumer Zeit wird durch konstruktive Maßnahmen das Schwingungsverhalten des gesamten Drehgestells, einschließlich Räder, und des darunterliegenden Oberbaus optimiert, um die Körperschallentstehung und -weiterleitung zu reduzieren. Der am Immissionsort auftretende Körperschall (Erschütterungen und Sekundärschall) lässt sich durch verschiedene Maßnahmen mindern, die sich in drei Gruppen einteilen lassen: a) Reduzierung der Erschütterungsemissionen am Fahrweg (Quelle) Der Katalog möglicher Maßnahmen am Fahrweg umfasst einen weiten Bereich, angefangen von der Wartung und Instandhaltung des Rad-Schiene-Systems über elastische Schienenlager bis hin zur Ausbildung eines tieffrequent (< 15 Hz) abgestimmten Masse-Feder-Systems (MFS) des vollständigen Oberbaus. Klassifizieren lassen sich die verschiedenen Maßnahmen am Fahrweg nach ihrer Wirksamkeit hinsichtlich ihrer Körperschallminderung. b) Beeinflussung der Ausbreitung im Baugrund (Übertragungsweg) Hier wird die Wellenausbreitung infolge von Reflexion, Beugung und Interferenz durch ein Hindernis gestört. Zum Einsatz kommen - in Abhängigkeit von den Bodenverhältnissen - <?page no="451"?> (13.1) z. B. sehr steife Wandelemente, gasgefüllte Kissen oder Elastomer-Matten, die in Erdschlitzen verlegt werden. c) Maßnahmen am Bauwerk (Immissionsort) Hier sind zwei Methoden möglich. Zum einen wird das Bauwerk dynamisch abgestimmt. Dies bedeutet, dass Steifigkeitseigenschaften (Fundament, Decken) oder auch Dämpfungs‐ mechanismen so ausgebildet werden, dass im Baugrund vorhandene Erschütterungen beim Übergang ins Gebäude erheblich gedämmt werden. Diese Maßnahme wird u. a. in der Halbleiterindustrie bei Präzisionsfertigungsanlagen angewendet. Auf diese konstruktive Lösung wird im weiteren Verlauf jedoch nicht weiter eingegangen. Bei der zweiten Methode wird die direkte Einleitung der Schwingungen an der Kontaktfläche des Gebäudes zum Baugrund durch eine konsequent ausgeführte Fuge und durch Einfügen elastischer Lagerelemente in diese Fuge verhindert. Das Gebäude (gesamtes Gebäude oder nur oberhalb des Kellers) wird somit elastisch gelagert. Bei den Methoden a) und c) wird das Prinzip der Schwingungsisolierung angewendet. Dies bedeutet, dass ein schwingungsfähiges System ausgebildet wird, dessen Eigenfrequenz weit unterhalb der zu isolierenden Frequenzen (Anregungs- und Deckeneigenfrequenzen) liegt. Die Wirkungsweise dieses schwingungsfähigen Systems lässt sich am einfachsten am Beispiel eines Einmassenschwingers (engl. Single Degree of Freedom System → SDOF) beschreiben. Ein solches System besteht aus einer Masse, die über eine Feder und parallel geschaltetem Dämpfer an den Untergrund gekoppelt ist. Wirken Kräfte auf diesen Schwinger (Einleitung über den Baugrund (Fußpunkt) oder am Massekörper), so werden diese im Bereich der Eigenfrequenz f 0 des Systems in Abhängigkeit von der Dämpfung D verstärkt. Oberhalb des Abstimmungsverhältnisses η = 2 (η = Erregerfrequenz / Eigenfrequenz) findet eine Isolierung (Minderung) der Anregung statt. Die Übertragung V T = 1 + 4D 2 ⋅ η 2 1 − η 2 2 + 4D 2 ⋅ η 2 = F B F err ist in Abhängigkeit von η und D ist in Bild 13.1 dargestellt. Diese Darstellung zeigt den großen Einfluss der Dämpfung sowohl auf den Resonanzbereich (Eigenfrequenzen des Systems) als auch auf die darüber liegenden höheren Frequenzen. 13.1 Einführung 447 <?page no="452"?> Bild 13.1: Kraftübertragung V T beim Ein-Massen-Schwinger bezogen auf konstante Erregerkräfte. Für „Bodenkraft F B “ wird im Folgenden auch der Begriff „Sohlkraft F S “ verwendet 13.2 Minderung der Anregung - Überblick Mit der Kenntnis der Erregermechanismen (Kap. 11) werden gleichzeitig die Möglichkeiten aufgezeigt, die zu einer wirksamen Schwingungsminderung führen können. Der Konjunktiv wird hier bewusst gewählt, da in der Praxis nicht alle bekannten Möglichkeiten zur Schwingungsmin‐ derung an der Quelle genutzt werden können. Dies trifft z. B. für die Anregung infolge der Sekundärdurchbiegung der Schiene zu, da bis heute weitgehend alle Gleise in diskreten Abständen (Schwellen oder Einzelstützpunkte) gelagert sind (außer in die Straßenfahrbahn eingebettete Rillenschienengleise und die besonderen Oberbauformen mit kontinuierlicher Schienenlagerung (KES/ KON). Forschungsarbeiten in Richtung einer kontinuierlich-elastischen Schienenlagerung wurden durchgeführt. Es konnten erfolgversprechende Lösungsansätze gefunden werden [13.1]. Durch folgende Maßnahmen lässt sich die Anregung vermindern: • Schleifen der Schienenfahrflächen (Rutschersteine sind hier zu bevorzugen, d. h. ein konti‐ nuierliches Schleifen in Schienenlängsrichtung), • Einbau von beweglichen Herzstücken (führt zu geringeren Erschütterungen und Sekundär‐ schall in diesem Bereich), • Regelmäßiges Durcharbeiten des Schotterbettes zur Erzielung einer konstanten Gleisbett‐ steifigkeit. Insbesondere sind hohlliegende Schwellen zu vermeiden (diese bewirken infolge einer stoßartigen Anregung hohe Erschütterungsemissionen), • Vermeidung von Isolierstößen und Weichen in Bereichen mit naheliegender Wohnbebauung (z. B. bei Gebäuden mit Holzbalkendecken), • Veränderung der Fahrgeschwindigkeit (betriebliche Maßnahme), • Vermeidung von Flachstellen durch optimal eingestelltem Gleit- und Schleuderschutz, 448 13 Schwingungsminderung im Schienenverkehr <?page no="453"?> • Veränderung des Stützpunktabstandes zur Vermeidung eines ganzzahligen Vielfachen des Achsabstandes im Drehgestell zum Stützpunktabstand, • Verringerung der unabgefederten Radsatzmasse, • Beeinflussung der Drehgestellkonstruktion im Hinblick auf eine Minimierung der Erschüt‐ terungsanregung, z. B. Eigenfrequenzen des Rahmens abstimmen, Dämpfungen einfügen. Im Wesentlichen beruhen alle o. g. Maßnahmen auf eine Minderung der Kraft- und Parameteran‐ regung. Parameteränderungen werden z. B. durch Steifigkeitsänderungen in Gleislängsrichtung infolge hohlliegender Schwellen und diskontinuierlicher Schienenlagerung hervorgerufen. Ta‐ belle 13.1 zeigt einen Überblick über die generellen Auswirkungen wesentlicher Parameter auf die zu erwartenden Immissionen in Gebäuden. Eine Zusammenstellung der Maßnahmen am Emissionsort und deren Wirkung zur Immissionsminderung ist in Tabelle 13.2 enthalten. Die angegebenen Minderungen sind mittlere Werte, sie sind u. a. vom Ausgangs- und Endzustand sowie von den örtlichen Gegebenheiten abhängig. Einen ganz wesentlichen Einfluss auf die Anregung des Unterbaus (Tunnelsohle, Baugrund, Brückentragkonstruktion) hat deren Admittanz. Dies hat ganz wesentlichen Einfluss auf die Immissionen in nahegelegenen Gebäuden. In [13.4] wurden z. B. Schwingungsmessungen in zwei Tunnelabschnitten durchgeführt. Gleich waren hierbei der Oberbau (hier Schotterbettung), die Geschwindigkeit und das Fahrzeug. Die beiden Abschnitte unterschieden sich hinsichtlich Streckenführung, Bauverfahren und - ganz entscheidend - unterschiedlichem Baugrund. Im geraden Abschnitt lag der Tunnel nahezu vollständig in felsigem Baugrund, im gebogenen Abschnitt war der Felshorizont näherungsweise 1-m bis 2-m unterhalb der Tunnelsohle. In Bild 13.2 ist ein Ergebnis gemessener Schwingungen an der Tunnelwand in horizontaler Richtung und ca. 1,5-m über der Schienenoberkante für jeweils zwei 20-m auseinanderliegenden Messquerschnitten (MQ) dargestellt. Die Geschwindigkeit betrug v = 60 km/ h. Die Schwingge‐ schwindigkeits-Terzspektren sind Mittelwerte über mehrere Vorbeifahrten und gemittelt über die Zeit T rec . 13.2 Minderung der Anregung - Überblick 449 <?page no="454"?> Bild 13.2: Gegenüberstellung von Messergebnissen an der Tunnelwand in zwei unterschiedlichen Tunnel-Strecken‐ abschnitten und zwei Messquerschnitten, Schotteroberbau [13.4] Parameter Wirkung positiv negativ Flachstellen - X Anhaftungen an den Fahrflächen von Rad und/ oder Schiene (Kaugummi, Teer usw.) - X Geschwindigkeitsminderung X - geringere Achslasten X - Elastische Elemente im Oberbau X - große, elastisch abgefederte Oberbaumasse (MF-System) X - gute Gleislage X - kontinuierlich-elastische Gleislagerung (KES oder KON, [13.1]) X - Steifer Boden (großer Schubmodul, z. B. Fels) X - Lockerboden (niedriger Schubmodul) - X Einbauten im Boden, die die Bereiche Trasse und Gebäude verbinden (Körperschallbrücken), z. B. alte Fundamentreste - - X Einbauten im Boden zwischen den Bereichen Trasse und Gebäude (parallel zur Trasse), z. B. Abwasserkanal, Schirmwände - X - 450 13 Schwingungsminderung im Schienenverkehr <?page no="455"?> Parameter Wirkung positiv negativ großer Abstand zwischen Trasse und Gebäude X - elastisch abgefederte Gebäude X - Holzbalkendecken - X Betondecken X - Tabelle 13.1: Qualitative Wirkung von Parametern auf die Erschütterungsimmissionen in Gebäuden - Wirkung (Minderung) auf die Immissionen in Gebäuden (nähe‐ rungsweise, mehr oder weniger große Abweichungen sind mög‐ lich) Maßnahme Sekundärschall in dB(A) Erschütterungen in % 1 2 3 Schleifen (Räder und Schienen), in Abhängigkeit vom Ausgangszustand sind auch größere Wirkungen möglich 4 20 Bewegliche Herzstücke in Weichen 5-10 40 Durchgearbeiteter Schotter 4-6 40 Fahrgeschwindigkeit v in km/ h L 1 = L 0 + 10⋅lg(v 1 / v 0 ) (näherungsweise), Beispiel siehe Bild 13.3 - Beispiel siehe Bild 13.3 Schotter → Feste Fahrbahn mit elastischen Schienenlagern - 3-8 - Schwingungsdämpfung Umwandlung der Schwingungsenergie in Wärme (abhängig vom Frequenzbereich, quantitative Werte sind nicht bekannt) Schwingungsisolierung (weiche Schienenlager, Unterschottermatten, Masse-Feder-Systeme) bis 25-dB (je nach Oberbauform, sowie in Abhängigkeit von den Tunnel-/ Unterbau-/ Boden- und Gebäudeparametern). Dominante (Eigen-) Frequenzen in den Bereichen der Anregung, Übertragung und Wahrnehmung sind zu beachten. Größte Wirkung in der Regel im Frequenzbereich um die 63-Hz-Terz. Tabelle 13.2: Mittlere Wirkungen von Maßnahmen am Emissionsort (Rad, Schiene, Oberbau) zur Minderung von Erschütterungen und Sekundärschall in Gebäuden In Bild 13.3 ist beispielhaft die Wirkung verschiedener Schienenlagerarten sowohl auf die Erschütterungs- (links) als auch auf die Sekundärschallimmissionen (rechts) in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit dargestellt. Der Sekundärschall wird hier durch den Schalldruckpegel L pAFmax präsentiert. 13.2 Minderung der Anregung - Überblick 451 <?page no="456"?> 204 Bild 13.3: Beispiel für die Geschwindigkeitsabhängigkeit von Immissionswerten in einem Gebäude über einer U-Bahn-Strecke. Messungen im 1. Obergeschoß für unterschiedliche elastische Gleislagerungen [13.1]. Neben einer Minderung der Immissionen durch Reduzierung der Anregung bestehen hierzu auch Möglichkeiten durch Maßnahmen auf dem Übertragungsweg. Im Wesentlichen sind dies: - Schwingungsdämpfung, d. h. Umwandlung der Schwingungsenergie in Wärme, z. B. durch Verwendung dämpfender Materialien oder durch Reibung an Kontaktflächen. - Schwingungsisolierung durch Zwischenschaltung eines Masse-Feder-Systems (schwere, elastisch gelagerte Gleistragplatten oder -tröge aus Beton (mit und ohne Schotterbettung), Einbau hochelastischer Schienenlagerelemente). Hiermit ist die Größe der Erschütterungs- und Sekundärschallimmissionen maßgeblich zu beeinflussen. 13.3 Elastische Lagerungen im Oberbau 13.3.1 Einführung Die bekannten Oberbauformen können u. a. in solche mit Schotter und solche ohne Schotter (Feste Fahrbahn) eingeteilt werden, Bild 13.4. Diese Zusammenstellung zeigt alle wesentlichen Lösungen von Oberbauformen im Gleisbereich zur Beeinflussung der Erschütterungsemissionen. Zur Schwingungsminderung werden häufig Elastomere im Oberbaubereich eingesetzt. Diese können an verschiedenen Orten im Gleis eingebaut werden (Bild 13.5), und zwar unterhalb von (s. a. Kapitel 10): − dem Schienenkopf, − dem Schienenfuß (Zwischenlage Zw), KB FTm,KG = 0,017 v 0,41 KB FTm,PU = 0,014 v 0,34 KB FTm,KON = 0,006 v 0,49 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 10 20 30 40 50 60 70 80 KB FTm v, km/ h KG PU KON 2/ 1+2 L pAFmax,m,KG = 2,91 ln(v) + 30,4 L pAFmax,m,PUG = 2,71 ln(v) + 24,8 L pAFmax,m,KON = 4,67 ln(v) + 10,9 20 25 30 35 40 45 10 20 30 40 50 60 70 80 L pAF,max,m, dB(A) v, km/ h KG PU KON 2/ 1+2 Schienenlagerarten: Bild 13.3: Beispiel für die Geschwindigkeitsabhängigkeit von Immissionswerten in einem Gebäude über einer U-Bahn-Strecke. Messungen im 1.-Obergeschoß für unterschiedliche elastische Gleislagerungen [13.1] Neben einer Minderung der Immissionen durch Reduzierung der Anregung bestehen hierzu auch Möglichkeiten durch Maßnahmen auf dem Übertragungsweg. Im Wesentlichen sind dies: • Schwingungsdämpfung, d. h. Umwandlung der Schwingungsenergie in Wärme, z. B. durch Verwendung dämpfender Materialien oder durch Reibung an Kontaktflächen. • Schwingungsisolierung durch Zwischenschaltung eines Masse-Feder-Systems (schwere, elas‐ tisch gelagerte Gleistragplatten oder -tröge aus Beton (mit und ohne Schotterbettung), Einbau hochelastischer Schienenlagerelemente). Hiermit ist die Größe der Erschütterungs- und Sekundärschallimmissionen maßgeblich zu beeinflussen. 13.3 Elastische Lagerungen im Oberbau 13.3.1 Einführung Die bekannten Oberbauformen können u. a. in solche mit Schotter und solche ohne Schotter (Feste Fahrbahn, in Straßenfahrbahnen eingebettete Gleise) eingeteilt werden, Bild 13.4. Diese Zusammenstellung zeigt alle wesentlichen Lösungen von Oberbauformen im Gleisbereich zur Beeinflussung der Erschütterungsemissionen. Zur Schwingungsminderung werden häufig Elastomere im Oberbaubereich eingesetzt. Diese können an verschiedenen Orten im Gleis eingebaut werden (Bild 13.5), und zwar unterhalb von (s. a. Kapitel 10): • dem Schienenkopf, • dem Schienenfuß (Zwischenlage Zw), • einer zwischengelagerten Rippenplatte (Zwischenplatte Zwp), • einer Schwelle (Schwellenbesohlung), • dem Schotter (Unterschottermatten USM), • einer zusätzlichen Betonmasse (Masse-Feder-Systeme MFS). Mit einer elastischen Lagerung wird die Eigenfrequenz (Durchlassfrequenz) zu geringeren Frequenzen hin verschoben. Eine solche Lagerung besteht aus Federelementen (z. B. aus Gummi, Elastomeren, Metall, Kork, Fasern oder auch Schotter usw.) und einer zu Schwingungen an‐ geregten Masse (z. B. Radsätze, Schienen, Schwellen, Zusatzmassen und Schotter). Je nach 452 13 Schwingungsminderung im Schienenverkehr <?page no="457"?> Oberbauausführung ist die Anordnung und Formgebung der elastischen Elemente und Massen verschieden. Weitere Informationen zur Wirkung von schwingungsmindernden Oberbauformen sind den folgenden Abschnitten zu entnehmen. Bild 13.4: Oberbauformen mit unterschiedlicher Anordnung von Elastizitäten (siehe ISO 14837-1) 13.3 Elastische Lagerungen im Oberbau 453 <?page no="458"?> Bild 13.5: Prinzipielle Einsatzmöglichkeiten von Elastomeren / Stahlfedern beim schotterlosen Oberbau (Feste Fahrbahn) 1. Unter dem Schienenkopf und neben dem Schienensteg (z. B. bei Kontinuierlich-Elastischen-Schienenlagern) 2. Unter dem Schienenfuß (z. B. bei Kontinuierlich-Elastischen-Rillenschienenlagern), Zw 3. Unter einer Zwischenplatte (Rippenplatte, z. B. Nürnberg 1a, Kölner Ei, CentriCon etc.), Zwp 4. Unter einer Betonplatte oder einem Betontrog, Masse-Feder-Systeme 5. Rippenplatte 6. Betonmasse/ Betontrog mit Schotter 7. Keil (falls erforderlich) 13.3.2 Minderungsmaßnahmen - aktive / passive Maßnahmen zur Reduzierung der Schwingungsanregung kommen in der Nähe von erschütte‐ rungsempfindlichen Gebäuden und Bauwerken in Betracht, insbesondere in Bereichen von Wohnbebauungen. Mittlerweile hat sich eine Vielzahl von schwingungstechnisch optimierten Gleisoberbauformen durchgesetzt. Sie basieren auf der Verwendung von elastischen Werkstoffen 454 13 Schwingungsminderung im Schienenverkehr <?page no="459"?> im Übertragungsweg der Schwingungen, sie begrenzen deren Einleitung in den Unterbau und ihre Ausbreitung im Baugrund. Grundsätzlich wird unterschieden nach aktiven und passiven Maßnahmen zur Reduzierung der Schwingungsamplituden. Diese können in unterschiedlichen Bereichen auf dem Übertragungs‐ weg vom Entstehungsort (Rad/ Schiene) zu umliegenden Gebäuden oder Bauwerken angesiedelt sein. Hieraus ergeben sich die in Bild 13.6 dargestellten verschiedenen Einsatzbereiche schwin‐ gungsmindernder Maßnahmen. Die effektivsten Maßnahmen zur Minderung der Schwingungen lassen sich direkt an der Quelle (Emissionsort) durchführen. Sie sind aufgrund der dort nur kleinen räumlichen Ausdehnung der Maßnahme auch kostengünstiger als Maßnahmen, die z. B. auf dem Übertragungsweg (Transmis‐ sionsbereich) getroffen werden. Die Maßnahmen zur Verhinderung der Schwingungsentstehung werden als aktive Maßnahmen bezeichnet. Alle Maßnahmen zur Reduzierung oder Minimierung auf dem Ausbreitungsweg werden als passive Maßnahmen bezeichnet. Hierzu gehören auch die Maßnahmen zur Schwingungsisolierung am zu schützenden Bauwerk (s. elastische Gebäudeab‐ federung). Kap. 13  Kap. 13: Bild 13.06 / 13.08 (falsches Bild) / 13.12/ 13.13/ 13.14/ 13.15/ 13.16/ 13.17/ 13.18 / 13.19/ 13.20/ 13.23/ / 13.24/ 3.25/ 13.26/ 13.28/ 13.29/ 13.32 / 13.41/ 13.42/ 13.43/ 13.44/ Bild 13.47/ Bild 13.06 neu 2023 Bild 13.12 neu 2023 Bild 13.13 neu 2023 Emissionsort - Fahrzeug, - Oberbau, - Unterbau Transmissionsbereich - Kunstbauwerk, - Boden, - Gebäude (Fundament) Immissionsobjekt Wirkorte für schwingungsmindernde Maßnahmen Wechselwirkung 5 5 5 1 5 2 5 3 5 4 Bild 13.6: Einsatzbereiche schwingungsmindernder Maßnahmen an Trassen des schienengebundenen Verkehrs 13.3.3 Wirkprinzipien Die Entstehung von Schwingungen beruht auf der Umwandlung eines Teils der Arbeit (Energie) eines Bewegungsablaufs (hier: rollende Räder). Sie steht in einem solchen Fall für den Prozess der Fortbewegung nicht mehr zur Verfügung. Dies bedeutet einen Nachteil für den Bewegungsablauf 13.3 Elastische Lagerungen im Oberbau 455 <?page no="460"?> (13.2) und darüber hinaus eine Umweltbelastung in Form von Erschütterungen und Sekundärschall. Die Integration von Elastizität in einen Bewegungsablauf ermöglicht es hingegen, Spannungsspitzen abzubauen, Arbeit zu speichern und diese dem Bewegungsablauf wieder zuzuführen. Der Einbau von Elastizitäten kann eine isolierende Wirkung haben oder zusammen mit angekoppelten Massen schwingungsmindernd wirken. Diese Eigenschaften und Wirkprinzipien werden bei schwingungstechnisch optimierten Aus‐ führungen des Gleisoberbaus genutzt. Allen in diesem Zusammenhang hier diskutierten Ausfüh‐ rungen gemeinsam ist die Integration mindestens einer zusätzlichen elastischen Komponente, die den Gleisoberbau zu einem schwingungsfähigen Gesamtsystem ausbildet. Nachfolgend wird der elastisch gelagerte Oberbau unter dem Begriff „schwingungsfähiges System“ verstanden. Das Wirkprinzip eines solchen Systems ist in Bild 13.7 am Beispiel eines Einmassenschwingers dargestellt. Solche Schwinger werden auch als „System mit einem Freiheitsgrad“ bezeichnet. Bild 13.7: Einmassenschwinger (SDOF-System, single degree of freedom-system) als Ersatzmodell für den elasti‐ schen Gleisoberbau, Wirkung s. Bild 13.1 Die Masse bei einem Einmassenschwinger ist über einer Parallelschaltung von Feder und Dämpfer an den Untergrund (Tunnelsohle, Unterbau, Boden) angekoppelt. Wird ein solches System durch Schwingungen angeregt, so gibt der Amplituden-Frequenzgang (Vergrößerungsfunktion V T , Amplitudenfunktion) das Verhältnis zwischen den in den Untergrund eingeleiteten Kräften F B (t) (oder F S (t)) und den Erregerkräften (F err ) wieder, Bild 13.1. Dieses Bild zeigt die für ein solches System typische Verstärkung (Überhöhung) im Bereich der Eigenfrequenz. Hier ist die Anregung kleiner als die Schwingungsantwort. Im Frequenzbereich oberhalb der Grenzfrequenz f g beginnt die abschirmende Wirkung des Systems. Hier ist die Schwingungsantwort des Systems betragsmäßig kleiner als die Anregung. Beeinflusst wird dieses Verhalten durch die Dämpfung D. Die Eigenfrequenz f 0 wird durch die dynamische Steifigkeit k dyn der Elastizität (Feder) und der schwingfähig angekoppelten Masse m bestimmt: f 0 = 1 2π k dyn / m Die Praxis sieht im Fall des elastisch gelagerten Gleisoberbaus wesentlich komplexer aus. Zum einen ist mehr als eine Masse schwingungsfähig an dem Verformungs-/ Bewegungsvorgang 456 13 Schwingungsminderung im Schienenverkehr <?page no="461"?> 3 Im Grunde sind alle oben genannten Gleissysteme Masse-Feder-Systeme. In der Praxis hat sich jedoch diese Bezeichnung nur für das hier beschriebene System (große elastisch gelagerte Betonmasse) durchgesetzt. (13.3) beteiligt. Zum anderen sind in Verbindung mit dem Fahrzeug mehr als eine Feder (Elastizität) in den Schwingungsvorgang einbezogen. Ableitend aus dem Prinzip des Einmassenschwingers lässt sich jedoch folgender stark vereinfachter Zusammenhang für einen elastisch gelagerten Oberbau formulieren: Je höher die (elastisch gelagerte) Oberbaumasse, desto niedriger ist die Systemeigenfrequenz. Gleichzeitig gilt der Zusammenhang: Je geringer die im System integrierte Steifigkeit, desto tiefer fällt die Systemeigenfrequenz aus. Die Dämpfung im System beeinflusst dagegen fast ausschließlich die Höhe der Pegelüberhöhung im Bereich der Eigenfrequenz und die Flankensteilheit des Amplitudenfrequenzgangs. Auch hier stellt sich vereinfachend folgender Zusammenhang dar: Je geringer die Dämpfung im System, desto höher ist die Pegel‐ überhöhung (Amplitudenvergrößerung, Schwingungsüberhöhung, Verstärkung) im Bereich der Eigenfrequenz und desto höher ist die Abschirmwirkung in Frequenzbereichen oberhalb der Grenzfrequenz f g . f g = f 0 ⋅ 2 Die im Zusammenspiel zwischen den schwingenden Massen und der Elastizität (Steifigkeit und Dämpfung) entstehende Abschirmwirkung wird allgemein als „Dämmwirkung“ des Systems bezeichnet. Sie wird durch den (Amplituden-) Frequenzgang dargestellt. Als Maßeinheit wird die logarithmische Größeneinheit Dezibel verwendet. 13.3.4 Grundkonzepte und Ausführungsvarianten Ausgehend von den Möglichkeiten, Elastizität in den Oberbau einzubringen, haben sich verschie‐ dene Grundkonzepte entwickelt. Diese sind in zahlreichen Ausführungsvarianten untergliedert, z. B. bezüglich der Anordnung der Elastizität im System (Tabelle 13.3). Angefangen bei elastischen Zwischenlagen (Zw) unterhalb des Schienenfußes, über die elasti‐ sche Lagerung von Rippenplatten bei Verwendung von elastischen Zwischenplatten (Zwp), haben sich Generationen von elastischen Schienenlagern (SL) entwickelt. Kontinuierlich-elastische Schienenlagerungen (KES/ KON) wurden ebenfalls entwickelt und eingebaut [13.1]. Weiter „un‐ ten“ im Oberbau angeordnete elastische Lagerungen führten zu Entwicklungen wie z. B. elastische Schwellenschuhe oder elastische Schwellenbesohlungen. Für den klassischen Schotteroberbau (SchO) wurden vermehrt flächige Elastizitäten unterhalb des Schotterbettes geschaffen, die unter dem Begriff Unterschotterbzw. Gleisbettmatten (USM) bekannt sind. Um die elastisch gelagerte Oberbaumasse und damit die Dämmwirkung des Systems weiter zu erhöhen, wurden schließlich sogenannte Masse-Feder-Systeme 3 (MFS, engl. Floating Slab Track, FST) entwickelt. Bei Masse-Fe‐ der-Systemen besitzt der Gleiskörper die Form einer Gleistragplatte oder eines Gleistrogs aus Beton, der auf elastischen Elementen (Einzel-, Streifen- oder Flächenlager) abgestützt ist. Nr Grundkonzept Variante I Variante II Variante III 1 Schienenlagerung elastisches Schienenlager (SL) kontinuierlich elastische Schienenlagerung (KES oder KON) Zwischenplatten (Pads) unter Rippenplatten 13.3 Elastische Lagerungen im Oberbau 457 <?page no="462"?> 2 Schwellenlagerung Bi-Block-Schwelle mit Schwellenschuh Beton-Schwelle mit Schwellenschuh auf Fester Fahrbahn (FF) Beton-Schwelle mit Schwellensohle 3 Schotteroberbau Unterschottermatte (USM) unter Schotter - - 4 Masse-Feder-System (MFS) auf Elastomer-Stützlager auf Elastomer-Streifenlagern USM als verlorene Schalung 5 Schienenbedämpfung Gummi-Metall-Verbund mit der Schiene verklebt Schienenfuß und -steg umgreifendes Gummi-Profil mit Kammerfüllprofil Tabelle 13.3: Grundkonzepte und Ausführungsvarianten schwingungsmindernder Oberbauformen, siehe auch Bild-13.4 und Bild-13.5 Gleichzeitig hat die „Entwicklung“ bei elastischen Lagerungen im Gleisoberbau eine Vielzahl von zu verwendenden Materialien hervorgebracht. Allen System-Lösungen gemeinsam ist die Tatsache, dass die schwingungsmindernden Eigenschaften durch Elastomere, elastomerähnliche oder Stahl-Werkstoffe realisiert werden. 13.4 Beispiele und Ausführungsvarianten 13.4.1 Einführung Die Ausführungsvarianten elastischer Lagerungen im Gleisoberbau unterscheiden sich nach außen hin sichtbar in der Anordnung der Elastizität und der darüber angeordneten Oberbaumasse, Bild 13.5 und Bild 13.7. Von einem wirksamen schwingungsoptimierten Oberbau kann erst bei einer Anordnung der Elastizität unterhalb der schienenbefestigenden Rippenplatte geredet werden. Zwischenlagen (Zw) unterhalb der Schiene haben aufgrund der relativ geringen Elasti‐ zität eine eher untergeordnete Bedeutung für den Schwingungs- und Erschütterungsschutz, sie haben jedoch Einfluss auf die Schallemissionen. Eine Erhöhung der Elastizität (Verringerung der Steifigkeit) bei den derzeit auf dem Markt befindlichen Zwischenlagen (z. B. Zw 700 und Zw 900) führt zu erhöhter Schienenkopfauslenkung, verbunden mit der sich daraus ergebenden Spuraufweitung. 13.4.2 Elastische Schienenlagerungen Elastische Schienenlager (ESL) werden seit Anfang der 1960er Jahre in den unterschiedlichsten Bauformen und Varianten zur Minderung von Schwingungen und Erschütterungen im Gleisober‐ bau verwendet. Neben einteiligen Schienenlagern (Verbindung von Metall und Gummi durch Vulkanisation) gibt es vorwiegend mehrteilige Bauformen auf dem Markt. Letztere zeichnen sich dadurch aus, dass die der Schiene zugewandte Befestigungsplattform (meist in Form einer Rippenplatte), die Elastizität (z. B. elastische Zwischenplatte) und die Befestigungselemente mit dem Untergrund aus separaten Bauteilen bestehen. Beispiele hierfür sind in Gummiwannen gelagerte Rippenplatten (Beispiel: Bauform 1403-b) oder „schwimmend“ auf Zwischenplatten gelagerte Rippenplatten (Beispiel: Bauform Nürnberg 1a oder Clouth-CRP). Die Führung der Rippenplatte geschieht bei der letztgenannten Bauform durch Gewindebolzen oder Anker über 458 13 Schwingungsminderung im Schienenverkehr <?page no="463"?> Kunststoffkragenbuchsen. Die Elastizität ist bei dieser Lagerung hauptsächlich in den zwei Freiheitsgraden vertikaler Bewegung gegeben. Schienenlager dieser Bauform werden, durch zusätzliche Federn (meist Schraubenfedern) vorgespannt, auf dem Unterbau befestigt. Ein kleiner Nachteil dieser Schienenlagerung ist die Abhängigkeit der statischen und dynamischen Stütz‐ punktsteifigkeit vom Vorspannweg der (Niederhalte-) Federn und die Tatsache, dass das elastische Element nicht vorspannungsfrei eingebaut ist. Letzteres kann mögliche Alterungserscheinungen an dem elastischen Bauteil im gesamten Schienenlager beschleunigen. Eine bewegliche Lagerung der Schiene in sechs Freiheitsgraden (drei translatorische und drei rotatorische) ist mit vulkanisierten Schienenlagern gegeben. Die der Schiene zugewandte Befestigungsplattform (hier Oberplatte) ist über eine Gummikontur mit dem am Unterbau zu befestigenden Rahmen des Lagers zusammenvulkanisiert, Bild 13.8. Das dargestellte Lager hat eine zweistufige Federcharakteristik. Die zweite Federstufe ist unterhalb der Rippenplatte ange‐ ordnet, sie ist wirksam bei hohen Belastungen. Auch hier existieren unterschiedliche Bauformen, die sich in der Anordnung der Elastizität im Lager und vor allem in der Belastungsart (Zug, Druck, Scherung) der Gummikontur/ -elemente unterscheiden. Hingewiesen sei an dieser Stelle auf die Zusammenhänge des unterschiedlichen Kennlinienverlaufs bei den verschiedenen Belas‐ tungsarten im elastischen Element einer Lagerung (Druck: progressiv, Zug: degressiv, Scherung: linear). Auch zwei- oder mehrstufige Kennlinienverläufe sind bei diesen Lagerbauformen üblich. Die Lagersteifigkeit lässt sich in einem weiten Bereich über die verwendeten Gummihärten (Shore-(A)-Härten) modifizieren oder einstellen. Bild 13.9 zeigt z. B. die Spanne gemessener Kraft-Weg-Diagramme verschiedener elastischer Schienenlager [13.1]. Dieses Bild zeigt deutlich, wie stark die Elastizität der einzelnen Lager voneinander abweichen kann. Entsprechend variiert auch die schwingungsmindernde Wirkung der jeweiligen Lager. Bild 13.8: Schienenlager (Kölner Ei), montiert auf der Tunnelsohle oder Gleislängsbalken, auf Brücken oder, zur Sanierung, auf Schwellen 13.4 Beispiele und Ausführungsvarianten 459 <?page no="464"?> Bild 13.9: Beispiele für Steifigkeitsverläufe von unterschiedlichen elastischen Schienenlagern, gemessenen auf einem Prüfstand [13.1] Schienenlager können in unterschiedlicher Weise, z. B. auf betoniertem Unterbau (Tunnelsohle), auf Stahlbrücken oder auf Holzschwellen, eingebaut oder nachgerüstet werden. Unterschiedliche Einbauverfahren auf einem Betonuntergrund sind möglich, Bild 13.10. Unterschieden wird die direkte Befestigung auf Gleistragplatten: Montage auf untergossenen Längstragbalken oder Sockeln. Ein Beispiel für ein seitlich, den Schienenkopf stützendes elastisches Schienenlager zeigt beispielhaft Bild 13.11. Weitere alternative Lösungsansätze hierzu sind u. a. in [13.1] zu finden. Auch für die Schienenbefestigungen bei Festen Fahrbahnen (FF) im Hochgeschwindigkeitsver‐ kehr (HGV) bis 300 km/ h sind solche Lagerungen prinzipiell einsetzbar (Bild 13.12). Teilweise werden hierbei die Schienenlager auf Schwellen montiert und anschließend in ein Betonbett eingefügt. 460 13 Schwingungsminderung im Schienenverkehr <?page no="465"?> 213 Bild 13.10: Schienenlager Nürnberg 1a, montiert im Tunnel auf einem Gleislängsbalken mit Unterguss-Sockel, Feste Fahrbahn (links) und ebenerdig auf Längsbalken bei einem Grünen Gleis (oben) Bild 13.11: Delta Lager der Firma Ortec (Anwendung bei der KVB, Köln) - Oben auf einem Viadukt mit Fester Fahrbahn, - Unten auf Schwellen im Schotterbett. Bild 13.12: Prinzipieller Aufbau einer Festen Fahrbahn mit el. Schienenlagern: 1: Betontragschicht BTS (oder Betonschwelle) 2: Hydraulisch geb. Tragschicht HGT 3: Frostschutzschicht 4: Unterbau Bild 13.10: Schienenlager Nürnberg 1a, montiert im Tunnel auf einem Gleislängsbalken mit Unterguss-Sockel, Feste Fahrbahn (links) und ebenerdig auf Längsbalken bei einem Grünen Gleis (oben) Bild 13.10: Schienenlager Nürnberg 1a, montiert im Tunnel auf einem Gleislängsbalken mit Unterguss-Sockel, Feste Fahrbahn (links) und ebenerdig auf Längsbalken bei einem Grünen Gleis Bild 13.11: Firma Ortec KVB, Köln) - Oben auf einem Viadukt mit Fester Fahrbahn, - Unten auf Schwellen im Schotterbett. Bild 13.12: einer Festen Fahrbahn mit el. Schienenlagern: 1: Betontragschicht BTS (oder Betonschwelle) Bild 13.11: Delta Lager der Firma Ortec (Anwendung bei der KVB, Köln) Oben auf einem Viadukt mit Fester Fahrbahn, Unten auf Schwellen im Schotterbett. 13.4 Beispiele und Ausführungsvarianten 461 <?page no="466"?> 5 5 5 1 5 2 5 3 5 4 Bild 13.12: Prinzipieller Aufbau einer Festen Fahrbahn mit el. Schienenlagern: 1: Betontragschicht BTS (oder Betonschwelle) 2: Hydraulisch geb. Tragschicht HGT 3: Frostschutzschicht 4: Unterbau 5: Untergrund, Baugrund, Boden 13.4.3 Elastische Schwellenlager Die elastische Lagerung von Beton- oder Kunststoff-Schwellen (Schwellenschuh / Schwellenbe‐ sohlung) ist eine weitere Möglichkeit, zusätzliche Elastizität in den Gleisoberbau einzubringen und eine dämmende Wirkung des Gesamtsystems zu erzielen. Übliche Anwendungsfälle sehen den Einsatz von Schwellenschuhen aus Gummi vor, die die Schwelle gegen den Untergrund abstüt‐ zen. Konstruktiv sind Schwellenschuhe so gestaltet, dass sie vertikal höhere Verformungswege realisieren als horizontal. Die Anwendung von Schwellenschuhen im erschütterungsmindernden Oberbau erfolgt hauptsächlich im schotterlosen Oberbau. Jedoch ist auch die Anwendung im Schottergleis möglich, Bild 13.13. Bild 13.14 zeigt eine Schwellenbesohlung mit elastischen, plattenförmigen Materialien. 12 mm Gummi / PUR Platte Schwellenschuh Bankett Gefälle Drainage Bild 13.13: Zweiblockschwellen mit Schwellenschuhen im Schotteroberbau 462 13 Schwingungsminderung im Schienenverkehr <?page no="467"?> Schwellenbesohlung , , , , , , , , " , , , , , , , , Schnitt A-A A , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ✓ , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ✓ , , , , , , , , ✓ , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , Federschicht Lastverteilerschicht Bild 13.14: Elastische Schwellenbesohlung (Fa. Getzner) 13.4.4 Schotteroberbau mit Unterschottermatten Auch wenn bei Neubaustrecken die Feste Fahrbahn (FF) als Regeloberbau des HGVs festgelegt ist, besteht der überwiegende Teil des schienengebundenen Streckennetzes der DB AG aus Schotter‐ oberbau. Der körperschalltechnisch optimierte Schotteroberbau besitzt eine zusätzliche elastische Bettung unterhalb des Schotters. Seit Anfang der 1970er Jahre werden hierzu sogenannte Unterschottermatten (USM) eingesetzt. Die heute am Markt befindlichen Unterschottermatten mit Zulassung durch das Eisenbahnbundesamt (EBA) bzw. mit Bescheinigung der Gebrauchstaug‐ lichkeit sind hinsichtlich ihrer Dämmwirkung über Jahre hin von den verschiedenen Herstellern optimiert worden. Die Zustimmung zur Anwendung von Unterschottermatten im Einzelfall ist eine gängige Praxis bei Einsatzfällen im Streckenbereich der DB AG und im Straßenbahnbereich. Der elastisch auf Matten gelagerte Schotteroberbau gilt als eine äußerst wirksame Methode zur Körperschalldämmung. Aufgrund der hohen Oberbaumasse reicht diese Oberbauform in ihrer Dämmwirkung nahe an die von elastisch gelagerten Gleistragplatten (Masse-Feder-Systeme) heran. Da auch bei den für Unterschottermatten verwendeten Werkstoffen und Materialien das volu‐ menkonstante Deformationsverhalten gilt, muss auch hier die Verformbarkeit durch Hohl- oder Freiräume im Inneren der Matten ermöglicht werden. Der Markt bietet bei Unterschottermatten herstellerspezifisch verschiedene Bauformen an. Sie lassen sich grob in nach außen hin profilierte, geschäumte Bauformen oder in Matten mit inneren Hohlräumen unterteilen, Mischformen sind möglich. Vorwiegend werden Matten in Bahnen hergestellt. Bei dem Einbau unter dem Gleisschotter werden die Mattenbahnen zugeschnitten und quer zur Gleisachse verlegt. Die Verbindung der Mattenbahnen untereinander geschieht z. B. mit Stufenfalz seitlich der Matte, mit Überlappungs‐ streifen zur Stoßüberdeckung oder mit sogenannten Mattenschlössern. Diese Verbindungen können je nach Anforderung zusätzlich verklebt werden. Bei Matten mit gewebearmierten Deckschichten ist zudem eine Stopfenverbindung möglich. In einem Gleistrog können je nach örtlichen Gegebenheiten Boden- und Seitenmatten separat oder in einem verlegt werden. Bei einer getrennten Verlegung von Boden- und Seitenmatten werden die Matten an der Stoßstelle entsprechend verbunden (Bild 13.15). Für die seitliche Befestigung an den Seitenbereichen, z. B. Bankett oder Kabelkanal im Tunnel, werden Abschluss-/ Halteprofile aus Kunststoff, Gummi oder Metall eingesetzt. Oberflächenwasser, welches während des Streckenbetriebes anfallen kann, wird gewöhnlich an dafür vorgesehenen Stellen mittels Drainagebohrungen durch die Matten 13.4 Beispiele und Ausführungsvarianten 463 <?page no="468"?> abgeführt. Unterschottermatten, die an ihrer Unterseite ausreichend profiliert sind, ermöglichen ein Abfließen oder Verdunsten von Wasser unterhalb der Matten. Je nach Mattentyp lassen manche Unterschottermatten eine durchgehende Verlegung im Gleistrog zu (Bild 13.16). Diese Verlegemöglichkeit erspart unnötige Stoßfugen. Betonsohle Gefälle Drainage Schlagdübel (Befestigung an der Seitenwand) Kunststoff-Z-Profil Seitenmatte Bodenmatte Fugenband/ -streifen Geotextil Bild 13.15: Separate Verlegung von Boden- und Seitenmatten, Schotteroberbau mit Matten Betonsohle Gefälle Drainage Schlagdübel (Befestigung an der Seitenwand) z. B. Kunststoff-Z-Profil (zur Abdichtung) Boden- und Seitenmatte Eckprofil Geotextil Bild 13.16: Durchgehende Verlegung von Unterschottermatten im Gleistrog (links), Anwendung im Tunnel (rechts, HOCHBAHN Hamburg) 464 13 Schwingungsminderung im Schienenverkehr <?page no="469"?> 13.4.5 Masse-Feder-Systeme mit Elastomerlagern - 13.4.5.1 Einführung Die wirksamste Erschütterungsisolierung wird mit einem Masse-Feder-System erzielt. Der Auf‐ bau eines solchen Systems besteht aus einer Masse, die durch elastische Bauteile abgefedert wird. Das Gewicht dieser Grundmasse bewirkt bereits eine Einfederung im elastischen Element, die durch das Gewicht des Fahrzeuges noch erhöht wird. Je höher der Grundmassenanteil und damit zusammenhängend die Biegesteifigkeit der Fahrwegplatte im Verhältnis zur Verkehrslast ist, desto geringer ist die zusätzliche Einfederung bei einer Zugüberfahrt. Dadurch wird sicher‐ gestellt, dass einerseits die bei Schienenbahnen maximal zulässige Verformung der Schiene (diese beeinflusst die Spannung im Schienenfuß) nicht überschritten wird, andererseits aber das ganze Schwingungsschutzsystem über eine relativ hohe Gesamteinfederung tief abgestimmt ist. Die Grundmasse kann als Betontrog, Betonbalken oder Betonplatte ausgebildet werden, sie wird vor Ort in Segmenten mit Längen von etwa 10 m bis 30 m oder als kontinuierliche Platte mit Längen > 50 m betoniert. Die Länge der Betonmasse wird im Wesentlichen durch die Betoneigenschaften bestimmt. Auf den Platten werden die Schienen direkt mittels nicht sehr weicher elastischer Schienenlager befestigt (Feste Fahrbahn). Um zu große Steifigkeitssprünge zwischen unterschiedlichen Überbauformen zu verhindern, werden in den Übergangsbereichen unterschiedlich weiche Schienenlager eingebaut. Ein Beispiel für eine solche Lösung zeigt Bild 13.17 aus Singapur. Bild 13.17: Übergang zwischen Fester Fahrbahn mit weichem Schienenlager und Masse-Feder-System mit härte‐ rem Schienenlager. D: Deckel für Stahlfederöffnung (aus einem Tunnel in Singapur) Bei einer Trogausbildung kann ein normaler Schotteroberbau weiterhin Verwendung finden (mit den üblichen Schwellenwerkstoffen). Außerdem werden vorgefertigte Betonelemente mit Ausbuchtungen zur Aufnahme der Schwel‐ len für den Gleisrost eingesetzt. Der Zwischenraum zwischen den Schwellen und der Ausbuch‐ tung wird nach Ausrichtung des Gleises vergossen. Hierdurch wird eine gute Gleislage erreicht. Ein Beispiel für eine solche Lösung auf einem geraden Gleis (Tunnel) zeigt Bild 13.18. 13.4 Beispiele und Ausführungsvarianten 465 <?page no="470"?> Bild 13.18: Masse-Feder-System mit Einzeltrögen und Betonschwellen [13.4], Anwendung z. B. bei der Stadtbahn Dortmund, der S-Bahn Hamburg und der MRT in Singapur (abweichende Formen und Maße wurden umgesetzt) Um die Quersteifigkeit des Fahrweges zu erhöhen, können die einzelnen Segmente untereinander verdübelt werden. Die elastischen Elemente (Federn) können entweder in Streifenform oder als Einzelelemente ausgebildet werden. Die Zugänglichkeit wird durch Revisionsöffnungen oder durch Herausnehmen eines ganzen Segments gewährleistet. Die Isolierwirkung eines tief abgestimmten Masse-Feder-Systems (f 0 um 5-Hz) beginnt bei ca. 8-Hz. Für die ersten Masse-Feder-Systeme wurden in den 1960er Jahren elastomere Materialien als elastische Bauteile verwendet. Noch heute werden als Lagermaterialien Polyurethane, Chloro‐ prene, Kork-Gummimischungen und Gummi etc. eingesetzt. Jedes Material hat seine spezifischen Eigenschaften, die z. T. oben beschrieben sind. Anwendung finden Masse-Feder-Systeme bei Straßen- und U-Bahnen sowie bei Eisenbahnen. Sie werden vorwiegend im Tunnel, jedoch auch ebenerdig im Straßenbereich eingesetzt. Die Bauverfahren der Masse-Feder-Systeme hängen u. a. stark von den vorgebenden Rand‐ bedingungen ab. Die das Gleis tragende Masse kann in Ortbeton und als Fertigbeton erstellt werden. Des Weiteren sind auch Lösungen mit und ohne Schotter im Einsatz. Die Anordnung der Lager variiert zwischen vollflächiger Lagerung, Streifenlager und Einzellager. Seitlich der Tragplatte werden spezielle Kompressionsbänder in die Längsfugen zwischen Tragplatte und Seitenbankett eingebracht, um eine Seitenführung der Tragplatte zu gewährleisten und eine Körperschallübertragung zu verhindern. Dies verdeutlicht, wie komplex die Ausführungen solcher Systeme sein können, dementsprechend kostenintensiv sind sie. Nachfolgend werden einzelne Lösungen näher beschrieben. - 13.4.5.2 Vollflächige Lagerung Vollflächige Lagerungen werden vorwiegend im ebenerdigen Straßenbereich für sogenannte „leichte“ Masse-Feder-Systeme (Abstimmungsfrequenz f 0 > 12 Hz) eingesetzt. Die elastische Matte wird hierbei als verlorene Schalung verwendet. Zunächst erfolgt die Erstellung des Gleistroges, auf dem die elastische Matte sowohl auf der Sohle als auch an den Trogseiten vollflächig und fugenlos verlegt wird. Auf die Matte wird die Fahrwegplatte in Ortbetonbauweise erstellt. Je nach Ausführung kann das Gleis als separates Gleis oder als überfahrbares Straßengleis (geschlossenes Gleis) mit Schwarzdecke oder Pflastersteinen erstellt werden. 466 13 Schwingungsminderung im Schienenverkehr <?page no="471"?> 13.4.5.3 Streifenlagerung Bei der Streifenlagerung werden die Betonteile kontinuierlich in Längsrichtung (in Fahrtrichtung) gelagert (Bild 13.19). Bei dieser Lagerungsart werden im Allgemeinen Fertigteiltröge verwendet. Mit diesem Masse-Feder-System lassen sich tiefere Abstimmfrequenzen gegenüber der vollflä‐ chigen Lagerung erzielen (weichere Lagerung). Bild 13.19: Masse-Feder-Systeme auf Elastomer-Streifenlager; links: Schottertrog, rechts: Betonplatte mit Seiten‐ streifen (Quelle: Fa. Getzner) - 13.4.5.4 Punktförmige Lagerung Bei dieser Methode werden die Betonteile punktförmig elastisch abgefedert (Bild 13.20). Dabei werden die Lager unterhalb der Schiene oder seitlich in Nischen angeordnet. Die Fahrwegplatte wird in Ortbeton oder als Fertigteil hergestellt. In Ortbeton lassen sich Fahrwegplatten in Längen > 30 m realisieren. Nach Abbinden des Betons wird die Platte mittels Hydraulik in den Revisionsöffnungen angehoben, die Lager eingemessen und danach die Platte auf die Lager abgesetzt. Durch die Revisionsöffnungen können die Lager jederzeit inspiziert und ausgetauscht werden (Bild 13.21). Damit keine Körperschallbrücken entstehen ist zu beachten, dass die Bereiche unter der Masse (grün in Bild-13.20) frei bleiben. Betonsohle Entwässerungskanal Fugen-/ Seiten abschlussprofil Revisionsöffnung Fertigbeton-Trog Elastomerlager Bild 13.20: Masse-Feder-System auf Elastomer-Blocklagern (Quelle: Fa. ContiTech) 13.4 Beispiele und Ausführungsvarianten 467 <?page no="472"?> 220 Bild 13.21: Anheben der Fahrwegplatte in der Revisionsöffnung mittels Hydraulik, Einmessen der Lager (Quelle: Fa. ContiTech) Bei der Ortbetonbauweise wird die Tunnelsohle und die beiden Tunnelseiten bis zur Höhe der Schienenoberkante durch eine Trennfolie abgedeckt. Die hierauf betonierten Fahrwegplatten gehen somit keine feste Verbindung mit der Tunnelkontur ein. Ein späteres Anheben ist somit problemlos möglich. Um Querverformungen und somit unzulässige Schienenspannungen an den Plattenübergängen zu vermeiden, sind die Lager am Übergang so anzuordnen, dass sie die beiden Plattenenden gleichmäßig unterstützen. Bei großen Verformungen sind außerdem Schubverdübelungen vorzusehen. Masse-Feder-Systeme mit punktförmig gelagerten Massen lassen vertikale Eigenfrequenzen von ca. 7 Hz zu. Nachfolgend sind für die jeweilige Bauform Ausführungsbeispiele während der Bauphase dargestellt. Bild 13.22 zeigt ein Masse-Feder-System auf Streifenlagerung. Dargestellt ist der Fertigteiltrog für den späteren Schotteroberbau. Bild 13.23 zeigt ein oberirdisch ausgeführtes Leichtes Masse-Feder-System in Ortbetonbauweise. Zu erkennen ist, dass die Fahrwegplatte, getrennt durch eine Folie, auf die vollflächige elastische Matte (auch im Wannenbereich) betoniert wird. Die Herstellung eines Masse-Feder-Systems auf Punktlagern zeigt Bild 13.24. Diese sind vorgefertigt unterhalb der Faserzementplatte angeordnet, die wiederum eine verlorene Schalung für die Ortbetonplatte ist. Bild 13.21: Anheben der Fahrwegplatte in der Revisionsöffnung mittels Hydraulik, Einmessen der Lager (Quelle: Fa. ContiTech) Bei der Ortbetonbauweise wird die Tunnelsohle und die beiden Tunnelseiten bis zur Höhe der Schienenoberkante durch eine Trennfolie abgedeckt. Die hierauf betonierten Fahrwegplatten gehen somit keine feste Verbindung mit der Tunnelkontur ein. Ein späteres Anheben ist somit problemlos möglich. Um Querverformungen und somit unzulässige Schienenspannungen an den Plattenübergängen zu vermeiden, sind die Lager am Übergang so anzuordnen, dass sie die beiden Plattenenden gleich‐ mäßig unterstützen. Bei großen Verformungen sind außerdem Schubverdübelungen vorzusehen. Masse-Feder-Systeme mit punktförmig gelagerten Massen lassen vertikale Eigenfrequenzen von ca. 7-Hz zu. Nachfolgend sind für die jeweilige Bauform Ausführungsbeispiele während der Bauphase dargestellt. Bild 13.22 zeigt ein Masse-Feder-System auf Streifenlagerung. Dargestellt ist der Fertigteiltrog für den späteren Schotteroberbau. Bild 13.23 zeigt ein oberirdisch ausgeführtes Leichtes Masse-Feder-System in Ortbetonbauweise. Zu erkennen ist, dass die Fahrwegplatte, getrennt durch eine Folie, auf die vollflächige elastische Matte (auch im Wannenbereich) betoniert wird. Die Herstellung eines Masse-Feder-Systems auf Punktlagern zeigt Bild 13.24. Diese sind vorgefertigt unterhalb der Faserzementplatte angeordnet, die wiederum eine verlorene Schalung für die Ortbetonplatte ist. 468 13 Schwingungsminderung im Schienenverkehr <?page no="473"?> Bild 13.22: Oberbau als Masse-Feder-System mit Schotter - als Streifenlagerung ausgeführt (Quelle: Fa. Getzner) Bild 13.23: Masse-Feder-Systeme im Straßenbereich. Beispiel links: Pyrmont (Australien), Quelle Fa. ContiTech; Beispiel rechts: Graz, Quelle Fa. Getzner 13.4 Beispiele und Ausführungsvarianten 469 <?page no="474"?> f Einzellager Faserzementplatte Bild 13.24: Erstellung der Fahrwegplatte auf Kork-Gummi Einzellager (Metro Sao Paulo, Quelle: Fa. CDM) 13.4.6 Masse-Feder-Systeme mit Stahlfedern - 13.4.6.1 Grundlagen Neben Elastomeren werden auch Stahlfedern (z. B. System Gerb) als elastische Lager verwen‐ det. Diese Masse-Feder-Systeme werden sowohl bei Vollbahnstrecken als auch bei Strecken für den öffentlichen Nahverkehr eingesetzt. Beispielhaft werden hier folgende zwei Projekte aufgezeigt: Eine Hochgeschwindigkeitsstrecke für Vollbahnen (Korea) und ein oberirdisches Masse-Feder-System aus Bielefeld für den öffentlichen Nahverkehr (siehe hierzu auch Kap. 5 „Aktuelle Themen der Fahrweggestaltung“ aus [13.14]). Beim Einbau des Systems GERB in den Fahrweg sind grundsätzlich drei Varianten möglich: • Variante A: Anordnung der Federelemente unterhalb der Fahrwegplatten bzw. Gleiströge. Dazu kann in konventioneller Weise zunächst eine Fahrwegplatte betoniert werden. Nach dem Anheben der Fahrwegplatte werden die Federelemente von der Seite in Nischen der Platte eingeschoben. Zu dieser Variante gehört auch die Möglichkeit, zunächst die Federelemente auf die tragende Unterkonstruktion (z. B. Tunnelsohle) zustellen und dann vorgefertigte Segmente von oben auf die Federelemente zu setzen. • Variante B: Bei dieser Möglichkeit wird die Fahrwegplatte auf vorgespannten Federelementen betoniert. Das System wird später durch Lösen der Vorspannung aktiviert. • Variante C: Hierbei werden die Federelemente in die Fahrwegplatte integriert. Der Vorteil ist, dass eine deutlich niedrigere Bauhöhe als bei der Variante A gewählt werden kann. Außerdem besteht die Möglichkeit, die Federelemente jederzeit zu inspizieren oder sogar auszutauschen, da sie von oben zugänglich sind. Bei allen Systemen empfiehlt sich die Ausbildung von langen Fahrwegplatten. Dies hat den Vorteil einer geringeren Anzahl von Übergängen gegenüber kürzeren Platten und somit niedrigerer Kosten für Verdübelung und Abdeckung der Fugen bei gleichzeitig geringerer Schwingungsan‐ regung beim Überfahren der Fugen. Darüber hinaus ergibt sich aus dynamischen Analysen, dass die niedrigen Eigenfrequenzen langer Platten einen positiven Einfluss auf die Wirksamkeit des Masse-Feder-Systems haben. 470 13 Schwingungsminderung im Schienenverkehr <?page no="475"?> 13.4.6.2 Masse-Feder-System im U-Bahn-Tunnel Dieses System entspricht der Variante C, bei der die Federelemente im Fahrweg selbst integriert sind. Der Aufbau des Masse-Feder-Systems lässt sich dabei prinzipiell wie folgt beschreiben, Bild 13.25: Die Aufstellfläche der Federelemente stellt gleichzeitig die Trennfläche der späteren Fahrweg‐ platte zum Untergrund dar. Ein geeignetes Trennmittel in dieser Fuge ist beispielsweise eine PVC-Folie, die auf der Tunnelsohle ausgelegt wird. Auf dieser Folie werden die Federelementhül‐ sen in Zweierreihen aufgestellt, die später die Federeinbausätze aufnehmen und über die dann die Eintragung der Lasten in die Platte erfolgt (Bild 13.25, rechts). Danach erfolgt der Einbau der Bewehrung sowie das Betonieren bis zur Oberkante der Federelementhülsen. Nach ausreichender Aushärtung des Betons werden die Federeinbausätze montiert. Mit Hilfe einer Hydraulik werden die Federn nacheinander zusammengedrückt und dadurch die Platte angehoben, und zwar in mehreren Durchgängen von je 5 mm bis 10 mm bis ein Spaltmaß von ca. 40 mm erreicht ist. Bauungenauigkeiten lassen sich von oben in gleicher Weise nachträglich bequem ausgleichen. Das Gehäuse wird abschließend durch einen Deckel verschlossen. Danach ist das Masse-Feder-System einsatzbereit und jederzeit von oben kontrollier- und steuerbar. 0,0E+00 2,0E-05 4,0E-05 6,0E-05 8,0E-05 0 5 10 15 20 25 30 v, m/ s Frequenz f, Hz 6,1 Hz 7 Hz 9 Hz Bild 13.25: Masse-Feder-System mit Stahlfedern (Quelle: Fa. Gerb). Oben: Integration der Federelemente in eine Fahrwegplatte. A = 1435 mm; B = 3000 mm; C = 1400 mm; D = 700 mm, Federraten zwischen ca. 3,6 kN/ mm und 6,9-kN/ mm Unten: Messergebnisse einer Eigenfrequenzermittlung für das oben rechts dargestellte Masse-Feder-System mit einer 30 m langen Fahrwegplatte, unterschiedliche Messpunkte in Gleismitte, Anregung mit einem 20 kg schweren Sandsack, der aus ca. 1,2-m Höhe auf die Fahrwegplatte fallen gelassen wurde. 13.4 Beispiele und Ausführungsvarianten 471 <?page no="476"?> Verwirklicht wurden auf diese Weise in einer Tunnelstrecke in Köln Ortbetonplatten mit einer Länge von ca. 30 m, wesentlich größere Längen erschienen jedoch möglich. Die Schiene selbst wurde mit einer elastischen Schienenbefestigung auf einen Längsbalken montiert. Dieser Längs‐ balken sorgt auch für die notwendige Überhöhung im Gleisbogen. Auf eine Querkraftverdübelung der Platten untereinander wurde verzichtet. Diese Funktion wird von der Schiene übernommen. In einer Tunnelstrecke in Singapur wurde dieses System mit Plattenlängen bis 60-m realisiert, gemessene vertikale Eigenfrequenzen ohne Belastung mit einem Fahrzeug lagen unterhalb von 8-Hz, siehe Bild 13.25 unten. - 13.4.6.3 Masse-Feder-System im oberirdischen Bereich Die Ausbildung des Masse-Feder-Systems erfolgt im oberirdischen Bereich in nahezu gleicher Weise wie im Tunnelbereich. Bei einer Realisierung in einem Weichenbereich (Bild 13.26) wurde eine 60 m lange Ortbetonplatte mit einer Dicke von 50 cm erstellt. Diese Platte (Masse) wurde auf Stahlfederelementen gelagert. Als Auflager (Unterbau) dient hier eine Wannenkonstruktion. Vor dem Gießen der Ortbetonplatte wurde eine Trennfolie auf die Unterkonstruktion gelegt. Die Ausbildung eines Masse-Feder-Systems mit einer vertikalen Abstimmungsfrequenz von ca. 5 Hz wurde in diesem Streckenbereich notwendig, um ein ca. 3 m entferntes Hotel vor den Straßenbahnerschütterungen zu schützen. Beim Übergang zum Standardschotterbett wurde die Steifigkeit sukzessive erhöht, wobei in einem Übergangsbereich von ca. 5-m die Bettung der Schiene mit einem kontinuierlichen Schie‐ nenlager erfolgte. Der Schienenstrang selbst ist in diesem Bereich als Rillenschiene - integriert in eine 20 cm dicke Asphaltdecke - ausgebildet. Die Fuge zwischen der Fahrwegplatte und der Wannenkonstruktion wurde mit einem Profilfugenband ausgekleidet. Damit ist gewährleistet, dass Straßenschmutz und Steine nicht in den ca. 40 mm großen Luftspalt eindringen und so zu einer Körperschallbrücke führen können. Außerdem ist die Auflagerkonstruktion mit einer Entwässerung versehen. Weitere Bespiele finden sich u.a. in Kapitel 5 von [13.14],. Bild 13.26: Oberirdisch ausgeführtes Masse-Feder-System mit Stahlfedern (Quelle: Fa. Gerb), [13.10] 472 13 Schwingungsminderung im Schienenverkehr <?page no="477"?> 13.4.6.4 Masse-Feder-System an einer Hochgeschwindigkeitsstrecke Dieses Masse-Feder-System ist Teil der Hochgeschwindigkeitsstrecke Seoul - Pusan in Korea im Bereich des Bahnhofs Chonan, Bild 13.27. Dabei handelt es sich um einen aufgeständerten Fahrweg, der als Betonrahmen-Konstruktion ausgebildet ist. Bild 13.27: Elastisch auf Stahlfedern gelagerte Fahrwegtrasse im Bahnhof Chonan (Quelle: Fa. Gerb) Die Schienen wurden auf Beton in einem 80 cm dicken Schotterbett auf der Fahrwegplatte verlegt. Im Bahnhofsbereich soll die Betonrahmenkonstruktion auf einer Länge von ca. 1,2 km ausgebaut und für Büros und Geschäfte genutzt werden. Um die bei Zugüberfahrt zu erwartenden Erschütterungs- und Sekundärschallimmissionen zu begrenzen, wurde die 80 cm starke Deck‐ platte der Betonkonstruktion abgehoben und auf Federelementen gelagert. Die Fahrwegplatte ist in Abschnitte von 18 m eingeteilt. Eine Verdübelung der einzelnen Platten erfolgt nicht. Im Bahnhofsbereich sind vier Gleise angeordnet. Die beiden inneren Gleise sind für durchfahrende Züge mit einer Geschwindigkeit bis zu 350 km/ h bestimmt. An den beiden äußeren Gleisen befinden sich die Bahnsteige für haltende Züge. Die Durchfahrgeschwindigkeit ist hier auf 170 km/ h begrenzt. Zwischen den äußeren Gleisen für die haltenden Züge und den beiden inneren für die durchfahrenden Züge ist aus Schallschutz- und Sicherheitsgründen eine 2,9 m hohe Schallschutzwand vorgesehen. Die Federelemente sind in Gruppen zusammengefasst und im Wesentlichen auf den Stützen‐ köpfen der Betonrahmenkonstruktion angeordnet. In einem Teil der Federelemente sind zusätz‐ lich VISCO Dämpfer integriert. Die vertikale Systemeigenfrequenz wurde mit 6 Hz festgelegt. Dazu wird ein Dämpfungsgrad von 10 % der kritischen Dämpfung angestrebt. Die insgesamt abzufedernde Masse des Oberbaus beträgt 100.000 t. Dadurch werden die zusätzlichen Einfede‐ rungen bei Zugüberfahrt auf ca. 0,5 mm begrenzt, so dass keinerlei Beeinträchtigungen auf die Zugfahrten, selbst bei Höchstgeschwindigkeit, erwartet werden. - 13.4.6.5 Masse-Feder-System für Vollbahnen an einer Normalstrecke Ein Masse-Feder-System für Vollbahnen auf einer Normalstrecke wurde z. B. im Bahnhof Puchon in Korea eingebaut. Auch hier erfordert die anspruchsvolle Nutzung eines neuen Bahnhofsge‐ bäudes, mit dem die sechsgleisige Strecke nachträglich überbaut wird, ein tief abgestimmtes 13.4 Beispiele und Ausführungsvarianten 473 <?page no="478"?> Masse-Feder-System. Dabei erhält jedes einzelne Gleis ein eigenes Masse-Feder-System, das unabhängig von den anderen Gleisen wirkt, Bild 13.28. Die einzelnen Masse-Feder-Systeme der sechs Gleise haben eine Gesamtlänge von jeweils 225 m, unterteilt in fünf Abschnitte mit Teillängen von 26 m bzw. 46 m. Dies führt zu nur sechs Fugen einschließlich der Übergänge zu den anschließenden, nicht elastisch gelagerten Bereichen. Die Fugen selbst werden mit profilierten Fugenbändern abgedeckt. Die Länge der Abschnitte ergab sich aus den Abständen der Dehnungsfugen in der Gebäudekonstruktion. Das Masse-Feder-System besteht aus Betontrögen mit Schotteroberbau. Die Verlegung der Gleise erfolgt traditionell über Betonschwellen und Schienenbefestigungen. Die für das Masse-Fe‐ der-System notwendigen elastischen Bauteile sind Stahlfederelemente, die seitlich, in den dafür vorgesehenen Nischen des Troges, angeordnet werden. Radsatz Schottertrog Federelement in einer Nische Beton-Unterkonstruktion Drainage Bild 13.28: Querschnitt eines Masse-Feder-Systems mit Einzeltrögen (Quelle: Fa. Gerb) Die Betontröge werden unmittelbar auf der unterstützenden Betondecke betoniert. Aufgrund der hohen Anforderungen hinsichtlich der Maßgenauigkeit der Nischen für die Federelemente wurden vorgefertigte Betonkästen als Schalung verwendet, die später Teil des Betontroges sind. Nach dem Abbinden des Betons werden die einzelnen Tröge mittels hydraulischer Heber angehoben und die Stahlfederelemente in die dafür vorgesehenen Nischen eingeschoben. Mit Hilfe der Stahlfederelemente konnte eine vertikale Eigenfrequenz der Tröge von unter 5 Hz erreicht werden. Diese niedrige Eigenfrequenz war zwingend notwendig, um eine eindeutige Entkoppelung von der Biegeeigenfrequenz der unterstützenden Decke zu erhalten, die aufgrund der großen vorhandenen Spannweiten selbst nur eine Eigenfrequenz von 12-Hz aufweist. 13.5 Klassifizierung der Wirksamkeit In Anlehnung an den theoretischen Ansatz ist die Wirksamkeit eines elastischen Bauteils im Gleisoberbau abhängig von den Einflussgrößen Masse m, Steifigkeit k und Dämpfung D. Über diese Kennwerte lässt sich die Wirksamkeit eines elastischen Oberbaus im Hinblick auf seine Körperschalldämmung abschätzen. Die elastischen Zwischenlagen (Zw) tragen aufgrund ihrer geringen Verformbarkeit (Steifigkeit k stat > 70 kN/ mm) wenig zur Körperschalldämmung bei. Sie werden eingesetzt zur Schaffung der nötigen Elastizität im Oberbau nahe der Schiene, um die dynamischen Beanspruchungen 474 13 Schwingungsminderung im Schienenverkehr <?page no="479"?> der Schienenbefestigung zu verringern. Für eine Reduzierung des Körperschalls kommen sie nicht oder nur bedingt in Frage. Geringere Steifigkeiten als oben angegeben lassen sich im allg. nicht realisieren, da diese aufgrund der begrenzten Niederhaltekraft der Spannmittel zu unzulässig hohen Schienenkopfauslenkungen führen würden. Im Bereich der DB AG sind z. B. Zwischenlagen mit den Bezeichnungen Zw 700 und Zw 900 im Einsatz. Mit hochelastischen Schienenlagern (HSL) in Form diskreter oder kontinuierlicher Lagerbau‐ formen lassen sich wesentlich geringere Steifigkeiten als mit Zwischenlagen (Zw) erreichen. Bei diskreten Schienenlagern kann die Steifigkeit je nach Achsfahrmasse, Lagerabstand und Schienentyp bis auf Werte zwischen k stat = 5 kN/ mm und 10 kN/ mm abgesenkt werden. Aufgrund der im eingebauten Zustand vergleichsweise geringen wirksamen Masse (hierzu zählen z. B. anteilige Schienen-, Kleineisen-, ungefederte Radsatzmasse) und der nach unten begrenzten Stützpunktsteifigkeit (Gestaltfestigkeit der Schiene) lassen sich mit Schienenlagern Systemeigen‐ frequenzen bis hinunter auf ca. f 0 = 30 Hz erreichen. Schwingungstechnisch wirksam werden diese Systeme oberhalb von etwa 40-Hz. Der auf Unterschottermatten gelagerte Schotteroberbau besitzt im Vergleich zu elastischen Schienenlagern eine sehr große wirksame (schwingungsfähige) Masse (Dichte des Schotters ρ = 1,7⋅10 3 -kg/ m 3 ). Je nach Abstimmung des Systems durch die Verwendung von mehr oder weniger nachgiebigen Unterschottermatten lassen sich Systemeigenfrequenzen bis ca. 20 Hz erreichen (Bild 13.29). In diesem Bild sind die Einfügedämmungen für drei typische Systeme zur Minderung der Erschütterungsemissionen dargestellt, [13.4]. Die erreichten Minderungen hängen sowohl von dem System als auch von den lokalen Randbedingungen (z. B. Impedanzen / Steifigkeit des Unterbaus) ab. Die in diesem Bild dargestellten Einfügedämmungen gelten relativ zu einem Schotteroberbau. Es sind je Oberbau zwei Kurven dargestellt, die die Bereiche der möglichen Minderungen darstellen. -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 0 50 100 150 200 250 D e , dB Terzmitten-Frequenz f Tn , Hz (lineare Darstellung) HSL1 HSL2 USM1 USM2 MFS1 MFS2 Bild 13.29: Qualitativer Vergleich der möglichen Bereiche für Einfügedämm-Maße D e (f Tn ) unterschiedlicher Ober‐ bauformen und deren Ausführung: USM-Unterschottermatten, MFS-Masse-Feder-Systeme, HSL/ KON-hochelastische Schienenlager 13.5 Klassifizierung der Wirksamkeit 475 <?page no="480"?> Größere Massen als der Schotteroberbau besitzen Masse-Feder-Systeme. Dies sind z. B. Beton‐ gleistragplatten, die flächig auf elastomeren Matten (auch Gleisbett-, Unterschotter- oder Dämm‐ matten) gelagert sind. Auch eine Lagerung auf in Streifen geschnittener Matten ist üblich. Abhängig von der Steifigkeit der Matten und der Tragplattendicke können solche Masse-Fe‐ der-Systeme bis zu Eigenfrequenzen f 0 von ca. 6 Hz bis 14 Hz abgestimmt werden, Bild 13.25 und Bild 13.29. Im Allgemeinen gilt auch bei der Auslegung von Masse-Feder-Systemen folgende Faustformel: Je mehr Masse (je größer die Tragplattendicke), desto niedriger die Eigenfrequenz und desto höher die Dämmwirkung des Gesamtsystems. Dieser Zusammenhang hat jedoch auch seine physikalischen Grenzen. Da elastomere Werkstoffe die Eigenschaft besitzen, sich mit zunehmender Belastung dyna‐ misch zu versteifen, gibt es bei einer Eigenfrequenzabstimmung untere Grenzwerte. Aus den phy‐ sikalisch-mathematischen Zusammenhängen lässt sich für ein Masse-Feder-System die Tatsache ableiten, dass mit zunehmender Tragplattendicke der Einfluss unterschiedlicher Belastungszu‐ stände im Betrieb durch unterschiedliche Fahrzeuge bzw. unterschiedliche Achsfahrmassen geringer ausfällt. Eine noch tiefere Abstimmung der Systemeigenfrequenz gelingt bei Masse-Feder-Systemen mit Lagern auf Einzelstützpunkten. Masse-Feder-Systeme auf der Basis bewehrter Elastomerla‐ ger erreichen Systemeigenfrequenzen zwischen 6 Hz und 10 Hz. Systemeigenfrequenzen bei dieser Oberbauform mit Einzelstützpunkten in Form von Stahlfedern und in Verbindung mit Hydrodämpfern können, ähnlich wie bei Maschinenfundamentlagerungen, auch im Bereich von f 0 = 5-Hz bis 7-Hz liegen (Kap. 7 aus [13.14]). Was die Dämpfung des Systems betrifft, stellt der Schotteroberbau mit Matten systembedingt die höchste Dämpfung zur Verfügung. Pegelerhöhungen im Bereich der Eigenfrequenz fallen bei diesen Systemen deutlich geringer aus als bei den anderen Konzepten. Ausschlaggebend hierfür ist die Korngrenzenreibung zwischen den einzelnen Schotterkörnern zusammen mit der Materialdämpfung der Matten. Elastische Schienenlager aus Zwischenlagen, Zwischenplatten oder Masse-Feder-Systeme mit bewehrten Elastomerlagern beziehen die Dämpfung hauptsächlich aus der dämpfenden Wirkung der elastischen Komponenten. 13.6 Mess- und Rechenverfahren, Prognosen Die Vorhersage bzw. Prognose der Wirkung von schwingungsdämmenden Maßnahmen gestaltet sich im Allgemeinen sehr schwierig. Da die Ergebnisse von Überprüfungs-Messungen in hohem Maße von den vorliegenden Randbedingungen abhängen und diese in Prognosen nur z. T. berücksichtigt werden können, zeigen Vergleiche zwischen Prognosen und Messergebnissen oft größere Abweichungen. Nicht selten wird bei Messungen vor Ort der Effekt beobachtet, dass im Frequenzbereich unter‐ halb der Eigenfrequenz der Oberbauformen auch eine mindernde Wirkung vorhanden ist. Da sich dieser Effekt physikalisch-mathematisch nicht mit Mehrmassenschwingern (MDOF-Systemen) erklären bzw. berechnen lässt, können diese Effekte auf Rückwirkungen der Oberbauelastizität auf das Fahrzeug zurückgeführt werden. Durch den Einbau von elastischen Oberbaukomponenten wird somit auch die Schwingungsanregung durch das Fahrzeug beeinflusst. Dies erklärt zwar die Dämmwirkung im Bereich unterhalb der Eigenfrequenz, die mathematische Abbildung eines solchen Verhaltens ist praktisch jedoch nicht bzw. unzureichend umsetzbar. Da prinzipiell von nichtlinearem Verformungsverhalten bei elastischen Oberbaukomponenten ausgegangen werden muss, sind die Berechnungen und Vorhersagen von (genauen) Einfügungs‐ 476 13 Schwingungsminderung im Schienenverkehr <?page no="481"?> dämm-Maßen äußerst schwierig. Die Dämmwirkung von elastischen Oberbaukomponenten ist in hohem Maße lastabhängig. Sie wird z. B. durch die jeweilige tatsächliche Achslast (z. B. Lauf- oder Triebdrehgestell) erheblich beeinflusst. Systeme, die sich stark lastverteilend auswirken oder mit hohen Ruhemassen behaftet sind, gelten dabei als weniger vorlastabhängig als Systeme mit geringen Eigenmassen und geringer Lastverteilung (z. B. Lastverteilung ausschließlich durch die Schiene). Da die verwendeten Werkstoffe zusätzlich eine frequenzabhängige dynamische Steifigkeit (k dyn ) besitzen, wird eine Berechnung der Dämmwirkung hierdurch nochmals er‐ schwert. Als hilfreich hat sich der Vergleich von Dämmwerten aus Prognoseberechnungen mit Messergebnissen aus in situ - Messungen herausgestellt. Hierbei helfen die Messergebnisse als Korrektiv die mathematischen Grundlagen von Prognoserechnungen zu modifizieren und zu verfeinern. Die allgemeine Vorgehensweise bei Prognoserechnungen führt von der Berechnung der Ober‐ baustatik, über die Lastabtragung im Oberbau auf das/ die elastische(n) Oberbauelement(e), hin zur spezifischen Bauteilbelastung. Anschließend kann über verschiedene Berechnungsmodelle (z. B. Mehrschichtentheorie, MDOF-System, reduziertes SDOF-System), die vielfach anwender‐ spezifisch modifiziert sind, die Einfügungsdämmung berechnet werden. 13.7 Wirksamkeit und Messergebnisse Die theoretische Wirksamkeit elastischer Lagersysteme wird bei Prognosen häufig mit Hilfe des Einmassenschwingers (SDOF-Modell) angeben. Dieses setzt voraus, dass die Einfügedämmung lediglich durch die Parameter des Einmassenschwingers, d. h. Abstimmfrequenz und Dämpfung, bestimmt wird. Mit diesem Modell ist jedoch lediglich eine überschlägige Prognose möglich (siehe Vornorm DIN-45673-4). Neben der einfachen Modellvorstellung werden für die Prognose auch aufwendigere Modelle eingesetzt. Hierzu gehört z. B. die Mehrschichtentheorie, die vielfach anwenderspezifisch modi‐ fiziert wird. Diese Modelle berücksichtigen auch die in der Praxis auftretenden Randbedingen. Beeinflussende Parameter sind Geometrie der Fahrwegplatte, das Gleis, die Tunnelgeometrie (beispielsweise Rechteck- oder Kreistunnel (Auskleidung mit Tübbingen aus Gusseisen oder Beton), die Baugrundbedingungen sowie Wechselwirkungen zwischen elastischem Oberbau und Fahrzeug. In diesem Abschnitt werden Messergebnisse vorgestellt, die beispielhaft zeigen, welche Schwingungspegel und Minderungen in der Praxis beim Einsatz verschiedener Masse-Feder-Sys‐ temen erreicht worden sind. Bild 13.30 zeigt einen Überblick über gemessene horizontale Schwingungspegel an der Tunnelwand für verschiedene Systeme. Aufgrund der unterschiedlichen Einsatzbedingungen eignen sich die Ergebnisse nicht zum Vergleich der Systeme untereinander. Dabei unterscheiden sich die Masse-Feder-Systeme durch die Wahl der elastischen Lager und der Abstimmfrequenzen. Außerdem variieren die Zugtypen (Vollbahn bis Stadtbahn) und die Fahrgeschwindigkeiten. Die Lagermaterialien und Abstimmfrequenzen der Masse-Feder-Systeme sind in Tabelle 13.4 zusammengestellt. 13.7 Wirksamkeit und Messergebnisse 477 <?page no="482"?> Schwingschnellepegel im Tunnel (Krueger) Dia Schnellepegel MFS (2) 0 10 20 30 40 50 4 5 6,3 8 10 12,5 16 20 25 31,5 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 L v , (MaxHold) dB Terzmittenfrequenz f Tn , Hz GERB MFS Köln-Mülheim, U-Bahn GETZNER MFS Köln-Chorweiler, S-Bahn System Uderstädt, Köln U-Bahn System Eisenmann, Bochum, Vollbahn Bild 13.30: Gemessene Schwinggeschwindigkeitspegel L v in y-Richtung an der Tunnelwand für unterschiedliche Masse-Feder-Systeme bei verschiedenen Randbedingungen (Fahrzeug, Geschwindigkeit usw.) - Material f 0 , Hz Oberbau Zugtyp v, km/ h System Gerb Stahlfeder 6,5 schotterlos Stadtbahn 50 System Züblin/ Getzner PUR 11 schotterlos S-Bahn ? System Eisenmann CR 10 schotterlos Vollbahn 100 System Uderstädt CR 8 Schotter Stadtbahn 40 Stadtbahn Dortmund CR 10 schotterlos Stadtbahn 60 Tabelle 13.4: Lagermaterialien und Abstimmfrequenzen von Masse-Feder-Systemen (PUR: Polyurethane / CR: Chloropren-Kautschuk) Bild 13.31 zeigt aus Messwerten ermittelte Pegeldifferenzen an der Tunnelwand relativ zu einem Standard-Schotteroberbau, der jeweils in unmittelbarer Nachbarschaft zum Masse-Feder-System vorhanden war. Alle Differenzspektren (Einfügungsdämmungen) weisen eine maximale Dämmung von 22 dB bis 29 dB bei 63 Hz auf sowie teilweise einen geringen weiteren Anstieg der Dämmung bis zu 315 Hz. Obwohl die Systeme gleich abgestimmt wurden, variiert der Beginn der Dämmung zwischen 10 Hz und 25 Hz, wobei auch eine Dämmung unterhalb der Eigenfrequenz zu erkennen ist. Erklärt wird dieser Effekt durch Wechselwirkungen zwischen dem elastischen Oberbau und dem Fahrzeug, so dass eine geringere Schwingungsanregung in diesem Frequenzbereich durch das Fahrzeug erfolgt. 478 13 Schwingungsminderung im Schienenverkehr <?page no="483"?> Kap13_B13.28_Schwingschnellepegel im Tunnel Dia Einfügedämmung MFS -20 -10 0 10 20 30 40 5 6,3 8 10 12,5 16 20 25 31,5 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 D e , dB Terzmittenfrequenz f Tn , Hz System Eisenmann, Bochum, Vollbahn GETZNER MFS Köln-Chorweiler, S-Bahn Stadtbahn Dortmund, U-Bahn Bild 13.31: Beispiele für gemessene Einfügungsdämm-Maße D e von drei verschiedenen Masse-Feder-Systemen auf unterschiedlichen Streckenabschnitten (bezogen auf einen Schotteroberbau) 13.8 Masse-Feder-Systeme mit elastischer Flächenlagerung - Berechnung der Minderung 13.8.1 Prinzip Die bauliche Besonderheit des hier vorgestellten Masse-Feder-Systems liegt u. a. darin, dass anstelle von elastischen Einzelpunktlagern flächig verlegte Dämmmatten (oder Unterschotter‐ matten) verwendet werden. Diese Lösung ermöglicht eine kontinuierliche elastische Bettung der Tragplattenkörper unter Verwendung der - gegenüber Fertigbetonbauweise - preiswerteren Ortbetonbauweise (Bild 13.32). Ein Vorteil dieser Bauweise liegt darin, dass die elastischen Matten, neben ihrer späteren Funktion der Körperschalldämmung, während der Herstellung der Gleistragplatte gleichzeitig als „Verlorene Schalung“ für den eingebrachten Ortbeton dienen. Diese Bauweise ist gegenüber der Bauweise mit Betonfertigteiltrögen mit einer erheblichen (Bau-) Kostenersparnis verbunden. 13.8 Masse-Feder-Systeme mit elastischer Flächenlagerung - Berechnung der Minderung 479 <?page no="484"?> Bild 13.32: Beispiel für ein Masse-Feder-System für eine Straßenbahn (Quelle: Fa. ContiTech, Basel/ Schweiz) 13.8.2 Theoretische Betrachtung Die Oberbauform eines „Leichten“ Masse-Feder-Systems (LMFS) kommt, trotz der zahlreichen Eigenformen (Moden) der Gleistragplatte, dem physikalischen Prinzip eines Einmassenschwin‐ gers sehr nahe. Diese Vereinfachung gilt jedoch bei der rechnerischen Auslegung eines LMFS nur für die Betrachtung der Vertikalschwingung erster Ordnung. Mit dem im Folgenden beschriebenen Modell lässt sich auf einfache Weise die Gleiskinematik berechnen und eine Prognose zur Ermittlung der Eigenfrequenz und der Dämmwirkung eines LMFS durchführen. Zur Untersuchung der gleiskinematischen Zustandsgrößen (z. B. Einsenkung, Lastverteilungsfaktor etc.) wird die Überfahrt eines Fahrzeuges und dessen Auswirkungen auf die Verformung des Oberbaus betrachtet. Dies geschieht als Momentaufnahme für den belasteten Oberbauabschnitt. Diese quasistatische Betrachtung dient als Grundlage zur anschließenden dynamischen Berechnung (Gleisdynamik) eines LMFS. Die Eigenfrequenz des LMFS wird mit Hilfe der dynamischen Mattensteifigkeit und der Druckspannung auf die Elastomerkomponente bestimmt. Die Druckspannungen ergeben sich aus der wirksamen Masse des Oberbaus und den wirksamen Achskräften. Die Berechnung der spezifischen Bauteilbelastung (Druckspannung) ist ein iterativer Prozess. Da die elastischen Komponenten im Allgemeinen nichtlineare Eigenschaften besitzen - Bettungs‐ modul und Dämpfung sind im hohen Maße vorlast- und frequenzabhängig - sind in einem ersten Rechenschritt Annahmen für die Bauteilbelastung zu treffen. Der erste Rechendurchlauf erfolgt mit Federsteifigkeiten, Bettungsmoduln und Dämpfungsfaktoren unter Annahme einer Druck‐ spannung für den angenommenen Betriebszustand. Errechnet wird so die Druckspannung, die mit der angenommenen verglichen wird. Liegen Annahme und Ergebnis weit auseinander, so erfolgt der nächste Rechendurchlauf. Ein hinreichend genauer Endwert für die spez. Bauteilbelastung wird so auf iterative Weise erzielt. Den prinzipiellen Ablauf zeigt Bild 13.33. 480 13 Schwingungsminderung im Schienenverkehr <?page no="485"?> (13.4) Bild 13.33: Beispiel für einen iterativen Berechnungsablauf [13.5] 13.8.3 Gleiskinematik - 13.8.3.1 Theoretische Grundlagen Die elastisch gelagerte Gleistragplatte eines MFS lässt sich mathematisch / physikalisch beschrei‐ ben mit dem kontinuierlich elastisch gelagerten Balken. Ausgehend von der Differentialgleichung nach Gl. (13.4), ∂ 4 s ∂x 4 = b ⋅ q E ⋅ I − b ⋅ C stat ⋅ s E ⋅ I mit: s Einsenkung der Tragplatte in mm, 13.8 Masse-Feder-Systeme mit elastischer Flächenlagerung - Berechnung der Minderung 481 <?page no="486"?> (13.5) (13.6) b Breite der Tragplatte in m, q Druckspannung im Volumenelement, C stat Statischer Bettungsmodul der Matte in N/ m 3 , E Elastizitätsmodul (von Beton) in N/ m 2 , I Gesamtflächenträgheitsmoment des Oberbaus in m 4 , x Laufvariable in Gleislängsrichtung, Q Radlast in N wird zur Vereinfachung der Formel die sogenannte Charakteristische Länge L verwendet [13.3] und [13.4]: L = 4 • E • I b • C stat 4 Die homogene Lösung dieser Differentialgleichung lautet: s = 2Q 2 • b • C stat • L • exp − ξ • sin ξ + cos ξ mit x = x/ L. Die Lösung der Gleichung entspricht der Tragplatteneinsenkung s als Funktion der Laufvari‐ ablen „x“. - 13.8.3.2 Beispiel 1 In Bild 13.34 wird beispielhaft das Ergebnis einer statischen Berechnung der Plattendurchbie‐ gung (ohne Berücksichtigung der Schiene) gezeigt. Hierbei steht das Fahrzeug auf der Tragplatte. Bei einem rollenden Fahrzeug erhöhen sich sowohl die Radlast um den Faktor a 1 als auch der E-Modul der Matte um den Faktor a 2 . Näherungsweise kann sich dies ausgleichen, so dass das dargestellte Ergebnis dann auch für ein bewegtes Fahrzeug gilt. Für die Berechnung der Einsenkung der Gleistragplatte ist die dynamische Achskraft 2Q ausschlaggebend. Die Angabe der dynamischen Achskraft erfolgt unter Berücksichtigung von Einflussfaktoren ([13.6], [13.15]). Dies sind Faktoren für die Streckenführung (Kurve, Gerade), der Oberbaubeschaffenheit, für die Geschwindigkeit und der Art des Fahrzeuges sowie zusätzlich ein statistischer Sicherheitsfaktor für die Streuung der Werte und der Oberbaubeschaffenheit. Durch Multiplikation der Fahrzeug-Achskraft mit diesen Faktoren ergibt sich die dynamische Achskraft 2Q. Die Berechnung der maximalen Einsenkung für mehr als eine Achse und für komplette Züge erfolgt mittels Superposition von Gleichung (13.5). Hiermit lässt sich für ein Drehgestell oder ein komplettes Fahrzeug der Verlauf der Durchbiegung in Gleisachsenrichtung über die Laufvariable x darstellen. 482 13 Schwingungsminderung im Schienenverkehr <?page no="487"?> -1,6 -1,4 -1,2 -1 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 s, mm x, m RS1 RS2 RS1+RS2 RS3 RS4 RS3+RS4 d 1 d 2 Bild 13.34: Biegelinienverlauf der Tragplatte für ein Drehgestell für folgende Parameter: b = 2,64-m h = 0,24-m C stat = 9 ⋅ 10 9 -N/ m 3 Q = 44 ⋅ 10 3 -N E = 33,5 ⋅ 10 9 -N/ m 2 d 1 = 2-m d 2 = 10-m 13.8 Masse-Feder-Systeme mit elastischer Flächenlagerung - Berechnung der Minderung 483 <?page no="488"?> (13.7) Die Distanz zwischen den beiden Nulldurchgängen dieses Biegelinienverlaufs (s = 0) wird als Länge einer Biegelinie L B bezeichnet. Die Druckspannung auf die Elastomermatte kann sowohl für den unbelasteten als auch für den belasteten Zustand der Tragplatte berechnet werden. Für den belasteten Zustand müssen alle wirkenden Massen (Beton, Schwellen, Schienen, Kleineisen, etc.) über die Länge der Biegelinie aufsummiert werden. Die unabgefederten Radsatzmassen des Fahrzeuges werden dabei den Oberbaumassen zugerechnet. Die dynamischen Achskräfte erzeugen über die Tragplattendurchbiegung den dynamischen Anteil der Druckspannung. Die Bezugsfläche A belastet zur Ermittlung der Druckspannungen ergibt sich näherungsweise aus der Länge der Biegelinie und der Tragplattenbreite. σ belastet = m belastet A belastet mit m belastet Wirksame Masse über einer Biegelinie, A belastet Wirksame Fläche über einer Biegelinie. Mit L B = 10,8-m (ein Drehgestell) folgt für das in Bild 13.34 dargestellte Beispiel: σ belastet = 2, 64 • 0, 24 • 10, 8 • 2700 2, 64 • 10, 8 m • m • m • kg / m 3 m • m = kg m 2 σ belastet = 648 kg m 2 - 13.8.3.3 Beispiel 2 Die schwingungstechnische Abstimmung und Auslegung eines Masse-Feder-Systems ist physi‐ kalisch, aufgrund der exakt bestimmbaren Beanspruchungen und Verformungen des Systems, leicht beherrschbar. Die Lastabtragung in die elastische Lagerung lässt sich gerade bei einer kontinuierlichen Lagerung einfach berechnen. Grundlage hierfür sind Berechnungsverfahren, die auf dem Prinzip des kontinuierlich elastischen Balkens beruhen. Die Auslegung eines Masse-Feder-Systems geschieht, abgesehen von den örtlichen Randbedingungen, von schwin‐ gungstechnischer Seite her hauptsächlich über die Abstimmung mit der Systemeigenfrequenz. Abhängig von der Biegelinie der Tragplatte im Belastungsfall stellen sich an der Unterseite der Tragplatte Druckspannungen ein, über die sich die Eigenfrequenz des Gesamtsystems bestimmen lässt. Bei der Auslegung eines Masse-Feder-Systems sind nachfolgende wesentliche Parameter zu berücksichtigen: a) Eigenfrequenz f 0 des Systems, b) Geometrie der Fahrwegplatte und die daraus resultierende Masse m, c) Radlast Q und Geometrie der Fahrzeuge (Radabstände), d) statische Steifigkeit k stat und dynamische Steifigkeit k dyn der Einzellager oder die entspre‐ chenden Bettungsmodule C stat und C dyn . Zur überschlägigen Berechnung der Einfederung und Eigenfrequenz des Systems wird in der Praxis das Berechnungsverfahren von Zimmermann [13.9] für einen unendlich langen elastisch gelagerten Balken verwendet (Bild 13.34). 484 13 Schwingungsminderung im Schienenverkehr <?page no="489"?> Dabei ist unter dynamischer Beanspruchung bei Elastomer-Federn die dynamische Versteifung k dyn / k stat sowie bei Stahlfedern die korrigierte Schubspannung τ k zu berücksichtigen. Komplexe Masse-Feder-Systeme (beispielsweise mit Schubverdübelung einzelner Platten) sowie Übergänge zum Standardoberbau lassen sich nur mit Hilfe von FE-Berechnungen (FE: Finite Elemente) ermitteln, Bild 13.35. Damit lassen sich weitere Auslegungs-Parameter wie z. B. die Schienenspannung, Verformung an den Plattenübergängen oder die Modalanalyse der Fahrwegplatte bestimmen. Bild 13.35: Auf Elastomerblocklagern punktförmig gestütztes Masse-Feder-System; vertikale Eigenform bei einer Zugüberfahrt (Quelle: Ing.- Büro Dr. Heiland) Die Eigenfrequenz des Masse-Feder-Systems tritt in Abhängigkeit von der Geometrie als Starr‐ köperfrequenz lediglich nur bei ganz kurzen Plattenlängen (< 75 cm) oder langen Fahrweg‐ plattenlängen (> 50 m) auf. Dazwischen ist die vertikale Eigenform gekoppelt mit anderen Schwingungsformen, Bild 13.36. Bei der rechnerischen Bestimmung der Eigenfrequenz unter Zugvorbeifahrt sind lediglich die unabgefederten Radlasten anzusetzen. Die Segmentlänge der Tragplatte sollte, um eine möglichst kontinuierliche Biegelinie zu gewährleisten, mindestens dem Abstand der Drehzapfen zweier Drehgestelle entsprechen, was im Stadtbahnbereich etwa einer Länge von 10-m gleichzusetzen ist. Die Eigenfrequenz des Masse-Feder-Systems tritt in Abhängigkeit von der Geometrie als Starrköperfrequenz lediglich nur bei ganz kurzen Plattenlängen (< 75 cm) oder langen Fahrwegplattenlängen (> 50 m) auf. Dazwischen ist die vertikale Eigenform gekoppelt mit anderen Schwingungsformen, Bild 13.36. Bei der rechnerischen Bestimmung der Eigenfrequenz unter Zugvorbeifahrt sind lediglich die unabgefederten Radlasten anzusetzen. Die Segmentlänge der Tragplatte sollte, um eine möglichst kontinuierliche Biegelinie zu gewährleisten, mindestens dem Abstand der Drehzapfen zweier Drehgestelle entsprechen, was im Stadtbahnbereich etwa einer Länge von 10 m gleichzusetzen ist. Bild 13.36: Eigenfrequenzen und Eigenformen einer 60 m langen Fahrwegplatte für Vollbahnen (Quelle: Ing.-Büro Dr. Heiland) 13.8.4 Gleisdynamik- Einfügungsdämm-Maß 13.8.4.1 Überblick Zur schwingungstechnischen Bewertung von Oberbauformen wird deren Einfügungsdämmung oder, in dB, deren Einfügungsdämm-Maß D e herangezogen. In Bild 13.36: Eigenfrequenzen und Eigenformen einer 60 m langen Fahrwegplatte für Vollbahnen (Quelle: Ing.-Büro Dr. Heiland) 13.8 Masse-Feder-Systeme mit elastischer Flächenlagerung - Berechnung der Minderung 485 <?page no="490"?> (13.8) (13.9) 13.8.4 Gleisdynamik- Einfügungsdämm-Maß - 13.8.4.1 Überblick Zur schwingungstechnischen Bewertung von Oberbauformen wird deren Einfügungsdämmung oder, in dB, deren Einfügungsdämm-Maß D e herangezogen. In DIN V 45673-4 sind hierzu verschiedene Ansätze zu deren Abschätzung enthalten. Prinzipiell beruhen diese Modelle mehr oder weniger auf den folgenden Zusammenhang (Impedanz-Model): D e = 20 • lg 1 + Z 1 + Z 2 Z 3 Z 1 + Z 2 oder mit Admittanzen D e = 20 • lg 1 + Y 3 Y 1 + Y 2 Die Indizes bedeuten: 1. Rad (Fahrzeug), alle Komponenten oberhalb des elastischen Elementes, 2. Unterbau, z. B. Tunnelsohle, alle Komponenten unterhalb des elastischen Elementes, 3. Federelement (Elastomer oder Stahlfeder). Die einzelnen Impedanzen / Admittanzen lassen sich anhand der in Tabelle 13.5 enthaltenen Gleichungen abschätzen. Die prinzipiellen Admittanzspektren - inklusive einem Masse-Fe‐ der-System mit und ohne Dämpfung - zeigt Bild 13.37. - Impedanz Admittanz Bemerkung 1 Z 1 = iωm 1 Y 1 = 1 iωm 1 Masse 2a Z 2a = k / iω Y 2a = iω k Feder ungedämpft 2b Z 2b = b + k / iω Y 2b = b − k iω b 2 + k / ω 2 Feder gedämpft 3 Z 3 = iωm 3 Y 1 = 1/ iωm 3 z. B. Platte oder sehr große, elastisch gelagerte Masse Tabelle 13.5: Gleichungen der erforderlichen Impedanzen (Z(if)) oder Admittanzen Y(if)) zur Abschätzung der Einfügedämmung 486 13 Schwingungsminderung im Schienenverkehr <?page no="491"?> (13.10) 238 2a 𝑍 2𝑎 = 𝑘/ 𝑖𝜔 𝑌 2𝑎 = 𝑗𝜔 𝑘 Feder ungedämpft 2b 𝑍 2𝑏 = 𝑏 + 𝑘/ 𝑖𝜔 𝑌 2𝑏 = 𝑏− 𝑘 𝑗𝜔 𝑏 2 +(𝑘/ 𝜔) 2 Feder gedämpft 3 𝑍 3 = 𝑖𝜔𝑚 3 𝑌 1 = 1/ 𝑖𝜔𝑚 3 z. B. Platte oder sehr große, elastisch gelagerte Masse Bild 13.37: Admittanzen im für Masse, Feder, Dämpfung und ein Masse-Feder- System mit linearer und logarithmischer Frequenzskala. Eingesetzte Werte: m=1000 kg, k=10 8 N/ m, b=10 5 Ns/ m. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 40 80 120 160 200 Admittanzpegel L Y in dB re 5*10 -8 (m/ s)/ N Frequenz f, Hz MFS ohne D. Feder Dämpfer Masse MFS mit D. MFS ohne Dämpfung MFS mit Dämpfung Feder Masse Dämpfung 0 10 20 30 40 50 60 70 80 2 20 200 Admittanzpegel L Y in dB re 5*10 -8 (m/ s)/ N Frequenz log f, Hz MFS ohne D. Feder Dämpfer Masse MFS mit D. MFS ohne Dämpfung MFS mit Dämpfung Feder Masse Dämpfung Bild 13.37: Admittanzen für Masse, Feder, Dämpfung und ein Masse-Feder-System mit linearer und logarithmischer Frequenzskala. Eingesetzte Werte: m=1000-kg, k=10 8 N/ m, b=10 5 Ns/ m. - 13.8.4.2 Lösungsansatz 1 Aus den Ergebnissen der gleiskinematischen Betrachtungen lässt sich die Eigenfrequenz des Gesamtsystems (Transversalschwingung erster Ordnung) berechnen [13.2]: f 0, belastet = 1 2 • π • C dyn, ges σ belastet mit C dyn,ges Dynamische Gesamtsteifigkeit des Systems in kN/ m 3 , σ belastet nach Gl. (13.7) in kg/ m 2 . Für die dynamische Gesamtsteifigkeit C dyn,ges des Systems wird näherungsweise der Realteil des komplexen dynamischen Steifemoduls (dynamischer Bettungsmodul) der Matte eingesetzt. Die Untergrundsteifigkeit liegt im Allgemeinen um einige Zehnerpotenzen über dem Mattenwert, sie kann daher vernachlässigt werden. 13.8 Masse-Feder-Systeme mit elastischer Flächenlagerung - Berechnung der Minderung 487 <?page no="492"?> (13.11) Das Einfügungsdämm-Maß D e errechnet sich bei bekannter Eigenfrequenz f 0 im belasteten Zustand und mit dem Dämpfungsfaktor d nach Gleichung (13.11), [13.7]. D e = 20 • lg 1 + 4 • d 2 • f f 0 2 1 − f f 0 2 2 + 4 • d 2 • f f 0 2 Die Dämpfung für das Gesamtsystem ergibt sich aus der Addition der Dämpfungen der Ein‐ zelkomponenten Untergrund, Elastomermatte und evtl. Schotter. Da in der Regel die Werte für die relative Einfügungsdämmung benötigt werden (relativ zu einem Referenzoberbau, z. B. Schotteroberbau), sind Differenzpegel zwischen zwei verschiedenen Einfügedämmungen zu bilden (z. B. D e,rel = D e,LMFS - D e,Schotteroberbau ). Mit den folgenden Werten für die Eigenfrequenzen f 01/ 2 und Dämpfungen d 1/ 2 f 01 8 Hz 18 Hz 30 Hz f 02 63 Hz 63 Hz 63 Hz d 1 0,2 0,2 0,2 d 2 0,2 0,2 0,2 ergeben sich beispielhaft die in Bild 13.38 dargestellten Einfügungsdämm-Maße D e . Wird zusätzlich die Untergrundsteifigkeit berücksichtigt, so geht diese analog der „Reihenschal‐ tung“ von Federn in die Rechnung ein. Bei der Bestimmung der Einfügungsdämmung wirkt sich ein „weicherer“ Untergrund (geringere dynamische Steifigkeit) nachteilig auf die Dämmwirkung aus. Betonuntergründe (fester Untergrund mit einer hohen Impedanz) haben deutliche Vorteile gegenüber verdichteten Erdmassen. der Einfügungsdämmung wirkt sich ein „weicherer“ Untergrund (geringere dynamische Steifigkeit) nachteilig auf die Dämmwirkung aus. Betonuntergründe (fester Untergrund mit einer hohen Impedanz) haben deutliche Vorteile gegenüber verdichteten Erdmassen. Bild 13.38: Abschätzung der Einfügungsdämm-Maße mit unterschiedlichen Frequenzskalen 13.8.4.3 Lösungsansatz 2 - Steifigkeiten In Vornorm DIN 45673-4 (2006) wird folgende, leicht angepasste, Abschätzung anhand von Steifigkeiten mit 𝜔 = 2 ∙ 𝜋 ∙ 𝑓 𝑢𝑛𝑑 𝑖 = √−1 vorgestellt: a) Referenzoberbau, z. B. Schotteroberbau 𝐻 𝑅𝑒𝑓 (𝑖𝑓) = 𝑘 𝑅𝑒𝑓 (𝑖𝑓) 𝑘 𝑅𝑒𝑓 (𝑖𝑓)−𝜔 2 ∙𝑚 𝑒𝑟𝑠 (13.12) -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -50 5 10 15 0 50 100 150 200 250 300 350 D e , dB Frequenz f, Hz De8-63 De18-63 De30-63 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -505 10 2,5 3,1 45 6,3 8 10 12,5 16 20 25 31,6 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 D e , dB Terzmittenfrequenz, Hz De8-63 De18-63 De30-63 Bild 13.38: Abschätzung der Einfügungsdämm-Maße mit unterschiedlichen Frequenzskalen 488 13 Schwingungsminderung im Schienenverkehr <?page no="493"?> (13.12) (13.13) (13.14) (13.15) (13.16) 13.8.4.3 Lösungsansatz 2 - Steifigkeiten In Vornorm DIN 45673-4 (2006) wird folgende, leicht angepasste, Abschätzung anhand von Steifigkeiten mit ω = 2 • π • f und i = −1 vorgestellt: a) Referenzoberbau, z. B. Schotteroberbau H Ref if = k Ref (if ) k Ref (if ) − ω 2 • m ers mit k Ref if = 1 k o + 1 k u + i • ω • d u −1 b) Schotteroberbau mit Unterschottermatte (USM) H USM if = k mit (if ) k mit (if ) − ω 2 • m ers mit k mit if = 1 k Ref if + 1 k USM if −1 und D e (f ) = 20 • lg H Ref (if ) H USM (if ) In Bild 13.41 ist das nach dieser Methode abgeschätzte Einfügungsdämm-Maß für folgende Steifigkeiten und der Fahrzeugplus Oberbaumasse dargestellt. • k o = 2, 2 • 10 8 Nm • 1 + i 0, 35 , • k u = 15 • 10 8 Nm und • d u = 1, 2 • 10 6 N s / m, • k USM = 1, 4 • 10 8 Nm • 1 + i 0, 05 , • m ers = 2 . 600kg . Es ist davon auszugehen, dass die Dämpfung für die USM in dem Beispiel zu gering angesetzt worden ist. 13.8 Masse-Feder-Systeme mit elastischer Flächenlagerung - Berechnung der Minderung 489 <?page no="494"?> (13.17) -15 -10 -5 0 5 10 15 1 10 100 D e , dB log Frequenz, Hz -10 -5 0 5 10 15 1,25 2,5 5 10 20 40 80 160 315 D e , dB Terzmittenfrequenz, Hz Bild 13.39: Abschätzung der Einfügungsdämm-Maße, Beispiel aus Vornorm DIN 45673-4 (2006), Abszisse: links mit log. Frequenz, rechts als Terzmittenfrequenzen - 13.8.4.4 Lösungsansatz 3 - Impedanzen Werden Impedanzen zur Abschätzung angesetzt, dann ist z. B. folgende Gleichung zu verwenden (Impedanzen siehe Tabelle 13.5): D e1, 2 (f ) = 20 • lg 1 + 1 Zel 1 Zm + 1 ZB Mit folgenden Werten ergibt sich das in Bild 13.40 dargestellte Ergebnis: m 01 = 2.200 kg m 02 = 2.030 kg + 600 kg Boden, Unterbau: k B = 6 • 10 9 N/ m (1+i 0,5) Schotter: k SCH,1 = 3,0 • 10 8 N/ m (1+i 0,5) Unterschottermatte: k USM,2 = 0,4 • 10 8 N/ m (1+i 0,4) Index 1 = Schotteroberbau, Index 2 = Schotteroberbau mit Unterschottermatte. 490 13 Schwingungsminderung im Schienenverkehr <?page no="495"?> 242 Boden, Unterbau: k B = 6 x 10 9 N/ m (1+i 0,5) Schotter: k SCH,1 = 3,0 x 10 8 N/ m (1+i 0,5) Unterschottermatte: k USM,2 = 0,4 x 10 8 N/ m (1+i 0,4) Index 1 = Schotteroberbau, Index 2 = Schotteroberbau mit Unterschottermatte. Bild 13.40: Abschätzung der Einfügungsdämm-Maße, Beispiel Abschätzung mit Impedanzen, Abszisse: links mit log. Frequenz, rechts als Terzmittenfrequenz 13.8.5 Lösungsansatz 4 - Masse-Feder-System Im Folgenden werden anhand eines Beispiels die für die Auslegung eines Masse-Feder-Systems mit einer Matte als Federelement und einer Betontragplatte als Masse erforderlichen Parameter dargestellt. Außerdem wird das berechnete Einfügungsdämm-Maß und die Einsenkung gezeigt. In Spalte „D e “ sind die für die Abschätzung des Einfügungsdämm-Maßes unbedingt notwendigen Größen gekennzeichnet. 13.8.5.1 Checkliste Zur Bearbeitung eines Projektes kann folgende Checkliste verwendet werden: Projekt: ............................. in .............................. 1. Oberbaukonfiguration Parameter Beispiel Einheit D e Schienentyp AREA 115 äquiv. TR 57 Schwellentyp Holz - X Untergrund Beton - X -10 -5 0 5 10 15 20 25 1 10 100 D e , dB log Frequenz, Hz -10 -50 5 10 15 20 25 3,1658 12,5 20 31,6 50 80 125 200 315 D e , dB Terzmittenfrequenz, Hz Bild 13.40: Abschätzung der Einfügungsdämm-Maße, Beispiel Abschätzung mit Impedanzen, Abszisse: links mit log. Frequenz, rechts als Terzmittenfrequenz - 13.8.4.5 Lösungsansatz 4 - Masse-Feder-System Im Folgenden werden anhand eines Beispiels die für die Auslegung eines Masse-Feder-Systems mit einer Matte als Federelement und einer Betontragplatte als Masse erforderlichen Parameter dargestellt. Außerdem wird das berechnete Einfügungsdämm-Maß und die Einsenkung gezeigt. In Spalte „D e “ sind die für die Abschätzung des Einfügungsdämm-Maßes unbedingt notwendigen Größen gekennzeichnet. - 13.8.4.6 Checkliste Zur Bearbeitung eines Projektes kann folgende Checkliste verwendet werden: Projekt: ............................. in .............................. 1. Oberbaukonfiguration Parameter Beispiel Einheit D e Schienentyp AREA 115 äquiv. TR 57 - Schwellentyp Holz - X Untergrund Beton - X Mattentyp USM 1000 W - X 2. Oberbaudaten Parameter Beispiel Einheit D e Trägheitsmoment Gleistragplatte 4,089E+09 mm 4 X Widerstandsmoment Gleistragplatte 1,288E+07 mm 3 - 13.8 Masse-Feder-Systeme mit elastischer Flächenlagerung - Berechnung der Minderung 491 <?page no="496"?> Parameter Beispiel Einheit D e Gewicht der Gleistragplatte / des Gleistroges 1.597 kg/ m X Abstand Schwellen 0,65 m - Abstand Schienenlager 0,72 m - Bei Verwendung eines Betontroges: - - - • Breite Tragplatte / Trog 2,64 m - • Höhe Tragplatte / Trog 0,240 m - • Länge Tragplatte / Trog / Segment 10 m - • Masse Tragplatte / Trog / Segment 15972 kg - • Schotterhöhe 0,3 m - • Breite des Schotterbettes 2,5 m - • Spurweite 1,435 m - Oberbauzustand (sehr gut / gut / schlecht) sehr gut - - 3. Steifigkeiten / Dämpfungen Hinweis: Diese Werte hängen stark von den lokalen Randbedingungen ab. Parameter Beispiel Einheit D e Bettungsmodul Schotter 0,02 -0,63 N/ mm 3 X Dynamische Untergrundsteifigkeit 0,350 N/ mm 3 X 4. Streckenführung / Fahrzeugdaten Parameter Beispiel Einheit D e Nominelle Achslast 140 kN - Anzahl der Gleise 1 - - Zuggeschwindigkeit 100 km/ h - Güterzug / Personenzug Personenzug - - Unabgefederte Radsatzmasse 2.150 kg X Anzahl Achsen pro Drehgestell 2 - - Abstand der Achsen im Drehgestell 2,1 m - Drehzapfenabstand 15,6 m - Drehzapfenabstand über Puffer 9,1 m - Streckenführung (Kurve / Gerade): gerade - - 492 13 Schwingungsminderung im Schienenverkehr <?page no="497"?> 13.8.4.7 Berechnungsergebnisse Wesentliche Ergebnisse sind in folgenden Tabellen zusammengestellt: 1. Elastische Oberbaukomponenten Parameter Beispiel Einheit D e Statische Steifigkeit der Matte 0,009 N/ mm 3 X Dynamische Steifigkeit der Matte 0,015 N/ mm 3 X Vorspannung, auf Unterschottermatte 0,016 N/ mm 2 - Dynamische Steifigkeit Schienenlager - kN/ mm - 2. Systemanalyse Parameter Beispiel Einheit D e Effektive Breite Tragplatte / Trog 2,640 m X Effektive Höhe Tragplatte / Trog 0,242 m X Maximale Stützpunktgegenkraft 52,3 kN - Statische Druckspannung auf die Matte 0,006 N/ mm 2 - Mittlere Druckspannung unter Betriebslast 0,016 N/ mm 2 - Maximale Druckspannung auf die Matte 0,035 N/ mm 2 - Bezogene Bettungsziffer / Stützpunkt / Schiene 16,60 kN/ mm - 3. Gleiskinematik Parameter Beispiel Einheit D e Maximale Oberbaueinsenkung für 1 Achse 1,92 mm X Maximale Oberbaueinsenkung für 2 Achsen 3,15 mm X Maximale Oberbaueinsenkung Gesamtsystem 3,113 mm - Mittlere Oberbaueinsenkung 2,37 mm - Einsenkung unter Eigengewicht 0,68 mm - Länge der Biegelinie (2 Achsen) 11,0 m - 4. Prognose der Minderung Parameter Beispiel Einheit D e Eigenfrequenz unter Betriebsbedingung 14,9 Hz X Eigenfrequenz unbelastet 24,5 Hz - 13.8 Masse-Feder-Systeme mit elastischer Flächenlagerung - Berechnung der Minderung 493 <?page no="498"?> Grenzfrequenz 21,1 Hz Belastungsfrequenz Drehgestell 13,2 Hz - Eigenfrequenz Standardschotteroberbau. Ein Schotteroberbau wird oft als Referenzoberbau herangezogen. 63,0 Hz - In Bild 13.41 ist das Ergebnis (Einfügungsdämm-Maß) der Beispielrechnung für ein Masse-Fe‐ der-Systems mit einer Betontragplatte geringer Höhe dargestellt. Einige Beispiele für Parameter von realisierten Masse-Feder-Systemen in Straßen und in einem Tunnel zeigt Tabelle 13.6. -10 0 10 20 30 40 10 12,5 16 20 25 31 40 50 63 80 100 125 160 200 250 D e , dB Terzmitten-Frequenz f Tn , Hz De,rel in dB Bild 13.41: Einfügungsdämm-Maß D e für die im Beispiel genannten Parameter Einbauort Tragplatte B x H in m Bettungsmodul Matte stat./ dyn. in N/ mm 3 Achskräfte in kN Einsenkung der Tragplatte in mm Eigenfrequenz in Hz Dämmwerte 40-Hz bis 250-Hz min - max in dB Straße 1,8 x 0,3 0,009 / 0,012 70 < 2,2 14 12 - 33 Straße 1,8 x 0,3 0,02 / 0,039 70 < 1,2 28 5 - 25 Straße 2,3 x 0,44 0,009 / 0,012 85 < 1,6 14 12 - 34 Tunnel 2,6 x 0,24 0,009 / 0,012 145 < 2,9 16 10 - 32 Tabelle 13.6: Parameter von realisierten Masse-Feder-Systemen (MFS) mit Elastomermatten als verlorene Scha‐ lung [13.5] Anmerkung: Die Abschätzung des Einfügungsdämm-Maßes - ob messtechnisch oder rechnerisch ermittelt - ist eine wesentliche Grundlage für die Bewertung von emissions‐ mindernden Maßnahmen. Für die Anwendung zur Bewertung der Immissionen, diese werden in der Regel als Einzahlwerte angegeben, sind außerdem die Anregung (Quelle, 494 13 Schwingungsminderung im Schienenverkehr <?page no="499"?> die Ausbreitung im Tunnel (Viadukt) und Baugrund sowie die Weiterleitung ins Gebäude und innerhalb des Gebäudes zu beachten (siehe hierzu z. B. VDI 3837). Nur eine Gesamtbe‐ trachtung führt zu einem erfolgreichen Ergebnis: Schutz der Nachbarn vor erheblichen Erschütterungs- und Sekundärschall-Belästigungen aus dem Schienenverkehr. 13.9 Einbauten im Boden Neben der Schwingungsminderung durch elastische Gleislagerungen besteht grundsätzlich auch die Möglichkeit der Abschirmung durch eine Anordnung von „Schirmen“ im Baugrund ([13.11], [13.12]). Beim oberirdischen Schienenverkehr sind maßgeblich die Oberflächenwellen für den Energietransport verantwortlich. Eine effektive Abschirmung muss somit den Ausbrei‐ tungsweg der Oberflächenwellen (Rayleigh-Wellen) unterbrechen. Hierzu bieten sich vertikale Wandelemente an, die bis zu einer Tiefe von einer halben bis zu einer Wellenlänge geführt werden müssen, um eine gute Wirkung zu erbringen. Z. B. ergibt sich bei einer üblichen Wellengeschwindigkeit von c = 100 m/ s und einer unteren abzuschirmenden Frequenz von f = 10 Hz für Erschütterungen eine Tiefe von t = c/ f = 5 m bis 10 m. Für eine Minderung des Sekundärschalls sind geringere Tiefen erforderlich, da - je nach Gebäude - Frequenzen erst oberhalb von 16-Hz bis ca. 30-Hz abgeschirmt werden müssen. Eine durchgeführte Maßnahme wird z. B. in [13.2] beschrieben. Die hier verwendete Abschirm‐ matte gliedert sich in einzelne sich überlappende gasgefüllte Kammern. Zur Gewährleistung der Gasdichtigkeit sind die aus Kunststofffolien bestehenden Kammern außen von einer Aluminium‐ schicht umgeben. Die einzelnen Kammern werden von einem durchgehenden Geotextilgewebe umschlossen, das die Lagesicherheit beim Einbau und zusätzlichen mechanischen Schutz des Ballons gewährleistet. Zur Kompensation der Auftriebskräfte im suspensionsgefüllten Schlitz erhalten die Matten Ballastkörper aus Betonfertigteilen oder werden über Erdanker an der Sohle des Schlitzes verankert. Die in [13.2] beschriebene Abschirmwand ist 40 m lang und hat eine Tiefe von 8 m. Die erzielte Abschirmwirkung lag im Mittel bei 50 %. Sie ist frequenzabhängig und bei der ausgeführten Wand besonders für Frequenzen oberhalb von 20-Hz wirksam. Neben der Verwendung der o. g. gasgefüllten Matten wurde und wird auch mit anderen Materialien experimentiert. So wurden z. B. auch Unterschottermatten und Betonpfähle senkrecht in das Erdreich zwischen - oberirdisch geführter - Strecke und benachbarten Gebäuden eingefügt. Die hierbei erreichten Erfolge sind sehr unterschiedlich. In der Regel ist davon auszugehen, dass solche Maßnahmen nur dann in Betracht kommen, wenn andere Maßnahmen nicht möglich sind. Wie bei Schallschürzen für den Luftschall, so ist auch bei diesen Abschirmungen im Baugrund für deren Wirkung wesentlich, dass sie so dicht wie möglich an der Quelle angeordnet werden (oder unmittelbar vor dem zu schützenden Objekt). Bei der Straßenbahn in Wien wurden ver‐ schiedene Versuche mit Schallschürzen im Boden nahe dem Gleis durchgeführt [13.3]. Eingesetzt wurden Schotter, Gummigranulatplatten und Glaswollematten hoher Dichte. Bei einem Versuch wurde z. B. folgende Schutzmaßnahme eingebaut: • 20-cm Drainageschotter, • Tiefe: 1,5-m und • Abstand zur Gleisachse: 1,2-m. 13.9 Einbauten im Boden 495 <?page no="500"?> Messungen ergaben eine sehr gute Wirkung unmittelbar hinter der Schürze (in der Terz 63 Hz z. B. 14-dB). Mit der Entfernung von der Schürze nahm die Wirkung deutlich ab. In einem weiteren Versuch wurde eine 2-lagige Gummigranulatplatte bis zu einer Tiefe von 0,5 m wieder in einem Abstand von 1,2 m zur Gleisachse eingebaut. Zusätzlich wurde die Abschirmwand durch eine 20 mm dicke Dämmplatte mit einer zusätzlichen „Roofing Platte“ bis zu einer Tiefe von ca. 1,3 m verlängert. Mit dieser Maßnahme konnten die Erschütterungen in benachbarten Gebäuden z. T. deutlich gemindert werden. Die Größe der Minderung war dabei auf verschiedenen Streckenabschnitten sehr unterschiedlich. Die theoretische Behandlung von Bodenschürzen ist nicht einfach. Grundsätzlich kann sie jedoch wie eine Schallschutzwand behandelt werden. 13.10 Elastische Lagerung von Gebäuden 13.10.1 Allgemeines Die elastische Lagerung von Gebäuden ist ein weiteres Mittel, um die Erschütterungs- und Sekundärschallimmissionen zu reduzieren [13.12]. Ziel der elastischen Lagerung ist es, konse‐ quent das Gebäude mittels einer horizontalen Fuge sowie der Lagerung auf elastischen Bauteilen vom Untergrund zu trennen. Es entsteht ein schwingungsfähiges System, dass aufgrund seiner Trägheit höhere Anregungsfrequenzen isoliert. Als Lagermaterialien werden Elastomer- und Stahlfeder-Lager eingesetzt. Die Abstimmfrequenzen liegen zwischen ca. 3,5 Hz und 15 Hz, somit können Erschütterungen und Körperschall in der Praxis - je nach Eigenfrequenz - oberhalb von 8 Hz bis 20 Hz um 20 dB bis 25 dB gemindert werden. Elastische Gebäudelagerungen werden vorwiegend an vorhandener Strecke und neuen Gebäuden eingesetzt. 13.10.2 Auslegung der elastischen Gebäudelager Der Einbau von elastischen Bauteilen in die Gebäudestruktur erfordert jedoch einen größeren Pla‐ nungs- und Ausführungsaufwand als die konventionelle Gründung. Schon in der Planungsphase muss insbesondere der Bauablauf und das Tragwerksverhalten auf die tieffrequente Lagerung abgestimmt werden. Es sind deswegen vorab zahlreiche Planungsschritte notwendig. Zunächst wird die zur Einhaltung der Anhaltswerte für Erschütterungsimmissionen (DIN 4150-2) notwendige Lagerungseigenfrequenz des Gebäudes festgelegt. Lagerungseigenfrequen‐ zen unterhalb von 6 Hz bis 7 Hz können nur mit Stahlfederlagern erreicht werden. Oberhalb dieser Frequenzen werden üblicherweise Materialien aus Elastomeren eingesetzt. Die Wahl der Lagerungsfrequenz hat entscheidenden Einfluss auf das Tragwerksverhalten des Gebäudes. Tiefe Lagerungsfrequenzen und somit niedrige Steifigkeiten pro Stützpunkt bedeuten größere Einfederungswege als höhere Lagerungsfrequenzen (höhere Steifigkeiten). Die Auslegung und Verteilung der elastischen Lager sollte deswegen von einem Baudynamiker in Zusammenarbeit mit dem Tragwerksplaner erfolgen. Die rechnerische Auslegung der Lager erfolgt zunächst mit Hilfe eines Starrkörpermodells mit 6 Freiheitsgraden. Bei der Dimensionierung der Lager müssen insbesondere die Vertikal- und Quersteifigkeit, die Massenverteilung im Gebäude, das Trägheitsmoment und der Schwerpunkt des Gesamtgebäudes berücksichtigt werden. Dabei ist sicherzustellen, dass der Schwerpunkt des Lagersystems mit dem Schwerpunkt des Gebäudes übereinstimmt. Nur so lässt sich eine Schrägstellung des Gebäudes sowie Überlastung einzelner Lager vermeiden. 496 13 Schwingungsminderung im Schienenverkehr <?page no="501"?> (13.18) Bei der Festlegung der Lagerungseigenfrequenz ist zu berücksichtigen, dass bei Elastomerla‐ gern das Verhältnis k dyn / k stat = 1,3 bis 3 beträgt. Bei Stahlfedern mit dem Verhältnis k dyn / k stat = 1 lässt sich aus der Einsenkung s (s in cm) die Eigenfrequenz f 0 in Hz nach Gl. (13.18) näherungs‐ weise bestimmen. Bei einer Abstimmfrequenz von 3,5 Hz ergibt sich z. B. bei Stahlfedern eine Lagereinfederung von 20-mm. f 0 = 5/ s Bei der Zusammenstellung der Gebäudelasten ist zu berücksichtigen, dass dynamisch lediglich 30-% bis 50-% der Verkehrslast p wirksam sind. Die Auslegung der Abstimmfrequenz erfolgt des‐ wegen bei üblichen Lasten, d. h. g + 0,3 p bis g + 0,5 p mit g Grundlast in kN (Gebäudekonstruktion) und p Verkehrslast in kN (Personen, Einrichtung etc.). Statisch müssen die Lager jedoch die volle Last aufnehmen können. Zusätzlich ist in die Tragwerksplanung eine mögliche Lastumlagerung oder das Versagen eines elastischen Bauteils zu berücksichtigen. Das Versagen tritt beispielsweise im Brandfall oder bei Überbelastung auf. Deswegen werden zusätzliche aussteifende Elemente wie Unterzüge oder Wandscheiben notwendig. Bei tiefabgestimmten Gebäuden (Pendelfrequenz < 2 Hz) sind außerdem Windlasten dynamisch zu berücksichtigen. Bei der Aufnahme von Horizontallasten über die Lagerelemente ist zusätzlich die Standsicherheit der Federlager zu überprüfen. 13.11 Elastische Materialien, Baudurchführung, Sanierung, Gebäudeabfederung - Beispiele 13.11.1 Verwendete Materialien für elastische Elemente Neben den seit jeher bewährten Materialien Gummi oder Kautschuk haben sich neben Synthese‐ kautschuken mehr und mehr elastomerähnliche Kunststoffe durchgesetzt. Solche Werkstoffe sind z. B. Polyurethane (PUR) oder thermoplastische Elastomere (TPE). Da, neben dem klassischen Gummi, alle diese Werkstoffe von Natur aus ein volumenkonstantes Deformationsverhalten aufweisen, werden zur Realisierung der erforderlichen Bauteilelastizität Profilierungen und innere Hohlräume geschaffen. Vielfach werden diese Werkstoffe auch in geschäumter Form verwendet. Beispiele hierfür sind geschäumtes PUR, geschäumtes Ethylen-Propylen-Kautschuk (EPDM), z. B. in Form von Moosgummi, oder geschäumte TPE. Die inneren Hohlräume dieser Schäume bestehen in diesem Fall aus einer Vielzahl mehr oder weniger geblähter, teilweise geschlossener Zellen. Die so eingeschlossene Luft kann bei einer Deformation entweichen oder komprimiert werden. Die Material- oder Werkstoffeigenschaften hängen in hohem Maße von der Art der auftre‐ tenden Beanspruchung ab. Während z. B. Elastomere (z. B. Gummi) für hohe Beanspruchung auf Zug, Druck und Scherung prädestiniert sind, gibt es andere Materialien, die bevorzugt für Druck, weniger jedoch für Zug- oder Scherbeanspruchungen einsetzbar sind. Eine weitere wichtige Eigenschaft, die diese Werkstoffe im Gleisoberbau haben müssen, ist die Dauerelastizität. Hierunter wird die dauerhafte Eigenschaft verstanden, aufgebrachte Deformationen des Materials nach dessen Entlastung wieder vollständig in den Ursprungszustand zurückzustellen. Hierzu sind nicht alle Werkstoffe gleichermaßen in der Lage. Während z. B. einige Elastomere im Deformationsverhalten bis zu 600 % Zugdehnung elastisch zurückstellen, gibt es Kunststoffe, die werkstoffbedingt lediglich weniger als 50 % Zugdehnung elastisch zurückstellen. Ähnliches 13.11 Elastische Materialien, Baudurchführung, Sanierung, Gebäudeabfederung - Beispiele 497 <?page no="502"?> gilt für die Druck- und Scherverformung sowie das Kriechen. Für die Auswahl eines geeigneten Werkstoffes kommt es demnach in hohem Maße auf die Anforderungen an die Elastizität eines Bauteils und dessen beanspruchungsgerechte Gestaltung an. Entsprechend den Forderungen nach mehr oder minder ausgeprägter Elastizität, unter Beibe‐ haltung der Gestaltfestigkeit der elastischen Komponente eines Bauteils, haben die verschiedenen Werkstoffe ihren Platz in den diversen Produkten für den schwingungsmindernden Gleisoberbau gefunden. Materialien mit kleinen linear-elastischen Verformungsbereichen können nur dort eingesetzt werden, wo geringe Verformungen erzielt werden sollen. So werden z. B. Kunststoffe wie Polyethylen (PE), High-Density Polyethylen (HDPE), Polyamid (PA) u. a. für elastische Zwi‐ schenlagen (Zw) eingesetzt. Höherelastische Zwischenlagen werden aus Elastomeren oder Poly‐ urethanen produziert. Die elastischen Verformungen liegen bei diesen Produkten bei Δs < 1 mm. Hochelastische, z. B. geschäumte oder profilierte Werkstoffe hingegen werden dort eingesetzt, wo große Verformungswege mit geringen Bauteilsteifigkeiten (statisch und dynamisch) zu realisieren sind. Sie werden bevorzugt bei elastischen Zwischenplatten (Zwp) verwendet. Werkstoffe mit homogenem Gefüge, wie z. B. Elastomere/ Gummi werden bevorzugt dort eingesetzt, wo ein Bauteil hohe Zug- oder Scherspannungen zu ertragen hat. Ein Beispiel hierfür sind vulkanisierte Schienenlager. In der Gummikontur dieser Gummi-Metall-Verbindungen treten konstruktions‐ bedingt hohe Scher-/ Schubspannungen auf. Neben homogenen Werkstoffen haben sich auch Verbundstoffe aus verschiedenen, kombinierten Materialien bewährt. Bei diesen Verbundstoffen wird der Zusammenhalt der Einzelkomponenten z. B. durch die Einbettung von Teilchen in eine Matrix geschaffen. Beispiele hierfür sind gebundene Gummi- oder Korkgranulate oder auch Kork-Gummi-Verbindungen. Bei ersteren werden die Granulatteilchen verschiedenster Art z. B. in eine PUR-Bindemittel-Matrix eingebettet, im zweiten Fall werden Korkgranulate (auch Gummigranulate oder Gummimehl) in eine frische Gummimischung eingearbeitet und als Kompound zu einem Verbundstoff verarbeitet. Auch andere Werkstoffpaarungen sind mit diesem Verfahren möglich. Da diese Verbundstoffe im Vergleich zu homogenen Werkstoffen naturgemäß eher eine geringe Festigkeit besitzen, verwendet die Industrie diese Verbundstoffe z. B. für den Aufbau von Schichtstoffen (Integralbauweise). Hierbei werden unter zusätzlicher Verwendung von verstärkend wirkenden Materialien Sandwichkonstruktionen aufgebaut. Bei‐ spiele hierfür sind geschäumte PUR-Matten mit aufgebrachten Vliesen oder anderen textilen Verstärkungsmaterialien. Ein weiteres Beispiel sind Matten aus gebundenen Gummigranulaten mit aufvulkanisierten Gummideckschichten. Ein Überblick über die im Gleisoberbau verwendeten Werkstoffe und Materialien, wie sie sich in handelsüblichen Produkten der unterschiedlichen Grundkonzepte und Ausführungsvarianten wiederfinden, ist in Tabelle 13.7 dargestellt. Nr Grundkonzept NR EPDM SBR CR PUR Reifengranulat Gummi- Kork- Gemisch 1 Schienenlagerung X - X - (X) - (X) 2 Schwellenlagerung - - - X - - - 3 Schotteroberbau mit Matte X X X X X X X 4 Masse-Feder-System (MFS) X (X) X X X - (X) Tabelle 13.7: Im Gleisoberbau zur Schwingungsminderung verwendete Materialien 498 13 Schwingungsminderung im Schienenverkehr <?page no="503"?> 13.11.2 Masse-Feder-Systeme im Straßenbereich - Herstellung und Bauausführung Die Bauabfolge eines Masse-Feder-Systems mit Dämmmatten als „Verlorene Schalung“ erfolgt in 3 Teilschritten: 1. Erstellung des Gleistroges (Stahlbeton), 2. Verlegen der Dämm-/ Unterschottermatten als „Verlorene Schalung“, 3. Einbringen des Ortbetons zum Erstellen der Gleistragplatte (Stahlbeton). Aufgrund der erforderlichen Untergrundsteifigkeit sollte der Trogboden ausreichend bewehrt sein. Nach Fertigstellung des Betontrogs und Reinigung der Betonsohle können die Dämmmatten quer oder längs zur Gleisachse eingebracht werden. Sie müssen fugenlos verlegt werden und sollten, je nach Beschaffenheit des Betons, an den Stoßstellen (z. B. mittels Fugenstreifen) lückenlos miteinander verklebt werden. Im Anschluss an diesen Arbeitsprozess wird der Ortbeton für die Gleistragplatte eingebracht. Je nach Ausführung kann ein solches Masse-Feder-System sowohl als offenes Gleis oder auch als überfahrbares Straßenbahngleis mit Asphalt (Bild 13.42 und Bild 13.43) oder Pflastersteinen (Bild 13.44) eingedeckt werden. Bei Masse-Feder-Systemen haben sich in der Vergangenheit Matten als besonders geeignet er‐ wiesen, die ein Abtrocknen von Feuchtigkeit (Stichwort „Taupunktbildung“) an der Kontaktfläche zwischen Matte und Betonuntergrund gewährleisten. Aus diesem Grunde eignen sich hierfür besonders Dämmmatten, die an der Mattenunterseite Profilierungen aufweisen. Auch sollten die verwendeten Matten in den betreffenden Vorlastbereichen (je nach Tragplattenhöhe/ -dicke) geringe dynamische Steifigkeiten aufweisen. Die statische Steifigkeit (statischer Bettungsmodul) sollte - je nach Flächenlast - zwischen 0,01 N/ mm 3 und 0,03 N/ mm 3 liegen. Der dynamische Bettungsmodul sollte im relevanten Lastbereich (0,01 MPa < σ < 0,05 MPa, je nach Ausführung) nicht um den Faktor 2 größer sein als der statische Bettungsmodul. Aufgrund des gewünschten zügigen Baufortschrittes bei gleichzeitig handlichen Mattenabmessungen hat sich rollenförmiges Material mit Mattenbreiten von etwa 1500 mm bewährt. Wesentlich ist auch eine gut wirkende Fugenabdichtung am oberen Ende der Seitenmatten. Das Eindringen von Wasser und Schmutz in diesem Bereich muss hierdurch verhindert werden. In Tabelle 13.6 sind wesentliche Parameter von realisierten (Leichten) Masse-Feder-Systemen dargestellt. 13.11 Elastische Materialien, Baudurchführung, Sanierung, Gebäudeabfederung - Beispiele 499 <?page no="504"?> Bild 13.42: Leichtes Masse-Feder-System mit Matten als „Verlorene Schalung“ im „überfahrbaren Straßengleis“ Asphalt ao..., Abdichtung Kammerz.B. Bitumen o. ELA 320 o.ä. füllprofil / zusammen mit Abdichtung Kompressionsfugenband / z.B. Bitumen i.JIIII======� ,lt l/'Seitenmatte Bodenmattel ,oberer Gleisbeton - - . Gleistragplatte unterer Gleisbeton Bild 13.43: Masse-Feder-System, separate Verlegung von Boden- und Seitenmatte 500 13 Schwingungsminderung im Schienenverkehr <?page no="505"?> Bild 13.44: Masse-Feder-System als Pflastergleis 13.11.3 Gleis-Umbaumöglichkeiten zur erschütterungstechnischen Sanierung Sollte der Fall auftreten, dass die Erschütterungs- und Sekundärschallimmissionen gängige Anhaltwerte überschreiten, dann ist zu prüfen welche Maßnahme nachträglich zu einer Lösung führen kann. Oft werden bei einem Schotteroberbau nachtäglich Unterschottermatten eingebaut. Dies erfordert eine Gleissperrung für eine bestimmte Zeit. In Köln wurden zu diesem Zweck hochelastische Schienenlager auf Schwellen erfolgreich eingebaut. Bei einer Festen Fahrbahn können ebenfalls hochelastische Schienenlager eine Lösung herbeiführen. In [13.1], [13.4], [13.16] und [13.17] werden z. B. solche Lösungen beschrieben. Bild 13.45, Bild 13.46 und Bild 13.47 zeigen Beispiele für mögliche Umbaumaßnahmen. Die Lösung nach Bild 13.47 kann sinngemäß auch bei einer Festen Fahrbahn angewendet werden. 13.11 Elastische Materialien, Baudurchführung, Sanierung, Gebäudeabfederung - Beispiele 501 <?page no="506"?> Bild 13.45: Umbaumöglichkeit von einem Schotteroberbau auf eine Feste Fahrbahn mit Anwendung (hoch) elastischen Schienenlagern Bild 13.46: Umbaumöglichkeit von einem Schotteroberbau auf eine Feste Fahrbahn mit Anwendung eines Masse-Feder-Systems 502 13 Schwingungsminderung im Schienenverkehr <?page no="507"?> Schienenanschlußstücke 49 E Abdeckplatte, profiliert (Alternative 2) Abdeckplatte, profiliert (Alternative 1) Betonsockel (an der Tunnelwand bzw. unterhalb der Bahnsteigkante) Rippenplatte + el. Zwischenplatte Holzschwelle "A" "B" Ansicht "A" Ansicht "B" Bild 13.47: Umbaumöglichkeit eines Schotteroberbaus im Haltestellenbereich zur Abdeckung des Schotters zum Zwecke einer besseren Reinigung und zur akustischen Sanierung (Anwendung von schallschluckenden Materialien auf der Abdeckung) - Alternative 1: Abdeckung bis Unterkante Schienenkopf - Alternative 2: Abdeckung bis Oberkante Schienenkopf (Fahrfläche) 13.11.4 Elastische Gebäudelagerung - 13.11.4.1 Überblick Minderungsmaßnahmen am Gebäude sind meistens dann angezeigt, wenn es gilt, ein einzelnes Gebäude dicht neben oder über einer bestehenden oder neu zu bauenden Schienenbahntrasse abzuschirmen. Die Maßnahmen nach Tabelle 13.8 kommen prinzipiell in Betracht. Maßnahmen Erläuterungen Trennung der Gebäudeaußenwände vom Erdreich mittels elastischer Elemente, in der Regel Matten aus PU-Werkstoffen. Die Wirkung beruht darauf, dass eine Trennung der im Transmissionsweg liegenden Gebäudewände vom Erdreich vorgenommen wird. Damit kann die Anregung der Gebäudewände und des Gesamtgebäudes bei Frequenzen über 10 Hz bis 15 Hz reduziert werden. Im unteren Frequenzbereich (unterhalb der genannten Frequenzen) zeigt diese Maßnahme keine Wirkung, weil das gesamte Gebäude über die Fundamente angeregt wird. Amplituden mit höheren Frequenzen, die über die Fundamente übertragen werden, werden infolge der Boden-Bauwerks-Eigenfrequenz reduziert. Fundamentierung (Einflussgrößen): • Einzelfundamente, • Plattenfundamente, • Pfähle, • Bodenverfestigung. Durch die Art der Fundamentierung (und die Größe der gesamten Gebäudemasse) wird die Lage der Boden-Bauwerks-Eigenfrequenz und damit das Übertragungsverhalten vom Freifeld auf das Gebäude festgelegt. Tiefere Eigenfrequenzen (= größere Abminderung) erhält man bei kleineren Fundamentflächen. 13.11 Elastische Materialien, Baudurchführung, Sanierung, Gebäudeabfederung - Beispiele 503 <?page no="508"?> Maßnahmen Erläuterungen Elastische Gebäudelagerung: • Elastomere, • Federkörper, • (Luftfedern). Als elastische Elemente kommen Stahl- und Elastomerfedern (Einzel- und Flächenlager) in Betracht. Die Wirkung beruht darauf, dass oberhalb des √2-fachen der Resonanzfrequenz des Systems Bauwerk auf elastischen Elementen die Schwingungen abgemindert werden. Hierzu muss die Auflagerung der Elemente möglichst steif sein (massiver Unterbau wie bei ebenerdiger Gleislagerung). Abstimmung von Bauteilen: • Auflagerung und Spannweiten, • Zusätzliche Stützungen, • Erhöhung der Dämpfung. Die Ausführung der Decken (Material (Holz, Beton), geometrische Abmessungen (Länge x Breite x Dicke) und deren Einspannung in die Wände beeinflusst maßgeblich die Deckeneigenfrequenz und die Dämpfung. Hierdurch wird das Übertragungsverhalten vom Fundament auf die Decken und somit die Größe der zu erwartenden Erschütterungen (und des Sekundärschalls) bestimmt. Tabelle 13.8: Minderungsmaßnahmen am Immissionsort - 13.11.4.2 Konstruktive Hinweise Die Ausbildung der Trennfuge vom Bauwerk zum Baugrund lässt sich am einfachsten beim Übergang der Kellergeschosse zu den Wohngeschossen realisieren. Somit wird lediglich der zu schützende Immissionsbereich vom Baugrund entkoppelt. Die Anordnung der Lager erfolgt auf Stützenköpfen oder Wandscheiben. Zur Verbreiterung der Auflagerfläche werden bei den Stützenköpfen Konsolen oder Vouten eingebaut. Eine weitere Möglichkeit der Entkopplung besteht durch Anordnung der elastischen Lager zwi‐ schen dem Fundament und der Bodenplatte des Bauwerks. Bei Einbindung des Kellergeschosses im Erdreich sind außerdem die Kellerwände vom Baugrund zu trennen (Wannenausbildung). Bei höher abgestimmten Gebäuden können auch elastische Matten die Kellerwände vom Baugrund trennen. Die Trennfuge darf nur mit hochelastischen Materialien wie Glaswolle oder Profilgummi verfüllt werden, um eine Versteifung des Systems zu vermeiden. Vor Verfüllung der Fugen ist darauf zu achten, dass keine Körperschallbrücken zur Unterkonstruktion vorhanden sind. Des Weiteren müssen Rohrleitungsverbindungen beim Übergang zum abgefederten Gebäudeteil elastisch ausgebildet werden. Die Ausbildung der Fugen sollte der Architekt in Zusammenarbeit mit einem schwingungstechnischen Berater durchführen. Es können vorspannbare sowie nicht vorspannbare Lager verwendet werden (gilt für Elasto‐ mer- und Stahlfederlager). Bei vorspannbaren Lagern wird das Lager auf die zu erwartende Last vorgespannt eingebaut. Während des Baufortschritts wirkt das Lager wie ein festes Auflager, so dass der Bauablauf konventionell erfolgen kann. Nach Fertigstellung des erweiterten Rohbaus (nahezu gesamte Last) wird die Vorspannung gelöst und die Elastizität des Lagers aktiviert. Bei möglichen Überbelastungen können die Lager problemlos ausgetauscht werden. Hierzu ist jedoch die Zugänglichkeit zu gewährleisten. Dies erfordert Revisionsöffnungen in den Wandnischen. Die Bauhöhe der vorspannbaren Lager ist erheblich größer als bei den Standardlagern (nicht vorgespannte Lager). Durch die geringere Bauhöhe lassen sich diese leichter im Bauwerk integrieren. Jedoch können aufgrund der Elastizität der Lager Lastumlagerungen mit zunehmen‐ dem Baufortschritt erfolgen. Der Bauablauf muss deswegen eine gleichmäßige Belastung des Baukörpers sicherstellen, damit sich eine konstante Einfederung der elastischen Lager einstellt. Bei der Bauausführung ist auf eine besonders sorgfältige Ausführung der Lagerung, insbe‐ sondere der Fugen, zu achten. Es werden deswegen baubegleitend sowie nach Fertigstellung 504 13 Schwingungsminderung im Schienenverkehr <?page no="509"?> des Gebäudes, Schwingungsmessungen zur Qualitätssicherung empfohlen. Körperschallbrücken lassen sich dann frühzeitig erkennen und entsprechend beheben. Die Kosten für eine elastische Lagerung (inkl. Lager) lassen sich mit ca. 10 % bis 15 % der Rohbausumme veranschlagen. - 13.11.4.3 Einsatz von Stahlfedern Die Verwendung von Stahlfedern als Lager erlaubt eine sehr tiefe Abstimmungsfrequenz (ca. 3,5 Hz). Dabei werden die Gebäude punktförmig auf den Federpaketen gelagert. Dies setzt jedoch voraus, dass konstruktiv in das Gebäude eingegriffen wird, um beispielsweise Linienlasten punktförmig abzutragen. Dabei werden die Federelemente häufig in Wandnischen integriert sowie auf Stützenköpfen angeordnet. Stahlfederlager bieten immer dann eine Lösung, wenn besonders tieffrequente Anteile (8 Hz bis 15 Hz) aus dem Schienenverkehr isoliert werden müssen. Außerdem ermöglichen Stahlfeder‐ elemente die Abtragung hoher Punktlasten (bis 3.500-kN/ m 2 ). Die erste elastische Lagerung auf Stahlfedern mit parallel geschalteten viskosen Dämpfern (Bild 13.48) wurde 1985 in Berlin durchgeführt. Bild 13.48: Vorspannbares Federelement (Quelle: Fa. Gerb, Berlin) 1. Gewebebauplatten 2. Untere Druckverteilungsplatte 3. Untere federelementschale 4. Vorspannbolzen 5. Schraubenmutter 6. Obere Federelementschale 7. Obere Druckverteilungsplatte 8. Blechlage und Gewebebauplatte 9. Abdeckblech (verlorene Schalung) 10. Verankerung 13.11 Elastische Materialien, Baudurchführung, Sanierung, Gebäudeabfederung - Beispiele 505 <?page no="510"?> Notwendig war die Maßnahme, da das Gebäude nahezu direkt auf den U-Bahn-Tunnel gegründet werden musste. Als Lagerungsfrequenz wurde zunächst 7 Hz und später 4 Hz gewählt. Als Lagerelemente wurden sogenannte vorspannbare Federelemente benutzt. Nachfolgend werden einige Beispiele für die elastische Lagerung auf Stahlfedern beschrieben. Bild 13.49 zeigt ein Büro- und Wohngebäude. In nur ca. 1 m Tiefe unterhalb des Gebäudes verläuft eine U-Bahn-Linie. Die elastische Lagerung erfolgte über parallel zu den U-Bahnröhren angeordneten Federelementen. Auf den Federelementen wurde zunächst eine 80 cm dicke Grundplatte und darauf der weitere Hochbau erstellt. In einem Bürokomplex in München wurden die Federelemente im Tiefgaragenbereich in Wandnischen und auf Stützenköpfen angeordnet (Bild 13.50). Aus Brandschutzgründen wurden die Federelemente mit Brandschutzplatten nachträglich verkleidet. Im Tiefgaragenbereich sind für die Aufstellung der Federelemente im Allgemeinen die Ausbildung von Vouten und Konsolen erforderlich. Bild 13.49: Elastische Lagerung eines Gebäudes über zwei U-Bahn-Tunnel, unten: Anordnung der Federelemente unterhalb der Stahlschalung (Quelle: Fa. Gerb, Berlin) Bild 13.50: Anordnung von Federelementen zur Gebäudeabfederung im Tiefgaragenbereich (Quelle: Fa. Gerb) 13.11.4.4 Einsatz von Elastomeren Die Verwendung von Elastomeren zur elastischen Lagerung von Gebäuden ermöglicht vertikale Lagerungseigenfrequenzen von ca. 6 Hz bis 15 Hz. Somit lassen sich Erschütterungen ab ca. 15 Hz ausreichend isolieren. Die Tragfähigkeit bei Einhaltung der Lagerungsfrequenz unter 8 Hz ist geringer als bei Stahlfedern. Sie beträgt ca. 1.500 kN/ m 2 bis 2.300 kN/ m 2 . Mit Hilfe von Elastomeren bieten sich drei Arten der elastischen Lagerung an. Diese werden im Folgenden kurz vorgestellt. a) Punktlagerung Bild 13.49: Elastische Lagerung eines Gebäudes über zwei U-Bahn-Tunnel, unten: Anordnung der Federelemente unterhalb der Stahlschalung (Quelle: Fa. Gerb, Berlin) Bild 13.50: Anordnung von Federelementen zur Gebäudeabfederung im Tiefgaragenbereich (Quelle: Fa. Gerb) 506 13 Schwingungsminderung im Schienenverkehr <?page no="511"?> 13.11.4.4 Einsatz von Elastomeren Die Verwendung von Elastomeren zur elastischen Lagerung von Gebäuden ermöglicht vertikale Lagerungseigenfrequenzen von ca. 6 Hz bis 15 Hz. Somit lassen sich Erschütterungen ab ca. 15 Hz ausreichend isolieren. Die Tragfähigkeit bei Einhaltung der Lagerungsfrequenz unter 8 Hz ist geringer als bei Stahlfedern. Sie beträgt ca. 1.500 kN/ m 2 bis 2.300 kN/ m 2 . Mit Hilfe von Elastomeren bieten sich drei Arten der elastischen Lagerung an. Diese werden im Folgenden kurz vorgestellt. 1. Punktlagerung Hier wird, vergleichbar zu den Stahlfedern, das Gebäude mittels Blocklager punktförmig unterstützt (Bild 13.51). Dies erfordert konstruktive Maßnahmen am Gebäude, um die Lasten auf die Lagerpunkte zu übertragen. 2. Streifenlagerung Bei dieser Methode werden die Lagerstreifen direkt auf den üblichen Fundamentstreifen angeordnet (Bild 13.52). Das bietet den Vorteil, dass nach dem Betonieren der Bodenplatte das Gebäude herkömmlich erstellt werden kann. Mit dieser Lagerung lassen sich Lagerungs‐ eigenfrequenzen f 0 zwischen 10-Hz und 15-Hz erzielen. 3. Vollflächige Lagerung Die vollflächige Lagerung bietet den Vorteil, dass keine konstruktiven Maßnahmen zur Übertragung der Gebäudelasten auf die Lager notwendig sind (Bild 13.53). Auch werden durch die einfache Ausführung mögliche Körperschallbrücken vermieden. Jedoch ist diese Methode aufgrund des hohen Materialaufwandes kostenintensiv. Bild 13.51: Punktförmige elastische Lagerung eines Gebäudes mittels Blocklager auf Pfahlköpfen (Quelle: Fa. Getzner) 13.11 Elastische Materialien, Baudurchführung, Sanierung, Gebäudeabfederung - Beispiele 507 <?page no="512"?> Bild 13.52: Schematische Darstellung einer streifenförmigen elastischen Gebäudelagerung (Quelle: Fa. Getzner) Bild 13.53: Schematische Bild einer vollflächigen elastischen Gebäudelagerung (Quelle: Fa. Getzner) 4. Ausführungsbeispiel Das Beispiel zeigt die elastische Lagerung eines Bankgebäudes über einen S-Bahn-Tunnel in Berlin. Aufgrund der hohen Anregungsfrequenzen aus dem S-Bahn-Betrieb sowie des geringen Platzbedarfs für die elastischen Lager wurde hier eine Streifenlagerung verwendet (Bild 13.54). Das Gebäude wird hierdurch von dem S-Bahn-Deckel getrennt. Je nach den abzutragenden Lasten werden die elastomeren Streifenlager auf der Boden‐ platte ausgelegt. Betonfertigteile mit Anschlussbewehrung werden dann auf den Streifen angeordnet. Danach erfolgt das Betonieren der Wandscheiben mit den darüber liegenden Geschossdecken. Die Wirksamkeit der elastischen Gebäudelagerung mittels Elastomerlager ist ausführlich in [13.8] beschrieben. 508 13 Schwingungsminderung im Schienenverkehr <?page no="513"?> Bild 13.54: Streifenförmige Lagerung eines Gebäudes (Fa. Getzner) 13.11 Elastische Materialien, Baudurchführung, Sanierung, Gebäudeabfederung - Beispiele 509 <?page no="514"?> 13.12 Literatur zu Kapitel 13 [13.1] Krüger, F. / H. Becker und P. Prüm: Schwingungsminderung bei Schienenbahnen des Stadtverkehrs durch kontinuierliche Schienenlagerung. Juni 1990; BMFT-Forschung - Bericht 24*. Herausgeber STUVA e.V., Köln, Projektleiter; Blennemann, F. [13.2] Schiffer, W.: Schlitzwandbauweise mit Gasmattenelementen zur Abschirmung von Erschütterungen. Forschung + Praxis, Band 34 (Vortrag auf der STUVA Tagung 1991 in Düsseldorf) [13.3] Lang, J. u. a.: Wiener Lärmbericht 1997. (1997) [13.4] Krüger, F. u. H.-P. Schug: Untersuchung verschiedener Oberbauformen in einem U-Bahntunnel im Hinblick auf Schall- und Erschütterungsemissionen. März 1982, BMFT-Forschung - Bericht 8*. Herausgeber STUVA e.V., Köln [13.5] Repczuk, A. und F. Vondenhof: Moderner Oberbau für Schienenfahrzeuge im ÖPNV - Leichte Masse-Feder-Systeme. Verkehr und Technik 1999 Heft 10, S. 410-416 [13.6] Eisenmann, J.: Vorlesungsskript der TU München. [13.7] Schirmer, W.: Technischer Umweltschutz. Düsseldorf 1996 [13.8] Heiland, D. u. Th. Jaquet: Tieffrequente Bauwerksentkopplung als Schutz gegen Erschütterungen. VDI-Berichte 1145 (1994), S. 143-156 [13.9] Fastenrath, R. / Eisenmann, J. u. a.: Die Eisenbahnschiene. Verlag von W. Ernst & Sohn (1977) [13.10] Jaquet, Th. u. G. Hüffmann: Ausbildung eines tieffrequenten Masse-Feder-Systems mittels Stahlfederelementen bei U- und Vollbahnen als Schutz gegen Erschütterungen und Körperschalleinwirkungen. VDI-Berichte Nr. 1345, S. 143-160 (1997) [13.11] Massarsch, R.: Isolation of traffic vibration in soil. TUNNELS, Revue bimestrielle N° 74 MARS - AVRIL 1986, P. 67 ff [13.12] Melke, J.: Erschütterungen und Körperschall des landgebundenen Verkehrs - Prognose und Schutzmaßnahmen. Materialien Nr. 22, Essen 1995 (Landesanstalt für Immissionsschutz des Landes Nordrhein-Westfalen) [13.13] Jaquet, Th. / F. Krüger u. A. Repczuk: Schwingungsminderung im Schienenverkehr. Kap. 7 aus Schall- und Erschütterungsschutz im Schienenverkehr. expert verlag, Band 565 (2006) [13.14] Boenke, D. / Girnau, G. u. a.: Stadtbahnsysteme - Grundlagen -Technik - Betrieb - Finanzierung. Hrsg.: Verband Deutscher Verkehrsunternehmen e.V. (VDV). ISBN: 978-3-87154-500-9 (2014). [13.15] Eisenmann, J.: Die Schiene als Tragbalken. EI - Eisenbahningenieur (55) 5/ 2004 [13.16] Krüger, F. u. a.: Minderung der Schwingungsabstrahlung von U-Bahntunneln durch hochelastische Gleislagerungssysteme unter verschiedenen Tunnelrandbedingungen. STUVA, Köln und Ingenieurbüro Uderstädt, Essen, Februar 1985. BMFT-Forschung -Bericht 17*. Herausgeber STUVA e.V., Köln [13.17] Melke, J./ Kraemer, S. u. a.: Untersuchung schotterloser Oberbauformen im geraden und gebogenen U-Bahntunnel im Hinblick auf die Schall- und Erschütterungsemissionen. TÜV-Rheinland e.V., Köln, März 1982, BMFT-Forschung - Bericht 7*. Herausgeber STUVA e.V., Köln „*“ Berichte aus dem BMBF Forschungsprogramm „Verminderung des Verkehrslärms in Städten und Gemeinden - Teilprogramm Schienennahverkehr“. Koordinator STUVA e.V., Köln unter Leitung von F. Blennemann 510 13 Schwingungsminderung im Schienenverkehr <?page no="515"?> Literatur zu Kapitel 13 Ergänzende Quellen (Beispiele) 1. Wettschureck, R. und U. J. Kurze: Einfügungsdämm-Maß von Unterschottermatten. Acustica 1985 2. Krüger, F.: Einfluß der Oberbausteifigkeit auf die sekundären Schallimmissionen in Gebäu‐ den. DAGA ‘90 in Wien 3. Stühler, W. u. K.-H. Reinsch: Erschütterungs- und Körperschallschutz von Gebäuden mittels Stahlfedern und viskosen Dämpfern. Bauingenieur 67 (1992), Springer-Verlag 1992 4. Lenz, U.: Körperschallisolierende Gebäudeabfederung. Bautechnik 73 (1996) Heft 10, Ernst & Sohn 5. Uderstädt, D. u. a.: Tiefabgestimmte Gleislagerung für U-Bahnen zur Schwingungs- und Körperschalldämmung bei Gebäudeunterfahrten. Strasse, Brücke, Tunnel (März 71), Heft 3 6. Wettschureck, R. und G. Hauck: Körperschall/ Erschütterungen bei Eisenbahnen, Taschen‐ buch der Technischen Akustik. Springer-Verlag (1994) 7. Wettschureck, R. / Breuer, F. u. a.: Efficiency of a ballastless mass-spring-system with discrete elastic sylodyn bearings and of dynamically soft sylodyn mats in a railway tunnel in cologne. sixth international congress on sound and vibration (1999), Denmark 13.12 Literatur zu Kapitel 13 511 <?page no="516"?> 1 Derzeit gibt es in Deutschland keine gesetzlich festgelegten Grenzwerte für Erschütterungs- und Sekundärschall‐ immissionen aus dem Schienenverkehr. 14 Prognoseverfahren für Erschütterungen und Sekundärschall F. Krüger 14.1 Einleitung Vor dem Bau einer neuen Strecke (ebenerdig, aufgeständert, im Tunnel oder im Einschnitt bzw. auf einem Damm) ist ein ausführliches Streckengutachten zu erstellen. Hiermit soll vorab die Umweltverträglichkeit der neuen Strecke festgestellt werden. Diese Problemstellung ist in Bild 14.1 zusammengefasst. Dargestellt sind hierin die Anregungspunkte (Emission) durch das Fahrzeug F Fz , mögliche Punkte für eine Ersatzanregung F ers (Tunnelsohle und -wand, Boden vor dem Gebäude, Kellerfundament), Wege der Erschütterungsausbreitung (Transmission) sowie die Immissionsorte im Gebäude. Mit einer Ersatzanregung wird vor allem das Schwingungs-Ausbrei‐ tungsverhalten ermittelt. Grundsätzlich ist hiermit auch die schwingungsmindernde Wirkung von Maßnahmen in den Bereichen Oberbau und Baugrund möglich. Dargestellt sind außerdem noch einige typische Tunnelquerschnitte. Diese haben einen Einfluss auf die Anregbarkeit des Tunnels und somit auch auf die Emission. Ein wesentlicher Problembereich hierbei ist, dass Aussagen über die Umweltverträglichkeit in der Regel bereits vor Inbetriebnahme der Strecke erforderlich sind. Dies erfordert die Anwendung von Prognoseverfahren, mit denen die gewünschten Aussagen bereits im Planungszustand der neuen Strecke (des neuen Gebäudes) zu erzielen sind, Bild 14.2. Solche Verfahren werden im Fol‐ genden beschrieben. Da diese Verfahren auf z.T. sehr unterschiedlichen Ansätzen basieren, ist eine vergleichende quantitative Betrachtung kaum möglich und wird daher auch nicht durchgeführt. Aufgezeigt werden daher nur die prinzipiellen Vorgehensweisen, die den einzelnen Verfahren zugrunde liegen. Vorrangig wird hierbei auf Tunnelstrecken eingegangen, eine Übertragung auf andere Streckenführungen ist prinzipiell möglich. Diese Darstellung soll eine Hilfestellung geben sowohl für den Gutachter bei der Erstellung von Prognosen als auch für den Planer bei der Vergabe und Bewertung von Gutachten. Grundsätzlich sind solche Prognosen für folgende Aufgabenstellungen erforderlich: a) Strecke ist vorhanden, Gebäude neben dieser Strecke sind in Planung, b) Strecke und Gebäude sind vorhanden, die Strecke wird erweitert oder die Verkehrsbelastung erhöht, c) Strecke und Gebäude sind vorhanden, die Immissionen überschreiten Anhaltswerte 1 , welche Lösungen zur Einhaltung der Anhaltswerte sind möglich, d) Gebäude sind vorhanden, eine Strecke im Nahbereich der Gebäude ist geplant. Die Entfernungsangabe < 30 m in Bild 14.2 gilt für Nahverkehrsbahnen, für Eisenbahnen ist dieser Wert auf ca. 60 m zu erweitern. Bei speziellen Baugrundverhältnissen (sehr weiche Böden) können Erschütterungen auch noch über größere Entfernungen zu erheblichen Belästigungen in Gebäuden führen. Es ist hier aber auch anzumerken, dass im Rahmen einer umfangreichen messtechnischen Untersuchung in Gebäuden in der Umgebung von Eisenbahnstrecken [14.16] <?page no="517"?> keine Überschreitungen der Anhaltswerte bei Abständen oberhalb von ca. 40 m gemessen worden sind. Diese Messungen erfolgten von Münster im Norden bis südlich von München. Die grundsätzliche Vorgehensweise einer jeden Prognose zeigt Bild 14.3. Zu betrachten sind immer die drei Größen „Emission - Transmission - Immission“. Die im Folgenden dargestellten Prognoseverfahren unterscheiden sich im Wesentlichen in der Art der Darstellung, der Beschrei‐ bung und der Verknüpfung dieser Größen. Bild 14.3 zeigt außerdem die Vorgehensweise zur Ermittlung des erforderlichen Einfügungs‐ dämm-Maßes des Oberbaus, siehe Kap. 13. Die dargestellte Vorgehensweise lässt sich auch auf Minderungsmaßnahmen an anderen Stellen auf dem Ausbreitungsweg übertragen (z. B. Bodenschlitze oder abgefederte Gebäude). Ausgehend von einer bestimmten Emission eines Standard-Oberbaus (in der Regel entweder ein Schotteroberbau oder eine Feste Fahrbahn mit „einfach“ elastischen Schienenlagern) wird die zu erwartende Immission in einem Gebäude abgeschätzt (oder, bei vorhandener Strecke mit einem Oberbau der Einfügungsdämmung D e1 , gemessen). Immissionsgrößen sind der KB F -Wert nach DIN 4150-2 und der mittlere L pAFmax,m -Wert (oder der mittlere L pASmax,m -Wert). Beim KB F -Wert handelt es sich um eine frequenz- und zeitbewertete Schwinggeschwindigkeit, die auf 1 mm/ s bezogen wird und somit ohne Einheit ist. Anstelle des mittleren Luftschall-Maximalwertes wird manchmal auch der L pAeq -Wert für eine Bewertung herangezogen. Ein Vergleich mit den entsprechenden zulässigen Werten ergibt das erforderliche Einfügungsdämm-Maß, das entweder im Oberbau oder auf dem weiteren Ausbreitungsweg zu realisieren ist. Eine erneute Berechnung, mit der nun um die Einfügungsdämmung reduzierten Emission muss zu einer Unterschreitung der Anhaltswerte für die Immission führen (ansonsten ist eine weitere Erhöhung der Einfügungsdämmung D e2 erforderlich). Voraussetzung für diese Vorgehensweise ist in der Regel eine Betrachtung im Frequenzbereich, die sowohl mit konstanter Bandbreite (schmalbandig, VDI 3837) als auch terzweise erfolgen kann (DIN 45672-3). Sowohl die Emissionen als auch das gesamte Übertragungsverhalten bis zur Immission sind frequenzabhängig, daher sind für genauere Prognosen Frequenzbetrachtungen erforderlich. Wie noch gezeigt wird, liefert eine Anwendung von Einzahlwerten bereits grobe Hinweise auf das zu erwartende Immissionsgeschehen. Weitere Hinweise zur Prognose finden sich in der Normenreihe ISO 14837. 14.1 Einleitung 513 <?page no="518"?> Bild 14.1: Emissionen und Immissionen beim Schienenverkehr durch Schwingungsanregung F Fz im Rad-/ Schiene-Bereich. Möglichkeiten zur Ersatzanregung F ers an verschiedenen Punkten auf dem Übertragungsweg. 514 14 Prognoseverfahren für Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="519"?> Bauphasen einer neuen Strecken-/ Gebäudesituation und mögliche Prognosemodelle* ) Strecke: Planung Rohbaufertigstellung Betrieb (oder vorhanden) Gebäude: Planung Rohbaufertigstellung Bezug (oder vorhanden) Je nach Bauphase sind unterschiedliche Aktivitäten möglich. Prognosen sind im allg. erforderlich, wenn der Abstand zwischen Gleisachse und Gebäudeaußenwand rund < 30 m (Straßenbahnen) und < 60 m (Eisenbahnen) beträgt (DIN 4150-2 und DIN 45672-3). Numerisch- Mathematische Verfahren, FE-Methode Statistische Verfahren Einzahlwerte Spektralmethode Analytisch- Messtechnische Verfahren Kenngrößen Verfahren, Admittanz- Verfahren Immis ~ Emis Modell- Verfahren (physikalisches Modell) Immissionsgrößen: Erschütterungen: KB F -Werte Sekundärschall: L pA in dB * ) Anmerkung - Derzeit existiert kein gesetzlich festgelegtes Prognoseverfahren (siehe DIN 45672-3 und DIN 45672-4) Bild 14.2: Bauphasen von Strecken und Gebäuden sowie Überblick über Verfahren zur Erschütterungsprognose an Schienenwegen Transmission T - Differenzpegelspektren - Übertragungsadmittanz(en) - Vergrößerungsfunktion - Rechenverfahren (z.B. FEM) Emission E - Kraft F(f) - Bewegungsgröße a(f), v(f) Ersatzanregung zum Prüfen VP, PH Zuganregung e1 Bezugsoberbau D Sonderoberbau ? D e2 Tunnel (Ebenerd. Brücke) "T" Black-Box (T/ B/ G) Boden, Baugrund "B" e2 e1 D D Bewertungsgrößen: - Erschütterungen: KB - Sekundärschall: L in dB(A) Immission I - Körperschall v(t) - Sekundärschall p(t) - Erschütterungen v(t) pA F Immissionswerte IW 1. Bezugsoberbau 2. Sonderoberbau Anhaltswerte AW Gebäude (Fundament Decken) "G" Soll/ Ist-Vergleich IW <= AW Schritt 1 Schritt 2 e D Einfügungsdämm-Maß IW > AW ist OK ja nein prüfen Bild 14.3: Übertragungssystem und prinzipielle Vorgehensweise bei einer Prognose 14.1 Einleitung 515 <?page no="520"?> 14.2 Systemidentifikation Nach [14.3] können die Stoffe Stahl, Beton und Boden (hierzu zählt auch Schotter) als linear elastische, mit hysteretischer Dämpfung versehene Materialien betrachtet werden. Nur diese Materialien sind in der Regel in den für die Ausbreitung relevanten Subsystemen Tunnel, Viadukt, Boden und Gebäude vorhanden. Diese Aussage ist dann äußerst wichtig, wenn Ersatzerreger zu Prognosezwecken eingesetzt werden. Ersatzerreger (gleich welcher Art) können immer nur näherungsweise die vom fahrenden Fahrzeug in das System eingeleiteten Kräfte nach Amplitude und Frequenz simulieren. Bei sich, zumindest annähernd, linear verhaltenden Systemen ist das Übertragungsverhalten (Eingang zu Ausgang) jedoch unabhängig von der Größe der eingeleiteten Kräfte. Diese Aussage gilt nur für den elastischen Bereich. Für solche Systeme ist es daher möglich, das dynamische Verhalten auch durch einen Ersatzerreger experimentell zu bestimmen. Nach [14.21] wird allgemein die Behandlung elastomechanischer Systeme kurz mit dem Begriff Strukturproblem umrissen. Die Identifikation solcher elastomechanischer Systeme gehört zu den Strukturproblemen, die durch folgende Ein-/ Ausgangsbeziehung gekennzeichnet werden (Bild 14.4). Für das vorliegende Problem kann die allgemeine Ein- / Ausgangsbeziehung wie folgt konkretisiert werden, Bild 14.5 (siehe auch Bild 14.3). Eingangsgröße, Einwirkung (Quelle) System Ausgangsgröße, Auswirkung (Wahrnehmung) Bild 14.4: Allgemeine Ein-/ Ausgangsbeziehung eines mechanischen Systems [14.21] Ursache System Wirkung Emission Anregung durch: • Fahrzeug • Ersatzquelle Transmission • Oberbau • Fahrzeug • Ersatzquelle Immission Wirkungen im Gebäude: • Erschütterungen • Sekundärschall Bild 14.5: Konkretisierte Ein-/ Ausgangsbeziehung eines mechanischen Systems für Bahnstrecken (hier eine Tun‐ nelstrecke) Aus der Aufgabenstellung folgt eine differenzierte Vorgehensweise bei der Behandlung von Strukturproblemen. In Bild 14.6 sind die unterschiedlichen Aufgabenstellungen dargestellt. 516 14 Prognoseverfahren für Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="521"?> Strukturproblem Direktes Problem Gegeben: Systembeschreibung und Eingangsgrößen Gesucht: Ausgangsgrößen Entwurfsproblem Eingangsproblem Identifikationsproblem Inverses Problem Gegeben: Ein- und Ausgangsgrößen Gesucht: System Gegeben: Systembeschreibung und Ausgangsgrößen Gesucht: Eingangsgrößen Gegeben: Eingangs- und Ausgangsgrößen Gesucht: Systembeschreibung Bild 14.6: Einordnung des Identifikationsproblems in die Klasse der Strukturprobleme [14.21] Dieses allgemeine Schema der Unterteilung von Strukturproblemen lässt sich auch auf die Subsysteme Tunnel ↔ Boden ↔ Gebäude (T↔B↔G) übertragen. Hierbei und bei den weiteren Überlegungen stellt die Tunnelsohle die Einwirkungsstelle der Anregung in die oben genannten Subsysteme dar. Die Auswirkungen dieser Anregung kommen in den Räumen der benachbarten Bebauung zum Tragen: Auf den Gebäude-Decken (Fußbodenmitte) als Erschütterungen und nahe der Raummitte als Sekundärschall. 14.2.1 Direktes Problem Dieses Problem steht üblicherweise in der Konstruktionsphase einer Neuentwicklung an. Die Fragestellung lautet hier: Welche Ausgangsgrößen sind bei vorgegebenen Eingangsgrößen mit einer konkreten, beschreibbaren Konstruktion (Tunnel - Boden - Gebäude) zu erwarten? „Beschreibbar“ heißt, dass die das System beschreibenden Gleichungen vorhanden sind. Für das System T-B-G liegen in der Regel weder die Eingangsgrößen noch die Gleichungen für die Übertragung in hinreichender Genauigkeit vor. Wäre dies nicht der Fall, gäbe es also Eingangsgrößen und Gleichungen für die Übertragung, dann wären hiermit ausgezeichnete Immissionsprognosen möglich (s. a. [14.1] und [14.2]). 14.2.2 Entwurfsproblem Bei diesem Problem steht die Fragestellung im Vordergrund: Welche konstruktiven Realisierungen des Gesamtsystems oder der Teilsysteme ergeben bei vorgegebenen Eingangswerten festgelegte, nicht zu überschreitende Ausgangswerte (z. B. maximale Erschütterungsund/ oder Schallpegel‐ werte). Dies bedeutet für die Konstruktion der Tunnel und Gebäude sowie für die Auswahl des 14.2 Systemidentifikation 517 <?page no="522"?> Baugrunds (letzteres durch Wahl der Trasse und der Tiefenlage), dass schwingungsdynamische Erkenntnisse gezielt berücksichtigt werden. In der Praxis ist eine solche Berücksichtigung jedoch nur begrenzt möglich, da in der Regel bau- und verkehrstechnische Vorgaben bei der Gestaltung und Auslegung überwiegen. Allerdings sind jedoch z.Z. auch noch keine ausreichend genauen Daten über das dynamische Verhalten der einzelnen Systemparameter und deren Wechselwir‐ kungen vorhanden, so dass gezielte Hinweise auf die Konstruktion bisher nur innerhalb großer Toleranzen möglich sind. 14.2.3 Eingangsproblem Dieses Problem tritt z. B. dann auf, wenn an einem fertigen Tunnelobjekt zu hohe Immissionswerte in den Gebäuden auftreten. Hieraus folgt die Fragestellung, welche Eingangsgrößen sind maximal zulässig, damit die Ausgangswerte einen vorgegebenen Grenzwert nicht überschreiten. Es muss hier überlegt werden, mit welcher Maßnahme - in der Regel am Oberbau oder am Fahrzeug - eine optimale Reduzierung der Eingangsgröße erreicht werden kann. In der Praxis wird dieser Weg oft beschritten. Für die Streckenabschnitte, die nachträglich saniert werden müssen, ist diese Problemlösung in der Regel zwar teurer, jedoch können hiermit auch Kosten durch die Vermeidung von prophylaktisch hochwertigen Maßnahmen an Abschnitten, die sich im Nachhinein als unkritisch herausstellen, eingespart werden. 14.2.4 Identifikationsproblem Dieses Problem zu lösen heißt: Ermittlung der das System beschreibenden Gleichungen aus gemessenen Eingangsgrößen an der Tunnelsohle oder Tunnelwand und Ausgangsgrößen auf Gebäudedecken bzw. in Raummitte. In solchen Gleichungen müssen die Eingangsgrößen (Anre‐ gung), die Materialkennwerte und die Übertragungsfunktionen enthalten sein. In [14.1] ist ein nach dieser Methode entwickelter Rechengang für eine vereinfachte Prognose von Boden- und Bauwerkserschütterungen für den ebenerdigen Verkehr (ohne Tunnel) angege‐ ben. Eine Kurzbeschreibung dieses Verfahrens folgt weiter unten. Die Ermittlung von Kenngrößen zur Festlegung des optimalen Oberbaus stellt nach [14.9] im Wesentlichen ein Eingangsproblem und teilweise auch ein Identifikationsproblem dar. Beim ersten Problem steht folgende Fragestellung im Vordergrund: Welche Einfügungsdämmung (welche Oberbauform) ist zur Realisierung einer maximal zulässigen Anregung (Kraft oder Schwinggeschwindigkeit) an der Tunnelsohle oder Tunnelwand erforderlich? Das zweite Problem wird ganz allgemein gelöst, indem aus der Messung der Ausgangsgrößen für verschiedene Eingangsgrößen ein (Ersatzsystem) Modell ermittelt wird, das hinsichtlich bestimmter - aus der jeweiligen Aufgabenstellung resultierender - Kriterien dem realen System entspricht (z. B. Übereinstimmung von System- und Modellantwort innerhalb bestimmter Fehlergrenzen), [14.21]. In Abhängigkeit von der gestellten Aufgabe werden zur Problemlösung Teilmodelle (z. B. für den Oberbau) oder Gesamtmodelle benötigt (Bild 14.7). Diese Modelle werden unterschieden nach qualitativer und nach quantitativer Art. In [14.9] werden nur quantitative Modelle verwendet, die eine direkte wertmäßige Zuordnung der Ein- und Ausgangsgrößen enthalten. Es wird hier wiederum unterschieden zwischen nichtparametrischen Modellen (Black-Box-Modellen, Modelle ohne Struktur) und parametrischen Modellen (Modelle mit Struktur). Die mathematische Beschreibung des dynamischen Verhaltens von Systemen (mathematisches Modell) wird durch Funktionen zwischen den Ein- und Ausgangsgrößen des Systems dargestellt. Beim nichtpara‐ metrischen Modell wird der funktionale Zusammenhang hierbei tabellarisch oder graphisch 518 14 Prognoseverfahren für Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="523"?> wiedergegeben (Frequenzgänge, Übertragungsfunktionen) beim parametrischen Modell dagegen analytisch mit explizit auftretenden Parametern [14.21]. Sowohl die Isolierwirkung von Oberbauformen als auch die Ermittlung der Fahrzeuganregung wird in [14.9] parametrisch identifiziert, zur Beschreibung der Schwingungsausbreitung vom Tunnel zum Gebäude sowie für die Luftschallabstrahlung in den Gebäuden wird die nichtpara‐ metrische Identifikation angewendet. Bei der nichtparametrischen Identifikation wird sowohl das Gesamtsystem Tunnel - Boden - Gebäude als auch Einzelsysteme, soweit dies möglich ist, identifiziert. Tabelle 14.1 zeigt die Unterteilung der Systemidentifikation und deren jeweiliger Anwendung in [14.9]. Die Schwingungseinleitung und -ausbreitung im Vergleich zwischen der Fahrzeug- und der Ersatzanregung für das System Tunnel - Boden - Gebäude zeigt Bild 14.1. Die anregenden Kräfte infolge einer Fahrzeugfahrt wirken bei diesem System über den Oberbau auf die Tunnelsohle ein und werden durch den umgebenden Baugrund in die benachbarte Bebauung übertragen. Entsprechend wird auch bei Anwendung einer Ersatzanregung die Tunnelsohle angeregt. Für oberirdische Strecken ist auch eine Messung unter Anregung der Bodenoberfläche möglich. Hierdurch werden Daten zur Prognose (Ausbreitung) bereits im Planungszustand einer neuen Strecke erzielt. Ergebnisse einer Anregung auf dem Boden bei oberirdischen Strecken werden z. B. in [14.17] beschrieben. Bild 14.7: Gesamtes Übertragungssystem mit den Subsystemen Fahrzeug / Oberbau / Tunnel / Boden / Gebäude Die einzelnen Parameter zu den in Bild 14.7 dargestellten Subsystemen sind zusammenfassend in Tabelle 14.2 enthalten (siehe auch ISO 14837-1 und DIN 45672-1). Die Parameter wirken sich sehr unterschiedlich auf die Anregung und Ausbreitung aus, eine genaue Quantifizierung ihrer Einflüsse ist nur in einzelnen Fällen möglich. 14.2 Systemidentifikation 519 <?page no="524"?> Anwendung der Systemidentifikation auf die Schwingungsanregung und -ausbreitung an Bahnsystemen Parametrische Identifikation Modell: mit Struktur, Anwendung bei: Nichtparametrische Identifikation: Modell: ohne Struktur, Anwendung bei: a) Parameter der Fahrzeuganregung: • Oberflächenzustand von Rad und Schiene • Stützpunktabstand • Radlast • Fahrzeuggeschwindigkeit • Fahrzustand (Bremsen, Beschleunigen) • Oberbauzustand (Gleislagefehler, hohI-liegende Schwellen mit starker Stoßanregung) • Trassierung (Bogen, Rampe, Einschnitt, Damm) a) Gesamtsystem Tunnel - Boden - Gebäudekeller - Gebäudeobergeschosse (Erschütterungen, Luftschall) b) Oberbauisolierwirkung: • Berechnung der Isolierwirkung aus den modalen Parametern • Dämpfungen und Steifigkeiten • Eigenfrequenzen (Masse, Dämpfung, Federsteifigkeit des Radsatzes, des Oberbaus und der Tunnelsohle) b) Einzelsysteme: • Tunnel - Boden (Erschütterungen) • Boden Gebäudekeller (Erschütterungen) • Gebäudekeller - Gebäudeobergeschosse (Erschütterungen und Luftschall) - c) Beziehung zwischen Fahrzeug- und Ersatzanregung - d) Oberbauisolierwirkung (Einfügungsdämm-Maß): Messung der Eingangsadmittanzen des Rades, des Oberbaus und der Tunnelsohle und anschließender Berechnung des rel. Einfügungsdämm-Maßes aus diesen drei Größen (s. Kap. 13). Tabelle 14.1: Unterteilung des Identifikationsproblems (nach [14.21]) für das Gesamtsystem n. Bild 14.1 520 14 Prognoseverfahren für Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="525"?> Subsystem Parameter Fahrzeug a) Achslast, unabgefederte Radsatzmasse, b) Primär- und Sekundärfeder (Kennlinie, Dämpfungsgrad, Eigenfrequenz), c) Radreifenoberfläche (Rauheiten, Flachstellen, Anhaftungen), d) Achsabstand im Drehgestell, e) Fahrzeuggeschwindigkeit, f) Fahrzustand (Beschleunigungen, gleichmäßig, bremsen), g) Fahrzeuglänge (Bereich der Punkt- oder Linienlastanregung). Schiene a) Metergewicht, b) Rauheiten: Riffeln, Wellen, Schienenstöße, Herzstücke, c) Lage (vertikale und horizontale Gleisverschiebung), d) Wechselnde Admittanzen. Oberbau Unterschiedliche Bauelemente zur Schwingungsisolierung (Schwingungsdämmung und -dämpfung) a) Bettungsoberbau • reines Schotterbett, • Schotterbett mit Gleisbett-Dämmmatte, • Schotterbett mit hochelastischen Schienenlagern. b) Bettungsloser Oberbau (Feste Fahrbahn) • elastische Schienenlager, • hochelastische Schienenlager. c) Masse-Feder-Systeme • mit Schotterbettung (Schotter im Betontrog eingelagert), • ohne Schotterbettung (Masse als Betonplatte oder als Betontrog). d) Abstand der Schienenstützpunkte / Schwellen. Die Isolierwirkung eines bestimmten Oberbaus ist eine Funktion der Impedanzen vom Fahrzeugrad, Oberbau und von der Tunnelsohle (Kap. 13). Tunnel a) Querschnittsform (Rechteck, Kreis, Hufeisen), b) Querschnittsabmessungen (eingleisig/ mehrgleisig; mit/ ohne Stützen; Wanddicken, lichte Abmessung), c) Auskleidung (Beton, Spritzbeton, Gusseisen, Stahl; Fertigteile; einschalig/ zweischalig), d) Trassierung (Gerade/ Kurve; Neigung), e) Bauweise • geschlossen: Schildvortrieb (Auskleidung mit Fertigteilen). Bergmännisch (Spritzbeton, Innenschale), Vorpressverfahren, Gefrierverfahren, • offen: unterschiedliche Ortbetonkonstruktionen mit und ohne Arbeitsraum (ohne Arbeitsraum = Ort- und Spritzbetonverbau, Schlitz- oder Bohrpfahlwände). Spundwandtunnel (Stahl, Spundwand kann als bleibender Bestandteil (Wände) des Tunnelbauwerkes verwandt werden). f) Tiefenlage. Dynamische Kennwerte: Impedanz (Admittanz), Eigenform, Dämpfungsgrad, Wellenausbreitung, Schubmodul, Dichte. 14.2 Systemidentifikation 521 <?page no="526"?> Subsystem Parameter Boden a) Material: Lockerboden, Fels Bodenprofil, Wassergehalt (Grundwasserstand), Bodentemperatur (Frost), b) Bauhilfsmaßnahmen: Pfähle, Schlitzwände, Anker, Verpressung, Bodeninjektionen, c) Einbauten (Leitungen, Kanäle, alte Gebäudefundamente). Parallel zum Tunnel verlaufende Einbauten wirken schwingungsmindernd, quer verlaufende Einbauten stellen mehr oder weniger gute Körperschallbrücken dar, d) Baumbestand (Wurzeln), e) Bebauung (Art, Gründung, Abstand), f) Bodendynamische Kennwerte: Schubmodul; Wellenausbreitungsgeschwindigkeit; Dämpfungsgrad; Dichte; Querkontraktionszahl µ, Eigenfrequenz f 0 . Wellenarten im Baugrund: Körperwellen: Kompressionswellen und Scherwellen; Oberflächenwellen: Rayleighwellen (an der Oberfläche); Lovewellen (zwischen den Bodenschichten). Ausbreitung siehe u. a. DIN 4150-1. Gebäude a) Fundamente: Streifen-, Einzel- und Plattenfundamente sowie Flach- und Tiefgründung, b) Geometrie (Masse): Höhe, Breite, Tiefe, c) Konstruktion: Mauerwerk, Stahlbeton und Stahlbetonskelettbauweise mit verschiedenen Auskleidungen (Mauerwerk, Fertigteile), Wandstärke, d) Gebäudelage zum Tunnel, e) Gebäudedecken: Holz- oder Betondecken; Estrich; Länge, Breite, Dicke, f) Inneneinrichtungen (Luftschallabstrahlung, wesentlich für den Sekundärschallpegel), g) Materialeigenschaften des Baugrundes und der Wände. Tabelle 14.2: Darstellung der wesentlichsten Parameter für die Anregung und Ausbreitung von Schwingungen / Erschütterungen beim Schienenverkehr In Bild 14.8 sind zusammenfassend einige der wesentlichsten Parameter dargestellt, die bei einer Erschütterungs- und Sekundärschallprognose zu beachten sind. Erläuterung zu diesem Bild sind in Tabelle 14.3 enthalten. Subsystem Parameter Gebäude a) Fundamente: Streifen-, Einzel- und Plattenfundamente sowie Flach- und Tiefgründung, b) Geometrie (Masse): Höhe, Breite, Tiefe, c) Konstruktion: Mauerwerk, Stahlbeton und Stahlbetonskelettbauweise mit verschiedenen Auskleidungen (Mauerwerk, Fertigteile), Wandstärke, d) Gebäudelage zum Tunnel, e) Gebäudedecken: Holz- oder Betondecken; Estrich; Länge, Breite, Dicke, f) Inneneinrichtungen (Luftschallabstrahlung, wesentlich für den Sekundärschallpegel), g) Materialeigenschaften des Baugrundes und der Wände. In Bild 14.8 sind zusammenfassend einige der wesentlichsten Parameter dargestellt, die bei einer Erschütterungs- und Sekundärschallprognose zu beachten sind. Erläuterung zu diesem Bild sind in Tabelle 14.3 enthalten. Tabelle 14.3: Erläuterungen zu Bild 14.8 Beschreibung Indizes SO Schienenoberkante G Gebäude R horizontale Abstände T Tunnel h vertikale Höhen-/ Tiefenangaben TW Tunnelwand d Dicke (Decken, Tunnelwand) TS Tunnelsohle St Stockwerk TD Tunneldecke l x b x d Deckenabmessungen im Gebäude Gl Gleis L x B x H Gebäudeabmessungen GW Gebäudewand Emissionspunkt im Boden Gleismitte (Anregung) Sekundärschallmesspunkte Erschütterungsmesspunkte Tabelle 14.3: Erläuterungen zu Bild 14.8 522 14 Prognoseverfahren für Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="527"?> Bild 14.8: Querschnittsprofil mit Gleislage auf einem Viadukt, ebenerdig und im Tunnel mit wesentlichen die Ausbreitung beeinflussenden Parametern 14.3 Beschreibung einzelner Prognose-Verfahren 14.3.1 Überblick In Abhängigkeit von den einzelnen Planungs- und Bauphasen einer neuen Strecke sind unter‐ schiedliche Aktivitäten für Immissionsprognosen möglich. Solche Immissionsprognosen haben 14.3 Beschreibung einzelner Prognose-Verfahren 523 <?page no="528"?> den Zweck, vor Inbetriebnahme der neuen Strecke das Körperschall-Übertragungsverhalten im Transmissionsbereich (z. B. Tunnel/ Brücke, Boden und Gebäude) abzuschätzen, um hieraus entsprechende Maßnahmen abzuleiten, die bei rechtzeitiger Berücksichtigung eine Vermeidung von störenden Immissionen (erheblichen Belästigungen nach DIN 4150-2) für die betroffenen Anwohner bewirken. Durch eine Prognose soll aber auch ein „Überdimensionieren“ einer schwingungsmindernden Maßnahme vermieden werden. Das Kostenverhältnis zwischen einem Standardoberbau (z. B. Schotterbett oder Feste Fahrbahn mit Gleislagern geringer Elastizität) und einem hochwirk‐ samen Masse-Feder-System als Oberbau beträgt ca. 1: 3 bis 1: 4. Die Kostenverhältnisse der weiteren schwingungsmindernden Oberbauformen betragen ca. 1: 2 bis 1: 3. Eine an den lokalen Erfordernissen angepasste schwingungsmindernde Maßnahme kann somit u.U. zu erheblichen Kosteneinsparungen führen. Dies betrifft sowohl Maßnahmen beim Neubau als auch bei der Sanierung von Strecken. Andererseits sollten diese Kosten immer auch im Zusammenhang mit den Gesamtkosten einer Baumaßnahme beurteilt werden. Eine Übersicht über die wesentlichsten Maßnahmen, mit denen störende Immissionen vermie‐ den werden können, ist u. a. in [14.1] zu finden. Danach sind die effektivsten Maßnahmen, neben einer regelmäßigen Wartung der Laufflächen von Rad und Schiene (z. B. Bearbeitung durch Schleifen, Drehen oder Fräsen), der Einbau von elastischen Materialien im Oberbau, im Baugrund sowie unter und über den Gebäudefundamenten. Zu nennen sind z. B. Unterschottermatten, hochelastische Schienenlager, Kontinuierlich-Elastische Schienenlager (KES oder KON), Schlitze im Boden sowie elastische Gebäudelagerungen (siehe Kap. 13). Im Folgenden wird das jeweilige Prinzip bisher angewandter Prognoseverfahren dargestellt. Ausführliche Beschreibungen dieser Verfahren sind in der jeweils angegebenen Literatur zu finden (VDI 2716, VDI 3837, DIN 45672-3, ISO 14837-1). Vorrangig werden Tunnelstrecken betrachtet, eine Übertragung der Verfahren auf oberirdische Strecken ist weitgehend möglich. In ISO 14837-1 wird eine dreistufige Vorgehensweise beschrieben (Gebäude sind vorhanden): • Stufe 1: Planungsstadium der Streckenführung (ober- oder unterirdisch), • Stufe 2: Streckenführung und konstruktive Gestaltung ist fertiggestellt, Zeichnungen, Bo‐ dengutachten etc. liegen vor, • Stufe 3: Tunnel, Viadukt oder Unterbau bei einer oberirdischen Strecke sind im Rohbau fertiggestellt (ohne Einbau des Oberbaus). Die Randbebauung an vorhandenen Strecken ist ein Sonderfall der Prognose, hier hat der Investor eine angemessene Immissionsvorsorge zu treffen. Je nach Stufe sind unterschiedliche Prognosemodelle anzuwenden, es sind verschiedene Prognosegenauigkeiten erforderlich. Einen generellen Überblick über mögliche Modelle zeigt Bild 14.9. Unterschieden wird vorne‐ weg über Modelle, die mit Einzahlwerten operieren (rechte Seite im Bild) und solchen, die Spektren zur Grundlage nehmen (linker Strang im Bild). Ziel ist in jedem Fall einen Vergleichswert zu ermitteln, der mit vorliegenden Anhaltswerten, falls vorhanden mit Grenzwerten, zu vergleichen ist. Dieser Vergleich zeigt dann auf, ob ergänzende Minderungsmaßnahmen erforderlich sind oder nicht. 524 14 Prognoseverfahren für Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="529"?> Im Frequenz- Bereich Einzahlwerte Erregung Spektren (Emission) Charakteristische Spektren Erschütterungen und Sekundärschall Prognosemodelle - Überblick - Spektren: Oktaven, Terzen oder schmalband (FFT) v peak , v rms in mm/ s a peak , a rms in m/ s 2 KB FTr / VDV L v rms in dB L pAFmax in dB(A) L pASmax in dB(A) FEM Analytische Funktionen Abgeleitet von: Messungen Berechnungen Charakterische Linen (Eingangs- und Transfer-Admittanzen) Differenz- Spektren Abgeleitet von Messergebnissen (statistische Analysen) Basiswerte mit Korrekturwerten Vergleich mit Anhaltswerten "<" OK! - Minderungsmaßnahmen sind nicht erforderlich ">=" nicht OK! - Minderungsmaßnahmen werden benötigt (D e ? ) Einzahlwert ist vorhanden (aus Prognose) Einzahlwerte sind zum Vergleich mit Anhaltswerten zu berechnen Bild 14.9: Genereller Überblick zu Prognosemodellen 14.3.2 Statistische Verfahren - Einzahlberücksichtigung - 14.3.2.1 Überblick Diese Verfahren basieren im Wesentlichen auf der statistischen Auswertung von gemessenen Daten an in Betrieb befindlichen Strecken (unter- und oberirdische Strecken). Sie sind die ältesten und wohl auch bisher am häufigsten angewandten Verfahren in Stufe 1 eines Prognoseverfahrens. Ausführungen hierüber sind u. a. in [14.2], [14.5], [14.6], [14.7], [14.8] sowie [14.11] bis [14.19] enthalten. Unter dem Sammelbegriff „Statistische Verfahren“ lassen sich die im Folgenden kurz beschriebenen drei Einzelverfahren zusammenfassen. - 14.3.2.2 Abstandskriterium 1 - Sekundärschallabschätzung Hiermit erfolgt eine Abschätzung des zu erwartenden sekundären Schalldruckpegels in benach‐ barten Gebäuden nach dem Abstandskriterium und einer qualitativen Berücksichtigung der das Schwingungsverhalten beeinflussenden wesentlichen Parameter. Der zu erwartende sekundäre 14.3 Beschreibung einzelner Prognose-Verfahren 525 <?page no="530"?> (14.1) (14.2) (14.3) (14.4) (14.5) Luftschallpegel (mittlerer Maximalpegel) wird nach diesem Verfahren primär aus dem horizon‐ talen Abstand R in m zwischen der Strecke (Tunnel) und dem Gebäude ermittelt. In [14.5] wird hierfür die folgende Gleichung angegeben: L pAFmax = 59 − 20 • lg(R) ± 10dB Aufgrund von weiteren Messergebnissen und anhand einer Literaturauswertung wurden, auf‐ bauend auf Gl. (14.1), in [14.9] die beiden folgenden Gleichungen abgeleitet. Hiernach gilt für eine Bettung des Tunnels und der Gebäude: a) im vorwiegend lockeren Baugrund: L pAFmax = 62 + k E − 20 • lg R + k Ü b) im vorwiegend felsigen Baugrund: L pAFmax = 49 + k E − 10 • lg R + k Ü mit den Korrekturfaktoren k E für die Anregung an der Tunnelsohle und k Ü für die Übertragung zwischen Tunnelsohle und Gebäude. Die Gln. (14.2) und (14.3) sind in Bild 14.10 grafisch dargestellt. Gleichzeitig ist in dieser Dar‐ stellung näherungsweise der Einfluss der relativen Einfügungsdämm-Maße der verschiedenen „typischen“ schwingungsmindernden Oberbauformen auf die Immissionspegel mitberücksich‐ tigt. In Abhängigkeit vom Zustand der Rad- und Schienenlaufflächen, dem Fahrzeuggewicht, den Übertragungsbedingungen zwischen dem Anregeort und dem Immissionsort sowie dem Eigenschwingungsverhalten der Gebäudedecken und -wände können die auftretenden Pegel in der Größenordnung von ca. ±10 dB variieren. Anhand von dieser Darstellung sind nur erste grobe Prognosen möglich, in kritischen Fällen sollte eine genauere Prognose nach den weiter unten beschriebenen Verfahren durchgeführt werden. Die Korrekturfaktoren k E und k Ü in den Gln. (14.2) und (14.3) sind abhängig von den lokal vorhandenen Randbedingungen. Die Einflüsse der einzelnen Parameter werden dabei addiert. Es gilt demnach. k E = ∑ i = 1 n k E1 + k E2 + … + k En in dB k Ü = i = 1 n k Ü1 + k Ü2 + … + k Ün in dB 526 14 Prognoseverfahren für Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="531"?> 0 10 20 30 40 50 60 70 1 10 L pAF,max,m , dB(A) R, m ABCDE 1 5 10 20 30 50 0 10 20 30 40 50 60 70 1 10 L pAF,max,m , dB(A) R, m ABCDE 1 5 10 20 30 50 a) Tunnel und Gebäude im Lockerboden b) Tunnel und Gebäude im bzw. auf Fels Bild 14.10: Abschätzung des mittleren sekundären Schalldruckpegels L pAFmax,m in Abhängigkeit vom horizontalen Abstand R zwischen Gleismitte und Gebäudeaußenwand und der Oberbauform. U- und Stadtbahnfahrzeuge mit v ≈ 60-km/ h Oberbauformen: A: Schotter SCH (Referenz), B: Elastisches Schienenlager ESL (schotterlos, Feste Fahrbahn), C: Hochelastisches Schienenlager HSL, D: Unterschottermatte USM oder näherungsweise KON (KON / KES = hochelastische kontinuierliche Schienenlagerung), E: Masse-Feder-System MFS (elastisch gelagerte Betonplatten oder Betontröge). Werte für die einzelnen Korrekturpegel schwanken zwischen plus 15 dB und minus 25 dB für k E und zwischen ±6 dB für k Ü [14.9]. Extremwerte für k E sind auf der einen Seite bei starren Herzstücken (bis +15 dB) und auf der anderen Seite bei Oberbauformen, die als ausgesprochene Masse-Feder-Systeme realisiert werden (bis -25 dB) vorhanden. (Anmerkung: Im Prinzip stellen alle Oberbauformen Masse-Feder-Systeme dar. Bei den Oberbauformen, die als solche bezeichnet werden, ist jedoch eine relativ große „zusätzliche“ schwingungsfähige Masse aus Beton bzw. Beton und Schotter vorhanden). In k Ü sind insbesondere Einflüsse der Tunnelkonstruktion, der Einbauten im Boden, des Bodenzustandes und der Bodenart sowie der Fundament-, Wand- und Deckenkonstruktion der Gebäude enthalten. Eine Bewertung der lokalen Situation nach Tabelle 14.4 unterstützt die Abschätzung der Korrekturwerte. Evtl. ist sie an lokale Randbedingungen und an neue Erkenntnisse anzupassen. Bei diesem Verfahren wird eine eventuell erforderliche Minderungsmaßnahme aus dem Ver‐ gleich zwischen dem nach den Gln. (14.2) und (14.3) abgeschätzten Schalldruckpegeln L pA,progn mit den örtlich zulässigen Immissions-Anhaltswerten für den sekundären A-bewerteten Schalldruck‐ 14.3 Beschreibung einzelner Prognose-Verfahren 527 <?page no="532"?> pegel L pA,zul ermittelt. Mit diesem Verfahren ist eine erste grobe Abschätzung des erforderlichen Oberbausystems möglich. Nachteilig wirkt sich hierbei aus, dass die wesentlichen Parameter nur durch eine Einwertangabe berücksichtigt werden und die einzelnen k n -Werte quantitativ nicht für alle Gegebenheiten hinreichend genau bekannt sind. - 14.3.2.3 Abstandskriterium 2 - Erschütterungsabschätzung Für Eisenbahnen wurde die in Bild 14.11 dargestellte Abhängigkeit zwischen KB FTm -Werten nach DIN 4150-2 und dem Abstand R (Gleismitte zu Gebäudeaußenwand) hergeleitet [14.16]. Dieser Zusammenhang wurde aus Messungen in Gebäuden an oberirdisch geführten Strecken mit unterschiedlicher Zugbelegung (verschiedene Zugarten) für den Geschwindigkeitsbereich von ca. 80 km/ h bis 160 km/ h ermittelt, [14.16]. In dem Bild sind Trendlinien sowohl in Form eines Potenzgesetzes als auch in logarithmischer Darstellung enthalten. Insbesondere für den Nahbereich (R < 30-m) dürfte die logarithmische Abhängigkeit die Realität besser abbilden. KB FTm,HD = 8,65 R -1,11 KB FTm,BD = -0,23 ln(R)+1,12 KB FTm,BD = 6,5 R -0,77 KB FTm,HD = -0,38 ln(R)+1,86 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 0 20 40 60 80 100 KB FTm R, m Betondecken BD Holzdecken HD Bild 14.11: Abhängigkeit des KB FTm -Wertes von dem Abstand R und der Deckenart; ermittelt aus Messungen an Strecken des Fernverkehrs, verschiedene Zugarten, Geschwindigkeit zwischen ca. 80-km/ h und 160-km/ h [14.16]. Ergänzend zu der Darstellung in Bild 14.11 erfolgten weitere Auswertungen der alleinigen STUVA-Messungen an Strecken im Rhein-/ Moselbereich (nördlich von Mainz), im Ruhrgebiet und bis Münster und Bebra. Die gemessenen KB FTi,z -Werte wurden wie folgt ausgewertet und sind in Bild 14.12 ([14.30]) dargestellt. • Selektion der je Abstand R (weitgehend ganzzahlige Werte) ermittelten KB FTi,z -Werte, ge‐ trennt für Holz- und Betondecken. Der Abstand R wird hier zwischen der Gleismitte des nächstliegenden Gleises und der Gebäudeaußenwand angegeben. Der Index „z“ beschreibt die Schwingungskomponente in vertikaler Richtung. • Berechnung des KB FTm,z -Wertes je Abstandswert, • Berechnung der Standardabweichung σ n-1 , 528 14 Prognoseverfahren für Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="533"?> (14.6) • Berechnung von KB FTm,z + σ n-1 , • Darstellung der beiden Wertekollektive in einer Grafik (einschließlich der Anzahl N der jeweils vorhandenen Messwerte), Bild 14.12, • Berechnung der Trendlinien und der Bestimmtheitsmaße R 2 . Zur Skalierung wurde jeweils derselbe Maßstab gewählt. Hierdurch ist der Unterschied zwischen Holz- und Betondecken deutlich zu erkennen (vergleiche mit Bild 14.11). Der oben genannte KB FTi -Wert ist der jeweilige Maximalwert des von einer Zugvorbeifahrt hervorgerufenen und KB F bewerteten Erschütterungssignals. Aus einem Kollektiv mehrerer KB FTi -Werte ergibt sich mit KB FTm = 1 N i = 1 N KB FTi 2 der oben erwähnte KB FTm -Wert (DIN 4150-2). Betondecken: KB FTm,z = -0,18 ln(R) + 0,77 R² = 0,51 KB FTm,z+z = -0,26 ln(R) + 1,11 R² = 0,51 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 0 10 20 30 40 50 60 Anzahl n KB FTm,z R, m KBFTm,z KBFTm,z+s n= Log. (KBFTm,z) Log. (KBFTm,z+s) 14.3 Beschreibung einzelner Prognose-Verfahren 529 <?page no="534"?> Holzdecken: KB FTm,z = -0,13 ln(R) + 0,77 R² = 0,23 KB FTm,z+z = -0,24 ln(R) + 1,29 R² = 0,24 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 0 10 20 30 40 50 60 Anzahl n KB FTm,z R, m KBFTm,z KBFTm,z+s n= Log. (KBFTm,z) Log. (KBFTm,z+s) Bild 14.12: Zusammenhang zwischen messtechnisch ermittelten KB FTm,z -Werten und dem Abstand R zwischen Gleismitte und Gebäude. Mit s wird hier die Standardabweichung σ n-1 bezeichnet. Den Werten in Bild 14.12 liegen folgende lokale Randbedingungen zugrunde: • Verschiedene Zugarten (lokbetriebene S-Bahnen, Nahverkehrszüge, D-, IC- und Güterzüge) mit Geschwindigkeiten zwischen ca. 80-km/ h und 160-km/ h, • Schotteroberbau mit Holz- und Betonschwellen, • z. T. sehr unterschiedliche Ausbreitungsbedingungen (Bodenverhältnisse von Lockerboden bis Fels, teilweise Gleislage ebenerdig, im Einschnitt oder in Dammlage), • z. T. sehr unterschiedliche Gebäude (von Einfamilienhäusern bis zu mehrstöckigen Wohnblocks), • Messergebnisse beim Befahren auf beiden Gleisen (R gilt nur für das dem Gebäude nächst‐ liegende Gleis). Eine weitergehende Darstellung von Messergebnissen aus den genannten Projekten ([14.16] und [14.17]) sind in Abschnitt 14.4 zu finden. Diese Ergebnisse sind für eine Bewertung der Immissionen von Erschütterungen und Sekundärschall von Bedeutung. - 14.3.2.4 Abstandskriterium 3 - Abschätzung des erforderlichen Oberbaus Die Festlegung der erforderlichen Minderungsmaßnahme nach diesem Abstandskriterium erfolgt unter quantitativer Berücksichtigung der das Schwingungsverhalten beeinflussenden Parameter auf dem Übertragungsweg. Bei diesem Verfahren kann der erforderliche Oberbau aus Tabelle 14.4 und Bild 14.13 abgelesen werden, [14.7]. Mit den Angaben in Tabelle 14.4 werden die wesentlichsten Fahrzeug-, Trassierungs-, Tunnel-, Boden- und Gebäuderandbedingungen nach Bewertungszahlen von 0 bis 4 eingestuft und die Summe dieser Bewertungszahlen bestimmt dann die Gesamtbewertung der zu beurteilenden Tunnelsituation (günstig, mittel, ungünstig). 530 14 Prognoseverfahren für Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="535"?> - Randbedingungen Punkte Anmerkung 1 Untergrund Sand 0 falls mehrere Parameter zutreffen, dann kann ein Bonus von -1 in Ansatz gebracht werden Kies 1 Schluff, Lehm, Ton 2 Fels 4 Grundwasser in Tunnelhöhe 2 Grundwasser in Bauwerkshöhe 3 Erdanker (nach dem Bau getrennt) 3 Erdanker (nicht getrennt) 1 Bodeninjektion 2 parallel zum Tunnel verlaufende Sparten mit Hausanschluss 1 tunnelkreuzende Sparten mit Hausanschluss 2 2 Tunnel Dicke der Wand ≥ 1-m 0 - Dicke der Wand < 1-m 1 3 Oberbau, Trassierung Isolierstoß 1 falls mehrere Parameter zutreffen, dann kann ein Bonus von -1 in Ansatz gebracht werden Weiche mit starrem Herzstück 2 Bogen 300-m bis 500-m 0 Bogen ≤ 300-m 2 Anfahr- und Bremsbereich 1 Steigung > 20-‰ 1 4 Wohngebäude bis zu 4 Stockwerke 0 - mehr als 4 Stockwerke 1 Stahlbetonrahmen 2 5 Betrieb Geschwindigkeit ≤ 80-km/ h 0 - Geschwindigkeit 80-km/ h bis 120-km/ h 1 - Bewertung: Summe aus Zeilen 1 bis 5 0 bis 2 günstig (g) 3 bis 4 mittel (m) ≥ 5 ungünstig (u) Tabelle 14.4: Bewertung der für den Schutzabstand maßgebenden Randbedingungen für den S-Bahn-Verkehr in Tunneln (in Anlehnung an [14.7]) Anhand von Bild 14.13 wird mit dieser Bewertung und dem aus Tunnelquerschnittszeichnungen bekannten Abstandsmaß zwischen Tunnel und Gebäude die erforderliche Oberbaukonstruktion abgeschätzt. Hierbei gilt: Je höher die Punktzahl nach Tabelle 14.4, desto größer der erforderliche 14.3 Beschreibung einzelner Prognose-Verfahren 531 <?page no="536"?> Schutzabstand bzw. desto größer das erforderliche relative Einfügungsdämm-Maß des einzubau‐ enden Oberbaus. Für die etwas leichteren und in der Regel auch kürzeren U- und Stadtbahnwagen können die Schutzabstände um ca. 5 m geringer eingesetzt werden (die Angaben in Bild 14.13 gelten für S-Bahn-Fahrzeuge der Baureihe ET 420). Die Bewertung nach Tabelle 14.4 kann auch für eine etwas genauere Immissionsabschätzung nach Bild 14.10 herangezogen werden. Näherungsweise gilt: • günstig (g) bis -10-dB, • mittel (m) dargestellte Linie ± 5-dB, • ungünstig (u) bis + 10-dB. der in diesem Bild für die jeweils vorhandenen Bodenverhältnisse angegebenen Linien. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 SCH-u SCH-m SCH-g USM-u1 USM-m1 USM-g1 USM-u2 USM-m2 USM-g2 MFS-u MFS-m MFS-g R, m (Abstand der Außenwände von Tunnel und Gebäude) Oberbauform Bild 14.13: Schutzabstände und Oberbaukonstruktion bei S-Bahnen; Achslasten 160 kN bis 220 kN, in Anlehnung an [14.7] Anmerkungen: • Bei einer Unterfahrung von Gebäuden (im Bereich einer Lastausstrahlung von 30°, bezogen auf die Tunnelaußenwand) ist der räumliche Abstand um 5 m zu vergrößern. Bei besonders zu schützenden Gebäuden (Konzertsaal, Tonstudio, Krankenhaus und dgl.) ist der Schutzabstand ebenfalls um 5-m bis 10-m zu vergrößern [14.7]. • USM1 und USM2: unterschiedlich wirksame Mattentypen mit 30 cm Schotter unter der Schwelle • MFS: Eigenfrequenz um 10-Hz • Lokbespannte Züge: Schutzabstand um + 0-m bis 5-m erhöhen 532 14 Prognoseverfahren für Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="537"?> (14.7) (14.8) 14.3.3 Spektrale Prognose-Verfahren - 14.3.3.1 Arbeiten mit Datenblöcken Im Folgenden wird eine Abschätzung des zu erwartenden sekundären Schalldruckpegels in benachbarten Gebäuden bei quantitativer Berücksichtigung der das Schwingungsverhalten be‐ einflussenden Parameter (Mehrwertangabe) beschrieben. Das Gebäudeantwortsignal L v,G (Schwinggeschwindigkeitspegel) lässt sich näherungsweise folgendermaßen bestimmen, Bild 14.8 ([14.2]): L v,G = L v,T − L BT − L BB − L GB − L GG ; dB mit L v,T Schwinggeschwindigkeit an der Tunnelwand (ca. 40-dB bis 65-dB), L BT Übertragungsverhalten zwischen Baugrund (über dem Tunnel bzw. dicht daneben) und Tunnelwand (ca. +5-dB bis -15-dB, je nach Abstand R und Art des Baugrunds), L BB Übertragung im Baugrund, L GB Übertragung Gebäudefundament - Baugrund ca. ±10-dB), L GG Übertragung im Gebäude (ca. +10-dB bis -5-dB). Die Pegelwerte in obiger Gleichung gelten für den Summenpegel der Schwinggeschwindigkeit. Bei Kenntnis des Umwandlungsmaßes L U zwischen Körperschall Fußboden und Luftschall nahe Raummitte kann der zu erwartende sekundäre Schalldruckpegel wie folgt abgeschätzt werden: L pA = L v,G − L U mit L pA Pegel des Sekundärschalls in dB(A), L v,G Pegel des Körperschalls auf dem Fußboden in dB, L U Umwandlungsmaß in dB. Die Gln. (14.7) und (14.8) können sowohl auf den Gesamtpegel als auch auf Terz- oder Oktav‐ pegelspektren angewendet werden (Mehrwertangabe, [14.8]). Da sowohl das Übertragungsver‐ halten als auch alle schwingungsmindernden Maßnahmen frequenzabhängig sind, führt eine frequenzabhängige Berücksichtigung der einzelnen Parameter bei der Prognose im Allgemeinen zu genaueren Ergebnissen als eine alleinige Berücksichtigung von Gesamtpegeln. Insbesondere lässt sich hierüber auch das erforderliche relative Einfügungsdämm-Maß frequenzabhängig bestimmen. Entsprechende Werte sind z. B. in [14.8] enthalten. Für das Umwandlungsmaß L U in Gl. (14.8) werden in der Literatur Werte um 5 dB bis 15 dB angegeben, [14.2], [14.6] und [14.10]. Dieser Wert hängt sehr stark ab von der Raumgröße, der Deckenkonstruktion (Holzbalken- oder 14.3 Beschreibung einzelner Prognose-Verfahren 533 <?page no="538"?> 2 Dieses Verfahren wurde inzwischen weiterentwickelt und in einer Software umgesetzt. (14.9) Betondecke) und der Wohnungseinrichtung (Absorption, Nachhallzeit), siehe auch [14.39] und DIN-45672-4. In [14.6], [14.8] und [14.27] ist ein ähnliches Verfahren beschrieben, wie es durch Gln. (14.7) und (14.8) charakterisiert ist. Ausgegangen wird hierbei von Datenblöcken „DBx“ für die • Tunnel-Emissionen (DB1), • Übertragung zwischen Tunnel und Gebäudekeller (DB2), • Übertragung innerhalb des Gebäudes (DB3) und • Umwandlung von Körperschall auf den Decken in sekundären Schalldruck (DB4). Diese einzelnen Datenblöcke (Terz-Spektren) beinhalten dabei die folgenden Parameter (Subda‐ tenblöcke): DB1: • Fahrzeugtyp und -geschwindigkeit, • Art des Oberbaus, • Tunnelbauart, • geologische Tunnelbettung. DB2: • Entfernungszonen, • Geologie (Bodenprofil, Einbauten etc.), • Gebäudestruktur und -masse sowie deren Ankopplung an den Boden (Gründung). DB3: • Deckenstruktur (Fläche, Masse, Einspannung, Material, Bauweise). DB4: • Raumeinfluss (Fläche, Einrichtungsart und -anordnung, Anteil der schallabsorbierenden Einrichtungen). Die Subdatenblöcke sind dabei nahezu beliebig kombinierbar. Dies führt zu ca. 180 Varianten, [14.8]. Eine Summation der Werte aus den einzelnen Datenblöcken mit folgender Gleichung ergibt den Immissionspegel im Gebäude: L pAF f Tn = L v, DB1 f Tn + L DB2 f Tn + L DB3 f Tn + L DB4 f Tn in dB(A) In [14.8] wird angegeben, dass nach dieser Methode Immissionsabschätzungen mit einer Genau‐ igkeit von ±2 dB(A) bis ±4 dB(A) möglich sind. Die einzelnen Daten der o. g. Datenblöcke stehen derzeit nicht allgemein zur Verfügung. Nach Aufbau einer eigenen Datenbank ist die skizzierte Vorgehensweise jedoch prinzipiell von jedem Anwender nutzbar. - 14.3.3.2 Numerisch-mathematisches Prognose-Verfahren Dieses Verfahren 2 ist u. a. ausführlich in [14.1], [14.2], [14.3] und [14.4] beschrieben. Dass dieser Methode zugrundeliegende Rechenmodell ist ein ebenes Kontinuumsmodell nach der Methode der Finiten Elemente (FEM). Es existieren FE-Rechenprogramme für das ebene und für das in Wirklichkeit räumliche Problem. Für eine Prognose nach diesem Modell müssen im Wesentlichen die folgenden Größen bekannt sein: • Erregerspektrum für vergleichende Verhältnisse in Bezug auf Fahrzeugtyp, Fahrzustand, Trassenführung, Tunnelparameter, Oberbau. Dieses Erregerspektrum wird vorher aus ge‐ messenen Schwingungsantworten im Boden bei Fahrzeuganregung, also bei vorhandenen 534 14 Prognoseverfahren für Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="539"?> 3 Von der Bundesanstalt für Materialprüfung in Berlin. Inzwischen können die Spektren auch aus den lokalen Parametern berechnet werden, eine Ermittlung vor Ort dient nur noch der Überprüfung. Strecken, unter Einbeziehung messtechnisch ermittelter bodendynamischer Kennwerte be‐ rechnet (FEM). Es kann dann zur Prognose herangezogen werden. • Materialeigenschaften des Bodens am Prognoseort (Schubmodul G, Querkontraktionszahl ν, Dichte ρ, Dämpfungsgrad D). • Schwellenlänge und für eine axialsymmetrische Prognose die Zuglänge. Nach diesem Verfahren wurden Erregerkraftspektren, z. B. für die in Tabelle 14.5 dargestellten Zugarten, Geschwindigkeiten und Streckenführungen ermittelt 3 , [9.]. Fahrzeug Geschwindigkeit v in km/ h Trassenführung Straßenbahn GT8 40 - 60 Gerade, Kurve Stadtbahnwagen B6 40 - 60 Gerade, Kurve, Weiche Stadtbahnwagen N8 40 - 50 Gerade S-Bahn ET 420 80 -120 Gerade U-Bahn DT-3 40 - 60 Gerade Güterzug 50 - 90 Gerade S-Bahn 70 -120 Gerade, verschiedene Oberbauarten IC 140 - 160 Gerade ICE (Messzug) 200 - 230 Gerade ICE bis 300 Gerade. Tabelle 14.5: Zusammenstellung der Parameter, für die Erregerkraftspektren ermittelt wurden (Auswahl) Im Wesentlichen liegen diesen Spektren Oberbauformen mit einem Schotterbett (mit Holz- oder Betonschwellen) zugrunde. Beispiele hierzu zeigt Bild 14.14. Dargestellt sind Erregerkraft‐ spektren desselben Fahrzeuges auf drei unterschiedlichen Streckenabschnitten (Gerade, Bogen, Weiche). Diese Messungen erfolgten bei der KVB in Köln in nahe beieinanderliegenden Strecken‐ abschnitten. Bei der Berechnung dieser charakteristischen Emissionsdaten werden die Züge als Punkt- oder Linienquellen idealisiert. Für diese Quellenarten wurden durch umfangreiche numerische Simula‐ tionsrechnungen die Ausbreitungsgesetzmäßigkeiten im inhomogenen Untergrund analysiert. Im Einzelnen wurde der Einfluss von Bodenschichtungen, Bodensteifigkeit, Grundwasserhorizont, Materialdämpfung sowie Geländegeometrie und Einbauten im Boden auf die Erschütterungsaus‐ breitung untersucht und in Form von frequenzabhängigen Einflussfunktionen beschrieben [14.1]. 14.3 Beschreibung einzelner Prognose-Verfahren 535 <?page no="540"?> 0 50 100 150 200 250 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 F/ L in N/ m Frequenz f, Hz Gerade Kurve Weiche Bild 14.14: Beispiel für Erregerkraftspektren der Linienlast F/ L; Stadtbahnwagen B6 auf unterschiedlichen Stre‐ ckenabschnitten, v Fz = 60-km/ h, [14.1] Mit den Erregerkraftspektren und der Kenntnis der am Ort der Prognose vorhandenen dynami‐ schen Kennwerte des Baugrunds sowie den Schwingungsausbreitungsgesetzen können Schwin‐ gungsantworten in der Umgebung von Bahnlinien berechnet werden (Freifeldschwingungen). Die so ermittelten Baugrundschwingungen stellen die Anregung (= Fußpunkterregung) der Gebäude dar. Die Schwingungen im Gebäude lassen sich dann hieraus mit entsprechenden Übertragungs‐ funktionen berechnen. Zur Berechnung der Gebäude-Übertragungsfunktionen werden folgende Eingabedaten benötigt: • Die Materialeigenschaften des Baugrundes, • die Fundamentflächen und die Gründungsart, • die Materialeigenschaften, Konstruktionsart und Querschnittsfläche der Wände und Decken sowie • die Gebäudehöhe (Masse des Gebäudes). 536 14 Prognoseverfahren für Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="541"?> (14.10) (14.11) Vereinfacht ergeben sich für eine Prognose bei einer ebenerdigen Bahnlinie die folgenden Beziehungen [14.1]: a) für den ebenen Fall V G,eb = M BB,eb • F ′ • α G und b) für den axialsymmetrischen Fall V G,ax = M BB,ax • F ′ • α G • L Es gilt: V G,eb Schwingungsantwort im Gebäude (ebener Fall) in (m/ s)/ Hz, V G,ax Schwingungsantwort im Gebäude (axialsymmetrischer Fall) in (m/ s)/ Hz, Y BB,eb Verhältnis der Schwinggeschwindigkeit V B an einem bestimmten Bodenpunkt und der Kraftamplitude der Linienlast in (m/ s)/ (N/ m), Y BB,ax Verhältnis der Schwinggeschwindigkeit V B an einem bestimmten Bodenpunkt und der Kraftamplitude der Punktlast in (m/ s)/ N, F' auf die Fahrzeuglänge bezogenes Erreger-Kraftspektrum in (N/ m)/ Hz, α G Verhältnis der Schwinggeschwindigkeitsamplitude eines Gebäudepunktes und der Schwinggeschwindigkeitsamplitude der Freifeldschwingung (Boden) ohne Gebäudeauflast am Fundamentpunkt, L Zuglänge in m. Ähnliche Beziehungen, wie sie durch die Gln. (14.10) und (14.11) ausgedrückt sind, lassen sich auch für eine Tunnelstrecke herleiten. Die Übertragungsadmittanz Y BB des Baugrunds ist hierbei um die Übertragungsadmittanz Y TT des Tunnels zu ergänzen. In den Gln. (14.10) und (14.11) ist demnach Y BB durch Y BT = Y BB + Y TT zu ersetzen (B: Baugrund, T: Tunnel). Die axialsymmetrische Prognose erfordert hierbei eine Umwandlung der Linienlast in eine Punktlast - die Linienlast ist daher mit der Zuglänge L zu multiplizieren. Die ebene und die axialsymmetrische Prognose stellen Extremfälle dar, wobei nach [14.1] der jeweils kleinere Wert der realistischere ist. Im Nahbereich ist dies der ebene Wert V eb (Linienquelle) und im Fernbereich der axialsymmetrische Wert V ax (Punktquelle). Aus den mit den Gln. (14.10) und (14.11) berechneten Schwingungsantworten im Gebäude wird die Minderungsmaßnahme - sofern erforderlich - abgeleitet. Eine Prognose des sekundären Schalldruckpegels ist mit dieser Methode unmittelbar nicht möglich. 14.3 Beschreibung einzelner Prognose-Verfahren 537 <?page no="542"?> (14.12) (14.13) 14.3.3.3 Analytisch-messtechnisches Prognose-Verfahren Dieses Verfahren basiert auf der folgenden Gleichung [14.11]. L I = L E − ∑ i ΔL Ki in dB mit: I: Immission, E: Emission, K: Durchgangsverluste (Übertragung) und i = 1: Oberbau; i = 2: Tunnel; i = 3: Baugrund; i = 4: Gebäude. Bei diesem Prognoseverfahren ist die gesamte Schwingungsübertragungsstrecke nach dem Bau‐ kastenprinzip in Form von Netzwerken (elektrisch-mechanische Analogien) aufgebaut [14.15]. Die einzelnen Substrukturblöcke (Oberbau, Tunnel, Boden, Gebäude) werden dabei als koppelbar angenommen. Dadurch besteht die Möglichkeit, das Prognoseverfahren an alle Gegebenheiten anzupassen. Die einzelnen Durchgangsverluste werden mess- und rechentechnisch erfasst. Eine weitergehende Beschreibung dieses Verfahrens ist in [14.20] enthalten. - 14.3.3.4 Prognose-Verfahren mittels Kenngrößen Gleichung (14.11) lässt sich in etwas veränderter Form wie folgt schreiben: V G (f) = F S (f) • Y GS (f) • K (R) • e rel (f) mit: V G (f) Schwinggeschwindigkeitsspektrum im Gebäude (Immissionsspektrum) in m/ s, F S (f) Fahrzeugerregerkraftspektrum (an der Tunnelsohle wirkend) in N, Y GS (f) Übertragungsadmittanz zwischen Gebäude und Tunnelsohle in (m/ s)/ N, K(R) Korrekturfunktion zur Berücksichtigung der Streckenlast eines Fahrzeuges (R ist der horizontale Abstand zwischen Gleismitte und Immissionspunkt), e ,rel (f) relative Einfügungsdämmung eines Oberbaus (Quotient der absoluten Einfügungsdämmungen zweier verschiedener Oberbauformen). Ein auf Gl. (14.13) aufbauendes Prognoseverfahren ist in [14.9] und [14.13] für eine Anwendung bei Tunnelstrecken beschrieben, eine analoge Anwendung für oberirdische Strecken ist grund‐ sätzlich möglich. Wird Gl. (14.13) nach der Admittanz aufgelöst, dann ergibt sich die in Bild 14.15 skizzierte Beziehung für die Gesamtübertragung vom Tunnel ins Gebäude. 538 14 Prognoseverfahren für Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="543"?> (14.14) (14.15) (14.16) (14.17) F S2 , N = f in Hz F S1 , N Übertragung Korrekturfaktor K f in Hz R in m f in Hz x x x e rel P‘ GS Y GS K p G v G f in Hz = f in Hz f in Hz Alles als lineare Größen ist, soll Sollspektrum p G v G G: Gebäude S: Tunnel-Sohle e rel : relative Einfügedämmung Erregerkraftspektrum = Bild 14.15: Prinzip der spektralen Immissionsprognose von v G (f) (Körperschall) und p G (f) (Luftschall) nach Gl. (14.13). Die erforderliche relative Einfügungsdämmung e rel wird dabei durch einen Soll-Ist-Vergleich ermittelt. Y GS (f ) = V G (f ) F s (f ) • K (R) • e rel Hieraus folgt für die Immission der Schwinggeschwindigkeit V G (f ) ≈ Y GS (f ) und entsprechend für den Sekundärschall p A (f ) ≈ P ′ Gs (f ) mit P ′GS (f ) = p G(f ) F S (f ) als auf die anregende Kraft bezogener Sekundärluftschall. Gleichung (14.15) besagt, dass sich die Schwinggeschwindigkeit V G (f) proportional zur Übertra‐ gungsadmittanz Y GS (f) verhält. Diese Aussage gilt allgemein und somit auch für jeden beliebigen Punkt auf dem Übertragungsweg zwischen der Tunnelsohle (dem Unterbau) oder der Tunnelwand und dem Gebäude. Somit besteht die Möglichkeit, Prognosen bereits anhand von Teiladmittanzen - z. B. zwischen Tunnelsohle und Tunnelwand - zu erstellen. In [14.9] und [14.13] sind entspre‐ chende Kennlinien enthalten. Die prinzipielle Vorgehensweise zur Ermittlung des erforderlichen Oberbaus ist in Bild 14.16 dargestellt. 14.3 Beschreibung einzelner Prognose-Verfahren 539 <?page no="544"?> (14.18) a) Kennspektren und b) Kennlinien. Im Fall „a“ werden gemessene Übertragungsfunktionen mit vorliegenden Kennspektren vergli‐ chen, im Fall „b“ der Summenwert der gemessenen oder abgeschätzten Übertragungsfunktion mit Kennlinien. Grundsätzlich gilt auch die entsprechende Beziehung nach Gl. (14.16) für den Sekundärschall p A (f) mit der Bezugsgröße P’ GS (f) nach Gl. (14.17). Bild 14.16: rinzip der Immissionsprognose nach dem Kenngrößenverfahren mit Gl. (14.15) anhand von Spektren (links) und Einzahlwerten (rechts) Die Admittanz Y GS (f) (Gl. (14.14)) stellt allgemein einen Kraftbezug der Schwinggeschwindigkeit dar. Wird analog hierzu auch ein Kraftbezug des in den Gebäuden gemessenen Schalldrucks p erstellt, dann sind hiermit auch direkte Prognosen des zu erwartenden sekundären Schalldrucks möglich. Gleichung (14.13) lautet dann (in Pegelschreibweise): L p = L F S (f ) + L P ′ GS (f ) + L K (R) + D e . rel (f ) in dB Wesentliche Bestandteile des Kenngrößenverfahrens sind Kennspektren und Kennlinien (Bild 14.16). Beide Größen sind aus einem Vergleich zwischen den gemessenen Immissionswerten und den ebenfalls gemessenen Übertragungsadmittanzen Y mn und/ oder kraftbezogenen Schalldrücken P’ mn zu ermitteln. Die Bestimmung von Kenngrößen nach dieser Vorgehensweise ist in [14.9] und [14.13] für U-Bahn-/ Stadtbahnfahrzeuge mittlerer Länge und bei v = 60 km/ h bis 80 km/ h ausführlich beschrieben. Beispiele für eine Prognose des sekundären Schalldruckpegels und des KB FTm -Wertes (4150-2) nach obigem Verfahren zeigen Bild 14.17 und Bild 14.18. Dargestellt sind in diesen Bildern die Abhängigkeiten zwischen dem Immissionspegel L pAFmax,m und den Summenpegeln der A-bewer‐ teten Übertragungsadmittanz Y A sowie des kraftbezogenen Schalldrucks P‘ bzw. zwischen dem KB FTm -Wert und der Übertragungsadmittanz Y GS (G Gebäude, S Tunnelsohle). Dargestellt sind sowohl die mittleren Abhängigkeiten als auch die jeweiligen Min-, Max-Werte. Aufgrund der qualitativen Kenntnis von D e,rel für die verschiedenen Oberbauformen sind in diesen Bildern auch deren Wirkbereiche eingetragen. Durch Messung oder Abschätzung der Referenzgrößen ist somit anhand dieser Abhängigkeiten sowohl eine erste Abschätzung der zu 540 14 Prognoseverfahren für Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="545"?> erwartenden Immissionen (Sekundärschall und KB FTm -Wert) als auch des erforderlichen Oberbaus möglich. Hierbei wird davon ausgegangen, dass für L pAFmax,m ein Wert von 35 dB(A) einzuhalten ist. keiten sowohl eine erste Abschätzung der zu erwartenden Immissionen (Sekundärschall und KB FTm -Wert) als auch des erforderlichen Oberbaus möglich. Hierbei wird davon ausgegangen, dass L pAFmax,m = 35 dB(A) einzuhalten sind. Bild 14.17: Kenngrößenverfahren; Prognose des mittleren maximalen Sekundär-Schalldruckpegels L pAFmax,m , Frequenzbereich von 6 Hz bis 160 Hz Links: L Y,A ist der Summenpegel des A-bewerteten Terzpegelspektrums der Übertragungsadmittanz zwischen Tunnelsohle und Gebäudefußboden [14.13] Rechts: L P‘ ist der Summenpegel des Terzpegelspektrums des Kraftbezogenen Schalldruckpegels zwischen Tunnelsohle und Gebäude (Raummitte) [14.13]; Bild 14.18: Kenngrößenverfahren; Prognose des KB FTm -Wertes aus der Übertragungs-Admittanz Y GS zwischen Tunnelsohle und Gebäudedecke (Fußboden in Raummitte) [14.13]; Y GS ist der Summenpegel des Schmalband-Spektrums der Übertragungs-Admittanz zwischen 4 Hz und 80 Hz L pAFmax,m = 0,53 L Y,A + 55 20 30 40 50 60 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 L pAFmax,m in dB(A) L Y,A re 5 . 10 -8 in (m/ s)/ N SCH ESL HSL KON USM MFS 35 dB(A) L pAFmax,m = 0,95 L P' + 42 20 30 40 50 60 -20 -10 0 10 20 L pAFmax,m in dB(A) L P' re 2 . 10 -5 in (N/ m 2 )/ N SCH ESL HSL KON USM MFS 35 dB(A) KB FTm = 0,012 Y GS 0 0,04 0,08 0,12 0,16 0,2 0 4 8 12 16 KB FTm Y GS , in (m/ s)/ N 10 -8 Bild 14.17: Kenngrößenverfahren; Prognose des mittleren maximalen Sekundär-Schalldruckpegels L pAFmax,m , Fre‐ quenzbereich von 6-Hz bis 160-Hz Links: L Y,A ist der Summenpegel des A-bewerteten Terzpegelspektrums der Übertragungsadmittanz zwischen Tunnelsohle und einer Gebäudedecke (Fußboden) [14.13] Rechts: L P‘ ist der Summenpegel des Terzpegelspektrums des Kraftbezogenen Schalldruckpegels zwischen Tunnel‐ sohle und Gebäude (Raummitte) [14.13] 14.3 Beschreibung einzelner Prognose-Verfahren 541 <?page no="546"?> Kap14_B14.17_KBPROG-2 Diagramm5 KB FTm = 0,012 × Y GS 0 0,04 0,08 0,12 0,16 0,2 0 4 8 12 16 KB FTm Y GS , (m/ s)/ N × 10 -8 Bild 14.18: Kenngrößenverfahren; Prognose des KB FTm -Wertes aus der Übertragungs-Admittanz Y GS zwischen Tunnelsohle und Gebäudedecke (Fußboden in Raummitte) [14.13]; Y GS ist der Summenpegel des Schmalband-Spek‐ trums der Übertragungs-Admittanz zwischen 4-Hz und 80-Hz Wird zum Beispiel ein Kraftbezogener Schalldruckpegel von L P‘ = 5 N/ m 2 / N gemessen (oder ab‐ geschätzt), dann ist näherungsweise mit einem mittleren Sekundärschalldruckpegel von L pAFmax,m = 46 dB(A) zu rechnen. Diese Abschätzung gilt für einen Schotteroberbau (oder einer Festen Fahrbahn mit relativ harten Lagerelementen). Um unter den in der Regel vorgegebenen Anhalts‐ wert von 35 dB(A) zu kommen, ist entweder eine sehr weiche Lagerung (z. B. KON/ KES) oder eine einfache Unterschottermatte vorzusehen. Dieselbe Aussage hinsichtlich des erforderlichen Oberbaus ergibt sich aus Bild 14.17 mit einem A-bewerteten Admittanzpegel von -16-dB(A). Die verwendeten Bezeichnungen der einzelnen Fahrbahnarten sind unter Bild 14.10 erklärt. Mit einer gemessenen (oder abgeschätzten) Übertragungsadmittanz Y GS von z. B. 10 m/ Ns . 10 -8 folgt nach Bild 14.18 ein KB FTm -Wert von ca. 0,12. Der KB Fmax -Wert ist näherungsweise 1,4 bis 1,8-mal so hoch (in der überarbeiteten DIN 4150-2 aus 2023 wurde hierfür pauschal ein Faktor von 1,5 festgelegt). Der zur Bewertung heranzuziehende KB FTr -Wert ist nach den Gleichungen der DIN 4150-2 unter Berücksichtigung der Verkehrsbelastung zu ermitteln. Neben diesen Kennlinien können auch direkt aus den Admittanzen der Tunnelsohle bzw. zwischen Tunnelsohle und Tunnelwand Aussagen über den erforderlichen Oberbau hergeleitet werden, Bild 14.19. In [14.13] sind hierzu nähere Einzelheiten enthalten. Über Kennadmittanzen können die für einzelne Abstandsbereiche erforderlichen Oberbauformen bzw. die zu erwartenden Immissionen entnommen werden. Die Admittanzen selber können sowohl messtechnisch als rechnerisch bestimmt werden. In [14.13] sind beispielhaft Kennadmittanzen der Tunnelsohle für typische Baugrundverhältnisse dargestellt. Aus Messungen ergibt sich die in Tabelle 14.6 dargestellte vereinfachte Beziehung für den erforderlichen Oberbau (Oberbaubezeichnungen s. Bild 14.10). 542 14 Prognoseverfahren für Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="547"?> Einbettung in R in m erforderlicher Oberbau a) Fels > 8-m ≤ 8-m Sch/ ESL HSL/ USM b) Lockerboden < 30-m USM/ MFS (nähere Untersuchungen sind noch erforderlich) Tabelle 14.6: Erforderlicher Oberbau für unterschiedliche Baugrundverhältnisse in Abhängigkeit vom horizontalen Abstand R zwischen Gebäudeaußenwand und Mitte des nächstgelegenen Gleises im Tunnel DiagrSohle1 Kap14_B14.20_ADMIDISS1 DiagrSohle1 -20 -15 -10 -5 0 5 10 0 40 80 120 160 200 L KY,SS , dB f, Hz Fels Lockerboden Bild 14.19: Kenn-Admittanzen Y K,SS der Tunnelsohle S für unterschiedliche Baugrundverhältnisse (Fels und Locker‐ boden) Trendlinien: a) Lockerboden: L K Y , SS = 5, 2 • ln(f ) − 18 b) Fels: L K Y , SS = 6, 3 • ln(f ) − 31, 6 Die o. g. Korrekturfunktion K(R) bzw. L K (R) ist in Bild 14.20 dargestellt. R ist der horizontale Abstand zwischen Gleismitte und Gebäudeaußenwand. Mit den Bezeichnungen in Bild 14.21 ergibt sich für R > 4 m eine sehr gute Näherung mit der empirisch gefundenen Abhängigkeit zwischen Korrekturwert L K und Abstand R sowie α = 31°. 14.3 Beschreibung einzelner Prognose-Verfahren 543 <?page no="548"?> (14.19) Der Winkel α gibt den Streckenbereich an, der die Immission in Abhängigkeit von R beeinflusst (Bild 14.21). L K = 9 • lg 1, 2 • R • tan α 2 4 6 8 10 12 14 0 5 10 15 20 25 30 L K , dB R, m Bild 14.20: Korrekturfunktion L K zur Berücksichtigung der Linienquelle eines Schienenfahrzeuges in Abhängigkeit vom Abstand R. Prinzipiell gelten die o. g. Abhängigkeiten zwischen Immission und Übertragungsfunktion auch für den oberirdischen Schienenverkehr. Bild 14.21: Wellenausbreitung im Boden und geometrische Abhängigkeit zwischen Abstand R, Winkel γ und wirksamer Fahrzeuglänge a/ 2. 544 14 Prognoseverfahren für Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="549"?> Ein Beispiel für einen Vergleich zwischen Berechnung und Messung der Admittanz einer Tunnelsohle zeigen Bild 14.22 und Bild 14.23. Das erste Bild zeigt das Netz zur Anwendung der Methode der Finiten Elemente - FEM, das zweite Bild die Ergebnisse. Die Berechnungen erfolgten für unterschiedliche Parameter (Dichte ρ in kg/ m 3 , Schubmodul G in N/ m 2 (Dämpfung durch Einsatz von Real- und Imaginärteil des Schubmoduls), Querkontrakti‐ onszahl ν). In Tabelle 14.7 sind beispielhaft einige eingesetzte Materialdaten angegeben. In [14.17] wurde der Einfluss möglicher Hohlstellen im Ulmen- und Firstbereich zwischen der Außen- und der Innenschale in Spritzbetonbauweise erstellter Tunnel untersucht. Die Hohlstellen wurden durch eine elastische Zwischenlage bei der FE-Berechnung modelliert. Die elastischen Eigenschaften dieser Zwischenschicht wurden modifiziert. Den Einfluss dieser Veränderung und weiterer Materialmodifikationen auf die Admittanz der Tunnelsohle zeigt Bild 14.23. Bild 14.22: FE-Netz eines in Spritzbetonbauweise erstellten Tunnels mit Innen- und Außenschale, Kraftanregung F mit einem Prüfhammer auf der Tunnelsohle in Tunnelmitte. Vergleichspunkte zwischen Messung und Rechnung an der Tunnelsohle und im Firstbereich 14.3 Beschreibung einzelner Prognose-Verfahren 545 <?page no="550"?> (14.20) Für den (komplexen) Schubmodul gilt: G ∼ = G 0 1 + 2iD mit G 0 Realteil 2iG 0 Imaginärteil D Dämpfung. -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 0 50 100 150 200 L Y , dB re 5  10 -8 (m/ s)/ N f, Hz NB10E NB10F NB10G T32 1U NB10H Bild 14.23: Vergleich zwischen Rechen- (NB10n) und Messergebnissen (T32-1U) im Tunnel. Kraftanregung und Messpunkt der Schwinggeschwindigkeit liegen auf der Tunnelsohle (MP 1z) ca. 0,8 m voneinander entfernt, Beispiel der Materialdaten für NB10E s. Tabelle 14.7 Material ρ kg/ m 3 G Re N/ m 2 G Im N/ m 2 υ - 1 2 3 4 5 Lockerboden 1,8e+3 4,0e+7 16,0e+5 0,33 Fels (tw. verwittert) 2,0e+3 2,5e+9 7,5e+9 0,20 Spritzbeton, Außenschale 2,2e+3 1,0e+10 1,5e+8 0,16 Beton, nicht voll tragend (elastische Zwischenschicht) 2,2e+3 4,0e+7 16,0e+5 0,33 Beton, Innenschale 2,5e+3 1,5e+10 1,5e+8 0,16 Tabelle 14.7: Materialdaten für FEM-Berechnungen [14.17] (System NB 10 E nach Bild 14.23; zweischaliger Tunnel (45-cm Wandstärke), ohne elastische Zwischenschicht in der Tunnelsohle) 546 14 Prognoseverfahren für Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="551"?> 8 10 12,5 16 20 25 31,6 40 50 63 80 100 125 160 200 250 A -9,7 -10,2 -10,7 -11,9 -12,8 -13,5 -14,1 -14,3 -14,3 -13,9 -13,6 -13,2 -12,7 -12,3 -11,7 -10,9 B -4,7 -4,8 -5,5 -5,9 -6,5 -7,4 -7,9 -8,8 -9,9 -10,9 -11,8 -12,6 -13,4 -14,0 -14,0 -14,1 C 0,5 -1,7 -2,8 -3,8 -4,4 -4,8 -4,9 -4,9 -4,8 -4,7 -4,6 -4,3 -3,8 -3,4 -3,1 -2,7 D -1,8 -4,2 -5,5 -6,5 -7,2 -7,7 -7,9 -8,0 -8,1 -7,9 -7,5 -7,2 -6,8 -6,3 -5,3 -4,7 E -4,4 -6,8 -8,3 -9,4 -10,4 -11,2 -11,7 -11,9 -12,0 -12,0 -11,8 -11,4 -10,7 -9,9 -9,1 -7,8 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -202 Delta L, dB Terzmitten-Frequenz f Tn , Hz A B C D E Bild 14.24: Differenzpegel zwischen Baugrund und Gebäudefundamenten für unterschiedliche Gebäude [14.40] - 14.3.3.5 Boden-Gebäude-Übertragung In [14.23] wird ein weiteres Prognosetool zur Ermittlung und Bewertung von Erschütterungs- und Sekundärschallimmissionen beschrieben. 1. Erschütterungen Vereinfacht ist diese Methode wie folgt zu beschreiben (Erschütterungsbewertung nach DIN-4150-2): 1. Ausgangsgröße (Emission): Max-Hold-Terzspektren (Fast-Bewertung) in Abhängigkeit von den oben beschriebenen Parametern und getrennt nach den auf der Strecke verkehrenden Zuggattungen, 2. Ausbreitung im Boden zum Punkt vor dem Gebäude (entweder durch Messungen vor Ort oder nach DIN 4150-1), 3. Berechnung der Erschütterungen auf den Gebäudedecken mit den angegebenen Differenz‐ spektren, getrennt für Decken aus Beton oder Holzbalken → v(f Tn ) für die Terzen von 4 Hz bis 80-Hz, 4. KB F *-Ermittlung, 5. KB F *-Bewertung (DIN 4150-2). Näherungsweise können die in Bild 14.24 enthaltenen Pegelwerte zur Übertragung zwischen Baugrund und Gebäudefundament für folgende Situationen herangezogen werden [14.40]: • A: Große Gebäude auf Pfählen, • B: Große Gebäude auf Einzel- oder Flächenfundamenten, • C: Einfamilienhaus, • D: Wohngebäude mit ein bis zwei Stockwerken, • E: Wohngebäude mit drei bis vier Stockwerken. 14.3 Beschreibung einzelner Prognose-Verfahren 547 <?page no="552"?> (14.21) 2. Sekundärschall Der Sekundärschall wird aus den Schwinggeschwindigkeitssignalen des Fußbodens wie folgt abgeschätzt: 1. Ausgangsgröße: Körperschall-Terzspektrum L veq (f Tn ), Fußboden, Näherungsweise liegen die Terzpegel eines L veq (f Tn ) Spektrums 8-dB (bis 10-dB) unterhalb eines Max-Hold-Spektrums, 2. Ermittlung des sekundären Luftschall-Terzspektrums L peq (f Tn ) anhand von Differenzspektren, 3. Ermittlung des sekundären Luftschallpegels L pAeq durch A-Bewertung und energetischer Summation der einzelnen Terzpegel. Näherungsweise kann der mittlere Maximalpegel L pAFmax,m hieraus durch Addition von 3 dB (Signale mit relativ konstanten Pegelverläufen) bis 5-dB (Signale mit stark schwankenden Pegelverläufen) abgeschätzt werden. Die anzusetzenden Differenzspektren sind der DB-Richtlinie zu entnehmen, [14.23] und DIN-45672-3. Eine überschlägige Abschätzung der Fußbodenerschütterungen kann auch durch Überhö‐ hungsfaktoren Baugrund - Decke abgeschätzt werden: Je nach Deckenart liegt dieser bei ca. 3 (Betondecken) bis 10 (Holzbalkendecken). Als Übertragungsfunktion zwischen Baugrund (B) und Gebäude (G) (Fundament) kann die eines Einmassenschwingers unter Fußpunktanregung hergezogen werden. Es gilt, mit der in VDI 3837 [14.43] verwendeten Bezeichnung für die Übertragungsfunktion BG, Gleichung (14.21). H 3 (f ) = 1 + i • 2 • D BG • f / f 0, G 1 − f f 0, G 2 + i • 2 • D BG • f / f o, G Die vertikale Eigenfrequenz f 0,G hängt u. a. von der Masse des Gebäudes und den Bodenverhält‐ nissen ab. Für mittlere Bodensteifigkeiten sind folgende Werte hinreichend genau: Geschosse bis 2 3 - 6 > 6 f 0,BG in Hz ~ 15 ~ 8 - 12 ~ 4 - 6 Das folgende Bild zeigt den Zusammenhang zwischen der Gebäudehöhe und den Eigenfrequenzen des Gesamtgebäudes [14.41]. Mit zunehmender Gebäudehöhe nehmen die Eigenfrequenzen ab. Es ist jedoch auch anzumerken, dass teilweise die Werte doch recht stark streuen, ein möglicher Grund hierfür liegt in dem unterschiedlichen Baugrund und der unterschiedlichen Gestaltung und Bauausführung. 548 14 Prognoseverfahren für Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="553"?> (14.22) (14.23) (14.24) f G = 26,34H -0,82 R² = 0,77 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Hauseigenfrequenz f G , Hz Gebäudehöhe H, m Bild 14.25: Gemessene Hauseigenfrequenzen f G für unterschiedliche Gebäudehöhen H, nach / 14.41/ Mit folgender Gleichung kann auch die Übertragung vom Fundament auf Zimmerdecken abge‐ schätzt werden. H 4 (f ) = 1 + i • 2 • D D • f / f 0, D 1 − f f 0, D 2 + i • 2 • D D • f / f o, D Die Abschätzung der Eigenfrequenz einer Gebäudedecke kann über die Gl. (14.23) und (14.24) erfolgen. a) Eigenfrequenz f 0,Pl : f 0, Pl = π2 • 1 l Pl 2 + 1 b Pl 2 • σ Pl ρ Pl • ℎ Pl mit b) Steifigkeit σ Pl einer Rechteckplatte (PL): σ Pl = E Pl • ℎ Pl 3 12 1 − v 2 In Bild 14.26 ist die Gesamt-Übertragungsfunktionen H 3/ 4 (f) zwischen dem Baugrund und einer Decke (Fußboden) beispielhaft dargestellt. Hierfür wurden näherungsweise die Angaben in VDI 3837 (Beispiel 1 im Anhang A2 der Richtlinie) herangezogen und mit den in Tabelle 14.8 enthaltenen Werten die Übertragungsfunktionen nachgebildet (Holzbalkendecke, Material Eiche, mittlere Werte). Ergänzend wurde eine zweite Übertragungsfunktion Baugrund-Fundament eingefügt, hiermit sollen mögliche Kippschwingungen berücksichtigt werden. Hierfür wurden in Gl. (14.21) die beiden Werte D BG2 = 0,4 und f 0,G2 = 12 Hz eingesetzt). H 3/ 4 (f) in Bild 14.26 ist das Produkt aller drei Übertragungsfunktionen. 14.3 Beschreibung einzelner Prognose-Verfahren 549 <?page no="554"?> f 0,G D BG E h ν l b f 0,D ρ D D Einheit Hz - N/ m 2 m m m Hz kg/ m 3 - Wert 10 0,4 6x10 8 0,25 0,4 4,2 3,0 19,2 700 0,02 Tabelle 14.8: Werte zur Abschätzung der Übertragung vom Baugrund auf eine Zimmerdecke (Annäherung an ein Beispiel in VDI 3837, 2004) Eine Analyse zeigt die hohe Sensibilität der Übertragungsfunktion H3/ 4(f) sowohl von den Dämpfungen als auch von den angenommenen bzw. abgeschätzten Eigenfrequenzen. Leichte Änderungen können zu einem deutlich veränderten Übertragungsgeschehen führen. Dies macht eine genaue (rechnerische) Prognose nahezu unmöglich, da die einzelnen Parameter nur grob abgeschätzt werden können, siehe auch [14.24], [14.25]. Daher kann für die praktische Anwen‐ dung von [14.23] eine Einbeziehung aller Übertragungsfunktionen hilfreich sein. Für die erste Bewertung kann dann der kritischste Fall herangezogen werden (falls bestimmte Randbedingun‐ gen nicht ausgeschlossen werden können). Eine Vor-Ort-Ermittlung der für die oben genannten Gleichungen erforderlichen Parameter erhöht die Genauigkeit einer Prognose. Gleichung (14.21) kann auch zur Abschätzung der Wirkung einer elastischen Gebäudelagerung herangezogen werden. -36 -26 -16 -6 4 14 24 0 2 4 6 8 10 12 2 20 200 H3/ 4(f) 20 × log (H3/ 4(f)), dB Frequenz log f, Hz dB Lin Bild 14.26: Übertragungsfunktion zwischen Baugrund und Gebäudedecke (Beispiel) 14.3.4 Modelluntersuchungen Prinzipiell ist es möglich, Untersuchungen zur Anregung und Ausbreitung auch an einem physikalischen Modell durchzuführen. Über die Praktikabilität dieser Vorgehensweise wird in [14.12] berichtet. Das Modell wurde im Maßstab 1: 10 in einer Versuchshalle errichtet. Der Tunnel wurde durch runde und rechteckige und das Gebäude durch ein rechteckiges Betonfertigrohr simuliert. Beide Bauteile wurden in Sand eingebettet; der Sand selber wurde auf einem Hallenboden aus Beton geschüttet. Wesentliche Ergebnisse dieser Untersuchung sind: 550 14 Prognoseverfahren für Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="555"?> • Anhand eines Modells lässt sich das Körperschallverhalten eines Tunnels gut untersuchen. • Das Übertragungsverhalten des vom Tunnel abgestrahlten Körperschalls wird stark von Baugrundschichtungen beeinflusst. Reflexionen an unter dem Tunnel liegenden härteren Schichten (z. B. Fels) können z.T. den Einfluss von Schlitzen reduzieren. • Die Ausbreitung im Baugrund und die Übertragung in die Gebäude kann anhand eines Modells untersucht werden. Für die Ausbreitung konnten Übertragungsgesetzmäßigkeiten abgeleitet werden. • Ein Maß für die Anregbarkeit von Systemen (z. B. Tunnel) ist die Admittanz Y(if). Zur Berechnung von Tunneladmittanzen (Sohle) wurden Gleichungen hergeleitet. Da eine maßstabsgerechte Nachbildung von Tunnel, Baugrund und Gebäude sehr aufwendig ist, wird eine solche Untersuchung in der Praxis kaum Bedeutung gewinnen. Das oben beschriebene einfache Modell eignet sich jedoch für die Lösung von Einzelfragen (z. B. für Untersuchungen des Baugrundeinflusses und des Resonanzverhaltens großer Bauteile sowie der Wirkung von Einbauten im Baugrund). Ergänzend zu den Modelluntersuchungen wurden in [14.12] auch Überlegungen für ein mögliches Prognoseverfahren angestellt. Im Wesentlichen basiert dieses auf die parallel zu den Modelluntersuchungen durchgeführten theoretischen Untersuchungen. Die hierdurch gewonne‐ nen Gleichungen konnten dabei anhand des Modells weitgehend verifiziert werden. Vorrangig basiert dieses Verfahren auf • einer bekannten Fahrzeugerregerkraft, • der rechnerischen Ermittlung des Realteiles der Eingangsadmittanz des Tunnels. Hierzu müssen das Tunnelmaterial und die -wanddicke sowie die Dichte und die Schub- und Kompressionswellengeschwindigkeit des Baugrunds bekannt sein. • Einer Berechnung des Körperschalls am Gebäudefundament aus den beiden oben genannten Größen. Die hergeleiteten Gleichungen zur Berechnung der einzelnen Admittanzen sind in Tafel 14.1 zusammengefasst ([14.12]). Re Y ≅ 1 8 B • ρ P • ℎ P • 1 1 + K 1 • 1 1 + K 2 Mit und K 1 ≅ K 3 11, 2 • D 4 ≅ K 3 100 D 2 = 2 − 2μ B 1 − 2μ B ≅ 3 K 2 ≅ K 3 25, 8 1 D 1 − μ B 2 ≅ 2 • K 1 B = E • ℎ P3 12 1 − μ P2 ≅ ρ B • c KP 2 • ℎ P3 12 K 3 ≅ ρ B • c DB ρ B • c P • c DB ℎ P • f 2 c KP = E ρ P Tafel 14.1: Formeln zur Abschätzung der Tunnelsohlen-Admittanz (Re{Y}) In [14.13] wird gezeigt, dass die abgeleiteten Gleichungen durchaus mit Messergebnissen vor Ort übereinstimmen. In Bild 14.27 und Bild 14.28 sind beispielhaft für die in Tabelle 14.9 zusammengefassten Parameter Admittanzen der Tunnelsohle dargestellt (Realteile Re{Y}). 14.3 Beschreibung einzelner Prognose-Verfahren 551 <?page no="556"?> 0 6 12 18 24 30 0 50 100 150 200 Re{Y} × 10 -8 (m/ s)/ N Frequenz f, Hz a b c d 1 2 3 4 a b cd 1 2 3 4 Bild 14.27: Realteile von Tunnelsohlenadmittanzen, berechnet mit den Gleichungen in Tafel 14.1 0 3 6 9 12 15 0 40 80 120 160 200 Re{Y} × 10 -8 (m/ s)/ N Frequenz f, Hz 1 2 3 4 Boden Boden Fels 1 2 3 4 Bild 14.28: Realteile von Tunnelsohlenadmittanzen, berechnet mit den Gleichungen in Tafel 14.1 Messwerte: Gestrichelt: Bereich für Lockerböden Strichpunktiert: Fels 552 14 Prognoseverfahren für Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="557"?> Bild Linie ρ P kg/ m 3 • 10 3 h P m E P N/ m 2 • 10 10 μ P μ B ρ B kg/ m 3 • 10 3 c KB m/ s Baugrundzustand Bild 14.27 1 2 3 4 - 2,5 - 0,45 0,60 0,80 1,00 - 2,7 - 0,12 - 0,27 - 2,1 - 800 - fest a b c d 2,5 0,45 0,60 0,80 1,00 2,7 0,12 0,25 1,9 400 mittelfest Bild 14.28 1 2 3 4 - 2,5 - 0,60 0,60 0,80 0,60 2,7 0,12 - 0,25 0,27 0,27 0,28 - 1,9 2,1 2,1 2,5 - 200 800 800 1000 - lose fest fest Fels Die Indizes bedeuten: P Platte (Tunnelsohle); B Baugrund. h ist die Plattendicke Tabelle 14.9: Parameter zur Berechnung der Realteile Re{Y} 14.3.5 Ersatzerreger Ersatzerreger können zur Ermittlung folgender Größen eingesetzt werden: • Admittanzen (Impedanzen): Eingangsadmittanzen, z. B. der Tunnelsohle, der Tunnelwand sowie Übertragungsadmittanzen zwischen der Strecke (Emissionspunkt) und dem Gebäude (Immissionspunkt), • des kraftbezogenen Schalldruckpegels, • Kennwerte des Tunnels, des Baugrunds und der Gebäude (Steifigkeit, Dämpfung usw.), • Eigenfrequenzen (Oberbau, Tunnel, Baugrund, Gebäude), • Erschütterungsabnahme auf dem Übertragungsweg, • zur Abschätzung der Wirksamkeit von Minderungsmaßnahmen, • durch Simulation der Fahrzeuganregung, zusammen mit einem vorgegebenen Oberbau, auch die möglichen Immissionen. Zur messtechnischen Ermittlung all dieser Größen sind Ersatzerreger erforderlich. Bei Bahn‐ strecken haben sich hierfür folgende Erreger im praktischen Einsatz bewährt (siehe auch DIN 45673-3): • Vibrationsplatte (Baurüttler), [14.9] • Prüfhammer, [14.9], • Unwuchterreger mit und ohne Zusatzmassen, [14.7] und [14.9], • Elektrodynamische Erreger (für Modelluntersuchungen), [14.12] und • Hydraulische Erreger mit einer abgefederten seismischen Masse, [14.14] und [14.15]. 14.3 Beschreibung einzelner Prognose-Verfahren 553 <?page no="558"?> Je nach Aufgabenfeld und Verfügbarkeit werden die oben genannten Erreger eingesetzt. Zur schnellen Messung von Übertragungsadmittanzen bzw. kraftbezogenen Schalldruckpegeln kön‐ nen die beiden zuerst genannten Erreger herangezogen werden. In [14.9] wird eine Kraftmess‐ einrichtung für eine Vibrationsplatte beschrieben. Hierüber sind die von dieser Platte in den Baugrund (z. B. Tunnelsohle) eingeleiteten Kräfte direkt messbar. Der Einsatz der drei weiteren Er‐ reger ist mit einem mehr oder weniger großen Aufwand verbunden. Für spezielle Untersuchungen ist dieser Aufwand jedoch erforderlich (z. B. für Linearitätsuntersuchungen des Ausbreitungswe‐ ges wie sie u. a. in [14.9] beschrieben sind). Ersatzerreger eignen sich auch zur näherungsweisen Ermittlung des Einfügungsdämm-Maßes von Oberbauformen. Hierzu wird auf der Tunnelsohle und auf dem - provisorisch eingebrachten - Oberbau angeregt. Eine Differenzbildung der gemessenen Pegelspektren, z. B. an der Tunnelsohle oder an der Tunnelwand, ist dann kennzeichnend für das vorhandene (absolute) Einfügungs‐ dämm-Maß des so geprüften Oberbaus. Hierbei ist bei der Ergebnisbewertung zu beachten, ob diese Messungen mit oder ohne Fahrzeugbelastung durchgeführt worden sind. Dies gilt besonders dann, wenn der Oberbau ein stark nichtlineares Verhalten zeigt. 14.3.6 Sekundärschall - 14.3.6.1 Definition Als „Sekundärschall“ wird der von den sechs Raumbegrenzungsflächen in den Raum abgestrahlte Luftschall bezeichnet. In [14.33] ist er wie folgt definiert: „Schallabstrahlung der zu Körperschall‐ schwingungen angeregten Bauteile in einem Raum“. Diese Definition umfasst auch die in dem Raum befindlichen Einrichtungsgegenstände und geht somit über die reine Abstrahlung der Wände und Decken hinaus. Bei einer Prognose des Sekundärschalls sind diese Einflüsse nicht zu berücksichtigen. Der Sekundärschall darf nicht mit dem Körperschall verwechselt werden, der die Schwin‐ gungen der Begrenzungsflächen eines Raumes beschreibt und somit die Ursache für den Sekundärschall ist. Die Größe der durch Zugfahrten angeregten Körperschallpegel der sechs Raumbegrenzungsflächen bestimmt - zusammen mit dem Abstrahlgrad und der Dämpfung (Nachhallzeit) - weitgehend die Größe des Sekundärschallpegels. - 14.3.6.2 Abschätzverfahren Bei Annahme eines diffusen Schallfeldes besteht zwischen dem abgestrahlten sekundären Luft‐ schall eines zu mechanischen Schwingungen angeregten Gebäudeteils und dem dazugehörigen mittleren Körperschallpegel eine feste spektrale Beziehung. Sie wird bestimmt durch den mittle‐ ren Körperschallgeschwindigkeitspegel L vm und dem Abstrahlgrad σ der Fläche A der betrachteten Raumbegrenzungsflächen (Fußboden, Wand und Decke) sowie durch die äquivalenten Absorpti‐ onsflächen S des Raumes. Vereinfachende Ansätze zur Ermittlung des sekundären Luftschalls nach dieser Methode werden im Folgenden dargestellt [14.32]. In der Praxis ist es sehr schwierig die erforderlichen Daten (mittleren spektralen Körperschall‐ schnellen und die entsprechenden spektralen Abstrahlgrade der einzelnen Bauteile eines Raumes) genau zu ermitteln, der Messaufwand hierfür ist enorm hoch. Dennoch zeigen die folgenden Beispiele, dass mit den getroffenen Annahmen plausible Abschätzungen möglich sind. 554 14 Prognoseverfahren für Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="559"?> (14.25) (14.26) (14.27) (14.28) (14.29) In der Literatur werden verschiedene Formeln für die Abschätzung des Zusammenhangs zwi‐ schen dem abgestrahlten Luftschall und der Schwinggeschwindigkeit der Raumbegrenzungsflä‐ chen gemacht: Im Folgenden werden einige solcher Lösungsvorschläge vorgestellt. Voraussetzung für die Annahmen ist ein diffuses Schallfeld im Raum. Vorschlag 1 In [14.34] wird folgende Gleichung angegeben: L pAm = L vAm + 10 • lg 4S A + 10 • lg(σ ); dB(A) mit L pAm A-bewerteter Schalldruckpegel im Raum (Mittelungspegel) in dB(A) (= gesuchte Größe) L vAm A-bewerteter Schwinggeschwindigkeitspegel der Raumbegrenzungsflächen (Mittelungspegel) in dB(A), Darstellung als Summenpegel oder Terz-/ Oktavpegel S Größe der schwingenden Flächen in m 2 , A Absorptionsvermögen (-flächen) des Raumes in m 2 , σ Abstrahlgrad der (6) Raumbegrenzungsflächen. In der Praxis werden z. B. folgende Erfahrungswerte angesetzt: S ≈ 2 x G (G: Grundrissfläche), Fläche des Fußbodens oder der Decke, A ≈ 0,8 x G (G: Grundrissfläche), σ ≈ 1 für Frequenzen ≥ 63-Hz-Oktave (-Terz). Für Frequenzen unter 63 Hz gilt σ < 1. Werden diese Werte in Gleichung (14.23) eingesetzt, dann folgt: L pAm = L vAm + 10 • lg 8 0, 8 + 10 • lg(σ ) = L vAm + 10 + 10 • lg(σ ) D vp = L pAm − L vAm + 10 + 10 • lg(σ ) Mit diesen Annahmen wäre der Differenzpegel D vp unabhängig von der Raumgröße und nur eine Funktion des Abstrahlgrades σ. Der Abstrahlgrad σ beschreibt nach ISO 140 (1984) das Verhältnis der abgestrahlten Körper‐ schallleistung W zu derjenigen, die eine Fläche S abstrahlen würde, wenn deren Teile mit gleicher Phase φ und Schallschnelle v schwingen würden. σ = W Z 0 • v eff 2 • S mit W Schallleistung in Watt Z 0 = ρ • c Z 0 Wellenwiderstand der Luft (bei 20°C beträgt Z 0 = 410-Ns/ m 3 ), 14.3 Beschreibung einzelner Prognose-Verfahren 555 <?page no="560"?> (14.30) (14.31) (14.32) (14.33) (14.34) ρ Dichte in kg/ m 3 (bei 20°C beträgt ρ = 1,2 kg/ m 3 ), c Schallgeschwindigkeit in m/ s (bei 20°C beträgt c = 331-m/ s), v eff Effektivwert der Schwinggeschwindigkeit in m/ s, S strahlende Fläche in m 2 . Vorschlag 2 (VIBRA) Im Handbuch zu VIBRA [14.35] (schweizerisches Prognoseverfahren für Erschütterungen und Sekundärschall) wird folgende Gleichung zur Abschätzung von L pAm (= L pAeq ) angegeben: L pAm = L vAm + 10 • lg(S) + 10 • lg(σ ) + 10 • lg 24 • T r − 10 • lg(V ) D vp = L pAm − L vAm = = 10 • lg(S) + 10 • lg(σ ) + 10 • lg 12 • T r − 10 • lg(V ); dB mit L pAm und L vAm s. Vorschlag 1 S Oberfläche der Raumbegrenzungsflächen, σ Abstrahlgrad; re 1, T r normal 0,8-s; re 1-s (Nachhallzeit), V Raumvolumen; re 1-m 3 . Abstrahlgrad und Nachhallzeit sind abhängig von der Frequenz. Vorschlag 3 In [14.36] ist folgende Gleichung enthalten: L pAm = L vAm + 10 • lg 4 • σ • S • T r 0, 16 • V ; dB D vp = L pAm − L vAm = 10 • lg 4 • σ • S • T r 0, 16 • V ; dB L pAm und L vAm s. Vorschlag 1. Die anderen Parameter sind ebenfalls oben beschrieben. Vorschlag 4 (RENVIP, AEAT BV Modell) In [14.37] wird folgende Gleichung zur Abschätzung des Sekundärschallpegels angegeben: L eq = L vA + 10 • lg(S) + 10 • lg a′ + 10 • lg 24 • T 60 − 10 • lg(V ) mit 10 lg(á) = -3-dB(A) für alle Frequenzen, T60 = 0,8-s, Bezugswert = 1-s (Nachhallzeit) = T r V = Raumvolumen, Bezugswert = 1-m 3 , S = Oberfläche der Raumbegrenzungsflächen, Bezugswert = 1-m 2 . Diese Gleichung entspricht weitgehend Vorschlag 2 (nur in einer anderen Schreibweise). 556 14 Prognoseverfahren für Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="561"?> Zum Vergleich wurden mit den 4 Vorschlägen die Sekundärschallpegel für gleiche Ausgangs‐ größen berechnet. Für die Fläche S wurde in Vorschlag 1 und 3 ein Wert von 0,8⋅S eingesetzt (zur Berücksichtigung der nicht Schall abstrahlenden Flächen). Das Ergebnis zeigt Tabelle 14.10. Die ermittelten Werte für D vp (= Differenzpegel zwischen dem Sekundärschall und der Schwinggeschwindigkeit, beide A-bewertet) schwanken zwischen ca. 9-dB(A) und 13,5-dB(A). Vor‐ schlag l m b m h m V m 3 L vAm dB(A) S m 2 σ- T r s á dB L pAm dB(A) D vp dB(A) 1 5 4 2,4 48 40 66,6 0,8 - - 49,1 9,1 2 “ “ “ “ 40 66,6 “ 0,8 - 53,3 13,3 3 “ “ “ “ 40 66,6 “ 0,8 - 53,5 13,5 4 “ “ “ “ 40 66,6 - 0,8 -3 52,2 12,2 Tabelle 14.10: Vergleich der Ergebnisse für 4 unterschiedliche Abschätzverfahren für D vp auf Basis des Körper‐ schallpegels L vAm der Decke (Fußboden) Die Ergebnisse der beiden Vorschläge 2 und 3 ergeben nahezu identische Werte. Vorschlag 1 führt dagegen zu ca. 4 dB(A) niedrigeren Werten und Vorschlag 4 liegt dazwischen. Alle Werte liegen unterhalb dem häufig für eine Abschätzung herangezogen Wert von 15-dB. Die in Tabelle 14.10 enthaltenen Ergebnisse wurden für den Gesamtpegel berechnet, eine Berechnung in Terzen oder Oktaven ist entsprechend durchzuführen. - 14.3.6.3 Empfehlung Alle vier Ansätze setzen eine Unabhängigkeit für D vp von der Größe des Schwinggeschwindig‐ keitspegels voraus. Dies widerspricht der praktischen Erfahrung (s. obige Regressionsgleichun‐ gen). Hiernach steigt der Sekundärschallpegel nur etwa mit dem 0,5-fachen (bis ±0,25) der Schwinggeschwindigkeit auf dem Fußboden an. Folgende Ursachen kommen hierfür infrage: • die Decken werden deutlich stärker angeregt als die Wände, dies könnte mit einem Korrek‐ turfaktor berücksichtigt werden, • die Raum-Begrenzungsflächen strahlen unterschiedlich ab (je nach Material: Teppichboden, Fenster, Türen usw.), • die Eigenfrequenzen (und Dämpfungen) der Decken und Wände sind verschieden, • nicht immer liegen Räume mit rechteckigen Begrenzungsflächen vor, • die Absorption in den Räumen variiert sehr stark (Möbel, Teppichboden etc.), • bei der Berechnung von D vp ist die Frequenzabhängigkeit des Abstrahlgrades und der Nachhallzeit zu berücksichtigen. Diese Werte können derzeit nur aus Messwerten abgeschätzt werden. Dies gilt auch für die Abhängigkeit vom Körperschallpegel, • Estrich auf dem Fußboden. 14.3 Beschreibung einzelner Prognose-Verfahren 557 <?page no="562"?> (14.35) Aufgrund von Messwerten lässt sich - näherungsweise - folgende erweiterte Gleichung herleiten: L pAm f T n = L vAm f T n + 10 • lg 4 • σ f Tn • S • T r f Tn • v 0 • 10 LvAm/ 10 −n(f Tn) 0, 16 • V • m mit n(f Tn ) = 0,3 bis 0,8 Für die dominanten Frequenzen gilt n = 0,6. Der Wert n hängt u. a. ab von der Deckenart, er beschreibt die Zunahme des Sekundärschalls p mit der Schwinggeschwindigkeit v. m = 10.000 (konstant, Korrekturwert), evtl. auch abhängig von der Frequenz, v 0 =5 . 10 -8 m/ s (Bezugswert der Schwinggeschwindigkeit). Die anderen Parameter sind oben beschrieben. Diese Gleichung kann sowohl für den Summenpegel (über mehrere Terzen zusammengefasste Pegel) als auch für einzelne Terzen herangezogen werden. Weitere Lösungsvorschläge sind z. B. in [14.38] und [14.39] zu finden. - 14.3.6.4 Bewertung Zur Bewertung des Sekundärschallpegels aus dem Schienenverkehr werden in Deutschland zwei unterschiedliche akustische Größen verwendet: • der mittlere maximale Schalldruckpegel L pAFmax,m in dB(A) sowie • der Mittelungspegel L pAm in dB(A). Anstelle der FAST-Bewertung wird in anderen Ländern auch die SLOW-Bewertung angewen‐ det (siehe ISO 14837-1). Näherungsweise führt die SLOW-Bewertung zu 2 dB(A) geringeren Schallpegeln. Es ist zu beachten, dass die festgesetzten Anhaltswerte mit den Bewertungsgrößen zusammenpassen. Zum L pAFmax sind einige Ausführungen in folgender Vorschrift enthalten: Technische Anleitung zum Schutz gegen Lärm [14.42]. Aus dieser Anleitung wird im Folgenden Abschnitt 6.2 zitiert. 6.2 Immissionsrichtwerte für Immissionsorte innerhalb von Gebäuden Bei Geräuschübertragungen innerhalb von Gebäuden oder bei Körperschallübertragung betragen die Im‐ missionsrichtwerte für den Beurteilungspegel für betriebsfremde schutzbedürftige Räume nach DIN 4109, Ausgabe November 1989, unabhängig von der Lage des Gebäudes in einem der in Nummer 6.1 (TA Lärm) unter Buchstaben a bis f genannten Gebiete tags (06: 00-22: 00 Uhr) 35-dB(A) nachts (22: 00-06: 00 Uhr) 25-dB(A) Einzelne kurzzeitige Geräuschspitzen dürfen die Immissionsrichtwerte um nicht mehr als 10 dB(A) über‐ schreiten. Einzelne Zugvorbeifahrten werden hier als „Kurzzeitige Geräuschspitzen“ interpretiert. Kurzzeitige Geräuschspitzen werden durch den Maximalpegel L pAFmax des Schalldruckpegel L pAF (t) beschrieben. 558 14 Prognoseverfahren für Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="563"?> (14.36) Für Wohngebäude sollten im Allgemeinen folgende Pegelwerte nicht überschritten werden (Tabelle 14.11): Für Büros und anderweitig genutzte Räume sind auch höhere Werte zulässig. - Schlafzimmer Wohnzimmer (Anzustreben sind auch hier die für Schlafzimmer ge‐ nannten Werte) Zeitraum (zwischen 20: 00 und 22: 00 Uhr sollten die Nachtwerte ange‐ strebt werden) Tags: L pAFmax,m 45-dB(A) 55-dB(A) 06: 00 - 22: 00 Nachts: L pAFmax,m 35-dB(A) 45-dB(A) 22: 00 - 06: 00 Tabelle 14.11: Empfohlene Pegelhöchstwerte für den Sekundärschall in Wohnungen Für den Mittelungspegel werden in [14.32] die in Tabelle 14.12 genannten Anhaltswerte genannt. Immissionsrichtwerte (Beurteilungspegel) für zumutbare Innenraumpegel L i in Anleh‐ nung an 24. BImSchV Raumnutzung L i,T in dB(A) tags 06: 00 - 22: 00 L i,N in dB(A) nachts 22: 00 - 06: 00 1 Räume, die überwiegend zum Schlafen genutzt werden - - 30 2 Wohnräume 40 - 3 Behandlungs- und Untersuchungsräume in Arztpraxen, Operationsräume, wissenschaftliche Arbeitsräume, Leseräume in Bibliotheken, Unterrichtsräume - 40 - 4 Konferenz- und Vortragsräume, Büroräume, allgemeine Laborräume 45 - 5 Großraumbüros, Schalterräume, Druckerräume von DV-Anlagen, soweit dort ständige Arbeitsplätze vorhanden sind - 50 - 6 Sonstige Räume, die nicht nur vorübergehend zum Aufenthalt von Menschen bestimmt sind. Entsprechend der Schutzbedürftigkeit der jeweiligen Nutzung festzusetzen Tabelle 14.12: Aus der 24. BImSchV ableitbare zumutbare Innenraumpegel für unterschiedliche Raumnutzungen Den näherungsweisen Zusammenhang zwischen den beiden Bewertungsgrößen zeigt Gl. (14.36). L pAFmax ≈ L pAeq + 3 dB(A) bis + 6 dB(A) 3 dB(A) stehen dabei für einen weitgehend konstanten Schallpegel, wie er von Triebfahrzeugen (Straßen-, U-, S-Bahnen und ICE) ohne Auffälligkeiten an den Rädern (z. B. ohne Flachstellen) erzeugt wird, 6 dB(A) für Züge mit einer Lokomotive bzw. mit Auffälligkeiten an einzelnen Rädern, [14.32]. Dieser Differenzpegel ist außerdem abhängig von der Mittelungszeit T. Die 14.3 Beschreibung einzelner Prognose-Verfahren 559 <?page no="564"?> 4 Die Praxis zeigt, dass nach Inbetriebnahme einer neuen Strecke eine schwingungsmindernde Maßnahme aufgrund von Anwohnerbeschwerden nachträglich eingebaut werden muss oder, was jedoch nur in seltensten Fällen durch Messungen belegt wird, prophylaktisch hochwirksame und teure Minderungsmaßnahmen eingebaut wurden, die eigentlich nicht erforderlich waren. Beides bedeutet erhebliche Mehrkosten, die durch eine genauere Prognosemethode vermeidbar sind. (14.37) obigen Aussagen beziehen sich weitgehend auf die Mittelungszeit T rec . Für T rec gilt hier T p plus Zeiten für ansteigenden und abfallenden Pegel nach der 10 dB-Regel. Näherungsweise gilt für den Sekundärschall: L pAeq, Tp ≈ L pAeq, Trec + 2dB(A) ± 1, 5 dB(A) Auch dieser Differenzpegel hängt von dem zeitlichen Verlauf der Anregung ab und kann von dem in Gl. (14.37) genannten Zusammenhang deutlich abweichen. 14.3.7 Vergleichende Betrachtung der Verfahren Die derzeit in der Praxis angewandten Prognoseverfahren für Immissionen der Erschütterungen und des Sekundärschalls aus dem Schienenverkehr sind alle mit einer mehr oder weniger großen Unsicherheit behaftet. Dies gilt besonders dann, wenn sie ohne ergänzende Messungen am konkreten Objekt angewendet werden. Ein Ringversuch „Prognose“ für dasselbe Objekt mit anschließender messtechnischer Überprüfung wurde bisher nicht durchgeführt. Es ist daher nicht möglich, generelle Aussagen über die „Qualität“ der einzelnen Prognoseverfahren zu machen. Für eine vergleichende Betrachtung sind lediglich einige allgemeine Aussagen möglich. Die statistischen Verfahren bieten den großen Vorteil, dass sie bereits in der Planungsphase einer neuen Strecke angewendet werden können und einen relativ geringen Zeitaufwand benötigen. Hierdurch ist es möglich, schon frühzeitig Auswirkungen auf benachbarte Gebäude abzuschätzen. Dies erlaubt eine gewisse Beeinflussung der Trassenführung und der konstruktiven Gestaltung von Tunnelbauwerken unter immissionstechnischen Gesichtspunkten. Sollte aus ver‐ kehrspolitischen oder verkehrstechnischen Gründen die Trasse in die Nähe von Wohngebäuden gelegt werden, dann kann unter Anwendung einer dieser Methoden rechtzeitig abgeschätzt werden, ob z. B. ein als Masse-Feder-System ausgebildetes Oberbausystem erforderlich ist oder nicht. Dies hat Auswirkungen auf die Festlegung der Tunnelhöhe, insbesondere bei rechteck- und hufeisenförmigen Tunneln, die in bergmännischer Bauweise aufgefahren werden. Bei im Schildvortrieb erstellten Tunneln (Kreistunnel) ist im Allgemeinen die Tunnelhöhe / der Tunnel‐ durchmesser auch zur Aufnahme von (zumindest leichten) Masse-Feder-Systemen ausreichend. Diese Aussagen gelten sinngemäß auch für alle anderen Trassenführungen. Um die vorhandene Unsicherheit 4 bei der Anwendung von statistischen Verfahren zu verrin‐ gern, werden oft ergänzende Messungen durchgeführt. Durch solche Messungen ist die Ermitt‐ lung von baugrund- und bauwerksdynamischen Kenngrößen möglich (z. B. Eigenfrequenzen, Dämpfungen und Differenzpegelspektren, Admittanzen, kraftbezogene Schalldruckpegel etc.). Solche Messungen werden von verschiedenen Gutachtern durchgeführt (siehe z. B. [14.6] und [14.13]). An dieser Stelle muss ausdrücklich darauf hingewiesen werden, dass die statistischen Verfah‐ ren, die auf Bild 14.10, Bild 14.13 und Tabelle 14.4 sowie auf den Gln. (14.1) bis (14.5) beruhen, nur eine grobe Orientierung darstellen. In kritischen Fällen sollte daher immer ein erfahrener Gutachter eingeschaltet werden. Kritische Fälle sind z. B. vorhanden: 560 14 Prognoseverfahren für Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="565"?> • bei stark schwankenden Baugrundverhältnissen und unterschiedlichen Bebauungsarten (Gebäude mit Beton-, Gewölbe- (Kappen-) oder Holzbalkendecken), • bei unterschiedlichen Abständen zwischen Trasse und Bebauung bzw. unterschiedlicher Anordnung der Gebäude zur Trasse, • bei besonders zu schützenden Gebäuden (z. B. Konzertsäle) sowie • bei Gebäuden mit empfindlichen Geräten (hier kann jedoch eine Schwingungsisolierung der Geräte selber zu einer kostengünstigeren Lösung führen). Auch mit den nicht auf statistischer Basis beruhenden Verfahren sind Prognosen bereits im Planungszustand möglich. Verwendet werden hierfür z.T. vorhandene Ergebnisse aus Messungen für die Fahrzeugerregerkräfte oder Emissionsspektren der Schwinggeschwindigkeit an in Betrieb befindlichen Strecken (Tunnel-, Viadukt- oder ebenerdige Strecken). Die erforderlichen Parameter zur Berechnung der Admittanzen und den weiteren in den Gl. (14.13) angegebenen Übertragungs‐ admittanzen sind zahlenmäßig weitgehend bekannt. Diese Größen sind somit berechenbar. Sie sind aber auch aus vergleichbaren Tunnelabschnitten messtechnisch relativ leicht zu ermitteln, [14.9]. Durch ergänzende Messungen vor Ort, dies gilt sowohl für den Zustand der Planung als auch für den Zustand der Rohbaufertigstellung, steigt in der Regel die Genauigkeit der Prognose. Insbesondere eignen sich Messungen im Rohbauzustand von Tunnelstrecken zur endgültigen Festlegung des erforderlichen Oberbaus. Hierdurch können erhebliche Kosten sowohl beim Neubau als auch durch den Wegfall möglicher Sanierungsmaßnahmen eingespart werden. 14.4 Zusammenhang verschiedener Immissionsgrößen 14.4.1 Zusammenhang zwischen Erschütterungen und Sekundärschall In manchen Fällen ist es bei einer Prognose von Nutzen, grobe Abhängigkeiten zwischen den einzelnen Bewertungsgrößen zu kennen. In [14.9], [14.13] und [14.22] wurden für verschiedene Immissionsgrößen solche Abhängigkeiten für bestimmte Wertepaare anhand von Regressionsbe‐ rechnungen ermittelt. Im Folgenden werden einige wesentliche hiervon dargestellt. Es ist jedoch zu berücksichtigen, dass in anderen Fällen sich aufgrund der örtlichen Gegebenheiten andere Abhängigkeiten ergeben, gegebenenfalls sind aus eigenen Messungen solche Abhängigkeiten zu ermitteln. Für grobe Abschätzungen können jedoch die hier dargestellten Beziehungen herangezogen werden. Der im Folgenden angegebene spektrale Summenwert / Summenpegel entspricht dem Effektivwert. Die Summenwerte / Summenpegel wurden dabei aus gemittelten Schmalband- oder Terzspektren ermittelt. Der jeweils hinter den Gleichungen angegebene Wert R ist der aus den durchgeführten Regressionsberechnungen ermittelte Korrelationskoeffizient. a) Näherungsweiser Zusammenhang zwischen dem mittleren A-bewerteten Sekundärschall‐ druckpegel L pAFmax,m und dem Taktmaximal-Effektivwert KB FTm (mit KB wird die auf 1 mm/ s bezogene zeit- und frequenzbewertete Schwinggeschwindigkeit bezeichnet). 1. Unterschiedlich steife Schienenlager (gemischt): KB FTm = 3, 92 • 10 −4 • e 0, 118 • L pAF max, m ; R = 0,66 2. Nur hoch elastische Schienenlager (z. B. Kölner Ei): KB FTm = 9, 97 • 10 −4 • e 0, 108 • L pAF max, m ; R = 0,56 14.4 Zusammenhang verschiedener Immissionsgrößen 561 <?page no="566"?> 3. Nur normal elastische Schienenlager (z. B. Nürnberg 1a mit 20 mm dicker Kork-Gummi-Platte oder Platte aus Polyurethan „PU“): KB FTm = 5, 56 • 10 −4 • e 0, 101 • L pAF max, m ; R = 0,70 b) Näherungsweiser Zusammenhang zwischen dem Taktmaximal-Effektivwert KB FTm und dem Summenpegel ∑L v in dB (Summenwert ∑v in m/ s) der Schwinggeschwindigkeit v Summenpegel ∑L v in dB re 5 . 10 -8 m/ s: KB FTm = 9, 28 • 10 −5 • e 0, 111 • ∑ L v ; R = 0,98 oder Summenwert ∑v in m/ s: KB FTm = 1, 152 • ∑ v + 7, 68 • 10 −3 ; R = 0,96. c) Näherungsweiser Zusammenhang zwischen dem Taktmaximal-Effektivwert KB FTm und dem mittleren KB-Wert der alten Vornorm DIN 4150-2 von 1975 (s. hierzu auch die Hinweise zum c F -Wert in DIN 4150-2 von 1999, dort werden c F -Werte für Einzelereignisse kurzer Dauer zwischen 0,6 und 0,8 genannt): KB FTm = 0, 66 • KB alt, m ; R = 0,97 Der c F -Wert beträgt hiernach 0,66. d) Näherungsweiser Zusammenhang zwischen dem mittleren A-bewerteten Sekundärschall‐ druckpegel L pAFmax,m und dem Summenpegel der Schwinggeschwindigkeit ∑L v (= spektraler Summenwert, entspricht dem Effektivwert): L pAF max, m = 0, 42 • ∑ L v + 15, 1 in dB(A); R = 0,68. Ein Beispiel für diese beiden Größen zeigt Bild 14.29. Anstelle des spektralen Summenwertes der Schwinggeschwindigkeit ist hier der diese Größe repräsentierende KB FTi,z -Wert auf der Abszisse dargestellt. R² = 0,833 20 30 40 50 60 70 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 L pAFmax,i ,(WZ+SZ); dB(A) KB FTi , (WZ_z+SZ_z) SZ WZ Bild 14.29: Sekundär-Schalldruckpegel L pAFmax in Abhängigkeit von den Taktmaximalwerten KB FTi,z in einem Ge‐ bäude an einer Eisenbahnstrecke (Wohnzimmer WZ und Schlafzimmer SZ) e) Näherungsweiser Zusammenhang zwischen dem mittleren unbewerteten Schalldrucksum‐ menpegel ∑L p in dB und dem mittleren A-bewerteten Schalldrucksummenpegel ∑L pA in dB(A); jeweils Sekundärschall in Gebäuden: 562 14 Prognoseverfahren für Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="567"?> 5 In der überarbeiteten DIN 4150-2 (2023) gilt, unabhängig von der Deckenart, ein Wert von 1,5. (14.38) (14.39) (14.40) ∑ L p = 0, 97 • ∑ L pA + 32, 5 in dB; R = 0,98. Zur Abschätzung des maximalen KB FTi -Wertes (= maximale bewertete Schwingstärke KB Fmax ) aus dem bei einer Prognose abgeschätzten KB FTm -Wert kann näherungsweise folgende Gleichung herangezogen werden: KB Fmax = 1, 4…1, 8 • KB FTm . (1,4 bis 1,5 für Betondecken; 1,6 bis 1,8 für Holzbalkendecken). 5 Die maximale Schwinggeschwindigkeit v max (t) lässt sich wie folgt aus dem Effektivwert v eff abschätzen (für Erschütterungen aus dem Schienenverkehr): v max = 2, 7…3, 5 • v eff in m/ s. Der A-bewertete Schalldruckpegel L pAFmax,m in Raummitte (ca. 1,2 m über dem Fußboden) kann nach [14.13] näherungsweise aus dem Summenpegel der Schwinggeschwindigkeit ∑L v (Messpunkt in Deckenmitte, vertikal) wie folgt abgeschätzt werden: L pAF max, m = 0, 42 • ∑ L v + 15, 1; dB(A). 14.4.2 Abschätzung des KB FTi,z - Wertes von alternativen Bewertungsgrößen Zwischen den KB FTi -Werten und den Summenwerten von KB-bewerteten Max-Hold-Spektren besteht eine gewisse Korrelation. Ein weiterer Vorteil dieser Spektren ist, dass sie weitgehend unabhängig von der Start- und Stoppzeit bei einer Terzanalyse sind. Für gemittelte Spektren gilt dies nicht, hierfür sind genaue Vorgaben für die Mittelungszeit erforderlich ([14.28], [14.29] und DIN 45672-2). Nach DIN 4150-2 (1999) gilt: K B = 1 2 * v max 1 + f 0 f 2 und KB Fmax * = K B * c F Mit f Frequenz in Hz; f 0 = 5,6 Hz (Grenzfrequenz des Hochpasses); v max maximale Schwingge‐ schwindigkeit in mm/ s; c F ist eine Konstante für verschiedene Erschütterungseinwirkungen (mit Resonanz = 0,8, ohne Resonanz = 0,6). Aus den KB-bewerteten Max-Hold-Spektren können mit folgender Gleichung KB FTi *-Werte abgeschätzt werden: KB FTi * = 4 80 K B f Tn 2 Zur Anwendung dieser Gleichungen ist sowohl eine Frequenzanalyse mit schmalbandiger Auflösung (konstante Frequenzbandbreite, FFT) als auch eine Terzanalyse zu erstellen. Das FFT-Spektrum ist erforderlich für Gl. (14.36) zur Ermittlung der dominanten Frequenz f, um aus 14.4 Zusammenhang verschiedener Immissionsgrößen 563 <?page no="568"?> Messungen (Erschütterungszeitsignale) den KB-Wert abzuschätzen, Gl. (14.38) wird benötigt, um aus prognostizierten Max-Hold-Terzspektren einen KB*-Wert abzuschätzen. Unter Anwendung der oben genannten Gleichungen zeigt Bild 14.30 von verschiedenen Aus‐ wertungsansätzen das Ergebnis. Die Messung erfolgte in einem Gebäude neben einer U-Bahnstre‐ cke in drei verschiedenen Räumen. In Tabelle 14.13 sind die verschiedenen Bewertungsgrößen beschrieben. Bewertungsgröße Beschreibung Erläuterung Terz-AVG-max Maximalwert im Terzspektrum Gemitteltes Terzspektrum Terz-AVG-Sum Summenwert Terz-MH-max Maximalwert im Terzspektrum Max-Hold-Terzspektrum Terz-MH-Sum Summenwert s. Absatz unter 14.4.2 FFT Maximalwert der dominanten Frequenz Gemitteltes FFT-Spektrum mit Delta f = 1-Hz, v max ,KB 0,6 Maximalwert des Zeitsignals, siehe (Gl. 14.36) Ohne Resonanz, c f = 0,6 v max ,KB 0,8 Mit Resonanz, c f = 0,8 KB FTi,z Zielwert - Tabelle 14.13: Beschreibung der in Bild 14.30 dargestellten Bewertungsgrößen; AVG: Mittelungspegel, MH: Max- Hold-Pegel 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Erschütterungswerte Bewertungsgrößen 564 14 Prognoseverfahren für Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="569"?> 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 Verhältnisgrößen Bewertertungsgrößen Bild 14.30: Darstellung verschiedener Bewertungsgrößen relativ zum KB FTI,z -Wert In dem Beispiel kommt das Verhältnis der Bewertungsgröße „Terz-MH-Sum“ zur Zielgröße KB FTi,z näherungsweise dem Wert eins am nächsten. U. a. ist dies ein Grund für deren häufige Anwendung bei Prognosen. Grundsätzlich könnten aber auch die anderen Bewertungsgrößen angewendet werden. Für eine Bewertung ist es immer wichtig, dass Bewertungsgröße und Anhaltswert oder Grenzwerte aufeinander abgestimmt sind, ([14.16], [14.31]). 14.5 Literatur zu Kapitel 14 [14.1] Auersch, L. / Krüger, F. u. a.: Untersuchung zur Ausbreitung und Minderung von Erschütterungen an Trassen des schienengebundenen Stadtverkehrs im Geländeniveau. Bericht 9*; Projektleitung: Blennemann, F./ Rücker, W.; April 1983 [14.2] Groß, K./ Krüger, F. und G. Volberg: Schwingungsmessungen in der Umgebung innerstädtischer Bahn- und Straßentunnel. Vorstufe 1979, STUVA-Forschungsberichte 14/ 81 [14.3] Rücker, W.: Ermittlung der Schwingungserregung beim Betrieb schienengebundener Fahrzeuge in Tunneln sowie Untersuchung des Einflusses einzelner Parameter auf die Ausbreitung von Erschütterungen im Tunnel und dessen Umgebung. Dissertation TU Berlin 1980 und Forschungsbericht 64 der Bundesanstalt für Materialprüfung, Februar 1980 und Forschungsbericht 64 der Bundesanstalt für Materialprüfung, Februar 1980 [14.4] Auersch, L./ Hebener, H. L. und W. Rücker: Erschütterungen infolge Schienennahverkehr: Theoretische und messtechnische Untersuchungen zur Emission, zur Ausbreitung durch den Boden und zur Übertragung im Gebäude. Bericht 20*, Projektleitung: Rücker, W., März 1986 [14.5] Lang, J.: Schallschutzmaßnahmen bei der Wiener U-Bahn: Festschrift „100 Jahre TGM“. Eigenverlag TGB, 1200 Wien, 1980 [14.6] Uderstädt, D.: Planung von Schutzmaßnahmen zur Minderung von Geräuschen und Erschütterungen durch U-Bahnen: Prognoseverfahren zur Bestimmung von Geräusch- und Erschütterungsimmissionen. DER NAHVERKEHR: 1/ 83, S. 68 bis 77 und 2/ 83, S. 65-69 14.5 Literatur zu Kapitel 14 565 <?page no="570"?> [14.7] Eisenmann, J./ Deischl, F. und L. Steinbeißer.: Körperschallemissionen bei Schienenbahnen: Messung - Dämmung - Prüfung. Mitteilungen des Prüfamtes für Bau von Landverkehrswegen der TU München. Heft 44, 1984, Herausgeber: Eisenmann, J. [14.8] Uderstädt, D.: Verbesserung der Prognosegenauigkeit für Erschütterungs- und Körperschallemissionen und Immissionen bei Bahntunneln: statistische Methode - Messdatenauswertung zur Darstellung der Einflussgrößen. Meilensteinbericht*, März 1986 [14.9] Krüger, F.: Ermittlung von Kenngrößen aus Messungen an Rohbautunneln zur Festlegung des aus Immissionsschutzgründen notwendigen Oberbaus. Bericht 20*, Juni 1986 [14.10] Volberg, G.: Vorschläge zur Beurteilung von Immissionen durch den U-Bahnverkehr. VDI-Berichte 284, S. 25-31, Düsseldorf 1974 [14.11] Melke, J. u. a.: Untersuchung des Einflusses von Tunnelkonstruktionen, Verbau und Baugrund im Hinblick auf die Schwingungsminderung und Immissionsprognose. Phase I: Vorstudie Datenanalyse*; März 1986 (unveröffentlicht) [14.12] Heckl, M./ Feldmann, J. u. a.: Modelluntersuchungen zur Ausbreitung von Körperschall in der Umgebung von U-Bahn-Tunneln. Bericht 22*, Projektleitung: Heckl, M., TU Berlin, März 1987 [14.13] Krüger, F.: Entwicklung eines admittanzorientierten Prognoseverfahrens zur immissionsgerechten Gestaltung des Gleisoberbaus im Rohbaustadium von Tunnelstrecken. Dissertation TU Berlin (1989) [14.14] Heckl, M./ Kraft, A./ Krüger, F./ Melke, J./ Rücker, W. und D. Uderstädt: Vorträge zu einzelnen Forschungsvorhaben. BEKA-Seminar „Lärm- und Erschütterungsschutz im Schienennahverkehr“, Düsseldorf, September 1989 [14.15] Melke, J.: Unterirdischer Schienenverkehr und Umweltschutz - eine praxisorientierte Prognosemethodik. Verkehr und Technik 1989, Heft 9, S. 341ff [14.16] Zeichart, K. u. a.: Erschütterungswirkungen aus dem Schienenverkehr. Bericht über ein interdisziplinäres Forschungsvorhaben im Auftrag des Umweltbundesamtes (Berlin) und des Bundesbahnzentralamtes (München), Kurzfassung Februar 1993 (Die ausgeführten Schall- und Erschütterungsmessungen erfolgten durch Obermeyer Planen+Beraten, München und STUVA, Köln) [14.17] Krüger, F./ Becker, H. und P. Prüm: Schwingungsverhalten von Gebäuden unter dynamischer Ersatzanregung im Vergleich zur Zuganregung - Gebäudeschwingungen. BMFT-TV 8843 0, Januar 1994 [14.18] Ackva, J./ Decker, U. und S. Niedermeyer: Erschütterungen aus dem Schienenverkehr. Berichte und Abhandlungen der igi Niedermeyer Institute 2/ 95, Heft 14 [14.19] Krüger, F.: Verfahren zur Immissionsprognose in Gebäuden an U-Bahn-Tunneln. DER NAHVERKEHR 1/ 90, S. 69 ff [14.20] Kraft, A. u. a.: Entwicklung eines Prognoseverfahrens für Körperschall und Erschütterungen bei unterirdischen Bahnen auf analytisch-messtechnischer Basis. BMFT-Forschungvorhaben TV 8526, TÜV Rheinland, Mai 1993* [14.21] Natke, G.: Einführung in Theorie und Praxis der Zeitreihen- und Modalanalyse: Identifikation schwingungsfähiger elastomechanischer Systeme. Verlag Vieweg & Sohn Braunschweig/ Wiesbaden, 1983 [14.22] Krüger, F. u. a.: Verbundprojekt: Praxisgerechtes Prognoseverfahren für Schienenverkehrserschütterungen. BMBF Statusseminar 2003, Bonn (VErProM - VerkehrsErschütterungsPrognoseModell) [14.23] Richtlinie 820.2050 „Grundlagen des Oberbaus, Erschütterungen und sekundärer Luftschall“, DB AG (2017) [14.24] Müller, G.: Erschütterungsentstehung und -ausbreitung. Fachtagung Bahnakustik. Infrastruktur, Fahrzeuge, Betrieb (2011) 566 14 Prognoseverfahren für Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="571"?> [14.25] Meinhardt, Ch.: Einflussgrößen für das Schwingungsverhalten von Gebäuden zur Prognose von Erschütterungsimmissionen. Dissertation TU Berlin (2007) [14.26] Said, A./ Grütz, H.-P. u. R. Garburg: Ermittlung des sekundären Luftschalls aus dem Schienenverkehr. ZfL 53 (2006) 1 [14.27] VDI 2716 - Luft- und Körperschall bei Schienenbahnen des öffentlichen Personennahverkehrs (1992-06). Diese Schrift wurde zurückgezogen, ist aber noch verfügbar. Teile der Schrift sind in VDI 3837 und DIN 45672-3 enthalten. [14.28] Krüger, F. und H.-P. Schug: Untersuchungen verschiedener Oberbauformen in einem U-Bahntunnel im Hinblick auf Schall- und Erschütterungsemissionen; Bericht 8*, März 1982, Projektleitung: Blennemann, F. [14.29] Blennemann, F./ Kraemer, S./ Krüger, F. und J. Melke: Vergleichende Bewertung der angewandten Meß- und Auswertemethoden für Körperschall- und Erschütterungsmessungen in U-Bahn-Tunneln, gemeinsamer Bericht von TÜV-Rheinland und STUVA, September 1982* [14.30] Krüger, F.: Bewertung der Erschütterungsimmissionen durch den Schienenverkehr. Verkehr und Technik, 09.19 Teil 1 und 10.19 Teil 2. [14.31] Eickschen, E. / Brandenburg, W. und H. Becker: Erschütterungen in der Umgebung von ÖPNV-Schienenbahnen. STUVA Forschungsberichte 17/ 84 (1984) [14.32] Krüger, F. u. K. Martini: Praxisgerechtes Prognoseverfahren für Schienenverkehrserschütterungen - Erschütterungsprognose. BMBF-Forschung - Förderungskennzeichen 19 U 00 39A. Teilbericht III - Sekundärschallimmissionen in Gebäuden an unterirdisch und oberirdisch geführten Schienenwegen (2005) [14.33] ÖNORM S 9012: Beurteilung der Einwirkung von Schienenverkehrsimmissionen auf Menschen in Gebäuden - Schwingungen und sekundärer Luftschall (August 1996) [14.34] Müller BBM (Privatmitteilung) [14.35] Ziegler et al: Handbuch zum Programm VIBRA 1-3. Ziegler Consultants, SSB (2001) [14.36] Shim, W./ Joo, H./ Joo, S. J./ Lee, S. Y./ Park, H. S. und J. Lee: Noise and Vibration Considering Stability effects for High-Speed rail ChônAn Station in Korea (unveröffentlicht) [14.37] RENVIB-Projekt (Railway Environmental Vibration). UIC TASK D: Analysis of simple prediction model - Validation Report (2003), erstellt von SBB AG, Bern (unveröffentlichter Bericht) [14.38] ISO 14837-1 und Anhang zu ISO/ CDTS 14837-31 [14.39] Billeter, P.: Swiss EMBE Methode (IBU Engineering), (2012) [14.40] Towers, P.E.: Ground-Borne Noise and Vibration - Prediction Approaches. Transportation Research Board 85 th Annual Meeting Washington, DC - January 22, 2006 [14.41] Steinhauser, P.: Berechnung des Sekundärschallpegels nach ONR 199 005 (Vortragsunterlagen) [14.42] Sechste Allgemeine Verwaltungsvorschrift zum Bundes-Immissionsschutzgesetz. (TA Lärm) vom 26. August 1998 [14.43] VDI 3837: 2013-01 Erschütterungen in der Umgebung von oberirdischen Schienenverkehrswegen - Spektrales Prognoseverfahren * Einzelne Berichte aus dem BMFT-Forschungsprogramm „Verminderung des Verkehrslärms in Städten und Gemeinden - Teilprogramm Schienennahverkehr“; Hrsg.: STUVA im Auftrag des BMFT (teilweise vergriffen). Koordinator STUVA e.V., Köln unter Leitung von F. Blennemann 14.5 Literatur zu Kapitel 14 567 <?page no="572"?> 15 Rechtsprechung zum Schienenverkehrslärm, Erschütterungen und Sekundärschall mit Hinweisen zur Planfeststellung Hartmut Heinrich 15.1 Planfeststellung Betriebsanlagen einer Eisenbahn wie z. B. Gleisanlagen einschließlich Lärmschutzwänden dürfen nur gebaut und geändert werden, wenn der Plan vorher behördlich festgestellt, d. h. genehmigt, wurde. Vor dem Bau oder der Änderung einer solchen Anlage muss in einem umfassenden planungsrechtlichen Verfahren unter anderem geklärt werden, • ob das Vorhaben technisch umsetzbar ist, • ob die Planung dem Erfordernis einer Planrechtfertigung genügt und dabei den anerkannten Regeln der Technik, etwaigen zwingenden Rechtsnormen sowie den Anforderungen des Abwägungsgebots entspricht. • Dabei sind insbesondere die von dem Vorhaben berührten öffentlichen und privaten Belange einschließlich der Umweltverträglichkeit im Rahmen der Abwägung zu berücksichtigen. • Insbesondere ist zu klären, ob für das Vorhaben eine Umweltverträglichkeitsprüfung not‐ wendig ist und bejahendenfalls, ob und welche naturschutzrechtlichen Vermeidung-, Min‐ derungs-, Ausgleichs-und Ersatzmaßnahmen erforderlich werden. Das Planfeststellungsverfahren als ein umfassendes Genehmigungsverfahren für große Infra‐ strukturmaßnahmen, wie z. B. dem Bau oder der Änderung von Eisenbahnstrecken, wird durch einen Antrag des Vorhabenträgers - z. B. einer Bahngesellschaft - bei der Planfeststellungsbe‐ hörde eingeleitet. Beim Bau oder der Änderung von Schienenwegen umfassen die Genehmigungsunterlagen häufig mehrere Dutzend Anlagen, z. B. • den Erläuterungsbericht, • die Umweltverträglichkeitsstudie, • den landschaftspflegerischen Begleitplan, • eine FFH-Verträglichkeitsprüfung, • Gutachten für Schall- und Erschütterungsschutz, • Darstellung von Flächenbedarf und Grunderwerb sowie • Darstellung der Ingenieurbauwerke (z. B. Brücken, Tunnel, Durchlässe, Lärmschutzwände sowie die neuen Stationen und Bahnhöfe). Bei einer Eisenbahn des Bundes ist die hierfür zuständige Planfeststellungsbehörde das Eisen‐ bahn-Bundesamt (EBA). Dieses prüft die Planunterlagen auf Vollständigkeit, Plausibilität und Anstoßwirkung für das nachfolgende Anhörungsverfahren. Weiterhin stellt die Behörde fest, ob eine Umweltverträglichkeitsprüfung durchzuführen ist. Anschließend führt das Eisenbahn-Bundesamt das Anhörungsverfahren durch. Dazu werden in den Gemeinden, in denen sich das Vorhaben voraussichtlich auswirkt, die Plan‐ unterlagen einen Monat lang zu jedermanns Einsicht ausgelegt. Bis zu zwei Wochen nach Ende der <?page no="573"?> Auslegung können Betroffene, ebenso Umwelt- und Naturschutzvereinigungen, Einwendungen gegen den Plan erheben. Die sogenannten Träger öffentlicher Belange - insbesondere Behörden - können regelmäßig im selben Zeitraum Stellungnahmen aus ihrem jeweiligen speziellen Blickwinkel abgeben. Soweit Stellungnahmen und Einwendungen vorgebracht werden, äußert sich der Vorhaben‐ träger hierzu. Im Regelfall schließt sich hieran ein nicht-öffentlicher Erörterungstermin mit den Betroffenen, den Trägern öffentlicher Belange sowie den Umwelt- und Naturschutzvereinigungen und dem Vorhabenträger, an. Dieser Erörterungstermin bezweckt die Besprechung der Einwen‐ dungen und Stellungnahmen mit den Beteiligten, um diese über die geplanten Maßnahmen näher zu unterrichten, aber auch, um nach Möglichkeit eine Einigung über geäußerte Bedenken und Anregungen herbeizuführen. Nach Abschluss des Erörterungstermins steht fest, welche Einwendungen aufrechterhalten geblieben sind. Danach entscheidet die Planfeststellungsbehörde über das beantragte Planrecht. Sind dessen Voraussetzungen gegeben, wird der Planfeststellungsbeschluss erlassen. Dieser wird im Regelfall umfangreich begründet, insbesondere sind bei der Prüfung von Varianten oder Alternativen des Vorhabens die Gründe für die Auswahl darzustellen. Entscheidend ist, dass die Planfeststellungsbehörde die für das Projekt sprechenden Interessen einerseits und die von ihm berührten öffentlichen und privaten Belange einschließlich der Belange der Umwelt andererseits gegeneinander und untereinander abwägt. Wesentlich ist, dass das Abwägungsgebot eine umfassende und gerechte Abwägung erfordert, alle betroffenen Belange erkannt und gerecht untereinander und gegeneinander ausgeglichen werden. Gleichzeitig entscheidet die Planfeststellungsbehörde über die Stellungnahmen der Behörden, der Umwelt- und Naturschutzvereinigungen und die fristgerecht erhobenen Einwendungen und Forderungen der Beteiligten, soweit keine Einigung erzielt wurde. Soweit erforderlich, erlässt die Planfeststellungsbehörde Schutzauflagen zum Wohl der Allge‐ meinheit oder zur Vermeidung nachteiliger Wirkungen anderer, z. B. für Lärm- und Erschütte‐ rungsschutz. Der Planfeststellungsbeschluss regelt rechtsgestaltend die öffentlich-rechtlichen Beziehungen zwischen dem Vorhabenträger und denjenigen, die von dem Plan betroffen sind. Durch den Beschluss wird dem Vorhabenträger Baurecht im beantragten Planungsabschnitt erteilt. Zulässiger Rechtsbehelf gegen einen Planfeststellungsbeschluss ist die verwaltungsgerichtliche Klage. Für Klagen gegen Planfeststellungsbeschlüsse, die den Bau von Schienenwegen zum Gegen‐ stand haben, ist in der ersten Instanz das jeweilige Oberverwaltungsgericht/ der Verwaltungsge‐ richtshof - bei besonders bedeutsamen Vorhaben auch das Bundesverwaltungsgericht (BVerwG) - zuständig. Die Klage ist innerhalb einer Frist von einem Monat nach Bekanntgabe des Planfeststellungsbe‐ schlusses zu erheben und innerhalb einer Frist von zehn Wochen ab Klageerhebung zu begründen. Soweit Fragen des Schienenverkehrslärms und von Erschütterungen benachbarter Bahnstre‐ cken inmitten stehen, werden nachfolgend in einem Überblick die einschlägigen Rechtsvor‐ schriften vorgestellt und anhand ausgewählter Entscheidungen des Bundesverwaltungsgerichts beispielhaft illustriert. 15.1 Planfeststellung 569 <?page no="574"?> 15.2 Einleitung zum Schienenverkehrslärm Die §§ 41-43 BImSchG sind als lex specialis gegenüber § 74 Abs. 2 Sätze 2, 3 VwVfG als Rechtsquellen für den Verkehrslärm an Straßen und Schienen maßgeblich. Sie regeln nur den Lärmschutz als Vorsorge. In § 41 Abs. 1 BImSchG ist beim Bau oder der wesentlichen Änderung öffentlicher Straßen sowie von Eisenbahnen, Magnetschwebebahnen und Straßenbahnen sicherzustellen, dass durch diese keine schädlichen Umwelteinwirkungen durch Verkehrsgeräusche hervorgerufen werden, die nach dem Stand der Technik vermeidbar sind. Das BImSchG sieht demnach keine allgemeine Verpflichtung der Baulastträger zur Lärmsanierung vor, begründet vielmehr Lärmschutzansprü‐ che nur aus Anlass baulicher Maßnahmen. § 41 BImSchG kann man schlagwortartig mit 5 Fragen so skizzieren: • Die 1. Frage lautet: Haben wir es mit dem Bau oder einer wesentlichen Änderung von Eisenbahnen zu tun? • Die 2. Frage lautet: Was versteht man unter der gesetzlichen Formulierung: Unbeschadet § 50 BImSchG? (Trennungsgrundsatz)? • Die 3. Frage lautet: Was versteht man unter der gesetzlichen Formulierung: Keine schädlichen Umweltein‐ wirkungen durch Verkehrsgeräusche? • Die 4. Frage lautet: Was versteht man unter der gesetzlichen Formulierung: Vermeidbarkeit nach dem Stand der Technik, es sein denn …? • Die 5. Frage lautet insofern: Stehen die Kosten außer Verhältnis zum angestrebten Schutzzweck? Für vorstehendes „Fragen-Quintett“ zu § 41 BImSchG lässt sich folgende Checkliste aufstellen: • Bau oder wesentliche Änderung eines Schienenweges? • Trennungsgrundsatz beachtlich und umsetzbar? • Schädliche Umwelteinwirkungen durch Schienenverkehr zu erwarten? • Vermeidbar nach dem Stand der Technik? • Kosten außer Verhältnis zum Schutzzweck? • Praxistipp: Die §§ 41-43 BImSchG regeln nur den vorsorgenden Lärmschutz, nicht aber eine Lärmsanie‐ rung bei Bestandsstrecken. Diese wird als freiwillige Leistung des Bundes bzw. des Vorha‐ benträgers für den Schienenverkehr betrachtet. Die Lärmsanierung wird demnach nicht bei Neu- oder Ausbauvorhaben nach der Intention des Bundesgesetzgebers abgearbeitet. Lärmschutz ist also für die Aufgabenstellung der Lärmvorsorge nach dem BImSchG zu betrachten. Dieses sieht Lärmschutzmaßnahmen in einem 3-stufigen Konzept vor: • Stufe 1: Planerischer Schutz durch entsprechende Trassierung unter Berücksichtigung des anzu‐ wendenden Trennungsgrundsatzes des § 50 BImSchG. Dies bedeutet, dass potenzielle Nut‐ zungskonflikte möglichst durch Trennung unverträglicher Nutzungen durch eine geeignete Trassenwahl so weit wie möglich vermieden werden sollen. 570 15 Rechtsprechung zum Schienenverkehrslärm, Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="575"?> Demnach sind störungsanfällige Nutzungen von schutzbedürftigen Gebieten möglichst abzurücken. Allerdings sind auch störungsempfindliche Nutzungen nicht in ein bereits vorbelastetes Gebiet hineinzuplanen. Im Ergebnis setzt das Trennungsgebot schon unterhalb der in § 41 genannten Lärmschwelle an mit dem Ziel, konfligierende Nutzungen mit größtmöglichem Abstand zu planen. Nach der Rechtsprechung sollen ausschließlich oder überwiegend dem Wohnen dienende oder sonstige schutzbedürftige Gebiete möglichst weiträumig umfahren werden. Diese Abwä‐ gungsdirektive ist allerdings keine strikte Vorgabe. Sie ist vielmehr bei der fachplanerischen Abwägung zu berücksichtigen. Dies bedeutet, dass § 50 BImSchG Lärmschutzbelange nicht über andere öffentliche Belange wie z. B. Naturschutz, die Verkehrssicherheit, die Erhaltung der Landwirtschaft etc. stellt. Wenigstens muss die Trassenwahl nicht davon abhängig gemacht werden, ob Lärmschutzmaßnahmen erforderlich werden, die zu einer Verringerung bestehender Lärmvorbelastungen führen. • Stufe 2: Aktiver Lärmschutz ist für den Vorhabenträger gemäß § 41 Abs. 1 BImSchG geboten. Dieser ist durch technische Gestaltung des Verkehrswegs sicherzustellen. Beispielhaft kön‐ nen folgende Maßnahmen notwendig werden: Lärmschutzwände und Lärmschutzwälle, Einschnitte, Hochlagen, Einhausungen und dergleichen. Im Schienenverkehr fällt hierunter auch das besonders überwachte Gleis (büG) und Schienenstegdämpfer. • Stufe 3: Führt die Verhältnismäßigkeitsprüfung gemäß § 41 Abs. 2 BImSchG zu dem Ergebnis, dass die Kosten aktiver Schallschutzmaßnahmen außer Verhältnis zu dem angestrebten Schutzzweck stehen würden, § 41 Abs. 2 BImSchG, ebenso, wenn aktiver Schallschutz nicht ausreichend ist, ist auf dieser Stufe passiver Lärmschutz vorzusehen. Dieser erfolgt in der Regel durch Kostenerstattung für Lärmschutzfenster, eventuell auch für die notwendige Ertüchtigung der Umfassungsbauteile, Schalldämmlüfter und dergleichen. Dies ist geregelt in § 41 Abs. 2, § 42 BImSchG i.V.m. der VerkehrswegeSchallschutzmaßnahmen-Verordnung, 24. BImSchV. Die vorstehend vorgestellte 3-Stufen-Regelung ist relativ karg und schmucklos. Deshalb hat die Bundesregierung schon 1990 von der gesetzlichen Ermächtigungsgrundlage des § 43 BImSchG Gebrauch gemacht durch eine Verordnung, den Verkehrslärmschutz (16. BImSchV) näher zu regeln. Die aktuelle 16. BImSchV wurde zuletzt grundlegend im Dezember 2014 und dann für Straßen in den §§ 3 und 3a im November 2020 geändert. In der 16. BImSchV sind die Voraussetzungen für Lärmschutzmaßnahmen im Einzelnen geregelt. Auch hier sind wieder 3 Paragrafen maßgeblich: Danach setzt die Verpflichtung zur Einhaltung der Immissionsgrenzwerte an beim Bau oder der wesentlichen Änderung von Schienenwegen. Im Einzelfall stellen sich hier in der Regel schwierige Abgrenzungsfragen, auch deshalb, weil grundsätzlich kein Summenpegel aus mehreren Verkehrswegen zu bilden ist. Wie vorstehend dargelegt, kann auch nach der 16. BImSchV keine bloße Lärmsanierung beansprucht werden. Grund hierfür ist, dass für aktiven, aber auch für passiven Lärmschutz der Bau oder die wesentliche Änderung eines Verkehrsweges vorausgesetzt wird. Mit anderen Worten: Fehlt es am Bau oder einer wesentlichen Änderung, gibt es keinen gesetzlichen Anspruch auf Lärmschutz. Die einzelnen Regelungen der 16. BImSchV lassen sich ebenso schlagwortartig anhand mehre‐ rer Fragen erläutern: Die Frage nach dem Bau ist einfach zu beantworten: 15.2 Einleitung zum Schienenverkehrslärm 571 <?page no="576"?> Bau meint Neubau und kommt in der Praxis nicht mehr so oft vor. Bedeutsam ist, dass das deutsche Schienennetz mit einer Länge von ca. 34.000 km etwa um 1900 schon im Wesentlichen ausgebaut war. So viel kam also in den letzten 120 Jahren gar nicht mehr dazu, sieht man einmal von Neubaustrecken, wie • Hannover-Würzburg und • Mannheim-Stuttgart in den 1980er-Jahren, • Köln-Frankfurt zu Beginn der 2000er-Jahre • Karlsruhe-Basel, seit längerem im Gang mit Fertigstellungs-Terminen in den nächsten zwei Jahrzehnten • Nürnberg-Erfurt-Berlin, zum Teil schon in Betrieb, zum Teil noch in der Realisierungsphase. Demnach stellt sich also die erste Frage der Planung, ob ein Ausbauvorhaben (bei Schienenwegen: ABS) vorliegt. Und da ist man dann bei der Tatbestandsvoraussetzung, nämlich in § 1 Abs. 2 16. BImSchV, ob eine wesentliche Änderung mit der Planung bezweckt wird. Kommt z. B. ein weiteres Gleis oder mehrere Gleise zum bestehenden Schienenweg hinzu, liegt immer eine wesentliche Änderung vor. Folge hiervon ist, dass immer Ansprüche auf Lärmvorsorge zu prüfen sind. Dies gilt auch bei der weiteren und ziemlich komplexen und komplizierten gesetzlichen Regelung, die in Grundzügen hinterfragt, ob ein erheblicher baulicher Eingriff und eine Erhöhung des Beurteilungspegels um mindestens 3 dB(A) oder auf mindestens 70 dB(A)/ 60 dB(A) tags bzw. nachts vorliegt. Gleiches gilt bei einer Erhöhung von - bereits vorhandenen - mindesten 70 dB(A)/ 60 dB(A), tags bzw. nachts. Die zweite Frage lautet: • Werden durch die wesentlichen baulichen Änderungen Verkehrsgeräusche verursacht, die nach Ermittlung von Beurteilungspegeln gesetzlich festgelegte Grenzwerte überschreiten? Eine kursorische Betrachtung sieht so aus: • § 2 Immissionsgrenzwerte: Dessen Abs. 1 verfolgt das Ziel, die Nachbarschaft zum Schienenweg - also die schutzwürdige Bebauung - vor schädlichen Umwelteinwirkungen durch Verkehrsgeräusche bei Bau oder wesentlicher Änderung zu schützen. Die Überschreitung von - unterschiedlichen - Immis‐ sionsgrenzwerten ist abhängig vom Baugebiet in der Nachbarschaft, z. B. gelten für Wohnen Immissionsgrenzwerte von 59 dB(A)/ 49 dB(A) tags bzw. nachts, für Gewerbe von 69 dB(A)/ 59 dB(A) nachts bzw. tags. Für die Lärmbetroffenheit eines Nachbarn ist es nach allgemeiner Ansicht nicht erforderlich, Eigentümer eines benachbarten Grundstücks zu sein. Vielmehr reichen auch schuldrechtliche Beziehungen wie Miete oder Pacht aus. All diese Personen sind grundsätzlich auch klagebefugt, soweit die gesetzlichen Regelungen nicht ausdrücklich nur den Eigentümer als Anspruchsberechtigten bezeichnen, wie z. B. beim Entschädigungsanspruch zum Kostenersatz für passiven Schallschutz. • § 4 Berechnung des Beurteilungspegels für Schienenwege: Dort ist die Berechnung des Beurteilungspegels für Schienenwege in einer Anlage 2 (sog. Schall 03) genannt. Diese komplexe und komplizierte Regelung umfasst bei Schienenwegen 10 Gliederungspunkte und 38 Seiten Text. 572 15 Rechtsprechung zum Schienenverkehrslärm, Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="577"?> Nachfolgend sollen hierzu nur die Gliederungspunkte angeführt werden: • Berechnungsverfahren • Begriffe, Festlegungen z. B. bahntechnische Begriffe (Eisenbahn-/ Personenbahnhöfe, Halte‐ punkte und Haltestellen, Rangierbahnhöfe, Schienenstegdämpfer, Schienenstegabschirmung sowie z. B. A-bewerteter Schalldruckpegel, Beurteilungspegel, Emissionspegel, Immissions‐ ort, Mittelungspegel, Pegelkorrekturen, Schalldruckpegel, Schallemissionen, Schallimmissi‐ onen, Schallleistungspegel) • Modellierung der Schallquellen • Schallemissionen von Eisenbahnen • Schallausbreitung • Berechnung der Schallimmissionen • Beurteilungspegel • Berücksichtigung von abweichender Bahntechnik und von schalltechnischen Innovationen sowie • Zugänglichkeit von technischen Regeln und Normen Die praktische Umsetzung der Berechnung des Beurteilungspegels für Schienenwege unter Berücksichtigung der Schall 03 wird im Planfeststellungsverfahren in der Regel durch besondere schalltechnische Untersuchungen (Lärmgutachten) durchgeführt. Die Erläuterungsberichte für den Verkehrslärm sind im Regelfall einheitlich aufgebaut. Sie umfassen u. a. bei den Angaben zum Auftrag eine Projektbeschreibung - z. B. ABS xy nach z - mit einer Aufgabenstellung wonach der untersuchte Planfeststellungabschnitt die Schallwir‐ kungen des Projekts beurteilt. Bei den Grundlagen der schalltechnischen Untersuchungen werden meist die Besonderheiten des Verkehrslärms und seine rechtlichen Grundlagen, das Berechnungs‐ verfahren sowie die verwendeten Unterlagen beschrieben. Hierzu gehören Lage- und Höhenpläne des Planfeststellungsabschnittes, Luftbilder des Untersuchungsbereiches, Bebauungs- und Flä‐ chennutzungspläne benachbarter Gemeinden und insbesondere Prognose-Zugzahlen. Diese sind ohne Baumaßnahme - „Prognose-Nullfall“ - und mit Baumaßnahme - „Prognose-Planfall“ - darzustellen. Weiter sind im schalltechnischen Erläuterungsbericht neben den örtlichen Gege‐ benheiten die Schallemissionen ebenso wie Schallimmissionen zu beschreiben, um dann aktive bzw. passive Schallschutzmaßnahmen und deren Kosten zu betrachten. Die Planungsempfehlung folgt sodann nach einer Verhältnismäßigkeitsprüfung aktiver Schallschutzmaßnahmen. Ein Praxisbeispiel könnte so zusammengefasst werden: „In der vorliegenden schalltechnischen Untersuchung zum Planfeststellungsabschnitt xy der ABS 123 von xy nach z wurde geprüft, ob durch den Streckenausbau Ansprüche auf Lärmvorsorge gemäß der 16. BImSchV ausgelöst werden. Die Schallimmissionsberechnungen zeigen, dass Anspruch auf Lärmvorsorge an insgesamt xy Wohnein‐ heiten tags und z Wohneinheiten mit schützenwerter Nutzung nachts besteht. Im Zuge einer detaillierten Untersuchung wurde die Verhältnismäßigkeit aktiver Lärmschutzmaßnahmen geprüft und eine Planungsempfehlung zur Lösung der vorhandenen Immissionskonflikte entwickelt. Insgesamt werden Schallschutzwände mit einer Gesamtlänge von xyz m mit Höhen von xy m bis xy m über Schienenoberkante (SO) zur Umsetzung empfohlen. Darüber hinaus wird empfohlen, auf einer Länge von xyz m das besonders überwachte Gleis als Schallschutzmaßnahme vorzusehen. 15.2 Einleitung zum Schienenverkehrslärm 573 <?page no="578"?> An den verbleibenden ca. xyz Betroffenheiten im Tagzeitraum bzw. ca. xyz im Nachtzeitraum an den bezeichneten Gebäuden besteht demnach Anspruch auf passiven Schallschutz sowie bei einem Gebäude Anspruch auf Entschädigung des Außenwohnbereichs dem Grunde nach. Eine detaillierte Aufstellung der fassaden- und geschossgenauen Einzelpunktberechnung befindet sich in der Anlage. In dieser sind die Berechnungsergebnisse für die Gebäude verzeichnet, an denen eine Betroffenheit verbleibt und Anspruch auf passiven Schallschutz dem Grunde nach besteht …“ Eine so aufgestellte schalltechnische Untersuchung ist regelmäßig Informationsgrundlage für die Anwohner an dem auszubauenden Schienenweg, für Einwendungen im Rahmen des Anhörungs‐ verfahrens durch Betroffene und Grundlage für die Besprechung im Erörterungstermin´, sowie Maßstab zum einen für den Abschlussbericht der Anhörungsbehörde (soweit nicht identisch mit der Genehmigungsbehörde) und zum anderen Entscheidungsgrundlage für die Genehmigungs‐ behörde für eventuell aktive und/ oder passive Schallschutzmaßnahmen. In Verwaltungsrechtsstreiten sind diese Unterlagen in der Regel Prüfungsgegenstand zusam‐ men mit der planungsrechtlichen Zulassungsentscheidung der Genehmigungsbehörde, z. B. dem Planfeststellungsbeschluss oder der Plangenehmigung. Deshalb sind bei diesen gutachtlichen Erhebungen und Bewertungen besonders sorgfältige Maßstäbe anzulegen. Zusammengefasst gilt für die gesetzlichen Regelungen des Verkehrslärmschutzes jeweils ein „Paragrafen-Dreiklang“, nämlich 1. auf der Ebene des BImSchG die §§ 41-43. Dort liegt der Schwerpunkt auf dem § 41 mit Abs. 1, der aktiv den Schutz vor Schienenver‐ kehrslärm - Stichwort: „Vollschutz“ - regelt, es sei denn 2. die Kosten für den aktiven Schallschutz stünden außer Verhältnis zum Schutzzweck. In diesem Fall sieht der Gesetzgeber nur den Kostenersatz für passiven Schallschutz vor. 3. Auf der Ebene der Verkehrslärmschutzverordnung - 16. BImSchV • § 1 Anwendungsbereich: Bau oder wesentliche Änderung? • § 2 Immissionsgrenzwerte: Übersteigen berechnete Beurteilungspegel die festgelegten gebietsabhängigen Grenzwerte in der Nachbarschaft? • § 4 Berechnung der Beurteilungspegel: Für Schienenwege gilt die Berechnungsvorschrift Schall 03, Anlage 2 zur 16.-BImSchV Dieser doppelte „Paragrafen-Dreiklang“ führt unmittelbar zur Rechtsprechung des Bundes‐ verwaltungsgerichts. Weiterführende Literatur ist im Abschnitt 15.6 [15.1-15.8] angeführt. 574 15 Rechtsprechung zum Schienenverkehrslärm, Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="579"?> 15.3 Exemplarische Verwaltungsrechtsprechung durch ausgewählte Entscheidungen des BVerwG zum Schienenverkehrslärm 15.3.1 Besonders überwachtes Gleis (büG), Verhältnismäßigkeitsprüfung, Verhältnismäßigkeitsschwelle, Sprungkosten Themen: BVerwG, U. v. 15.03.2000 - 11 A 42.97 - [15.9] § 41 BImSchG, Schall 03 1990 Leitsätze: • Es ist nachgewiesen, dass das Verfahren "Besonders überwachtes Gleis" (büG) eine dauerhafte Lärmminderung erzielt, die zusätzlich zu den Korrekturwerten der Tabelle C der Anlage 2 zu § 3 der 16. BImSchV zu berücksichtigen ist. • Ob die Kosten einer Schutzmaßnahme außer Verhältnis zu dem angestrebten Schutzzweck stehen, hängt nicht davon ab, ob der Aufwand für den aktiven Schallschutz im Vergleich zu den Kosteneinsparungen im Bereich des passiven Schallschutzes eine „Verhältnismäßig‐ keitsschwelle von 4: 1“ übersteigt. • Zumindest dann, wenn die an einer Eisenbahnstrecke planfestgestellten Wandhöhen 4 m erreichen, ist die Schlussfolgerung, dass eine weitere Wanderhöhung wegen der auftretenden "Sprungkosten" einen unverhältnismäßigen Aufwand verursachen würde, naheliegend und deswegen rechtlich grundsätzlich nicht zu beanstanden. Sachverhalt: Die Klägerin wendet sich gegen den Planfeststellungsbeschluss des Eisenbahn-Bundesamtes (EBA) - Außenstelle Hamburg -, der für den Abschnitt Vb der Eisenbahnstrecke Hamburg-Berlin u. a. die Elektrifizierung der Fernbahn und die Verlegung getrennter S-Bahngleise gestattet. Sie begehrt weitergehenden Lärmschutz sowie Erschütterungsschutz. Aus den Entscheidungsgründen: Der Senat hält ferner den Nachweis für erbracht, dass das Verfahren büG gemäß der Fußnote zur Tabelle C der Anlage 2 zu § 3 der 16. BImSchV als eine besondere Vorkehrung zu gelten hat, mit der „eine weitergehende dauerhafte Lärmminderung“ erzielt wird, die zusätzlich zu den Korrekturwerten DFb zu berücksichtigen ist. „Unter besonderes überwachten Gleisen …“ wird verstanden, dass diese Gleise in regelmäßigen Abständen (6-12 Monate) auf eventuell Schallpegelzunahme überprüft und ggf. geschliffen werden. Anlass dazu, eine Gleispflege aus akustischen Gründen vorzusehen, war die Erkenntnis, dass sich beim Befahren der Schienen auf ihrer Lauffläche mit der Zeit wellenartige Unebenheiten („Riffeln“) herausbilden, die einen - bei zunehmender Geschwindigkeit proportional ansteigenden - Heulton erzeugen. Dieser erhöht den Fahrgeräuschpegel gegenüber einer glatten Schiene mit eingefahrenem Fahrspiegel um 15 dB(A) und mehr. Der lärmmindernde Effekt des akustischen Schienenschleifens liegt deutlich über 3 dB(A). Ob die Kosten einer Schutzmaßnahme außer Verhältnis zu dem angestrebten Schutzzweck stehen, hängt davon ab, welcher Erfolg dem aktiven Lärmschutz zuzuschreiben ist. Dieser Erfolg ist aber nicht an der Einsparung von Kosten für den passiven Lärmschutz zu messen. 15.3 Exemplarische Verwaltungsrechtsprechung durch Entscheidungen des BVerwG zum Schienenverkehrslärm 575 <?page no="580"?> Mit Rücksicht auf ihre Vorbelastung und den Vergleich dazu durch die planfestgestellte Lärmschutzkonzeption erzielte Lärmsanierung, durfte der Klägerin bei Anwendung des § 41 Abs.2 BImSchG entgegengehalten werden, dass die von ihr geforderte weitere Erhöhung der Lärmschutzwand wegen des Auftretens von sog. Sprungkosten unverhältnismäßig teuer wäre. Der Senat hat bereits in seinem Urteil vom 16.12.1998 darauf hingewiesen, dass beim Bau von 4 bis 5 m hohen Schallschutzwänden Erschwernisse im Bereich vorhandener Verstärkungs- und Rückleitungen der Oberleitungen kostensteigernd wirken. Zusammen mit den Kosten für eine aufwendigere Gründung treiben diese Erschwernisse die Baukosten für Lärmschutzwände, die Höhen von über 4 m erreichen, überproportional in die Höhe. Eine Wanderhöhung von 4 m auf 5 m verursacht etwa 1.000 Euro Mehrkosten pro laufendem Meter. Dem steht - in Abhängigkeit vom Abstand der Gleise zum Immissionsort - ein Lärmminderungseffekt gegenüber, der nur noch bei etwa 2 dB(A) liegt. 15.3.2 Neubau oder Änderung eines Schienenwegs? Themen: BVerwG, U. v. 10.11.2004 - 9 A 67.03 - [15.10] §§ 41-43 BImSchG, §§ 1,2 16.BImSchV Leitsätze: Der Begriff des Schienenweges in § 1 der 16. BImSchV ist nicht funktions-, sondern trassenbezogen zu verstehen. Für die Abgrenzung zwischen dem Bau des neuen und die Änderung eines beste‐ henden Schienenweges kommt es deshalb auf das räumliche Erscheinungsbild im Gelände an. Die Schaffung einer S-Bahn-Strecke in enger Parallellage zu einer vorhandenen Fernbahnstrecke ist hiernach als Änderung eines Schienenwegs zu qualifizieren (im Anschluss an BVerwG, U. v. 03.03.1999 - BVerwG 11 A 9.97 -). Sachverhalt: Das Eisenbahn-Bundesamt hat den Bau eines Abschnitts der S-Bahnstrecke von Lichterfelde Süd nach Teltow Stadt zugelassen. Es ist geplant, die S-Bahn-Linie auf Berliner Gebiet bis zur Landesgrenze parallel zu den Gleisen der Bahnstrecke Berlin-Halle (Anhalter Bahn) zu führen. In diesem Abschnitt verkehrte bereits gegen Kriegsende eine Vorort-Bahn und später bis zum Mauerbau die S-Bahn nach Teltow-Bahnhof. Die Kläger, deren Reihenhausgrundstücke westlich der Bahn liegen, forderten mit ihren Klagen aktiven Schallschutz. Aus den Entscheidungsgründen: … Im Rahmen der Planauslegung brauchten keine zusätzlichen erläuternden Unterlagen über Methodik und Verfahren der lärmtechnischen Untersuchung mit ausgelegt werden. Auszulegen ist der Plan, bestehend aus Zeichnungen und Erläuterungen, die das Vorhaben, seinen Anlass und die von dem Vorhaben betroffenen Grundstücke und Anlagen erkennen lassen. Ihre so umschriebene Anstoßfunktion hat die Planauslegung bezogen auf den Aspekt des Lärmschutzes auch ohne die von den Klägern vermissten Unterlagen erfüllt; Art und Ausmaß ihrer Lärmbetroffenheit konnten die Kläger bereits aufgrund der auslegten schalltechnischen Untersuchung abschätzen. Die Voraussetzungen der Regelung in den §§ 41 ,42 ,43 Abs.1 Nr. 1 BImSchG i. V. m. § 2 Abs.1 Nr. 2 der 16. BImSchV sind nicht erfüllt, denn das planfestgestellte Vorhaben ist weder als Bau eines neuen noch als wesentliche Änderung eines bestehenden Schienenwegs zu qualifizieren. 576 15 Rechtsprechung zum Schienenverkehrslärm, Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="581"?> Ob ein Anspruch auf Schallschutz zur Einhaltung der in der 16. BImSchV für Wohngebiete festgelegten Grenzwerte besteht, ist unterschiedlich zu beurteilen, je nachdem, ob es sich um den Neubau oder die bauliche Änderung eines Schienenwegs handelt. Während der Neubau ohne weiteres entsprechende Schutzansprüche auslöst, trifft dies für bauliche Anlagen nur zu, sofern sie nach Maßgabe der differenzierten Regelung in § 1 Abs. 2 der 16. BImSchV wesentlich sind. Beim Neubau kommt es allein auf die durch das Vorhaben bedingten Lärmimmissionen an, bei der wesentlichen Änderung sind die durch den Betrieb des veränderten Schienenwegs verursachten Lärmimmissionen einschließlich derjenigen, der Bestandsgleise, maßgeblich. Die Abgrenzung zwischen Neubau und baulicher Änderung hat bei dem Begriff des Schienen‐ wegs anzusetzen, der Gegenstand sowohl des Neubaus als auch der baulichen Änderung ist. Hiernach ist auf das räumliche Erscheinungsbild der Gleisanlagen im Gelände abzustellen und danach abzugrenzen, ob die zu betrachtenden Gleise optisch als Einheit auf gemeinsamer Trasse oder als jeweils selbstständige Anlagen mit getrennter Trassenführung in Erscheinung treten. Um den Bau eines neuen Schienenwegs handelt es sich mithin, soweit eine bestehende Trasse auf einer längeren Strecke verlassen wird; von der Änderung eines bestehenden Schienenwegs ist dagegen auszugehen, wenn die Gleise parallel zu bereits vorhandenen Eisenbahngleisen ohne deutlich trennende Merkmale - z. B. größere Abstandsflächen, trennende Gehölze, Wasserflächen - geführt werden. Das räumliche Erscheinungsbild ist auch dann maßgeblich, wenn verschiedene Eisenbahnstrecken mit je unterschiedlicher Funktion nebeneinander verlaufen, wie es insbeson‐ dere für eine Parallelführung von S- und Fernbahnen zutrifft. Nur die trassenbezogene Sichtweise wird dem immissionsschutzrechtlichem Regelungsziel des § 1 der 16. BImSchV gerecht. Für den planungsbetroffenen Anlieger treten in enger Parallellage verlaufende Gleisanlagen der Eisenbahn als einheitliche Störquelle in Erscheinung. Welche Verkehrsfunktion die einzelnen den Schienenlärm verursachenden Strecken wahrnehmen, ob sie miteinander durch Weichen verknüpft sind oder sonst über gemeinsame Einrichtungen verfügen, ist dem gegenüber für die Lärmbelastung ohne wesentliche Bedeutung. Eine das äußere Erscheinungsbild der Gleisanlagen vernachlässigende Abgrenzung von Neubau und baulicher Änderung würde sich deshalb dem Vorwurf aussetzen, die Störquellen künstlich aufzuspalten, zumal die Verkehrslärmschutzverordnung insoweit für die Ermittlung der Beurteilungspegel ein einheitliches Berechnungsverfahren bereithält und verantwortlicher Träger des Streckennetzes der Eisenbahnen in der Regel ein und dieselbe Rechtsperson ist. Ist demnach für die Abgrenzung von Neubau und baulicher Änderung das räumliche Erschei‐ nungsbild zu würdigen, so bedeutet dies, dass sich für verschiedene Teilabschnitte einer Strecke eine unterschiedliche Einordnung als Neubau oder bauliche Änderung ergeben kann. Maßgebend ist eine natürliche Betrachtungsweise. Ein Neubau ist anzunehmen, soweit eine bestehende Trasse nicht nur punktuell, sondern auf einem längeren Stück verlassen wird. 15.3.3 Methodik, Prognosen, Betriebsprogramm, Schall 03 1990 Themen: BVerwG, U. v. 29.06.2017 - 3 A 1.16 - [15.11] §74 Abs.3 VwVfG, §§ 41 Abs.1, Abs.2, 43 Abs.1, § 50 BImSchG, 16. BImSchV 1990 und 16. BImSchV 2014 Leitsätze: • Ein Entscheidungsvorbehalt nach § 74 Abs.3 VwVfG erledigt sich erst mit der Bestandskraft einer ihn ausfüllenden Regelung in einem nachfolgenden Planfeststellungsbeschluss. 15.3 Exemplarische Verwaltungsrechtsprechung durch Entscheidungen des BVerwG zum Schienenverkehrslärm 577 <?page no="582"?> • Gegen die Anwendung der Schall 03 1990 auf Altfälle (§ 4 Abs. 3 Satz 1 der 16. BImSchV 2014) bestehen keine durchgreifenden Bedenken. • Bei der Auswahl zwischen Planungsvarianten (hier: oberirdische Streckenführung oder Tunnel) dürfen Kostengesichtspunkte den Ausschlag geben. Ob dies konkret der Fall ist, hängt von der objektiven Gewichtigkeit der weiteren vom Vorhaben nachteilig betroffenen Belange ab. Sachverhalt: Gegenstand des Vorhabens ist der Ausbau der Dresdner Bahn, d. h. des Abschnitts der Strecke Berlin-Dresden zwischen der Abzweigung der Anhalter Bahn südlich des Bahnhofs Berlin-Süd‐ kreuz und dem S- und Regionalbahnhof Plankenfelde am Berliner Außenring. Die Dresdner Bahn soll eine zweigleisige Fernbahnstrecke und Teil des transeuropäischen Hochgeschwindigkeitsei‐ senbahnsystems werden. Auch der Flughafen-Express zwischen dem Berliner Hauptbahnhof und dem Flughafen Berlin Brandenburg soll auf dieser Strecke verkehren. Das Gesamtvorhaben ist in 3 Abschnitte gegliedert. Der planfestgestellte mittlere, etwa 2,5 km lange Abschnitt 2 führt durch den dichtbesiedelten Ortsteil Lichtenrade des Berliner Bezirks Tempelhof-Schöneberg. Gegenwärtig ist die Strecke dort bis zum S-Bahnhof Lichtenrade zweigleisig, südlich davon eingleisig. Es verkehren ausschließlich S-Bahnen. Der Planfeststellungsbeschluss erlaubt den Bau von 2 zusätzlichen elektrifizierten Gleisen für den Fern-, Regional- und Güterverkehr. Im gesamten Abschnitt sind auf der West- und auf der Ostseite der Trasse sowie mittig zwischen Fern- und S-Bahn-Gleisen Lärmschutzwände mit Höhen von 2 m bis 5 m über Schienenoberkante vorgesehen. Überlegungen, die Fern- und möglicherweise auch die S-Bahn-Gleise im Bereich von Lichtenrade insgesamt oder in einem Teilabschnitt in Troglage oder einen Tunnel zu legen, sind in dem 18 Jahre dauernden Planungsprozess wiederholt geprüft, letztlich aber verworfen worden. Ein anerkannter Umweltverband und Eigentümer von trassennahen Wohnhäusern haben die Aufhebung des Planfeststellungsbeschlusses beantragt, hilfsweise die ergänzende Festsetzung von Schutzmaßnahmen, insbesondere gegen Lärm und Erschütterungen. Aus den Entscheidungsgründen: Die schalltechnische Untersuchung der durch den Betrieb ausgelösten Geräuschbelastung ist auch bei der Anwendung der Berechnungsvorgaben der Schall 03 1990 auf den streitigen Planfeststellungsabschnitt keinen durchgreifenden Bedenken ausgesetzt. Die schalltechnische Untersuchung leidet nicht an Mängeln, die ihre Verwertbarkeit oder Aussagekraft von vorneherein beseitigen. Den Berechnungen liegt ein nicht zu beanstandendes Betriebsprogramm zugrunde. Dass mit der Planung, namentlich auch der Verkehrsprognose, der Prognosehorizont 2025 zugrunde liegt, ist nicht zu beanstanden. Für die Prognose der Verkehrsentwicklung gibt der Gesetzgeber keinen festen Zeitrahmen vor. Der hier gewählte Zeitrahmen von 10 Jahren nach Planfeststellung bewegt sich im Rahmen des für Verkehrsprognosen Üblichen. Das Gericht hat insoweit beim Betriebsprogramm nur zu prüfen, ob die Prognose mit den zu jener Zeit verfügbaren Erkenntnismitteln unter Beachtung der für sie erheblichen Umstände sachgerecht erarbeitet worden ist. Zu beanstanden ist eine Prognose demnach nicht, wenn sie nach einer geeigneten Methode durchgeführt wurde, der ihr zugrundeliegende Sachverhalt zutreffend ermittelt und das Ergebnis einleuchtend begründet ist. Die Prognose beschreibt ein tragfähiges, voraussichtlich dauerhaftes Verkehrsszenario. 578 15 Rechtsprechung zum Schienenverkehrslärm, Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="583"?> Der Gutachter und die Planfeststellungsbehörde haben - übereinstimmend mit den Vorgaben der Rechtsprechung - nicht die Vollauslastung der Strecke zugrunde gelegt, sondern deren vor‐ aussehbare Durchschnittbelastung, wie sie auf der Grundlage eines realistischen Betriebsablaufs zu erwarten ist. Die dabei getroffenen Annahmen der Beigeladen im Erläuterungsbericht sind methodengerecht erarbeitet worden. Ihnen liegen die Netzverknüpfungen, Destinationen und Betriebsrichtungen zugrunde, die sich in Folge des Ausbaus der Dresdner Bahn ergeben werden. Das Zugmengengerüst folgt aus dem Bundesverkehrswegeplan 2003 mit dem Prognosejahr 2015; es wurde im Jahr 2010 auf der Basis der Verkehrsprognose 2025 überprüft und mit den Bestellungen der Länder Berlin und Brandenburg abgeglichen. Aus der Kombination der prognostizierten Zugzahlen mit den Geschwindigkeiten und Zug‐ längen sind die Taktungen errechnet worden, die letztlich das Verkehrsaufkommen auf dem Streckenabschnitt ausmachen werden. Durchgreifende Einwände gegen diese Berechnung sind von den Klägern weder vorgetragen worden noch ersichtlich. Dass die Prognose 2015 von geringfügig höheren Zugzahlen ausging, weckt keine Bedenken. Es zeigt im Gegenteil die relative Stabilität des Verkehrsaufkommens über die Zeit. Dass sich in einem deutlich späteren Prognosezeitpunkt gewisse Verschiebungen ergeben, liegt in der Natur der Sache. 15.3.4 Betrachtung der Kosten je Schutzfall, Schutzabschnitte, Betriebsprogramm Themen: BVerwG, U. v. 08.09.2016 - 3 A 5.15 - [15.12] §§ 18,18c, 18d, 18e AEG n.F., § 18 Abs.6 S.2 AEG a.F. § 41 BImSchG, § 1 Abs.1, Anlage 2 zu § 3 16. BImSchV a.F., § 74 Abs.2, 3, § 75 Abs.2 VwVfG Leitsatz: Ab welcher Höhe einer Lärmschutzwand die Kosten ihrer Errichtung außer Verhältnis zu dem angestrebten Schutzzweck stehen würden (§ 41 Abs. 2 BIm-SchG), kann im Regelfall auf der Grundlage der sog. Bruttokosten beurteilt werden, d. h. ohne die Kosten des stattdessen zu leistenden passiven Schallschutzes und der Außenwohnbereichsentschädigungen in Abzug zu bringen. Sachverhalt: Gegenstand der Klagen ist der Ausbau der Eisenbahnstrecke Bahnhof N. bis Bahnhof K. Die Strecke ist Teil des Vorhabens "Ausbau und Elektrifizierung K.-H.-Grenze Deutschland/ Polen". Diese Vorhaben ist Teil eines Europäischen Eisenbahnkorridors und ein wichtiges Bindeglied für den internationalen Güterverkehr in Ost-West-Richtung. Im Bundesverkehrswegeplan ist es als vordringlicher Bedarf ausgewiesen. Der angefochtene Planfeststellungsbeschluss 2014 erlaubt die Erweiterung der bestehenden Eisenbahnstrecke um ein zweites Gleis und ihre Elektrifizierung. Auf ihr sollen bis zum 2025 täglich etwa 170 Personen- und Güterzüge verkehren können. Die Kläger sind Eigentümer von trassennahen Wohnhäusern entlang des planfestgestellten Teilstücks. Sie befürchten, schon in der Bauphase, erst recht aber in der Betriebsphase, nicht genügend vor Lärm, Erschütterungen und anderen Immissionen geschützt zu werden. Aus den Entscheidungsgründen: Die Kläger können auch keine Erhöhung der planfestgestellten Lärmschutzwände durchsetzen. Die Beklagte hat im Planfeststellungsbeschluss ohne Rechtsfehler angenommen, dass die Lärm‐ 15.3 Exemplarische Verwaltungsrechtsprechung durch Entscheidungen des BVerwG zum Schienenverkehrslärm 579 <?page no="584"?> schutzwände mit der planfestgestellten Höhe den mit verhältnismäßigem Aufwand zu leistenden Schutz gewähren. Darf die Planfeststellungsbehörde davon ausgehen, dass ein Vollschutz unverhältnismäßig ist, sind - ausgehend von dem grundsätzlich zu erzielenden vollen Schutzniveau - schrittweise Abschläge vorzunehmen, um so die mit gerade noch verhältnismäßigem Aufwand zu leistende maximale Verringerung der Geräuschbelastung zu ermitteln. Insbesondere sind bei der Kos‐ ten-Nutzen-Analyse Differenzierungen nach der Zahl der Lärmbetroffenen zulässig (Betrachtung der Kosten je Schutzfall). Dabei ist es aber wiederum sachgerecht und aus Gründen der Gleichbe‐ handlung geboten, Schutzabschnitte zu bilden, in denen gleichartige Verhältnisse vorherrschen. Bei welcher Relation zwischen Kosten und Nutzen die Unverhältnismäßigkeit des Aufwandes für aktiven Lärmschutz anzunehmen ist, bestimmt sich nach den Umständen des Einzelfalls. Varianten aktiven Schallschutzes, bei denen weit höhere Kosten mit einer nur geringfügig besseren Schutzwirkung einhergehen (sog. Sprungkosten), können als unverhältnismäßig i. S. d. § 41 Abs. 2 BImSchG ausgeschieden werden. Diese Betrachtung ist hier auf der Grundlage der Variantenuntersuchung („Abwägung aktiv/ passiv“) in der Ergänzenden Schalltechnischen Untersuchung vom 10. Februar 2012 angestellt worden. Es ist nicht zu beanstanden, dass bei der Kosten-Nutzen-Analyse auf der Kostenseite nicht die Nettokosten des aktiven Schallschutzes, sondern die Bruttokosten (nur) für die Errichtung der Lärmschutzwände eingestellt worden sind. Zwar spiegeln die Nettokosten (Gesamtkosten für aktiven Schallschutz - Errichtungs- und Unterhaltungskosten der Wände - abzüglich der Kosten für den ersatzweise zu leistenden passiven Schallschutz einschließlich etwaiger Außen‐ bereichsentschädigungen) denjenigen finanziellen Aufwand wider, der spezifisch - also über die ansonsten ohnehin anfallenden Kosten hinaus - durch die Gewährung aktiven Schallschutzes ver‐ ursacht ist. Der Senat hält es aber für angängig, der grundsätzlich ausreichenden überschlägigen Kostenabschätzung im Regelfall nur die Bruttokosten für die Errichtung der Lärmschutzwände als Gesamtkosten zugrunde zu legen, wie es der Verwaltungspraxis entspricht. Sind die zu lösenden Schutzfälle im Wesentlichen gleichgelagert und werden die Kosten des passiven Schallschutzes und der Außenwohnbereichsentschädigung deshalb mit einem einheitlichen Pauschalbetrag je Schutzfall angesetzt, können sich die Kostensprünge in der Relation der Gesamtkosten zu den gelösten Schutzfällen nicht maßgeblich ändern, wenn die ersparten Aufwendungen von den Kosten der Errichtung der Schallschutzwand in Abzug gebracht werden. Für das Hinzurechnen eines pauschalen Aufwandes für die Unterhaltung einer Lärmschutzwand zu den Kosten ihrer Errichtung gilt Entsprechendes. 15.3.5 Verkehrsprognosen, Bedarfsplan, plangegebene Vorbelastung Themen: BVerwG, U. v. 15.10.2020 - 7 A 9.19 - [15.13] § 4 Abs.3, § 18 Abs.1 S.1, § 18a, § 18g S.2 AEG, §§ 41 ff. BImSchG, Schall 03 1990 Leitsatz: Die einem Schienenwegevorhaben zugrunde gelegte Verkehrsprognose und die Ermittlung einer plangegebenen Vorbelastung gehören regelmäßig zu den entscheidungserheblichen Berichten und Empfehlungen im Sinne von § 9 Abs.1 b Satz 1 Nr. 2 UVPG 2010 (im Anschluss an BVerwG, U. v. 15.02.2018 - 9 C 1.17-, BVerwGE 161, 180 Rn. 30).) 580 15 Rechtsprechung zum Schienenverkehrslärm, Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="585"?> Zum Sachverhalt: Der Planfeststellungsbeschluss des Eisenbahn-Bundesamtes vom 05.07.2019 zum Ausbau der Eisenbahnstrecke Oldenburg-Wilhelmshaven verläuft im betreffenden Abschnitt durch das Stadtgebiet von Oldenburg. Die dort bereits im 19. Jahrhundert errichtete Eisenbahnstrecke wird insbesondere elektrifiziert und mit Lärmschutzwänden versehen. Das Vorhaben dient der verbesserten Schienenanbindung des Jade-Weser-Port in Wilhelmshaven. Die Kläger bemängeln, dass die dem Vorhaben zugrunde gelegte Verkehrsprognose methodische Mängel aufweist. Auch sei das Lärmschutzkonzept und die Maßnahme zum Schutz vor Erschütterungsbelastungen in der Bau- und Betriebsphase sowie das Brand- und Katastrophenschutzkonzept zu beanstanden. Die Abwägung mit planerischen Alternativen zum Ausbau der Bestandstrasse sei fehlerhaft. Aus den Entscheidungsgründen (hier nur Verkehrsprognose und Vorbelastung): Hieran gemessen hätten auch die Verkehrsprognose 2025 und Angaben über die plangegebene Vorbelastung ausgelegt werden müssen. Die einem Vorhaben zugrunde gelegte Verkehrsprognose gehört regelmäßig zu den auszule‐ genden Unterlagen im Sinne von § 73 VwVfG bzw. den entscheidungserheblichen Berichten und Empfehlungen, die von § 9 Abs.1 b Satz 1 Nr. 2 UVPG 2010 erfasst werden. Dies gilt auch für ein Schienenwegevorhaben. Der Senat schließt sich insoweit der auf Straßenbauvorhaben bezogenen Rechtsprechung des 9. Senats des Bundesverwaltungsgerichts an (U. v. 15.02.2018 - 9 C 1.17- BVerwGE 161, 180 Rn. 30). Die dort maßgebliche Erwägung, wonach die Verkehrsprognose die voraussichtliche Verkehrs‐ stärke auf dem Verkehrsweg ermittelt und damit nicht nur Basis für dessen Dimensionierung ist, sondern auch die Daten für die Lärmprognose und das gesamte darauf aufbauende Lärmschutz‐ konzept liefert, gilt im Grundsatz auch für Schienenwege. Einer Auslegung der Verkehrsprognose selbst bedarf es lediglich dann nicht, wenn die Ermittlung der Verkehrszahlen im ausgelegten Erläuterungsbericht hinreichend nachvollziehbar dargestellt ist (vgl. BVerwG a.a.O., Rn. 31). Letzteres ist vorliegend jedoch nicht der Fall. Im Erläuterungsbericht wird zwar die gegenwär‐ tige Streckenbelegung mitgeteilt (44 Personen- und 8 Güterzüge), und in gleicher Weise werden auch Angaben über die für das Jahr 2025 prognostizierten Zugzahlen gemacht (44 Personen- und 77 Güterzüge). Hieraus ließ sich für die Öffentlichkeit erkennen, welches Zugaufkommen die Beigeladene erwartet, und dass dieses nach dem damaligen Erkenntnisstand bei den Güterzügen deutlich über dem Ist-Zustand liegen wird. Es fehlen aber Angaben darüber, auf welcher Grundlage die Prognose erstellt worden ist. Auch die Ermittlung der plangegebenen Vorbelastung (vgl. hierzu BVewG, Urt. v. 21.11.2013 - 7 A 28.12 -, Rn. 45) der von einem (Ausbau-)Vorhaben betroffenen Bestandsstrecke gehört regelmäßig zu den auszulegenden Unterlagen. Ohne Kenntnis der plangegebenen Vorbelastung lässt sich für potenziell Betroffene und anerkannte Vereinigungen nicht verlässlich einschätzen, ob ein geplantes Eisenbahnvorhaben gegenüber der - hinzunehmenden - Vorbelastung der betreffenden Strecke zur Steigerung von Umweltauswirkungen führen kann und in welchem Umfang ihre Belange oder satzungsgemäße Interessen in Folge dessen betroffen werden können. Hierzu bedarf es der Nennung und Erläuterung der ermittelten plangegebenen Vorbelastung in den ausgelegten Unterlagen. Hieran fehlt es. Im Erläuterungsbericht sind - wie dargelegt - die derzeitige und die prognostizierte Strecken‐ belegung wiedergegeben, nicht aber die deutlich über der Ist-Situation liegende plangegebene Vorbelastung von 44 Personen- und 50 Güterzügen. 15.3 Exemplarische Verwaltungsrechtsprechung durch Entscheidungen des BVerwG zum Schienenverkehrslärm 581 <?page no="586"?> Die unterbliebene Auslegung der Verkehrsprognose 2025 und der Vorbelastung stellt keinen absoluten, sondern lediglich einen relativen Fehler i. S. v. § 4 Abs.1 a UmwRG i.V.m. § 46 VwVfG dar. Die von der Planfeststellungsbehörde der Alternativenprüfung und der übrigen Abwägungs‐ entscheidung zugrunde gelegte Verkehrsprognose 2030 ist nicht zu beanstanden. Nach ständiger Rechtsprechung unterliegen Verkehrsprognosen nur eingeschränkter gericht‐ licher Kontrolle. Eine Prognose ist dann nicht zu beanstanden, wenn sie nach einer geeigneten Methode durchgeführt wurde, der ihr zugrundeliegende Sachverhalt zutreffend ermittelt und das Ergebnis einleuchtend begründet ist (st.Rspr. vgl. nur BVerwG, B. v. 17.12.2012 - 4 B 53.17 - Rn. 36 m.w.N.). Diesen Maßgaben wird die hier zugrunde gelegte Verkehrsprognose 2030, die im Rahmen der Arbeiten zur Bundesverkehrswegeplanung im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur erstellt wurde, gerecht. Der gewählte Prognosehorizont 2030 ist in methodischer Sicht nicht zu bemängeln. Für die Prognose der Verkehrsentwickung gibt der Gesetzgeber keinen festen Zeitrahmen vor. Als prognosehorizontüblich und nicht zu beanstanden ist ein Zeitraum von (mindestens) 10 Jahren ab der Planfeststellung, der hinsichtlich der Verkehrsprognose 2030 gewahrt ist. Auf den Zeitpunkt der Inbetriebnahme ist - entgegen der Auffassung der Kläger - nicht abzustellen (vgl. BVerwG, U. v. 29.07.2017 - 3 A 1.16 - Rn. 87 m.w.N.). Die lediglich noch hinsichtlich der Bewältigung des Schienenverkehrslärms zugrunde zu legende Verkehrsprognose 2025, die von einer deutlich stärkeren Verkehrssteigerung ausgegangen ist, unterschreitet den üblichen Prognosehorizont. Aus der weiteren Heranziehung dieser Prognose ist lediglich als Grundlage des planfestgestellten Schallschutzkonzepts entsprechend der gesetzlichen Vorgabe des § 18 g Satz 2 AEG ergeben sich jedoch keine belastenden Auswirkungen. Die Heranziehung führt vielmehr zu einem höheren Niveau des Schallschutzes, als dies bei einer Zugrundelegung der niedrigeren Verkehrsprognose 2030 der Fall sein würde. Der der Verkehrsprognose 2030 zugrundeliegende Sachverhalt wurde zutreffend und ohne methodische Mängel ermittelt. Dies gilt insbesondere hinsichtlich der für die Entwicklung des Schienengüterverkehrs vom und zum Seehafen Wilhelmshaven maßgeblichen Seeverkehrsprog‐ nose und die für den Güterumschlag in Wilhelmshaven getroffenen Annahmen. Auf den Einwand der Kläger verstärkte politische Bemühungen um den Klimaschutz, ließen eine Zunahme des Bahnverkehrs erwarten, hat der Gutachter der Beigeladenen nachvollziehbar erläutert, dass es nicht der methodisch korrekten Herangehensweise bei der Erstellung einer Verkehrsprognose entspricht, programmatische politische Zielsetzungen zu berücksichtigen. Hinsichtlich des im Prognosefall 2030 zu erwartenden Personenzugverkehrs hat die Beige‐ ladene im gerichtlichen Verfahren mitgeteilt, dass sich aus der im Laufe des Jahres 2018 fortgeschriebenen Zugzahlengrundlage für den Schienenpersonennahverkehr ergibt, dass (seit dem 01.11.2018) statt 48 täglichen Personenzügen nach der Verkehrsprognose 2030 nunmehr 56 Personenzüge angenommen werden. Diese von der Verkehrsprognose 2030 abweichende Annahme fußt auf der zuletzt entsprechend erhöhten Bestellung des Landes Niedersachsen für den Schienenpersonennahverkehr. Es kann offenbleiben, ob die Planfeststellungsbehörde verpflichtet gewesen wäre, auch diese in der Verkehrsprognose 2030 noch nicht abgebildete Zugzahlengrundlage für den Schienenpersonennahverkehr zu berücksichtigen. Nach der Rechtsprechung des Bundesverwaltungsgerichts besteht keine laufende Anpassungs‐ pflicht der Planfeststellungsbehörde an neuen Prognosen. Dies gilt jedenfalls so lange, wie die der Planfeststellung zugrunde gelegte Datenbasis nicht offensichtlich durch neuere Erkenntnisse überholt ist. Ein Vorhabenträger und die Planfeststel‐ lungsbehörde sind nicht verpflichtet, selbst laufend die Datenbasis "unter Kontrolle zu halten". 582 15 Rechtsprechung zum Schienenverkehrslärm, Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="587"?> Ob die Datenbasis der Verkehrsprognose 2030 hinsichtlich des Personenzugverkehrs vorliegend offensichtlich durch neuere Erkenntnisse überholt gewesen ist und insoweit ausnahmsweise eine Anpassungspflicht bestanden hätte, bedarf jedoch keiner Entscheidung. Wie im jeweiligen Sachzusammenhang dargelegt wird, wirkt sich die Zugrundelegung der höheren Personenzugzahl nicht auf das Ergebnis der Planfeststellung aus. Für eine von den Klägern behauptete (noch) weit höhere Personenzugzahl im Prognosefall 2030 fehlt es an tatsächlichen Anhaltspunkten. Insbesondere kann insoweit nicht der Zielfahrplan "Deutschlandtakt" des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur zugrunde gelegt werden. Der angestrebte "Deutschlandtakt" setzt auf den Infrastrukturmaßnahmen des Bundesverkehrsplans 2030 auf, stellt jedoch keine Prognose, sondern lediglich eine „konkrete Angebotsvision“ dar, deren Umsetzung von zahlreichen Faktoren abhängt. Der „Deutschlandtakt“ bildet nur ein Grundgerüst für den wirtschaftlichen Ausbau sowie eine optimale Nutzung der Schieneninfrastruktur; der Zielfahrplan beinhaltet hierbei nur Mus‐ tertrassen. Auch trifft der „Deutschlandtakt“ keine Festlegungen zur Finanzierung der zu seiner Umsetzung erforderlichen Infrastruktur und legt kein rechtlich verbindliches Bedienangebot fest. 15.3.6 Grundrechte: Recht auf körperliche Unversehrtheit, Eigentumsgarantie, Inhalts- und Schrankenbestimmungen durch Gesetz Themen: BVerwG, U. v. 09.07.2008 - 9 A 5.07 [15.14] Art. 2 Abs. 2 GG, Art. 14, Abs. 1 GG Leitsatz: Lärmschutzbelange der Nachbarschaft eines Schienenwegs sind grundsätzlich nur dann in die planerische Abwägung miteinzubeziehen, wenn die Lärmbelastung durch das Planvorhaben ansteigt. Das gilt selbst dann, wenn die für den Planfall prognostizierten Belastungswerte oberhalb der grundrechtlichen Zumutbarkeitsschwelle liegen (im Anschluss an BVerwGE 110, 81, 86 ff.). Sachverhalt: Das Planvorhaben - Umbau des Bahnhofs Ostkreuz in Berlin-Friedrichshain - sieht grundlegende Umbau- und Modernisierungsarbeiten an den Bahnanlagen vor, die sich über einen Zeitraum von nahezu 10 Jahren erstrecken sollen. Ursprünglich hatten sich zahlreiche unterschiedlich betroffene Kläger gegen den Planfeststellungsbeschluss gewandt und u. a. verbesserten Lärm- und Erschütterungsschutz für ihre mit Wohn- und Geschäftshäusern bebauten Grundstücke in der Nachbarschaft des Bahnkreuzes begehrt. Nach mehreren in der mündlichen Verhandlung von den Beklagten vorgenommenen Planer‐ gänzungen, die den Bedenken der Kläger durch zusätzliche Schutzauflagen teilweise Rechnung tragen, konnten die Streitsachen bis auf eine einvernehmlich beigelegt werden. Das Grundstück der Klägerin liegt unmittelbar südlich der nach Nordosten führenden Strecken einer eingleisigen Fernbahn und zweigleisigen S-Bahn. Das Grundstück ist mit einem 6-geschossigen Wohnhaus bebaut, das mit seinen Seitenflügeln nach Norden hin bis auf 9 m an die Bahn heranreicht. Es ist geplant, im Zuge des Streckenausbaus die Gleise der S-Bahn um je 1 m, das Gleis der Fernbahn um 2 m, vom Grundstück der Klägerin abzurücken. Das hat nach den lärmtechnischen Untersuchungen zur Folge, dass sich die Lärmbelastung am Gebäude der Klägerin im Planfall um 0,2 dB(A) bis 0,3 dB(A) gegenüber den Werten des Prognose-Nullfalls verringern wird. Prognostiziert sind für das Vorderhaus im Bereich des streitbefangenen Abschnittes Tagwerte von 65 dB(A) und Nachtwerte von bis zu 62 dB(A). 15.3 Exemplarische Verwaltungsrechtsprechung durch Entscheidungen des BVerwG zum Schienenverkehrslärm 583 <?page no="588"?> Aus den Entscheidungsgründen: Der Klägerin steht ein Anspruch auf Lärmschutzauflagen nicht aus § 41 Abs.1, § 43 Abs.1 Satz 1 Nr. 1 BImSchG i.V.m. § 2 Abs 1 Nr. 2 der 16. BImSchV zu. Nach dieser Regelung ist bei der wesentlichen Änderung eines Schienenwegs grundsätzlich sicher zu stellen, dass der nach § 3 der 16. BImSchV berechnete Beurteilungspegel auf den in der Nachbarschaft gelegenen Grundstücken bestimmte Immissionsgrenzwerte nicht überschreitet. Das planfestgestellte Vorhaben führt indes nicht zu einer wesentlichen Änderung im Sinne des § 1 Abs. 2 der 16. BImSchV und des durch diese Vorschriften rechtlich nicht zu beanstandender Weise konkretisierten § 41 Abs.1 BImSchG. Der dem Grundstück der Klägerin benachbarte Schienenweg soll weder um ein durchgehendes Gleis erweitert werden (§1 Abs.2 Satz 1 Nr. 1 der 16. BImSchV) noch ist mit der geplanten baulichen Veränderung eine nach § 1 Abs.2 Satz 1 Nr. 2 oder Satz 2 der 16. BImSchV vorausgesetzte Steigerung des Schienenlärms verbunden. Den Grundsatz, nur bei Lärmsteigerungen gegenüber der Vorbelastung müsse die Lärmprob‐ lematik im Rahmen der Abwägung aufgegriffen werden, hat der Senat allein für den Fall einge‐ schränkt, dass die Wiederertüchtigung einer teilungsbedingt ganz oder teilweise unterbrochenen Bahnstrecke zu Lärmbeeinträchtigungen führt, die die grundrechtliche Zumutbarkeitsschwelle (Art. 2 Abs.2, Art. 14 Abs.1 GG) überschreiten. In diesem Fall korrespondiert der nach der Wiederertüchtigung zu erwartenden Lärmbelastung - ganz oder teilweise - keine tatsächliche, sondern nur eine plangegebene Vorbelastung, die der Realität bereits seit Jahrzehnten ohne Aussicht auf Änderung nicht entsprochen hat. Die Feststellung, der Lärm nehme nicht zu, ist bei einer solchen Sachlage daher als juristische Fiktion zu qualifizieren. In dieser besonderen Situation, in der es um die Bewältigung der Folgen der deutschen Teilung geht, entspricht es einer angemessenen, die gegenläufigen Interessen der Allgemeinheit an einer schnellen und finanzierbaren Rekonstruktion der unterbrochenen Schienenwege einerseits und der Anwohner an wirksamen Lärmschutz andererseits berücksichtigenden Lastenverteilung, die erwähnte Fiktion auf Lärmbelastung unterhalb der Schwelle der Grundrechtsbeeinträchtigung zu begrenzen. Der Sache nach handelt es sich um einen Billigkeitsausgleich für nachgeholte Erhal‐ tungsmaßnahmen, die sich in ihrem Umfang kaum von einem Neubau oder einer Erweiterung unterscheiden. Die Klägerin kann ihr Begehren schließlich nicht mit Erfolg auf den Gleichbehandlungsgrund‐ satz (Art. 3 Abs. I GG) stützen. Ihr Hinweis auf die im Planfeststellungsbeschluss der Beklagten für das Vorhaben Nordkreuz-Karow getroffene Lärmschutzregelung verkennt Unterschiede zwischen dem Streitfall und dem Vergleichsfall, die eine voneinander abweichende Behandlung rechtferti‐ gen. Während es bei dem nunmehr planfestgestellten unstreitig nicht um die Wiederertüchtigung einer teilungsbedingten stillgelegten Strecke geht, war die Situation im Vergleichsfall dadurch gekennzeichnet, dass eine im Planungsabschnitt vormals durchgängig zweigleisige Strecke in Folge der deutschen Teilung auf Teilstücken durch Abbau eines Gleises teilweise stillgelegt war, kurze andere Streckenteile hingegen weiter zweigleisig betrieben wurden. 15.4 Einleitung zu Erschütterungen und sekundärem Luftschall Erschütterungen sind zwar ausdrücklich als Emissionen und Immissionen im Bundesimmissions‐ schutzgesetz (§ 3 Abs. 2 und Abs. 3 BImSchG) genannt, die schädliche Umweltauswirkungen, d.h. abhängig von Stärke und Wahrnehmbarkeit, Gefahren, erhebliche Nachteile oder Belästi‐ gung für die Allgemeinheit oder die Nachbarschaft hervorrufen können. Allerdings bietet der 584 15 Rechtsprechung zum Schienenverkehrslärm, Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="589"?> Gesetzgeber keine Lösung an, wie die durch den Bahnbetrieb ausgelösten Erschütterungen planerisch zu bewältigen sind. Deshalb müssen Vorhabenträger über jedes Projekt auf der Grundlage des Abwägungsgebots eine Lösung erarbeiten. Vorrangig ist dabei der schon beim Schienenverkehrslärm abgehandelte Trennungsgrundsatz (§ 50 BImSchG) zu beachten, d.h. soweit möglich sind zwischen dem projektierten Schienenweg und einer Bebauung hinreichende Abstände einzuhalten, um schädliche Umweltauswirkungen zu vermeiden. Dies wird häufig nicht möglich sein, beispielsweise bei innerstädtischen Tunnelanlagen. Lassen sich also durch den Trennungsgrundsatz allein Störungen nicht vermeiden, ist für die Planfeststellung eine erschütterungstechnische Untersuchung zu erstellen mit der die Auswirkungen des geplanten Schienenwegs auf die Immissionssituation durch Erschütterungen und Sekundärluftschall zu untersuchen und zu beurteilen sind. Kernpunkt eines Erschütterungsgutachtens ist die Bestimmung einer Zumutbarkeitsschwelle, die es der Planfeststellungsbehörde ermöglicht, Vorkehrungen zum Schutz der Nachbarschaft aufzuerlegen, wenn dies zum Wohl der Allgemeinheit oder zur Vermeidung nachteiliger Wir‐ kungen auf Rechte anderer erforderlich ist. Anzumerken ist, dass zur Beurteilung schädlicher Auswirkungen, die durch Erschütterungen hervorgerufen werden, keine gesetzlichen Regelungen über Grenzwerte oder deren Ermittlung vorhanden sind. Deshalb können Betroffene Schutzvor‐ kehrungen des aktiven oder passiven Erschütterungsschutzes bzw. auf Geldausgleich nur nach den allgemeinen Regelungen des § 74 Abs.2 Satz 2 und 3 VwVfG beanspruchen. Mit dieser generalisierenden gesetzlichen Regelung wird noch keine Aussage getroffen, welche Maßstäbe heranzuziehen sind, ob von dem geplanten Projekt nachteilige Wirkungen auf Dritte ausgehen. Allgemein ist zu sagen, dass - ähnlich wie beim Verkehrslärm - schon erhebliche Belästigungen den Betroffenen nicht zumutbar sind. Um dies festzustellen, ist eine Güterabwägung erforderlich. Dabei ist entscheidend, welches Schutzniveau die Nachbarschaft aufgrund ihrer baurechtlichen Situation billigerweise erwarten darf. Es ist in der Verwaltungspraxis und bei den Verwaltungsgerichten anerkannt, dass die Geneh‐ migungsbehörde bei Beurteilung der Erheblichkeit von Belästigungen durch Erschütterungen bewertend technische Regelwerke heranziehen darf. Dabei entspricht es guter Planungspraxis - die von der Rechtsprechung bestätigt wird -, die DIN 4150 Teil 2 (Erschütterungen im Bauwesen, Einwirkungen auf Menschen in Gebäuden) als Ausdruck technisch-wissenschaftlichen Sachverstands für die Beurteilung heranzuziehen. Die DIN 4150 Teil 2 legt ein Beurteilungsverfahren fest, das für Neubauvorhaben nach Baugebieten differenzierte Anhaltswerte vorgibt. Im Gegensatz zu den Immissionsgrenzwerten der Verkehrs‐ lärmschutzverordnung (16. BImSchV) werden dabei auch Pegelspitzen gesondert berücksichtigt. Neben der DIN 4150 Teil 2 hat die Deutsche Bahn die Richtlinie "Erschütterungen und sekun‐ därer Luftschall" (RiL 820.2050) mit Schreiben vom 06.09.2017 für den Bahnkonzern und damit verbindlich eingeführt, nachdem das Eisenbahn-Bundesamt vorab der Einführung zugestimmt hatte. Nach dieser konzern-internen Richtlinie ist die DIN 4150 Teil 1-3 beim Neubau oder bei der Änderung von Eisenbahninfrastruktur anzuwenden. In dieser Richtlinie werden Grundsätze und Regelungen für die Messung, für die Prognose und für die Beurteilung der Auswirkungen von Erschütterungen und sekundärem Luftschall beim Bau oder Betrieb von Eisenbahninfrastruktur aufgestellt [15.17]. Die DIN 4150 geht davon aus, dass bei Einhaltung der Anhaltswerte im Allgemeinen keine erheblichen Belästigungen zu erwarten sind. Im Gegensatz zu den Immissionsgrenzwerten der 16. BImSchV drückt die DIN 4150 Teil 2 mit dem "Anhaltswert" begrifflich aus, dass nur empfohlene Werte angeführt werden, bei deren 15.4 Einleitung zu Erschütterungen und sekundärem Luftschall 585 <?page no="590"?> Überschreitung es nicht zwingend auch zu erheblichen Belästigungen für Menschen in Gebäuden kommen muss. Im Unterschied zu Neubaustrecken, wird beim Ausbau vorhandener Schienenwege auch eine Überschreitung der Anhaltswerte - einzelfallbezogen - für zumutbar angesehen. Grund hierfür ist, dass die vorhandene bauliche Nachbarschaft durch eine Vorbelastung geprägt ist, für die grundsätzlich auch keine Sanierung beansprucht werden kann. Rechtlich gesehen bestehen in diesen Fällen Duldungspflichten, die aus dem wechselseitigen Rücksichtsnahmegebot abgeleitet werden. Dies bedeutet, dass Erschütterungen, die den Rahmen einer tatsächlichen Vorbelastung nicht überschreiten, nach der Rechtsprechung als nicht erheblich angesehen werden und daher auch als zumutbar gelten. Kritisch ist hingegen, wenn - vorhabenbedingt - die Erschütterungs‐ belastung ansteigt. Dann kann ein Betroffener nach der Rechtsprechung Erschütterungsschutz beanspruchen, wenn und soweit die durch den Ausbau bewirkte Verstärkung der Erschütterungs‐ belastung diese in beachtlicher Weise erhöht und gerade in dieser Erhöhung eine zusätzliche, billigerweise nicht mehr zumutbare Belastung liegt (siehe nachstehend 15.4.1 [15.19] BVerwG, U. v. 21.12.2010, -7 A 14.09,). Ergänzend ist noch anzuführen, dass eine Vorbelastung dann nicht mehr schutzmindernd zu berücksichtigen ist, wenn Erschütterungen schon die Schwelle der Gesundheits- und Eigentums‐ beeinträchtigung überschreiten. Allerdings ist auch nicht aus den technischen Regelwerken die Frage zu beantworten, wann Erschütterungen diesbezüglich Grundrechtsschutz auslösen. Wegen der gesetzlichen Regelungs‐ lücke besteht gegenwärtig eine eigentlich nicht überwindbare fachwissenschaftliche Erkenntnis‐ unsicherheit, die durch die Rechtsprechung im Einzelfall geschlossen wird. Anhaltspunkt für eine Lösung wird in der Praxis darin gesehen, dass Gesundheitsgefahren so lange ausgeschlossen sind, wie die für eine Wohnnutzung in Industriegebieten geltenden Anhaltswerte eingehalten werden. Allerdings kann man umgekehrt nicht darauf schließen, dass bei einer Überschreitung dieser Werte in jedem Fall von einer Gesundheitsgefahr ausgegangen werden kann. Es ist deshalb empfehlenswert, wenn Vorhabenträger in solchen Fällen Erschütterungs‐ schutz-Konzepte von Sachverständigen entwickeln lassen, die den Betroffenen schon bei Annä‐ herung potenzieller Grundbeeinträchtigungen Schutzvorkehrungen anbieten oder - falls diese unverhältnismäßig bzw. untunlich sein sollten - Entschädigungen in Geld zubilligen [15.15]. 15.4.1 Exkurs zu den Regelungen der DIN 4150 [15.16]: In Teil 2 der DIN 4150 „Einwirkungen auf Menschen in Gebäuden“ wird zunächst die Ermitt‐ lung der Beurteilungsgröße „KB-Wert“ beschrieben. Der KB-Wert ist eine frequenzbewertete Schwinggeschwindigkeit, die das menschliche Empfinden möglichst gut wiedergeben soll. Für das Beurteilungssystem der DIN 4150, Teil 2, sind mehrere Größen in den Blick zu nehmen: Der KB Fmax -Wert gibt den maximalen Taktmaximalwert KB FTi während eines Beurteilungszeitraums wieder, wohingegen die Beurteilungs-Schwingstärke KB FTr , die über den Beurteilungszeitraum am Tag (16 h) bzw. in der Nacht (8 h) gebildet wird, eine Rolle spielt. Die Anhaltswerte der DIN 4150, Teil 2, markieren einen unteren Anhaltswert A u , einen oberen Anhaltswert A o und den Beurteilungswert A r , der mit der Beurteilungs-Schwingstärke KB FTr zu vergleichen ist. In der DIN 4150, Teil 2, stellt die Tabelle 1 diese Anhaltswerte dar und unterscheidet nach Gebietscharakteristik der Immissionsorte ähnlich wie bei der Beurteilung von Luftschallimmissionen (dort § 2 Abs.1der 16. BImSchV). 586 15 Rechtsprechung zum Schienenverkehrslärm, Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="591"?> Die Beurteilung nach der DIN 4150, Teil 2, ist relativ streng. So gilt der KB Fmax (0,1), der als unterer Anhaltswert für Wohngebiete gewählt wurde, als „Fühlschwelle“, unterhalb der im Mittel keine körperliche Wahrnehmung von Erschütterungen erfolgt. Dagegen stehen die oberen Anhaltswerte für die Tagzeit für sehr deutliche spürbare Schwingungsereignisse. Das Beurteilungssystem bringt es mit sich, dass solch hohe Werte nahe des oberen Anhaltswertes nur gelegentlich auftreten, weil andernfalls die Beurteilungsschwingstärke den Anhaltswerts A r überschreiten würde. (vgl. i. e. [15.21]). Mit den Anhaltswerten der DIN 4150 Teil 2 steht ein weithin akzeptiertes Beurteilungssystem für Erschütterungen zur Verfügung. Anders verhält es sich beim sekundären Luftschall. Hier gibt es ausschließlich für gewerbliche Anlagen eine Regelung in Punkt 6.2 der TA Lärm für Geräusch‐ übertragungen innerhalb von Gebäuden oder bei Körperschallübertragungen. Diese Bestimmung beschränkt den Pegel (Ls) bei Geräuschübertragungen innerhalb von Gebäuden auf 35 dB(A) tags bzw. 25 dB(A) nachts, wobei einzelne kurzzeitige Geräuschspitzen der Immissionsrichtwerte um nicht mehr als 10 dB(A) übersteigen dürfen. (i. e. [15.16]). 15.4.2 Exkurs zu Schutzmaßnahmen [15.17]: Wie dargestellt, gibt es beim Erschütterungsschutz keine dem Verkehrslärmschutz vergleichbare gesetzliche Regelung (§ 41 BImSchG). Dies bedeutet, dass auch grundsätzlich kein Vorrang aktiver Schutzmaßnahmen gegenüber passiven Maßnahmen besteht. Ohnehin sind passive Schutzmaßnahmen an Gebäuden in der Regel mit keinem vertretbaren Aufwand durchzuführen, so dass betroffene Anwohner (nur) eine Entschädigung beanspruchen können. Nach dem Stand der Technik sind derzeit nur begrenzt Schutzmaßnahmen möglich. Beispielhaft werden hochelastische Schienenbefestigungen, der Einbau besohlter Schwellen, aber auch ein Trogbauwerk mit Unterschottermatte sowie der Einbau eines Masse-Feder-Systems als Stand der Technik angeführt. In der Praxis werden auch Maßnahmen am Ausbreitungsweg - z. B. die Unterbrechung durch einen offenen Bodenschlitz - genannt, ebenso Maßnahmen an Gebäuden bis hin zur vollständig elastischen Lagerung. Allerdings ist die Wirksamkeit solcher Maßnahmen beschränkt nur auf den jeweiligen Immissionsort. Auch sind diese Maßnahmen bislang noch wenig erprobt. 15.5 Exemplarische Verwaltungsrechtsprechung durch ausgewählte Entscheidungen des BVerwG zu Erschütterungen und sekundärem Luftschall 15.5.1 DIN4150, Teil 2, Anhaltswerte, sekundärer Luftschall, 24. BImSchV, „Immissionsrichtwerte“ Themen: BVerwG U. v. 21.12.2010, 7 A 14.09 [15.18] § 74 Abs. 2 Satz 2 und 3 VwVfG, u. a. Leitsätze: • Bei der Bewertung der Zumutbarkeit der vom Schienenverkehr ausgehenden Erschütterun‐ gen ist die Festsetzung eines auf die Beurteilungsschwingstärke nach der DIN 4150 Teil 2 15.5 Exemplarische Verwaltungsrechtsprechung durch Entscheidungen des BVerwG 587 <?page no="592"?> bezogenen Wahrnehmungsschwelle von 25 % beim derzeitigen Stand der wissenschaftlichen Erkenntnis in der Regel nicht zu beanstanden. • Bei der Bewertung der Zumutbarkeit des von oberirdischen Eisenbahnstrecken hervorgeru‐ fenen sekundären Luftschalls können die Innenraumpegel der 24. BImSchV herangezogen werden; dabei ist auch der sog. Schienenbonus zu berücksichtigen. • Der Verordnungsgeber ist gehalten, die weitere Rechtfertigung des sog. Schienenbonus auf der Grundlage der vorliegenden Studien der Lärmwirkungsforschung zu überprüfen. Sachverhalt: Die Eisenbahnlinie Lüneburg/ Stelle, soll von 2 auf 3 Gleise ausgebaut werden, mit der Auflage, dass Erschütterungsschutz zu gewähren ist, wenn die Anhaltswerte der DIN 4150, Teil 2, nicht eingehalten und die Vorbelastung um 25-% erhöht wird. Die Kläger führen in ihrer Klagebegründung aus, dass die Nebenbestimmungen im Planfest‐ stellungsbeschluss bezüglich der Erschütterungen und des sekundären Luftschalls abwägungs‐ fehlerhaft seien und sie in ihren Rechten verletzen. Wegen unzureichender Beurteilungskriterien seien die Nebenbestimmungen nicht geeignet, die nachteiligen Einwirkungen des Vorhabens zu vermeiden. Aus den Entscheidungsgründen: Die von den Klägern - nach Maßgabe der nach Beendigung der Baumaßnahmen im jeweiligen Einzelfall feststellbaren tatsächlichen Auswirkungen geltend zu machender Ansprüche auf Schutzvorkehrungen des aktiven oder passiven Erschütterungsnutzes bzw. auf Geldausgleich - beurteilen sich in Ermangelung spezialgesetzlicher Vorschriften nach § 74 Abs. 2 Satz 2 und 3 VwVfG. Danach sind Schutzvorkehrungen u. a. dann anzuordnen, wenn dies zur Vermeidung nachteiliger Wirkungen auf Rechte anderer erforderlich ist. Wann dies der Fall ist, wird in der genannten Vorschrift nicht weiter ausgeführt. Deswegen ist auf allgemeine Grundsätze des Immissionsschutzrechts zurückzugreifen. Erschütterungsimmissionen können je nach Ausmaß eine schädliche Umwelteinwirkung darstellen (§ 3 Abs.2 und 3 BImSchG), indem sie das rechtlich geschützte Interesse an einer ungestörten Wohnnutzung beeinträchtigen. Diese Einwirkungen sind dann zu vermeiden und ggfs. auszugleichen, wenn sie den Betroffenen nicht zugemutet werden können. Fehlt es an einer normativen Festlegung, ist die Zumutbarkeitsschwelle im Einzelfall zu bestimmen. Eventuell vorhandene individuelle Befindlichkeiten und Empfindlich‐ keiten der Betroffenen sind dabei allerdings nach dem differenziert-objektiven Maßstab des Immissionsschutzrechts, das sich am durchschnittlich empfindlichen Menschen einschließlich der Angehörigen überdurchschnittlich empfindlicher Gruppen orientiert, unbeachtlich. Vielmehr kommt es maßgeblich auf die Schutzwürdigkeit und Schutzbedürftigkeit der betrof‐ fenen Nutzung am jeweiligen Immissionsort an; diese richtet sich nach der Art des Gebietes, in dem das Grundstück liegt und den weiteren konkreten tatsächlichen Verhältnissen. Bei dieser Bewertung ist der vorhandene technisch-wissenschaftliche Sachverstand, der insbesondere in technischen Regelwerken zum Ausdruck kommt, heranzuziehen. Die hier einschlägige DIN 4150, Teil 2 (Erschütterungen im Bauwesen; Teil 2: Einwirkungen auf Menschen in Gebäuden - Juni 1999 -) gibt in Tabelle 1 für den Neubau von Eisenbahn‐ strecken nach Baugebieten und für Tag und Nacht unterschiedliche Anhaltswerte vor (Ziff. 6.5.3.4 a). Diese Werte sind bezogen sowohl auf die nach dem Taktmaximalverfahren gemessene maximale bewertete Schwingstärke KB Fmax als auch auf die Beurteilungsschwingstärke KB FTr , diese kennzeichnet nach Ziff. 3.8 die in der Beurteilungszeit auftretenden Erschütterungsimmis‐ sionen durch einen zeitbezogenen Mittelwert im Sinne einer energetischen Addition über die 588 15 Rechtsprechung zum Schienenverkehrslärm, Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="593"?> Beurteilungszeit, der die Zughäufigkeit und die mittlere Dauer einer Zugvorbeifahrt entsprechend berücksichtigt. Die korrelierenden Anhaltswerte A o und A r bezeichnen dabei nicht die Schwelle des enteignungsrechtlich nicht Zumutbaren, sondern liegen, da sie auf das billigerweise nicht Zumutbare bezogen sind, deutlich darunter. Auf Ausbaumaßnahmen sind diese Anhaltswerte aber nicht unmittelbar anwendbar (Ziff. 6.5.3.4 c). Denn hier ist die immissionsschutzrechtliche Situation entscheidend durch den vorhandenen Bestand geprägt. Aus dem Gebot der gegenseiti‐ gen Rücksichtnahme folgen besondere Duldungspflichten, so dass Erschütterungen, die sich im Rahmen einer plangegebenen oder tatsächlichen Vorbelastung halten, deswegen - jedenfalls in aller Regel - zumutbar sind, auch wenn sie die Anhaltswerte übersteigen. Ein Anspruch auf eine Verbesserung der Erschütterungssituation im Sinne einer Erschütterungssanierung besteht folglich nicht. Ein Erschütterungsschutz kann vielmehr nur dann verlangt werden, wenn die Erschütterungsbelastung sich durch den Ausbau in beachtlicher Weise erhöht und gerade in dieser Erhöhung eine zusätzliche für den Betroffenen billigerweise nicht mehr zumutbare Belastung liegt. Der im Planfeststellungsbeschluss als Wahrnehmungsschwelle festgesetzte Wert von 25 % ist von Rechtswegen nicht zu beanstanden. Dieser Wert findet sich nicht bereits in der DIN 4150 Teil 2; denn der Normenausschuss hatte sich auf die genaue Höhe der vom Grundsatz her unstreitigen Unterschiedsschwelle nicht einigen können (wird näher ausgeführt). Die auf den sekundären Luftschall bezogene Nebenbestimmung im Planfeststellungsbeschluss setzt ebenfalls rechtmäßige Bewertungsmaßstäbe fest. Der sekundäre Luftschall wird als Folge der Körperschallausbreitung von den in Schwingung versetzten Raumbegrenzungsflächen, insbesondere den Geschossdecken, als relativ tieffrequentes Geräusch abgestrahlt. Hierauf bezogene Ansprüche auf Schutzvorkehrungen bzw. auf Geldaus‐ gleich richten sich ebenfalls nach § 74 Abs. 2 Satz 2 und 3 VwVfG. Das in §§ 41 ff. BImSchG normierte Lärmschutzsystem ist nämlich insoweit lückenhaft; denn die Regelung der 16. BImSchV bezieht sich nur auf den primären Luftschall. Ein spezielles Regelwerk zur Bestimmung der Zumutbarkeitsschwelle beim sekundären Luft‐ schall gibt es bislang nicht. Zur Schließung dieser Lücke ist auf Regelungen zurückzugreifen, die auf von der Immissionscharakteristik vergleichbare Sachlagen zugeschnitten sind. Dabei ist in erster Linie dem Umstand Rechnung zu tragen, dass es sich bei dem hier auftretenden sekundären Luftschall um einen verkehrsinduzierten Lärm handelt. Das legt eine Orientierung an den Vorgaben der auf öffentliche Verkehrsanlagen bezogenen 24. BImSchV (Verkehrswege-Schall‐ schutzmaßnahmenordnung) nahe. Die von den Klägern geforderte entsprechende Anwendung der Immissionsrichtwerte der TA Lärm wird gegenüber dem genannten Entscheidungskriterium nicht gerecht (wird näher ausgeführt). Die 24. BImSchV zielt mit der Ermittlung des erforderlichen Schalldämm-Maßes der Außen‐ bauteile in Abhängigkeit vom Außenpegel auf die Einhaltung eines Innenraumpegels, der die Zumutbarkeitsschwelle markiert, ab. Wird diese im vorliegenden Zusammenhang herangezogen, ist - in gleicher Weise wie bei den Erschütterungsimmissionen - die Vorbelastung schutzmin‐ dernd so wie ein Signifikanzkriterium zu berücksichtigen. Von diesem Ansatz geht die Nebenbestimmung zutreffend aus, in dem sie zunächst auf die "aus der 24. BImSchV abgeleitete Anhaltswerte" Bezug nimmt. Danach bemisst die Zumutbarkeitsschwelle sich auf der Grundlage von Innengeräuschpegeln von 40 dB(A) tags und 30 dB(A) nachts unter Berücksichtigung des sog. Schienenbonus (wird näher ausgeführt). 15.5 Exemplarische Verwaltungsrechtsprechung durch Entscheidungen des BVerwG 589 <?page no="594"?> 15.5.2 Ausbauvorhaben, Streckenertüchtigung, relevante Zunahme? Anhaltswerte DIN 4150 Teil 2, Entscheidungsvorbehalt bei Prognoseunsicherheit, Erheblichkeitsschwelle Themen: BVerwG, U. v. 18.07.2013 - 7 A 9.12 - [15.19] §§ 74 Abs.2 S.2, Abs.3 Leitsatz: Die Festsetzung der Erheblichkeitsschwelle einer Erhöhung der Beurteilungsschwingstärke um 25 % begegnet grundsätzlich keinen Bedenken (BVerwG U.v.21.12.2010 7 A 14.09) Sachverhalt: Die Klägerin wendet sich gegen einen Planfeststellungsbeschluss für den Ausbau der Eisenbahn‐ strecke Rostock-Berlin im Bereich Löwenberg. Sie ist Eigentümerin eines u. a. mit Wohngebäuden bebauten Anwesens, das an der Bahnstrecke liegt. Die Bahnstrecke soll u. a. mit dem Ziel ertüchtigt werden, die Höchstgeschwindigkeit für Personenzüge von 120 km/ h auf 160 km/ h anzuheben. Die Klägerin macht insbesondere geltend, dass ihr ein Anspruch auf aktiven Lärmschutz in Gestalt einer Lärmschutzwand sowie besserer Erschütterungsschutz zustehen würde. Aus den Entscheidungsgründen: Eine Ergänzung des Planfeststellungsbeschlusses gemäß § 74 Abs.2 Satz 2 VwVfG bezüglich der Festsetzungen zum Erschütterungsschutz kann die Klägerin ebenso wenig beanspruchen. Der Planfeststellungsbeschluss geht in der Nebenbestimmung hinsichtlich der betriebsbeding‐ ten Erschütterungen auf der Grundlage einer erschütterungs-technischen Untersuchung davon aus, dass Überschreitungen der Anhaltswerte nach Teil 2 der DIN 4150 nicht zu erwarten sind. Bezüglich der Reihe von Gebäuden, darunter das Haus der Klägerin, wird ein Entscheidungsvor‐ behalt für den Fall festgesetzt, dass als Ergebnis von Vergleichsmessungen eine Erhöhung der Beurteilungsschwingstärke von 25 % oder mehr zu erwarten ist. Dieser Vorbehalt ist von der Beklagten in der mündlichen Verhandlung insoweit geändert worden, als über gegebenenfalls erforderliche Maßnahmen im Wege eines Verfahrens zur Planergänzung entschieden wird. Das im Planfeststellungbeschluss gewählte Vorgehen ist grundsätzlich nicht zu beanstanden. In der erschütterungstechnischen Untersuchung wird nachvollziehbar ausgeführt, dass der vorgese‐ hene Einbau eines stabilen Tragschichtsystems und die durchgängige Änderung der Oberbauform trotz möglicher Änderungen des Betriebsprogramms tendenziell zu einer Verringerung der Erschütterungen führten. Hinsichtlich des Einsatzes von 25 t-Güterzügen wird dargelegt, dass mit einer gegenüber den heute verkehrenden Zügen deutlichen Immissionszunahme in den Gebäuden vor allem bei Gebäuden mit ausgesprochen tiefen Deckeneigenfrequenzen von <10 Hz zu rechnen sei. Diese sehr tiefen Deckeneigenfrequenzen treten vor allem bei sehr weit gespannten leichten Holzbalkendecken von mehrstöckigen Gebäuden auf; bei der hier vorliegenden Gebäudestruktur mit eher kleinen Häusern und Raumgrößen seien diese absolut untypisch und dementsprechend unwahrscheinlich. Gegen diese plausiblen Ausführungen bringt die Klägerin nichts vor. Auf der Grundlage dieser Einschätzung der tatsächlichen Verhältnisse trägt der Entscheidungs‐ vorbehalt nach § 74 Abs. 3 VwVfG den Prognoseunsicherheiten im Bereich der Erschütterungen Rechnung (U. v. 21.12.2010 - BVerwG 7 A 14.09, Rn. 23). Die Festsetzungen der Erheblichkeitsschwelle einer Erhöhung der Beurteilungsschwingstärke um 25 % begegnen grundsätzlich keinen Bedenken (U. v. 21.12.2010 a.a.O., Rn. 30 ff.). 590 15 Rechtsprechung zum Schienenverkehrslärm, Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="595"?> Soweit das Bundesverwaltungsgericht bei besonders hohen Vorbelastungen die Prüfung ei‐ ner einzelfallbezogenen Herabsetzung der allgemeinen Wahrnehmungsschwelle fordert (U. v. 21.12.2010 a. a. O., Rn. 37), hat sich die Klägerin der Möglichkeit einer solchen Kontrolle selbst begeben, indem sie Erschütterungsmessungen in ihrem Anwesen nicht zugelassen hat. Schließlich begegnet auch der anhand von Untersuchungen in einem vergleichbaren Stre‐ ckenabschnitt festgelegter Betroffenheitskorridor keinen rechtlichen Bedenken. Er erfasst nur Gebäude, die in einem geringeren Abstand als 30 m zum nächstgelegenen Streckengleis stehen (vgl. hierzu U. v. 21.12.2010 a.a.O., Rn. 24). Eine Einbeziehung des klägerischen Gebäudes in die Regelung zum Erschütterungsschutz kommt demnach aufgrund des größeren Abstands zur Bahnstrecke nicht in Betracht. 15.5.3 Betriebsbedingte Erschütterungen, Kostengesichtspunkte, Schutzmaßnahmen, Entscheidungsvorbehalt Themen: BVerwG, U. v. 29.06.2017 - 3 A 1.16 - [15.20] §§ 18, 20 AEG, §§ 74 Abs.2 Satz 2, Abs.3 VwVfG Leitsätze: • Ein Entscheidungsvorbehalt nach § 74 Abs.3 VwVfG, erledigt sich erst mit der Bestandskraft einer ihn ausfüllenden Regelung in einem nachfolgenden Planfeststellungsbeschluss. • Bei der Auswahl zwischen Planungsvarianten (hier: oberirdische Streckenführung oder Tunnel) dürfen Kostengesichtspunkte den Ausschlag geben. Ob dies konkret der Fall ist, hängt von der objektiven Gewichtigkeit der weiteren vom Vorhaben nachteilig betroffenen Belange ab. Sachverhalt: Die Kläger wenden sich gegen den Planfeststellungsbeschluss vom 13.11.2015, mit dem das Eisenbahn-Bundesamt den 2. Planfeststellungsabschnitt für den sog. Wiederaufbau der Dresdner Bahn zugelassen hat (Vorhaben „Ausbau Knoten Berlin“ zwischen Südkreuz und Blankenfelde). Dieser Abschnitt erstreckt sich im Ortsteil Berlin-Lichtenrade vom S-Bahnhof Schichauweg bis zur Landesgrenze Berlin-Brandenburg. Östlich der bestehenden S-Bahn-Strecke sollen zwei Gleise für den Fern-, Regional-, und Güterverkehr errichtet werden. Die Strecke ist Teil des transeuropäi‐ schen Hochgeschwindigkeitseisenbahnsystems und soll auch als Zubringer zum neuen Flughafen Berlin-Brandenburg dienen. Südlich schließt sich die Ausbaustrecke Berlin-Dresden an. Die Gleise sollen oberirdisch verlaufen, wobei die Umgebung durch Lärmschutzwände geschützt werden soll. Bei den Klägern handelt es sich u. a. um Privatpersonen mit Wohngrundstücken in Trassennähe. Sie machen u. a. geltend, die Planung sei abwägungsfehlerbehaftet, weil der Streckenabschnitt in einem Tunnel geführt werden müsse. Im Planfeststellungsbeschluss wird der Schutz vor betriebsbedingten Erschütterungen durch bauliche Maßnahmen am Gleisbett sichergestellt (besohlte Schwellen für beide S-Bahn-Gleise und Betontrog mit Schotterfüllung auf Unterschottermatte für beide Fernbahngleise und einem etwa 500 m langen Abschnitt der S-Bahn-Gleise). Für aufgelistete Gebäude werden Messungen 6 Monate nach Betriebsaufnahme angeordnet und Anspruch auf Erschütterungsschutz besteht nach dem Planfeststellungsbeschluss dann, wenn die Beurteilungsschwingstärken größer als die um den Faktor 1,5 angehobenen Anhaltswerte nach Tab. 1 der DIN 4150, Teil 2, ermittelt werden. Die 15.5 Exemplarische Verwaltungsrechtsprechung durch Entscheidungen des BVerwG 591 <?page no="596"?> Planfeststellungsbehörde hat sich eine ergänzende Entscheidung über weitere Schutzmaßnahmen am Ausbreitungsweg und / oder am zu schützenden Gebäude oder die Festsetzung einer Entschä‐ digung dem Grunde nach vorbehalten. Aus den Entscheidungsgründen: Der gebotene Schutz vor betriebsbedingten Erschütterungen ist gewährleistet. Weitergehenden Schutz können die Kläger nicht beanspruchen. Ansprüche auf Erschütterungsschutz beurteilen sich nach § 74 Abs.2 Satz 2 und 3 VwVfG. Das Schutzregime der §§ 41 ff. BImSchG gilt nur für Umwelteinwirkungen durch Verkehrsgeräusche (st.Rspr. vgl. BVerwG, U. v. 08.09.2016 - 3 A 15.15 -). Schutzvorkehrungen sind gemäß § 74 Abs.2 Satz 2 VwVfG anzuordnen, wenn dies zur Vermei‐ dung nachteiliger Wirkungen auf Rechte Anderer erforderlich ist. Die damit angesprochene Zumutbarkeitsschwelle ist bei Einwirkungen durch Erschütterungen nicht durch gesetzliche Grenzwerte festgelegt, sondern nach den Verhältnissen im Einzelfall zu bestimmen. Maßgeblich sind Schutzwürdigkeit und Schutzbedürftigkeit der betroffenen Nutzung am jeweiligen Immissi‐ onsort. Diese richtet sich nach der Art des Gebietes und den weiteren konkreten Verhältnissen (BVerwG U. v. 21.12.2010 - 7 A 14.09 -). Die Planfeststellungsbehörde hat zur Berücksichtigung der Vorbelastung des betroffenen Gebietes durch Erschütterungen aus Eisenbahnverkehr die vorhabenbedingten Erschütterungen erst dann als unzumutbar angesehen, wenn die Beurteilungsschwingstärken größer als die um den Faktor 1,5 angehobenen Anhaltswerte nach Tab. 1 der DIN 4150-2 sind. Das ist unter den hier gegebenen Umständen im Ergebnis nicht zu beanstanden. Die Bewertung der Zumutbarkeit der zu erwartenden Erschütterungen darf beim Ausbau einer Strecke an die tatsächliche oder plan‐ gegebene Vorbelastung anknüpfen, jedenfalls sofern diese nicht die grundrechtliche Zumutbar‐ keitsschwelle übersteigt. Denn die immissionsschutzrechtliche Situation ist entscheidend durch den vorhandenen Bestand geprägt. Aus dem Gebot der gegenseitigen Rücksichtnahme folgen besondere Duldungspflichten, so dass Erschütterungen, die sich im Rahmen einer plangegebenen oder tatsächlichen Vorbelastung halten, deswegen - jedenfalls in aller Regel - hinzunehmen sind. Das gilt auch, wenn die Vorbelastung die Anhaltswerte der DIN 4150-2 übersteigt. Ein Anspruch auf eine Besserung der vorhandenen Situation im Sinne einer Erschütterungssanierung besteht im Gegensatz zum Lärmschutz, wo dieser im Anwendungsbereich der 16. BImSchV gewährleistet ist, nicht. Maßnahmen zum Erschütterungsschutz können nur dann verlangt werden, wenn die Erschütterungsbelastung sich durch den Ausbau in beachtlicher Weise erhöht und gerade in dieser Erhöhung eine zusätzliche dem Betroffenen billigerweise nicht mehr zumutbare Belastung liegt (st.Rspr. BVerwG, U. v. 21.12.2010 - 7 A 14.09). Die Kläger müssen sich hier eine - über den tatsächlichen Betrieb bei Planfeststellung hinausgehende - plangegebene Vorbelastung durch eine zweigleisige Strecke für den S-Bahn- und sonstigen Personenverkehr sowie Güter- und Fernverkehr entgegenhalten lassen. Will eine Planfeststellungsbehörde ihre Festsetzungen der Zumutbarkeitsschwelle an der tatsächlichen oder plangegebenen Vorbelastung orientieren, ist sie allerdings grundsätzlich gehalten, diese zu ermitteln und im Planfeststellungbeschluss festzulegen, damit im Interesse der Immissionsbetroffenen die Grenzen der Duldungspflicht bestimmt und Schutzvorkehrungen gegen darüber hinausgehende Belastungen angeordnet werden können (BVerwG, U. v. 21.11.2013 - 7 A 28.12 -). Dazu muss die Planfeststellungsbehörde ein möglichst realitätsnahes Betriebspro‐ gramm ermitteln, mit dem die Streckenanlieger bei wertender Betrachtung für den Fall rechnen müssen, dass die Strecke nicht ausgebaut würde. 592 15 Rechtsprechung zum Schienenverkehrslärm, Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="597"?> Bereits eine grobe Abschätzung der plangegebenen Vorbelastung ausgehend von der ermittel‐ ten Erschütterungsbelastung durch den tatsächlichen S-Bahn- und Güterverkehr im Jahr 1997 ergibt, dass die pauschale Erhöhung der Anhaltswerte der Tab. 1 der DIN 4150-2 um den Faktor 1,5 auf der sicheren Seite liegt und nicht zu Lasten der Kläger geht. 15.5.4 Betriebsbedingte Erschütterungen, plangegebene Vorbelastung, Zumutbarkeitsschwelle für Erschütterungsbelastungen Themen: BVerwG, U. v. 15.10.2020 - BVerwG 7 A 9.19 - [15.21] § 74 Abs.2 VwVfG Leitsatz: Die Zumutbarkeitsschwelle für Erschütterungsbelastungen ist nach der Rechtsprechung des BVerwG sogar erst dann überschritten, wenn sich die Vorbelastung vorhabenbedingt um 25% oder mehr erhöht (vgl. BVerwG, U.v.21.12.2010 -7 A 14.09). Sachverhalt: Im Planfeststellungsbeschluss des Eisenbahn-Bundesamtes vom 05.07.2019 zum Ausbau der Eisenbahnstrecke Oldenburg-Wilhelmshaven im Planfeststellungsabschnitt 1 verläuft diese durch das Stadtgebiet von Oldenburg. Dabei handelt es sich um eine bereits im 19. Jahrhundert errichtete zweigleisige Eisenbahnstrecke, die auf der Grundlage des Planfeststellungsbeschlusses insbesondere elektrifiziert und mit Lärmschutzwänden versehen wird. Das Vorhaben dient der verbesserten Schienenanbindung des Jade-Weser-Port in Wilhelmshaven. Die Kläger bemängeln die Maßnahmen zum Schutz vor Erschütterungsbelastungen in der Bau- und Betriebsphase. Aus den Entscheidungsgründen: Defizite des Planfeststellungsbeschlusses bei der Bewältigung der zu erwartenden betriebsbeding‐ ten Erschütterungen bestehen nicht. Nach gefestigter Rechtsprechung des Bundesverwaltungsgerichts sind Belastungen, die die plangegebene Vorbelastung nicht übersteigen, grundsätzlich hinzunehmen (BVerwG, U. v. 21.11.2013 - 7 A 28.12, Rn. 45 -). Dies gilt auch für Belastungen mit Erschütterungen. Die Zumutbarkeitsschwelle für Erschüt‐ terungsbelastungen ist nach der Rechtsprechung des Bundesverwaltungsgerichts sogar erst dann überschritten, wenn sich die Vorbelastung vorhabenbedingt um 25 % oder mehr erhöht (vgl. BVerwG, U. v. 13.12.2018 - 3 A 17.15, Rn. 55 - m.w.N.). Bei diesem Wert handelt es sich um eine Wahrnehmungsschwelle, die sich auf empirisch hinreichend abgesicherte Erkenntnisse stützen kann (vgl. hierzu näher BVerwG, U. v. 21.12.2010 - 7 A 14.09, Rn. 31 ff.). Auf der Grundlage der insoweit maßgeblichen Verkehrsprognose 2030 ist gegenüber der plan‐ gegebenen Vorbelastung eine vorhabenbedingt niedrigere Erschütterungsbelastung zu erwarten. Für eine Überschreitung der grundrechtlichen Zumutbarkeitsfälle ist nichts ersichtlich. 15.5 Exemplarische Verwaltungsrechtsprechung durch Entscheidungen des BVerwG 593 <?page no="598"?> 15.6 Literatur und Rechtsprechung zu Kapitel 15 a) Literatur zum Lärmschutz in der eisenbahnrechtlichen (und straßenrechtlichen) Planfeststellung [15.1] Michler/ Arps in Ziekow, Fachplanungrecht, 2. A. 2014, § 10 Verkehrslärmschutz [15.2] Beck´scher AEG Kommentar, 2. A. 2014, Vallendar/ Wurster, § 18, Rn. 179 ff. [15.3] Jarass in Jarass, BImSchG, 14.A., 2022, §§ 41-43 [15.4] Krappel, Lärmschutz in der eisenbahnrechtlichen Planfestellung, 2011 [15.5] Neumann/ Külpmann in Stelkens/ Bonk/ Sachs, VwVfG 10.A. 2023, § 74 Rn. 178 f. [15.6] Bracher in Landmann/ Rohmer, Umweltrecht, Werkstand 93. EL Aug. 2020, §§ 41-43 BImSchG [15.7] Berka in Kunz/ Kramer, Eisenbahnrecht, Band II, A 6.2 Stand 2016 Erläuterungen zur 16.BImSchV b) Ergänzende Literatur zum Lärmschutz im Straßenverkehr [15.8] Zeitler/ Beier, BayStrWG, 30. EL., März 2020 zu Art. 37, Rn. 280 ff. sowie Hösch, a.a.O. Art. 38, Rn. 160 ff. c) Rechtsprechung des BVerwG mit weiteren Fundstellen zum Schienenverkehrslärm [15.9] BVerwG U.v. 15.03.2000, 11 A 42.97, NVwZ 2001,71 ff. [15.10] BVerwG U. v. 10.11.2004, 9 A 67.03, NVwZ 2005, 591 ff. [15.11] BVerwG, U. v. 29.06.2017, 3 A. 1.16, ZUR 2018, 107 ff. [15.12] BVerwG U. v. 08.09.2016, 3 A. 5.15, Beck RS 2016, 110267 [15.13] BVerwG U. v. 15.10.2020, 7 A 9.19, BeckRS 2020, 42111 [15.14] BVerwG U. v. 09.07.2008, 9 A 5.07, NVwZ 2009, 50 ff. d) Literatur zum Erschütterungsschutz in der eisenbahnrechtlichen Planfeststellung [15.15] Beck´scher AEG Kommentar, 2. A. 2014, Vallendar/ Wurster, § 18, Rn. 207 ff. [15.16] Herrmann, Aktuelles zu Erschütterungen - Prognose, Messung, Beurteilung, I + E 6, 2011, 307 ff. [15.17] Rockitt, Erschütterung und sekundärer Luftschall im Fokus der Planfeststellung, NVwZ 2019, 1318 ff. e) Rechtsprechung des BVerwG mit weiteren Fundstellen zu Erschütterungen [15.18] BVerwG U. v. 21.12.2011, 7 A 14.09, NVwZ 2011, 676 ff. [15.19] BVerwG U. v. 18.07.2013, 7 A 9.12, BeckRS 2013, 56311. [15.20] BVerwG U. v. 29.06.2017, 3 A 1.16, ZUR 2018, 107 ff. [15.21] BVerwG, U. v. 15.10.2020 - 7 A 9.19 -, BeckRS 20 20, 42111. 594 15 Rechtsprechung zum Schienenverkehrslärm, Erschütterungen und Sekundärschall <?page no="599"?> 1 Technische Spezifikation für die Interoperabilität in Bezug auf das Teilsystem „Fahrzeuge - Lärm“. Funktionelle und technische Spezifikationen zum Teilsystem. Grenzwerte für Vorbeifahr- und Standgeräusche. Grenzwerte für Lokomotiven, Züge und Reisezugwaggons. Messung, Beurteilung und Anwendung in Bezug auf neue und bereits eingesetzte Schienenfahrzeuge. 16 Prüftechnik F. Krüger 16.1 Einführung Vorgaben für die Prüfung von Schienenfahrzeugen und Oberbauformen sind in DIN EN ISO 3095/ 3381 (Akustik) und in den Normenreihen DIN 45672 und 45673 (Schwingungen) enthalten. Mit der akustischen Prüfung von Schienenfahrzeugen ist nachzuweisen, dass die messtechnisch ermittelten Schallpegel den Festlegungen in der europäischen Richtlinie TSI Lärm 1 ([16.1], [16.2]) und den Vorgaben in Lastenheften entsprechen. Bisher gibt es keine gesetzlichen Festlegungen in Deutschland für die Prüfung von Fahrwegen. In Anlage 2 zur 16. BImSchV ist zwar die mittlere akustische Wirkung von verschiedenen Oberbauformen festgelegt, eine Prüfungsvorschrift, wie für die Schienenfahrzeuge, ist jedoch nicht vorhanden. Hinsichtlich den Erschütterungsimmissionen gibt es - außer der Festlegung zur Ermittlung von Erschütterungskenngrößen (KB FTi -Werte) und von Anhaltswerten A u und A o in DIN 4150-2 - ebenfalls keine gesetzlich festgelegten Prüfvorgaben. Auf betriebsinterne akustische Prüfungen von Schienenfahrzeugen und deren Einzelkompo‐ nenten wird hier nicht eingegangen (s. hierzu Kap. 4). Da es für die akustische (Typ-)Prüfung von Schienenfahrzeugen internationale Normen gibt, wird hierauf im Folgenden nur kurz eingegangen. Vorrangig sind folgende Prüfungen für die Bereiche Luftschall und Erschütterungen/ Körper‐ schall erforderlich, [16.5]: Luftschall: a) Abnahme- und Kontrollmessungen zur Prüfung von Lastenheftangaben und EU-Vorgaben (nach DIN EN ISO 3095/ 3381 und TSI Lärm), b) Überprüfung der Immissionsberechnungen nach Anlage 2 der 16. BImSchV, z. B. durch Immissionsmessungen bei Beschwerden durch Anwohner (DIN 45642), c) Ermittlung von Eingangsdaten für Berechnungsmodelle (Prüfung der Angaben in Anlage 2 zur 16. BImSchV aus dem Jahr 2014), d) Ermittlung von Korrekturwerten für Anlage 2 zur 16. BImSchV (z. B. Einfluss der Fahrbahn- und Fahrzeugarten usw.), e) Prüfung von Schallminderungsmaßnahmen im praktischen Einsatzfall, f) Prüfung von theoretischen Modellen (z. B. Schallabstrahlung, -ausbreitung), g) Ermittlung der Schallleistung einzelner Aggregate ([16.6] und [16.7]) oder der längenbezo‐ genen Schallleistung einer Vorbeifahrt, h) Prüfung der Schallemissionen von Aggregaten, Inneneinrichtungen, <?page no="600"?> i) Ermittlung der Schallminderung durch den Fahrzeugfußboden und der Wände (einschließ‐ lich Türen, Fenster und Decke), [16.8], j) Ermittlung der Schallabsorption im Fahrzeuginnenraum und im Führerstand, k) Langzeitmessungen zur Prüfung von Schallminderungsmaßnahmen an Fahrzeugen (ein‐ schließlich Pflegemaßnahmen) im Fahrzeugpark eines Verkehrsunternehmens (DIN 38452-1). Erschütterungen/ Körperschall: a) Prüfung der Wirkung von schwingungsmindernden Maßnahmen (Fahrzeug, Oberbau, Un‐ terbau, Baugrund (Boden), Gebäude), b) Prüfung von Modellen zur Ausbreitung (z. B. vom Tunnel über den Baugrund, möglichen Einbauten im Baugrund sowie Übertragung ins Gebäudefundament und innerhalb eines Gebäudes) zur Prognose und Bewertung etc. (Normenreihe DIN 45672), c) Prüfung der Anregung und Ausbreitung bis zum Immissionsort anhand von Übertragungs‐ admittanzen und vergleichbaren Größen (z. B. Terzpegel-Differenzspektren), d) Prüfung der dynamischen und statischen Materialeigenschaften von elastischen Elementen, die zur Schwingungsminderung im Oberbau und zur Gebäudelagerung eingesetzt werden (Normenreihe DIN 45673 und EU-Normen): • im Labor, • an der Strecke, • theoretisch. 16.2 Schallemissionen - Typprüfungen Fahrzeugeinheiten Im Anwendungsbereich der internationalen Norm DIN EN ISO 3095 ist folgende Festlegung zu finden: Sie legt „Messverfahren und -bedingungen fest, um reproduzierbare und vergleichbare Außengeräuschemissionspegel und -spektren für alle Arten spurgebundener Fahrzeuge zu ge‐ winnen, die auf Schienen oder anderen Fahrwegen verkehren, hier nachfolgend als „Einheit“ benannt“. Sie ist anwendbar für die Typprüfung von „Einheiten“. Geräuschemissionen von anderen infrastrukturbezogenen Quellen (Brücken, Bahnübergänge, Weichen, Aufprallgeräusche, Kurvengeräusche usw.) sind hierin nicht erfasst. Weiterhin gilt sie nicht für die Geräuschemission von arbeitenden Gleisbaumaschinen; die Bewertung der Umweltbelastung und der Geräuschimmission sowie nicht für spurgeführte Busse und für das Geräusch akustischer Warnsignale (siehe DIN 15153). Die Ergebnisse dieser Messungen können z. B. verwendet werden für: Das von (Fahrzeug-)Einheiten abgestrahlte Außengeräusch zu charakterisieren; um die Ge‐ räuschemission von verschiedenen Einheiten auf einem bestimmten Gleisabschnitt zu vergleichen sowie um grundlegende Quelldaten für Einheiten zu erheben. Im Anhang D der Norm gibt es zusätzliche Hinweise für die Messung an Straßen- und U-Bahnen. In diesem Anhang D sind auch Hinweise zur Erfassung von Kurvengeräuschen enthalten. In der Norm sind die für bestimmte Zustände durchzuführenden akustischen Prüfungen festgelegt. Hiernach sind folgende Prüfungen von Einheiten (mit Gelenk: „kleinste betriebsfähige Zusammenstellung von Wagen“; ohne Gelenk: „kleinste betriebsfähige Einheit, bestehend aus einem oder mehreren gekuppelten Fahrzeugen“) auszuführen: 596 16 Prüftechnik <?page no="601"?> (16.1) • Fahren mit konstanten Geschwindigkeiten, • Anfahren und Bremsen, • Standmessungen (Rundummessungen). Neben der Vorgabe zur Messung von Rollgeräuschen sind auch impulshaltige Geräusche (iso‐ liertes Ereignis oder eine Folge von isolierten Ereignissen), Geräusche mit Impulscharakter (z. B. Geräusche bei denen üblicherweise der Differenzpegel zwischen L pAIeq,T und L pAeq,T 3 dB überschreitet) sowie tonale Geräusche (Geräusche, die hörbare Töne enthalten) in der Norm enthalten. Eine Bewertung tonaler Geräusche ist für Straßenbahnen auch in der VDV-Schrift 154 zu finden. Eine wesentliche Festlegung ist, dass die Schallemissionen allein für die jeweilige Fahrzeug‐ einheit zu ermitteln sind. Dies erfordert eine weitestgehende Unterdrückung der Einflüsse des Fahrwegs und der Umgebung auf die Schallemission. Daher sind die Typprüfungen auf Gleisen auszuführen, die hinsichtlich der Schienenfahrflächenrauheit und der Gleisabklingrate (Körperschallabnahme in Schienenlängsrichtung) den Festlegungen der Norm entsprechen. Die Messvorgaben für diese beiden Größen sind in EN 15610 und EN 15461 enthalten. Die akustische Schienenrauheit r(x) ist wie folgt definiert: „Variation der Schienenfahrfläche in ihrer Höhe im Hinblick auf die Anregung des Rollgeräu‐ sches (Rauheitsprofil), angegeben als Funktion der Längskoordinate x der Schiene“. Das Spektrum der akustischen Rauheit wird gewöhnlich in Form des Pegels der akustischen Rauheit L ∼ r in dB mit r 0 = 1-μm angegeben. Der Rauheitspegel ist wie folgt zu beschreiben: L ∼ r = 10 • lg r r 0 2 Das entsprechende Grenzspektrum zeigt Bild 16.1. In diesem Bild ist ein weiteres Grenzspektrum aus der VDV-Schrift 154 (2011, überarbeitete Neuauflage 2023), speziell für die akustische Abnahme von Straßenbahnen, enthalten. Die Gleisabklingrate (TDR) beschreibt die Dämpfungsrate der Schwingungsamplitude, der vertikalen und der transversalen Biegewelle in der Schiene, in Schienenlängsrichtung. Sie wird durch ein Terzspektrum in Dezibel je Meter (dB/ m) ausgedrückt und dient zur Angabe der Schwingungsminderung in Abhängigkeit von der Entfernung. Bild 16.2 zeigt die Grenzspektren für die Gleisabklingrate. Festlegungen zur Messung der Innengeräusche (Fahrer- und Fahrgastraum) sind in DIN EN ISO 3381 enthalten. Grundsätzlich sind diese entsprechend den Festlegungen der DIN EN ISO 3095 durchzuführen. 16.2 Schallemissionen - Typprüfungen Fahrzeugeinheiten 597 <?page no="602"?> Bild 16.1: Grenzspektren der Schienenrauheit nach DIN EN ISO 3095 und VDV-Schrift 154 0,1 1 10 0,25 0,315 0,4 0,5 0,63 0,8 1 1,25 1,6 2 2,5 3,15 4 5 log TDR, dB/ m Terzmittenfrequenz f Tn , kHz vertikal lateral 598 16 Prüftechnik <?page no="603"?> 145 Untere Grenzspektren der Gleisabklingraten (TDR), links, und mögliche Anordnung von Körperschallaufnehmern an der Schiene, rechts, zur Mes- Bild 16.2: Untere Grenzspektren der Gleisabklingraten (TDR), Bild oben, und mögliche Anordnung von Körperschal‐ laufnehmern an der Schiene, Bild unten, zur Messung der TDR 16.3 Schallemissionen - Oberbaueinfluss Die Oberbauform (und ihr Wartungszustand) beeinflusst sowohl die Schallals auch die Erschüt‐ terungsemissionen. Der (mittlere) Einfluss auf die Schallemissionen ist in Anlage 2 zur 16. BImSchV festgelegt. Generell gilt: Ein Gleisbett mit absorbierender Wirkung (Schotter, Grünes Gleis) führt zu geringeren Schallemissionen, ein Gleisbett mit einer harten, nicht absorbierenden Oberfläche (Feste Fahrbahn) zu höheren Schallemissionen. Für Typprüfungen von Fahrzeugeinheiten werden hohe Anforderungen an den Oberbau gestellt, die Schienenrauheit und die Abklingraten müssen bestimmte Kriterien erfüllen (siehe oben). Weiterhin sind die Prüfungen auf einem Schottergleis durchzuführen. Im praktischen Betriebseinsatz werden diese Festlegungen weder geprüft (direkte Messung der Schienenrauheit und der Gleisabklingraten) noch in der Regel eingehalten. Durch den Schallmesswagen der DB AG erfolgt eine indirekte Rauheitsmessung für ausgewählte Streckenabschnitte. Diese Strecken‐ abschnitte werden als (akustisch) besonders überwachte Gleise bezeichnet (büG). Vorschläge zur Übertragung dieser „Schienen-Rauheitsmessungen“ für Gleise der Straßenbahnen sind z. B. in [16.3] und [16.4] enthalten. Sowohl die direkten Rauheitsmessungen als auch die Messungen der Abklingrate sind relativ aufwändig, sie können immer nur auf kurzen Streckenabschnitten erfolgen. Direkte Rauheitsmessungen über einen längeren Gleisabschnitt sind durch Einsatz von Trolleys möglich (Rauheitsmessgerät wird auf dem Gleis geschoben). Der Einfluss der Gleisoberfläche kann durch Schallausbreitungsmessungen in Gleislängsrich‐ tung ermittelt werden. In [16.9] werden Ergebnisse von Messungen an verschiedenen Gleis‐ prüfkörpern (Labormessungen) mit unterschiedlichen Oberflächen (Feste Fahrbahn, Schotter, Grüngleis) gezeigt. Mit einem Laufsprecher wurde breitbandiger Schall erzeugt, der auf die Fahrfläche der Prüfkörper gerichtet war (Simulation des Rollgeräusches und dessen Ausbreitung in Gleislängsrichtung), Bild 16.3. Am Ende der Fahrbahn wurde der Schall an verschiedenen 16.3 Schallemissionen - Oberbaueinfluss 599 <?page no="604"?> Messpunkten in Breite und Höhe mittels einer Intensitätsmesssonde erfasst (siehe grünes Netz in dem dargestellten Bild). Die Messungen wurden über einen Zweikanal-Terzanalysator aufgezeichnet und analysiert. Von dem Analysator wurde auch der Schallpegel des Lautsprechers gesteuert. Die Ergebnisse bestätigen tendenziell die Annahmen zur Wirkung verschiedener Fahrbahnoberflächen in Anlage 2 zur 16. BImSchV. Ergebnisse von vergleichbaren Messungen im realen Gleis sind nicht bekannt. Beispielhaft sind in Bild 16.4 Ergebnisse dieser Messungen dargestellt. Es handelt sich hierbei um über alle Messpunkte im (grünen) Netz gemittelten Schallpegel (Z- und A-bewertet). Die Messungen erfolgten jeweils über einen Zeitraum von T = 30 Sekunden. Die einzelnen Fahrbahnarten sind ausführlich in [16.9] beschrieben. Bild 16.3: Schall-Ausbreitungsmessungen für verschiedene Fahrbahnoberflächen. Im Bild ist ein Gleis in einer Straßenfahrbahn (Feste Fahrbahn) dargestellt, außerdem wurden Schottergleise und Grüne Gleise messtechnisch untersucht 600 16 Prüftechnik <?page no="605"?> (16.2) -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 CDM Kunstrasen hoch CDM Pflaster Asphalt Pflaster Betonfuge Edilon Pflaster Struktur Beton glatt Schotter Split Sedum L pZeq,T , dB / L pAeq,T , dB(A) Fahrbahnart Absorption arith. Mittelwerte über alle MP, Schalldruckpegeldifferenzen zur Betonfahrbahn LpAeq LpZeq Bild 16.4: Ergebnis der Schallmessungen an unterschiedlichen Fahrbahn-Prüfkörpern [16.9] 16.4 Erschütterungsemissionen - Einfügedämmung Die von bewegten Schienenfahrzeugen in den Unterbau eingeleiteten Schwingungen werden maßgeblich durch die Größe der schwingungsmindernden Wirkung des Gleisoberbaus bestimmt. Zur Charakterisierung dieser Eigenschaften von Oberbauformen wird die Einfügungsdämmung (das Einfügungsdämm-Maß D e ) verwendet, Gleichung (16.2). Sie beschreibt die Minderung des ursprünglichen Schwingungspegels durch Einbau von elastischen Elementen im Oberbau. Die Einfügungsdämmung kann mit verschiedenen Verfahren ermittelt werden. In der Praxis werden hierzu sowohl messtechnische als auch theoretische Verfahren eingesetzt. Hier wird nur auf die messtechnische Ermittlung eingegangen. In Kapitel 13 und im Anhang C werden theoretische Abschätzungen vorgestellt. D e f T n = L v, 1 f T n − L v, 2 f T n ; dB Dabei bedeuten: L v, 1 f T n Körperschallpegel der Schwinggeschwindigkeit für den Ausgangszustand, L v, 2 f T n Körperschallpegel der Schwinggeschwindigkeit nach dem Einbau eines zusätzlichen Elements. - Dies kann sowohl im Oberbau selber sein, z. B. Einbau eines weicheren Schienenlagers, oder auch auf dem Ausbreitungsweg. Prinzipiell gilt diese Gleichung für jedwede Maßnahme, die zu einer Veränderung der Schwingungsemissionen führt. f T n Mittenfrequenz der Terz n. 16.4 Erschütterungsemissionen - Einfügedämmung 601 <?page no="606"?> Um deutlicher darzustellen, dass D e f T n immer eine relative Größe ist, wurde in [15.11] der Begriff des relativen Einfügungsdämm-Maßes eingeführt (D e, rel f T n ). Da sich dieser Begriff in der Normung nicht durchgesetzt hat, wird hier weiterhin nur allgemein D e f T n verwendet. Anstelle des Schwinggeschwindigkeitspegel kann auch der Schwingbeschleunigungspegel verwendet werden, er führt zu demselben Ergebnis. Wie oben schon angemerkt worden ist, je nach Messpunkt und Messrichtung ergeben sich in der Regel unterschiedlichen Differenzpegel. Ebenfalls hat auch die Schwingungsquelle (z. B. Fahrzeugart, -geschwindigkeit und -zustand) hierauf einen Einfluss. Daher ist bei der Darstellung des Einfügungsdämm-Maßes immer mit anzugeben unter welchen Randbedingungen es ermittelt worden ist. Letztendlich zählt der Einfluss der Maßnahme auf die Erschütterungs- und Sekundär‐ schallimmissionen in den benachbarten Gebäuden. Insbesondere ist darauf zu achten, dass das Einfügungsdämm-Maß frequenzabhängig ist und Bereiche mit einer Minderung und solche mit einer Verstärkung aufweist. Das Einfügungsdämm-Maß D e f Tn eines Oberbaus kann auf verschiedenen messtechnischen Vorgehensweisen abgeschätzt werden. Der Begriff der „Schätzung“ wird hier ganz bewusst gewählt, da das messtechnisch ermittelte Ergebnis keine absolute Größe für die Wirkung einer schwingungsmindernden Maßnahme, z. B. einer Unterschottermatte, darstellt. Diese Aussage gilt ebenfalls für die Abschätzung durch theoretische Ansätze. Durch folgende messtechnische Untersuchungen kann eine generelle Größe für D e f Tn ermittelt werden: 1. Durch in-situ Messungen der durch fahrende Züge erzeugten Schwingungsemissionen an verschiedenen Messpunkten auf dem Übertragungsweg. Dies kann z. B. die Tunnelsohle oder die Tunnelwand sein oder ein Punkt im umgebenden Baugrund, evtl. auch in einem benachbarten Gebäude (Messpunkte siehe DIN 45672-1 und Kapitel 12). 2. Im eingebauten Zustand auf der Strecke durch Simulation der Fahrzeugerregerkräfte, z. B. durch Vibrationsplatten (Baurüttlern), Unwuchterregern, speziellen Hammerwerken, Prüf‐ hammer ([16.10], [16.11]) und DIN 45673-3). 3. Durch Aufbau des kompletten Oberbaus oder eines einzelnen Schienenlagers auf einem Prüfstand und Anregung mit den unter Punkt 2 genannten Erregern. Diese Verfahren werden im Folgenden näher beschrieben sowie einige Ergebnisse vorgestellt und diskutiert. 16.5 In-situ Messungen 16.5.1 Fahrzeuganregung Mit in-situ Messungen können nur dann hinreichend genaue Ergebnisse erzielt werden, wenn die Randbedingungen konstant gehalten werden. Folgende Randbedingungen sind zu beachten (in Abhängigkeit von der Gleislage im Tunnel, oberirdisch oder aufgeständert): • Tunnelgeometrie und Tunneltiefenlage, • Umgebender Baugrund (Baugrundart, Schubmodul, Wellengeschwindigkeit, Grundwasser‐ stand etc.), 602 16 Prüftechnik <?page no="607"?> 2 Die mechanische Impedanz Z(f) (Schwingwiderstand) ist der Kehrwert der mechanischen Admittanz Y(f) (Mobility = Beweglichkeit). Die Admittanz wird messtechnisch ermittelt durch Messung der die Struktur anregenden Kraft F(f) und der hierdurch angeregten Schwinggeschwindigkeit v(f) in der Struktur. (16.3) • Streckenführung (gerade, gebogen, geneigt, ebenerdig, im Einschnitt, auf einem Damm oder einer Brücke, einem Viadukt), bei Viaduktstrecken Art der Stützen, • Gleiszustand (Zustand von Schweißstellen, Schienenstößen, Weichen, Fahrflächenrauheiten sowie bei Schotteroberbauformen von deren Schottersteifigkeit und der Kontaktsteifigkeit zwischen den Schwellen und dem Schotter), • Schwellen- und Stützpunktabstand, Schienenprofil, • Messpunktanordnung, • Fahrzeugtyp, -länge und -geschwindigkeit; Achslasten (unabgefederte Radsatzmassen), • Laufflächenzustände der Räder (z. B. Flachstellen, Polygone), • Fahrrichtung, befahrenes Gleis. Die o. g. Parameter lassen sich weitgehend konstant halten, wenn entsprechende Versuche an denselben Streckenabschnitten mit denselben Fahrzeugen durchgeführt werden. Eine gute Kontrolle der Rad- und Schienenfahrflächenzustände bieten z. B. Rauheitsmessungen an beiden Fahrflächen oder - etwas einfacher - Körperschallmessungen an der Schiene und/ oder auf einem Achslager (indirekte Rauheitsmessung). Die zu untersuchenden Oberbauformen sind demnach nacheinander in derselben Strecke einzubauen und anschließend Erschütterungsmessungen durchzuführen. Dieses Procedere ist in der Praxis sehr aufwändig und somit teuer, es bietet jedoch den großen und nicht zu unterschätzenden Vorteil der „Gleichwertigkeit“ der Schwingungsaus‐ breitung. In [16.12] und [16.13] werden z. B. entsprechende Untersuchungen dargestellt. Solche Untersuchungen werden in DIN 45673-3 als „Vorher-Nachher-Messverfahren“ beschrieben. Bei einem - preiswerteren - Einbau der zu untersuchenden Oberbauformen in verschiede‐ nen Streckenabschnitten, bieten ergänzende Messungen (z. B. Messung von Eingangs- und Übertragungsadmittanzen (Impedanzen) 2 oder der Wellenausbreitungsgeschwindigkeit) eine gute Möglichkeit zur anschließenden rechnerischen Korrektur der Messergebnisse. Das entsprechende Messverfahren wird in DIN 45673-3 als „Links/ rechts-Verfahren“ beschrieben. Hierbei werden auf derselben Strecke hintereinander unterschiedliche Gleiszustände erzeugt und mit demselben Fahrzeug im umgebenden Baugrund (oder im Tunnel) Erschütterungsmessungen durchgeführt. Das Korrekturverfahren beim „Links/ rechts-Verfahren“ kann auch übertragen werden auf Messungen an verschiedenen Streckenabschnitten. In solchen Fällen sollte dasselbe Fahrzeug eingesetzt werden und die jeweiligen Admittanzen gemessen werden. In einem solchen Fall kann die Korrektur wie folgt erfolgen, Gl. (16.3): D e f T n = L v, 1 f T n − L Y 1 f T n ] − L v, 2 f T n − L Y 2 f T n ; dB Dabei ist L Yi f T n der Pegel der Übertragungsadmittanz als Terzspektrum des Untergrunds am Referenz‐ querschnitt (i = 1) und am untersuchten Messquerschnitt (i = 2); L vi f T n der Schwinggeschwindigkeitspegel als Terzspektrum bei Zugvorbeifahrt am Referenz‐ querschnitt (i = 1) und am untersuchten Messquerschnitt (i = 2). 16.5 In-situ Messungen 603 <?page no="608"?> (16.4) 16.5.2 Simulation der dyn. Radsatzkräfte In kritischen Ausbreitungssituationen kann es erforderlich sein die Einfügungsdämmung eines Oberbaus, ohne bereits verkehrende Züge vor Ort zu ermitteln, z. B. dann, wenn besonders schutzbedürftige Gebäude an einer neu gebauten Strecke vorhanden sind. In solchen Fällen können im Tunnel auf einem kurzen Abschnitt nacheinander verschiedene Oberbauformen eingebaut werden. Zur Anregung kommen im Wesentlichen folgende Aggregate zum Einsatz, DIN 45673-3 (siehe auch Anhang C): 1. Unwuchterreger mit und ohne Simulation der statischen Vorlast durch das Fahrzeug, [16.16], 2. Anregung mit einer Vibrationsplatte (Baurüttler), mit und ohne Messung der anregenden Kräfte, 3. Anregung mit einem Hammerwerk. In [16.14] wird ein modifiziertes Hammerwerk beschrie‐ ben, mit dem breitbandig Körperschall angeregt werden kann, 4. Prüfhammer. Die Anwendung von Prüfhämmern ist in [16.10 und [16.11] ausführlich dargestellt. 5. Fahrbarer Erreger (umgebaute Lore mit Hydraulik und Regelungselektronik), [16.15]. Hierbei erfolgte die Anregung des vorhandenen Schienen-Oberbau-Systems über die vier Radaufs‐ tandsflächen der Lore. Zur Anregung selber wurde eine regelbare Hydraulikanlage mit einer federnd gelagerten seismischen Masse von ca. 3,5-t eingesetzt. Bei allen o. g. Erregerquellen ist zu beachten, dass die statische Vorlast durch die Fahrzeugachslast eine nicht zu vernachlässigende Bedeutung hat. Dies gilt insbesondere dann, wenn die zu untersuchenden Oberbauformen stark nichtlineare Kennlinien aufweisen. Da viele im Oberbau eingesetzte Elastomere mehr oder weniger progressiv verlaufende Kennlinien aufweisen, kommt es ohne Vorbelastung zu günstigeren Werten, d. h. der Oberbau wird als zu weich angenommen und das gemessene Einfügungsdämm-Maß ist größer als mit einer Vorlast wie bei einer Fahrzeug‐ anregung. In manchen Fällen kommt es bei diesen Messungen nicht unmittelbar auf das tatsächliche Einfü‐ gungsdämm-Maß an. Unter „künstlicher“ Anregung werden dann die hierdurch hervorgerufenen Erschütterungs- und Sekundärschallimmissionen mit vorliegenden Erfahrungswerten verglichen und so Hinweise auf die mit der untersuchten Oberbauform zu erwartenden Immissionen durch den späteren Schienenverkehr erzielt. Ausführlich ist ein solches Verfahren in [16.17] beschrieben. Bei künstlicher Anregung ist zu beachten, dass es sich hierbei in der Regel um eine Punktanregung handelt. Die Linienlast eines Fahrzeugs kann näherungsweise durch Anregung an mehreren Punkten der Strecke und anschließender Überlagerung der gemessenen Übertragungsfunktionen H n simuliert werden, Bild 16.5. Im Nahbereich eines Gleises stellen die einzelnen Räder (Achsen) wandernde Punktlasten dar. Mit zunehmendem Abstand vom Gleis überlagern sich die von den einzelnen Rädern ausgehenden Schwingungen, es kommt zu einer Wirkung wie bei einer Linienlast. Wie beim Schall ist die Ausbreitung einer Punkt- und Linienlast unterschiedlich (siehe auch DIN 4150-1). In [16.10] wurde für eine Punkt-Anregung in Tunneln (Tunnelsohle, Gleismitte) folgende Korrekturfunktion empirisch abgeleitet: L K = 6dB + 4, 5 • lg(R) R ≤ 10,5 m} Mit R = Abstand zwischen Gleismitte und Immissionspunkt im Gebäude. 604 16 Prüftechnik <?page no="609"?> (16.5) (16.6) Die Überlagerung der oben genannten Immissionsantworten aus verschiedenen Anregungs‐ punkten setzt voraus, dass die Sohlkraft F S (f) vorher ermittelt worden ist. Die Sohlkraft kann aus dem unter den zu beurteilenden Randbedingungen aus dem gemessenen Schwingungssignal v S (f) auf der Tunnelsohle und der Admittanz der Tunnelsohle Y SS (f) wie folgt ermittelt werden: F S (f ) = v S (f ) Y SS (f ) Der Index „SS“ bedeutet hier Anregung und Messung der Schwingungsantwort auf der Tunnel‐ sohle. Das Immissionsspektrum I G (f) im Gebäude ergibt sich dann wie folgt: I G (f ) = F S (f ) • Y GS (f ) Mit Y GS Übertragungsadmittanz zwischen Erregerpunkt (z. B. Tunnelsohle) und Gebäudefußboden. Anstelle der Übertragungsadmittanz kann auch der Kraftbezogene Schalldruck P‘(f) eingesetzt werden [16.10]. Hierüber kann dann direkt der Sekundärschall abgeschätzt werden. 16.5 In-situ Messungen 605 <?page no="610"?> 4 H (f) v (t) 4 v (t) 3 2 H (f) 3 H (f) v (t) 2 1 H (f) 11 x (t) x (t) x (t) x (t) x (t) x (t) x (t) 12 21 22 31 32 42 x (t) 4 x (t) 3 x (t) 2 x (t) 1 n (t) 1 v (t) 1 x (t) 41 n (t) 2 y (t) S n(t): Fremdeinwirkungen ges x, y: Schwingbeschleunigung a oder Schwinggeschwindigkeit v Zum Immissionspunkt Fahrrichtung Übergang zur Linienquelle Punktquellen y (t) 3 y (t) 2 y (t) 1 y (t) Gleis Tunnel (Sohle, Wand, Unterbau) Übertragung 1: (Tunnel, Boden; Boden-Fundament) Übertragung 2: im Gebäude 4 Bild 16.5: Simulation einer Linienlast durch Punktanregung an mehreren Stellen im Gleisbereich und Summenbil‐ dung. x nm (t): Schwingungsantwort eines Radsatzes x i (t): Schwingungsantwort an einem Emissionspunkt im Baugrund durch ein Drehgestell H i (f): Übertragungsfunktion (z. B. Admittanz) v i (t): Schwingungsantwort an einem Immissionspunkt im Baugrund durch ein Drehgestell Kreis und Viereck markieren Anregepunkte mit einem Ersatzerreger, z. B. einem Prüfhammer y i (t): Schwingungsantwort am Immissionspunkt (einzeln oder als Summe) 16.5.3 Admittanzmessungen Tunnel In [16.11] werden Admittanzmessungen im Tunnel beschrieben. Hiervon werden im Folgenden einige Ergebnisse beispielhaft vorgestellt. Die Anregung erfolgte jeweils mit einem (großen) Prüfhammer vertikal auf der Schienenfahrfläche und auf der Tunnelsohle. Die Antwortsignale wurden auf der Tunnelsohle in Gleismitte mit einem Schwinggeschwindigkeits-Aufnehmer (Geophon) erfasst. Es bedeuten: 606 16 Prüftechnik <?page no="611"?> • M1G16: Anregung auf der Schiene im MQ ohne Fahrzeugbelastung, • M1G36: Anregung auf der Tunnelsohle im MQ ohne Fahrzeugbelastung, • M1G46: Anregung auf der Schiene im MQ mit Fahrzeugbelastung, Triebdrehgestell im Messquerschnitt, • M1G56: Anregung auf der Schiene im MQ mit Fahrzeugbelastung, Laufdrehgestell im Messquerschnitt. Deutlich ist der Einfluss der Drehgestelle auf das Schwingungsverhalten der Tunnelsohle zu erkennen. Neben den jeweiligen Übertragungsadmittanzen in Bild 16.6 bis Bild 16.8 zeigt Bild 16.9 die Tunnelsohlensteifigkeit. Sie wurde aus der Tunnelsohlenadmittanz wie folgt ermittelt: • Der Kehrwert der Admittanz Y(f) ergibt die Impedanz Z(f), • die Integration der Impedanz Z(f) (geteilt durch ω) ergibt die (dyn.) Steifigkeit k(f) in N/ m. In dem Bild wird auch die Trendlinie für das gesamte Signal gezeigt. Näherungsweise ergibt sich eine konstante Steifigkeit bis etwa 30 Hz und dann eine Zunahme mit der Frequenz (gestrichelte Linien). Die dyn. Steifigkeit der Tunnelsohle beeinflusst auch das Einfügungsdämm-Maß einer schwingungsmindernden Maßnahme. Bild 16.6: Admittanzen Y(f) der Tunnelsohle unter Anregung auf der Schiene (M1G16) und der Tunnelsohle (M1G36) Bild 16.7: Admittanzen Y(f) der Tunnelsohle unter Anregung auf der Schiene (M1G16) mit Triebdrehgestell (M1G46) 16.5 In-situ Messungen 607 <?page no="612"?> Bild 16.8: Admittanzen Y(f) der Tunnelsohle unter Anregung auf der Schiene (M1G16) mit Laufdrehgestell (M1G56) Bild 16.9: Tunnelsohlensteifigkeit k TS,dyn (f) 16.6 Steifigkeitsermittlung von elastischen Schienenlagern 16.6.1 Ermittlung im Labor Die Steifigkeit von elastischen Elementen im Oberbau hat einen wesentlichen Einfluss auf das Einfügungsdämm-Maß D e f T n , siehe DIN 45673-4. Daher ist deren Kenntnis erforderlich zur Abschätzung der Auswirkung dieser Elemente auf die Schwingungsminderung und somit auf die Schwingungsemission und Schwingungsimmission. Die statische Steifigkeit k stat einzelner Elemente kann recht einfach auf einem hydraulischen Prüfstand durch Messung der einprägenden Kraft F und der dadurch hervorgerufenen Einsenkung s ermittelt werden (k stat = F / s . Die Steifigkeit elastischer Schienenlager wird immer am komplet‐ ten Element ermittelt (inklusive kurzem Schienenstück), Bild 16.10. Diese Prüfanordnung zeigt deutlich, dass die Steifigkeit der Schiene selber unberücksichtigt bleibt (im eingebauten Zustand im Gleis wirkt diese jedoch auf die Gesamtsteifigkeit). In [16.19] wurden nacheinander für ein, drei, fünf Schienenlager die statischen Steifigkeiten auf einem kurzen ca. 6 m langen Prüfgleis ermittelt. Für ein Lager ergab sich eine Steifigkeit von rund 12 kN/ mm und für drei Schienenlager eine Steifigkeit von rund 25 kN/ mm. Vorhanden war das Schienenlager „Kölner Ei 1403/ c-70“. Die Steifigkeit bei fünf Lagern erhöhte sich nur noch geringfügig. 608 16 Prüftechnik <?page no="613"?> 154 Schiene selber unberücksichtigt bleibt (im eingebauten Zustand im Gleis wirkt diese jedoch auf die Gesamtsteifigkeit). In [16.19] wurden nacheinander für ein, drei, fünf Schienenlager die statischen Steifigkeiten auf einem kurzen ca. 6 m langen Prüfgleis ermittelt. Für ein Lager ergab sich eine Steifigkeit von rund 12 kN/ mm und für drei Schienenlager eine Steifigkeit von rund 25 kN/ mm. Vorhanden war das Schienenlager „Kölner Ei 1403/ c-70“. Die Steifigkeit bei fünf Lagern erhöhte sich nur noch geringfügig. Bild 16.10: Prüfstandsaufbau zur vertikalen Steifigkeitsermittlung (links Schienenlager 1403b, rechts Delta Lager), Messung der Prüfkraft des Prüfzylinders und der Schienenverformung mit Wegaufnehmern Bild 16.10: Prüfstandsaufbau zur vertikalen Steifigkeitsermittlung (links Schienenlager 1403b, rechts Delta Lager), Messung der Prüfkraft des Prüfzylinders und der Schienenverformung mit Wegaufnehmern In Bild 16.11 sind z. B. die so ermittelten Steifigkeiten von unterschiedlichen Schienenlagern dar‐ gestellt [16.18]. Aufgrund der teilweise großen Bandbreite ist es für den praktischen Einsatz immer wichtig den Steifigkeitsverlauf des einzubauenden Schienenlagers zu kennen. In der Regel wird zur Beurteilung der Steifigkeit die Sekantensteifigkeit zwischen zwei Kraftpunkten herangezogen. Die Ergebnisse im rechten Bild wurden durch einen handbetriebenen Hydraulikzylinder und einem kurzen Schienenstück im Labor ermittelt (mit einer Vorrichtung entsprechend Bild 16.13). In Bild-16.12 ist dies beispielhaft dargestellt. 0 10 20 30 40 50 0 2 4 6 8 10 Kraft F stat , kN Einsenkung s, mm 19,75 kN/ mm 9,7 kN/ mm 5,93 kN/ mm 5,33 kN/ mm 10,7 kN/ mm k stat,10 bis 40 0 20 40 60 80 0 2 4 6 8 10 12 14 Kraft F stat , kN Einsenkung s, mm Bild 16.11: Vertikale Steifigkeiten elastischer Schienenlager. Links: Schienenlager 1403b und 1403/ c-90 und / c-70 (Kölner Ei), rechts verschiedene Schienenlager für den Einsatz unter unterschiedlichen Randbedingungen Eisenbahnen und Straßenbahnen), ermittelt bis zu einer Maximallast von 80-kN. 16.6 Steifigkeitsermittlung von elastischen Schienenlagern 609 <?page no="614"?> Bild 16.12: Beispiel für die Ermittlung der Sekantensteifigkeit k stat zwischen 0, 2 • F max und 0, 8 • F max . 16.6.2 Steifigkeits-Ermittlung bei einer Festen Fahrbahn Im Labor werden in der Regel immer nur die Steifigkeiten von einzelnen Schienenlagern ermittelt (siehe oben). Die Kurvenverläufe sind dabei mehr oder weniger progressiv. In [16.18] wurde untersucht wie sich das Steifigkeitsverhalten im Gleis darstellt. Hierzu wurde die in Bild 16.13 dargestellte Messapparatur entwickelt und eingesetzt, eine Weiterentwicklung wird in [16.19] beschrieben, die eine Signalaufzeichnung der aufgebrachten Kräfte und der Schieneneinsenkung ermöglicht. Außerdem können hiermit an mehreren Stellen (z. B. über und zwischen zwei Stützpunkten gemessen werden). Ein Ergebnis einer Messung im Gleis (Tunnelstrecke) zeigt beispielhaft Bild 16.14 für unterschiedliche elastische Schienenlager. Die in Bild 16.13 dargestellte Apparatur besteht aus den folgenden Bauteilen (siehe auch DIN 45673-2). A: Querträger zur Kraftabstützung, B: Hydraulikzylinder, C: Gewindestangen M24, D: Messuhr (wurde ersetzt durch einen Wegaufnehmer), E: Druck-Eingang der Hydraulikpumpe, Druckkraft: maximal 10 kN F: Messuhradapter, G: Schiene, z. B. 49 E1, H: Rippenplatte, I: vorhandener Gewindebolzen, J: Zwischenlage, K: Zwischenplatte. 610 16 Prüftechnik <?page no="615"?> Bild 16.13: Vorrichtung zur Steifigkeitsmessung von einzelnen Schienenlagern im Labor und solchen im eingebauten Zustand im Gleis 0 20 40 60 80 100 0 2 4 6 8 10 F stat , kN Einsenkung s, mm Nbg 1a-12,KG Kölner Ei Nbg 1a-20,PU KON Test, 20 PU KON Ortw.III Bild 16.14: Ergebnis einer Gleis-Steifigkeitsmessung mit der links dargestellten Apparatur [16.18] 16.6.3 Steifigkeits-Ermittlung bei einem Rillenschienengleis Steht keine Möglichkeit zur Verfügung die aufzubringenden Kräfte an vorhandenen Schrau‐ benbolzen bei einer Festen Fahrbahn abzufangen, dann ist eine andere Lösung erforderlich. Hierzu kann sowohl ein langer Güterwagen dienen oder ein Baufahrzeug [16.9]. Dabei ist zu beachten, dass das Fahrzeug selber die Schiene im Messpunkt nicht belastet. Ein Beispiel für eine entsprechende Messung bei einem straßenbündigen Bahnkörper zeigt Bild 16.15. An einer Schiene wurden folgende Werte ermittelt: Anzahl Messwerte n = 7, gemessen in unterschiedlichen Bereichen des Gleises; Mittelwert k stat = 142 kN/ mm; Standardabweichung σ n-1 = 40,3 kN/ mm. Bei diesem Gleis handelte es sich um ein altes, erneuerungsbedürftiges Gleis [16.9]. Die Bereiche A bis C in Bild 16.15 stellen folgende Zustände dar: • A: Aufbringen der Kraft mittels einer Hydraulikpumpe. Die einzelnen Pumphübe sind im Bild deutlich zu erkennen, • B: Konstanthalten der aufgebrachten Kraft, • C: Lösen des Pumpenventils, Druck in dem Zylinder nimmt ab. 16.6 Steifigkeitsermittlung von elastischen Schienenlagern 611 <?page no="616"?> 157 Die Bereiche A bis C in Bild 16.15 stellen folgende Zustände dar: − A: Aufbringen der Kraft mittels einer Hydraulikpumpe. Die einzelnen Pumphübe sind im Bild deutlich zu erkennen, − B: Konstanthalten der aufgebrachten Kraft, − C: Lösen des Pumpventils, Druck in dem Zylinder nimmt ab. Bild 16.15: Ergebnis einer Steifigkeitsermittlung eines Gleises (Rillenschiene) bei einem straßenbündigen Bahnkörper [16.9]. Die Gleissteifigkeit betrug hierbei k stat = 267 kN/ mm. 16.6.4 Eigenschwingungen - Radsatz-Gleis Um das Schwingungsverhalten von Rad, Schiene und Schwelle zu ermitteln, stellt z.B. die Stoßanregung eine Möglichkeit dar. Hierbei fährt das Fahrzeug über einen auf der Schienenfahrfläche liegendem flachen Stahlkeil mit ca. 5 mm Höhe. Ein Ergebnis zeigt z.B. Bild 16.16. In dem Bild sind sowohl FFT-Spektren als auch MAXHOLD-Terzspektren der drei Elemente Radsatz, Schiene und Schwelle dargestellt. Diese Spektren wurden über das gesamte Schwingungsgeschehen ermittelt, dies beinhaltet sowohl die Bereiche des den eigentlichen Stoßes als auch des Nachschwingens. 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 10 20 30 40 Einsenkung s, mm Kraft F, kN Zeit t, sec F, kN s, mm A B C 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 Kraft F, kN Einsenkung s, mm F, kN F, Trend A B C 0 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 10 100 1000 10000 RMS, m/ s 2 Frequenz f, Hz (Delta f = 5 Hz) V1-2, Radsatz z Bild 16.15: Ergebnis einer Steifigkeitsermittlung eines Gleises (Rillenschiene) bei einem straßenbündigen Bahn‐ körper [16.9]. Die Gleissteifigkeit betrug hierbei k stat = 267-kN/ mm 16.6.4 Eigenschwingungen - Radsatz-Gleis Um das Schwingungsverhalten von Rad, Schiene und Schwelle zu ermitteln, stellt z. B. die Stoß‐ anregung eine Möglichkeit dar. Hierbei fährt das Fahrzeug über einen auf der Schienenfahrfläche liegendem flachen Stahlkeil mit ca. 5-mm Höhe. Ein Ergebnis zeigt z. B. Bild 16.16. In dem Bild sind sowohl FFT-Spektren als auch Max-Hold-Terzspektren der drei Elemente Radsatz, Schiene und Schwelle dargestellt. Diese Spektren wurden über das gesamte Schwin‐ gungsgeschehen ermittelt, dies beinhaltet sowohl die Bereiche des eigentlichen Stoßes als auch des Nachschwingens. 612 16 Prüftechnik <?page no="617"?> 158 0 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 10 100 1000 10000 RMS, m/ s 2 Frequenz f, Hz (Delta f = 5 Hz) V1-2, Radsatz z 0 0,05 0,1 0,15 10 100 1000 10000 RMS, m/ s 2 Frequenz f, Hz (Delta f = 5 Hz) V1-7, Schiene z 0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 10 100 1000 10000 RMS, m/ s 2 Frequenz f, Hz (Delta f = 5 Hz) V-8, Schiene y 0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 10 100 1000 10000 RMS, m/ s 2 Frequenz f, Hz (Delta f = 5 Hz) V-9, Schwelle z Bild 16.16: Ergebnis einer Stoßanregung: Langsame Überfahrt eines auf einer Schiene liegenden ca. 25 cm langen Stahlkeils durch ein Rad (U-Bahnfahrzeug) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 2 2,5 3,1545 6,38 10 12,5 16 20 25 31,5 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 6300 8000 10000 12500 L a,MAXHOLD , dB Terzmittenfrequenz f Tn , Hz Radsatz z Schiene z Schiene y Schwelle z Bild 16.16: Ergebnis einer Stoßanregung: Langsame Überfahrt eines auf einer Schiene liegenden ca. 25 cm langen Stahlkeils durch ein Rad (U-Bahnfahrzeug) 16.6 Steifigkeitsermittlung von elastischen Schienenlagern 613 <?page no="618"?> 16.7 Literatur zu Kapitel 16 16.7.1 Zitierte Literatur [16.1] TSI Lärm - VERORDNUNG (EU) Nr. 1304/ 2014 DER KOMMISSION vom 26. November 2014 über die technische Spezifikation für die Interoperabilität des Teilsystems „Fahrzeuge - Lärm“ [16.2] GENERALDIREKTION INTERNE POLITIKBEREICHE FACHABTEILUNG B: STRUKTUR- UND KOHÄSIONSPOLITIK VERKEHR UND FREMDENVERKEHR REDUZIERUNG DER LÄRMBELÄSTIGUNG DURCH SCHIENENVERKEHR STUDIE. Dieses Dokument ist im Internet unter folgender Adresse abrufbar: http: / / www.europarl.europa.eu/ studies [16.3] Krüger, F.: Entwicklung einer Prüfstrecke für die Geräuschtypprüfung von Schienenfahrzeugen des Nahverkehrs UBA - Forschung FKZ: 203 54 115/ 02 (2004) [16.4] Krüger, F. / Girnau, G. / Martini, K. u. D. Amende: Handlungsempfehlungen zur Lärmminderung im innerstädtischen Schienenpersonennahverkehr. Forschungs- und Entwicklungsvorhaben 205 54 150 im Rahmen des Umweltforschungsplans (2007) [16.5] Krüger, F.: Schall- und Erschütterungsschutz bei Schienenbahnen - Ausgewählte Themen - Prüfverfahren und Kontrollmessungen. Seminarunterlagen an der Technischen Akademie Esslingen (verschiedene Seminare in den Jahren 2000 bis 2021) [16.6] Krüger, F.: Ermittlung von Grundlagen und meßtechnische Untersuchungen zur schall- und schwingungstechnischen Optimierung von Schienenfahrzeugen für den Regionalverkehr - Teil 1: Literaturauswertung (1994), BMFT-FE-Nr. TV 19N 9364 6 [16.7] Krüger, F./ Becker, H. und P. Prüm: Ermittlung von Grundlagen und meßtechnische Untersuchungen zur schall- und schwingungstechnischen Optimierung von Schienenfahrzeugen für den Regionalverkehr - Teil 2: Meßtechnische Analyse (1996). BMBF-Forschungsvorhaben FE-Nr. TV 19N 9364 6 [16.8] Fürst, P. / Kühn, R./ Krüger, F. / Becker, H. / Prüm, P. und R. Schubert: Minderung der Geräuschemissionen von Straßenbahnen in den neuen Bundesländern, UBA-FB 105 05 151, Projektleiter: Krüger, F. (1993) [16.9] Krüger, F. und K. Martini: Untersuchungen zur schall- und erschütterungstechnischen Wirkung von Gleisen in Straßenfahrbahnen sowie zu deren Dauerhaltbarkeit unter Belastung durch LKW und Busse. Teil 2: Akustik, BMVBS 70.816/ 2008 (April 2010) [16.10] Krüger, F.: Ermittlung von Kenngrößen aus Messungen an Rohbautunneln zur Festlegung des aus Immissionsschutzgründen notwendigen Oberbaus; Bericht 20* ) (1986), STUVA e.V., Köln [16.11] Krüger, F.: Entwicklung eines admittanzorientierten Prognoseverfahrens zur immissionsgerechten Gestaltung des Gleisoberbaus im Rohbaustadium von Tunnelstrecken; Dissertation TU Berlin (1989) [16.12] Krüger, F. / H.-P. Schug u. a.: Untersuchung verschiedener Oberbauformen in einem U-Bahntunnel im Hinblick auf Schall- und Erschütterungsemissionen; Bericht 8* ) , (1982), STUVA e.V., Köln [16.13] Krüger, F. / Becker, H. u. a.: Minderung der Schwingungsabstrahlung von U-Bahntunneln durch hochelastische Gleisisolationssysteme unter verschiedenen Tunnelrandbedingungen; Bericht 17* ) (1985), Projektleitung: Blennemann, F. und Uderstädt, D. [16.14] Krüger, F. / Becker, H. und P. Prüm: Schwingungsverhalten von Gebäuden unter dynamischer Ersatzanregung im Vergleich zur Zuganregung - Gebäudeschwingungen; BMFT-TV 8843 0, Projektleiter: Krüger, F. (1994) 614 16 Prüftechnik <?page no="619"?> [16.15] Kraft, A. u. a.: Entwicklung eines Prognoseverfahrens für Körperschall und Erschütterungen bei unterirdischen Bahnen auf analytisch-messtechnischer Basis. TÜV Rheinland e.V., Köln. BMFT-Forschungsvorhaben TV 8526 (1993) [16.16] Eisenmann, J. / Deischl, F. und L. Steinbeißer: Körperschallemissionen bei Schienenbahnen, Messung - Dämmung - Prüfung; Mitteilungen des Prüfamtes für Bau von Landverkehrswegen der TU München, Heft 44, 1984, Herausgeber: J. Eisenmann [16.17] Uderstädt, D.: Planung von Schutzmaßnahmen zur Minderung von Geräuschen und Erschütterungen durch U-Bahnen - Prognoseverfahren zur Bestimmung von Geräusch- und Erschütterungsimmissionen; DER NAHVERKEHR: 1/ 83, S.68 bis 77 und 2/ 83, S. 65-69 [16.18] Krüger, F. / Becker, H. und P. Prüm: Schwingungsminderung bei Schienenbahnen des Stadtverkehrs durch kontinuierliche Schienenlagerung, Bericht 24* ) , Juni 1990, Projektleiter; Blennemann, F. [16.19] Krüger, F. und H. Becker: Schwingungsminderung bei Schienenbahnen durch kontinuierliche Gleislagerung - Teil 2: Optimierung und Weiterentwicklung; Projektleiter: Krüger, F., BMBF-Forschungsvorhaben TV 9351, „Bericht 25* ) “, Oktober 1996 * ) Berichte aus dem BMFT-Forschungsprogramm „Verminderung des Verkehrslärms in Städten und Gemeinden - Teilprogramm Schienennahverkehr, Koordination STUVA e.v., Köln (siehe auch Kapitel 1) 16.7.2 Ergänzende Literatur Heckl, M.: Schalltechnische Optimierung von Oberbauarten bei Schienenbahnen; VDI-Berichte 217, VDI-Kolloquium Düsseldorf 1974, S. 15-18 Heckl, M. und H. A. Müller: Taschenbuch der Technischen Akustik; Springer-Verlag, 1. Ausgabe 1975, Seite 466 ff Krüger, F.: Verfahren zur Immissionsprognose in Gebäuden an U-Bahn-Tunneln; DER NAHVERKEHR 1/ 90, S. 69-78 Wettschureck, R. und G. Hauck: Geräusche und Erschütterungen aus dem Schienenverkehr; Kap. 16 in „Taschenbuch der Technischen Akustik“, Herausgeber Heckl, M., Müller, H. A., Springer Verlag (1994) Wettschureck, R. und U. J. Kurze: Einfügungsdämm-Maß von Unterschottermatten. Acustica 58 (1985), S. 177-182 16.7 Literatur zu Kapitel 16 615 <?page no="620"?> 17 Fahrkomfort F. Krüger 17.1 Einführung Bei einer Fahrt mit einem Schienenfahrzeug werden die Fahrgäste einer Vielzahl von Einflüssen unterworfen. Hierzu gehören u. a. Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Geräusche (Fahrgeräusche, Durchsagen, Gespräche von Mitreisenden, Schließgeräusche von Türen etc.), Schwingungen, Blendung durch Sonnenlicht, Luftzug, Gerüche. Alle diese Einflüsse bestimmen den Fahrkomfort der Reisenden, wobei der Fahrkomfort keine einheitliche, von allen Fahrgästen gleich bewertete Größe darstellt. Hierzu zwei Beispiele: Reisen Eltern mit ihren Kindern, dann werden sie die genannten Einflüsse anders wahrnehmen als ein Geschäftsmann, der sich gerne in seine Akten vertiefen möchte. Häufiges Telefonieren mit Handys kann für Mitreisende, die ein Buch lesen möchten, sehr störend sein und den Fahrkomfort deutlich mindern. Im Folgenden soll nur auf eine Beeinträchtigung des Fahrkomforts, der durch Schwingungen im Fahrzeug hervorgerufen wird, eingegangen werden. Um den schwingungsbedingten Fahrkomfort zu beschreiben, sind grundsätzlich folgende Fragen zu untersuchen: 1. Wie reagiert der Mensch auf eine Schwingungsbelastung und wie beurteilt er sie (als Fahrgast in einem ICE, IC, InterRegio, S-Bahn, U- oder Straßenbahn)? 2. Wie können die Schwingungen durch eine Kenngröße beschrieben werden? Dies ist eine Frage der Messung und Auswertung von Schwingungen. 3. Gibt es gesundheitliche Beeinträchtigungen? 4. Welche Korrelation besteht zwischen einer objektiv ermittelten Bewertungsgröße und der Reaktion des Betroffenen (Fahrgast)? Die Ergebnisse einer Untersuchung zur Ermittlung der Korrelation zwischen subjektiver Betrof‐ fenheit und objektiven Messergebnissen für die Schwingungseinwirkung von Straßenbahnvor‐ beifahrten auf Menschen in Gebäuden sind u. a. in [17.1] ausführlich beschrieben. In dieser Untersuchung wird die große Bedeutung von „fremden“ Einflüssen auf die Bewertung der Erschütterungen durch die Betroffenen deutlich. In Schienenfahrzeugen werden Fahrgäste Schwingungen ausgesetzt, die über unterschiedliche Kontaktflächen wahrgenommen werden [17.2]: • Stehende Personen: Fußboden - Füße • Sitzende Personen: Fußboden - Füße; Sitz - Gesäß; Sitz - Rücken; Armstütze - Unter-/ Ober‐ arme; Kopfstütze - Nacken Je nach dem Ort der Einwirkung und Einwirkungsrichtung werden die Schwingungen unter‐ schiedlich wahrgenommen und beurteilt. Dies erfordert verschiedene Bewertungskurven. Im Wesentlichen werden die Einwirkungen nach vertikaler (z-) und horizontaler (x-, y-) Richtung unterschieden. <?page no="621"?> Bild 17.1: Vorgehensweise zur Ermittlung von drei Komfortwerten Allen drei vorgestellten Verfahren liegt ein gemeinsames Vorgehen zur Ermittlung einer Bewer‐ tungsgröße zugrunde, Bild 17.1. Dieses Bild soll nur die Gemeinsamkeiten und die Unterschiede aufzeigen, die genauen Vorgehensweisen sind jeweils den Richtlinien und Normen zu entnehmen. Die verwendeten unterschiedlichen Filterkurven für die diskutierten Verfahren zeigt Bild 17.2, sie unterscheiden sich in Teilbereichen erheblich voneinander. Der Index „t“ beim Verfahren nach ENV 12299 in Bild 17.1 steht für „Takt“ von 5-s Dauer. 17.1 Einführung 617 <?page no="622"?> 144 unterscheiden sich in Teilbereichen erheblich voneinander. Der Index „t“ beim Verfahren nach ENV 12299 in Bild 17.1 steht für „Takt“ von 5 s Dauer. Bild 17.2: Vergleichende Gegenüberstellung verschiedener Bewertungsfaktoren zur Ermittlung von Komfortwerten in Schienenfahrzeugen Bewertungsfaktoren B3 für die WZ-Werte 0 0,2 0,4 0,6 0,81 1,2 0,1 1 10 100 Frequenz f in Hz Bewertungsfaktor y z Bewertungsfaktoren W nach ENV 12299 0 0,2 0,4 0,6 0,81 1,2 0,1 1 10 100 Frequenz f in Hz Bewertungsfaktor z y Bewertungsfaktoren nach VDI 2057 05 10 15 20 25 30 0,1 1 10 100 Frequenz f in Hz Bewertungsfaktor z y Bild 17.2: Vergleichende Gegenüberstellung verschiedener Bewertungsfaktoren zur Ermittlung von Komfortwerten in Schienenfahrzeugen 17.2 Werteziffer (WZ)-Verfahren Zur Beurteilung der Schwingungsbelastung des Fahrgastes in Fahrzeugen gibt es mehrere Verfahren. Neben der Schwingungsbeurteilung gemäß VDI-Richtlinie 2057 [17.9] bzw. dem ISO-Standard 2631 gibt es auch das Werteziffer-Verfahren (WZ-Verfahren) der Deutschen Bahn AG ([17.3] bis [17.8]). Bei diesem Verfahren wird zwischen dem kubischen und dem quadratischen WZ-Verfahren unterschieden. Die kubische Berechnungsart nach Sperling besteht schon mehr als 60 Jahre [17.3]. Mit der Schaffung der quadratischen WZ-Berechnung beabsichtigte man eine 618 17 Fahrkomfort <?page no="623"?> (17.1) Angleichung des Verfahrens an die VDI-Richtlinie 2057. Hier werden nur Ergebnisse dargestellt, die nach dem „quadratischen Verfahren“ ermittelt worden sind. Beim quadratischen Verfahren lässt sich die Werteziffer aus dem Effektivwert der Beschleunigungsamplitude a in cm/ s 2 , der Frequenz f in Hz und einem davon abhängigen Bewertungsfaktor B 3 berechnen. Die Ermittlung der WZ-Werte nach der quadratischen Sperling-Gleichung (früheres Verfahren der Deutschen Bundesbahn) erfolgt mit Gleichung (17.1). W Z = a 2 • B 3 f 2 6, 67 mit a Effektivwert der Beschleunigung in m/ s 2 , B 3 (f) Frequenzabhängiger Bewertungsfaktor nach ORE C 116 RP8. Der frequenzabhängige Bewertungsfaktor B 3 (f) des quadratischen Verfahrens ist in Bild 17.2 dargestellt. In das quadratische Verfahren werden Frequenzen bis 80 Hz einbezogen (oberer Grenzwert), entsprechend groß muss der durch die Messungen erfasste Frequenzbereich sein. Bei Auswahl der Schwingungsaufnehmer und der Abtastrate ist dies zu beachten. In Tabelle 17.1 ist der Zusammenhang zwischen Laufgüte (DB AG), Werteziffer und (subjek‐ tives) Schwingungsempfinden dargestellt. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass diese Methode für Reisezugwagen entwickelt wurde. Bei Nahverkehrsbahnen liegt die durchschnittliche Reisezeit deutlich niedriger als bei Fernbahnen. Die Bewertung des Schwingungsempfindens ist im Nahverkehr somit weniger stark anzusetzen. Als Grenzwert für einen annehmbaren Schwin‐ gungskomfort wird in der VDV-Schrift 150 WZ = 3,0 angegeben. In der Praxis werden diese Werte wegen der oftmals schlechten Gleislage - insbesondere bei Weichen und Kreuzungen - überschritten. Laufgüte WZ Schwingungswahrnehmung 1 2 3 sehr gut 1,0 gerade spürbar gut 2,0 gut spürbar 2,5 stärker spürbar, jedoch nicht unangenehm, erträglich befriedigend 3,0 stark spürbar, unruhig, noch erträglich 3,25 stark unruhig 3,5 außerordentlich unruhig, unangenehm, lästig, bei längerer Dauer nicht erträglich betriebsfähig 4,0 außerordentlich unangenehm, bei längerer Dauer schädlich nicht betriebsfähig 4,5 - betriebsgefährlich 5,0 - Tabelle 17.1: Laufgüte, WZ-Wert und Schwingungswahrnehmung 17.2 Werteziffer (WZ)-Verfahren 619 <?page no="624"?> 17.3 Einwirkung mechanischer Schwingungen auf den Menschen - VDI 2057 In der Richtlinie VDI 2057 ist ein Verfahren angegeben, welches eine einheitliche Beurteilung von mechanischen Schwingungen zulässt, die auf Menschen in verschiedenen Situationen einwirken [17.9]. Als Kenngröße für die frequenzabhängigen Wirkungen wurde die „Bewertete Schwingstärke“ K eingeführt. Das beschriebene Verfahren ist auf translatorische Schwingungen jeglicher Art, also auf periodische, stochastische und stoßartige Schwingungen anwendbar. Als Einwirkungsorte gelten die Füße, das Gesäß, der ganze Körper oder die Hände. Hierfür wurden unterschiedliche Bewertungsfaktoren festgelegt. Für die hier dargestellten Ergebnisse wurden die Bewertungsfaktoren für sitzende und stehende Körperhaltung gewählt. Den Zusammenhang zwischen Bewerteter Schwingstärke und subjektiver Wahrnehmung nach VDI 2057 zeigt Tabelle 17.2. Bewertete Schwingstärke KX, KY, KZ, KB Beschreibung der Wahrnehmung < 0,1 nicht spürbar 0,1 Fühlschwelle 0,4 gerade spürbar 1,6 gut spürbar - - 6,3 stark spürbar 100 > 100 sehr stark spürbar Tabelle 17.2: Zusammenhang zwischen Bewerteter Schwingstärke und subjektiver Wahrnehmung nach VDI 2057 Blatt 3 17.4 Fahrkomfort für Fahrgäste - ENV 12299 (ERRI C 116-Rp 3) In dem Normentwurf ENV 12299 [17.2] ist eine Methode festgelegt, mit der die Auswirkungen von Bewegungen des Wagenkastens bewertet werden (→ Fahrkomfort für die Fahrgäste). Die An‐ wendung der Norm ist auf den öffentlichen Eisenbahnverkehr beschränkt (Eisenbahnfahrzeuge, die für die Beförderung von Fahrgästen auf Eisenbahnstrecken einschließlich Nebenstrecken und Vorortstrecken ausgelegt sind). Die Norm kann als Leitfaden für andere Eisenbahnfahrzeuge, beispielsweise Lokomotiven, U-Bahnen, Straßenbahnen usw. verwendet werden. Die Bewertung bezieht sich auf Menschen, die sich in einem gesundheitlich guten Zustand befinden. Der mittlere Komfort wird durch die Komfortnote N MV beschrieben (normativ, Messgröße: Be‐ schleunigung, Messstelle: Fahrzeugfußboden). In ERRI B153 wird die in Tabelle 17.3 angegebene Skalierung für die Komfortnote N MV vorgeschlagen: 620 17 Fahrkomfort <?page no="625"?> (17.2) (17.3) Komfortnote Bewertung N < 1 sehr komfortabel 1 ≤ N < 2 komfortabel 2 ≤ N < 4 durchschnittlich 4 ≤ N < 5 unkomfortabel N ≥ 5 sehr unkomfortabel Tabelle 17.3: Bewertung von Komfortnoten N (ERRI B153) Der N MV -Wert wurde für den hier durchgeführten Vergleich nicht ermittelt, er ergibt sich aus einer statistischen Analyse (95. Quantile). Für Teilkomfortnoten wird er wie folgt für die y- und z-Komponente berechnet: N MVy = 6 • a Y P 95 W ad ; y − Komponente N MVz = 6 • a Z P 95 W ab ; z − Komponente mit: a W nach linker Gleichung in Bild 17.1, Index „P“ steht für Fußboden (Plate; hierauf beziehen sich auch die dargestellten Messergebnisse). Die Indizes „ab“ und „ad“ stehen für die vertikale und horizontale Richtung [17.2]; „95“ steht für 95.-Quantile. 17.4.1 Durchführung der Messungen und Auswertungen Untersuchungen des Fahrkomforts verlangen Messfahrten auf ebenen und geraden Gleisabschnit‐ ten. Die durchgeführten Messungen erfolgten mit drei verschiedenen Fahrzeugen auf Fahrbahnen mit und ohne Schotter (Feste Fahrbahn und in Straßenfahrbahnen eingebettete Gleise). Diese Bedingungen sind bei den meisten Nahverkehrsunternehmen vorzufinden. Die Messabschnitte wurden in der Regel nur in einer Richtung befahren, d. h. Hin- und Rückfahrten erfolgten auf verschiedenen Gleisen. Bei den Messungen wurde - teilweise - das Fahrzeug auf eine vorgegebene Sollgeschwindigkeit beschleunigt und dann die Leistung abgeschaltet, das Fahrzeug rollte ohne Antrieb. In diesem Zustand erfolgten die Messungen bis zum Beginn der Bremsung vor der nächsten Haltestelle. Auf längeren Streckenabschnitten musste zum Aufrechthalten der Fahrgeschwindigkeit zwischen‐ durch wieder beschleunigt werden. Die Auswertung der auf einem Rechner aufgezeichneten Schwingungssignale erfolgte jeweils nach dem in Bild 17.1 dargestellten Prozedere. Um einen Vergleich der Komfortwerte zu ermög‐ lichen, wurden die einzelnen Werte einheitlich für Intervalle von jeweils 5 Sekunden ermittelt. Eine weitere Umrechnung, z. B. Ermittlung der Häufigkeit (95. Quantile) nach ENV 12299 erfolgte nicht. 17.4 Fahrkomfort für Fahrgäste - ENV 12299 (ERRI C 116-Rp 3) 621 <?page no="626"?> 17.4.2 Ergebnisse - 17.4.2.1 Spektren Beispielhaft sind in Bild 17.3 Leistungsdichtespektren für die y-Richtung und in Bild 17.4 für die z-Richtung dargestellt. Die beiden Spektren gelten jeweils für denselben Messpunkt (auf dem Fußboden in der Mitte eines Fahrzeuges) und dasselbe Ereignis (gleicher Takt). Im Beispiel sind in z-Richtung die höheren Werte vorhanden. Dies gilt insbesondere oberhalb von 40 Hz. In beiden Spektren ist eine mehr oder weniger ausgeprägte Schwingung bei den Frequenzen von ca. 17-Hz/ 18-Hz und 57-Hz/ 58-Hz gegeben. Kap17_B17.03 u 04_SPEKTR Kr PSD y1 0,0000 0,0005 0,0010 0,0015 0 20 40 60 80 Leistungsdichte, (m/ s 2 ) 2 / Hz Frequenz f, Hz y-Richtung Bild 17.3: Leistungsdichte - y-Richtung, Δf = 0,122-Hz 0,000 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0 20 40 60 80 Leistungsdichte, (m/ s 2 ) 2 / Hz Frequenz f, Hz z-Richtung Bild 17.4: Leistungsdichte - z-Richtung, Δf = 0,122-Hz 622 17 Fahrkomfort <?page no="627"?> 17.5 Zusammenhang zwischen den drei Komfortwerten Zur Ermittlung des Zusammenhangs zwischen den drei Komfortwerten erfolgte eine Auswertung über unterschiedliche Fahrzeuge, Fahrbahnarten, Fahrbahnzustände und Geschwindigkeiten. Insgesamt ergaben sich hiermit 1420 Wertepaare. Es wurden folgende Komfortwerte gegenüber‐ gestellt (jeweils für die y- und die z-Richtung): • Werteziffer (WZ) « RMS-Wert nach ENV 12299, Bild 17.5 und Bild 17.6, • K-Wert nach VDI 2057 « RMS-Wert nach ENV 12299, Bild 17.7 und Bild 17.8. In den Bildern sind die Wertepaare, die Trendlinien, die Gleichungen für die Trendlinien und die Bestimmtheitsmaße R 2 dargestellt. Für die y-Richtung liegen die Bestimmtheitsmaße über 0,9 und für die z-Richtung über 0,8. Kap17_B17.05 bis 08_6OMFVERG-Kr 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Werteziffer (WZ y ) RMS-Wert (ENV 12299) Vergleich über alle Meßwerte in y - Richtung WZ y = 3,95 × RMS 0,29 R 2 = 0,99, n = 1420 Bild 17.5: Vergleich zwischen WZ-Werten und RMS-Werten nach ENV 12299, WZ « RMS, y-Richtung 0 1 2 3 4 5 6 7 0 0,5 1 1,5 2 2,5 Werteziffer (WZ z ) RMS-Wert (ENV 12299) Vergleich über alle Meßwerte in z - Richtung WZ z = 3,96 × RMS 0,3 R 2 = 0,82, n = 1420 Bild 17.6: Vergleich zwischen WZ-Werten und RMS-Werten nach ENV 12299, WZ « RMS, z-Richtung 17.5 Zusammenhang zwischen den drei Komfortwerten 623 <?page no="628"?> Kap17_B17.05 bis 08_6OMFVERG-Kr K-RMS y1 0 2 4 6 8 10 12 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 K y -Wert (VDI 2057) RMS-Wert (ENV 12299) Vergleich über alle Meßwerte in y - Richtung K y = 24,63 × RMS 1 R 2 = 0,96, n = 1420 Bild 17.7: Vergleich zwischen K-Werten und RMS-Werten nach ENV 12299, K ↔ RMS, y-Richtung 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 0,5 1 1,5 2 2,5 K z -Wert (VDI 2057) RMS-Wert (ENV 12299) Vergleich über alle Meßwerte in z - Richtung K z = 17,11 × RMS 0,92 R 2 = 0,88, n = 1420 Bild 17.8: Vergleich zwischen K-Werten und RMS-Werten nach ENV 12299, K « RMS, z-Richtung 17.6 Abhängigkeiten 17.6.1 Abhängigkeit von der Fahrbahnart / dem Fahrbahnzustand Für zwei Fahrbahnarten sind in Bild 17.9 (Schotter mit Schwellen und Gleis in Straßenfahrbahn mit Rillenschienen) einzelne Werte der drei Verfahren für dasselbe Fahrzeug (Niederflur-Straßen‐ bahn) bei einer Geschwindigkeit von ca. 50 km/ h gegenübergestellt. Diese Ergebnisse wurden sowohl auf verschiedenen Streckenabschnitten als auch beim wiederholten Befahren derselben Strecken ermittelt. 624 17 Fahrkomfort <?page no="629"?> 152 Bild 17.9: y- / z- Komfortwerte einer Niederflur-Straßenbahn mit v ≈ 50 km/ h auf einem: − Links: Schwellengleis (mit Schotter), − Rechts: geschlossenes Gleis (mit Rillenschienen). Bei diesen Ergebnissen liegen die Messwerte auf dem geschlossenen Gleis deutlich höher als auf dem offenen Gleis. Die Werte nach VDI 2057 streuen am stärksten. Obwohl beide Gleise näherungsweise gerade verlaufen, sind die horizontalen Werte deutlich höher als die vertikalen Werte. Möglicherweise ist dies auf die Fahrzeugkonstruktion zurückzuführen, das Fahrzeug ist relativ weich in Querrichtung ausgelegt (subjektive Empfindung des Autors). Bild 17.10 zeigt die quadratisch gemittelten Komfortwerte für verschiedene Fahrbahnarten. Die Geschwindigkeit betrug jeweils ca. 50 km/ h. Alle Messergebnisse wurden mit demselben Niederflurfahrzeug erzielt. Auch bei diesen Ergebnissen streuen die Werte nach VDI 2057 am stärksten. 0 1 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 K-, a W -,WZ Zeitblöcke je 5 s WZ-y WZ-z 12299-y 12299z VDI 2057-y VDI 2057-z 0 1 2 3 4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 K-, a W -, WZ Zeitblöcke je 5 s 12299-y 12299z WZ-y WZ-z VDI 2057-y VDI 2057-z 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 WZ-y WZ-z 12299-y 12299z VDI 2057-y VDI 2057-z K-, a W -, WZ - Werte Bewertungsverfahren A-RG B-RG C-RG D-YS E-Ri F-Ri G-HS H-BS I-RG Bild 17.9: y- / z- Komfortwerte einer Niederflur-Straßenbahn mit v ≈ 50 km/ h auf einem: Links: Schwellengleis (mit Schotter), Rechts: geschlossenes Gleis (mit Rillenschienen). Bei diesen Ergebnissen liegen die Messwerte auf dem geschlossenen Gleis deutlich höher als auf dem offenen Gleis. Die Werte nach VDI 2057 streuen am stärksten. Obwohl beide Gleise näherungsweise gerade verlaufen, sind die horizontalen Werte deutlich höher als die vertikalen Werte. Möglicherweise ist dies auf die Fahrzeugkonstruktion zurückzuführen, das Fahrzeug ist relativ weich in Querrichtung ausgelegt (subjektive Empfindung des Autors). Bild 17.10 zeigt die quadratisch gemittelten Komfortwerte für verschiedene Fahrbahnarten. Die Geschwindigkeit betrug jeweils ca. 50 km/ h. Alle Messergebnisse wurden mit demselben Niederflurfahrzeug erzielt. Auch bei diesen Ergebnissen streuen die Werte nach VDI 2057 am stärksten. 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 WZ-y WZ-z 12299-y 12299z VDI 2057-y VDI 2057-z K-, a W -, WZ - Werte Bewertungsverfahren A-RG B-RG C-RG D-YS E-Ri F-Ri G-HS H-BS I-RG Bild 17.10: Einfluss verschiedener Fahrbahnarten A bis I (v ≈ 50-km/ h; Niederflurfahrzeug). RG Rasengleis (verschiedene Ausführungen), Ri: Rillenschienengleis (verschiedene Ausführungen), HS: Holzschwellengleis, BS: Betonschwellengleis, YS: Y-Schwellengleis Nicht für alle Fahrbahnarten stand dieselbe Anzahl von Einzelwerten zur Verfügung, so dass hierfür nur ein tendenzieller Vergleich anzustellen ist. Eine Aussage über den Einfluss bestimmter Fahrbahnarten ist daher nicht möglich. Die Ergebnisse spiegeln vielmehr den Einfluss des 17.6 Abhängigkeiten 625 <?page no="630"?> Gleiszustandes wider. So war das Gleis „G-HS“ aufgrund einer optischen Einschätzung in einem relativ schlechten Zustand, die Komfortwerte liegen entsprechend hoch. Umgekehrt handelte es sich bei dem Gleis „I-RG“ um ein neues Gleis, welches in einem sehr guten Zustand war. Auf diesem Gleis wurden die geringsten Komfortwerte gemessen. 17.6.2 Abhängigkeit von der Geschwindigkeit Den Einfluss der Fahrzeuggeschwindigkeit auf die Komfortwerte (hier nur für die WZ-Werte dargestellt) zeigt für die y- und z-Richtung Bild 17.11. Diese Ergebnisse wurden an einem Stadt‐ bahnfahrzeug (Zweirichtungsfahrzeug) auf einem offenen Oberbau gemessen. Die Messpunkte waren mittig auf dem Fußboden an folgenden Stellen im Fahrzeug angeordnet: 1 ⇒ Mitte Drehgestell, 2 ⇒ Gelenk über einem Drehgestell, 3 ⇒ zwischen zwei Drehgestellen, 4 ⇒ Mitte Drehgestell (wie Messpunkt 1, jedoch am anderen Ende des Fahrzeugs). Bild 17.11: Komfortwerte (WZ-y / WZ-z) in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit; Stadtbahnfahrzeug, offener Schotteroberbau, verschiedene Messpunkte im Fahrzeug Für die arithmetischen Mittelwerte ist eine Trendlinie eingezeichnet. Hierfür gilt die Funktion und das Bestimmtheitsmaß. Auch bei diesem Fahrzeug liegen die Komfortwerte in horizontaler Richtung höher als in vertikaler Richtung. Die Abhängigkeit von der Geschwindigkeit fällt für beide Komponenten recht unterschiedlich aus. Für die y-Richtung ist bis auf Messpunkt 2y (Gelenk) ein stetiger Anstieg mit der Geschwindigkeit vorhanden, für das Beispiel beträgt das Bestimmtheitsmaß 0,95. Anders verhalten sich die vertikalen Komfortwerte, hier ist kein stetiger Anstieg gegeben, was sich in dem für das gewählte Beispiel - deutlich niedrigeren Bestimmtheitsmaß äußert (R 2 = 0,66). 17.6.3 Komfortwerte im normalen Betrieb Die im normalen Fahrbetrieb (beschleunigen, rollen, bremsen), auftretenden Komfortwerte hier WZ-Werte zeigt für ein im Außenstadtbereich liegendes Schottergleis Bild 17.12 und für ein im Innenstadtbereich liegendes eingedecktes Gleis (geschlossener Oberbau mit Rillenschienen) Bild 17.13. Dargestellt sind jeweils die y- und z-Komponenten. Im Außenstadtbereich betrug die Höchstgeschwindigkeit knapp 100 km/ h und im Innenstadtbereich ca. 50 km/ h. WZ-y_M = 0,74 ln(x) - 1,34 R² = 0,95 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 40 50 60 70 80 90 100 110 WZ-y v, km/ h 1y 2y 3y 4y y_M WZ-z_M = 0,36 ln(x) + 0,52 R² = 0,66 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 40 50 60 70 80 90 100 110 WZ-z v, km/ h 1z 2z 3z 4z z_M Bild 17.11: Komfortwerte (WZ-y / WZ-z) in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit; Stadtbahnfahrzeug, offener Schotteroberbau, verschiedene Messpunkte im Fahrzeug Für die arithmetischen Mittelwerte ist eine Trendlinie eingezeichnet. Hierfür gilt die im Bild angegebene Funktion und das Bestimmtheitsmaß. Auch bei diesem Fahrzeug liegen die Komfortwerte in horizontaler Richtung höher als in vertikaler Richtung. Die Abhängigkeit von der Geschwindigkeit fällt für beide Komponenten recht unterschiedlich aus. Für die y-Richtung ist - bis auf Messpunkt 2y (Gelenk) - ein stetiger Anstieg mit der Geschwindigkeit vorhanden, für das Beispiel beträgt das Bestimmtheitsmaß 0,95. Anders verhalten sich die vertikalen Komfortwerte, hier ist kein stetiger Anstieg gegeben, was sich in dem - für das gewählte Beispiel - deutlich niedrigeren Bestimmtheitsmaß äußert (R 2 = 0,66). 17.6.3 Komfortwerte im normalen Betrieb Die im normalen Fahrbetrieb (beschleunigen, rollen, bremsen), auftretenden Komfortwerte - hier WZ-Werte - zeigt für ein im Außenstadtbereich liegendes Schottergleis Bild 17.12 und für ein im Innenstadtbereich liegendes eingedecktes Gleis (geschlossener Oberbau mit Rillenschienen) Bild 17.13. Dargestellt sind jeweils die y- und z-Komponenten. Im Außenstadtbereich betrug die Höchstgeschwindigkeit knapp 100 km/ h und im Innenstadtbereich ca. 50 km/ h. Auf beiden 626 17 Fahrkomfort <?page no="631"?> Streckenabschnitten gab es Bereiche mit Weichen. Alle Ergebnisse wurden in demselben Fahrzeug und an denselben Messpunkten auf dem Fußboden in Fahrzeugmitte gemessen. Die „Leerstellen“ markieren jeweils Haltestellen. In diesem Bereich erfolgten keine Messungen. Deutlich sind die Weichenüberfahrten zu erkennen, hier wurden auf beiden Strecken die höchsten Komfortwerte (in z-Richtung) gemessen. Sie liegen über WZ = 4, teilweise sogar über WZ = 5. Nach Tabelle 17.1 wäre hier bereits eine mögliche Betriebsgefährdung vorhanden. In dem vorliegenden Fall war die Geschwindigkeit jedoch relativ gering, so dass eine Betriebsgefährdung auszuschließen ist. Kap17_B17.12 u 13_KOMFORTS-Saarbahn2000 Dia DB Strecke MP2 0 1 2 3 4 5 6 1 9 17 25 33 41 49 57 65 73 81 89 97 105 113 121 129 137 145 153 161 169 177 WZ Zeitblöcke je 5 s MP2_y MP2_z Bild 17.12: Komfortwerte bei normalem Fahrzyklus auf einem Schottergleis in einem Stadtbahnfahrzeug, v max ca. 100-km/ h 0 1 2 3 4 5 1 7 13 19 25 31 37 43 49 55 61 67 73 79 85 91 97 103 109 115 121 127 133 139 WZ Zeitblöcke mit je 5 s MP2_y MP2_z Bild 17.13: Komfortwerte bei normalem Fahrzyklus auf einem geschlossenen Oberbau in einem Stadtbahnfahr‐ zeug, v max ca. 50-km/ h 17.6 Abhängigkeiten 627 <?page no="632"?> 17.7 Literatur zu Kapitel 17 [17.1] Eickschen, E./ Blennemann. F./ Brandenburg, W. u. a.: Erschütterungen in der Umgebung von ÖPNV-Schienenbahnen. STUVA-Forschungsberichte 17/ 84 (1984) [17.2] NN: Bahnanwendungen - Fahrkomfort für Fahrgäste: Messung und Auswertung. ENV 12299 ( Juli 1999) [17.3] Sperling, E. und Ch. Betzhold: Beitrag zur Beurteilung des Fahrkomforts in Schienenfahrzeugen. Glasers Annalen (1956) Oktober, S. 314-317 [17.4] Frederich, F.: Zum horizontalen Fahrverhalten von Schienenfahrzeugen für konventionelle Fahrgeschwindigkeiten. ZEV-Glas. Ann. 98 (1974) Nr. 7/ 8 Juli/ August, S. 252-258 [17.5] Dellmann, T. und W. Specht: Verfahren zur Schwingungsbeurteilung: Vergleich am Beispiel eines Reisezugwagens. AET (41) - 1986, S. 45-53 [17.6] Reiß, G. und R. Schraut: Zur Berechnung und Messung des Schwingungsverhaltens und des Fahrkomforts von Schienenfahrzeugen. ZEV-Glas. Ann. 113 (1989) Nr. 3 März, S. 66-75 [17.7] Laconte, F.: Geschwindigkeitsweltrekord auf Schienen. ZEV-Glas. Ann. 114 (1990) Nr. 11/ 12 November/ Dezember, S. 422-428 [17.8] Becker, K.: Zur Bewertung des Fahrkomforts in Fahrzeugen und Vorschlag einer internationalen Kenngröße für den Nahverkehr. Verkehr und Technik 1978, Heft 8, S. 325- 328 [17.9] NN: Einwirkungen mechanischer Schwingungen auf den Menschen. VDI 2057: • Blatt 1: Grundlagen, Gliederung, Begriffe • Blatt 2: Bewertung • Blatt 3: Beurteilung [17.10] Krüger, F. und H. Becker: Gegenüberstellung von Fahrkomfortwerten für verschiedene Fahrzeuge des Schienennahverkehrs in Abhängigkeit von der Fahrbahnart und Geschwindigkeit. VDI BERICHTE 1568-Dynamik von Fahrzeug und Fahrweg (2001) 628 17 Fahrkomfort <?page no="633"?> Anhang A Begriffe F. Krüger Vorbemerkung: Im Folgenden sind einige für Verkehrsemissionen und -immissionen (Schall und Erschütterungen) wesentliche Begriffe zusammengestellt. Sie werden in alphabetischer Reihenfolge stichwortartig so erläutert, dass ein mit der Materie nicht oder nur wenig Vertrauter eine erste Orientierung erhält, ohne weitere Literatur zu Hilfe nehmen zu müssen. Auf Normungshinweise wird verzichtet (s. Anhang B). Durch das Zeichen „⇒“ wird auf an anderer Stelle beschriebene Begriffe hingewiesen. Einige Begriffe wurden der Anlage 2 zur 16. BImSchV (2014) - Schall 03 entnommen (Berech‐ nung der Schallimmissionen an Schienenverkehrswegen). Begriff Erläuterung A-Bewertung (A-weighting) Frequenzbewertung von Schalldruckpegeln nach der Kurve A. Das menschliche Ohr hat eine frequenzabhängige Empfindlichkeit. Diese Empfindlichkeit wird durch die A-Bewertung des linearen Schalldruckpegels L p berücksichtigt. Die A-Bewertung entspricht näherungsweise dem subjektiven Hörempfinden bei 40-dB(A). Als Kennzeichnung für einen A-bewerteten Schalldruckpegel gilt neuerdings L pA in dB (früher L p in dB(A)). In der Praxis wird jedoch weitgehend dB(A) verwendet. Abschirmmaß (sound isolation level): Abnahme des Schalldruckpegels an einem Ort hinter einem Hindernis gegenüber dem Schalldruckpegel ohne Hindernis bei einer frei fortschreitenden Welle. Absorption (absorption) ⇒ Dämpfung Absorptionsgrad (absorption coefficient) Auch Schallschluckgrad α: Verhältnis der absorbierten (plus durchgelassenen) Schallintensität zur auftreffenden Schallintensität (z. B. einer Schallschutzwand). Es gilt: α = I absor + durch I auftreffebd = δ + τ = 1 − r 2 δ Dissipationgrad; τ Transmissionsgrad; r Reflexionsfaktor ⇒ Reflexion Admittanz, mechanische (mobility) (Kehrwert der Impedanz Z(if); Y(if) = 1/ Z) in (m/ s)/ N stellt das Verhältnis der angeregten Schwinggeschwindigkeit v(f) zur anregenden Kraft F(if) dar (Y(if) = v(if)/ F(if)). Sie ist ein Maß für die Schwingungsempfindlichkeit eines mechanischen Systems (z. B. Rad, Schiene, Oberbau, Tunnel, Boden, Gebäude, etc.). Sie wird auch als Pegelwert L Y (Betrag) verwendet (z. B. mit Y 0 = 5 . 10 -8 (m/ s)/ N). Es wird unterschieden nach ⇒ (Punkt-) Eingangsadmittanz Y mm (if) ⇒ und Übertragungsadmittanz Y mn (if). Aliasingeffekt (aliasing effect) Bei einer A/ D-Wandlung muss die Abtastfrequenz mindestens das 2-fache der im Signal enthaltenen höchsten Frequenz betragen. Ist dies nicht der Fall, dann entstehen Fehler durch Faltungseffekte, die nicht mehr zu korrigieren sind. <?page no="634"?> Begriff Erläuterung Amplitude (amplitude) Größter Ausschlag eines schwingenden Teilchens. Die Bezeichnung gilt eigentlich nur für den Scheitelwert von sinusverwandten Schwingungen, sie wird aber auch für andere Schwingungsarten verwendet. Amplitudenfrequenzgang (amplitude frequency response): Verhältnis V T der Eingangsgröße (Schall, Schwingung, Kraft) zur Ausgangsgröße eines elektrischen oder mechanischen Bauteils in Abhängigkeit von der Frequenz. Als Beispiel ist zu nennen die Übertragung zwischen übertragener Kraft (Sohlkraft F S ) und erregender Kraft F err bei einem Masse-Feder-System als Oberbau. Der Amplitudenfrequenzgang lässt sich aufteilen in einen Bereich mit Verstärkung und in einen Bereich mit Minderung (Abschirmung). Auflösung (resolution) Kleinste zu messende Änderung eines Messgerätes. Bei einem Handschallpegelmesser beträgt sie z. B. häufig 0,1-dB. Aufschlag-Tipp (tip) Spitze eines Prüfhammers. Seine Härte bestimmt das Frequenzband des eingeleiteten Kraftstoßes. Auflösungsvermögen (resolution) Wird vom Durchlassbereich des Filters und seiner Mittenfrequenz (geometrisches Mittel aus der oberen und unteren Frequenzgrenze des Durchlassbereiches) bestimmt (gilt für Terz- oder Oktavfilter). Aufzeichnungszeit (recording time) Mit der Aufzeichnungszeit T rec wird das gesamte Schallereignis eines vorbeifahrenden Zuges berücksichtigt (ansteigendes, gleichmäßiges und abfallendes Schallsignal). Diese Zeit wird auch für Körperschallsignale (Erschütterungen) verwendet. Ausbreitungsdämpfung (transmission damping) Mit der Entfernung von einer Schall- oder Schwingungsquelle nehmen in der Regel die Amplituden (Pegel) ab. Im Wesentlichen ist dies auf eine Dämpfung (Reibung oder ⇒ Dissipation in der Luft oder im Boden) zurückzuführen. Außerdem wirkt noch die sogenannte geometrische Ausbreitungsdämpfung. Diese besagt, dass mit zunehmender Entfernung von der Quelle sich die Energie auf größere Flächen verteilt (Abstandsgesetz) und somit die Energiedichte abnimmt. Die Dämpfung ist frequenzabhängig. Durch die Dämpfung werden insbesondere die Amplituden der höheren Frequenzen gemindert. Dies führt u. a. dazu, dass Gebäude, die in einem größeren Abstand zur Strecke liegen (> 10 m), nur mit niedrigen Frequenzen angeregt werden. Weitere Einflüsse sind: Reflexionen an Hindernissen, Absorption und Beugung (Schallausbreitung). Aussteuerungsbereich (range of modulation) Nutzbarer Messbereich eines Messaufnehmers. In diesem Bereich besteht ein proportionaler Zusammenhang zwischen Eingangs- und Ausgangssignal. Äquivalenter Dauerschalldruckpegel (continiuous sound pressure level) Zehnfacher dekadischer Logarithmus L pAeq,Trec des Quotienten aus über die Zeit gemitteltem Quadrat des Schalldrucks und Quadrat des Bezugsschalldrucks. Bahnkörper (railway body) Der Oberbau und der Unterbau bilden den Bahnkörper. Beschleunigungsaufnehmer (acceleration transducer) Messwertaufnehmer zur Erfassung von Schwing-Beschleunigungen. Die Messung erfolgt mit Hilfe einer seismischen Masse und der Massenträgheit z. B. unter Ausnutzung des piezo-elektrischen Effektes. Solche Aufnehmer werden zur Messung von Körperschall (bis über 20 kHz) und für Erschütterungen eingesetzt. Bettungsmodul (modulus of reaction) C stat , C dyn in kN/ mm 3 (auch Bettungszahl oder Bettungsziffer genannt) stellt die Beziehung zwischen der Flächenpressung p, z. B. des Schotters unter der Schwelle und der Einsenkung s dar (C = p/ s). Ein geringerer Bettungsmodul führt bei gleichen Fahrzeugparametern zu einer Schwingungsminderung. Die maximal zulässige Einfederung ist mit dem 630 Anhang <?page no="635"?> Begriff Erläuterung jeweiligen Verkehrsunternehmen abzustimmen. Sie wird begrenzt durch das Entgleisungskriterium, welches für den Fall eines Schienenbruches eine begrenzte Schienenverformung zulässt. Steifigkeit von flächigen elastischen Elementen im Oberbau (z. B. Schotter, Zwischenplatten und Unterschottermatten) und von Böden. Er wird in (N/ mm)/ mm 2 oder in N/ mm 3 angegeben. Beugung von Schallwellen (diffraction of sound waves) Die Wellenlängen des hörbaren Schalls in der Luft liegen zwischen ca. 2-cm und ca. 20-m. Bei Hindernissen von der Größenordnung dieser Wellenlängen findet für diese und größere Wellenlängen keine vollkommene Reflexion statt. Die Schallwellen können um das Hindernis herum in dessen geometrischen Schatten gebeugt werden, so dass auch dort ein Schall wahrnehmbar ist (wesentlich bei → Schallschutzwänden). Beurteilungsgrößen (rating values) Dient der Beurteilung von Erschütterungsimmissionen. Es gibt zwei Größen: • KB Fmax , die maximale Bewertete Schwingstärke, • KB FTr , die Beurteilungsschwingstärke. Die beiden Größen sind getrennt für die drei Richtungskomponenten x, y und z zu ermitteln. Der jeweils größte KB F -Wert der drei Schwingungsrichtungen ist der Beurteilung zugrunde zu legen. Beurteilungspegel (rating level) Bewerteter, gemittelter Pegel L r (Einzahlkennwert) für die durchschnittliche Immission von Geräuschen während der Beurteilungszeit T r . In der Richtlinie Schall 03, Ausgabe 1990, wird der Beurteilungspegel in dB wie folgt beschrieben (Zitat): „Der Beurteilungspegel L r dient zur Kennzeichnung der Immissionen. Er wird bestimmt aus den relevanten Emissionspegeln, den Pegeldifferenzen auf den jeweiligen Ausbreitungswegen und der Korrektur für die geringere Störwirkung des Schienenverkehrslärms (s. dazu „Sechzehnte Verordnung zur Durchführung des Bundesimmissionsschutzgesetzes (Verkehrslärmschutzverordnung 16. BImSchV von 1990 bzw. von 2014). Beurteilungspegel werden für die Zeiträume • Tag (06: 00 Uhr bis 22: 00 Uhr) und • Nacht (22: 00 Uhr bis 06: 00 Uhr) angegeben“. Nach o. g. Verordnung wird der Beurteilungspegel grundsätzlich berechnet. Als Begründungen hierfür werden genannt: • stark schwankende Verkehrsbelastungen, • erhebliche Pegelschwankungen bei größeren Abständen zwischen dem Verkehrsweg und dem Immissionsort, die insbesondere auf schwankende Windgeschwindigkeiten und -richtungen sowie auf Temperaturveränderungen zurückzuführen sind, • keine Messmöglichkeiten bei neu geplanten oder erheblich veränderten Verkehrswegen. Beurteilungspegel für den Sek. Schall (rating level of ground-borne noise) Der zur Beurteilung der Sekundärschallimmissionen herangezogene Schallpegel in dB(A) (mittlerer Maximalpegel L pAFmax,m / L pASmax,m oder Mittelungspegel L pAeq,T ). Näherungsweise besteht zwischen den drei Größen folgender Zusammenhang: L pAF max, m ≈ L pASmax, m + 2dB ≈ L pAeq, T + (1 dB bis 3 dB). Beurteilungs-Schwingstärke KB FTr (rating vibration forces) Der Taktmaximal-Effektivwert KB FTm über die Beurteilungszeit T r unter Berücksichtigung eines Gewichtsfaktors für Einwirkungen in A Begriffe 631 <?page no="636"?> Begriff Erläuterung Ruhezeiten. Zur Beurteilung von Schienenverkehrserschütterungen sind keine besonderen Ruhezeiten zu berücksichtigen. Bewertete Schwingstärke KBτ(t) Gleitender Effektivwert des frequenzbewerteten Erschütterungssignals. Bewerteter Schalldruckpegel - A-, B-, C-, Z-Bewertung (rating noise level) Das menschliche Gehör nimmt Töne mit gleichem Schalldruck (gleicher Schallintensität) aber unterschiedlicher Frequenz verschieden laut war. Messtechnisch wird dies berücksichtigt durch den Einsatz bestimmter elektronischer Bewertungsfilter (A, B, C, Z). Diese Filter dämpfen - ähnlich dem menschlichen Gehör - bei tiefen und bei hohen Frequenzen den Schalldruck. Entsprechend der Hörphysiologie ist die A-, B- und C-Bewertung für verschiedene Lautstärken vorgesehen. Der A-Bewertungsfilter war - wegen seines hohen Dämpfungsverhaltens im unteren Frequenzbereich - zunächst nur für Schalldruckpegelbereiche unter 60-dB vorgesehen. Heute wird dieser Filter jedoch - beim Schienenverkehr - für den gesamten Schalldruckbereich verwendet (s. z. B. Anlage 2 zur 16. BImSchV von 2014 - Schall 03). Dämmung (isolation) Durch Reflexionen des Körperschalls an bestimmten Stellen durch Verwendung elastischer Zwischenschichten (Federelemente), durch Wechsel des Mediums (z. B. Übergang zwischen Schotter und Unterschottermatte) oder der Abmessung, durch Sperrmassen oder andere Diskontinuitäten (Impedanzsprünge) erfolgt eine Änderung der Schall- und Schwingungsenergie in Ausbreitungsrichtung. Es tritt keine Energieumwandlung wie bei der Dämpfung auf. In der Praxis treten häufig Dämpfung und Dämmung gleichzeitig auf. Dämpfung D (absorption, damping) ⇒ Tilgung beinhaltet eine (teilweise) Umwandlung der Schall- und Schwingungsenergie in Wärme (⇒ Dissipation). D. ist z. B. durch Verwendung dämpfender Materialien (Schotter, Unterschottermatte) oder durch Reibung an Kontaktflächen (z. B. Kontaktflächen zwischen Schwelle und Schotter oder Schotter und Matte) vorhanden. Die Dämpfung hängt ab vom Werkstoff, von der Frequenz und der Vorlast. Beim Oberbau sind Werte zwischen ca. 0,1 und 0,3 vorhanden. Zur Berechnung der Einfügungsdämmung von Oberbauformen sind sogar noch höhere Werte einzusetzen, bis 0,5. Vorgang des Abklingens einer Schwingung aufgrund von Abstrahlung von kinetischer Energie in Form von Wellen und/ oder Umwandlung kinetischer Energie in Wärme. Im Allgemeinen ist der Zusammenhang zwischen Dämpfungskraft und der Schwinggeschwindigkeit nicht linear). Dichte (density) ρ = m/ V in kg/ m 3 Differenz-Terzpegelspektrum (difference-one third oktave spectrum) Beschreibt die Differenz zweier Terzpegelspektren D f Tn = L 1 f Tn − L 2 f Tn Dissipation (dissipation) Umwandlung der Schall- und Schwingungsenergie in Wärme. DMS (strain gauge) Abkürzung für Dehnungsmessstreifen. Bei Dehnungsmessstreifen ändert sich der elektrische Widerstand, wenn er gedehnt oder gestaucht wird. DMS werden eingesetzt zur Messung von Druck, Kraft und Beschleunigung. Die Auswertung der Widerstandsänderung erfolgt über eine Messbrücke. Einfügungsdämmung (insertion loss or insertion gain) Die Einfügungsdämmung stellt das Verhältnis zweier Körperschallleistungs-Spektren dar, die für zwei unterschiedliche Systeme (Oberbauformen, Einbauten im Boden, elastische Gebäudelagerungen etc.) an identischen Orten und unter sonst weitgehend identischen Randbedingungen ermittelt worden sind. Die Einfügungsdämmung ist unabhängig davon, ob die Schwingbeschleunigung oder die 632 Anhang <?page no="637"?> Begriff Erläuterung Schwinggeschwindigkeit vorliegt. Die Einfügungsdämmung kann aus Rechen- und Messergebnissen ermittelt werden. Die Einfügungsdämmung kann auch über die Messung der Admittanzen ermittelt werden, wobei sie hierbei das Verhältnis der Quadrate beider Admittanzen darstellt. Diese Art der Ermittlung erfolgt vor allem bei einem Prüfaufbau im Labor unter Anregung mit einer definierten Kraft. Echtzeit-Analyse (real time analysis): Für die Erstellung eines Spektrums sind mehrere Filter nötig. Werden sie gleichzeitig parallel betrieben, so hat man das Spektrum sofort (in „Echtzeit“) zur Verfügung. Effektivwert (RMS: Root Mean Square) Der Effektivwert einer Schall- und Schwingungsgröße ist gleich der Wurzel aus dem zeitlichen Mittelwert der quadrierten Schall- und Schwingungsgröße (quadratischer Mittelwert). Das Quadrat des Effektivwerts ist also gleich dem Integral der Leistungsdichte über der Frequenz. Schwingungsgrößen in der Schall- und Schwingungstechnik werden meistens als Effektivwert gemessen und angegeben. Falls das Spektrum der Schwingungsgröße breiter ist als der lineare Frequenzbereich des Messgeräts, ist der gemessene Effektivwert abhängig von der Frequenzkurve. Die Unterschiede sind jedoch meist zu vernachlässigen, wenn die größten spektralen Anteile im linearen Frequenzbereich des Messgeräts liegen. Effektivwerte lassen sich quadratisch addieren. Sind mehrere Schwingungen verschiedener Frequenz einander überlagert, so ist das Quadrat des Gesamt-Effektivwerts gleich der Summe der Quadrate der einzelnen Effektivwerte. Einfügungsdämm-Maß (insertion loss) Zehnfacher dekadischer Logarithmus der Einfügungsdämmung. In der Praxis wird das Einfügungsdämm-Maß eines Oberbaus meistens aus der Differenz zweier Terzpegelspektren wie folgt ermittelt: D e f T n = L v, 1 f T n − L v, 2 f T n = L a, 1 f T n − L a, 2 f T n mit L v, 1 f T n , L a, 1 f T n Körperschallpegel für den Ausgangszustand, L v, 2 f T n , L a, 2 f T n Körperschallpegel nach dem Umbau auf eine andere Lösung (z. B. Einbau eines zusätzlichen elastischen Elementes im Fahrweg, Baugrund oder Gebäude). f T n Mittenfrequenz der Terz n. Einfügungsdämm-Maß eines Gleisoberbaus (transmission loss of a track) Es ist grundsätzlich zu unterscheiden zwischen absolutem D e f T n und relativen Einfügungsdämm-Maß D e, rel f T n . In der Praxis wird in der Regel nur das relative Einfügungsdämm-Maß verwendet, dies wird dann ohne weiteren Zusatz als Einfügungsdämm-Maß D e f T n bezeichnet (s. Zeile zuvor). Das Einfügungsdämm-Maß wird grundsätzlich in dB (logarithmisch) angegeben. Bei der Angabe des Einfügungsdämm-Maßes ist der Bezugsmesspunkt zu beachten. Durch das unterschiedliche Eigenschwingungsverhalten der einzelnen Teilsysteme des Übertragungssystems treten abweichende Einfügungsdämm-Maße an verschiedenen Messpunkten auf (in der Regel liegen die Abweichungen unter 5 dB). Das Einfügungsdämm-Maß kann wie folgt ermittelt werden: 1. Experimentell mit künstlicher Anregung auf einem kurzen Versuchsabschnitt in einer Versuchshalle oder auf der Strecke, 2. Experimentell mit Fahrzeuganregung auf einem befahrbaren Streckenabschnitt, A Begriffe 633 <?page no="638"?> Begriff Erläuterung 3. Theoretisch. Das relative. Einfügungsdämm-Maß kann aus den Eingangs-Admittanzen (oder dynamischen Steifigkeiten) des Oberbaus O, des Rades R und der Tunnelsohle S wie folgt abgeschätzt werden: D e = 20 • lg 1 + YOO YRR + Y SS 1 + YOO * YRR * + Y SS * * Referenzsituation. Die besten Ergebnisse werden durch Versuchsfahrten auf der Strecke erzielt. Wesentlich ist hierbei, dass die Messungen unter - weitgehend - identischen Randbedingungen durchgeführt werden. Eigenfrequenz (eigen frequency) Eigenschaft eines jeden schwingenden Systems (⇒ Resonanzfrequenz). Anregungen bis zum 2 − fachen von f 0 werden unverändert oder verstärkt übertragen. Die Größe der Verstärkung hängt von der ⇒-Dämpfung des Systems ab. Oberhalb des Wertes 2 • f 0 tritt eine Schwingungsminderung auf. Im Bereich der Eigenfrequenz werden die eingeleiteten Kräfte - bei schwacher Dämpfung - stark verstärkt übertragen. Für ein Einmassenschwinger lässt sich f 0 berechnen aus der schwingenden ⇒ Masse m und der ⇒ Steifigkeit k (veraltet manchmal auch mit c bezeichnet! ). f 0 = 1 2π • k m Eingangsadmittanz Y mm (driving point mobility): Admittanz an der Einleitungsstelle einer Kraft. Einschwingzeit (transient period) Zeitdauer zwischen einer sprunghaften Änderung der Messgröße (Impuls) und dem Einstellen der elektrischen Ausgangsgröße des Aufnehmers innerhalb einer vorgegebenen Abweichung (z. B. 10 % vom endgültigen Wert). Einzelereignispegel L T 0 (= sound exposure level SEL) Über die Messzeit T M gebildete und auf eine Sekunde (T 0 ) bezogene Mittelungspegel L m des von der Vorbeifahrt eines Fahrzeuges am Messort verursachten Geräusches. Der Einzelereignispegel wird auch wie folgt geschrieben: L p, T 0 = 1s L p, T 0 = 1s = L pAeq, T + 10 • lg T T 0 Emission (emission or creation) Die an einem bestimmten Ort auftretenden Erschütterungen v(f) im Boden; z. B. Tunnelsohle in Gleismitte (oder Tunnelwand), Boden in 8-m Abstand von Gleismitte Emissionspegel (emission level) Der an einem bestimmten Ort auftretende Erschütterungspegel L v (f) im Boden; z. B. Tunnelsohle in Gleismitte (oder Tunnelwand), Boden in 8-m Abstand von Gleismitte, hier als Terzpegel-Spektrum Emission E (emission, creation) Emission ist das von einer Quelle (z. B. Rad als allg. Schallstrahler) ausge‐ hende Signal (Geräusch oder Erschütterung). Zur Beurteilung der Emission ist die Angabe einer Bezugsentfernung von der Quelle erforderlich. Für den Schall ist dies der 7,5 m- (25 m)-Messpunkt (s. 16. BImSchV 2014 - Schall 03) und für Erschütterungen aus oberirdischem Verkehr der 8-m-Messpunkt. Empfindlichkeit (sensivity) Übertragungsfaktor eines Messaufnehmers, d. h. der Quotient zwischen elektrischen Ausgangssignal (z. B. in V) und der mechanischen Eingangsgröße (z. B. m/ s 2 bei einem Beschleunigungsaufnehmer). 634 Anhang <?page no="639"?> Begriff Erläuterung Ereignispegel L p, T 0 (noise event level) Er ist ein auf eine bestimmte Zeit T 0 (z. B. eine Stunde oder 1-Sekunde) umgerechneter Mittelungspegel. Es gilt: L p, T 0 = L m + 10 • lg T m T 0 Erschütterung (groundborne vibration) Mechanische Schwingungen fester Körper mit potentiell schädigender oder belästigender Wirkung. Hier werden Schwingungen im Frequenzbereich zwischen 3-Hz und 80-Hz, die im Oberbau, im Unterbau (z. B. Tunnel), im Boden und im Gebäude auftreten als Erschütterungen bezeichnet. Erschütterungen (ground borne vibration) Tieffrequente (Tunnel-, Boden-, Decken-) Schwingungen im Frequenzbereich zwischen (1) 4-Hz und 80-(100) Hz. Bei einer Einwirkung auf Menschen in Gebäuden werden zur Bewertung KB F -Werte herangezogen (Maximalwerte der frequenz- und zeitbewerteten Schwinggeschwindigkeitssignale einzelner Zugvorbeifahrten). Bei der Bewertung der Einwirkung auf die Gebäude selber wird der v max -Wert herangezogen. Ersatzerreger (artificial exciter) Zur Simulation von Fahrzeugerregungen werden sie eingesetzt. Sie dienen u. a. der Ermittlung der Übertragungseigenschaften (z. B. Übertragungsadmittanzen) von Gesamt- oder Teilsystemen (Tunnel, Boden, Gebäude etc.). Folgende Erreger kommen zum Einsatz: Shaker (elektrodynamische Erreger), Unwuchterreger, Baurüttler (Vibrationsplatten), Hammerwerke und Impulshämmer. Fast-Fourier-Analyse (FFT) Die ⇒ FFT ist ein schnelles Rechenverfahren zur Transformation von Zeitsignalen in den Frequenzbereich. Hierdurch werden Spektren konstanter Absolutbandbreite gebildet (Schmalbandspektren mit kontinuierlich vorhandenen Linien). Eine Addition der in eine Terz (Oktave) fallenden Leistungsanteile führt zu einer Abschätzung der entsprechenden Terz- oder Oktavspektren. Die Abschätzung ist umso genauer, je mehr Linien in eine Terz (Oktav) fallen. Auf dem Markt verfügbare FFT-Analysatoren (heute wird meist eine entsprechende Software angewendet) stellen in der Regel n = 200, 400 oder 800 Linien zur Verfügung. Je nach interessierendem Frequenzbereich f b folgt hieraus die höchstmögliche Frequenzauflösung Δf. Δf = f b n In der Regel reicht für aus dem Schienenverkehr verursachte tieffrequente Schwingungen (< 350-Hz) eine Frequenzauflösung von ca. 1-Hz für eine hinreichend genaue Beurteilung aus. Feder (spring) Beim Oberbau wirken Schotter, Zwischenplatten, Unterschottermatten, Elastomerlager unterhalb von Betonmassen als Federn. Federsteifigkeit ⇒ Steifigkeit. FFT-Analysator (FFT-analyzer) Ein Messgerät zur Erstellung von Frequenzspektren unter Ausnutzung der Fast-Fourier-Transformation (⇒ FFT). Filter (filter) (Bandpassfilter): Gerät zur messtechnischen Erfassung eines Spektrums (herausfiltern einzelner Frequenzbereiche). Zur Frequenzanalyse werden heute vorwiegend digitale Filter verwendet. Mit Hochpassbzw. Tiefpassfiltern werden tiefe bzw. hohe Frequenzanteile gedämpft. Bandpässe werden bei der A- und KB F -Bewertung eingesetzt. Freifeld (free field) Geländeoberfläche ohne Einfluss durch ein Bauwerk, keine Reflexionen an Gebäuden oder im Boden. Frequenz (frequency) f Anzahl der Schwingungen pro Sekunde in Herz (Hz). A Begriffe 635 <?page no="640"?> Begriff Erläuterung Frequenzanalyse (frequency analysis) Durch eine Frequenzanalyse wird ein Signal aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich transformiert. Frequenzbereich (frequency range) Der Bereich eines Mikrofons oder Schwingungsaufnehmers, bei dem die Empfindlichkeit x% von der Nennempfindlichkeit abweicht. Frequenzbewertetes Erschütterungssignal KB(t) Frequenzbewertung des gemessenen Erschütterungssignals: H KB f = 1 1 + f 0 / f 2 f 0 = 5,6 Hz (Grenzfrequenz des Hochpasses) Frequenzgang (frequency response) Verhältnis der Amplitude eines Schwingweges zur Amplitude der Kraft während einer harmonischen Bewegung als Funktion der Frequenz, somit der Betrag der komplexen Übertragungsfunktion. Frequenzspektrum (frequency spectrum) Schall- und Schwingungsgröße gibt die Verteilung der harmonischen Bestandteile, aus denen eine Schwingung zusammengesetzt ist, über der Frequenz an. Die Amplituden der Harmonischen periodischer Schwingungen bilden ein sogenanntes Linienspektrum, das bei einer harmonischen Schwingung nur aus einer einzigen Linie besteht. Für nichtperiodische Schwingungen sind die Anteile kontinuierlich über der Frequenz verteilt. Gebäudeabstand (building distance) Abstand des Gebäudes von der Mitte des betrachteten Gleises. Geophon (geophone) Empfindlicher Schwingungsaufnehmer, mit dem direkt die ⇒ Schwinggeschwindigkeit v(t) gemessen werden kann. Geräusch (noise) Schall, der sich aus Tönen beliebiger Frequenz zusammensetzt. Tonale Anteile bestimmen den Charakter eines Geräusches. Es besitzt ein breitbandiges, kontinuierliches Frequenzspektrum. Hysterese (hysteresis) Energieverlust pro Zyklus (z. B. bei der Anregung des Bodens, eines elastischen Elementes durch eine harmonische Belastung). Immission (immission, reception) Ist das auf den jeweils betrachteten Standort einwirkende Signal (Geräusch oder Erschütterung). Auf den Menschen in geschlossenen Räumen einwirkende Erschütterungen und Sekundärschalle. Immissionsort IO (immission location) Ort in einem Gebäude, an dem die Immission ermittelt wird, im Allgemeinen gilt für: • Erschütterungen: Fußboden am Ort der stärksten Erschütterungen, in der Regel ist dies in Raummitte, • Sekundärschall: In Raummitte 1,2-m / 1,6-m über dem Fußboden. Maßgeblicher Ort für die Ermittlung eines Beurteilungspegels, nach „Anlage 2 zur 16. BImSchV 2014 - Schall 03“: • bei Gebäuden in Höhe der Geschossdecke (0,2-m über der Fensteroberkante) auf der Fassade der zu schützenden Räume und • bei Außenwohnbereichen 2 m über der Mitte der als Außenwohnbereich genutzten Fläche ANMERKUNG: Reflexionen an der Immissionsort-Fassade werden nicht berücksichtigt. Immissionspegel (reception level) In Gebäuden ermittelter Körperschall- und Sekundärschallpegel. 636 Anhang <?page no="641"?> Begriff Erläuterung Impedanz, mechanische Z(if) (mechanical impedance) Schwingwiderstand eines mechanischen Systems (s.a. Admittanz). Impedanz (und Admittanz) sind frequenzabhängige und komplexe Größen. Impulshaltigkeit (impulse noise): Mit der I. werden Geräusche gekennzeichnet, die schnelle Pegeländerungen enthalten (z. B. Knalle, Rammgeräusche). Wegen ihrer erhöhten Lästigkeit (erhöhte Auffälligkeit, Schreckwirkung) wird sie im ≈Beurteilungspegel durch einen Impulszuschlag berücksichtigt. Impuls-/ Prüfhammer (impact hammer) Er dient zur Krafteinleitung und Messung von Anregungsstößen, er verfügt hierzu über einen integrierten Kraftaufnehmer. Je nach Größe der Hammermasse und des verwendeten ⇒ Aufschlag-Tipps lassen sich unterschiedlich schwere Massen und Frequenzbereiche anregen (z. B. Tunnel und Fahrzeugkomponenten). Isophonen (isophones) Kurven gleichen (bewerteten oder unbewerteten) Schalldrucks längs einer Strecke (Lärmkarte). Isolierwirkungsgrad I (isolating degree of effectiveness) Verhältnis in % zwischen der Differenz aus Erregerkraft F err (z. B. Fahrzeug) und Sohlenkraft F S zur Erregerkraft in Prozent. I = F err − F S F err • 100 % = 1 − V D Justieren (adjusting) Einstellen eines Ausgangssignals oder einer Anzeigeeinheit auf einen vorgegebenen Sollwert (kalibrieren). Z. B. ist die Anzeige eines Schallpegelmessers mit einem Kalibrator auf den vorgegebenen Pegelwert einzustellen (häufig 94-dB oder 104-dB). Kalibrieren (calibrating) ⇒ Justieren Kalibrator (calibrator) Er erzeugt eine Vergleichsgröße hoher Genauigkeit zum Kalibrieren von Messwertaufnehmern, Messgeräten oder Messketten. Zur Kalibrierung von Schwingungsmessketten wird z. B. ein Signal von 1 g (9,81 m/ s 2 ) verwendet. KB F -Wert (KB F -value) Einzahlwert zur Kennzeichnung der Erschütterungsstärke in Gebäuden. Für eine Erschütterungsbewertung sind folgende KB F -Werte zu ermitteln: • Taktmaximalwert KB FTi . Dies ist der maximale KB F -Wert innerhalb eines 30-Sekunden Taktes. Bei Straßen -und Eisenbahnen ist dies der maximale KB F -Wert während einer Zugvorbeifahrt. • Maximale Bewertete Schwingstärke KB Fmax . Dies ist der maximale KB FTi -Wert während der jeweiligen Beurteilungszeit T r (Tag/ Nacht) bzw. der Messzeit T m . Neu für Schienenbahnen: KB Fmax = 1,5 mal KB FTm . • Taktmaximal-Effektivwert. Dieser Wert ist aus den KB FTi -Werten wie folgt zu bestimmen: KB FTm = 1 n • i = 1 N KB FTi 2 Mit: N Anzahl aller Takte je 30-Sekunden während der Messbzw. Beurteilungszeit, wobei Werte KB FTi ≤ 0,1 mit dem Wert 0 einzusetzen sind (für den Schienenverkehr gilt dies für alle Takte zwischen den einzelnen Vorbeifahrten). Klang (sound, lone, ring) Entspricht einer periodischen, nicht nur sinusförmigen Schwingung, die sich in eine Summe von Einzeltönen zerlegen lässt (mehrere Linien im Spektrum). Er lässt sich in Grundton (1. Harmonische), ersten Oberton (2. Harmonische), zweiten Oberton (3. Harmonische) usw. zerlegen. Die Grundtöne von Musikinstrumenten sind gewöhnlich mit vielen Obertönen verbunden, die für die Klangfarbe verantwortlich sind. Fehlen die Obertöne, so ergibt sich ein reiner Ton (Einzelton oder einfach Ton). A Begriffe 637 <?page no="642"?> Begriff Erläuterung Kenn-Admittanz Y K (characteristic mobility) Auf die Admittanz bezogene Kenngröße für eine Prognose. Knall (pop, bang) Impulsartiges Schallereignis. Unterscheidungsmerkmale sind: Kurvenform, Impulshöhe, Impulsdauer, Energieinhalt und Frequenzspektrum. Kohärenzfunktion γ 2 (coherence function) Eine zahlenmäßige Angabe über die innere frequenzabhängige statistische Bindung zwischen den Leistungswerten von Ein- und Ausgangssignal eines Systems und sie gestattet daher eine Aussage über den Wert eines Analyseergebnisses. Sie nimmt Werte zwischen 0 und 1 an. Bei einem nicht gestörten determinierten, linearen System mit einem Eingang und einem Ausgang trägt nur das Eingangssignal zu dem entsprechenden Ausgangssignal bei. Die Kohärenzfunktion ist in diesem Fall frequenzunabhängig gleich 1. Ein vom idealen Wert 1 abweichender Wert der Kohärenzfunktion beruht entweder auf dem Vorhandensein von parasitären Rauschstörungen im System, einem nichtlinearen Systemverhalten oder auf dem Vorhandensein anderer Quellsignale, die nicht durch die Messung erfasst sind. Kontinuierliches Spektrum (continuous spectrum): Der zugrundeliegende zeitliche Pegelverlauf (⇒ Geräusch) enthält in stochastischer Folge alle Frequenzen im Hörbereich. Körperschall (structure-borne noise) Schall, der sich in einem festen Medium oder an dessen Oberfläche ausbreitet. Seine Frequenzen liegen im Hörbereich. Im Gegensatz zum Luftschall sind beim Körperschall mehrere Wellenformen möglich: z. B. Druck-, Biege-, Torsions-, Schubbzw. Scherwellen (beim Luftschall sind nur Druckwellen möglich). Dies ist ein Grund dafür, dass die theoretische Behandlung der Körperschallausbreitung erheblich schwieriger ist als die der Luftschallausbreitung. Der Körperschall wird vorzugsweise als Schwinggeschwindigkeit v (Schwingschnelle) in m/ s dargestellt. Für eine Pegeldarstellung der Schwinggeschwindigkeit gilt folgende Beziehung: L v = 10 • lg v 2 v 02 = 20 • lg v v 0 Mit v = Effektivwert der Schwinggeschwindigkeit in m/ s und v 0 = 5·10 -8 m/ s (Bezugsgeschwindigkeit). Der Körperschall wird im Allgemeinen nicht durch einen Filter bewertet. Anmerkung: Körperschall unter (100) 80-Hz und Schwingungen unter 16-Hz werden zusammen auch als Erschütterungen bezeichnet. Zur Bewertung von Erschütterungen wird ein KB F -Filter verwendet. Körperschallbrücken (structure borne noise bridges) Feste Kopplungen zwischen ansonsten elastisch entkoppelten Elementen. z. B. stellt ein Schotterstein unterhalb der Betonplatte eines Masse-Feder-Systems eine solche Körperschallbrücke dar. Durch Körperschallbrücken wird die schwingungsmindernde Wirkung einer elastischen Lagerung deutlich gemindert, sie sind daher zu vermeiden. Körperschallpegel (structure-borne noise level): In der Praxis wird Körperschall häufig als Pegelwert angegeben. a) Schwingbeschleunigung a L a = 10 • lg a 2 a 02 = 20 • lg a a 0 mit a 0 = 10 -6 m/ s 2 (früher auch 10 -6 -g = 10 -5 -m/ s 2 ) b) Schwinggeschwindigkeit v L v = 10 • lg v 2 v 02 = 20 • lg v v 0 mit v 0 = 5 • 10 −8 m/ s (in den USA 10 -8 m/ s). 638 Anhang <?page no="643"?> Begriff Erläuterung Oft wird für die Ergebnisdarstellung die Schwinggeschwindigkeit der Schwingbeschleunigung vorgezogen (gilt für Frequenzen unter 315-Hz). Mit folgender Gleichung können Schwingbeschleunigungspegel L a in Schwinggeschwindigkeitspegel L v umgerechnet werden: L v = 20 • lg a 0 • 10 La/ 20 v 0 • 2 • π • f i Diese Umrechnung kann nur für einzelne Frequenzen f i bzw. für Terz- oder Oktav-Mittenfrequenzen erfolgen. Kraftbezogener-Schalldruck P’ () Auf eine anregende Kraft F bezogener Schalldruck p. P ′ (f ) = p(f ) F (f ) Dieser Wert wird auch als Pegelwert L P’ verwendet (mit P’ 0 = 2 . 10 -5 (N/ m 2 )/ N) Kurvenquietschen (courve squeal) ⇒ Quietschen (Kreischen) Ladungsausgang (charge output) Ein hochohmiger Ausgang von piezoelektrischen Aufnehmern ohne interne Signalverarbeitung Ladungsverstärker (charge amplifier) Messgeräte zur Umwandlung von Ladungen in Spannungen, eliminiert dabei den Einfluss von Leitungslängen und stellt ein nieder-ohmiges Spannungssignal am Ausgang bereit. Lärm (noise) Schall, der u. a. unerwünscht, störend, ärger-erregend oder gesundheitsschädigend ist. Anmerkung: Mit Schallpegelmessern werden keine Lärm-, sondern Schalldruckmessungen durchgeführt. Lärmwirkung (noise effect) Auswirkung von Geräuschbelastungen, die das soziale, seelische oder körperliche Wohlbefinden mindern oder zu Krankheiten führen. Hauptaspekte des Lärms sind: • Belästigungen (z. B. Kommunikationsstörungen) und • Gesundheitsschäden (z. B. Lärmschwerhörigkeit, Folgen von Stresswirkungen, Schlafstörungen). (Quelle: UBA) L den (day-evening-night) Tag-Abend-Nacht Beurteilungspegel für den ganzen Tag. Linearität (linearity) Eigenschaft eines schwingungsfähigen Systems, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Superpositionsprinzip gilt, d. h. die Systemantwort auf eine Summe äußerer Erregungen ist gleich der Summe der Systemantworten auf jede einzelne Erregung. Für den Fall, dass das Übertragungssystem Tunnel, Boden, Gebäude sich linear verhält, ist die Systemantwort im Gebäude (Erschütterungen) proportional zur eingeleiteten Kraft. Näherungsweise kann hiervon ausgegangen werden. Ein System verhält sich linear, wenn unabhängig von der Größe der eingeleiteten Kraft das Verhältnis zwischen Kraft (Eingang oder Anregung) und Schwingschnelle (z. B. im Gebäude) (Ausgang oder Antwort) gleichbleibt. Anmerkung: Das Verhalten der hier betrachteten Systeme Tunnel, Viadukt, Baugrund, Gebäude kann für die auftretenden Kräfte und Bewegungen als linear betrachtet werden. Anders verhält es sich bei den zur Schwingungsminderung eingesetzten elastischen Elementen, diese zeigen oft ein stark nichtlineares Verhalten. Für bestimmte Aufgabenstellungen können jedoch auch hier bestimmte Linearisierungen von Kennlinien vorgenommen werden. A Begriffe 639 <?page no="644"?> Begriff Erläuterung Linienspektrum (narrow band spectrum): Spektrum aus diskreten Frequenzanteilen. Masse m (mass) Die Masse (m = G/ g in kg) eines Körpers (z. B. Oberbau, Gebäude) wird hier vorwiegend zur Bestimmung der ⇒ Eigenfrequenz benötigt. • Unabgefederte Radsatzmasse: Diese Größe ist wichtig zur Ermittlung der Radadmittanz und der ⇒ Einfügungsdämmung. Sie setzt sich weitgehend zusammen aus der nicht abgefederten Masse eines Drehgestells (Bauteile vor der Primärfederung: Radsatz, Bremsscheiben, Getriebe). Für Straßenbahnen liegt dieser Wert um 3.000-kg. • Oberbaumasse: Die Oberbaumasse bestimmt maßgeblich die Größe der ⇒ Eigenfrequenz und somit auch dessen ⇒ Einfügungsdämmung. Sie wird häufig in kg/ Gleismeter oder t/ Gleismeter angegeben. Sie setzt sich zusammen aus: Gleisrost (Schienen, Rippenplatten, Schwellen), Schotter (Schotter nur in Verbindung mit Unterschottermatten), zusätzlich elastisch gelagerte Massen aus Beton (Tröge oder Platten bzw. Schwellen). Masse-Feder-System MFS (Floating Slab Track) Eine spezielle Oberbauform, bei der das Gleisrost auf einer zusätzlichen Masse (Schotter im Trog oder Betontragplatte) ruht, welche elastisch gegenüber dem Unterbau, in der Regel die Tunnelsohle, abgefedert ist (Stahl- oder Elastomerfedern). Maximale Bewertete Schwingstärke KB Fmax Maximalwert von KB F (t), der während der jeweiligen Beurteilungszeit (einmalig oder wiederholt) auftritt und der zu untersuchenden Sache zuzuordnen ist (= maximaler KB FTi - Wert). Dieser Wert kann nur durch Messungen vor Ort ermittelt werden, er beschreibt den während der Messkampagne auftretenden maximalen KB FTi -Wert. Maximalpegel L pAFmax (maximum level) Die mit der Zeitbewertung F (FAST) gemessenen A-bewerteten Schallpegelspitzen bei zeitlich veränderlichen Geräuschen (z. B. bei einer Zugvorbeifahrt). Dieser Wert ist für die Außengeräusche (Anfahren und Bremsen) zu messen. Messwertaufnehmer (transducer, sensor) Ein Gerät zur Umwandlung einer mechanischen Größe in eine elektrische Größe (Messung von Schwingbeschleunigung, Schwinggeschwindigkeit, Druck, Kraft, Weg etc.). Messzeit (measuring time) T M ist Zeit, über die die Mittelwertbildung eines Messsignals erfolgt. Mittelungspegel L pAm (= L pAeq ) (time-averaged level) Bei zeitlich schwankenden Geräuschen wird aus den Messwerten L pAF (t) gebildet (⇒ Vorbeifahrt-Mittelungspegel). Mittelungspegel werden häufig auf eine Stunde bezogen. Die Emissionspegel der (alten) Richtlinie Schall 03 beruhen auf gemessene Mittelungspegel einzelner Zugvorbeifahrten. Anmerkung: Der Mittelungspegel für einen zeitlich veränderlichen Schallpegel wird äquivalenter Dauerschallpegel genannt und häufig kurz mit L pAeq,T bezeichnet. Mittenfrequenz f m (mean frequency) Kennzeichnet eine ⇒ Terz oder ⇒ Oktave. Mittelwert, arithmetischer (Average) Der zeitliche Mittelwert einer gleichgerichteten Schwingungsgröße. Er lässt sich messtechnisch einfach bestimmen und liefert in manchen Fällen eine brauchbare Einwert-Angabe (ähnlich dem Effektivwert), besitzt jedoch darüber hinaus keine physikalische Bedeutung. Mittlerer Maximalpegel (average maximum level) Energetisch gemittelter Maximalwert. Er ist wie folgt definiert: 640 Anhang <?page no="645"?> Begriff Erläuterung L pAF max, m = 10 • lg 1 n • ∑ 1 n 10 0, 1 • L pAF max, i Er wird z. B. zur Bewertung des ⇒ Sekundärschalls in Gebäuden und beim Außenschall zur Abnahme von Zügen angewendet (Anfahren und Bremsen). Modalanalyse (modal analysis) Beschreibt ein Verfahren zur Erfassung der modalen Größen (Dämpfung, Eigenfrequenz, Eigenschwingform, Eigenschwingung, ⇒ Resonanz) einer mechanischen Struktur. Hierzu wird die Struktur angeregt (z. B. mit einem Prüfhammer oder einem Shaker) und die Schwingungen an verschiedenen Punkten der untersuchten Struktur gemessen. Modulation (modulation) Bezeichnet Schwankungen der Amplitude, der Frequenz oder der Phase eines periodischen Trägersignals um einen Mittelwert. Am gebräuchlichsten sind Amplituden- und Frequenzmodulation eines sinusförmigen Trägers. Die einzelne Spektrallinie eines unmodulierten Sinusträgers spaltet bei der Modulation sogenannte Seitenbänder ab. Nachhall (reverberation) Nachhall ist die Gesamtenergie des reflektierenden Schalls, der nach dem Abschalten einer Schallquelle noch vorhanden ist. Nachhallzeit T (reverberation time) Zeitspanne, in der der Schalldruckpegel nach Abschalten der Schallquelle um 60-dB absinkt. Die Nachhallzeit ist ein Maß für das Schallabsorptionsvermögen (Schluckvermögen) eines Raumes. Die Anregung erfolgt z. B. mit Schmalbandrauschen in Terzbreite oder einem ⇒ Knall (Pistolenknall, Klatschen). Normschallpegeldifferenz D n in dB () Schallpegeldifferenz zwischen Sende- und Empfangsraum unter Berücksichtigung der ⇒ Absorption im Empfangsraum durch die ⇒ Nachhallzeit T D n = L 1 − 10 • lg A A 0 oder D nT = L 1 − L 2 + 10 • lg T 0, 5s als Nachhallzeit-reduzierte Schallpegeldifferenz bezeichnet. L 1 Schalldruckpegel im Senderaum in dB L 2 Schalldruckpegel im Empfangsraum in dB A 0 10-m 2 T Nachhallzeit im Empfangsraum in s. Oberbau (track, permanent way) Der Oberbau umfasst vor allem die Einrichtungen bzw. Bauelemente, die der Lastübertragung und der Spurführung dienen. Vereinfacht kann jeder Oberbau als ein Masse-Feder-System dargestellt werden. Er umfasst vor allem Einrichtungen bzw. Bauelemente, die der Lastübertragung und der Spurführung dienen. Zum Oberbau gehören: 1. Gleise, Weichen und Kreuzungen mit Schienen, Schienenbefestigungsmittel und Schienenstützelementen (Schwellen, Längsbalken, Platten), Spurstangen, 2. Bettung, 3. Planumsschutzschicht, Frostschutzschicht, 4. Eindeckungen und Schienenentwässerungen, 5. oberbautechnische Zusatzeinrichtungen, 6. Gleisabschlüsse und mit dem Oberbau verbundene Fahrwegschutzeinrichtungen, 7. Stelleinrichtungen sowie ggf. 8. Einrichtungen der Stromrückführung und der Signaltechnik. A Begriffe 641 <?page no="646"?> Begriff Erläuterung Oberbauart (kind of track) Als Oberbau-Arten sind zu unterscheiden: • Offener Oberbau (ohne Eindeckung). Es wird unterschieden nach • Offener Oberbau mit Schwellen und Bettung (i. d. R. Schotter), • Bettungsloser offener Oberbau mit Schwellen, • Schwellenloser offener Oberbau mit Bettung, • Schwellen- und bettungsloser offener Oberbau. • Geschlossener Oberbau (mit Eindeckungen außerhalb und innerhalb des Gleises, befahrbar von nichtschienengebundenen Fahrzeugen und begehbar von Fußgängern). Er wird genauso wie der offene Oberbau unterschieden. Oberbauformen, besondere (track forms) Oberbau-Formen sind unterschiedliche Ausprägungen der Einzelbauarten. Zur Minderung der in den Unterbau (Baugrund, Gebäude) eingeleiteten Schwingungen werden besondere Oberbau-Formen eingesetzt. Hierzu gehören: 1. Schienenlagerungen mit einer geringeren vertikalen Steifigkeit (vertikale Einsenkung unter einem vollbeladenen Fahrzeug > 2-mm), 2. Elastische Schwellenlagerungen (el. Streifen unterhalb von Schwellen), 3. Kontinuierlich elastische Schienenlagerung (keine Einzelstützpunkte, Vermeidung der Anregung der Stützpunktfrequenz) mit einer geringen vertikalen Steifigkeit, 4. Gleisbettmatten (el. Matten unterhalb des Schotters oder einer Betontragplatte). Beim Einsatz von Betontragplatten spricht man auch von (leichten) Masse-Feder-Systemen, 5. Masse-Feder-Systeme (el. Abfederung gleistragender Konstruktionen, z. B. Ortbetonplatten, Fertigbetonelementen zur Aufnahme eines Schotterbettes oder eingegossenen Betonschwellen. Als Federelemente werden eingesetzt sowohl Elastomerals auch Stahlfedern. Oktavanalyse (octave analysis): Die verwendeten Filter haben Oktav-Durchlassbereiche. Verhältnis der Bandobergrenze zur Banduntergrenze im Verhältnis 2: 1 ⇒ Oktave. Oktave (octave) Zwei Frequenzen f u, n und f o, n mit Schwingungszahlen im Verhältnis 1: 2, d. h. f o, n = 2f u, n . Die Bandbreite einer Oktave beträgt Δf = f m / 2 (f m → Mittenfrequenz einer Oktave). Oktavpegel (octave level) Im Frequenzbereich einer Oktave gemessener Schalldruckpegel Pegel-Addition (level addition) L ges = 10 • lg 10 0, 1 • L 1 + 10 0, 1 • L 2 + . . . + 10 0, 1 • L n Beispiel: Für L 1 = L 2 = 0 dB folgt L ges = 3 dB Pegel-Subtraktion (level subtraction) L D = 10 • lg 10 0, 1 • L ges − 10 0, 1 • L Pegel-Mittelung (level averaging) - a) Mittelung der entlogarithmierten Pegel (energetische Mittelung) L m = 10 • lg 1 n • ∑ i = 1 n 10 0, 1 • L i b) Arithmetische Mittelung der Pegelwerte (für Schallpegeldifferenzen L i < 10 dB anwendbar) L m = 1 n • ∑ i = 1 n L i Periodendauer T (period duration) T = 1 f in s 642 Anhang <?page no="647"?> Begriff Erläuterung Percentilpegel (Percentile level) Bei der Beschreibung von diskontinuierlichen Geräuschen hat es sich eingebürgert, neben dem Mittelungspegel auch die Percentilpegel L 95 und L 1 als zusätzliche Beschreibung der Zeitstruktur mit zu erfassen (Grund- und Spitzenbelastung). Dies erreicht man durch eine Häufigkeitsanalyse der im Messzeitraum gezogenen Stichproben, nach der man dann angeben kann, in wie viel Prozent der Zeit bestimmte Pegel erreicht oder überschritten wurden. Piezoaufnehmer (piezo transducer) Beschleunigungsaufnehmer: Sie haben - je nach Masse und Ankopplungsart - eine Eigenfrequenz zwischen 1-kHz und 20-kHz. Für den Einsatz bei Erschütterungsmessungen ist somit keine Amplituden- und Phasenkorrektur erforderlich. Piezoelektrischer Effekt (piezoelectric effect) Bei Quarzen wird eine Ladung generiert, wenn hierauf eine Kraft (Druck, Zug, Scherung) einwirkt. Dieser Effekt wird bei Kraft- und Beschleunigungsaufnehmern ausgenutzt. Poissonkonstante (youngs modules) ⇒ Querkontraktionszahl Prognose (prediction) Vorermittlung von zu erwartenden Schall-, Erschütterungs- und Sekundärschallimmissionen bei Neu- oder Umbauten sowohl von Gleisstrecken als auch Gebäuden. Für Erschütterungs- und Sekundärschallprognosen gibt es numerische -, statistische -, Kenngrößen- und Modell-Verfahren. Der Primärschall wird nach den Rechenvorschriften in Anlage 2 zur 16. BImSchV - Schall 03 berechnet. Querkontraktionszahl (Youngs modulus) Poissonkonstante ν oder auch µ Querschnittsverringerung bei Längendehnung. Quietschen oder Kreischen (squeal) Ein tonartiges, sehr energiereiches Geräusch. Es entsteht durch Anregung in der Eigenfrequenz des schallabstrahlenden Systems (Biegeschwingung). Besondere Bedeutung hat beim Schienenverkehr das Quietschen beim Bremsen und beim Befahren enger Gleisbögen (Kurven). Letzteres tritt nur auf Gleisbögen mit Radien < 500-m (Eisenbahnen) bzw. < 200-m (Straßenbahnen) auf (Anlage 2 zur 16. BImSchV von 2014 - Schall 03). Rauschen (random noise) Breitbandiges stochastisches Signal. Solche Signale werden u. a. zur Schallanregung für bestimmte Untersuchungen (z. B. Ermittlung der Schalldämmung) eingesetzt. Rauschen, weißes (random noise white) Eine idealisierte Schwingungsform (mechanisch oder elektrisch) mit vollkommen zufälligem Charakter. Die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten eines bestimmten Momentanwertes ist durch die Gaußsche Normalverteilung (Glockenkurve) gegeben, und die spektrale Leistungsdichte (Frequenzspektrum) ist konstant von null bis unendlich. Rauschen, breitband (broadband noise) ist die praktisch realisierbare Form des weißen Rauschens. Es unterscheidet sich hiervon durch die endliche Begrenzung des Frequenzspektrums und des Amplitudenbereichs. Rauschen, gefiltertes oder Schmalbandrauschen (narrowband noise) wird aus Breitbandrauschen mittels Bandfilter ausgeblendet. Die Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Momentanwerte bleibt dabei erhalten. Je kleiner die Bandbreite des Filters ist, um so ähnlicher ist die Kurvenform einem amplitudenmodulierten Sinussignal. Bei endlicher Bandbreite zeigen Amplitude und Phase einen regellosen Verlauf. Reflexion (reflection) von Schallwellen an Hindernissen unterliegt ähnlichen Gesetzen wie die Lichtwellenreflexion. Für die reflektierte Welle sind Einfalls- und Ausfallswinkel gleich. Außerdem wird stets nur ein Teil der auftretenden Schallenergie reflektiert. Der übrige Teil wird vom Hindernis A Begriffe 643 <?page no="648"?> Begriff Erläuterung aufgenommen, d. h., entweder hindurchgelassen (Transmission) oder in Wärmeenergie umgewandelt (Absorption). Reflexionsgrad (reflection coefficient) Verhältnis der reflektierten Schallintensität zur auftreffenden Schallintensität heißt Reflexionsgrad ρ. ρ = I reflectiert I auftreffend = r 2 Häufig wird an Stelle des Reflexionsgrades der Absorptionsgrad angegeben. Zwischen beiden besteht die Beziehung: Absor ptionsgrad = 1 − Reflektionsgrad Der Reflexionsgrad wird mit zunehmender Frequenz bei ein und demselben Material i.a. geringer. Gut reflektierende Materialien (Fliesen, Kacheln, Wandplatten, glatte Betonwände) werden auch als schallhart, schlecht reflektierende Materialien als schallweich bezeichnet. Reflexionsmaß r' (reflection value) r ′ = 20 • lg(r) = 10 • lg(ρ) Resonanz (resonance) Liegt vor, wenn die Frequenz einer angeregten Schwingung mit der Eigenfrequenz eines Schwingungssystems übereinstimmt. Im Rad/ Schiene-Bereich werden in der Regel Schwingungen in einem breiten Frequenzbereich angeregt. Hierdurch kommt es z. B. zu Resonanzen der Radreifen (⇒ Kurvenquietschen), des Oberbaus und von Gebäudedecken. Im Resonanzfall kommt es oberhalb der Resonanzfrequenz zu einer Phasenverschiebung von φ = 180° (bei der Resonanzfrequenz selber beträgt φ = 90°) Resonanzfrequenz f 0 (resonant frequency) Eigenfrequenz eines Resonators. Resonanzfrequenz ist allg. die Eigenschwingfrequenz einer mechanischen Struktur oder eines elektrischen Schwingkreises. Im Bereich der Resonanzfrequenz werden die angeregten Schwingungen - bei geringer Dämpfung - sehr stark verstärkt. Richtwirkungsmaß (directive efficiency value) Maß zur Beschreibung der ungleichförmigen Abstrahlung einer Schallquelle in den Raum, nach Anlage 2 zur 16. BImSchV - Schall 03 einheitlich für alle Schallquellen einer Strecke in allen Frequenzbändern. Anmerkung: Das Richtwirkungsmaß wird in Dezibel, dB, angegeben. Rollgeräusch (rolling noise) Ist das aus dem eigentlichen Rollvorgang herrührende Geräusch beim Schienenverkehr. Es wird vor allem durch die Rauheiten der Fahrflächen von Rad und Schiene beeinflusst. Schall (sound) Bezeichnet mechanische Schwingungen und Wellen in einem elastischen Medium (Luft-, Körper-, Flüssigkeitsschall) im Hörbereich eines Menschen (16-Hz bis 20-kHz). Bedingt durch die Einschwingzeit des Ohres wird Schall erst mit Zeitdauern > 200-ms vollständig wahrgenommen. Kürzere Schallereignisse (z. B. kurze Impulse) werden nicht mit ihrer wahren Lautstärke empfunden. • Luftschall: Schwingungen in der Luft (nur Kompressionswellen), • Körperschall: Schwingungen in festen Körpern (Kompressions- und Schubwellen sowie daraus abgeleitete Wellenformen). Die Schallfeldgrößen sind sehr klein: • Luftschall: Wechseldrücke p zwischen ca. 2⋅10 -5 N/ m 2 (Hörschwelle) und 20-N/ m 2 (Schmerzschwelle), • Körperschall: Beim Schienenverkehr sind Werte für die Schwinggeschwindigkeit v zwischen ca. 5⋅10 -5 mm/ s und 50-mm/ s von Bedeutung. 644 Anhang <?page no="649"?> Begriff Erläuterung Schall kann immer auf die Einwirkung von Kräften auf ein Medium (Luft, fester Körper, Flüssigkeit) zurückgeführt werden. Luftschall entsteht, wenn als Folge der Krafteinwirkung - mittelbar oder unmittelbar - die umgebende Luft in Schwingungen versetzt wird. Schallabsorption (sound absorption) Verlust an Schallenergie bei der Reflexion an Begrenzungsflächen (vorwiegend durch Umwandlung von Schall in Wärme) oder durch freien Austritt (z. B. durch ein offenes Fenster). Eine hohe Schallabsorption haben poröse Stoffe, z. B. Schotter, Glaswolle, Steinwolle, Textilien. Schallausbreitung (sound propagation): Von einer Schallquelle (z. B. Rad, Stromabnehmer) breitet sich der Schall mit der ⇒ Schallgeschwindigkeit c aus. Die Schallpegelabnahme hängt sowohl von der Quellengeometrie (Punkt- oder Linienquelle) als auch von der Richtcharakteristik und der Umgebung (freies Schallfeld, Halbraum, Reflexion, Meteorologie) ab. Schallbrücken (sound bridges) Undichtigkeiten in einer Wand oder Decke (im Fahrzeug oder Gebäude), sie vermindern die ⇒ Schalldämmung. Schalldämmung (sound absorption) ⇒ Dämmung Schalldruck p (sound pressure) p = F / A in N/ m 2 (Pa) Schalldruckpegel L p (sound pressure level) Oft kurz als Schallpegel oder schlechthin als Pegel bezeichnet - ist der Effektivwert des logarithmierten Schallwechseldrucks p, der auf den Schalldruck p 0 der menschlichen Hörschwelle bei 1.000 Hz bezogen ist und in Dezibel (dB) angegeben wird. Die Bestimmungsgleichung lautet: L p = 20 • lg p p 0 p Effektivwert des Schalldrucks in N/ m 2 und p 0 = 2⋅10 -5 -N/ m 2 = 20-µPa = 2⋅10 -4- µbar (Schalldruck-Bezugsgröße). Ein Schalldruckpegel von: 0 dB entspricht der Hörschwelle und von 130 dB der Schmerzschwelle des Menschen bei 1.000-Hz. Bei der logarithmischen Darstellung ist zu beachten, dass • Pegelunterschiede von 1 dB bis 2 dB subjektiv nicht mehr wahrnehmbar sind, • eine Pegeldifferenz von 3-dB einer Verdopplung der Schallenergie entspricht und gerade wahrnehmbar ist, • eine Pegeldifferenz von 10-dB als etwa doppelt so laut (halb so laut) empfunden wird. Schallenergie (sound energy) Die physikalische Energie einer Quelle, die Schall abstrahlt. Schallexpositionspegel SEL (Sound Exposure Level) A-bewerteter Schallpegel eines während der Dauer T gemessenen und auf T 0 = 1 s normierten Einzelereignisses, s.a. ⇒ Einzelereignispegel. SEL = L pAeq, Trec + 10 • lg T rec T 0 Schallfeld (sound field) Der von Schallwellen erfüllte Raum. Das Luftschallfeld wird beschrieben durch den Schalldruck und die Schallschnelle als Funktion von Zeit und Ort. In der Nähe der Schallquelle sind Druck und Schnelle nicht in Phase. Dieser Teil des Schallfeldes wird als Nahfeld bezeichnet. Das (komplexe) Verhältnis von Druck und Schnelle an der Schallquelle wird Strahlungswiderstand genannt. In geringem Abstand von der Schallquelle (Größenordnung einer A Begriffe 645 <?page no="650"?> Begriff Erläuterung Wellenlänge) geht das Nahfeld in das sogenannte Fernfeld über, in dem Druck und Schnelle in Phase sind. Die Form des Fernfeldes wird wesentlich durch Begrenzungen und andere Inhomogenitäten des Mediums bestimmt. Schallfeld, freies (free sound field) Bezeichnet das Schallfeld, das sich in hinreichendem Abstand von einer Schallquelle in einem homogenen, von Hindernissen und Begrenzungen freien Medium ausbildet. Kennzeichnend sind ausgeprägte Wellenfronten, das sind Verbindungsflächen phasengleich schwingender Teilchen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Die Wellenfronten können ausschnittsweise als eben betrachtet werden: Ebene Schallwelle. Druck und Schnelle in einer ebenen Luftschallwelle sind in Phase. In diesem Fall ist das Verhältnis Druck zu Schnelle eine Materialkonstante des Mediums: Kennwiderstand. Das Produkt Druck x Schnelle gibt die in der ebenen Schallwelle in Ausbreitungsrichtung je Flächeneinheit transportierte Leistung an ⇒ Schallintensität. Im Fernfeld ist die Schallintensität dem Quadrat des Abstandes von der Schallquelle umgekehrt proportional, Druck und Schnelle sind dem Abstand selbst umgekehrt proportional. Bei Abstandsverdoppelung nehmen also diese Größen um 6 dB ab. Als Ganzes betrachtet sind die Wellenfronten im Fernfeld annähernd kugelförmig. Sofern außerdem die Schallenergie in allen Richtungen gleich stark abgestrahlt wird, ist die Intensität überall auf einer Kugelfläche gleich groß: Kugelwelle. In diesem Fall kann durch eine Schalldruckmessung an einem einzigen Ort auf die Gesamtleistung der Schallquelle geschlossen werden. Schallfeld, diffuses (diffuse sound field) Ist gekennzeichnet durch Schallausbreitung in allen Richtungen. Es kommt in einem Raum mit reflektierenden Wänden (Hallraum) durch mehrfache Reflexionen an den Wänden zustande. Die Schallenergie verteilt sich dabei mehr oder weniger gleichmäßig im ganzen Raum. Nur in der Nähe der Schallquelle ist der direkt abgestrahlte Schall stärker. Da dessen Intensität mit dem Quadrat der Entfernung von der Schallquelle abnimmt, geht er bald im reflektierten Schall unter. Hier beginnt das diffuse Feld. Der Abstand der Übergangszone von der Schallquelle wird durch den Hallradius beschrieben. Eine gleichmäßige Verteilung der Schallenergie im Raum stellt sich nicht bei periodischen Schwingungen ein, da sich in Abhängigkeit von der Raumgeometrie infolge von Interferenzen stehende Wellen ausbilden. Schallfeldgrößen (sound field value) Physikalische Größen zur objektiven Beschreibung eines Schallfeldes. Für Luftschall sind folgende Größen gebräuchlich: • Schalldruck p: Wechseldruck der Luft (Druckänderungen gegenüber dem statischen Druck). Einheit: N/ m 2 oder Pascal. Zur Messung dient ein Druckempfänger (z. B. Kondensatormikrophon). • Schallschnelle v: Wechselgeschwindigkeit der Luft (Änderungen gegenüber dem Mittelwert der Geschwindigkeit). Einheit: m/ s. • Schallintensität I: Leistung/ Fläche (Flächenelement quer zur Ausbreitungsrichtung). Im ebenen Schallfeld gilt: I = p • v, Einheit: W/ m 2 . • Schallleistung W: Flächenintegral der Schallintensität oder Gesamtleistung, die bei der Schallausbreitung durch eine gewisse Fläche hindurchtritt. Wird eine geschlossene Hüllfläche um eine Schallquelle betrachtet, so ergibt dies die gesamte abgestrahlte Leistung der Schallquelle. Einheit: Watt (W). Schallfluss (flux) Das Produkt aus Schallschnelle v und dem Strömungsquerschnitt S: Q = v • S in m 3 / s Schallgeschwindigkeit (speed of sound, sound velocity) c: In der Luft beträgt c in m/ s bei einem Druck von 1 bar und einer Temperatur t in °C c = 331, 4 • 1 + t 273 ≈ 331, 4 + 0, 6 • t 646 Anhang <?page no="651"?> Begriff Erläuterung Schallintensität I (sound intensity) Beschreibt die pro Zeiteinheit durch eine Fläche hindurchtretende Schallenergie: Im Schallfeld einer ebenen Welle ergibt sich die Schallintensität aus dem Produkt der Effektivwerte von Schalldruck p und Schallschnelle v: I = p • v in W/ m 2 Schallisolation (sound insulation) Auch Schalldämmung: Schallpegelunterschied an einer Trennwand, die von einer Seite mit Luftschall angeregt wird. Die Schallisolation ist abhängig von Aufbau und Dichte einer Wand. Schwere und mehrschalige Wände haben eine bessere Schallisolation als leichte oder einschalige Wände. Schallleistung W (sound power) Sie stellt die Schallenergie dar, die pro Zeiteinheit durch eine beliebig große, senkrecht zur Schallausbreitung befindliche Fläche S hindurch strömt. Schallleistungspegel - flächenbezogen (sound power level per area): Kennzeichnet die je Quadratmeter einer flächenförmigen Schallquelle (z. B. eines Rangierbahnhofs) austretende Schallleistung. Wird für Planungszwecke benötigt, um das Schallabstrahlverhalten von großen Flächenschallquellen oder deren Teilflächen zu begrenzen. Schallleistungspegel - längenbezogen L W’A (sound power level per length): Mittelungspegel zur Beschreibung der Schallemission von einer Linienschallquelle, nach Anlage 2 zur 16. BImSchV - Schall 03 angegeben für verschiedene Höhenbereiche über einem Strecken- oder Fahrbahnabschnitt mit bestimmten Fahrbahneigenschaften und Fahrflächenzuständen bei Betrieb mit bestimmten Fahrzeugen und Geschwindigkeiten. Anmerkung: Der Pegel wird unter Bezug auf eine Schallleistung von 1-pW und eine Länge von 1-m in Dezibel, dB, angegeben. Schallpegeladdition (noise level addition) ⇒ Pegeladdition. Zwei Quellen Q gleich großer Schallpegel ergeben eine Zunahme von 3 dB (0 dB + 0 dB = 3 dB), 4 Q 6 dB und 10 Q 10 dB. Dies bedeutet umgekehrt, dass beim Wegfall einer gleich starken Schallquelle der Pegel nur um maximal 3 dB vermindert wird. Die Addition gilt in der Praxis auch für stochastisch strahlende Quellen. Anmerkung: Eine Verdopplung des Schalldrucks oder der Schwingschnelle derselben Quelle führt dagegen zu einem um 6 dB höheren Wert (20⋅lg(2) = 6-dB). Schallquellen (sound source) Wandeln beliebige Energie in mechanische Schwingungsenergie und regen das umgebende Medium zu Schallwellen an. Luftschallquellen sind z. B. schwingende feste Körper (Körperschall), turbulente Luftströmungen usw. Schallschnelle (sound velocity) v Auch Schnelle v in m/ s ist die Wechselgeschwindigkeit mit der die schwingenden Partikel des Schallübertragungsmediums um ihre Ruhelage oszillieren. Schallwellen oder mechanische Wellen (sound waves) Zeitlich und räumlich veränderliche Deformationen eines elastischen Mediums. Kleine Teilmassen des Mediums führen dabei mechanische Schwingungen unterschiedlicher Amplitude und/ oder Phase aus. Infolge der elastischen Kopplung regen sie die jeweils benachbarten Teilmassen zum Mitschwingen an, so dass sich die Schallwelle selbständig ausbreitet. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit hängt von den mechanischen Materialkonstanten (Dichte, Steifigkeit) und von der Wellenform ab. Nach der Bewegungsrichtung der Teilmassen in Bezug auf die Ausbreitungsrichtung der Welle ergeben sich folgende Wellenarten: Längswellen (Longitudinalwellen, Verdichtungswellen) und Querwellen (Transversalwellen, Schubwellen) sowie verschiedene Mischformen dieser beiden Arten. In Gasen können nur Längswellen existieren. In einer Schallwelle wird stets mechanische Energie transportiert. A Begriffe 647 <?page no="652"?> Begriff Erläuterung Scheitelwert (peak) Auch Spitzenwert oder ⇒ Amplitude (bei periodischen Schwingungen) einer Schwingungsgröße. Er ist der absolut größte Momentanwert der Schwingungsgröße in Bezug auf den Nullpunkt. Der Nullpunkt wird entweder so gewählt, dass der zeitliche Mittelwert der positiven und der negativen Momentanwerte gleich groß ist, oder so, dass der Abstand zu den positiv und negativ gerichteten Scheitelwerten gleich groß ist. Schmalbandanalyse (narrow-band analysis) Die Erstellung des Spektrums erfolgt mit Filtern, deren Durchlassbereiche frequenzunabhängig und einander gleich sind (⇒ FFT). Der Durchlassbereich ist in der Regel sehr klein gegenüber der größten zu analysierenden Frequenz. Schwingbeschleunigung a (vibration acceleration): Die Schwingbeschleunigung a(t) in m/ s 2 wird durch Schwingbeschleunigungsaufnehmer (am häufigsten werden ⇒ Piezoaufnehmer eingesetzt) an einer Struktur gemessen. Schwinggeschwindigkeit v (vibration velocity): Die Schwinggeschwindigkeit v(t) in m/ s wird durch Schwinggeschwindigkeitsaufnehmer an einer Struktur gemessen. Häufig werden hierzu Geophone eingesetzt. Es gilt: v(t) = a(t)/ ω. Die bei Erschütterungsmessungen eingesetzten Geophone haben häufig eine Eigenfrequenz bei 4,5-Hz. Durch entsprechende Dämpfung wird die Übertragung in diesem Bereich gedämpft, es ist eine entsprechende Amplituden- und Phasenkorrektur erforderlich. Schwingung (vibration) Eine Schwingung (S) beschreibt die Bewegung von Massen oder Masseteilchen um eine Ruhelage. Schwingungen lassen sich z. B. nach Form (periodisch, stochastisch), Zeitdauer (Stoß, langanhaltend) und Anregungsmechanismen (selbsterregt, fremderregt) unterscheiden. Im Schienenverkehr kommen alle Schwingungen vor. Periodisch ist z. B. die Anregung durch den Schienenstützpunktabstand und durch Flachstellen auf den Radlaufflächen. Durch Rauheiten auf den Fahrflächen von Rad und Schiene werden stochastische Schwingungen angeregt. Stoßartige S. (transiente S.) werden beim Überfahren von Herzstücklücken in Weichen und durch Flachstellen angeregt. Sinusförmige S. (harmonische S.) werden durch rotierende Teile im Getriebe oder in Hilfsaggregaten erzeugt. Parametererregte S. kommen durch wechselnde Steifigkeiten des Oberbaus - insbesondere beim Schotteroberbau - zustande. Die Schwingbewegung wird durch eine der drei folgenden Schwingungsgrößen beschrieben: Weg (Ausschlag) x, Geschwindigkeit (Schnelle) v oder Beschleunigung a. Hierbei werden nur die Schwankungen dieser Größen um ihren Mittelwert betrachtet. Die drei Größen (a, v, x oder s) lassen sich durch Integration oder Differentiation einander herleiten. v = ∫adt; x = ∫vdt v = dx dt ; a = dv dt = d 2 x dt 2 Die genannten Schwingungsgrößen sind Vektoren. Erfolgt die Bewegung nicht geradlinig, dann kann sie in Komponenten zerlegt und diese einzeln behandelt werden. Schwingungen, harmonische (harmonic vibration) Sie lassen sich u. a. dadurch beschreiben, dass die Schwingungsgrößen einfache Sinusfunktionen der Zeit sind. Zur Kennzeichnung genügen: Die Frequenz (Kehrwert der Periodendauer), die Amplitude (Maximalwert) und der Phasenwinkel (Argument der Sinus- oder Kosinusfunktion zur Zeit null). Schwingungen, periodische (periodic vibration) Sie lassen sich dadurch beschreiben, dass die Schwingungsgrößen periodische Funktionen der Zeit sind. Sie können als Überlagerung (Summe) einzelner harmonischer Schwingungen betrachten und in diese Bestandteile zerlegt werden (Fourier-Analyse). Die Frequenzen dieser „Harmonischen“ sind ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz. 648 Anhang <?page no="653"?> Begriff Erläuterung Der harmonische Anteil mit der Grundfrequenz heißt: 1. Harmonische oder Grundschwingung, der harmonische Anteil mit der 2-fachen Grundfrequenz heißt 2. Harmonische oder 1. Oberschwingung usw. Schwingungen, nichtperiodische (non periodic vibration) Dies sind entweder zeitlich begrenzte, einmalige Schwingungen (Stoß, Knall, Impuls (Transients)) oder zeitlich unbegrenzte „stochastische“ Schwingungen (regellose, dem Zufall unterworfene Schwingungen (Random)). Auch diese Schwingungsarten lassen sich als Überlagerung harmonischer Schwingungen darstellen, jedoch sind im allgemeinen sämtliche Frequenzen in kontinuierlicher Folge vorhanden, und die Summierung erfolgt durch Integration (Fourier-Integral). Bei einmaligen Vorgängen sind Amplitude und Phase definierte Funktionen der Frequenz, während sie sich bei stochastischen Vorgängen nur durch Wahrscheinlichkeitsangaben beschreiben lassen. Schwingungsisolierung (vibration insulation) Sie erfolgt durch die elastische Lagerung einer Maschine, des Fahrzeugaufbaus, des Oberbaus oder eines Gebäudes. Es wird unterschieden zwischen aktiver und passiver Schwingungsisolierung. Im ersten Fall wird die Schwingungsübertragung an die Umgebung reduziert, im zweiten Fall werden Bauteile (ganze Gebäude oder empfindliche Geräte in Gebäuden) gegen die Schwingungseinwirkung von außen geschützt. Schwingungstilger (vibration insulator) Sie bestehen aus einer Hilfsmasse, die über eine - gedämpfte - ⇒ Feder an ein schwingendes Bauteil (z. B. Rad) angekoppelt ist. In der ⇒ Resonanzfrequenz dieses Teilsystems wird dem schwingenden Bauteil durch gegenphasiges Schwingen Energie entzogen. Der Schwingungstilger ist umso wirksamer, je geringer die Dämpfung ist (Resonanz). Beim Radschallabsorber wird eine Dämpfung benötigt, um Eigenfrequenzverschiebungen aufgrund von Radkranzabnutzungen zu kompensieren. Der S. wirkt hiermit in einem größeren Frequenzbereich. Eine Form eines Schwingungstilgers besteht aus Scheiben oder Stäben, die sich zu einem Ende hin verjüngen. Das verjüngte Ende ist in einem Elastomer mit einem hohen Verlustgrad (⇒ Dämpfung) eingebettet. Oberhalb einer Grenzfrequenz wird hiermit eine hohe Dämmung erreicht. Im Rad/ Schiene-System werden solche S. als Breitbandabsorber zur Minderung der ⇒ Rollgeräusche beim ICE eingesetzt. Sekundärschall (groundborne noise) Er ist der von Wänden und Decken eines Raumes abgestrahlte Schall. Sein Frequenzumfang wird bestimmt durch die Eigenfrequenzen der Decken und Wände sowie durch die in das Gebäude übertragenen Schwingungen. In der Regel umfasst der Sekundärschall einen Frequenzbereich von 16-Hz bis 160-Hz (315-Hz). Sekundärschall wird über Mikrofone, der ursächliche Körperschall über Schwingungsaufnehmer gemessen. Bei Prognosen wird der Sekundärschall aus dem Körperschall der Decken (und teilweise der Wände) abgeschätzt. Für den Sekundärschall wird daher fälschlicherweise häufig der Begriff Körperschall verwendet. Shaker (shaker) ⇒ Vibrator Spektrum (spectrum) Zerlegung des zeitlichen Pegelverlaufs in seine Frequenzanteile, wobei die zeitliche Relation der Frequenzanteile zueinander nicht berücksichtigt ist ⇒ Frequenzspektrum. Die Zerlegung kann über analoge und digitale Filter oder ein Rechenverfahren (Fourier-Analyse) erfolgen. Spitzenpegel (peak level) L peak Maximal erreichter Schallpegel in einem diskontinuierlichen Geräusch, auch Maximalpegel. Wegen der starken Zufallsschwankungen wird zur Beschreibung besser der mittlere Maximalpegel oder der ⇒ Percentilpegel L 1 angegeben. Steifigkeit k (stiffness ) k stat , k dyn ) Einheit in N/ m (beim Oberbau wird in der Regel als Einheit kN/ mm verwendet) ist ein Maß für den Widerstand gegen Formänderungen und bezeichnet die Kraft in N oder kN, die erforderlich ist, um eine Verschiebung A Begriffe 649 <?page no="654"?> Begriff Erläuterung - s in m bzw. mm des Bauteils (z. B. Schiene) in Kraftangriffsrichtung hervorzurufen (k = F/ s). Die dynamische Steifigkeit hängt, außer von der statischen, auch von der Frequenz, der Größe der anregenden Kraft und der Systemdämpfung ab. Im Oberbaubereich ist sie größer als die statische Steifigkeit (bis ca. 40-%). u. a. ist dieser Sachverhalt dafür verantwortlich, dass die in der Praxis gemessene Oberbau-Eigenfrequenz f 0 in Hz größer ist als sich nach der Größengleichung f 0 = 5/ s - mit s als statischer Einsenkung in cm unter der Einwirkung der Oberbaumasse einschließlich anteiliger Fahrzeugmassen - ergibt. Die statische Steifigkeit k stat einer Feder ist das Verhältnis zwischen - langsam - aufgebrachter Last F und zugehörender Verformung s. Die dynamische Steifigkeit k dyn hängt - außer von k stat - auch noch von der Massenverteilung, der Frequenz der anregenden Kräfte und der Dämpfung ab. Näherungsweise gilt folgende Beziehung k dyn = (1,1 ... 1,4) . k stat . Werden k stat oder k dyn auf die belastete Fläche bezogen, dann ergibt dies den entsprechenden statischen oder dynamischen → Bettungsmodul C. Anmerkung: Die Gleichung f 0 = 5/ s ist nicht anzusetzen in Bezug auf die durch ein überfahrendes Fahrzeug verursachte Einfederung s. Diese wird durch die gesamte Achslast und nicht allein durch die schwingenden anteiligen Massen von Fahrzeug und Oberbau hervorgerufen. Steifigkeit, komplexe k k (f) (stiffness) Sie enthält die frequenzabhängigen elastischen und dämpfenden Eigenschaften eines elastischen Systems (Oberbau, Tunnel, Baugrund, Gebäude). Summenhäufigkeitspegel (cumulative level) Früher auch Percentil-Pegel - ist der - statistische - Pegel, der in x% der Messzeit überschritten wird. L 90 oder L 95 ist der Hintergrundpegel, L 50 der mittlere Pegel und L 1 der Maximalpegel. Summenpegel ∑L (sum level, overall sound pressure level) Der Summenpegel ∑L in dB eines Spektrums ergibt sich aus der energetischen Addition der Pegelwerte aller N Frequenzbänder eines Spektrums: ∑ L = 10 • ∑ n = 1 N 10 0, 1 • L(f Tn ) mit L f Tn Pegelwert des Terzbandes n. Diese Gleichung kann auch nur für Teilbereiche eines Spektrums herangezogen werden (z. B. zur Abschätzung des Sekundärschalls aus dem gemessenem Luftschall bei oberirdisch geführten Schienenbahnen für die Terzen 16 Hz bis 160 Hz (oder 315 Hz)). Bei der Angabe von Summenwerten ist demnach immer auch eine Angabe der summierten Terzen erforderlich. Der Summenpegel wird ebenfalls verwendet zur Ermittlung eines Einzahlwertes aus prognostiziertem Körper- und Sekundärschall in Gebäuden, beim Sekundärschall nach vorheriger A-Bewertung. Taktmaximal-Effektivwert KB FTm (Cycle maximum effective value) Wurzel aus dem Mittelwert der quadrierten Taktmaximalwerte KB FTi : KB FTm = 1 N • i = 1 N KB FTi 2 N: Anzahl der 30-Sekunden Takte (60 pro Stunde). Werte KB FTi ≤ 0,1 sind mit dem Wert 0 einzusetzen. Jedoch gehen auch diese Takte in die Anzahl N ein. Terz n Zwei Frequenzen f un und f on mit Schwingungszahlen im Verhältnis 650 Anhang <?page no="655"?> Begriff Erläuterung (one third oktave): 1: 2 3 = 1: 1, 26 f on = 2 3 • f un Luft- und Körperschall werden bei der ⇒ Mittenfrequenz f m (f m = f u • f u ) angegeben. Die Bandbreite einer Terz beträgt Δf = 0, 232 • f m . In der Praxis werden die im Anhang C angegebenen Terzen (f un und f on ) verwendet. TEL (Transit Exposure Level) ⇒ Vorbeifahrexpositionspegel Terz-Filter-Analyse (one third octave analysis) Zerlegung eines Geräusches durch Filter in Frequenzbereiche von der Breite einer Terz (Drittel-Oktave). Die verwendeten Filter haben Terz-Durchlassbereiche (ca. 23-% der jeweiligen Mittenfrequenz). Das absolute Auflösungsvermögen nimmt zu hohen ⇒ Frequenzen hin ab. Terzpegel (one third octave level) Luft- oder Körperschallpegel L Tn einer Terz n. Tilgung (damping) ⇒ Dämpfung ⇒ Schwingungstilgung Ton (tone) Schall mit sinusförmigem Schwingungsverlauf und im Hörbereich liegender Frequenz. Im Spektrum erscheint nur eine Linie. Tonhaltige Geräusche (noise containing pure tones): Wenn Geräusche einzelne deutlich heraus hörbare Töne enthalten, kann dadurch die Lästigkeit erhöht werden (z. B. Lüfter, Kurven- oder Bremsenquietschen). Trittschall (impact noise) Schallpegel im Raum unter einer begangenen Decke. Zur Prüfung wird die Decke mit einem Normhammerwerk angeregt, das dadurch verursachte Geräusch wird durch eine Oktavpegelmessung bestimmt (Norm-Trittschallpegel). Taktmaximalwert KB FTi (tact maximum value) Maximalwert der Bewerteten Schwingstärke während einer Taktzeit von T = 30-s. Beim Schienenverkehr wird jedes Vorbeifahrereignis einem Takt zugeordnet. Übertragungsadmittanz Y mn (if) (transfer mobility) Admittanz zwischen zwei auseinanderliegenden Punkten m und n, z. B. zwischen je einem Punkt im Gebäude und im Gleisbereich. Übertragungsfunktion, komplex H(if) (Transfer function) ⇒ Frequenzgang Unterschottermatte USM (under ballast mat) Ein elastisches Bauteil, welches zwischen dem Schotter und dem Unterbau (meistens Tunnelsohle oder Brückentragplatte, neuerdings im oberirdischen Bereich auch festes Planum) zur ⇒ Schwingungsisolierung eingebaut wird. Unterschottermatten werden aus Gummi, Polyurethan oder Regeneratmaterialien gefertigt. Sie haben sowohl glatte als auch profilierte Oberflächen. Unterschottermatten sind nach entsprechenden Normen zu prüfen. Je steifer der Unterbau ist, um so wirksamer ist eine Unterschottermatte. Dies ist insbesondere bei ebenerdiger Anwendung zu beachten. Überschreitungspegel (transgression level) Pegel L n über dem n-% aller Messwerte, z. B. einer Vorbeifahrt, liegen. Er wird aus der Summenhäufigkeit ermittelt. Für n werden folgende Werte bei Schienenverkehrsgeräuschen angewendet: n = 1 %; 5 %; 10 % und 50 %. Unterbau (substruction) Der Unterbau ist das unmittelbar unter dem Oberbau liegende Erd- oder Kunstbauwerk, das den Oberbau trägt. Zum Unterbau gehören: • das Erdbauplanum (verdichtete oder verbesserte Übergangsschicht) oder eine verdichtete Unterbauschüttung oder A Begriffe 651 <?page no="656"?> Begriff Erläuterung • Kunstbauwerke (Brückenträger, Stützmauern, Tunnel(sohle), Betonplatten und -balken), • Asphalttragschichten. Untergrund (subsoil) Der Untergrund ist der gewachsene Boden unter dem Unterbau, u. U. einschließlich eingebrachter besonderer Bodenschichten sowie der Entwässerungseinrichtungen des Untergrundes und - falls vorhanden - einschließlich nachbehandelter Bodenschichten. Es wird auch der seitlich des Bahnkörpers liegende Boden zum Untergrund gezählt. Verlustfaktor (dissipation factor) Er beschreibt bei physikalischen Schwingungen das Verhältnis des verlustbehafteten Realteils zum verlustfreien Imaginärteil einer komplexen Größe. Bei der inneren Dämpfung von Materialien bezeichnet der Verlustfaktor µ die Fähigkeit des Materials, Vibrationen und Körperschall zu dämpfen. Vibrator (vibrator) Ein elektrodynamischer Schwingungsgenerator, er wird zur Umweltsimulation oder zur Schwingungsanalyse eingesetzt. Hiermit können definierte Beschleunigungen angeregt werden (⇒ Kalibrator). Vorbeifahrtzeit (pass-by time): Ist die Zeit T p in s, die der Gesamtlänge des Zuges geteilt durch die (mittlere) Zuggeschwindigkeit entspricht. Vorbeifahrtexpositionspegel TEL (Transit Exposure Level): A-bewerteter Schallpegel einer während der Dauer T rec gemessenen und auf die ⇒ Vorbeifahrzeit T p normierten einzelnen Zugfahrt. T EL = L pAeq, Trec + 10 • lg T rec T p Vorbeifahr-Mittelungspegel (time-averaged pass-by level) Pegel L pAm,V (= L pAeq,Trec ) der unter Bezug auf die Dauer T M (= T rec ) der Vorbeifahrt eines Zuges unter Normbedingungen durch energetische Mittelung entsteht. Die Dauer T M umfasst dabei die gesamte Vorbeifahrt (einschließlich der an- und abfallenden Pegelzeitverläufe). Schallpegelgrenzwerte beziehen sich auf Stundenmittelwerte. Hierfür gilt: L pAm, 1ℎ = 10 • lg T rec 3600 • 10 0, 1 • L pAeq, Trec Welle (wave) Zeitliche und räumliche Änderung von physikalischen Zustandsgrößen, z. B. Dichte der Luft. Nach dieser Definition sind die Rauheiten der Fahrflächen von Rad und Schiene keine Wellen (in der Praxis werden diese aber auch als Wellen bezeichnet). Wellenlänge (wave length): Räumlicher Abstand λ zweier aufeinander folgender Stellen gleicher Phase einer Schwingung. Es gilt: λ = c f c Wellengeschwindigkeit (Schallgeschwindigkeit) in m/ s; f Frequenz in Hz. Dieser Begriff wird auch für den Rauheitsabstand der Schienen- und Radfahrfläche angewendet. Winkelfrequenz (angle frequency oder angle velocity) Auch Kreisfrequenz ω genannt: Es gilt: ω = 2 • π • f . Z-Bewertung (Z-weighting) Z steht für zero (Null) Zeitbewertung (time weighting) Um schwankende Schallpegel auf den früher üblichen Zeigerinstrumenten verfolgen zu können, wurden verschiedene Zeitkonstanten eingeführt: Fast, Slow, Impulse. In den Normen wird in der Regel vorgeschrieben, welche 652 Anhang <?page no="657"?> Begriff Erläuterung Zeitbewertung anzuwenden ist. Kurze Schallimpulse werden oftmals als wesentlich störender empfunden als längere Schallereignisse. Deshalb wird bei Geräuschmessungen die Dauer der einzelnen Schallimpulse durch eine Zeitbewertung berücksichtigt. B Normen und Richtlinien F. Krüger B.1 Vorbemerkungen Im Folgenden sind einige wesentliche Normen, Richtlinien, Gesetze und Verordnungen usw. zusammengestellt, die für das hier dargestellte Thema „Schall und Erschütterungen im Schienen‐ verkehr“ bedeutsam sind. Die besonders zu beachtenden Normen sind „fett“ dargestellt. Eine ausführlichere Zusammenstellung von akustischen Normen und VDI-Richtlinien ist z. B. im „Schalltechnischen Taschenbuch“ von Schmidt, H. enthalten (VDI Verlag, Fünfte Auflage 1996). Anmerkung: Normen und Richtlinien werden regelmäßig überarbeitet, es sind daher die jeweils aktuellen Fassungen für die Bearbeitung konkreter Aufgaben heranzuziehen. Unter www.beuth.de können diese bestellt und abgerufen werden. Im Folgenden wird daher weitge‐ hend auf Zeitangaben der Herausgabe der Normen und Richtlinien verzichtet. Weiterhin ist zu beachten, dass DIN-Normen oft durch EN-Normen ersetzt werden, wenn diese dasselbe Thema beinhalten. U.a. trifft dies für Teile der Normenreihe DIN 45673 zu. B.2 DIN-Normen Nummer Titel DIN 1304-1 Formelzeichen; Allgemeine Formelzeichen DIN 1311 Schwingungen und schwingungsfähige Systeme: • Teil 1: Grundbegriffe, Einteilung • Teil 2: Lineare, zeitinvariante schwingungsfähige Systeme mit einem Freiheitsgrad • Teil 3: Lineare, zeitinvariante schwingungsfähige Systeme mit endlich vielen Freiheitsgraden • Teil 4: Schwingungslehre; Schwingende Kontinua, Wellen • Beiblatt 2: Wörterbuch DIN 1320 Akustik - Begriffe (ISO 31) DIN 1332 Akustik; Formelzeichen DIN 4109 Schallschutz im Hochbau; Anforderungen und Nachweise Anforderungen und Nachweise. In Anhang B2 „Schienenverkehr“ sind Angaben zur Ermittlung des maßgeblichen Außenlärmpegels durch Messung enthalten. B Normen und Richtlinien 653 <?page no="658"?> Nummer Titel DIN 4150-1 Erschütterungen im Bauwesen - Teil 1: Grundbegriffe, Vorermittlung von Schwingungsgrößen DIN 4150-2 Erschütterungen im Bauwesen - Einwirkungen auf Menschen in Gebäuden. Zweck der Norm ist die angemessene Berücksichtigung des Erschütterungsschutzes im Immissionsbereich. „Es werden Anforderungen und Anhaltswerte genannt, bei deren Einhaltung erwartet werden kann, dass in der Regel erhebliche Belästigungen von Menschen in Wohnungen und vergleichbar genutzten Räumen vermieden werden.“ DIN 4150-3 Erschütterungen im Bauwesen - Einwirkungen auf bauliche Anlagen DIN EN ISO 3382-2 Akustik - Messung von Parametern der Raumakustik - Teil 2: Nachhallzeit in gewöhnlichen Räumen (ISO 3382-2: 2008); Deutsche Fassung EN ISO 3382-2: 2008 DIN 5566-1 Schienenfahrzeuge - Führerräume - Teil 1: Allgemeine Anforderungen DIN V ENV 12299 Bahnanwendungen - Fahrkomfort für Fahrgäste - Messung und Auswertung (1999-06), Vornorm DIN 13320 Akustik; Spektren und Übertragungskurven, Begriffe, Darstellung DIN 14831-1 Bahnanwendungen - Luftbehandlung in Führerräumen - Teil 1: Behaglichkeitsparameter; Deutsche Fassung EN 14837-1 DIN 18005-1 Schallschutz im Städtebau - Teil 1: Grundlagen und Hinweise für die Planung DIN 18005-2 Schallschutz im Städtebau; Lärmkarten; Kartenmäßige Darstellung von Schallimmissionen DIN 45635-1 Geräuschmessung an Maschinen; Luftschallemission, Hüllflächen-Verfahren; Rahmenverfahren für 3 Genauigkeitsklassen Gilt für die Messung des Schallleistungspegels von Maschinen, Baugruppen und Anlagen; ist z. Z. inhaltlich weitgehend identisch mit mehreren ISO-Normen vergleichbaren Sachbezugs. Zahlreiche Folgeteile dieser Norm gelten für unterschiedliche Maschinen und Anlagen. Es existieren Folgeteile für Messungen an Einzelaggregaten (Verbrennungsmotoren, elektrische Schaltgeräte, Luftkühler, Wärmetauscher etc.). DIN 45 641 Mittelung von Schallpegeln DIN 45 642 Messung von Verkehrsgeräuschen Gilt für die Schallmessung auch von Schienenfahrzeugen, insbesondere zum Messen von Immissionen. Diese Norm beruht z.T. auf der alten Schall 03! DIN 45645-1 Ermittlung von Beurteilungspegeln aus Messungen - Teil 1: Geräuschimmissionen in der Nachbarschaft DIN 45645-2 Ermittlung von Beurteilungspegeln aus Messungen - Teil 2: Geräuschimmissionen am Arbeitsplatz DIN 45661 Schwingungsmessgeräte; Begriffe DIN 45667 Klassierverfahren für das Erfassen regelloser Schwingungen DIN 45669-1 Messung von Schwingungsimmissionen Schwingungsmesser; Anforderungen, Prüfung Diese Norm legt Anforderungen an Schwingungsmesser für Immissionsmessungen in Gebäuden fest. DIN 45669-2 Messung von Schwingungsimmissionen - Messverfahren 654 Anhang <?page no="659"?> Nummer Titel In dieser Norm wird die Ermittlung der Beurteilungswerte (KB F -Werte) für Erschütterungen im Immissionsschutz festgelegt. DIN 45669-3 (Norm-Entwurf) Messung von Schwingungsimmissionen - Prüfung (Kalibrierung und Beurteilung) der Schwingungsmesseinrichtung; Erstprüfung, Nachprüfung, Zwischenprüfung, Prüfung beim Messeinsatz In dieser Norm ist das Verfahren zur KB F -Ermittlung festgelegt. Dieses Verfahren ist die Grundlage zur Beurteilung nach DIN 4150-2 DIN 45672-1 Schwingungsmessung an Schienenverkehrswegen - Teil 1: Messverfahren für Schwingungen Es wird ein Verfahren zur einheitlichen Messung mechanischer Schwingungen (Erschütterungen) festgelegt, die durch vorbeifahrende Schienenfahrzeuge angeregt werden. Es werden die Besonderheiten des Schienenverkehrs berücksichtigt (Randbedingungen etc.). DIN 45672-2 Schwingungsmessung an Schienenverkehrswegen - Teil 2: Auswerteverfahren Diese Norm legt Verfahren zur einheitlichen Auswertung und grafischen Darstellung von Ergebnissen der an Schienenverkehrswegen aus Messungen ermittelten Schwinggeschwindigkeit fest DIN 45672-3 Schwingungsmessung an Schienenverkehrswegen - Teil 3: Spektrales Prognoseverfahren DIN 45672-4 Schwingungsmessung an Schienenverkehrswegen - Teil 4: Sekundärschall DIN 45673-1 Mechanische Schwingungen - Elastische Elemente des Oberbaus von Schienenfahrwegen - Teil 1: Begriffe, Klassifizierung, Prüfverfahren DIN 45673-2 Mechanische Schwingungen - Elastische Elemente des Oberbaus von Schienenfahrwegen - Teil 2: Ermittlung statischer und dynamischer Kennwerte im Betriebsgleis DIN V 45673-3 Mechanische Schwingungen - Elastische Elemente des Oberbaus von Schienenfahrwegen - Teil 3: Messtechnische Ermittlung der Einfügungsdämmung im eingebauten Zustand (Versuchsaufbau und Betriebsgleis) DIN 45673-4 Mechanische Schwingungen - Elastische Elemente des Oberbaus von Schienenfahrwegen - Teil 4: Rechnerische Ermittlung der Einfügungsdämmung im eingebauten Zustand DIN 45673-5 Mechanische Schwingungen - Elastische Elemente des Oberbaus von Schienenfahrwegen - Teil 5: Labor-Prüfverfahren für Unterschottermatten DIN 45673-6 Mechanische Schwingungen - Labor-Prüfverfahren für Besohlungen von Betonschwellen DIN 45673-7 Mechanische Schwingungen - Elastische Elemente des Oberbaus von Schienenfahrwegen - Teil 7: Labor-Prüfverfahren für elastische Elemente von Masse-Feder-Systemen DIN 45673-8 Mechanische Schwingungen - Elastische Elemente des Oberbaus von Schienenfahrwegen - Teil 8: Labor-Prüfverfahren für kontinuierliche elastische Schienenlagerungen DIN 45673-9 Mechanische Schwingungen - Elastische Elemente des Oberbaus von Schienenfahrwegen - Teil 9: Labor-Prüfverfahren für diskrete elastische Schienenbefestigungen DIN 45680 Messung und Bewertung tieffrequenter Geräuschimmissionen in der Nachbarschaft B Normen und Richtlinien 655 <?page no="660"?> Nummer Titel In dieser Norm wird ein Verfahren zur Messung und Bewertung tieffrequenter Geräuschimmissionen in Gebäuden bei Luftund/ oder Körperschallübertragung beschrieben. DIN 45680 Bbl 1 Messung und Bewertung tieffrequenter Geräuschimmissionen in der Nachbarschaft - Hinweise zur Beurteilung bei gewerblichen Anlagen DIN 45681 Bestimmung der Tonhaltigkeit von Geräuschen und Ermittlung eines Tonzuschlages für die Beurteilung von Geräuschimmissionen DIN 45682 Schallimmissionspläne B.3 DIN (EN)-Normen Nummer Titel DIN EN ISO 140-3 Messung der Schalldämmung in Gebäuden und von Bauteilen - Messung der Luftschalldämmung von Bauteilen in Prüfständen (ISO 140-3: 1995 + AM 1: 2004); Deutsche Fassung EN 20140-3 DIN EN ISO 3382-2 Akustik - Messung von Parametern der Raumakustik - Teil 2: Nachhallzeit in gewöhnlichen Räumen (ISO 3382-2: 2008); Deutsche Fassung EN ISO 3382-2: 2008 DIN EN 15461 Bahnanwendungen - Schallemission - Charakterisierung der dynamischen Eigenschaften von Gleisabschnitten für Vorbeifahrtgeräuschmessungen (enthält Änderung 1: 2010) DIN EN 15610 Bahnanwendungen - Geräuschemission - Messung der Schienenrauheit im Hinblick auf die Entstehung von Rollgeräusch DIN EN 17319 Bahnanwendungen - Infrastruktur - Leistungsanforderungen für Schienenbefestigungssysteme für Straßenbahnen; Deutsche Fassung EN 17319: 2020 DIN EN 20140-2 Akustik; Messung der Schalldämmung in Gebäuden und von Bauteilen; Angaben von Genauigkeitsanforderungen (ISO 140-2: 1991); Deutsche Fassung EN 20140-2: DIN EN 20140-9 Akustik; Messung der Schalldämmung in Gebäuden und von Bauteilen; Teil 9: Raum-zu-Raum-Messung der Luftschalldämmung von Unterdecken mit darüber liegendem Hohlraum im Prüfstand (ISO 140-9: 1985); Deutsche Fassung EN 20140-9 DIN EN 20140-10 Messung der Schalldämmung in Gebäuden und von Bauteilen - Messung der Luftschalldämmung kleiner Bauteile in Prüfständen; Deutsche Fassung EN 20140-10 Anmerkung zu Sekundärschall (Körperschall): Spezielle Normen und Richtlinien für den tieffrequenten Sekundärschall (f < 315 Hz) gibt es z. Z. nicht. Es wird daher für die Messung, Auswertung und Bewertung auf entsprechende Normen für Schallmessungen zurückgegriffen. Einige allg. Hinweise sind in VDI 2716 enthalten. Hinsichtlich der Randbedingungen während der Messungen kann weitgehend auf die Angaben in DIN 45672-1 zurückgegriffen werden. Hinsichtlich der Bewertungsgrößen wird z.T. auf die Angaben der beiden folgenden Richtlinien zurückgegriffen: • VDI 2058 Blatt 1 • VDI 2719. DIN EN 60942 Elektroakustik - Schallkalibratoren (IEC 60942: 2003); Deutsche Fassung EN 60942 DIN EN 61012 Filter für die Messung von hörbarem Schall im Beisein von Ultraschall (IEC 61012: 1990); Deutsche Fassung EN 61012 656 Anhang <?page no="661"?> Nummer Titel DIN EN 61672-1 Elektroakustik - Schallpegelmesser - Anforderungen (IEC 61672-1: 2002); Deutsche Fassung EN 61672-1 DIN EN 61672-2 Elektroakustik - Schallpegelmesser - Teil 2: Baumusterprüfungen (IEC 61672-2: 2003); Deutsche Fassung EN 61672-2 DIN EN 61672-3 Elektroakustik - Schallpegelmesser - Teil 3: Periodische Einzelprüfung (IEC 29/ 570/ CDV: 2004); Deutsche Fassung prEN 61672-3 DIN EN ISO 266 Akustik - Normfrequenzen (ISO 266: 1997); Deutsche Fassung EN ISO 266: DIN EN ISO 717-1 Akustik - Bewertung der Schalldämmung in Gebäuden und von Bauteilen - Teil 1: Luftschalldämmung (ISO 717-1: 1996); Deutsche Fassung EN ISO 717-1 DIN EN ISO 717-1/ A1 Akustik - Bewertung der Schalldämmung in Gebäuden und von Bauteilen - Teil 1: Luftschalldämmung - Änderung 1: Rundungsregeln für Einzahlbewertungen und Einzahlangaben (ISO 717-1: 1996/ DAM 1: 2004); Deutsche Fassung EN ISO 717-1 DIN EN ISO 717-2 Akustik - Bewertung der Schalldämmung in Gebäuden und von Bauteilen - Trittschalldämmung (ISO 717-2: 1996); Deutsche Fassung EN ISO 717-2 DIN EN ISO 3095 Bahnanwendungen - Akustik - Messung der Geräuschemission von spurgebundenen Fahrzeugen (ISO 3095: 2005); Deutsche Fassung EN ISO 3095 DIN EN ISO 3381 Bahnanwendungen - Akustik - Geräuschmessungen in spurgebundenen Fahrzeugen (ISO 3381: 2005); Deutsche Fassung EN ISO 3381 DIN EN ISO 3382-2 Akustik - Messung von Parametern der Raumakustik - Teil 2: Nachhallzeit in gewöhnlichen Räumen (ISO 3382-2: 2008); Deutsche Fassung EN ISO 3382-2: 2008 DIN ISO 9613-2 Akustik - Dämpfung des Schalls bei der Ausbreitung im Freien - Allgemeines Berechnungsverfahren (ISO 9613-2) DIN EN ISO 10846-1 Akustik und Schwingungstechnik - Laborverfahren zur Messung der vibroakustischen Transfereigenschaften elastischer Elemente - Grundlagen und Übersicht (ISO/ DIS 10846-1); Deutsche Fassung prEN ISO 10846-1: DIN EN ISO 10846-2 Akustik und Schwingungstechnik - Laborverfahren zur Messung der vibroakustischen Transfereigenschaften elastischer Elemente - Teil 2: Direktes Verfahren zur Ermittlung der dynamischen Steifigkeit elastischer Stützelemente bei Anregung in translatorischer Richtung (ISO/ DIS 10846-2: ); Deutsche Fassung prEN ISO 10846-2 DIN EN 60942 Elektroakustik - Schallkalibratoren DIN EN 61260 Elektroakustik - Bandfilter für Oktaven und Bruchteile von Oktaven DIN EN ISO 266 Akustik - Normfrequenzen DIN EN ISO 3381 Bahnanwendungen - Akustik - Geräuschmessungen in spurgebundenen Fahrzeugen DIN EN ISO 12001 Akustik - Geräuschabstrahlung von Maschinen und Geräten - Regeln für die Erstellung und Gestaltung einer Geräuschmessnorm DIN EN ISO 80000-8 Größen und Einheiten - Teil 8: Akustik DIN EN ISO/ IEC 17025 Allgemeine Anforderungen an die Kompetenz von Prüf- und Kalibrierlaboratorien DIN ISO 9613-2 Akustik - Dämpfung des Schalls bei der Ausbreitung im Freien - Teil 2: Allgemeines Berechnungsverfahren B Normen und Richtlinien 657 <?page no="662"?> Nummer Titel DIN IEC 60263, Skalen und Größenverhältnisse zur Darstellung von Frequenzkurven und Polardiagrammen DIN V ENV 13005 Leitfaden zur Angabe der Unsicherheit beim Messen B.4 ISO (DIN)-Normen Nummer Titel ISO 31-7 Größen und Einheiten; Teil 7: Akustik ISO 226 Akustik - Normalkurven gleicher Lautstärkepegel ISO 7626-1 Schwingungen und Stöße; Experimentelle Bestimmung der mechanischen Admittanz; Teil 1: Grundbegriffe und Wandler (in engl.) ISO 7626-2 Schwingungen und Stöße - Experimentelle Bestimmung der mechanischen Admittanz - Teil 2: Messungen mit Einpunkt-Translationserregung mit einem befestigten Schwingungserreger (in engl.) ISO 7626-5, Schwingungen und Stöße - Experimentelle Bestimmung der mechanischen Admittanz - Teil 5: Messungen mit Stoßanregung durch einen Erreger, der nicht an die Struktur gekoppelt ist (in engl.) DIN ISO 9613-2 Akustik - Dämpfung des Schalls bei der Ausbreitung im Freien, Teil 2: Allgemeines Berechnungsverfahren ISO/ TS 10811-1 Mechanische Schwingungen und Stöße - Schwingungs- und Stoßeinwirkung auf empfindliche Geräte in Gebäuden - Messung und Bewertung ISO/ TS 10811-2 Mechanische Schwingungen und Stöße - Schwingungs- und Stoßeinwirkung auf empfindliche Geräte in Gebäuden - Klassifizierung ISO 14837-1 Mechanische Schwingungen - Erschütterungen und sekundärer Luftschall aus dem Schienenverkehr - Teil 1: Allgemeine Anleitungen ISO 14837-31 Mechanische Schwingungen - Erschütterungen und sekundärer Luftschall aus dem Schienenverkehr - Teil 31: Anleitung für Messungen vor Ort zur Ermittlung der Einwirkung auf den Menschen in Gebäuden ISO 14837-32 Mechanische Schwingungen - Erschütterungen und sekundärer Luftschall aus dem Schienenverkehr - Teil 32: Messung von dynamischen Eigenschaften des Untergrunds ISO 14837-33 Mechanische Schwingungen - Minderungsmaßnahmen (in Arbeit) ISO 18437-2 Mechanische Schwingungen und Stöße - Kennzeichnung der dynamischen mechanischen Eigenschaften von elastischen Materialien - Resonanzverfahren B.5 VDI-Richtlinien Nummer Titel VDI 2038 Blatt 3: 2013-11 Gebrauchstauglichkeit von Bauwerken bei dynamischen Einwirkungen - Untersuchungsmethoden und Beurteilungsverfahren der Baudynamik - Sekundärer Luftschall - Grundlagen, Prognose, Messung, Beurteilung und Minderung 658 Anhang <?page no="663"?> Nummer Titel VDI 2057 Blatt 1 Einwirkung mechanischer Schwingungen auf den Menschen - Ganzkörper-Schwingungen VDI 2057 Blatt 2 Einwirkung mechanische Schwingungen auf den Menschen - Hand-Arm Schwingungen VDI 2057 Blatt 3 Einwirkung mechanischer Schwingungen auf den Menschen - Ganzkörperschwingungen an Arbeitsplätzen in Gebäuden VDI 2057 Blatt 4.1 Einwirkung mechanischer Schwingungen auf den Menschen; Messung und Beurteilung von Arbeitsplätzen in Gebäuden VDI 2058 Blatt 2 Beurteilung von Lärm hinsichtlich Gehörgefährdung VDI 2058 Blatt 3 Beurteilung von Lärm am Arbeitsplatz unter Berücksichtigung unterschiedlicher Tätigkeiten VDI 2062 Blatt 1 Schwingungsisolierung; Begriffe und Methoden VDI 2062 Blatt 2 (Technische Regel, Entwurf) Schwingungsisolierung - Schwingungsisolierelemente VDI 2571 Schallabstrahlung von Industriebauten VDI 2714 Schallausbreitung im Freien Es wird der Zusammenhang zwischen Schallemission und -immission dargestellt und gezeigt, dass bei vorgegebenen Ausbreitungsbedingungen die Schallimmission berechnet werden kann. VDI 2716 Luft- und Körperschall bei Schienenbahnen des öffentlichen Personennahverkehrs (1992-06). Berichtigung 1 zu VDI 2716. Kennzeichnet die Geräuschsituation (auch Sekundärschall und Prognoseverfahren) bei Stadtbahnen und gibt die Wirkung von Einflussparametern an, mit denen die Emissionen von Bahnen, insbesondere im innerstädtischen Bereich, beeinflusst werden können. Diese Richtlinie wurde zurückgezogen und teilweise ersetzt durch Normenreihe DIN 45672. Sie ist aber noch verfügbar. VDI 2719 Schalldämmung von Fenstern und deren Zusatzeinrichtungen VDI 2720 Blatt 1 Schallschutz durch Abschirmung im Freien. Es wird ein Verfahren zur Berechnung der Einfügungsdämmung von Schallschirmen beschrieben. VDI 2720 Blatt 2 Schallschutz durch Abschirmung in Räumen VDI 2720 Blatt 3 Schallschutz durch Abschirmung im Nahfeld; teilweise Umschließung VDI 3720 Blatt 2 Lärmarm Konstruieren; Beispielsammlung VDI 3720 Blatt 4 Lärmarm Konstruieren; Rotierende Bauteile und deren Lagerung VDI 3720 Blatt 5 Lärmarm Konstruieren; Hydrokomponenten und -systeme VDI 3720 Blatt 9.1 Lärmarm Konstruieren; Leistungsgetriebe; Minderung der Körperschallanregung im Zahneingriff VDI 3722 Bl 1 Wirkungen von Verkehrsgeräuschen VDI 3723 Bl 1 Anwendung statistischer Methoden bei der Kennzeichnung schwankender Geräuschimmissionen B Normen und Richtlinien 659 <?page no="664"?> Nummer Titel VDI 3723 Blatt 2 (Technische Regel, Entwurf) Anwendung statistischer Methoden bei der Kennzeichnung schwankender Geräuschimmissionen - Teil 2: Qualitätsprüfung bei der Beurteilung von Geräuschsituationen VDI 3727 Blatt 1 Schallschutz durch Körperschalldämpfung - Physikalische Grundlagen und Abschätzverfahren VDI 3727 Blatt 2: Schallschutz durch Körperschalldämpfung - Anwendungshinweise VDI 3837 (Technische Regel) - Erschütterungen durch oberirdische Schienenbahnen - Spektrales Prognoseverfahren B.6 IEC-Richtlinien Nummer Titel IEC 60942 Electroacoustics - Sound calibrators IEC 61260 Electroacoustics - Octave-band and fractional-octave-band filters IEC 61260 Electroacoustics - Octave-band and fractional-octave-band filters - Amendment 1 IEC 61672 Electroacoustics - Sound level meters - Part 1: Specifications. IEC 61672-2: 2003, Electroacoustics - Sound level meters - Part 2: Pattern evaluation tests ISO/ IEC 17025 General requirements for the competence of testing and calibration laboratories B.7 EU-Normen und Richtlinien • TSI Hochgeschwindigkeitsverkehr: ENTSCHEIDUNG DER KOMMISSION vom 30. Mai 2002 über die technische Spezifikation für die Interoperabilität des Teilsystems Infrastruktur“ des transeuropäischen Hochgeschwindigkeitsbahnsystems gemäß Artikel 6 Absatz 1 der Richtlinie 96/ 48/ EG, (Bekannt gegeben unter Aktenzeichen K(2002) 1948) • TSI konventioneller Verkehr: Konventionelle Bahnfahrzeuge, Anwendungsbereich: Lärm, Teilbereich: Von Güterwagen, Lokomotiven, Triebzüge und Reisezugwagen ausgehende Lärmemissionen • TSI Lärm: VERORDNUNG (EU) Nr. 1304/ 2014 DER KOMMISSION vom 26. November 2014 über die technische Spezifikation für die Interoperabilität des Teilsystems „Fahrzeuge - Lärm“ sowie zur Änderung der Entscheidung 2008/ 232/ EG und Aufhebung des Beschlusses 2011/ 229/ EU • DURCHFÜHRUNGSVERORDNUNG (EU) 2019/ 774 DER KOMMISSION vom 16. Mai 2019 zur Änderung der Verordnung (EU) Nr. 1304/ 2014 in Bezug auf die Anwendung der technischen Spezifikation für die Interoperabilität des Teilsystems „Fahrzeuge - Lärm“ auf Bestandsgü‐ terwagen • Amtsblatt Europäische Gemeinschaft Nr. C 354: 1983 „Vorschlag für eine Richtlinie des Rates zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedsstaaten betreffend die Geräuschimmis‐ sionen der Schienenfahrzeuge“ - Amtsblatt der Europäischen Gemeinschaft. • Amtsblatt der Europäischen Union L 156/ 17: RICHTLINIE 2003/ 35/ EG DES EUROPÄISCHEN PARLAMENTS UND DES RATES vom 26. Mai 2003 über die Beteiligung der Öffentlichkeit bei der Ausarbeitung bestimmter umweltbezogener Pläne und Programme und zur Änderung der 660 Anhang <?page no="665"?> Richtlinien 85/ 337/ EWG und 96/ 61/ EG des Rates in Bezug auf die Öffentlichkeitsbeteiligung und den Zugang zu Gerichten • Richtlinie 2002/ 49/ EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 25. Juni 2002 über die Bewertung und Bekämpfung von Umgebungslärm - Erklärung der Kommission im Vermitt‐ lungsausschuss zur Richtlinie über die Bewertung und Bekämpfung von Umgebungslärm • GENERALDIREKTION INTERNE POLITIKBEREICHE - FACHABTEILUNG B: STRUKTUR- UND KOHÄSIONSPOLITIK, VERKEHR UND FREMDENVERKEHR: REDUZIERUNG DER LÄRMBELÄSTIGUNG DURCH SCHIENENVERKEHR - Studie. VERANTWORTLICHE BE‐ AMTER: Piero SOAVE Europäisches Parlament, Fachabteilung B: Struktur- und Kohäsions‐ politik B-1047 Brüssel, E-Mail: poldep-cohesion@europarl.europa.eu . Dieses Dokument ist im Internet unter folgender Adresse abrufbar: http: / / www.europarl.europa.eu/ studies Weitere aktuelle Informationen der EU hierzu unter: http: / / europa.eu.int/ comm/ environ‐ ment/ noise/ home.htm#4 B.8 Vorschriften der Deutschen Bahn AG • Bahnnorm 918 071: Technische Lieferbedingungen - Unterschottermatten • Bahnnorm 918 235: Technische Lieferbedingungen für elastische Zwischenlagen und Zwi‐ schenplatten (2004-01). • DS 8000103: Richtlinien für bauliche Lärmschutzanlagen an Eisenbahnstrecken (1991) • Richtlinie 820 „Grundlagen des Oberbaus“ • Ril 820.2050 „Erschütterungen und Sekundärer Luftschall“ • Deutsche Bahn-Standard 01.12.2017: Technische Lieferbedingungen DBS Schienenstegdämp‐ fer (SSD) 918 290 - Oberbautechnische und akustische Anforderungen • Deutsche Bahn-Standard April 2018: Technische Lieferbedingungen DBS Schienenstegab‐ schirmungen (SSA) 918 291 - Oberbautechnische und akustische Anforderungen - Ältere Schriften (zur Information): • Akustik 03: Richtlinie zur Berechnung der Geräuschimmissionen an Schienenwegen - Schall 03, Ausgabe 1990. Gilt für technische Untersuchungen bei der Planung von Neubaustrecken, für Bahnen nach EBO und BOStrab; gibt Berechnungsverfahren an. • Akustik 04: Richtlinie für schalltechnische Untersuchungen bei der Planung von Rangier- und Umschlagbahnhöfen (1990). Gibt Berechnungsverfahren an. • Akustik 05.2: Lärmbelästigung durch Verkehr (1994) • Akustik 05.5: Bahn und Schall (1992) • Akustik 06: Ingenieurverträge für schalltechnische Untersuchungen. Gilt zur Abfassung von Verträgen für akustische Untersuchungen an Bahnstrecken. • Akustik 06.1: Strecken (1991) • Akustik 06.2: Rangierbahnhöfe (1991) • Akustik 06.3: Umschlagbahnhöfe - Berechnung nach Verfahren „Akustik 04“ (1991) • Akustik 06.4: Bahnübergänge (1991) • Akustik 06.5: P+R-Anlagen (1991) B Normen und Richtlinien 661 <?page no="666"?> • Akustik 07: Richtlinie über die Aufstellung von schalltechnischen Untersuchungen (Luft‐ schall), (1991) • Akustik 08: Lärmminderungskatalog (1988) • Akustik 09: Richtlinie zur Messung der Geräuschemission von Baumaschinen für den Oberbau • Akustik 10: Gehörschutz im Oberbau • Akustik 13: Berechnung der Geräuschimmissionen in der Umgebung von Gleisbaustellen (1986) • Akustik 15: „Vorschriften- und Richtlinienkatalog“. Gibt für die im Bahnbetrieb relevant werdenden Regelwerke in Stichworten Anwendungsgebiete, Inhalt und besondere Hinweise an. • Akustik 18: Tagesganglinien • Akustik 22: Verringerung der Schallabstrahlung von Brücken durch zusätzliche Maßnahmen (1990) • Akustik 23: Richtlinie für die Schalldämmung von Fenstern bei Schienenverkehrslärm, Teil 1: Akustische Grundlagen (1990) • Akustik 25: Merkblatt Stufenschallschutzwand (1986) • Akustik KE 01: Körperschall und Erschütterungen • Akustik KE 03: Empfehlung für die Erstellung von Messberichten und Gutachten über Körperschall- und Erschütterungsmessungen aus Eisenbahnimmissionen B.9 Sonstige Vorschriften - B.9.1 Deutsche Gesetze und Verordnungen • Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes - Verkehrslärmschutz‐ verordnung (16. BImSchV). Sie gilt für die Lärmvorsorge und die Lärmsanierung an Straßen- und Schienenverkehrswe‐ gen; Grenzwerte sind hier angegeben. Bundesrats-Drucksache 661/ 89. Begründung der 16. BlmSchV • Richtlinie für die Förderung von Maßnahmen zur Lärmsanierung an bestehenden Schienen‐ wegen der Eisenbahnen des Bundes (BMVBS 2005) • Verkehrswege-Schallschutzmaßnahmenverordnung - Vierundzwanzigste Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (24. BImSchV). • Sechste Allgemeine Verwaltungsvorschrift zum Bundes-Immissionsschutzgesetz (Technische Anleitung zum Schutz gegen Lärm - TA Lärm) - B.9.2 Merkblätter • Merkblatt über die Seismischen Verfahren zur Untergrunderkundung und Ermittlung von Materialkennwerten des Bodens. Deutsche Gesellschaft für zerstörungsfreie Prüfung e.V. (Ausgabe 1996-1) 662 Anhang <?page no="667"?> B.9.3 VDV-Schriften • VDV-Schrift 154: Geräusche von Schienenfahrzeugen des Öffentlichen Personen Nahver‐ kehrs (ÖPNV), 10/ 2011) • VDV-Schrift 600: Oberbau‐Richtlinien und ‐Zusatzrichtlinien für Bahnen im Geltungsbereich der BOStrab • VDV-Schrift 604: Oberbau‐Arten und Oberbau‐Formen bei Nahverkehrs‐Unternehmen • VDV-Schrift 611: Geräusche in Gleisbögen des schienengebundenen ÖPNV - Handlungs‐ empfehlungen zu ihrer Verminderung • VDV-Mitteilung 1541: Geräusche von Eisenbahnfahrzeugen in der Fahrzeugabstellung ein‐ schl. Vorbereitungs- und Abschlussdienst. 11/ 2017 • Handbuch - Schall und Erschütterungen beim Schienennahverkehr, 2. Auflage Dezember 2001, Handlungshilfe zur Beurteilung von Messergebnissen, Prognosen und Minderungsmaß‐ nahmen (Autor: Krüger, F.) B Normen und Richtlinien 663 <?page no="668"?> C Datensammlung F. Krüger C.1 Allgemeine Daten und Beispiele für Messergebnisse - C.1.1 Terzen und Oktaven Hz Terz Hz, dB Oktave Hz Hz Terz Hz, dB Oktave Hz f mn f un f on Af un f on f mn f un f on Af un f on 1 0,89 1,12 -149 - - 160 140 180 -13,4 - - 1,25 1,12 1,41 -141 - - 200 180 224 -10,9 - - 1,6 1,41 1,78 -133 - - 250 224 280 -8,6 180 355 2 1,78 2,23 -125 1,41 2,8 315 280 355 -6,6 - - 2,5 2,23 2,80 -117 - - 400 355 450 -4,8 - - 3,15 2,80 3,55 -109 - - 500 450 560 -3,2 355 710 4 3,55 4,50 -101 2,8 5,6 630 560 710 -1,9 - - 5 4,50 5,60 -93,3 - - 800 710 900 -0,8 - - 6,3 5,60 7,10 -85,6 - - 1000 900 1120 0 710 1400 8 7,10 8,90 -77,9 5,6 11,2 1250 1120 1400 0,6 - - 10 8,90 11,2 -70,4 - - 1600 1400 1800 1,0 - - 12,5 11,2 14,1 -63,4 - - 2000 1800 2240 1,2 1400 2800 16 14,1 17,8 -56,7 11,2 22,3 2500 2240 2800 1,3 - - 20 17,8 22,3 -50,5 - - 3150 2800 3550 1,2 - - 25 22,3 28,0 -44,7 - - 4000 3550 4500 1,0 2800 5600 31,6 28,0 35,5 -39,4 22,3 45,0 5000 4500 5600 0,5 - - 40 35,5 45,0 -34,6 - - 6300 5600 7100 -0,1 - - 50 45,0 56,0 -30,2 - - 8000 7100 9000 -1,1 5600 11220 63 56,0 71,0 -26,2 45,0 90,0 10000 9000 11220 -2,5 - - 80 71,0 90,0 -22,5 - - 12500 11220 14000 -4,3 - - 100 90 112 -19,1 - - 16000 14000 18000 -6,6 11220 22400 125 112 140 -16,1 90 180 20000 18000 22400 -9,3 - - Tabelle C.1: Mittenfrequenzen und Bandbreiten von Terzen und Oktaven (DIN 45652) und A-Bewertung n. DIN 45633-1 664 Anhang <?page no="669"?> (C.1) (C.2) (C.3) C.1.2 Gleichungen zur Terz-/ Oktavberechnung f u,n untere Frequenz f o,n obere Frequenz f m,n Mittenfrequenz (Bezeichnung der n-ten Terz / Oktave) n Terz, Oktave; n = 0, 1, 2 ...........n (n = 0 → f m = 1-Hz; n = 43 → 20-kHz (Beispiel: Mit Gl. (C.3) folgt für n = 43 f m = 20.642,55-Hz). f o, n = 2 3 n • 2 3 f u, n = 2 3 n 2 3 f m, n = 2 3 n = f u, n • f o, n - C.1.3 A-Bewertung Im folgenden Bild sind sowohl die A-Bewertung als auch die wesentlichen Frequenzbereiche für Schall und Erschütterungen dargestellt. C Datensammlung 665 <?page no="670"?> -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 2,5 3,245 6,38 10 12,5 16 20 25 31,5 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3160 4000 5000 6300 8000 10000 12500 16000 20000 Delta L p , dB Terzmitten-Frequenz, Hz A-Bewertung1 A-Bewertung1 Erschütt-1 Erschütt-2 Sek-Schall 16.BImSchV Hörbereich Bild C.1: A-Bewertungskurve des Luftschalls und wesentliche Frequenzbereiche - C.1.4 Schalltechnische Größen und Reflexionsgrade Größe Formelzeichen Gleichung Einheit Admittanz, mechanische Y(f) = v(f)/ F(f) (m/ s)/ N = m/ Ns Dichte ρ = m/ V kg/ m 3 Einfügungsdämmung D e (f) = v 2 (f)/ v 1 (f) - Einfügungsdämm-Maß D e (f Tn )=L v2 (f Tn )-L v1 (f Tn ) dB Fläche, durchströmte S, A m 2 Frequenz f = 1/ T 1/ s, Hz Kraft F N Kreisfrequenz ω = 2 π f 1/ s Impedanz, akustische Z a =p/ q Ns/ m 5 Impedanz, mechanische Z m (f)= F(f)/ v(f) N/ (m/ s) = Ns/ m Masse m = G/ g kg Periodendauer T = 1/ f s 666 Anhang <?page no="671"?> Schalldruck p = F/ A N/ m 2 Schallfluss q = v s m 3 / s Schallgeschwindigkeit c = f λ m/ s Schallintensität I = p v W/ m 2 Schallkennimpedanz Z 0 = p/ v = ρ c Ns/ m 3 Schallleistung W W Schallschnelle v m/ s Schwingbeschleunigung a m/ s 2 Schwinggeschwindigkeit v = a/ ω m/ s Volumen V m 3 Wellenlänge λ = c/ f m Wichte γ = m/ V N/ m 3 Winkelgeschwindigkeit ω = 2 π f 1/ s Tabelle C.2: Zusammenstellung häufig verwendeter schalltechnischer Größen, Gleichungen und Einheiten Stoff Reflexionsgrad bei Frequenz 128-Hz 512-Hz 2048-Hz Beton 0,99 0,99 0,98 Wasserfläche 0,99 0,99 0,98 Holz 0,90 0,90 0,92 Stahl 1,00 1,00 1,00 schallschluckende Platten 0,88 - 0,70 0,81 - 0,39 0,79 - 0,23 Tabelle C.3: Reflexionsgrad einiger Stoffe bei verschiedenen Frequenzen - C.1.5 Schienen Schiene A S G S I x I y W xK W xF W y W yLeitk. Neu Alt mm 2 kg/ m cm 4 cm 4 cm 3 cm 3 cm 3 cm 3 49E1 S 49 6297,00 49,43 1819,00 320,00 240,00 248,00 51,00 - 40E1 S 41/ 14 5217,00 40,95 1368,00 260,00 196,00 200,00 42,00 - 41E1 S 41/ 10 5254,00 41,30 1381,00 265,00 199,00 201,00 42,40 - 54E3 S 54 6952,00 54,47 2074,00 - 262,80 - - - 54E1 UIC54 - 54,43 - - 279,19 - - - C Datensammlung 667 <?page no="672"?> 1 VDV-OBERBAU-Richtlinien OR 8.1.3 (Ausgabe Dez. 1995), Anmerkung: Eine Neuauflage aus dem Jahr 2018 liegt vor. 2 Schwere Schienen - Teil 1: Symmetrische Breitfuß-Eisenbahnschienen mit einer Masse von mindestens 46 kg/ m (EN-Norm) 3 HBW: Prüfung der Brinell-Härte mit einer Wolfram-Karbit-Kugel. Der Wert für HBW entspricht näherungsweise dem 0,3-fachen Wert der Zugfestigkeit (siehe obige Tabelle). Schiene A S G S I x I y W xK W xF W y W yLeitk. 60E1 UIC 60 7670,00 60,21 3083,00 - 333,60 - - - 33E1 S 33 4264,00 33,47 1039,00 152,00 155,70 154,20 29,00 - 60R2 Ri 60 N 7610,76 59,74 3299,00 920,00 380,70 353,00 95,11 110,50 59R2 Ri 59 N 7413,58 58,20 3214,00 877,00 363,70 351,00 91,80 103,80 60R1 Ri 60 7705,00 60,48 3339,30 928,37 390,50 353,40 95,60 111,90 59R1 Ri 59 7510,00 58,96 3266,80 886,06 374,20 352,40 105,30 92,39 67R1 Ph 37 a 8510,00 66,90 3563,00 1250,00 378,00 416,00 - 132,50 57R1 Ph 37 7202,00 56,50 3032,00 830,00 307,30 363,80 81,10 100,70 Tabelle C.4: Wesentliche Daten von Schienenprofilen 474 Tabelle C.5: Stahlgüte, Zugfestigkeit des Schienenstahls 1 . Als Schienenwerkstoff ist Walzstahl mit einer Mindestzugfestigkeit von mindestens 685 MPa zu verwenden. (Zukünftig 2 wird hierfür eine Güte 200 mit einem Härtebereich von 200 HBW bis 240 HBW 3 angegeben). alt Güte N/ mm² neu Güte HBW (Härte) Bereich HBW Beschreibung Kennlinien (an den Schienen) 700 200 200-240 Kohlenstoff-Mangan (C-Mn) keine Kennlinien 800 220 220-260 Kohlenstoff-Mangan (C-Mn) 900 (Stahlart A) 260 260-300 Kohlenstoff-Mangan (C-Mn) 900 (Stahlart B) 260 Mn 260-300 Kohlenstoff-Mangan (C-Mn) 1100 (Sondergüte) 320 Cr 320-360 Legierung (1 % Cr) 900 kopfgehärtet 350 HT 350-390*) Kohlenstoff-Mangan (C-Mn), kopfgehärtet --- 350 LHT 350-390*) schwache Legierung, kopfgehärtet * ) Falls die Härte zwischen 390 HBW und 400 HBW liegt, dann kann die Schiene akzeptiert werden, liefert die Schiene Mikrostrukturen, bestätigt dies, dass sie perlitisch ist. 1 VDV-OBERBAU-Richtlinien OR 8.1.3 (Ausgabe Dez. 1995) 2 Schwere Schienen - Teil 1: Symmetrische Breitfuß-Eisenbahnschienen mit einer Masse von mindestens 46 kg/ m (EN-Norm) 3 HBW: Prüfung der Brinell-Härte mit einer Wolfram-Karbit-Kugel. Der Wert für HBW entspricht näherungsweise dem 0,3-fachen Wert der Zugfestigkeit (siehe obige Tabelle). Tabelle C.5: Stahlgüte, Zugfestigkeit des Schienenstahls 1 . Als Schienenwerkstoff ist Walzstahl mit einer Mindest‐ zugfestigkeit von mindestens 685 MPa zu verwenden. (Zukünftig 2 wird hierfür eine Güte 200 mit einem Härtebereich von 200-HBW bis 240 HBW 3 angegeben). *) Falls die Härte zwischen 390 HBW und 400 HBW liegt, dann kann die Schiene akzeptiert werden, liefert die Schiene Mikrostrukturen, bestätigt dies, dass sie perlitisch ist. 668 Anhang <?page no="673"?> C.1.6 Materialdaten Material Dichte ρ kg/ m 3 E-Modul MN/ m 2 c D m/ s f g ⋅h Hz⋅m dνa) Baustoffe (Tunnel, Brücken, Gebäude) Stahlbeton - - - - - - • B25 • B35 • B45 • B55 2100 2200 2300 2400 29,5⋅10 3 33,5⋅10 3 36,5⋅10 3 38,5⋅10 3 3750 3900 3980 4000 17,1 16,4 16,1 16,0 - 0,01-0,6 - - ≈0,2-0,3 Magerbeton 2000 15⋅10 3 2700 23,0 - 0,2 Zementestrich 2200 30⋅10 3 3700 17 - - Stahl 7800 200 . 10 3 5100 12,3 1 . 10 -4 ≈0,3 Gusseisen 7200 175 . 10 3 4100 15,4 0,01 ≈0,3 b) Böden Sand, mitteldicht 1400 60-150 210-330 - - - Sand, dicht 1600 150-300 310-430 - - 0,3-0,35 Kiessand, ungleichförmig 1800 200-400 330-470 - - - Kies, dicht 1600 300-450 430-530 - - - Geröll, Steine (Schotter, sandfrei) 1400 300-600 460-660 - - - Ton, steif 1800 35-70 140-200 - - - Ton, sandig (Geschiebe-, Löslehm) 1800 40-80 150-210 - - - Ton, sandig (Lehm, Mergel, Löß) 2200 75-120 180-240 - - 0,5-0,45 Ton, fest 2600 140-180 230-330 - - 0,45-0,5 c) Elastomere Gummi: - - - - - - • hart • Sh A 65 • Sh A 55 • Sh A 40 (Naturkautschuk) 1100 1200 1200 1000 2300 15 10 5 1450 120 90 70 -- - 0,12 0,08 0,04 - 0,4-0,5 -- Kunststoff ≈ - - - - - 0,3-0,4 Tabelle C.6: Materialdaten (näherungsweise). c D : Dehnwellengeschwindigkeit, d: Verlustfaktor, f g ×h: Koinzidenz‐ konstante (h = Materialdicke), Sh: Shore-Härte C Datensammlung 669 <?page no="674"?> (C.4) (C.5) Bodenart α 1/ m α‘ u R m/ s u L m/ s Sande: - - - - • Fein- • Mittel- • Kies- - 0,01 - 0,5-0,6 110 160 250 300 550 480 Lehm: (feucht → trocken) - 0,06 → 0,1 - - 140 → 200 - 750 → 1900 Ton 0,06 0,15-0,35 120-700 - Lehm u. Sand Lehm u. Kies - 0,4 0,1 - - Moorboden, Humus - - 30-80 - Buntsandstein: (verwittert → unverwittert) - 0,01 - - 500 → 1100 - → 1950 Keupersandstein: (verwittert → unverwittert) - - - 250 → 650 - 1000 → 1750 Tabelle C.7: Absorptionskoeffizienten und Ausbreitungsgeschwindigkeiten (für Rayleighwellen und Longitudinal‐ wellen) bei verschiedenen Bodenarten Neben der Ausbreitungsdämpfung im Boden wirkt auch die Materialdämpfung. Hierbei handelt es sich um echte Dämpfung (Energieumwandlung), die ursächlich zurückzuführen ist auf Reibungsverluste infolge der Phasenverschiebung zwischen benachbarten Teilchen, und sich proportional zur Schwinggeschwindigkeit verhält. Sie ist damit abhängig von der Frequenz f und von der Wellengeschwindigkeit c. Die Darstellung des Absorptionskoeffizienten erfolgt daher sinnvollerweise in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ = c/ f als dimensionsloser Absorp‐ tionskoeffizient α' = λ⋅α. Obige Tabelle gibt einen Überblick über Absorptionskoeffizienten und Wellengeschwindigkeiten für Rayleighwellen und Longitudinal- (Kompressions-)wellen. Die Abnahme der Schwingungsamplituden aufgrund der Materialdämpfung zwischen 2 Abständen r und r 1 verhält sich dann wie d = exp − α ′ • r − r 1 λ In der Pegelschreibweise wird der Ausdruck zu: 20 • lg(d) = − 8, 7 • α ′ r • r − r 1 670 Anhang <?page no="675"?> Bodenart Werkstoff c s c p G dyn E stat ρ μ E dyn D m/ s m/ s * 10 7 N/ m 2 * 10 7 N/ m 2 kg dm 3 - * 10 7 N/ m 2 % 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Sande allgemein 100-250 150-1000 - 4-20 1,9-2,1 - - 2-5 Fein 110 300 - 7,7-10 - - - - Mittel 160 550 3,8-5,6 - 1,8 - 0,23- 0,33 - Kiessand 250 480 10,6 - 1,9-2,2 - 0,31 - Kies (ohne Sand) 180-500 500-2000 - 10-20 - - - - Naturschotter - - - 15-30 - - - - Lehm feucht-trocken 140-200 750-1900 3,3 0,6-5 1,7-2,1 - 0,17 - 2-4 Ton 120-700 - - 0,3-2 1,8-2,0 - - Lös 260 800 - 0,4-0,8 - - - Moorboden Humus 30-80 - - - 1,3-2,0 - - 3-4 Sandstein Buntsandstein: verwittert - unverwittert - 500-1100 - -1950 - 290 - - - - 0,26 - 1-2 Keuper verwittert - 250 - 1000 - - 2,5-3,0 - - 0,1-0,17 - 1-2 Keupersandstein verwittert - 250 - 1000 - 35,0 -- - - - 0,43 - unverwittert 250-650 1000-1700 - - - - - - Mergel 200-280 - - - 2,5-3,0 - - - Muschelkalk 420-620 830-1500 44-96 - - - 0,32- 0,38 - Gneis 1600-3500 3000-5500 - - - - - 1 Granit 2500-3800 4000-6000 - - - - - Beton 2250 3500 1260 - 2,5 0,16 3000 - Mauerwerk - - - - 2,5 0,25 500 - Stahl - 5180 8200 - 7,9 0,3 21100 - Grauguss - - 4400 - 7,2 0,24- 0,29 9000- 18500 - Tabelle C.8: Zusammenstellung einiger dynamischer Boden- und Werkstoffkennwerte (Mittelwerte) C Datensammlung 671 <?page no="676"?> C.1.7 Einflussgrößen Erschütterungen - mittlere Wirkungen Nr Parameter, Maßnahme Bemerkungen, Abhilfe 1 Fahrzeug Wartung Überwachung der Räder Achsanzahl - Federung Eigenfrequenzen: Primär- und Sekundärfeder, Radachse, DG-Rahmen Geschwindigkeit von 40-km/ h auf 80-km/ h 20•lg(v 2 / v 1 ) 2 Bereich Rad/ Schiene Flachstellen häufiger Schleifen, Gleitschutz Schienenfahrflächen (ohne ausgeprägte Flachstellen) nach dem Schleifen Schweißstellen - Herzstücklücken bewegliche Herzstücke Stützpunktabstand (75-cm → 90-cm) - Schienengewicht / -profil - 3 Oberbau Schotterbett fest → frisch durchgearbeitet Schienenlager auf Schotter (hochelastisch) CentriCon, Kölner Ei etc. auf Schwellen Unterschottermatte - MF-System (mit Zusatzmasse), schwer Zusatzmasse aus Beton und z.T. auch Schotter MF-System (mit Zusatzmasse), leicht Betonplatten auf elastischen Matten elastische Schienenlager (ohne Schotter) z. B. Nürnberg 1a Schienenlager auf FF (hochelastisch) z. B. Kölner Ei, CentriCon etc. Schwellenbesohlung Dient auch zur Langzeitstabilität des Gleises (und damit als vorbeugende Minderungsmaßnahme) 4 Tunnel Geometrie - 2-gleisig (rechteckig) - 1-gleisig oder Betontunnel - Gusseisen oder Stahl in Lockerboden gegründet 3-gleisig - Haltestelle - Kreistunnel (Beton) - Wandstärke d W in cm bei Lockerboden (z. B. sandig) L v, Wand = 69 − 55 • lg d W / 4 ; dB 672 Anhang <?page no="677"?> Nr Parameter, Maßnahme Bemerkungen, Abhilfe Ausbau (Mittelstütze 1bis 3-gleisig) - 5- Boden Dämpfende Einbauten im Boden Grundwasserstand geringer Einfluss Frost Frequenzabhängigkeit nicht bekannt Schubmodul G in N/ m 2 - Schichtdicke Höhe h in m Geringe Amplitudenabnahme mit dem Abstand R bei f 0n f 0 = c S / 2ℎ Dämpfung D Amplitudenabnahme A A = exp −2 • π • D • R / λ) R Abstand in m λ Wellenlänge in m Einbauten im Boden Prüfen ob parallel oder quer zum Tunnel / zur Strecke vorhanden Schlitz mit Gummimatte oder anderen Füllkörpern Unterschiedliche Wirkungen in Praxis Körperschallbrücken (Rohrleitungen, Verankerungen) Zunahme, genauer Einfluss nicht bekannt 6 Gebäude Elastische Lagerung Abstimmfrequenz möglichst niedrig Gestaltung, Abstand und Lage zum Tunnel / zur Strecke hängt ab von den örtlichen Verhältnissen Bauweise u. Baumaterial, Gebäudehöhe 7 Trasse Kurvenradius gegenüber einer geraden Strecke in der Ebene Einschnitt oder Damm Viadukt / Brücke Tabelle C.9: Einflussgrößen verschiedener Fahrzeug-, Oberbau-, Tunnel-, Boden- und Gebäudeparameter auf Erschütterungs- und Sekundärschallimmissionen C Datensammlung 673 <?page no="678"?> C.2 Messergebnisse - Erschütterungen und Admittanzen Bild C.2: Tunnelquerschnitte und Messpunkte (·) [C.1]. Auf den folgenden Bildern werden hierfür Ergebnisse dargestellt. 674 Anhang <?page no="679"?> Bild C.3: Leistungsdichtespektren PSD der vertikalen Schwinggeschwindigkeit unter Fahrzeuganregung, v = 60-km/ h, Messpunkte: Tunnelsohle C Datensammlung 675 <?page no="680"?> Bild C.4: Leistungsdichtespektren PSD der horizontalen Schwinggeschwindigkeit unter Fahrzeuganregung, v = 60-km/ h, Messpunkte: Tunnelwand, 1,6-m über der Schienenoberkante (SO) 676 Anhang <?page no="681"?> Bild C.5: Leistungsdichtespektren PSD der vertikalen Schwinggeschwindigkeit unter Fahrzeuganregung, v = 60-km/ h, Messpunkte: Gebäude (Fußboden) C Datensammlung 677 <?page no="682"?> Bild C.6: Leistungsdichtespektren PSD der vertikalen Schwinggeschwindigkeit unter Fahrzeuganregung, v = 60-km/ h, Messpunkte: Gebäude (Fußboden) 678 Anhang <?page no="683"?> Bild C.7: Anregung Tunnelsohle / Schiene durch einen Prüfhammer (F PH ) und durch ein Fahrzeug (F R ) zur Messung von Übertragungsadmittanzen und zur Abschätzung der Fahrzeugerregerkraft Die anregenden Fahrzeugkräfte lassen sich näherungsweise wie folgt abschätzen. Bei Anregung mit einem Prüfhammer (PH) auf der Schiene (Sch) gilt: v R F Rges = v PH F P H , Sch daraus folgt F Rges = v R v PH • F P H , Sch und bei Anregung auf der Tunnelsohle (TS): F R, TSges = v R v PH • F P H , TS Die Schwingungsantworten v R , v PH werden jeweils auf der Tunnelsohle in Gleismitte und zwischen zwei Stützpunkten gemessen. Die Anregungen erfolgen jeweils in vertikaler (z-) Richtung. Näherungsweise sollte der Abstand zwischen den Punkten der Anregung und Schwin‐ gungsmessung 1-m betragen. C Datensammlung 679 <?page no="684"?> 2,0E-10 2,0E-09 2,0E-08 2 20 200 log Y, (m/ s)N log f, Hz (Delta f = 1 Hz) TSGlm-z TSW-z TWl-y TWr-Y TDm-z 1,0E-10 1,0E-09 1,0E-08 1,0E-07 2 20 200 log Y, (m/ s)/ N log f, Hz (Delta f = 1 Hz) GKW-z GKFBm-z GKDm-z Bild C.8: Übertragungsadmittanzen Y mn aus MQ N1 (Bild C.2), vertikale Anregung mit einem Prüfhammer auf der Tunnelsohle in Gleismitte. TS: Tunnelsohle, Glm: Gleismitte, TWl: Tunnelwand links, TWr: Tunnelwand rechts, TDm: Tunneldeckenmitte, G: Gebäude, KW: Kellerwand, KFBm: Kellerfußbodenmitte, KDm: Kellerdeckenmitte, y: horizontal, z: vertikal. 680 Anhang <?page no="685"?> Bild C.9: Kohärenzfunktionen γ 2 der Übertragungsadmittanzen Y mn aus MQ N1 (Bild C.2), Erregung mit einem Prüfhammer auf der Tunnelsohle in Gleismitte C Datensammlung 681 <?page no="686"?> 1,0E-11 1,0E-10 1,0E-09 1,0E-08 2 20 200 log Y, (m/ s)/ N log f, Hz (Delta f = 1 Hz) TSm-z TSW-z TWl-y TWr-Y TDm-z 1,0E-10 1,0E-09 1,0E-08 2 20 200 log Y, (m/ s)/ N log f, Hz (Delta f = 1 Hz) GKW-z G1.OGm-z GKFBm-z GKDm-z Bild C.10: Übertragungsadmittanzen Y mn aus MQ N2 (Bild C.2), Erregung mit einem Prüfhammer auf der Tunnel‐ sohle in Gleismitte TS: Tunnelsohle, Glm: Gleismitte, TWl: Tunnelwand links, TWr: Tunnelwand rechts, TDm: Tunneldeckenmitte, G: Gebäude, KW: Kellerwand, KFBm: Kellerfußbodenmitte, KDm: Kellerdeckenmitte, 1.OG: erstes Obergeschoss, y: horizontal, z: vertikal. 682 Anhang <?page no="687"?> 1,0E-10 1,0E-09 1,0E-08 1,0E-07 2 20 200 log Y, (m/ s)/ N log f, Hz (Delta f = 1 Hz) TSGlm-z TSW-z TWl-y TWr-y TDm-z 1,0E-10 1,0E-09 1,0E-08 1,0E-07 2 20 200 log Y, (m/ s)/ N log f, Hz (Delta f = 1 Hz) GKFBm-z GEGm-z GKDm-z G1.OGm-z Bild C.11: Übertragungsadmittanzen Y mn aus MQ N3 (Bild C.2), Erregung mit einem Prüfhammer auf der Tunnel‐ sohle in Gleismitte TS: Tunnelsohle, Glm: Gleismitte, TWl: Tunnelwand links, TWr: Tunnelwand rechts, TDm: Tunneldeckenmitte, G: Gebäude, KW: Kellerwand, KFBm: Kellerfußbodenmitte, KDm: Kellerdeckenmitte, EG: Erdgeschoss, 1.OG: erstes Obergeschoss, y: horizontal, z: vertikal. C Datensammlung 683 <?page no="688"?> 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 2 20 200 Kohärenz  2 log f, Hz (Delta f = 1 Hz) TSGlM-z TSW-z TWl-y TWr-y TDM-z 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 2 20 200 Kohärenz  2 log f, Hz (Delta f = 1 Hz) GKFBM-z GEGM-z GKDM-z Bild C.12: Kohärenzfunktionen γ 2 der Übertragungsadmittanzen Y mn aus MQ N3 (Bild C.2), Erregung mit einem Prüfhammer auf der Tunnelsohle in Gleismitte 684 Anhang <?page no="689"?> 0,0E+00 2,0E-07 4,0E-07 6,0E-07 8,0E-07 1,0E-06 0 25 50 75 100 125 150 175 200 Y, m/ Ns f, Hz (Delta f = 1 Hz) -1,E-06 -8,E-07 -5,E-07 -3,E-07 0,E+00 3,E-07 5,E-07 8,E-07 1,E-06 0 25 50 75 100 125 150 175 200 Re {Y} / Im{Y}, m/ Ns Frequenz f, Hz (Delta f = 1 Hz) Re{Y} Masse Im{Y} Masse f 0n = 22 51 64 82 123 148 Hz f b f a Bild C.13: Schwingungen auf einer elastisch gelagerten Rechteckplatte (MFS), Anregung mit einem Prüfhammer im Bereich einer Schiene vertikal auf der Masse, Messung Anwortsignal in Gleismitte. Oben: Betragsspektrum, unten Realteil- und Imaginärteilfrequenzgang [C.6]. C Datensammlung 685 <?page no="690"?> Anhand des Realteilfrequenzgangs lassen sich die modalen Eigenschwingungen genauer ermit‐ teln: Maximalwerte von Re{Y}. Die modale Dämpfung D lässt sich aus dem Imaginärteilfrequenz‐ gang aus dessen resonanznahen Extremwerten f a und f b wie folgt bestimmen (siehe auch die beiden folgenden Bilder): D = 1 − fa f b 2 2 • 1 + fa f b 2 Mit f a1 = 20-Hz und f b1 = 22-Hz folgt dann für f 01 = 22-Hz: D 01 = 0,11 -6,E-06 -4,E-06 -2,E-06 0,E+00 2,E-06 4,E-06 6,E-06 8,E-06 0 25 50 75 100 125 150 175 200 Re{Y} / Im{Y}, m/ Ns Frequenz f, Hz / Delta f = 1 Hz Re{Y, Masse ohne Fzg.} Im{Y, Masse ohne Fzg.} 20 Hz 75 Hz f a1 f b1 145 Hz f a2 f b2 -6,E-06 -4,E-06 -2,E-06 0,E+00 2,E-06 4,E-06 6,E-06 8,E-06 -5,E-06 0,E+00 5,E-06 1,E-05 Im{Y Masse } Re{Y Masse } Y Masse ohne Fahrzeug Bild C.14: Realteil- und Imaginärteilfrequenzgang der Massenadmittanz sowie zugehörige Ortskurve, Anregung seitlich auf der Masse, Messung der Schwingungsantwort in Gleismitte, Radsdatz steht über der angeregten Masse [C.2]. Eigenfrequenzen: f 01 =20-Hz; f 02 =75-Hz / Modale Dämpfung: D 01 =0,120; D 02 =0,026 -6,E-06 -4,E-06 -2,E-06 0,E+00 2,E-06 4,E-06 6,E-06 8,E-06 1,E-05 0 25 50 75 100 125 150 175 200 Re{Y} / Im{Y}, m/ Ns Frequenz f, Hz / Delta f = 1 Hz Re{Y, Masse mit Fzg.} Im{Y, Masse mit Fzg.} 93 Hz 19 Hz 141 Hz f a1 f b1 f a2 f b2 -6,E-06 -4,E-06 -2,E-06 0,E+00 2,E-06 4,E-06 6,E-06 8,E-06 -1,E-05 -5,E-06 0,E+00 5,E-06 1,E-05 Im{Y Masse } Re{Y Masse } Y Masse mit Fahrzeug Bild C.15: Realteil- und Imaginärteilfrequenzgang der Massenadmittanz sowie zugehörige Ortskurve, Anregung seitlich auf der Masse, Messung der Schwingungsantwort in Massenmitte (Gleismitte), ohne Fahrzeugbelastung [C.2]. Eigenfrequenzen: f 01 =19 Hz; f 02 =93 Hz / Modale Dämpfung: D 01 =0,126; D 02 =0,021 Anmerkung - In den beiden obigen Bildern ist die gewählte Frequenzauflösung zu gering, mit einer höheren Frequenzauflösung sind die Eigenfrequenzen und modalen Dämpfungen genauer 686 Anhang <?page no="691"?> zu bestimmen. In diesem Beispiel führt die Fahrzeugmasse zu einer etwas geringeren vertikalen Eigenfrequenz (von 20-Hz zu 19-Hz). Bild C.16: Admittanzpegel L Y re 5 . 10 -8 (m/ s)/ N und Kohärenz γ 2 , gemessen auf der Tunnelsohle - Darstellung im doppellogarithmischen Maßstab zur Abschätzung der Tunnel-Boden-Steifigkeit k B , MQ N1 (oben) und MQ N3 (unten) (Bild C.2). Anregung und Messung auf der Tunnelsohle (vertikal), Abstand zwischen Anregung und Messpunkt ca. 1-m. Zum Vergleich sind berechnete Admittanzen einer Feder dargestellt. C Datensammlung 687 <?page no="692"?> C.3 Schalldruckpegel-Terzspektren - Beispiele Gezeigt werden Schalldruckpegelspektren für unterschiedliche Fahrzeugzustände sowie für die Messpunkte in 7,5 m und 25 m Abstand von Gleismitte. Die Spektren sind zum Teil Z- und A-bewertet. 30 40 50 60 70 80 25 50 100 200 400 800 1600 3160 6300 12500 Sum L p in dB; dB(A) Terzmitten-Frequenz in Hz Getriebeschaden 1 (MP: 7,5 m) Bild C.17: Schallpegel-Terzspektrum am 7,5-m-Messpunkt einer Straßenbahn, mit Getriebeschaden; unbewertet und A-bewertet 30 40 50 60 70 80 25 50 100 200 400 800 1600 3160 6300 12500 Sum L p in dB; dB(A) Terzmitten-Frequenz in Hz Getriebeschaden 2 (MP: 7,5 m) Bild C.18: Schallpegel-Terzspektrum am 7,5-m-Messpunkt einer Straßenbahn, mit Getriebeschaden; unbewertet und A-bewertet 30 40 50 60 70 80 25 50 100 200 400 800 1600 3160 6300 12500 Sum L p in dB; dB(A) Terzmitten-Frequenz in Hz Ohne defektes Radsatzlager (MP: 7,5 m) Bild C.19: Schallpegel-Terzspektrum am 7,5-m-Messpunkt einer Straßenbahn, mit ungestörtem Radsatzlager; unbewertet und A-bewertet 40 50 60 70 80 90 25 50 100 200 400 800 1600 3160 6300 12500 Sum L p in dB; dB(A) Terzmitten-Frequenz in Hz Defektes Radsatzlager (MP: 7,5 m) Bild C.20: Schallpegel-Terzspektrum am 7,5-m-Messpunkt einer Straßenbahn, mit gestörtem Radsatzlager; unbewertet und A-bewertet 688 Anhang <?page no="693"?> 40 50 60 70 80 90 25 50 100 200 400 800 1600 3160 6300 12500 Sum L p in dB; dB(A) Terzmitten-Frequenz in Hz Bremsenquietschen (MP: 7,5 m) Bild C.21: Schallpegel-Terzspektrum am 7,5-m-Messpunkt einer Strab, mit Bremsenquietschen; unbewertet und A-bewertet 30 40 50 60 70 80 25 50 100 200 400 800 1600 3160 6300 12500 Sum L p in dB; dB(A) Terzmitten-Frequenz in Hz Gleichstromsteller (MP: 7,5 m) Bild C.22: Schallpegel-Terzspektrum am 7,5-m-Messpunkt einer Strab, nur Gleichstromsteller; unbewertet und A-bewertet 0 10 20 30 40 50 60 16 32 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 L pA in dB(A) Terzmitten-Frequenz in Hz 6 Fahrten energ. Mittelwert  Bild C.23: Schallpegel-Terzspektrum am 25-m-Messpunkt einer Straßenbahn ohne besondere Störungen, auf einem straßenbündigen Gleis; A-bewertet, v ca. 50-km/ h 0 10 20 30 40 50 60 20 30 40 50 60 70 80 25 50 100 200 400 800 1600 3150 6300 A D, dB L peq in dB Terzmitten-Frequenz, Hz Lpeq7,5m Lpeq25m D Bild C.24: Schallpegel-Terzspektrum am 7,5-m und 25-m-Messpunkt einer U-Bahn ohne besondere Störungen, auf einem Schottergleis; unbewertet, v ca. 80-km/ h C Datensammlung 689 <?page no="694"?> C.4 Vertikale Eigenfrequenzen - Beispiele Im Folgenden sind einige typische Eigenfrequenzen f 0 zusammengestellt. f 0 = 1 2 • π k m a) Fahrzeug: • Primärfeder: 2-Hz - 3-Hz, • Sekundärfeder: 6-Hz - 10-Hz, • Radsatz: 60-Hz - 100-Hz, • Fußboden: 2-Hz - 5-Hz. Gemessenen Körperschall auf den beiden Radsatzlagern eines Radsatzes siehe Bild C.25. b) Oberbau • Schottergleis: 55-Hz - 80-(100)-Hz, • Elastische Schienenlager: 40-Hz - 55-Hz, • Hoch-elastische Schienenlager: 30-Hz - 45-Hz, • Unterschottermatten: 20-Hz - 35-Hz, • Masse-Feder-Systeme: 5-Hz - 20-Hz c) Bodenschicht • Schichtdicke h: f ℎ = 0, 5 • c S / ℎ mit c S Scherwellengeschwindigkeit d) Gebäude • Bis 2 Geschosse: ~ 15-Hz, • 3 - 6 Geschosse: ~ 8-Hz - 12-Hz, • > 6 Geschosse: ~ 4-Hz - 6-Hz. e) Elastisch gelagerte Gebäude • Elastomere: 8-Hz - 20-Hz • Stahlfedern: 1-Hz - 10-Hz • Luftfedern: 0,5-Hz - 5-Hz 690 Anhang <?page no="695"?> 498 Bild C.25: Körperschall, gemessen auf den beiden Radsatzlagern (K6/ K7) eines Radsatzes bei Fahrt in einem Weichenbereich. Die beiden oberen Bilder: Schwingbeschleunigung, unten Schwinggeschwindigkeit. Bild C.25: Körperschall, gemessen auf den beiden Radsatzlagern (K6/ K7) eines Radsatzes bei Fahrt in einem Weichenbereich. Die beiden oberen Bilder: Schwingbeschleunigung, unten Schwinggeschwindigkeit C Datensammlung 691 <?page no="696"?> (C.6) (C.7) (C.8) (C.9) C.5 Formeln zur rechnerischen Abschätzung der Einfügedämmung - C.5.1 Abschätzung aus Messungen - Links/ rechts-Verfahren Die unter einer Zugvorbeifahrt gemessene Schwinggeschwindigkeit v(t) hängt u. a. von den vor Ort vorhandenen Übertragungs-Admittanzen ab. Die Admittanz beschreibt die Empfindlichkeit einer Struktur gegenüber einer Kraftanregung. Je größer die Admittanz, je größer die bei gleicher Anregung angeregten Schwingungen. Um dies bei der Übertragung von Messergebnissen von einem Messquerschnitt zum anderen auszugleichen ist die Admittanz zu messen und die jeweils gemessene Schwinggeschwindigkeit hiermit wie folgt zu behandeln. Für die dimensionslose Einfügedämmung „e“ gilt: e = v2 Y2 v1 Y1 = v 2 • Y 1 v 1 • Y 2 mit Y n Admittanz und v n Schwinggeschwindigkeit, jeweils im Streckenabschnitt n. In logarithmischer Schreibweise folgt hieraus das Einfügungsdämm-Maß D e : D e f Tn = L v, 2 f Tn − L Y , 2 f Tn − L v, 2 f Tn − L Y , 2 f Tn ; dB bzw. D e f Tn = ΔL v, 21 f Tn + ΔL Y , 12 f Tn ; dB In Gl. (C.8) beschreibt ΔL Y,12 f Tn das die unterschiedlichen Admittanzen berücksichtigende Korrekturspektrum der beiden Messquerschnitte mit den zu untersuchenden unterschiedlichen Oberbauformen. Dieses Korrekturspektrum ist mit Gleichung (C.9) aus den gemessenen Admit‐ tanzen zu ermitteln. ΔL Y , 12 f Tn = 20 • lg Y 1 f Tn Y 2 f Tn ; dB Dasselbe Ergebnis wird auch erhalten, wenn die in den verschiedenen Streckenabschnitten ge‐ messenen Schwinggeschwindigkeiten auf die (Übertragungs-)Admittanzen bezogen werden und diese bezogenen Schwinggeschwindigkeiten in Beziehung gesetzt werden (Gleichung (C.6)). Die auf eine Admittanz bezogene Schwinggeschwindigkeit ergibt eine Kraft ((m/ s)/ (m/ s)/ N = N). Die Einfügungsdämmung stellt somit auch einen Vergleich der durch verschiedene Oberbauformen in den Untergrund eingeleiteten Kräfte F(t) bzw. F(f) dar. 692 Anhang <?page no="697"?> (C.10) (C.11) C.5.2 Abschätzung aus Messungen - Vorher-/ Nachher-Verfahren Zur Ermittlung des Einfügungsdämm-Maßes sind die bei den verschiedenen Oberbauformen an den gleichen Messpunkten gemessenen Schwingungsspektren in Beziehung zu setzen. Es gilt: D e f Tn = L v, 1 f Tn − L v, 2 f Tn ; dB mit L v, 1 f T n Schwinggeschwindigkeits-Terzspektrum für Lösung 1 (Oberbauform 1), L v, 2 f T n Schwinggeschwindigkeits-Terzspektrum für Lösung 2 (Oberbauform 2). In der Praxis werden häufig Terzpegelspektren in Beziehung gesetzt. Für die Einfügungsdämmung ist es egal, ob Geschwindigkeits- oder Beschleunigungsspektren für die Differenzbildung heran‐ gezogen werden, beide Messgrößen ergeben dasselbe Ergebnis. - C.5.3 Berechnungen Zur Charakterisierung einer elastischen Schienenlagerung im Hinblick auf seine schwingungs‐ mindernde Wirkung wird das Einfügungsdämm-Maß D e in dB verwendet. Zur Abschätzung gibt es unterschiedliche Ansätze. Im Folgenden werden einige vorgestellt (siehe auch Entwurf DIN 45673-4), wobei D e sowohl als Terzspektrum als auch als Schmalbandspektrum dargestellt werden kann. Im Folgenden wird daher auf die Angabe der Frequenzabhängigkeit weitgehend verzichtet: Modell 1: D e = 20 • lg 1 − ω 2 m R k S • Z U Z U + i • ω • m R ; dB mit Z U Impedanz der Schienenlagerauflage (Unterbau, z. B. Tunnelsohle), k S Schienenlagersteifigkeit, m R Radmasse (unabgefederte Radsatzmasse), ω = 2 • π • f (Kreisfrequenz in Hz). Gleichung (C.11) zeigt, dass die Einfügedämmung D e - neben der Schienenlagersteifigkeit k S - auch von der Impedanz Z U der Auflage abhängt. In der Praxis ist dies der Unterbau (z. B. Tunnelsohle oder verfestigter Unterbau). Modell 2: Dieses Modell beruht auf der Annahme, dass auf Rad und Schiene eine Wechselkraft F R wirkt, die den Oberbau und den Tunnel in Schwingungen versetzt [C.3]. Weiterhin wird die Tatsache, dass C Datensammlung 693 <?page no="698"?> (C.12) (C.13) (C.14) sich das Rad in horizontaler Richtung bewegt, außer Acht gelassen, da die Zuggeschwindigkeit wesentlich kleiner ist als die Wellenausbreitungsgeschwindigkeiten in der Schiene, dem Tunnel usw. Für die Verringerung der wirkenden Kräfte durch eine elastische Schienenlagerung gelten folgende Gleichungen: 1. Die Pegeldifferenz ΔL K , sie ist die Pegeldifferenz des Körperschalls oberhalb und unterhalb der Feder, ΔL K = 20 • lg 1 + i • ω • Z U k S Das Verhältnis der oberhalb und unterhalb der Lagerung wirkenden Kräfte. ΔL F = 20 • lg 1 − i • ω • Z R k S + Z R Z U ≈ 20 • lg ω • Z R k S mit Z R Impedanz des Rades und eines kleinen Schienenstücks in Ns/ m Z U Impedanz der Tunnelsohle (oder allgemein des Unterbaus bei Schienenverkehrswegen in Ns/ m) k S Die Federsteifigkeit des Oberbaus (elastisches Schienenlager) pro Rad in N/ m Für den Frequenzbereich von 30 Hz bis 400 Hz können z. B. folgende Impedanzwerte angesetzt werden: Z R ≈ 10 5 Ns/ m und für Z U ≈ 5 . 10 6 Ns/ m und für die Steifigkeit k S (7 . 10 7 ; 2,5 . 10 7 und 10 7 ) N/ m. Modell 3: Einfügungsdämm-Maß von Unterschottermatten In [C.1] wird ein auf Unterschottermatten USM abgestimmtes Rechenverfahren zur Berechnung des Einfügungsdämm-Maßes beschrieben. Im Folgenden wird dieses Verfahren kurz vorgestellt. Als Ausgangsgleichung gilt wieder: D e = 20 • lg 1 + i • ω SM 1 ZQ + 1 ZU ; dB mit Z Q die von der Oberseite der USM zur Körperschallquelle hin wirksame Quellimpedanz, Z U die auf die Unterseite der Matte wirksame Abschlussimpedanz (Unterbau, z. B. Tunnelsohle), ω Kreisfrequenz (ω = 2 • π • f ), S M Steife der Unterschottermatte, N/ mm 3 , i imaginäre Einheit. 694 Anhang <?page no="699"?> (C.15) (C.16) (C.17) (C.18) (C.19) (C.20) Nach einigen Umrechnungen und vereinfachenden Annahmen wird folgende Gleichung des Einfügungsdämm-Maßes angegeben: D e = 20 • lg 1 + kS kM 1 − ω0 ω 2 ; dB mit ω 0 Resonanzkreisfrequenz, ω 0 ≈ k m R und k S Schottersteifigkeit, m R unabgefederte Radsatzmasse. Modell 4: Berechnung wie mit Admittanzen In [C.2] wird folgende Gleichung angegeben: D e f Tn = 20 • lg 1 + Y F f Tn Y M f Tn + Y U f Tn ; dB Mit Admittanz des elastischen Elementes (Feder): Y F f Tn = i • ω k F Admittanz der abgefederten Masse (Radachse, Oberbau usw.): Y M f Tn = 1 i • ω • m O Admittanz des Unterbaus (Platte auf elastischem Boden): Y U f Tn = 1 k B i • ω + 4 • ℎ P2 E P • ρ P 3 mit: k F Steifigkeit des elastischen Elementes, m O Masse oberhalb des elastischen Elementes, C Datensammlung 695 <?page no="700"?> (C.21) k B Steifigkeit des Bodens (Untergrund), ℎ P Dicke der Platte, E P Elastizitätsmodul Platte (hier Beton), ρ P Dichte der Platte. Für die in Tabelle C.10 und Tabelle C.11 zusammengefassten Parameter wurden die Einfü‐ gungsdämm-Maße berechnet. Die Ergebnisse sind in Bild C.26 und Bild C.27 sowohl als kontinuierliche Funktion als auch den hieraus berechneten Terzpegelspektren enthalten. Darge‐ stellt sind die absoluten D e, absx und die relativen Einfügungsdämm-Maße D e, relx . In der Praxis werden die relativen Einfügungsdämm-Maße nur als D e, x f Tn genannt. Sie beschreiben immer die möglichen Minderungen der Erschütterungsemissionen durch eine Veränderung im Oberbau, z. B. durch Einbau einer weicheren Zwischenlage, einer Schwellenunterlage oder Unterschottermatte oder einer zusätzlichen elastisch gelagerten Masse. D e, relx f Tn = D e, absx f Tn − D e, abs1 f Tn Parameter Wert Einheit k B 6 • 10 9 kN/ m ℎ P 0, 6 m E P 33, 5 • 10 9 N/ m 2 ρ P 2, 3 • 10 3 kg/ m 3 Tabelle C.10: Feste Werte - 1 2 3 4 5 Einheit Fest m O 350 700 1.400 2.800 5.600 kg k F =40•10 6 (1+i 0,6) N/ m k F 80 40 20 10 - * 10 6 (1+i 0,6) N/ m m O =350 kg Tabelle C.11: Variable Größen ( Spalte 1: Referenzwerte) 696 Anhang <?page no="701"?> 503 1 2 3 4 5 Einheit Fest 𝑘𝑘 𝐹𝐹 80 40 20 10 - * 10 6 (1+i 0,6) N/ m 𝑚𝑚 𝑂𝑂 =350 kg 𝑚𝑚 𝑂𝑂 350 700 1.400 2.800 5.600 kg 𝑘𝑘 𝐹𝐹 =40 10 6 (1+i 0,6) N/ m Bild C.26: Einfügungsdämm-Maße für die Variation der Steifigkeit des elastischen Elementes: − Oben links: Admittanzen − Oben rechts: absolute Einfügungsdämm-Maße − Unten links: Einfügungsdämm-Maße in linearer / logarithmischer Darstellung, − Unten rechts: Einfügungsdämm-Maße in Terz-Darstellung. 1,0E-09 1,0E-08 1,0E-07 1,0E-06 1,0E-05 1,0E-04 1,0E-03 3 30 300 Y, (m/ s)/ N log f, Hz Y(k1) Y(k2) Y(k3) Y(k4) Y(m) Y(U) f 0n -50 -40 -30 -20 -10 0 10 3,1645 6,38 10 12,5 16 20 25 31,6 40 50 63 80 100 125 160 200 250 316 D e,abs , dB Terzmittenfrequenz, Hz k1 k2 k3 k4 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 3 30 300 D e , dB log f, Hz k2-k1 k3-k1 k4-k1 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 D e , dB Terzmittenfrequenz, Hz k2-k1 k3-k1 k4-k1 Bild C.26: Einfügungsdämm-Maße für die Variation der Steifigkeit des elastischen Elementes: • Oben links: Admittanzen • Oben rechts: absolute Einfügungsdämm-Maße • Unten links: Einfügungsdämm-Maße in linearer / logarithmischer Darstellung, • Unten rechts: Einfügungsdämm-Maße in Terz-Darstellung. C Datensammlung 697 <?page no="702"?> 504 Bild C.27: Einfügungsdämm-Maße für die Variation der Masse (Rad / Oberbau): − Oben links: Admittanzen, − Oben rechts: absolute Einfügungsdämm-Maße, − Unten links: Einfügungsdämm-Maße in linearer / logarithmischer Darstellung, − Unten rechts: Einfügungsdämm-Maße in Terz-Darstellung. C.6 Steifigkeit elastischer Schienenlager In den folgenden Bildern werden Ergebnisse von Steifigkeitsmessungen von verschiedenen Schienenlagern dargestellt. C.6.1 Messungen im eingebauten Zustand auf der Strecke Die folgenden Bilder zeigen die Ergebnisse von Messungen im eingebauten Zustand im Gleis. Die Kraft wurde hierbei über einen Hydraulikzylinder und einer 1,0E-09 1,0E-08 1,0E-07 1,0E-06 1,0E-05 1,0E-04 1,0E-03 3 30 300 Y, (m(s)/ N log f, Hz Y(m1) Y(m2) Y(m3) Y(m4) Y(m5) Y(k2) Y(U) f 0n -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 3,1645 6,38 10 12,5 16 20 25 31,6 40 50 63 80 100 125 160 200 250 316 D e,abs , dB Terzmittenfrequenz, Hz M1 M2 M3 M4 M5 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 3 30 300 D e , dB log f, Hz M2-M1 M3-M1 M4-M1 M5-M1 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 3,1645 6,38 10 12,5 16 20 25 31,6 40 50 63 80 100 125 160 200 250 316 D e,abs , dB Terzmittenfrequenz, Hz M1 M2 M3 M4 M5 Bild C.27: Einfügungsdämm-Maße für die Variation der Masse (Rad / Oberbau): • Oben links: Admittanzen, • Oben rechts: absolute Einfügungsdämm-Maße, • Unten links: Einfügungsdämm-Maße in linearer / logarithmischer Darstellung, • Unten rechts: Einfügungsdämm-Maße in Terz-Darstellung. C.6 Steifigkeit elastischer Schienenlager In den folgenden Bildern werden Ergebnisse von Steifigkeitsmessungen von verschiedenen Schienenlagern dargestellt. - C.6.1 Messungen im eingebauten Zustand auf der Strecke Die folgenden Bilder zeigen die Ergebnisse von Messungen im eingebauten Zustand im Gleis. Die Kraft wurde hierbei über einen Hydraulikzylinder und einer Handpumpe erzeugt, die Verformung entweder über eine Messuhr abgelesen oder über einen Wegsensor erfasst. 698 Anhang <?page no="703"?> Weitgehend wurden bei allen Messungen ein völlig lineares Verhalten zwischen Kraft und Schieneneinsenkung festgestellt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Durchbiegung der Schiene (Stahl) selber das Einsenkungsverhalten und die, wie auch immer gestaltete, elastische Zwischenlage die Größe der Einsenkung bestimmt. Bild C.28: Gemessene statische Steifigkeiten verschiedener Schienenlager mit unterschiedlichen Zwischenplatten im eingebauten Zustand auf einer Tunnelstrecke [C.4]. Die Bestimmtheitsmaße liegen für alle dargestellten Messergebnisse weit über 0,9. • Einzelstützpunkte mit A: 12 mm Kork-Gummi-Zwischenplatte; B: Kölner Ei; C: 20 mm Polyurethan-Zwischenplatte, • Kontinuierliche Schienenlagerungen mit D: provisorische Ausfüllung der Zwischenräume von System C mit weicheren Zwischenplatten; E: neue KON-Lagerung (Fa. Ortec) Zwischenplatte A B C D E k stat , kN/ mm 102 40 34 21 11 C Datensammlung 699 <?page no="704"?> 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0 10 20 30 40 50 60 70 10 20 30 40 50 60 s, mm F, kN t, sec Kraft F Weg s 1 2 3 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 F, kN s, mm 1 3 2 Bild C.29: Beispiel gemessener Kraft-Zeit- und Kraft-Weg-Verformungsdiagramme für ein in einer Straße einge‐ bettetes Gleis • Bereich 1: Pumpbereich, • Bereich 2: ohne eine Aktivität, Kraft bleibt konstant, geringfügige Zunahme der Einsenkung, • Bereich 3: Öffnen des Ventils, Entspannung. - C.6.2 Untersuchungen auf einem Prüfstand - Einzelstützpunkte Folgendes Bild zeigt Kraft-Weg-Diagramme verschiedener (einzelner) Schienenlager, die auf einem Prüfstand unter quasi statischer Krafteinleitung mit der oben beschriebenen Einrichtung ermittelt worden sind [C.4]. Die Lager sind für unterschiedliche Anforderungen und Einsatzbe‐ reiche konzipiert, daher die große Spannweite der unterschiedlichen Kurvenverläufe. In Tabelle C.12 wird auf dieses Diagramm Bezug genommen. Die unterschiedlichen Kurvenverläufe haben Einfluss auf die erschütterungsmindernde Wirkung der einzelnen Schienenlager (siehe DIN 700 Anhang <?page no="705"?> Normenreihe 45673). Je nach Material und Formgebung des elastischen Elementes erhöht sich die dyn. Steifigkeit um Faktoren von ca. 1,1 bis 2. 507 unterschiedliche Anforderungen und Einsatzbereiche konzipiert, daher die große Spannweite der unterschiedlichen Kurvenverläufe. In Tabelle C.0.12 wird auf dieses Diagramm Bezug genommen. Die unterschiedlichen Kurvenverläufe haben Einfluss auf die erschütterungsmindernde Wirkung der einzelnen Schienenlager (siehe DIN Normenreihe 45673). Je nach Material und Formgebung des elastischen Elementes erhöht sich die dyn. Steifigkeit um Faktoren von ca. 1,1 bis 2. Bild C.30: Kraft-Weg-Diagramme für verschiedene Schienenlager. Prüfung nur jeweils eines einzelnen Lagers. Erläuterungen zur folgenden Tabelle: 1) neue Zwischenlage 2) alte Zwischenlage (älter als ca. 10 Jahre) 3) statische Steifigkeit bei einer Last von 20 kN/ 40 kN, Sekantensteifigkeit der Belastungslinie (bezogen auf den Nullpunkt) 4) Vorspannschrauben zur Steifigkeitsänderung 5) Anwendung für Radlasten bis ca. 80 kN 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 F, kN s, mm V2 V3 V1 V4 V5 V6 V8 V7 V9 V10 V11 V12 V13 V14 V15 V16 V17 V18 V19 V20 V21 V22 V23 V24 V25 V26 V27 V28 V29 Bild C.30: Kraft-Weg-Diagramme für verschiedene Schienenlager. Prüfung nur jeweils eines einzelnen Lagers Erläuterungen zur folgenden Tabelle: 1) neue Zwischenplatte 2) alte Zwischenplatte (älter als ca. 10 Jahre) 3) statische Steifigkeit bei einer Last von 20 kN/ 40 kN, Sekantensteifigkeit der Belastungslinie (bezogen auf den Nullpunkt) 4) Vorspannschrauben zur Steifigkeitsänderung 5) Anwendung für Radlasten bis ca. 80 kN C Datensammlung 701 <?page no="706"?> Ver‐ such Nr. Schienenlager‐ typ Merkmale, Besonder‐ heiten der Versuchs‐ durchführung Bemerkungen zum Kennlinienverlauf Federsteifig‐ keit 3) k stat , kN/ mm Radlasten 5) Q, kN - - - - k 20 k 40 - 1 Kölner Ei 1403/ C-90 langsame Entlastung Fast linear bis 70 kN 7,0 6,7 Stadtu. U-Bahnen, bis ca. 80-kN 2 schnelle Entlastung Linien schneiden sich 6,7 6,7 3 langsame Belastung, langsame Entlastung Leichte Steigung der Einsenkung; 0,3 mm 6,7 6,7 4 harte Zwischenplatte Leicht progressiv 6,3 6,3 5 weiche Zwischenplatte Leicht progressiv 6,1 5,9 6 weiche Zwischenplatte, mit Spannklemmen Leicht progressiv 6,5 6,1 - - - - - - - - CentriCon Vorspannung (Anzahl der Umdrehungen 4) ) - - - - 7 Mit harter Zwischenplatte (kegelförmige Stahl-Gummi- Elemente) 0 Alle zweistufig und progressiv 4,3 4,7 Stadtu. U-Bahnen, bis ca. 100-kN 8 1 6,5 5,5 9 2 6,0 5,7 10 3 6,5 6,8 11 4 7,3 7,6 12 5 8,5 9,0 13 Mit weicher Zwischenplatte (kegelförmige Stahl-Gummi- Elemente) 5 Alle zweistufig und progressiv 7,6 8,4 14 4 6,7 7,1 15 2 5,3 5,4 16 1 4,4 4,8 17 0 3,6 4,3 - - - - - - - - Nürnberg 1a Zwischenplatte: - - - - 18 20 mm PU 1) Stetig progressiv 2,8 4,2 U-Bahnen, bis 100-kN 19 20 mm Kork-Gummi 2) Leicht progressiv 21,8 21,8 20 12 mm Kork-Gummi 2) Leicht degressiv 29,2 29,2 - - - - - - - - Centriflex (kegelförmige Stahl-Gummi- Elemente) Vorspannung 4) : - - - Eisenbahn, 200-kN 21 maximal Alle fast linear 19,4 23,3 22 1 Umdrehung gelöst 21,8 23,6 702 Anhang <?page no="707"?> (C.22) Ver‐ such Nr. Schienenlager‐ typ Merkmale, Besonder‐ heiten der Versuchs‐ durchführung Bemerkungen zum Kennlinienverlauf Federsteifig‐ keit 3) k stat , kN/ mm Radlasten 5) Q, kN - - - - k 20 k 40 - 23 2 Umdrehungen gelöst 20,6 20,6 - - - - - - - - Kölner Ei (kegelförmiger Gummi-Ring, einvulkanisiert) Varianten: Alle mit Original Zwischenlagen - - - - 24 1403 C 052 Zweistufig, progressiv 8,4 10,3 U-Bahnen, bis 100-kN 25 1403 C 092 Leicht progressiv 8,8 11,7 26 1403 C 058 Fast linear 11,7 12,1 27 Boston Zweistufig, progressiv 9,2 14,6 28 1403 C 028 Stetig progressiv 4,7 6,8 29 1403 C 046 Sehr hart 35,0 53,8 Eisenbahn Tabelle C.12: Zusammenstellung der Messungen an einzelnen elastischen Schienenlagern auf einem Prüfstand [C.4] C.7 Schallausbreitung - Fahrwegeinfluss In den folgenden Bildern sind die Ergebnisse von Schallmessungen an Straßenbahngleisen auf verschiedenen Fahrwegen dargestellt. Die Messergebnisse sind alle wie folgt auf v 0 = 50km/ ℎ normiert: L pAJ50 = L pv − 30 • lg l Fz t p • 3, 6/ v 0 ; dB(A) l Fz = Fahrzeuglänge in m, t p = Vorbeifahrzeit t in s. Der Index „j“ steht für die Indizes „m“ (= eq) und „Fmax“. Auf der linken Seite in den Bildern sind die Mittelungspegel L pAm,Trec (= L pAeq,Trec ) und auf der rechten Seite die Maximalpegel L pAFmax dargestellt. Die einzelnen Pegel L pAx wurden für die Messpunkte „x“ wie folgt aus den Messergebnissen ermittelt (dies gilt so auch für den mittleren Maximalpegel L pAFmax ): • Arithmetischer Mittelungspegel L pAm aus ca. 20 bis 25 Einzelereignissen, • Standardabweichung σ n − 1 , • L px = L pAm ± σ n − 1 . C Datensammlung 703 <?page no="708"?> (C.23) Neben den gemessenen Schallpegeln in den Abständen von Gleismitte 2,5 m (0,75 m); 7,5 m (1,2 m) und 25 m (3,5 m), die Klammerwerte geben die Höhe über SO an, wurde auch der am Schienenkopf in horizontaler Richtung gemessene Körperschall in die Auswertung integriert. Hierfür wurde ein Abstand von Gleismitte von 0,75 m eingesetzt. Der Schienenkörperschall wurde wie der Luftschall ermittelt und analog zur Gl. (C.22) umgerechnet. Da in den Bildern sowohl die Pegel für den Körperschall Schiene als auch für die Schalldrücke enthalten sind, wird die Ordinate mit L v,p,j gekennzeichnet. Die dargestellten Trendlinien gelten oben für L v,p,j + σ n − 1 und unten für L v,p,j − σ n − 1 . In den rechten Bildern sind zusätzlich die in der VDV-Schrift 154 aus dem Jahr 2002 enthaltenen empfohlenen Pegelhöchstwerte für den Maximalpegel (Neufahrzeuge) auf einem Schottergleis mit einem „X“ gekennzeichnet. Für Straßenbahnen beträgt dieser Pegel 79 dB(A) bei 60 km/ h in 7,5 m Abstand von Gleismitte. Dieser Pegel wurde auf die hier gewählte Referenzgeschwindigkeit von 50 km/ h umgerechnet und mit dem in der oben genannten Schrift angegebenen Differenzpegel zwischen den beiden Abständen von 7,5 m und 25 m von 7 dB auch auf den Abstand von 25 m berechnet. Dies ergibt folgende Pegelwerte: 7,5-m = 76,6 dB(A), 25-m = 69,6 dB(A). In der VDV-Schrift 154 aus dem Jahr 2011 wird anstelle des L pAFmax -Pegels der L pAeq,Tp - Pegel verwendet. Zwischen beiden Pegelwerten gilt für Schallereignisse mit weitgehend konstantem Pegelverlauf (typisch für Straßenbahnen ohne einzelne Räder mit Flachstellen oder sonstigen singulären „Störungen“) folgende Beziehung: L pAeq, Tp = L pAFmax − 1 dB Aus allen in diese Auswertung einbezogenen Messwerten wurde der Differenzpegel D m zwischen L pAFmax und L pAm,Tm und ebenfalls die Standardabweichung ermittelt: Diese Auswertung ergab folgendes Ergebnis: D m = 2, 85 ± 0, 73 dB(A) für n = 179. Die folgenden Bilder zeigen hohe Bestimmtheitsmaße R 2 , insbesondere für Fahrwege mit offen‐ liegenden Schienen (hier über 0,99). Der A-bewertete Schienenkörperschall (Schwinggeschwin‐ digkeit v) lässt sich bei solchen Gleisen in die Trendlinien gut integrieren. 704 Anhang <?page no="709"?> y = -7,83ln(x) + 94,28 R² = 0,99 y = -7,37ln(x) + 91,45 R² = 0,99 40 50 60 70 80 90 100 110 0 10 20 30 40 L (v,p)Am , dB(A) s, m Beton-Schwelle y = -8,65ln(x) + 98,66 R² = 0,99 y = -7,97ln(x) + 94,88 R² = 0,99 40 50 60 70 80 90 100 110 0 10 20 30 40 L (v,p)AFmax , dB(A) s, m Beton-Schwelle y = -4,33ln(x) + 87,115 R² = 0,93 y = -4,13ln(x) + 83,36 R² = 0,90 40 50 60 70 80 90 100 110 0 10 20 30 40 L (v,p)Am , dB(A) s, m Asphalt (geschlossen) y = -5,8ln(x) + 94,06 R² = 0,99 y = -5,26ln(x) + 89,02 R² = 0,96 40 50 60 70 80 90 100 110 0 10 20 30 40 L (v,p)AFmax , dB(A) s, m Asphalt (geschlossen) y = -6,78ln(x) + 89,07 R² = 0,99 y = -6,61ln(x) + 86,26 R² = 0,99 40 50 60 70 80 90 100 110 0 10 20 30 40 L (v,p)Am , dB(A) s, m Grüngleis 1-LB* ) -offen y = -7,62ln(x) + 93,90 R² = 0,99 y = -7,59ln(x) + 90,97 R² = 0,99 40 50 60 70 80 90 100 110 0 10 20 30 40 L (v,p)AFmax , dB(A) s, m Grüngleis 1-LB* ) -offen C Datensammlung 705 <?page no="710"?> y = -6,68ln(x) + 86,11 R² = 0,98 y = -6,48ln(x) + 83,65 R² = 0,98 40 50 60 70 80 90 100 110 0 10 20 30 40 L (v,p)Am , dB(A) s, m Grüngleis-2-LB* ) -offen y = -7,07ln(x) + 90,02 R² = 0,98 y = -6,76ln(x) + 86,38 R² = 0,98 40 50 60 70 80 90 100 110 0 10 20 30 40 L (v,p)AFmax , dB(A) s, m Grüngleis 2-LB* ) -offen y = -6,84ln(x) + 91,32 R² = 0,98 y = -6,44ln(x) + 86,31 R² = 0,99 40 50 60 70 80 90 100 110 0 10 20 30 40 L (v,p)Am , dB(A) s, m Grüngleis-Infundo-geschl. y = -7,99ln(x) + 97,67 R² = 0,99 y = -7,52ln(x) + 91,87 R² = 0,99 40 50 60 70 80 90 100 110 0 10 20 30 40 L (v,p)AFmax , dB(A) s, m Grüngleis-Infundo-geschl. y = -4,57ln(x) + 87,94 R² = 0,97 y = -4,36ln(x) + 85,11 R² = 0,96 40 50 60 70 80 90 100 110 0 10 20 30 40 L (v,p)Am , dB(A) s, m Pflaster (geschlossen) y = -6,01ln(x) + 93,86 R² = 0,98 y = -5,46ln(x) + 90,22 R² = 0,98 40 50 60 70 80 90 100 110 0 10 20 30 40 L (v,p)AFmax , dB(A) s, m Pflaster (geschlossen) 706 Anhang <?page no="711"?> y = -6,95ln(x) + 94,91 R² = 0,98 y = -6,98ln(x) + 92,22 R² = 0,99 40 50 60 70 80 90 100 110 0 10 20 30 40 L (v,p)Am , dB(A) s, m Y-Schwelle y = -7,46ln(x) + 99,19 R² = 0,97 y = -7,72ln(x) + 96,19 R² = 0,99 40 50 60 70 80 90 100 110 0 10 20 30 40 L (v,p)AFmax , dB(A) s, m Y-Schwelle y = -5,82ln(x) + 90,71 R² = 0,98 y = -5,82ln(x) + 86,82 R² = 0,98 40 50 60 70 80 90 100 110 0 10 20 30 40 L (v,p)Am , dB(A) s, m Sedum-geschlossen y = -7,72ln(x) + 98,87 R² = 0,98 y = -7,22ln(x) + 93,45 R² = 0,98 40 50 60 70 80 90 100 110 0 10 20 30 40 L (v,p)AFmax , dB(A) s, m Sedum-geschlossen Bild C.31: Darstellung der Schallausbreitung unter Einbeziehung des Schienenkörperschalls (Schienenkopf, y-Rich‐ tung). Links sind die Mittelungspegel und rechts die Maximalpegel dargestellt, jeweils über mehrere Vorbeifahrten gemittelt. Mit L (v.p) werden hier die Pegel des Schienenkörperschalls und des Luftschalls bezeichnet. * ) LB = Beton-Längsbalken C Datensammlung 707 <?page no="712"?> C.8 Psychoakustische Größen In folgender Tabelle sind einige wesentliche psychoakustische Größen zusammengefasst: Psychoakustische Größen Lautheit Berücksichtigung der Frequenzgruppenaufteilung und der Maskierungseigenschaften im Gehör, DIN 45631, ISO 532 B. Modulation Beschreibt einen Vorgang, bei dem ein zu übertragendes Nutzsignal (Schall) einen sogenannten Träger verändert (moduliert). Unterschieden wird nach Amplituden-, Frequenzmodulation. Anmerkung: Zur Beschreibung von Unebenheiten auf den Fahrflächen von Rad und Schiene wird der Begriff „Rauheit“ verwendet. Rauhigkeit Zeitliche Struktur des Schallsignals, Modulationsgrad und Pegeldifferenz bestimmen die Rauhigkeit → Amplituden-, Frequenzmodulation. Schärfe Gewichtetes erstes Moment der Tonheitsverteilung der spezifischen Lautheit, Verhältnis der höherfrequenten Spektralanteile zu den niederfrequenten. Schwankungsstärke Periodische Schwankungen des Schallsignals mit Modulationsfrequenzen kleiner 20 Hz. Tonalität Anteil von tonalen, schmalbandigen Komponenten eines Schallsignals in Abhängigkeit der Frequenzlage, Pegelüberschuss und Bandbreite. Die folgende Abbildung beschreibt die Geräuschwahrnehmung. „Lärm“ ist kein physikalisches Phänomen, sondern erst psychologische Prozesse können ein Geräusch zu Lärm werden lassen (n. Manfred Kalivoda)! 708 Anhang <?page no="713"?> C.9 Körperschallspektren - Gleise im Tunnel In den folgenden Bildern werden einige Ergebnisse von Erschütterungs- und Sekundärschallmes‐ sungen dargestellt. Bei diesen Spektren handelt es sich um über die Zeit t 10 gemittelte Spektren. Hierbei bedeutet t 10 , dass näherungsweise für die Analysen die Zeit t p plus ansteigenden und abfallenden Ast des Zeitsignals mit jeweils 10 dB unter dem Pegelwert berücksichtigt wurde, der unterhalb des Pegels bei Beginn und Ende von t p vorliegt (siehe auch DIN EN ISO 3095). Somit ist in den Signalen der gesamte Energieanteil der Vorbeifahrt enthalten. Anmerkung: In diesem Buch wird diese Zeit auch mit t rec bezeichnet. Max-Hold-Spektren liegen im Mittel etwa 8 darüber. Einige Terzspektren wurden aus FFT-Spektren mit einer Linienbandbreite von 1,25 Hz berechnet, siehe folgendes Bild. Dargestellt sind die Bandbreite einer Terz (D n = f o (T n )-f u (T n )) und die Anzahl der Linien (n) in einer Terz mit einer Linienbreite von 1,25 Hz. Erst oberhalb der 5 Hz-Terz ist n-≥-1. Mit zunehmender Terzmitten-Frequenz steigt die Anzahl der Linienen in einer Terz und somit die Genauigkeit der Umrechnung. 1 10 100 3,15 4 5 6,3 8 10 12,5 16 20 25 31,5 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 Bandbreite einer Terz (log D in Hz) / / Anzahl Linien log n je Terz für f = 1,25 Hz Terzmitten-Frequenz, Hz D n 5 50 2 20 Bild C.32: Zusammenhang zwischen der Bandbreite von Terzen und der Anzahl von FFT-Linien innerhalb einer Terz (mit einer Frequenzauflösung von 1,25-Hz, Grundlage für die im Folgenden dargestellten Terzspektren) In den folgenden Bildern werden die Messpunkte 1 bis 10 gemäß Tabelle C.13 den einzelnen Lokalitäten im Messquerschnitt (n = 1; 2) zugeordnet. Die Schwingungsrichtung wird mit (z,y) bezeichnet, die letzte Zahl beschreibt die Geschwindigkeit in km/ h. n.1 n.2 n.3 n.4 n.5 n.6 n.7 n.8 n.9 n.10 Schiene Sohle Ulme Wand Decke Boden über Gleismitte Boden 7,5 m von Gleismitte Boden 15 m von Gleismitte Boden 30 m von Gleismitte Gebäudedecke Gebäude Tabelle C.13: Bezeichnung der Messpunkte C Datensammlung 709 <?page no="714"?> 55 65 75 85 95 0 50 100 150 200 250 300 L v / Hz, dB f, Hz Lv/ Hz-1.1z 0 20 40 60 80 100 120 L v , dB re 510 -8 m/ s Terzmitten-Frequenz f Tn , Hz 1.1z/ 80 1.2z/ 80 1.3z/ 80 1.4z/ 80 1.6z/ 80 15 25 35 45 55 65 0 50 100 150 200 250 300 Lv/ Hz, dB f, Hz Lv/ Hz-1.2z Lv/ Hz-1.3z 0 10 20 30 40 50 0 50 100 150 200 250 300 Lv/ Hz, dB f, Hz Lv/ Hz-1.4z Lv/ Hz-1.6z L veq,Sum = 17,8  lg(v) + 23,2 R² = 0,99 log-Trendlinien (Oktaven) 30 35 40 45 50 55 60 65 20 30 40 50 60 70 80 90 L veq,Okt , dB Geschwindigkeit v, km/ h 8 16 31 63 125 250 Sum 20 25 30 35 40 45 50 55 60 L veq , dB Terzmitten-Frequenz f Tn , Hz 1.3-y_30 1.3-y_40 1.3-y_50 1.3-y_60 1.3-y_70 1.3-y_80 -20 -10 0 10 20 30 0 50 100 150 200 250 300 L vA / L pA , dB(A) f, Hz Lv/ Hz-3.1z_80 Lv/ Hz-3.2z_80 Lv/ Hz-3.2LS_80 -70 -50 -30 -10 10 30 50 70 2 2,5 3,15 4 5 6,3 8 10 12,5 16 20 25 31,5 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 SUM= L v / L p , dB / / L vA / L pA , dB(A) Terzmitten-Frequenz f Tn , Hz Lv dB 3.1Z_80 Lv dB 3.2Z_80 Lp dB 3.2LS_80 LvA dB 3.1Z_80 LvA dB 3.2Z_80 LpA dB 3.2LS_80 Bild C.33: Beispiel von Messergebnissen einer Stadtbahn-Tunnelstrecke in H (eingleisiger Kreistunnel im Innen‐ stadtbereich) 710 Anhang <?page no="715"?> 20 30 40 50 60 70 80 2 2,5 3,15 4 5 6,3 8 10 12,5 16 20 25 31,5 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 Sum L v.acg , dB Terzmitten-Frequenz f Tn , Hz U-Bahn_1.2z/ 60 U-Bahn_2.2z/ 60 20 30 40 50 60 70 80 2 2,5 3,15 4 5 6,3 8 10 12,5 16 20 25 31,5 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 Sum L v,avg , dB Terzmitten-Frequenz f Tn , Hz U-Bahn_1.3y/ 60 U-Bahn_2.3y/ 60 L v,Sum = 18,2 lg(v) + 25,2 R² = 0,93 20 30 40 50 60 70 20 30 40 50 60 70 80 L v Oktave , dB Geschwindigkeit v, km/ h 4 Hz 8 Hz 16 Hz 31 Hz 63 Hz 125 Hz 250 Hz Summe MP: Mitte Tunneldecke z-Richtung 10 20 30 40 50 60 70 2 2,5 3,15 4 5 6,3 8 10 12,5 16 20 25 31,5 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 SUM= L v,avg , dB Terzmitten-Frequenz f Tn , Hz 1.5Z_60 1.6Z_60 1.7Z_60 1.8Z_60 10 20 30 40 50 60 70 2 2,5 3,15 4 5 6,3 8 10 12,5 16 20 25 31,5 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 SUM= L v,avg , dB Terzmitten-Frequenz f Tn , Hz 3.1z_60-A 3.2z_60-I 3.1y_60-A 3.2y_60-I Messpunkte im Keller, Gebäude nahe zum Tunnel MP 3.1z/ y_60-A: Außenwand MP 3.2z/ y_60-I: Innenwand 10 20 30 40 50 60 70 2 2,5 3,15 4 5 6,3 8 10 12,5 16 20 25 31,5 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 SUM= L v,avg , dB Terzmitten-Frequenz f Tn , Hz 3.3z_60 3.4z_60 3.5z_60 3.6z_60 Messpunkte 3.3z_60 und 3.5z_60: mittig auf dem Fußboden Messpunkte 3.4z_60 und 3.6z_60: mittig an der Decke Abschätzung KB FTm : 3.3z_60 = 0,085 3.4z_60 = 0,102 3.5z_60 = 0,086 3.6z_60 = 0,169 L v,avg = 21,9 lg(v) + 26,5 R² = 0,83 50 55 60 65 70 75 80 30 40 50 60 70 80 90 L v,avg , dB v, km/ h 3.3z 3.4z 3.5z 3.6z Mit KB FTm = 0,34 lg(v) - 0,47 R² = 0,79 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 30 40 50 60 70 80 90 KB FTm v, km/ h 3.3z 3.4z 3.5z 3.6z Mit Bild C.34: Beispiel von Messergebnissen einer U-Bahn-Strecke in N (eingleisiger Kreistunnel im Innenstadtbereich mit alter Bebauung in der näheren Umgebung) C Datensammlung 711 <?page no="716"?> 20 30 40 50 60 70 80 2 2,5 3,15 4 5 6,3 8 10 12,5 16 20 25 31,5 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 SUM L v,avg , dB Terzmitten-Frequenz f Tn , Hz 1.2z-40 2.2z-40 S-Bahn-HH: Messpunkte im Tunnel (Sohle) 0 10 20 30 40 50 60 2 2,5 3,15 4 5 6,3 8 10 12,5 16 20 25 31,5 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 SUM L v,avg , dB Terzmitten-Frequenz f Tn , Hz 2.3y-40 1.5z-40 1.6z-40 1.7z-40 S-Bahn-HH: Messpunkte im Tunnel und Boden 20 30 40 50 60 70 80 2,5 3,15 4 5 6,3 8 10 12,5 16 20 25 31,5 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 Sum L v,avg dB Terzmitten-Frequenz f Tn , Hz 1.2Z _60 1.3Y _60 2.3y_60 S-Bahn-M: Messpunkte im Tunnel 0 10 20 30 40 50 60 70 2 2,5 3,15 4 5 6,3 8 10 12,5 16 20 25 31,5 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 SUM L v,avg , dB Terzmitten-Frequenz f Tn , Hz 2.5z_60 2.6z_60 2.7z_60 S-Bahn-M Messpunkte ca. 30 cm tief im Boden, MQ 2 Bild C.35: Beispiel von Messergebnissen an 2 S-Bahnstrecken (eingleisige Kreistunnel im Innenstadtbereich) 20 30 40 50 60 70 80 90 100 2 2,5 3,1545 6,38 10 12,5 16 20 25 31,5 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 SUM= L a , dB re 10 -6 m/ s 2 Terzmitten-Frequenz f Tn , Hz SCH LES LEB TSM MFS 0 10 20 30 40 50 60 70 80 2 2,5 3,15 45 6,38 10 12,5 16 20 25 31,5 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 SUM= L v,avg , dB Terzmitten-Frequenz f Tn , Hz SCH LES LEB TSM MFS Bild C.36: Beispiel von Messergebnissen verschiedener Oberbauformen in einem Stadtbahn-Rechtecktunnel, Gleisbogen, Messpunkt Tunnelsohle Gleismitte, Tunnelsohle liegt ca. 1 m über dem Felshorizont, v = 60 km/ h [C.5] • SCH: Schotterbettung (Schotterhöhe ca. 30 cm unter Schwellenunterkante) • LES: Hochelastische Schienenlager auf Holzschwellen im Schotterbett • LEB: Hochelastische Schienenlager auf Betonlängsbalken (FF) • TSM: Unterschottermatte (PU) • MFS: Masse-Feder-System (schotterlos aus Fertigteilelementen) 712 Anhang <?page no="717"?> 20 30 40 50 60 70 80 90 5 50 500 L a , dB re 10 -6 m/ s 2 log f, Hz SCH-La LES-La LEB-La TSM-La 10 20 30 100 200 300 -10 0 10 20 30 40 50 60 5 50 500 L v , dB re 5  10 -8 m/ s log f, Hz SCH-Lv LES-Lv LEB-Lv TSM-Lv 10 20 30 100 200 300 Bild C.37: Beispiel für Schwingbeschleunigungs- und Schwinggeschwindigkeitsspektren, v = 60-km/ h [C.5], Messpunkt Tunnelsohle Gleismitte. FFT-Spektren, verschiedene Oberbauformen 20 30 40 50 60 70 80 5 50 500 L a , dB re 10 -6 m/ s 2 L v , dB re 5  10 -8 m/ s log f, Hz SCH-La SCH-Lv 10 20 30 100 200 300 20 30 40 50 60 70 80 90 100 2 2,5 3,1545 6,38 10 12,5 16 20 25 31,5 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 SUM= L a , dB re 10 -6 m/ s 2 L v , dB re 5  10 -8 m/ s Terzmitten-Frequenz f Tn , Hz SCH-Schwingbeschleunigung-La SCH-Schwinggeschwindigkeit-Lv Bild C.38: Gegenüberstellung von FFT- und Terzspektren der Schwingbeschleunigung (L a ) und Schwinggeschwin‐ digkeit (Lv), v = 60-km/ h [C.5], Messpunkt Tunnelsohle Gleismitte, Schotteroberbau 0 10 20 30 40 50 60 L v,avg , dB Terzmitten-Frequenz f Tn , dB SCH LES LEB TSM MFS 0 10 20 30 40 50 60 L v,avg , dB Terzmitten-Frequenz f Tn , Hz SCH LES LEB TSM MFS Bild C.39: Beispiel von Messergebnissen verschiedener Oberbauformen in zwei Stadtbahn-Rechtecktunnel, links: Tunnel im Fels, rechts: Tunnel im Lockerboden oberhalb des Felshorizonts. Messpunkt Tunnelwand horizontal (gleiche Oberbauformen), v = 60-km/ h [C.5] C.10 Prognose von Erschütterungen und Sekundärschall Die folgenden Bilder zeigen prinzipielle Vorgehensweisen zur Prognose von Erschütterungen (Körperschall) und Sekundärschall in Gebäuden neben Schienenverkehrswegen [C.6]. Die Bilder C Datensammlung 713 <?page no="718"?> zeigen das Vorgehen für Tunnelstrecken, das Prinzip lässt sich aber auch auf andere Streckenfüh‐ rungen anwenden. Tunnel in Betrieb: Oberbauform A Fahrzeugart A Rohbautunnel: Oberbauform ? Fahrzeugart A Messungen {Körperschall v(f Tn ), Luftschall p(f Tn ), Admittanzen Y(f Tn ) und kraftbezogener Sekundärschall P’(f Tn )} Fahrzeuganregung: Schwinggeschwindigkeitsantwortsignal im Tunnel (Parameter: Fahrzeugtyp, Zuglänge, Geschwindigkeit, Trassierung usw.) v S (f Tn ) Ersatzanregung: Eingangsadmittanz Tunnelsohle (allg. Unterbau) Y S (f Tn ) (Anregung mit einem Prüfhammer) Abschschätzung der Fahrzeug-Erregung (Kraftsignal) auf der Tunnelsohle S F S (f Tn ) = v S (f Tn )/ Y S (f Tn ) Ersatzanregung: Admittanzen des Tunnels Y T (f Tn ) Übertragungsadmittanzen Y GT (f Tn ) und kraftbezogener Schalldruck P’ GT (f Tn ) zwischen Tunnel T und Gebäude G Anregung mit einem Prüfhammer oder einer Vibrationsplatte (Rüttler) Direktes Verfahren: Vergleich der Admittanzen Y GT (f Tn ) mit Messwerten aus in Betrieb befindlichen Tunnelabschnitten (Basis: Ermittlung von Kennadmittanzen Y kn (f Tn ) in Abhängigkeit von den relevanten Parametern). Y GT (f Tn ) > Y kn (f Tn ) Besonderer Oberbau Y GT (f Tn ) <= Y kn (f Tn ) Standard 0berbau Indirektes Verfahren: Spektrale Ermittlung der zu erwartenden Immissionen I(f Tn ) (Erschütterungen und sekundärer Luftschall) [KB FTn ; L pAn in dB(A)] I(f Tn )= F S (f Tn ) x Y GT (f Tn ) x K n {K n Korrekturwert(e)} Vergleich mit Immissionsanhaltswerten (Beurteilungsgrößen): [A u ,A o ,A r / L pAr in dB(A)] Festlegung des erforderlichen Oberbau- Einfügungsdämmmaßes D e (f Tn ) Mögliche Oberbauformen {unterschiedliche D e (f Tn )}: MFS: Masse-Feder-Systeme USM: Unterschottermatten HSL: Hochelastische Schienenlager KON: Kontinuierlich elastische Schienenlager ESL: elastische Schienenlager für FF SCH: Schotteroberbau Admittanzorientiertes PROGNOSEVERFAHREN Erschütterungen und Sekundärschall gesucht: erforderliches D e (f Tn ) des Oberbaus Bild C.40: Vorgehensweise zur Ableitung eines admittanzorientierten Prognoseverfahrens [C.6] Ein Beispiel für die Umsetzung dieser Methode zeigen die beiden folgenden Bilder [C.6]. In Ta‐ belle C.13 sind die Erläuterungen zu diesen Bildern enthalten. In [C.6] ist nur das FFT-Spektrum enthalten, Bild C.41: Die hieraus berechneten Terzspektren zeigt Bild C.42: Kennadmittanzen zur Abschätzung des erforderlichen Oberbaus anhand der gemessenen Übertragungsadmittanzen zwischen Tunnelsohle (S) und Mitte Gebäudefußboden (G), Terzen. Der hier dargestellte Zusammenhang gilt für unterirdisch verkehrende U- und Stadtbahnfahr‐ zeuge mit Geschwindigkeiten im Bereich von 60 km/ h bis 70 km/ h. Die unterschiedlichen Anregungs- und Ausbreitungsparameter sind in den gemessenen Übertragungsadmittanzen enthalten. Die Anregung erfolgt auf der Tunnelsohle mit einem Prüfhammer. In [C.6] sind weitere Lösungsansätze für die Anwendung dieser Methode zur Prognose enthalten. 714 Anhang <?page no="719"?> -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Kennadmittanzpegel L YK,GS in dB re 510 -8 (m/ s)/ N f, Hz (Delta f = 1 Hz) 6 4 3 2 1 0 5 ungewiss Bereich Erschütterungen Bereich Sekundärschall Bild C.41: Kennadmittanzen zur Abschätzung des erforderlichen Oberbaus anhand der gemessenen Übertragungs‐ admittanzen zwischen Tunnelsohle (S) und Mitte Gebäudefußboden (G), FFT mit 1-Hz Auflösung -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 3,15 4 5 6,3 8 10 12,5 16 20 25 31,5 40 50 63 80 100 125 160 Kennadmittanzpegel L YK,GS in dB re 510 -8 (m/ s)/ N Terzmitten-Frequenz f Tn , Hz 3 4 2 1 0 6 5 Bereich Erschütterungen Bereich Sekundärschall Bild C.42: Kennadmittanzen zur Abschätzung des erforderlichen Oberbaus anhand der gemessenen Übertragungs‐ admittanzen zwischen Tunnelsohle (S) und Mitte Gebäudefußboden (G), Terzen C Datensammlung 715 <?page no="720"?> -- Bereich Immission - Erforderlicher Ober‐ bau für Beurtei‐ lungspegel L pAFmax,r = 35-dB(A) -- Geltungsbereich Erschütterungen Sek-Schall, L pAFmax,m dB(A) KB FTm , DIN 4150-2 möbliert nicht möbliert 1 ≤ 0,05 30-35 35-40 Standard - 2/ 3 ≤ 0,20 35-41 40-46 Hochelastische Schienenlager, kontinuierliche Schienenlager 3 nur für Erschütterungen 4 4 nur für Erschütterungen mit einem Peak im FFT-Spektrum 5 - 41-47 46-52 Unterschottermatten, Masse-Feder-Systeme 5 nur für Sek.-Schall 6 - >47 >52 Hochwertige Unterschottermatten oder Masse-Feder-Systeme, evtl. Sonderlösungen - Tabelle C.13: Erläuterungen zu den beiden obenstehenden Bildern 716 Anhang <?page no="721"?> Emission Viadukt (Einschnitt/ Damm) L vE,V (f Tn ) Transmission L v,BB (f Tn ) primäres Immissionssystem L v,FB (f Tn ) Ausbreitung im Boden Ausbreitung Boden zum Fundament sekundäres Immissionssystem L v,DF (f Tn ) Ausbreitung Fundament zur Decke Einfluss Maßnahmen D e,i (f Tn ) Einfluss von Maßnahmen in den Bereichen „i“, Erregung, Ausbreitung und am Immissionsort Immissionsspektrum L vI (f Tn ) Körperschall Gebäudedecke Erschütterungskenngröße Abschätzung KB FTi / KB FTm Sekundärschschall- Kenngröße Abschätzung L pAFmax,m / L pAeq,m Anregung Interaktion Rad/ Schiene Emissionsspektrum A Emission Tunnel (Sohle/ Wand) L vE,T (f Tn ) Emission ebenerdig L vE,e (f Tn ) Transmission zum Emissionspunkt Boden L v,BA (f Tn ) Emissionsspektrum B Boden Gekoppeltes Immissionssystem L v,DB (f Tn ) Ausbreitung Boden zur Decke Bewertung Zeichen Bild C.43: Blockdiagramm für ein terzbasiertes Prognoseverfahren (in Anlehnung an VDI 3837). A: Anregungssys‐ tem; B: Boden; D: Decke (Fußbodenmitte); E: Emission; e: ebenerdig; F: Fundament Gebäude; I: Immission; V: Viadukt usw.; v: Schwinggeschwindigkeit; C Datensammlung 717 <?page no="722"?> C.11 Zusammenhang zwischen verschiedenen Messwerten - Beispiele Die folgenden Bilder zeigen Zusammenhänge zwischen verschiedenen Schall- und Erschütte‐ rungsgrößen [C.7 / C.8]. L pAeq,Trec = 0,46 L pAFmax + 35,9 TEL = 0,91 L pAFmax + 7,2 SEL = 0,67 L pAFmax + 28,8 L pASmax = 0,9 L pAFmax + 6,8 L pAeq,Tp = 0,9 L pAFmax + 3,4 45 50 55 60 65 70 75 80 85 70 71 72 73 74 75 76 77 L pA , dB(A) L pAFmax , dB(A) LpAeq,Trec TEL SEL LpASmax LpAeq,Tp L pAeq,Trec = 0,82 L pAFmax + 8,45 R 2 = 0,91 TEL = 0,78 L pAFmax + 16,5 R 2 = 0,86 SEL = 0,71 L pAFmax + 27,0 R 2 = 0,91 L pASmax = 0,93 L pAFmax + 3,95 R 2 = 0,98 L pAeq,Tp = 0,91 L pAFmax + 5,23 R 2 = 0,96 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 65 67 69 71 73 75 77 79 81 L pA , dB(A) L pAFmax , dB(A) LpAeq,Trec TEL SEL LpASmax LpAeq,Tp Bild C.44: Beispiele für den Zusammenhang verschiedener Schallemissions-Bewertungsgrößen, Messpunkt a2 (7,5-m/ 1,2-m), Straßenbahnen 718 Anhang <?page no="723"?> 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 R1-Wand z R1-Mitte-x R1-Mitte-y R1-Mitte-z KB FTi,x,y,z Fahrten / Messpunkt R1-Wand z R1-Mitte-x R1-Mitte-y R1-Mitte-z KB Fmax 0,241 0,081 0,179 0,674 KB FTm 0,107 0,043 0,080 0,319 KB Fmax1,5 0,161 0,065 0,120 0,478 STABWA= 0,057 0,018 0,045 0,151 n 50 50 50 49 KB FTi,x = 0,26 KBF Ti,z Wand + 0,02 R² = 0,65 KB FTi,y = 0,7 KB FTi,z Wand + 0,003 R² = 0,81 KB FTi,z = 2,4 KB FTi,zWand + 0,054 R² = 0,85 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 KB FTi KB FTi , MP: Wand z R1-x R1-y R1-z Bild C.45: Beispiel für gemessene KB FTi -Werte in einem Gebäude mit Holzbalkendecken an einer Straßenbahnstre‐ cke mit einer Weiche, Vergleich der KB FTi -Werte für die Schwingungsrichtungen x, y und z in Abhängigkeit von den Wanderschütterungen (z-Komponente). C Datensammlung 719 <?page no="724"?> KB peak = 1,345 KB FTi R² = 0,94 KB Feq = 0,268 KB FTi R² = 0,79 RMQ = 0,481 KB FTi R² = 0,95 VDV = 1,125 KB FTi R² = 0,95 v max = 1,902 KB FTi R² = 0,94 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 v max , mm/ s KB peak / KB eq / RMQ / VDV KB FTi,z KB peak KB Feq RMQ VDV v max KB peak = 1,431 KB FTi R² = 0,95 KB Feq = 0,260 KB FTi R² = 0,72 RMQ = 0,481 KB FTi R² = 0,93 VDV = 1,126 KB FTi R² = 0,93 v max = 2,024 KB FTi R² = 0,95 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 v max , mm/ s KB peak / KB eq / RMQ / VDV KB FTi,z KB peak KB Feq RMQ VDV v max Bild C.46: Unterschiedliche Bewertungsgrößen für Erschütterungen [C.8 / C.9], siehe folgende Erläuterungen. Messung in Gebäuden an Eisenbahnstrecken. Oben Holzbalkendecken, unten Betondecken 720 Anhang <?page no="725"?> (C.23) (C.24) (C.25) (C.26) In Bild C.46 sind folgende Erschütterungswerte gegenübergestellt: • Taktmaximalwert KB FTi (DIN 4150-2). • Energieäquivalenter Mittelwert KB eq. Der energieäquivalente Mittelwert wurde aus dem gleitenden Effektivwert (KB F (t) durch nochmalige Effektivwertbildung über die Einwirkungs‐ dauer T e (Zugvorbeifahrtzeit) ermittelt. Dieser Wert wurde in [C.9] auf T 0 = 30 sec bezogen. KB eq = 1 T 0 * 0 T e KB F2 t dt Mit T e = Einwirkungsdauer einer Zugvorbeifahrt und T 0 = 30 s. • RMQ-Wert RMQ i = 1 T 0 0 T e KB F , i 4 t ⋅ dt 4 • Vibration Dose Value VDV. Dieser Erschütterungswert wurde in Anlehnung an den VDV-Wert (Vibration Dose Value) nach BRITISH STANDARD gebildet, er wurde ebenfalls auf eine Bezugszeit von T 0 = 30 sec normiert. VDV i = RMQ i ⋅ T 0 4 = RMQ i ⋅ 2, 34 • Maximale Schwinggeschwindigkeit v max. v max, i = KB peak, i ⋅ 2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 123456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 KBF… sn-1 KB FTi Vorbeifahrt-Nr. / KB FTm und s n-1 KB FTi,z KB FTi,x KB FTi,y Bild C.47: Beispiel für KB FTi -Werte - gemessen an einer zweigleisigen Eisenbahnstrecke mit unterschiedlichen Zugarten, Gebäude mit Holzbalkendecken. C Datensammlung 721 <?page no="726"?> C.12 Wellenausbreitung im Boden und Kräfte von Ersatzerregern Bild C.48: Oben: Ermittlung der Wellenausbreitungsgeschwingikeit (Druckwelle v p und Scherwelle v s ) im Boden (Anregung mit einem Stoß) und unten: Vergleichende Gegenüberstellung der Kraftspektren verschiedener Ersatz‐ erreger [C.6] 722 Anhang <?page no="727"?> C.13 Simulation - Stoßanregung Schiene Zur Simulation einer Stoßanregung wurde ein flacher Stahlkeil auf die Schiene vor einem Rad so gelegt, dass das Keilende mittig über einer Schwelle lag. Das Fahrzeug (U-Bahn) fuhr dann langsam über den Keil. Gemessen wurden der Körperschall Achslager (z), Schiene (y und z) sowie Schwelle (z) und der Luftschall in 2,5 m; 7,5 m und 25 m Entfernung von Gleismitte. Einige Ergebnisse von diesem Versuch werden im Folgenden dargestellt. Zunächst zeigt Bild C.49 den angeregten Schienenkörperschall im Zeitbereich als Schwingbe‐ schleunigung. Der hierdurch erzeugte Luftschall ist - getrennt für jeden Messpunkt - darunter dargestellt. Aus der zeitlichen Verschiebung lässt sich die Schallausbreitungsgeschwindigkeit ermitteln (Pfeil). Es ergeben sich Werte zwischen 332 m/ s und 345 m/ s. Die Lufttemperatur lag während der Messung bei rund 25°C. Korrekt beträgt die Schallgeschwindigkeit bei 25°C 343 m/ s. -3 -1 1 3 5 7 9 11 13 15 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 p, N/ m 2 a, m/ s 2 Zeit t, sec KS-Schiene-z LS-2,5m -0,4 0 0,4 0,8 1,2 1,6 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 p,N/ m 2 a,m/ s 2 Zeit t, sec KS-Schiene-z LS-7,5m u -0,1 0,3 0,7 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 p, N/ m 2 a, m/ s 2 Zeit t, sec KS-Schiene-z LS-25m -0,4 0 0,4 0,8 1,2 1,6 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 p, N/ m 2 a, m/ s 2 Zeit t, sec KS-Schiene-z LS-7,5m-o Bild C.49: Körperschall Schiene in z-Richtung und abgestrahlter Luftschall. In Bild C.50 sind für den oben dargestellten Zeitbereich gemittelte Terzspektren dargestellt. Im Körper- und im Luftschall ist jeweils ein Peak der 31,6 Hz-Terz vorhanden. Im Luftschall sind hohe Pegel in der Terz 4 kHz vorhanden, beim Körperschall tritt diese Terz nicht hervor, dafür die Terzen 1,25-kHz und 6,3-kHz. C Datensammlung 723 <?page no="728"?> -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 2 3,15 5 8 12,5 20 31,5 50 80 125 200 315 500 800 1250 2000 3150 5000 8000 12500 L veq , dB Terzmitten-Frequenz f Tn , Hz Achslager_z Schiene-z Schiene-y Schwelle-z 30 40 50 60 70 80 90 2 3,15 5 8 12,5 20 31,5 50 80 125 200 315 500 800 1250 2000 3150 5000 8000 12500 L pTeq , dB Terzmitten-Frequenz f Tn , Hz 2,5m/ 1,2m 7,5m/ 1,2m 7,5m/ 3,5m 25m/ 3,5m Bild C.50: Terzspektren für Körperschall (oben) und Luftschall (unten) infolge einer Stoßanregung auf der Schiene In Bild C.51 und Bild C.52 sind Terzspektren für Körperschall Schiene/ Schwelle und Luftschall in 2,5-m; 7,5-m und 25-m Abstand von Gleismitte für v = 60-km/ h und 80-km/ h dargestellt. 724 Anhang <?page no="729"?> 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 5 6,38 10 12,5 16 20 25 31,5 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 6300 8000 10000 12500 A TEL L vAeq , dB(A) Terzmitten-Frequenz f Tn , Hz Schiene-z-60 Schiene-y-60 Schwelle-z-60 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 5 6,38 10 12,5 16 20 25 31,5 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 6300 8000 10000 12500 A TEL L pAeq , dB(A) Terzmitten-Frequenz f Tn , Hz 2,5m/ 1,2m-60 7,5m/ 1,2m-60 7,5m/ 3,5m-60 25m/ 3,5m-60 Bild C.51: Terzspektren für Körperschall (oben) und Luftschall (unten) infolge einer U-Bahnvorbeifahrt mit v = 60-km/ h C Datensammlung 725 <?page no="730"?> 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 5 6,38 10 12,5 16 20 25 31,5 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 6300 8000 10000 12500 A TEL L vAeq , dB(A) Terzmitten-Frequenz f Tn , Hz Schiene-z-80 Schiene-y-80 Schwelle-z-80 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 5 6,38 10 12,5 16 20 25 31,5 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 6300 8000 10000 12500 A TEL L pAeq , dB(A) Terzmitten-Frequenz f Tn , Hz 2,5m/ 1,2m-80 7,5m/ 1,2m-80 7,5m/ 3,5m-80 25m/ 3,5m-80 Bild C.52: Terzspektren für Körperschall (oben) und Luftschall (unten) infolge einer U-Bahnvorbeifahrt mit v = 80-km/ h 726 Anhang <?page no="731"?> 4 Die Schallmessungen erfolgten mit einem Schallpegelmesser „SVANTEK 977“. C.14 Gesamtschall - C.14.1 Emission - Schallmessung mittig in einer Wendeschleife Situation: Wendeschleife und Gleisbogen über eine stark befahrene Straße, zwei Linien Schallquellen: • Quietschen an verschiedenen Stellen der Gleise, • Rumpeln bei Weichenüberfahrt, • Autoverkehr, • Fußgänger (Gespräche). Von einem Quietschgeräusch erfolgte die Erstellung eines Terzspektrums. Dominant im Max‐ Hold-Spektrum ist die Terz 3.150 Hz. Neben der Schallmessung 4 in der Wendeschleife erfolgte auch eine anschließende Messung am Immissionspunkt (IP) in einem geöffneten Fenster in ca. 105 m Entfernung vom Emissionspunkt. Auf den folgenden Seiten sind, von oben nach unten, dargestellt: 1. Gesamtschallpegel L pAF (t) für alle Frequenzen, 2. Gefiltertes Zeitsignal (Schalldruck) für die Terz 3.150 Hz (Bandpassfilter zwischen 2.800 Hz und 3.550 Hz) sowie 3. Gesamtschallpegel L pAF (t) für die Terz 3.150 Hz (siehe Punkt 2). Die einzelnen Schallquellen sind ca. 75-m bis 150-m vom Fenster (IP) entfernt. Bild C.53: Terzspektren Max-Hold während eines Quietschgeräusches, 1300 s bezeichnet die Messzeit in Sekunden nach dem Start der Messung C Datensammlung 727 <?page no="732"?> Bild C.54: Schall-Emission - Messung an einem Freitag zwischen 16: 59 Uhr und 17: 36 Uhr 728 Anhang <?page no="733"?> L pAeq = 63,8 dB(A), Gesamtschallpegel Alle Spitzen außerhalb des grünen Bereichs sind Quietschgeräusche mit unterschiedlicher Dauer und Intensität (gilt auch für die Immission)! - C.14.2 Immission - Schallmessung mittig in einem geöffneten Fenster 30 40 50 60 70 0 5 10 15 20 25 30 35 40 L pAF , dB(A) Zeit, min LpAF, Immission energetischer Mittelwert = 53,8 dB(A) C Datensammlung 729 <?page no="734"?> 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Schalldruck p AF , Pa Zeit, min p AF , für Terz- 3.150 Hz_Fenster Bild C.55: Schall-Immission - Messung an einem Freitag zwischen 18: 30 Uhr und 19: 10 Uhr L pAeq = 53,8 dB(A), Gesamtschallpegel Der Immissionsgrenzwert nach 16. BImSchV beträgt für reine und allgemeine Wohngebiete tags 59 dB(A) und nachts 49 dB(A), jeweils getrennt für Kfz- und Schienenverkehr. C.15 Literatur zu Anhang C Alle dargestellten Messergebnisse wurden im Rahmen von Forschungsarbeiten der STUVA (Studiengesellschaft für Tunnel und Verkehrsanlagen e.V., Köln) in den Jahren von ca. 1979 bis 2020 ermittelt. [C.1] Wettschreck, R. und U. J. Kurze: Einfügungsdämm-Maß von Unterschottermatten. Acustica 1985 [C.2] Krüger, F.: Entwicklung eines admittanzorientierten Prognoseverfahrens zur immissionsgerechten Gestaltung des Gleisoberbaus im Rohbaustadium von Tunnelstrecken. Dissertation, TU Berlin 1989. [C.3] Heckl, M. / Müller, H. A. (Hrsg.): Taschenbuch der Technischen Akustik. Springer - Verlag, Berlin - Heidelberg - New York (1975) [C.4] Krüger, F. / Prüm, P. und H. Becker: Schwingungsminderung bei Schienenbahnen des Stadtverkehrs durch kontinuierliche Schienenlagerung. STUVA e.V., Köln; Bericht 24* (1990) (Projektleitung: Blennemann, F.) [C.5] Krüger, F. u. a.: Untersuchungen verschiedener Oberbauformen in einem U-Bahntunnel im Hinblick auf Schall- und Erschütterungsemissionen. STUVA e.V., Köln; Bericht 8*, 1982 (Projektleitung: Blennemann, F.) [C.6] Krüger, F. / Becker, H. u. P. Prüm: Ermittlung von Kenngrößen aus Messungen an Rohbautunneln zur Festlegung des aus Immissionsschutzgründen notwendigen Oberbaus. STUVA e.V., Köln; Bericht 20*, 1986 (Projektleitung: Blennemann, F.) [C.7] VDV Schrift 154 - Geräusche von Schienenfahrzeugen des Öffentlichen Personen-Nahverkehrs (ÖPNV). Ausgabe Juni 2011 (Anhang) [C.8] Krüger, F.: Bewertung der Erschütterungsimmissionen durch den Schienenverkehr. V+T, Teil 1 09.2019; Teil 2 10.2019. 730 Anhang <?page no="735"?> [C.9] Zeichert, K./ Sinz, A./ Schuemer, R. u. a. Schuemer-Kohrs: Erschütterungswirkungen aus dem Schienenverkehr. Bericht über ein interdisziplinäres Forschungsvorhaben im Auftrag des Umweltbundesamtes (Berlin) und des Bundesbahnzentralamtes (München), (November 1993) * Verminderung des Verkehrslärms in Städten und Gemeinden - Teilprogramm Schienennahverkehr. BMFT-Vorhaben TV 8609 8 C Datensammlung 731 <?page no="736"?> Register 16. BImSchV-29, 32f., 39f., 42, 44, 323 Abdeckhauben-256 A-bewerteter äquivalenter Dauerschalldruckpegel-218 A-Bewertung-99, 665 Abklingrate-150, 250, 266 Abklingverhalten-64 Abnahmegleis-135 Abschirmmatte-495 Abschirmung-495 Abschirmwirkung-456f. Absorber-287, 296 Absorberelementen-267 absorbierende Beläge-284 Absorbierende Raumauskleidungen-212 Absorption-82, 242-245, 250, 266, 268, 281ff. Absorptionskoeffizienten-670 Absorptionsmaterial-256 Abstandsbereiche-542 Abstandskriterium-525, 530 Abstellanlagen-249 Abstimmfrequenz-467, 496 Abstimmungsverhältnisses-447 Abstrahlgrad-80, 82, 142, 227 Abstrahlmaß-81 Abtastgeschwindigkeit-228f. Abtastrate-423 Achsanzahl pro Länge-350 Achsen, Anzahl-331 Achskraft, dynamische-482 Achslager-603, 723 Achslast-182 Achszähler-236, 430 Administration-42 Admittanz-151, 449 Admittanzmessungen-227, 606 aerodynamisches Geräusch-143, 151, 155, 349 AF-bewerteter maximaler Schalldruckpegel-224 Aggregate-230 Aggregatgeräusche-161 Aktionsplan-369f. aktiver Schallschutz-355, 358 aktive Schallschutzmaßnahmen-302, 334 akustische Abnahme-597 akustische Abnahmemessungen-189, 226, 229 Akustische Konstruktionsmethoden-247 akustische Langzeitüberwachung-234, 236 Akustische Modellierung-247 akustischer Kalibrator-183 akustische Schienenrauheit-597 akustische Überwachung-182 akustische Überwachungsmaßnahmen-234 akustische Wirkung-236 Allgemeines Eisenbahngesetz-44, 337, 346 Alterung-122, 126, 139 Anerkannte Messstelle-181 Anfahren und Bremsen-194, 232, 597 Anfahrgeräusch-249, 348, 350 Anfahrwinkel-231 Anhaftungen-404 Anhaltswert-431, 524, 542 Ankopplung der Aufnehmer-427 Anlaufwinkel-287 Anregung-145 Anregungsfrequenz-148 Anregungsprozess-418 Anregungsursachen-403 Anschlussbahnen-117f. Antiquietschschweißung-288 Antiriffelschweißung-266 Antischall-55 Antriebsgeräusch-154, 173 Anwohner-301 äquivalenter Dauerschalldruckpegel-191 Arbeitsplatzbelastung-207 AS-bewerteter maximaler Schalldruckpegel-224 Auffahrungen-165 aufgeschweißt-401 Aufschotterung-286 Ausbreitung-145 Ausbreitung im Baugrund-446, 551 Ausbreitungsabnahme-413 Ausbreitungsdämpfung-442, 670 Ausbreitungsdämpfung, geometrische-90 Ausbreitungsgeschwindigkeit-74f., 670 <?page no="737"?> Ausbreitungsgesetzmäßigkeiten-535 Ausbreitungssituationen-604 Ausbreitungsweg-199, 329, 343, 354, 358, 378 Ausbröckelungen-165 Ausdrehwinkel-290 Auslenkung der Schiene-232 Auspuff- und Ansaugvorgang-245 Außengeräusche-200, 253, 308 Außengeräuschemissionspegel-596 Außengeräuschmessungen-200 Außen-Messpunkte-190 Außen-Schallmessungen-217 Außenwohnbereiche-332 axialsymmetrische Prognose-535, 537 Bahnkörper, besonderer-386 Bahnkörper, straßenbündige-386, 611 Bahnlärmmonitoring-372 Bahnlinie, ebenerdig-537 Bahnsteigkante-284, 286 Bahnübergang-331 Balken, elastisch gelagert-484 Balken, kontinuierlich elastisch gelagert-481 Baugesetzbuch-346, 362 Baugrund, dynamische Eigenschaften-441 Baugrundeinflusses-551 Baugrundkennwerte-441 Baukastenprinzip-538 Bauleitplanung-341, 344ff., 362f., 377 baulicher Eingriff, erheblicher-323, 330, 354f., 357f., 362, 376f. Baumaßnahme-41 Baunutzungsverordnung-334 Bauphasen-523 Bauteilbelastung-480 Bauungenauigkeiten-471 Bauverordnung-35 Beeinträchtigung 337-340, 342, 344, 346f., 364f., 375 Beeinträchtigungen, gesundheitliche-616 Befahrbarkeit-397 Beläge, geräuscharm-254 belästigend-38, 42 Belästigung-35, 338, 345, 379, 524 Belästigung, erhebliche -340f., 431 Belästigungswirkung-39 Belastung-338ff., 347, 369, 371f., 375f. Belüftungseinrichtungen-276 Beratungswesen-42 Berechnungsmodelle, Eingangsdaten-595 Berechnungsverfahren-323 Beregnungsanlagen, künstliche-293 Berührungspunkt-171 Bestandsfahrzeuge-123, 134, 218 Betondecken-720 Betonkonstruktion, elastisch gelagert-400 Betonpfähle-495 Betonrahmenkonstruktion-473 Betonschwellen-210, 267 Betriebsbedingungen-190 Betriebsbeschränkung-343, 363f. betriebsfähige Einheit, kleinste-596 Betriebsfahrzeuge-248 Betriebsgleise-191 Betriebskonzept-331 Betriebssicherheit-245 Betroffene-31, 39, 45 betroffene Bürger-302 Betroffenheit-34, 616 Bettungsmodul-480 Bettungsmodul, dynamischer-499 Beugung-77 Beurteilung bestehender Situationen-422 Beurteilungspegel 39, 104, 322f., 330, 340, 347, 354f., 357, 359, 361ff., 369, 374, 376f. Beurteilungszeit-103 Beweglichkeit-173 Beweissicherungsverfahren-180 Bewertete Schwingstärke-620 Bewertung-33f., 39, 41, 45, 49 Bewertung schwingungsmindernder Maßnahmen-437 Bewertungsfaktor-619 Bewertungskurven-616 Bewertungszahlen-530 Bezugsgeschwindigkeit-84f., 88 Bezugsschalldruck-81 Bezugsschnelle-81 Bezugswert-94ff. Biegeeigenschwingungen-151 Biegeeigenschwingungen des Radkranzes-170 Biegesteifigkeit der Fahrwegplatte-465 Biegewelle-75 Black-Box-71 Black-Box-Modelle-518 Register 733 <?page no="738"?> Blähton-286 Boden, Einbauten-535, 551 Bodenarten-670 Bodendämpfung-442 bodendynamische Kennwerte-75, 535 Boden-Gebäude-Übertragung-547 Bodenkennwerte, dynamische-671 Bodenkraft-69 Bodenschicht-535, 690 Bodensteifigkeit-535 Bodenverhältnisse-548 Bogen-Außenschiene-171 Bogenfahrt-249 Bogenlauf-167, 169 Bogenzuschlag-250 Bohrloch-427 Bordnetz-Umrichter-283 Brandschutzgründe-506 Brechung-77 Bremsbereich-207 Bremse, mechanische-254 Bremsen- Bauarten-125, 130 Geräusche-33, 130f., 173 Bremsenquietschen-254 Bremsprüfstand-33 Bremssohle-30, 234 Bremssysteme-180 Brücken-155, 273, 395 Brückenkonstruktion-277, 279 Brücken und Viadukte-277 Brummton-436 Bundesfernstraßen-344, 365f., 376 Bundeshaushaltsplan-366 Bundes-Immissionsschutzgesetz-322, 345, 354 Charakteristische Länge-482 Dammlage-273 Dämmung-242 Fahrzeugfußboden-208 Wagenkasten-214, 281 Wirkung-457 Dämpfung-62-65, 67, 69, 90, 447, 457 Dämpfung, hysteretische-516 Dämpfungselemente-298 Dämpfungsgrad-65, 67f. Dämpfungskonstante-64 Dämpfungsmaterial-296 Dämpfungsverhalten einer Schiene-230 Datenblöcke-534 Dauerelastizität-497 Deckeneigenfrequenz-447 Deckenkonstruktion-533 Dieselelektrischer Triebwagen-205 Diesel-Lokomotive-144 Dieselmotor-147 Differenzpegel-115 Doppelklebeband-427 Drehgestell-61 Drehgestellbereich-207 Drehzahl-52 Druckwelle-722 Effektivwert-54, 79, 81f. Eichfähigkeit-185 Eigenformen-480 Eigenfrequenz-59, 68, 163, 404, 690 Eigenschwingungen des Ankopplungselementes-427 Einfamilienhäuser-530 Einfederungen-473 Einflussgrößen-673 Einfügungsdämm-Maß-33, 242, 437, 486, 491, 513, 601f., 692f. Einfügungsdämm-Maß, relatives-526 Einfügungsdämmung-59, 518, 604 Eingangs-Admittanz-166, 230, 551 Eingangsgrößen-518 Eingangsimpedanz-173 Eingriffszeit-401 Einmassenschwinger-64, 405, 447, 456, 477, 480 Einrichtungsfahrzeuge-290 Einschnitt-274, 280 Einsenkung-66 Einwirkungen auf Menschen-431 Einzahlwerte-513, 524 Einzelereignispegel-101f., 195 Einzelpunktberechnung-333 Einzelstützpunkte-404 Eisenbahn-40, 44, 324 Eisenbahnbundesamt-44 Eisenbahnen-337f., 340f., 351ff., 364, 366f., 370 technisch/ betriebliche Merkmale-119, 125 734 Register <?page no="739"?> Eisenbahnstrecke-40 Eisenbahnstrecken-720 Eisenbahnzug-154 elastischen Schienenlagerung-693 Elastisch gelagerte Gebäude-690 Elastomere im Oberbaubereich-452 Elastomerelemente-123, 139 Elastomermatte-484 Elastomerplatten-400 Elektrifizierung der Strecke-330 elektrische Isolation-389 elektrisch-mechanische Analogien-538 elektrodynamische Bremse-130f. elektrodynamischer Erreger-177 Emission-36, 42, 48, 339, 342f., 345, 347, 351f., 357, 363, 372, 375 Emissionspunkte-36 Emissionswerte-203 Energetische Pegeladdition-98 Energetische Pegelmittelung-98, 101 Energiefluss-215 Energieübertragung-75 Entdröhnte Abschirmbleche-256 Entdröhnung-124, 242, 245, 278, 281, 298 Entgleisungssicherheit-386 Entkopplung der Fahrbahn-279 Entstehungsmechanismus-246 Entstehungsort-245 Entwässerung-472 Entwicklungsvorhaben-28, 42, 49 Erregerfrequenz-69 Erregerkraftspektrum-416 Erregermechanismen-158 Erregerspektrum-534 Erregervorgang-241 Ersatzerreger-418, 516 Erschütterungen 28f., 31ff., 36, 41, 45f., 48f., 89, 517, 547 Erschütterungen, Bewertungsgrößen-720 Erschütterungsausbreitung-512 Erschütterungsberechnung-42 Erschütterungsbeurteilung-42 Erschütterungsemission-28f., 31, 42ff., 48, 405, 446 Erschütterungsimmission-53, 413 Erschütterungsmessungen in Gebäuden-431 Erschütterungsminderung-277 erzielbarer Nutzen-302 EU-Richtlinie zum Umgebungslärm-368, 376 Expositions-Wirkungs-Beziehung-340f. Expositionszeit-31, 218 externe Kosten-379 externe Kosten, internalisierung-343 Fahrbahnart-180, 331, 600 Fahrbahneigenschaften-191 Fahrbarer Erreger-604 Fahrerkabine-207 Fahrerraum-250 Fahrerräume- Gestaltung-124, 131 Fahrfläche, besprühen-276 Fahrflächenrauheiten-603 Fahrflächenunebenheiten-405 Fahrgäste-31, 36, 616 Fahrgastraum-207 Fahrgasträume- Gestaltung-124, 131f. Fahrgeschwindigkeit-161 Fahrkomfort-401, 616 Fahrkomfort, Messung-422 Fahrmotor-147 Fahrmotorlüfter-305 Fahrpersonal-31 Fahrrichtung-237 Fahrschienen-387 Fahrstromversorgung-386 Fahrten im Tunnel-282 Fahrverbot-343, 363 Fahrweg-61, 309, 446 Fahrwegplatte-467, 470 Fahrwegplattenlängen-485 Fahrwerk- Bauteile-124 unabgefederte Masse-126, 128 Fahrzeug-690 Fahrzeugachslast-604 Fahrzeuganregung-519 Fahrzeugart-180 Fahrzeugdaten-492 Fahrzeugeinheit-324, 597, 599 Fahrzeugerregerkraft-551, 679 Fahrzeugerregung-416 Fahrzeuginnengeräusche-250, 281 Fahrzeugkorrekturwerte-204 Register 735 <?page no="740"?> Fahrzeuglänge-91 Fahrzeuglieferanten-305 Fahrzeugtyp-603 Fahrzeugübergänge-214 Faltenbälge-124, 214, 284 Faltenbälge, doppelwandig-281 Federeinbausätze-471 Federelement-62, 470 Federkraft-167 Federpakete-505 Federspeicherbremse-130f. Federsteifigkeiten-480 Fenster, doppelverglast-284 Fenster, Schalleinstrahlung-440 Fertigbeton-466 Fertigteiltröge-467 Feste Fahrbahn-37, 267, 400, 542 FFT-57, 59, 61, 65 FFT- und Terzspektren-713 Flächennutzungsplan-334 Flächenquelle-90 Flachrille-394 Flachstelle-51f., 139, 165, 220, 237, 404 Forschungsprogramm-31 Forschung und Entwicklung-31, 42 Fräsmaschinen-401 Freifeldschwingungen-536 Fremdanregungen-434 Fremdgeräuschkorrektur-189 Frequenzanalyse-59f. Frequenzbereich-29, 36, 41, 184 Frequenzbewertung-34, 187 Frequenzdarstellung-59, 70 Frequenzverschiebung-255 Frequenzverteilung-40 Fußbodenausführung-281 Fußbodenbeblechung-281 Fußbodenisolation-256 Fußböden von Reisezugwagen-243 Fußpunktanregung-536, 548 Ganztagespegel Lden-338 Gebäude-29, 33, 36f., 41, 49, 690, 713 Gebäudeabfederung-62 Gebäudeantwortsignal-533 Gebäudeaußenwand-528, 543 Gebäudehöhe-548 Gebäudelagerung, elastische-496, 508, 524, 550 Gebäudelasten-497 Gebäudenutzung-302 Gebäudesetzungen-431 Gebrauchstauglichkeit-463 Gebrauchswert-431 gegenphasig-55 Gehölz-274 Geländegeometrie-535 Geländemodell-332 gelochte Innendecke-281 Genauigkeitsklassen-183 Generatorprinzip-254 Geophone-423 Geräusch, impulshaltig-193, 597 Geräusch, interrmittierendes-193 Geräusche, Lästigkeit von-323 Geräuschemissionen-344f., 347ff., 351f., 364, 375, 378f. Geräuschemissionsgrenzwert-348, 351 Geräuschgrenzwert-348-351, 374, 379 Geräusch-Grenzwerte-133-137 Geräuschimmission-343, 345f., 351, 353, 360, 365, 368, 371f. Geräuschwahrnehmung-708 Geriffelte Radlaufflächen-156 Gesamtbeurteilungspegel-354, 357-361, 377 Gesamteinfederung-465 Gesamtimmission-105 Gesamtkosten-524 Gesamtlärmbelastung-338, 354, 360 Gesamtpegelbetrachtung-358, 378 Gesamtrauheit-149 Gesamtschall-727 Gesamtsteifigkeit-608 Gesamtsteifigkeit, dynamische-487 Gesamtübertragung-538 Geschwindigkeit der Fahrzeuge-303 Geschwindigkeitsabhängigkeit-163 Geschwindigkeitsaufnehmer-423 Geschwindigkeitseinfluss-282 Geschwindigkeitsfaktoren-304 Gestaltfestigkeit-498 Gesundheit-29 Gesundheitliche Risiken-338 Gesundheitsschäden-29, 41 Getriebe-147 736 Register <?page no="741"?> Gewährleistung des Eigentums-347 Gleis-393 Gleis, befahrenes-187, 237, 432 Gleis, besonders überwacht-234, 280, 347, 350, 352, 368, 375, 401, 599 Gleisabklingrate-45, 226, 230, 597 Gleisbettmatte-457 Gleisbettsteifigkeit-448 Gleisbogen-155, 232 Gleisbogenradien-172 Gleisdynamik-480 Gleiseindeckungen-387 Gleisfahrfläche-234 Gleiskinematik-480, 493 Gleislage-465 Gleislagerung-66 Gleismitte-87, 543 Gleisrahmen-391 Gleissteifigkeit-612 Gleisstromkreise-391 Gleistragplatte-397, 457, 479, 499 Gleistrog-466 Gleisüberwachung-44, 238 Gleiszustand-603 Gleiszustandes-626 gleitende Bewegung-294 Gleitender Effektivwert-97, 183 Gleitreibung-167 Gleitschutz-448 Grauguss-234 Grauguss-Bremsklotz-156, 261 Graugussklotzbremse-350, 363f., 374 Graugusssohle-180 Grenzspektrum-597 Grenzwert-32, 322 Grenzwertüberschreitung-334 Grundfrequenz-148 Grundwert-83 Grüne Gleise-267, 269, 389, 396f. gummigefedertes Rad-150, 253, 255, 288, 297 Gummi-Metall-Verbindungen-498 Güterwagen 337, 339, 343, 348, 350, 363ff., 371-374, 379 Güterzüge-204 Haftreibung-167 Haft- und Gleitreibbeiwerte-287, 295 Haft- und Gleitreibung-169 Halbraum-110 Halbwertsbreite-68 Halbzylinder-88 Haltestellenansagen-282 Hammerwerk-602, 604 Handpumpe-698 Hauptschallquellen-246 Hauseigenfrequenzen-549 Herzkrankheiten, ischämische-341 Herz-Kreislauf-Erkrankung-347 Herzstück-393 Herzstückbereich-394 Herzstücke, augefahrene-401 Herzstücke, bewegliche-448 Herzstücke in Weichen-165 Herzstücklücken-409 Hilfsantriebe, Geräusche-173 Hintergrundgeräusche-105 Hintergrundpegel-187 Hochgeschwindigkeitsfahrzeugen-258 Hochgeschwindigkeitsschleifen-264 Hochliegende Vegetationsebene-269, 396f. Holzbalkendecke-434, 549, 719ff. Holzschwellen-210 Holz- und Betondecken-528 Holzwolle-Leichtbauplatten-286 Hörbereich-73 Hörgrenze-37 Hüllflächenverfahren-84 Hybrid-Fahrzeuge-121 Hydraulikanlage-604 Hydraulikpumpe-611 Hydraulikzylinder-698 ICE-143, 153, 160f. ICP-Technik-423 Immission 28f., 32, 36f., 42, 45, 343, 345ff., 355f., 360, 362, 365, 369, 375, 378 Immissionsberechnungen-595 Immissionsgrenzwerte-42, 301, 333, 341, 346, 356- 360, 364, 375f., 378f. Immissionsgrößen-513 Immissionsmessungen-424 Immissionsort-332, 512 Immissionspegel-340, 540 Immissionsprognosen-422, 523 Register 737 <?page no="742"?> Immissionsschutz-89 Immissionsvorsorge-524 Impedanz-173, 490 Impedanzen von Rad und Schiene-157 Impedanzmesskopf-177 Inbetriebnahme-524 Innenbogenschiene-294 Innengeräusch-206f., 307, 348 Innengeräuschmessungen-200 Innengeräuschpegel-209 innovative\“ Technologien-315 Inspektion-398 Instandhaltung-446 Intensitätsmesssonde-600 Interferenz-78 Inversion-185, 369 Isolationsmaßnahmen-245 Isolierstöße-165, 388 Isophonen-332 Ist-Zustand-333 Kalibrierpegel-114 Kalibrierung-112 Kapselungen-243 KBFTi-Wert-432 Kellergeschoss-504 Kennadmittanzen-542, 714f. Kenngröße-518, 616 Kenngrößenverfahren-538, 540 Kennlinien-540 Kennlinien, nichtlineare-604 Kennspektren-540 Klimaanlage-283, 307 Klimatisierung-131f., 139 Klotzbremsen-234 Kohärenzfunktion-177, 681 Komfortnote-620 Kommunikationsmöglichkeit-281 Kompositbremsklotz-350 Kompressionswelle-75 Kompressionswellengeschwindigkeit-442 Kompressor-173, 243 Kontaktflächen-616 Kontinuumsmodell-534 Kontrollmessungen-183, 595 Korkgranulate-498 Körperhaltung-620 Körperschall-73, 75, 80, 83, 106, 362 Körperschallabklingrate-349 Körperschallanregung-148, 403 Körperschall-Anregungsmechanismen-149 Körperschallbrücke-472, 505 Körperschallisolierung-305, 446 Körperschallmessungen-226 Körperschall-Terzspektrum-548 Körperschallverhalten-230 Körperschallverhalten eines Tunnels-551 Kosten-29f., 42 Kosten-/ Nutzenverhältnis-302 Kosten-Nutzen-Analyse-359 Kostenwahrheit-343 Kraftaufnehmer-227 Kraftbezogener Schalldruckpegel-542, 605 kraftbezogene Schalldrücke-540 Krafterregerspektren-416 kraftschlüssige Verspannung-167 Kraft-Weg-Diagramme-459, 700 Kraft-Weg-Verformungsdiagramm-700 Kreischen-169 Kreisfrequenz-52, 59 Kreuzungen-394 K-Sohle-180, 234, 350, 372, 374 künstlicher Anregung-604 Kunststoffbeschichtete Räder-253, 297, 299 Kunststoff-Schwellen-462 Kurvengeräusche-33, 36, 49, 158, 234, 287, 596 Kurvenquietschen-33, 36, 167, 255, 293 Lagerung, elastisch-149 Lagerung, kontinuierliche-484 Lagerungseigenfrequenzen-507 Lagerungsfrequenz-496 Lageverschiebungen-330 Landschaftsbild-302 längenbezogener Schalllleistungspegel 83, 195, 218, 323 längenbezogene Schallleistung-145 Langzeitmessungen-596 Lärm-29f., 35, 38, 708 Lärmaktionsplan-371 Lärmaktionsplanung-370f., 376 Lärmbelästigung-30 Lärmbeurteilung-30 Lärmkarte-368ff. 738 Register <?page no="743"?> Lärmkarte, strategische-369 Lärmsanierung-31, 344, 353, 357, 359ff., 365-368, 371, 374ff., 378 Lärmsanierungsprogramm 361, 365f., 371, 374f., 379 Lärmschutzpolitik-338, 340 Lärmwirkungsforschung-339, 363, 367, 376, 378f. Laser-231 Lasermesssysteme-430 Lastabtragung-386 Lastenheft-180, 595 Lastenheftangaben-595 Lastenzug-397 Lastverteilung-390 Lastverteilungsfaktor-480 laterales Kriechen-167 Laufdrehgestelle-283 Laufgüte-619 Laufruhe-401 Lautsprecheransagen-329 Legierungsbestandteile mit einem Schmiereffekt-295 Leichtbau, poröser-286 Leiser Güterzug-259 Leistungsdichtespektren-622, 675 Leistungsfähigkeit-29, 41 Leitschienen-389 Lichtschranke-218, 236, 429 Linienlast-536f., 604 Linienquelle-90 Linienschallquelle-84, 110 Linienspektrum-59, 69 Links-/ Rechts-Verfahren-438, 603 LL-Sohle-180, 234, 261, 372ff. Losräder-287 Lüfter-129, 132f., 147 Luftkühlung-129 Luftschall-74, 89 Luftschalldämm-Maß-242 Luftschallenergie-244 Luftschall-Terzspektrum-548 Lüftung-163 Makroschlupfpfeifen-249 Masse-62ff., 66-69, 71 Masse-Feder-System-62, 71, 174, 400, 409, 457, 465, 471ff., 476, 479, 484, 494, 499, 524 Masse-Feder-System, leichtes-468 Massegesetz-242 Massenadmittanz-686 Massenverteilung-496 Materialdämpfung-90, 410, 442, 670 Materialdaten-669 Materialeigenschaften-535, 596 Materialmodifikationen-545 Matte, elastisch-479 Matten mit inneren Hohlräumen-463 Max-Hold-102 Max-Hold-Spektren-435, 709 Max-Hold-Terzspektren-547, 612 Maximalpegel-33, 40, 339, 341, 351, 377, 379 Maximalpegel-Kriterium-341, 377, 379 mechanische Admittanz-173 Mehrwertangabe-533 Messapparatur-610 Messbereich-423 Messfläche-215 Messgrößen-191 Messkette-187, 423 Messortbedingungen-189 Messprotokoll-187 Messpunktanordnung-83, 424 Messquerschnitt-218 Messsystem-183 Messtechnik-34 Messverfahren-348f. Messvorschrift-32 Mikrofone-183 Minderung, Prognose-493 Minderungsmaßnahme-530 Minderungsmaßnahmen, aktive-241, 455 Minderungsmaßnahmen, passive-241, 334 Mineralwolle-244 Mittelungspegel-33, 39f., 97-100, 103, 105, 115, 223, 338ff., 347, 365, 367, 369 Mittelwert-54, 56 Mitwind-340, 369 Modalanalyse-70-73, 177 Modale Dämpfung-686 Modalhammer-227 Modelluntersuchungen-551 Monetäre Schäden-338 Motorbetriebszustände-205 Nachhallzeit-211 Register 739 <?page no="744"?> Nachhallzeitmessungen-212 Nahverkehrsbahnen- technisch/ betriebliche Merkmale-120 Nahverkehrsplan-343, 352 Neubaustrecke-334 Neubau und wesentliche Änderung-337 Neufahrzeuge- akustische Abnahme/ Typprüfung-134, 136f. akustische Auslegung-127, 134 akustische Auslegung/ Modellierung-135ff. nichtakustische Einflussgrößen-340 Niederflurfahrzeug-61 Niederflur-Straßenbahn-143, 250 Normungswesen-42 Nutzungsdauer-31 Oberbau-386, 388, 404, 513 Oberbau, elastisch gelagert-456 Oberbau, geschlossen-397 Oberbau, offener-396 Oberbau, Pflegemaßnahmen-400 Oberbauarten-396 Oberbaudaten-491 Oberbauform-33, 37, 44, 48, 66, 182, 328, 398, 452, 518, 527, 599 Oberbauformen-692f., 712f. Oberbaukomponenten, elastisch-493 Oberbaukonfiguration-491 Oberbaukonstruktion-531 Oberbaumasse-457f. Oberbauresonanz-411 Oberflächenbenetzung-293 Oberflächenbeschichtung-293 Oberflächenschäden-401 Oberflächenwasser-463 Oberflächenwelle-75, 410, 495 oberirdischer Verkehr-544 Ohr-34, 36 ökonomische Instrumente-343 Oktavberechnung-665 Oktave-59, 82f., 85, 87f. Oktavspektren-59ff. Ordnungsrecht-343f. Ortbeton-466 Ortbetonbauweise-468 Ortbetonplatte-392, 400 ortsüblich-347 Parallelschaltung-63 Parameteranregung-66 Pegelabnahme-91, 110 Pegeladdition-100 Pegeldifferenz-91 Pegelgröße-94 Pegelklasse-103 Pegelmaß-94 Pegelmittelung-97 Pegelschrieb-207 Pegelsubtraktion-104 Pegel-Zeit-Signal-207 Periodendauer-52, 69 Personenbeförderungsgesetz-44, 337, 353, 359 physikalisches Modell-550 Planfeststellung-330 Planfeststellungsbeschluss-353, 359 Planfeststellungsverfahren-180, 302 Planumsschutzschicht-387 Planungszustand-519 Planzustand-333 Plattendurchbiegung-482 Polyethylen-498 Polygon-237 Polyurethane-498 Präventivschleifen-265 Präzisions-Schallpegelmesser-183 Primärfederung-125 Prognosemodelle-424 Prognosen von Erschütterungen und Sekundärschall-414, 713 Prognoserechnungen-477 Prognoseverfahren-512 Prognoseverfahren, terzbasiert-717 Prototyps-248 Prüfcentren-190 Prüfgleise-190 Prüfhammer-65, 70, 177, 227, 418, 442, 602, 604, 679 Prüfstand-700 Prüfstand, hydraulischer-608 Prüfung der Anregung-596 Prüfungsvorschrift-595 Psychoakustik-340 psychoakustische Größen-708 Pulswechselrichter-128f. Punktanregung-604 Punktlagerung-467, 507 740 Register <?page no="745"?> Punktlast-537 Punkt- oder Linienquellen-535 Punktquelle-89 Punktschallquelle-110 Querbewegung, kontinuierliche-167 Querbewegungen, ruckartige-169 Quergleiten-167, 287, 293 Querkontraktionszahl-442, 545 Querkraftverdübelung-472 Querschnittsprofil-523 Quersteifigkeit-466 Querverschiebung-287 Quieter Routes-365, 375 Quietschen-231, 276, 287 Quietschfreie Hochleistungsscheibenbremse-254 Rad- Bauart-124 Bedämpfung-127 Fehler-139 Schallabsorber-127, 137 Schürze-127 Rad-/ Schiene-Bereich-234 Radaufstandsflächen-604 Raddurchmesser-158 Rad-Eigenschwingung, axial-167, 257 Radgeometrie-255 radial einstellende Räder-250 Radialeinstellung-290 Radialeinstellung, gesteuerte-290 Radkörperschall-296 Radkranz-165 Radlast-484 Radnabenmotore-129 Radprofil, optimiertes-253 Radriffeln-261 Radsatzlager-207, 226 Radsatzlagern-691 Radsatzmasse-182 Radsatzstellung-232 Radsatzsteuerung-33, 295 Radsatz-Torsionsschwingungen-170 Radsatzwelle, Torsionsschwingung-265 Radsatz-Zwangssteuerung-290f. Radschallabsorber-150, 165, 253, 257, 266 Radscheiben, Beschichtung-296 Radscheibenbremsen-204 Rad- und Schienenzustand-207 Randbedingungen-602 Rauheit-156, 351, 372 Grenzspektrum-160 Grenzwerte-228 Messgerät-599 Messung-226, 228, 603 Rauheit, kombinierte-227 Rauheit, Radfahrflächen-45, 229, 283 Rauheitsmessung, indirekte-603 Rauheitspegel-161 Rauheitsspektrum-159 Rauheitszustand der Fahrflächen-234 Raumbegrenzungsfläche-80, 212, 440 Raumbegrenzungsflächen-36 Raumbegrenzungsflächen, angeregte-409 Raummitte-533 Raumwellen-74 Rauschanregungen-230 Rauschstörungen-177 Rayleighwellen-442, 670 Rechteckplatte-685 Referenzgeschwindigkeit-89 Referenzoberbau-488 Reflexion-77f., 186, 274 Reflexionsgrad-666f. Regenwetter-293 Regio-Stadtbahnen-120 Reibkraftverlauf-293f. Reiboxidation-295 Reibschwingungen-171 Reibungskoeffizient-167 Reibungsverluste-90 Reibwertbeeinflussung-295 Reihenschaltung-63 Reisezugwagen-348, 619 Rekonstruktion-305 relative Häufigkeit-221 Reprofilierung-297, 401 Resonanz-67f., 71 Resonanz-Absorber-296 Resonanzschwingungen-296 retrofitting-372 Revisionsöffnungen-466f., 504 Richtwirkung-199 Riffel-156, 401 Register 741 <?page no="746"?> Riffelwachstum-264 Riffelwellenlänge-155, 265 Rillenboden-394 Rillenschienen-388 Rillenschienengleis-359 Rippenplatten-458 Risse in Gebäuden-431 Rohbausumme-505 Rohrleitungsverbindungen-504 Rollgeräusch-33, 36, 151, 154f., 158, 160, 172, 248, 307, 349, 351, 372, 597 Rollgeräuschanregung-149 Rollgeräuschentwicklung-265 Ruckgleiten-167 Ruhepause-39 Ruhesignal-436 Rundummessungen-204 Rutscherstein-Schleifvorrichtungen-401 Rüttelplatte-418 Sabineschen Nachhallformel-211 Sägezahn-Schwingung-170 Sandwichkonstruktionen-498 Schall-Absorber-149 Schallabsorption-596 schallabstrahlende Bauteile-146 Schallabstrahlung-28, 32, 41, 150, 230 Schallarme Fahrzeuge-304 schallarme Konstruktion-245 Schallarme Konstruktionsmethode-247 Schallausbreitung-91, 111, 703, 707 Schallausbreitungsgeschwindigkeit-723 Schallausbreitungsweg-337 Schallbelastung-28f. Schalldämmmaß-302 Schalldämmung-213 Schalldruck-56f., 78f., 81f., 84, 86f. Schalldruckkennwerte-304 Schalldruckmessungen-217 Schalldruckpegel-85, 94 Schalldruckpegel, maximaler-218 Schalldruckpegelspektren-60 Schalldruckpegelverlauf-192, 220 Schalldurchgang-217 Schallemission-84, 86, 180 Schallemission, Überwachung-234 Schallenergiepegel-96 Schallexpositionspegel-193, 224 Schallfeld-105f. Schallgeschwindigkeit-80 Schallimmission-28, 35f., 322 Schallimmissionsmessungen-180 Schallimmissionsprognose-60 Schallintensität-80, 215 Schallintensität, Messung-216 Schallintensitätsmesssonde-215, 230 Schallintensitätspegel-96 Schallkennimpedanz-79 Schallleistung-59, 80, 96, 142, 215 Schallleistung der Maschine-214 Schallleistungspegel-83, 223 Schallmesseinrichtung-236 Schallmessungen-180 Schallmesswagen-180, 234, 280, 351f., 599 Schallminderungsmaßnahmen-241, 251 schalloptimiertes Rad-255 Schallpegeldifferenz-213 Schallpegelmesser-183, 185 Schallquelle-30ff., 36, 78, 83, 143 Schallquellen, hochliegende-155 Schallquellenortung-216 Schallschluckstoffe-212 Schallschürzen im Boden-495 Schallschutz, passiver-276, 355, 358 Schallschutzanspruch-276 Schallschutzfenster-301, 342 Schallschutzklasse-276, 302 Schallschutzmaßnahme-180, 278, 301, 331 Schallschutzschirme, niedrige-269 Schallschutzwälle-301 Schallschutzwand-78, 269, 342 Schallschutzwandrichtlinie-269 schalltechnische Größen-667 schalltechnische Untersuchung-329 Scheibenbremse-30, 130, 182, 241, 350 scheibengebremste Fahrzeuge-203 Scherwelle-74, 442, 722 Scherwellengeschwindigkeit-442 Schiene, Einhausung-266 Schienen, Bedämpfung-251 Schienen, rillenlose-388 Schienenaufschweißen-295 Schienenauszugsvorrichtung-395 Schienenbefestigung-392 742 Register <?page no="747"?> Schienenbefestigungsmittel-387 Schienenbefestigungspunkte-400 Schienenbonus-39f., 340, 347, 366f., 370f., 375, 379 Schienendämpfungselemente-298 Schieneneinsenkung-37, 439, 610, 699 Schienenfahrfläche-30, 157 Schienenfahrfläche, glatte-261 Schienenfahrflächenrauheit-157, 159f., 180, 208, 283, 375, 597 Schienenfugenverguss-389 Schienenfuß-158, 160 Schienenfußummantelung-400 Schienen-Kammerfüllelemente-389 Schienenkopf-161, 230, 704 Schienenkopf, geometrisch verändert-299 Schienenkörperschall-171, 191, 707 Schienenlager-67, 609, 698 Schienenlager, elastisch-458, 465, 608 Schienenlager, hochelastisch-283, 475, 501, 524 Schienenlager, kontinuierlich gelagert-457, 524 Schienenlager, vulkanisierte-498 Schienenlagersteifigkeit-693 Schienenlagerung-33f., 49 Schienenlagerung, kontinuierliche-448 Schienenlängsrichtung-230 Schienenlängsverguss-400 Schienenlärmschutzgesetz-343, 364f., 374, 379 Schienennahverkehr-32 Schienenoberfläche-231, 401 Schienenoberkante-153 Schienenpflege, präventive-401 Schienenprofil-668 Schienenrauheit-226, 250, 349, 351 Schienenrauheit, Grenzspektrum-262 Schienenrauheitsmessung-228 Schienenreinigung-400 Schienenreinigungswagen-400 Schienenriffeln-155, 264, 404 Schienenschleifen-347, 401 Schienenschmiereinrichtung-368, 388 Schienensteg-Abschirmung-267, 368 Schienensteg-Dämpfung-267, 368 Schienenstützpunkt-387, 392 Schienenstützpunkte, elastisch-267 Schienenunterguss-400 Schienenunterguss, elastischer-393 Schienenverkehr-28, 30, 34ff., 39, 41ff., 45f., 48 Schienenverkehrsanlagen, bestehende-337 Schienenverkehrslärm-30f., 39 Schirmhöhe, effektive-272 Schlafstörung-338 Schleifen der Radlaufflächen-253 Schleifen der Schienenfahrflächen-266 Schleiffahrzeug-401 Schleifverfahren-33, 280 Schleuderschutz-448 Schlingererscheinungen-291 Schlupf-166, 299 Schlupfwellen-266, 401 Schmalbandanalyse-218 Schotterbettung-268 Schottergleis-37, 599 schotterlose Oberbauformen-268, 282 Schotteroberbau-203, 267 Schottersteifigkeit-603 Schräglaufwinkel-290 Schrägverzahnung-241 Schreckschusspistole-212 Schubmodul-442, 545 Schubsteifigkeit-442 Schubverdübelungen-468 Schutzabstand-532 schutzbedürftige Gebäude-604 schutzbedürftige Räume-301 Schutz der Nachbarn-495 Schutzfall-358 Schwachstellanalyse-217 Schwebung-56, 78 Schwebungsfrequenz-56 Schweißstellen-207 Schweißverbindungen-404 Schwelle, hohlliegend-404, 449 Schwellen, besohlte-399 Schwellenabstand-411 Schwellenart-210 Schwellenbauarten-390 Schwellenbesohlung-462 Schwellenfachfrequenz-34, 66 Schwellengleis-349 Schwellenschuhe-462 Schwellenschuhe, elastisch-457 Schwellenwerkstoff-210 schwenkbare Radpaare-291 schwingende Strukturen-227 Register 743 <?page no="748"?> Schwinggeschwindigkeit, maximale-721 Schwinggeschwindigkeitspegel-96 Schwinggeschwindigkeits-Terzspektren-438, 449 Schwingstärke-41 Schwingungen, harmonische-55, 58 Schwingungen, krafterregt-405 Schwingungen im Fahrzeug-616 Schwingungsabsorber-258 Schwingungsanregung-404 Schwingungsantwort.-227 Schwingungsantwort im Boden-415 Schwingungsausbreitung-33, 519 Schwingungsausbreitungsgesetz-536 Schwingungsbelastung-616 Schwingungsdämpfung-452 Schwingungseinwirkung-616 schwingungsempfindliche Geräte-409 Schwingungsenergie-296 Schwingungsgröße-41 Schwingungsisolierung-452 Schwingungskomponente-434 Schwingungsmessung-422 schwingungsmindernde Maßnahme-422, 455 Schwingungsminderung-448, 452 Schwingungspegel an der Tunnelwand-477 Sedum-397 Seitenmatten-499 Sekantensteifigkeit-609 Sekundärdurchbiegung der Schiene-405, 448 sekundärer Luftschall-362, 409, 533 Sekundärfederung-61, 125f. Sekundärschall-33, 36, 41, 82, 440, 517, 540, 548 Sekundärschallabschätzung-525 Sekundärschallmessungen-422 Sekundärschallpegel-37 Shaker-230 Signalauswertung-429 Signaltriggerung-429 Simulation der Fahrzeugerregerkräfte-602 Simulation des Rollgeräusches-599 Simulation einer Stoßanregung-723 Sinus-Anregungen-230 Sitze, gepolstert-281 Sitzplätze-207 Software- und Hardwareentwicklung-42 Sohlkraft-605 Sollprofil einer Schiene-401 Spektrogramme-430 Spiegelbildlichkeit-341 Spritzbetonbauweise-545 Spurführung-386 Spurkranz-166f., 394 Spurkranzanlaufen-166, 276, 300 Spurkranzschmiereinrichtung-173 Spurkranzschmierung-276 Spurkranzstärke-297 Spurstange-391 Spurweite-386, 390f. Stadtbahnen-200 Stadtbahnfahrzeug-259 Stahlbrücke, direkt befahren-278 Stahlbrücke mit Schotterbett-277 Stahlbrücke mit Schotterbett und Matte-277 Stahlbrücke ohne Schotterbett-277 Stahlfederlager-505 Stahlfedern-470 Stahlgüte-668 Stahlkeil-612, 723 Stahlspieß-427 Standardoberbau-524 Stand der Technik-42, 343, 351f., 375, 378 Standgeräusch-249, 348, 351 Standsicherheit-497 Standzeit-294 starr geführte Räder-250 starr geführte Radsätze-290 Starrköperfrequenz-485 statische Achslast-411 statische Steifigkeit-608 statische Vorlast-604 statistische Auswertung-525 Stehende Wellen-78 Steifigkeit-62f., 71, 492 Steifigkeitsermittlung-609 Steifigkeitsverhalten im Gleis-610 Steifigkeitsverlauf-609 Stellung eines Drehgestells im Bogen-172 stick-slip-Effekt-167, 276, 287 Störsignaleinstreuungen-423 Störstellen-165 Stoßanregung-612 Stoßanregung auf der Schiene-724 Stoßfrequenz-165, 404 Stoßgeräusche-165 744 Register <?page no="749"?> Stoß- oder Schlaggeräusche-164 Straßenbahn-29, 36, 39f., 44, 48, 120, 126, 150, 200, 324, 337f., 340, 345, 348, 351ff., 359, 362, 364, 370, 375f., 378, 380 Straßenbahnschienen-388 Straßenverkehr-39 Straßenverkehrslärm-39, 338, 341 streckenabgewandte Räume-440 Streckenbedingungen-189 Streckenführung-182, 492, 603 Streckengeschwindigkeit-190 Streckengutachten-512 Streifenlagerung-467, 507 Streustromisolation-400 Stromabnehmergeräusche-143 Stromschienen-388 Strukturproblem-516 Stufenfalz-463 Stundenpegel-115, 304 Stützpunktabstand-126, 407, 410, 438, 603 Stützpunktsteifigkeit-459 Substrukturblöcke-538 Subsysteme-517 Summenhäufigkeit-221, 290, 293, 296 Summenpegel-99, 223 Systemanalyse-493 Systemeigenfrequenzen-475 Systemparameter-518 Tag-Abend-Nacht-Pegel-369 Taktfrequenzen- Pulswechselrichter-129 Taktmaximalpegel-97 Taktmaximalwert-721 TA Lärm-362 Taupunktbildung-499 Technische Aufsichtsbehörde-44 technische Machbarkeit-302 Teiladmittanzen-539 Teilschallquellen-216 Temperaturinversionen-322 Terzen und Oktaven-664 tiefliegenden Vegetationsebene-269 tiefliegende Vegetationsebene-397 Tiefrillen-394 Tilger-257 Tonalität-194, 232 tonartige Geräusche-167 tonhaltige Geräusche-129f., 132, 135, 193, 250, 352 Tonhaltigkeit-194 Topographische Gegebenheiten-332 Track Decay Rate-→ Körperschallabklingrate tragende Unterkonstruktion-470 Tragwerksverhalten des Gebäudes-496 Tram Train-120 Transit Exposure Level-198 Transmission-36, 42 Transmissionsbereich-524 Transport-28 Transversalwelle-74 Trassenpreise, lärmabhängig-379 Trassenpreissystem, lärmabhängig-372 Treibhausgas-343 Trennfolie-468 Trennfuge-504 Tribometer-294 Triebdrehgestelle-283 Triebfahrzeug-348 Triebzug-348 Tunnel-519 Tunneladmittanzen-551 Tunnel-Boden-Steifigkeit-687 Tunnelquerschnitte-674 Tunnelsohle-519, 675, 679-684, 687, 693, 712-715 Tunnelsohlenadmittanz-607 Tunnelstrecke-416, 438 Tunnelwand-676, 680, 682f., 713 Türen- Geräusche-132 TWINS-157 Typprüfung-596, 599 UBA-29 U-Bahnfahrzeug-201 Überhöhungsfaktoren Baugrund-548 Überlagerung-78 Übertragungsadmittanz 537, 539, 596, 603, 679-684, 714f. Übertragungsfunktion-70, 227, 518, 540, 550, 604 Übertragungsverhalten-513, 551 Übertragungsweg-455, 539 Umfangsgeschwindigkeit-229 Umgebungslärm-344f., 365, 368-371 Umgebungslärmrichtlinie-344, 365, 378 Register 745 <?page no="750"?> Umrichter-283 Umrüstprogramm-364, 366, 371f., 379 Umrüstung-339, 350, 372, 374f. Umrüstzustand-234 Umwandlungsmaß-83, 533 Umweltbericht-363 Umwelteinwirkungen, schädliche-345f., 360, 363, 376f. umweltfreundlich-337, 343 Umweltverträglichkeit-512 Umweltverträglichkeitsprüfung-353f., 358 unabgefederten Radsatzmasse-410, 449 ungebremsten Drehgestell-234 Unterbau-386 Untergrundsteifigkeit-487 Untergussmaterial-400 unterirdische Haltestellen-284 Unterschottermatte 279, 400, 411, 457, 463, 475, 490, 501, 524, 542, 694 Untersuchungsgebiet-322, 332 Unversehrheit, körperliche-347, 360 Unwuchterreger-604 VDV 154-194 Ventilationsgeräusche-245 Verbrennungsmotor-245 Verbundstoffbremssohle-365 Verbundstoffe-498 Verdrehwiderstand-392 Verformungsverhalten, nichtlinear-476 Vergleichsmaße-108 Vergrößerungsfunktion-69 Verhältnismäßigkeit-344, 358 Verkehrsbelastung-330f. Verkehrserzeugung-379 Verkehrslärmschutzverordnung-346, 354, 357, 364, 376 Verkehrsleistung-339f., 343, 352, 380 Verkehrsmittel-39 Verkehrsunternehmen-45, 49 Verkehrsverlagerung-342f. Verkehrsvermeidung-337, 343 Verkehrswege-Schallschutzmaßnahmenverordnung 346, 360 verlorene Schalung-466, 499 Verlustfaktor-245 verriffelte Schienen-300 Verschleißminderung-290 Verschleißzustand-386 Verstärkereinstellung-111 Verursacher-42 Verursacherprinzip-337, 378 Vibration Dose Value-721 Vibrationsplatte-604 Vibrationsprüfung-230 Videokamera-236 Vignolschiene-388 viskose Dämpfer-505 Vollflächige Lagerung-466, 507 Vollschutz-358, 378 Vorbeifahrgeräusch-150, 348ff. Vorbeifahrgeräusche-191 Vorbeifahrmittelungspegel-224 Vorbeifahrpegel-115, 154 Vorbeifahrt-40, 159 Vorbeifahrtexpositionspegel-87, 193, 218 Vorbeifahrzeit-218 Vorher-/ Nachher-Verfahren-437 Vorher-Nachher-Messverfahren-603 Vorsorgeprinzip-347 Wagenkasten- konstruktive Gestaltung-123, 125f. Wagenverkehr-28, 35 Wahrnehmung-36, 39, 41 Wandelemente-495 wandernde Punktlasten-604 Wannenausbildung-504 Wartung-28, 446 Wartungszustand-386, 599 Wasserkühlung-129 Wegpegelspektren-160 Weiche-66, 393 Weichenschmieranlage-300 Wellenabstand-404 Wellenausbreitung-446 Wellenausbreitungsgeschwindigkeit-441, 722 Wellenausbreitungsrichtung-74 Wellengeschwindigkeit-670 Wellenlänge-155, 244 Wellenlängenspektrum-159 Wellenspektrum-229 Wendeschleifen-249 Werkstoffeigenschaften-497 746 Register <?page no="751"?> Werkstoffkennwerte, dynamische-671 Werkstoffpaarung-170 wesentliche Änderung-322, 330, 341, 345, 354-357, 359f., 362, 375ff., 379 Windeinfluss-185 Windlasten-270, 497 Winkelgeschwindigkeit-51f. wirksame Masse-480 Wirksamkeit eines elastischen Bauteils-474 Wirtschaftlichkeit-245 Wirtschaftsfaktor-42 Witterungsparameter-322 Wohnbebauung, heranrückende-337, 341, 344 Wohnqualität-29 Wohn- und Arbeitsverhältnisse, gesunde-363 Wohnungseinrichtung-534 Wohnwert-29 WZ-Verfahren-618 Zahneingriff-241 Zeitabhängigkeit der Reibkraft-294 Zeitbewertung-97, 183 Zeitkonstante-183 Zeit- und Frequenzbereich-229 Zischgeräusch-166 Zugart-331 zulässige Innengeräuschpegel-250 Zusammenhang verschiedener Schallemissions-Bewertungsgrößen-718 Zwangsführung-167 Zweiblockschwelle-267, 400 Zweikanal-Terzanalysator-600 Zweikraft-Fahrzeuge-121 Zweipunktberührung-171 zweischalige Konstruktionen-243 zweischaliger Tunnel-546 zweistufige Federcharakteristik-459 Zweisystem-Fahrzeuge-120 Zweiwegemaschinen-401 Zwischenlage-457 Zwischenplatte-457 Zwischenschicht, elastisch-546 Register 747 <?page no="752"?> Abbildungsverzeichnis Bild 1.1: Lärmbelästigung in Deutschland; Lärmbeurteilung nach einer UBA-Studie „Umweltbewusstsein in Deutschland 2010“ Es bedeuten: A: äußerst gestört oder belästigt; B: stark gestört oder belästigt; C: mittelmäßig gestört oder belästigt; D: etwas gestört oder belästigt; E: überhaupt nicht gestört oder belästigt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Bild 1.2: Vergleich der A- und C-Bewertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Bild 1.3: Problemstellung - Erschütterungs- und Körperschallentstehung sowie -ausbreitung und -wahrnehmung beim Schienenverkehr, Streckenführung auf Viadukten, ebenerdig und in Tunneln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Bild 1.4: Frequenzbereiche für verschiedene Immissionsarten bei Schienenbahnen. Die Hörgrenze des - jungen - Menschen liegt zwischen ca. 20-Hz und 20-kHz, mit zunehmendem Alter nimmt die obere Hörgrenze stetig ab . . . 37 Bild 1.5: Zusammenhang zwischen den mittleren KB FTi -Werten und L pAFmax,i -Pegeln: el.SL: einfach elastisches Schienenlager, hel.SL: Hochelastisches Schienenlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Bild 1.6: Unterschiedliche Belästigung durch Straßen- und Schienenverkehr, Beurteilung durch Betroffene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Bild 1.7: Beispiel für die Frequenzverteilung von Schienen- (Eisenbahnstrecke) und Straßenverkehr (Autobahn) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Bild 1.8: Messstreifen von Schallmessungen neben einer Eisenbahnstrecke und einer Autobahn (bei der Eisenbahn wurden nur die Schallsignale während der Vorbeifahrten gemessen, die Zwischenzeiten wurden frei gewählt) . . . 40 Bild 1.9: Zusammenstellung aller möglichen Stellen, die an der rechtlichen und technischen Lösung von Schall- und Erschütterungsemissionen aus dem Schienenverkehr beteiligt sind. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Bild 1.10: Gegenüberstellung der beiden Verkehrssysteme Eisenbahn und Straßenbahn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Bild 1.11: Schall und Erschütterungen im Schienenverkehr - für wen ist das ein wichtiges Thema, Wünsche und Umsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Bild 1.12: Schall und Erschütterungsimmissionen im Schienenverkehr - gesetzliche und normative Vorgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 Bild 2.1: Kreisbewegung und sinusförmige Schwingung (Beispiel für eine Radbewegung mit einer Flachstelle) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 Bild 2.2: Zusammenhang zwischen Schwingbeschleunigung a(t), Schwinggeschwindigkeit v(t) und Schwingweg s(t) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Bild 2.3: Darstellung einer Sinusschwingung z 1 (t) mit der Amplitude A (Gleichrichtung z 2 (t), dem Effektivwert z eff = 0,707·A und dem Mittelwert MW arith = 0,637 . A), f = 20-Hz) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Bild 2.4: Schwebung - Überlagerung von zwei Sinusschwingungen mit dicht beieinander liegenden Frequenzen, im Beispiel 20-Hz und 21-Hz . . . . . . . . 56 <?page no="753"?> Bild 2.5: Schalldruck p und Stellung der Radsätze eines Drehgestells im Gleisbogen (U-Bahnfahrzeug), Fahrt im Gleisbogen, rechts: vorlaufender Radsatz 1 (mit Schrägstellung, Anfahrwinkel > 0) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Bild 2.6: Schalldruckspektrum p(f) für das in Bild 2.5 dargestellte Zeitsignal p(t) . . 57 Bild 2.7: Überlagerung von vier harmonischen Schwingungen zu einer Gesamtschwingung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Bild 2.8: Darstellung der in Tabelle 2.1 beschriebenen harmonischen Schwingungen als Einzelfrequenzen (Spektrum) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Bild 2.9: Verschiedene Darstellungsformen eines Schwingungssignals im Zeitbereich (hier Schalldruckpegel). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Bild 2.10: Verschiedene Darstellungsformen eines Schwingungssignals (hier Schalldruckpegel) im Frequenzbereich (FFT- und Terz- / Oktavspektren). . 61 Bild 2.11: Einläufiger Schwinger (Masse, Feder, Dämpfer in einer Bewegungsrichtung), Anwendung im Gleisoberbau oder als Gebäudeabfederung zur Minderung der Erschütterungsimmissionen . . . . 62 Bild 2.12: Freie gedämpfte Schwingung (n. Gl. (2.31)),mit: z=1-mm; f=50-Hz, δ=0,05, φ 0 =30° . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 Bild 2.13: Schwingungssignale unter Anregung mit einem Prüfhammer vor einem Gebäude; Ausbreitungszeit der Druckwelle t p und der Scherwelle t s . . . . . . 65 Bild 2.14: V 3 (η) für verschiedene Dämpfungen D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Bild 2.15: Pegel-Differenzspektren (Ausschnitt aus der messtechnisch ermittelten Einfügungsdämmung D e verschiedener Oberbauformen), [Bericht 9 unter Abschnitt 1.6.2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 Bild 2.16: Vergrößerungsfunktion der Bodenkraft V B als Funktion von η und der Dämpfung D (D = 0,05; 0,1 ... 0,8) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 Bild 2.17: Nichtperiodisches Signal im Zeit- und Frequenzbereich (Stoß mit einem Prüfhammer) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Bild 2.18: Black-Box für ein Schwingungssystem (Ein-, Ausgang) . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Bild 2.19: Betrag der Übertragungsfunktion, Variation der Steifigkeit k von (50, 25 und 12,5) · 10 -5 -N/ m; k nimmt von rechts nach links ab . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Bild 2.20: Betrag der Übertragungsfunktion, Variation der Masse m von 200 kg, 400 kg und 800-kg; m nimmt von rechts nach links zu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Bild 2.21: Beispiel für eine Modalanalyse an einer schwingenden Glocke (aus einer Brüel & Kjaer Informationsschrift) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 Bild 2.22: Symbolische Darstellung einiger Wellenarten. Links: Longitudinal- oder Druckwellen; Mitte: Transversal- oder Schubwellen; rechts: Biegewellen (z. B. auf Gebäudedecken und -wänden) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Bild 2.23: Wellenarten im Halbraum (z. B. im Boden bei Zuganregung auf ebenerdig verlegten Gleisen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Bild 2.24: Festgelegte Mikrofonpositionen a 2 und a 3 an einer Bahnstrecke (Außenmesspunkte) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Bild 2.25: Schallleistungs- und Schalldruckpegelspektren, gemittelt über die Zeit T M n. VDI 2716 [2.12] am Messpunkt a2, gemessen an einem erneuerten Gleisabschnitt mit v = 80 km/ h (energetische Pegelmittelung mehrerer Vorbeifahrten) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Abbildungsverzeichnis 749 <?page no="754"?> Bild 2.26: Spektren der längenbezogenen A-Schallleistungspegel L W’A,100 für zwei U-Bahn-Fahrzeugtypen, Fz1: ältere Bauart, Fz2: neuere Bauart. Grundlage: Schallmessungen in 25-m und 7,5-m Entfernung von Gleismitte . . . . . . . . . 88 Bild 2.27: Näherungsweiser Zusammenhang zwischen dem längenbezogenen A-Schallleistungspegel L W’A,60 sowie L W’A,100 und dem L pAFmax -Pegel für v = 60-km/ h am Messpunkt a2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 Bild 2.28: Ausbreitung einer Punktquelle (rechts) und einer Linienquelle (links) . . . . 90 Bild 2.29: Schallausbreitung mit zunehmendem Abstand s 1 vom Gleis für verschiedene Fahrzeuglängen l (l = 40-m bis 120-m) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Bild 3.1: Zusammenhang zwischen Verhältniszahlen und Dezibel-Werten . . . . . . . . 108 Bild 3.2: Zusammenhang zwischen Prozentzahlen (Delta- und Verhältnis-Prozente) und Dezibel-Werten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 Bild 3.3: Pegelabnahme von Linien- und Punktschallquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 Bild 4.1: Systemunterscheidung aus gesetzlicher/ rechtlicher Sicht . . . . . . . . . . . . . . . 119 Bild 4.2-und-4.3: Triebdrehgestell des U-Bahn Fahrzeugs DT4 der Hamburger Hochbahn AG 125 Bild 4.4: Schematischer Ablauf des Akustik-Managements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 Bild 5.1: Wesentliche Schallquellen bei einer Niederflur-Straßenbahn, Beispiel K4500 der Kölner Verkehrsbetriebe (KVB) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 Bild 5.2: Beispiel für Schallquellen bei Diesel-Lokomotiven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 Bild 5.3: Schallquellen bei elektrischen Triebwagen. Bei Systemen mit einer Stromschiene stellt diese ebenfalls eine Schallquelle dar (insbesondere bei Unterbrechungen im Bereich von Weichen, Seitenwechseln und Überwegen). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 Bild 5.4: Einflussgrößen auf die Rollgeräuschemissionen eines Schienenfahrzeuges 145 Bild 5.5: Zusammenfassende Darstellung der Anregung von Luft- und Körperschall im Schienenverkehr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 Bild 5.6: Körperschall-Anregungsmechanismen im Rad-/ Schiene-Bereich infolge von Unebenheiten und Rauheiten auf den Fahrflächen von Rad und Schiene, Lücken (eben und versetzt, Δz), Flachstellen, Auskehlungen usw. 148 Bild 5.7: Körperschall-Anregungsmechanismen im Rad-/ Schiene-Bereich. Hier ist das Rad mit Schall-Absorbern bestückt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 Bild 5.8: Modell zur Rollgeräuschanregung (nach Remington) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 Bild 5.9: Schallabstrahlung von Rad, Schiene und Schwelle, Beispiel für ein (halbes) gummigefedertes Straßenbahnrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 Bild 5.10: Admittanz log Y if eines Eisenbahnrades: Pegel der Punkt-Eingangsadmittanz, radiale Anregung mittig auf der Fahrfläche. Scheibenrad Bauart 92 (Kn ⇒ Anzahl der Knoten) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 Bild 5.11: Gesamte Geräuschemissionen eines Hochgeschwindigkeitszuges und dessen Komponenten als Funktion der Fahrgeschwindigkeit (s.a. Tabelle 5.1). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 Bild 5.12: Beispiele für Kopfformen und Übergängen von Eisenbahnfahrzeugen sowie Stromabnehmer und Aggregate auf dem Dach mit „freier“ Schallabstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 Bild 5.13: Beispiel für ein Messergebnis r z (s) einer verriffelten Schiene mit r z Riffelamplitude und s abgetastete Wegstrecke, λ = 3,1 cm, rechts im Bild ist die sich hiermit ergebende Riffelfrequenz f(v) dargestellt. . . . . . . . . . . . . . . 155 750 Abbildungsverzeichnis <?page no="755"?> Bild 5.14: Terzspektren der Schallabstrahlung bei der Vorbeifahrt im Abstand von 7,5-m von Gleismitte, 1,5-m über SO. Oberbau K 54 H. Drehgestelle Minden-Deutz (MD) 33 / 36. Doppelt gewellte Radscheiben . . . . . . . . . . . . . 156 Bild 5.15: Terzspektren der Schallabstrahlung bei der Vorbeifahrt von Wagen mit Graugussklotzbremsen in 7,5 m Abstand von Gleismitte, 1,5 m über SO, mit 140-km/ h. Oberbau K54H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 Bild 5.16: Mit TWINS berechnete Anteile des Schalldruckpegels von Rad, Schiene, Schwelle und Fahrzeugaufbau für einen Güterzug auf einem üblichen Gleis der Niederländischen Staatsbahnen (NS), 100-km/ h, Zweiblockschwellen, Scheibenbremsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 Bild 5.17: Differenzpegel H rv zwischen Schienenrauheit L r und Schienen-Körperschall L v,z (= L v -L r,z ) sowie zwischen Schienenrauheit L r und Schalldruck L p (= L p -L r,z ) in 7,5-m Abstand von Gleismitte für verschiedene Geschwindigkeiten, [5.16], MW = arithmetischer Mittelwert 158 Bild 5.18: Wegpegelspektren L sz (Schienenfuß vertikal z-) im Vergleich zum abgestrahlten Luftschall L p in 2,5-m Abstand von Gleismitte und dem Rauheitsgrenzspektrum L r nach DIN EN ISO 3095 (2014) der Schienenfahrfläche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 Bild 5.19: Unbewertete Spektren der vertikalen Schwinggeschwindigkeit L vZ (T n ) und des Schalldrucks L pZ (T n ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 Bild 5.20: Zusammenhang zwischen Rauheit, Körperschall Schiene und Luftschall. . 161 Bild 5.21: Darstellung der Geschwindigkeitsabhängigkeit wesentlicher Geräuschquellen von Straßenbahnfahrzeugen (oben) und Eisenbahnfahrzeugen (unten). Agg: Aggregatgeräusche; Rollg: Rollgeräusche; Aerodyn: Aerodynamische Geräusche; Sum: Summengeräusche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 Bild 5.22: Zweisystemfahrzeug, Schallpegel für Aggregat- (15-kV-Umformer) und Rollgeräusche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 Bild 5.23: Abhängigkeit der angeregten Frequenz von der „Härte“ (Zeitdauer) des Stoßes, Darstellung im Zeit- und Frequenzbereich (Spektren) . . . . . . . . . . . 165 Bild 5.24: Anrege- und Messpunkte für die Admittanzmessungen eines Rades auf einer Grube . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 Bild 5.25: Punkt-Eingangsadmittanzen eines angetriebenen absorbergedämpften Rades eines U-Bahnfahrzeugs. Anregung und Messung am Radkranz in axialer (y-) und radialer (x-) Richtung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 Bild 5.26: Masse auf einem Laufband. Das Laufband wird mit einer bestimmten Geschwindigkeit bewegt. Zwischen Masse und Laufband tritt Reibung auf. In Abhängigkeit von der Reibungskraft und der Geschwindigkeit V wird die Masse auf dem Laufband bewegt. Durch die Federkraft kommt es zu einer dynamischen Bewegung der Masse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 Bild 5.27: Stick-Slip-Bewegung oder Haften-Gleiten, beim Gleiten (slip) kommt es zu einer reibkraftbedingten Anregung beider Bauteile und unter bestimmten Umständen zum Quietschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 Bild 5.28: Beschreibung des Stick-Slip-Prozess - Reibungskoeffizient als Funktion des lateralen Kriechens c (links) und Darstellung des Anfahrwinkels sowie der beiden Geschwindigkeiten für Fahren (Rollen) V und Quergleiten v [5.28] 168 Abbildungsverzeichnis 751 <?page no="756"?> Bild 5.29: Schallanregung beim Bogenlauf eines Radsatzes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 Bild 5.30: Drehgestell im Bogen, Rotationsbewegung um den Drehmittelpunkt. Spurkranzanlaufen (Führung) des linken Rades des vorlaufenden Radsatzes [5.18] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 Bild 5.31: Erregerfrequenz f E als Funktion der Geschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 Bild 5.32: Schalldruckpegelspektren L p (f) für Rollgeräusche und Quietschen, Zugvorbeifahrten einer Straßenbahn (mit und ohne Quietschen) in einem Gleisbogen [5.19], Frequenzauflösung = 2,9 Hz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 Bild 5.33: Verlauf der charakteristischen Impedanz IZI idealer Bauteile (Masse, Balken, Platte, Feder) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 Bild 5.34: Impedanzen eines - ungedämpften - Masse-Feder-Systems (n. Gl. (5.18)). k = 5⋅10 8 -N/ m; m 1 = 200-kg (Z1) und m 2 =100-kg (Z2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 Bild 5.35: Parallelschaltung (oben) und Reihenschaltung (unten) von Bauteilen [5.24] 176 Bild 5.36: Beispiel für den Pegel einer Punkt-Eingangsadmittanz L Y re 5 ⋅ 10 -8 -m/ s/ N und Kohärenzfunktion γ 2 gemessen an dem Radkranz eines Nahverkehrsfahrzeuges (oben am Rad), Messung und Anregung in axialer Richtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 Bild 6.1: Überblick zu den möglichen Schallmessungen im Schienenverkehr, Emissionen und Immissionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 Bild 6.2 Vergleich der relativen Empfindlichkeit von Mikrofonen der Klassen 1 und 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 Bild 6.3: Innengeräusche von Tatra-Straßenbahn-Fahrzeugen von vier Straßenbahnunternehmen, dicke rote Linie zeigt den arithmetischen Mittelwert. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 Bild 6.4: Außengeräusche von Tatra-Straßenbahn-Fahrzeugen von vier Straßenbahnunternehmen, dicke rote Linie zeigt den arithmetischen Mittelwert, die grüne Linie den in VDV-Schrift 154 festgelegten Wert . . . . 188 Bild 6.5: Luftschallmesspunkte an der Strecke [6.17], Messpunkt a2 in 7,5 m Abstand auch in 3,5 m Höhe über SO zur Erfassung der Schallquellen auf dem Dach (Aggregate, Stromabnehmer usw.) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 Bild 6.6: AF-bewerteter Schalldruckpegelverlauf L pAF (t) einer U-Bahnvorbeifahrt, Doppeltraktion mit je 4 Fahrwerken (4 Drehgestellen) am Messpunkt a2 nach DIN EN ISO 3095 (2014) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 Bild 6.7: A-bewertetes Terzspektrum mit zwei Tonalitäten bei 200 Hz und 1.250 Hz. Von den beiden Nachbarterzen wurde hier der energetische Mittelwert gebildet. Unterteilt wird das Spektrum in Terzen < 400-Hz und ≥ 400-Hz. . 194 Bild 6.8: Beispiel für eine Auswertung eines gemessenen Spektrums auf Tonalität der Terz 200-Hz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 Bild 6.9: Summand U 1 zur Berechnung des längenbezogenen A-bewerteten Schallleistungspegel aus dem gemessenen Einzelereignispegel nach Gl. (6.8) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 Bild 6.10: Zusammenhang zwischen längenbezogenem A-bewerteten Schallleistungspegel und Mittelungspegel für verschiedene Geschwindigkeiten, Gl. (6.9). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 752 Abbildungsverzeichnis <?page no="757"?> Bild 6.11: Außengeräuschpegel von Stadtbahnen in verschiedenen Abständen von Gleismitte und unterschiedlichen Geschwindigkeiten (Mindest-, Maximal- und Mittelwert). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 Bild 6.12: Beispiel für Messergebnisse in 7,5 m und 25 m Abstand von Gleismitte (MP a2 und MP a3), Regelfahrten mit Fahrgästen bei verschiedenen Geschwindigkeiten, Maximalpegel L pAFmax und Einzelereignispegel L T0 (auf eine Stunde bezogen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 Bild 6.13: Vergleich verschiedener Schallpegel zur Beschreibung der Schallemission relativ zu L pAFmax , Beispiel Vorbeifahrten auf einem Schottergleis, Straßenbahn. Messpunkt a2: 7,5-m Abstand von Gleismitte, v zwischen 30-km/ h und 40-km/ h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 Bild 6.14: Emissionspegel für verschiedene Fahrzeugarten nach [6.1] . . . . . . . . . . . . . 204 Bild 6.15: Beispiel für die Anordnung der Messpunkte um einen Dieselelektrischen Triebwagen. Messpunkthöhe über der Schienenoberkante (SO): 1,2-m ± 0,2-m und 3,5-m ± 0,2-m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 Bild 6.16: Ergebnisse von Rundummessungen an einem Dieselelektrischen Triebwagen in 7,5 m Abstand von Gleismitte (MP 1-5: Seite 1; MP 6-8: Kopf 1; MP 9-13: Seite 2; MP 14-16: Kopf 2), L pAm,TM in dB(A) bei Motor-Leerlauf (LL), und Motor-Vollgas (VG), [6.19] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 Bild 6.17: Ergebnisse einer Schalldruckmessung seitlich eines U-Bahnfahrzeugs . . . . 206 Bild 6.18: Pegelverläufe an verschiedenen Messpunkten einer Straßenbahn, Beschleunigen, Konstantfahrt, Verzögern, Fahrt auf einem begrünten Bahnkörper mit hochliegender Vegetationsebene und Straßenquerungen (Asphaltbereiche). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 Bild 6.19: Differenzpegel verschiedener Luft- und Körperschallmessergebnisse für verschiedene Fahrzustände, Straßenbahn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 Bild 6.20: Messwerte in Nahverkehrsfahrzeugen für Geschwindigkeiten von 40-km/ h und 60-km/ h, [6.17], gemittelte Mittelwertpegel sowie gemittelte Maximal- und Mindestpegel: FST: Fahrerstand, FGR: Fahrgastraum . . . . . . 209 Bild 6.21: Oktavpegel-Differenzspektren für Schallmessungen auf einem Holz- und einem Betonschwellengleis (dasselbe Fahrzeug, dieselben Streckenabschnitte). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 Bild 6.22: Vergleich der Schwellenarten (BS=Betonschwellen, HS=Holzschwellen): Oktavpegelspektren in 7,5 m Abstand von der Gleisachse in 1,2 m über SO, 60-km/ h, Nahverkehrsfahrzeug, A- und Z-bewertet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 Bild 6.23: Ergebnis einer Nachhallzeitmessung in einem Straßenbahnfahrzeug . . . . . 213 Bild 6.24: Ergebnisse von Durchgangsmessungen seitlich von einem Nahverkehrsfahrzeug in etwa 1,2-m Höhe über dem Fahrzeugfußboden, unbewertete Oktavspektren 63-Hz bis 8-kHz und A-bewertetes Spektrum 214 Bild 6.25: Intensitäten auf dem Fußboden eines Dieseltriebwagens bei Leerlauf der bei diesem Fahrzeug an den beiden Kopfenden liegenden Fahrmotoren, Landscape - Darstellung [6.22] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 Bild 6.26: Darstellung der Zeitsignale p(t) und L pAF (t) für die beiden Messpunkte K5 (7,5-m) und K7 (25-m) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 Bild 6.27: Terzpegelspektrum für das Vorbeifahrgeräusch ohne Flachstelle (FSt) . . . . 220 Bild 6.28: Terzpegelspektrum für das Vorbeifahrgeräusch mit Flachstelle (FSt) . . . . . 221 Abbildungsverzeichnis 753 <?page no="758"?> Bild 6.29: FFT-Spektren für die gesamte Vorbeifahrt als auch für die Abschnitte mit und ohne Flachstellen (FSt) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 Bild 6.30: Häufigkeitsverteilung einer Vorbeifahrt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 Bild 6.31: Häufigkeitsverteilung mehrerer Vorbeifahrten auf demselben Gleis, Messpunkt K5 (a2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 Bild 6.32: Längenbezogene Schallleistungspegel, links ohne FSt, rechts mit FSt . . . . . 224 Bild 6.33: Vergleich verschiedener Schallpegel zur Beschreibung der Schallemission eines Zuges, Beispiel Vorbeifahrten auf einem Grüngleis, Straßenbahn. Messpunkt a2: 7,5-m Abstand von Gleismitte, die Vorbeifahrgeschwindigkeit v lag jeweils zwischen 40-km/ h und 50-km/ h . 225 Bild 6.34: Vergleich verschiedener Schallpegel zur Beschreibung der Schallemission eines Zuges, Beispiel Vorbeifahrten auf einem Schottergleis. Dieseltriebwagen, Messpunkt a2: 7,5 m Abstand von Gleismitte, v≈78 km/ h 226 Bild 6.35: Körperschallanregung einer Schiene mit einem Prüfhammer . . . . . . . . . . . 228 Bild 6.36: Rauheitsmessungen der Fahrflächen von Rad (links) und Schiene (begrünter Bahnkörper und in Straßen eingebettetes Gleis (mittig) sowie Schottergleis (rechts)), STUVA-Messungen, in den roten Kreisen befindet sich der Sensor (Wegaufnehmer) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 Bild 6.37: Beispiel für eine stark verriffelte Schienenfahrfläche im Zeit- (links) und Frequenzbereich (rechts) mit Grenzspektren nach DIN EN ISO 3095 und VDV-Schrift 154 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 Bild 6.38: Beispiel für die Messung der Gleisabklingrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 Bild 6.39: Abtasthöhe eines Rades mit einem Laser neben einer Schiene, Niederflurstadtbahnwagen [6.31], Beispiel: Messungen im Einfahrbereich zu einer Wendeschleife (Gleisbogen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 Bild 6.40: Beispiel für ein Ergebnis einer Laser- und Wegmessung an einer Rillenschiene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 Bild 6.41: Beispiel für Schalldruckpegel-Terzspektren während einer U-Bahn-Anfahrt von null auf 30-km/ h, gemessen nach DIN EN ISO 3095 (2014) . . . . . . . . . . 233 Bild 6.42: Auszug aus einem Spektrogramm, aufgenommen während einer U-Bahn-Anfahrt (siehe vorheriges Bild) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 Bild 6.43: Schallmesskammer beim Schallmesswagen (links), Mikrofon im Drehgestell und Körperschallaufnehmer auf einem Radsatzlager (rechts) . 235 Bild 6.44: Beispiel für Messsignale im/ unter dem Fahrzeug auf einem in einer Fahrbahn eingebetteten Gleis bei weitgehend konstanter Geschwindigkeit, LS: Luftschall, KS: Körperschall, DG: Drehgestell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 Bild 6.45: Achszähler (Beispiele für eine Anwendung an einer Vignol- und einer Rillenschiene) und Körperschallaufnehmer an der Schiene und auf der Schwelle zur Fahrzeugerkennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 Bild 6.46: Zeit- und Frequenzsignale von zwei Geophonen im Boden neben einer Straßenbahnstrecke zur Ermittlung der befahrenen Gleise und der Steuerung der Schallaufzeichnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 Bild 7.1: Prinzip der Schalldämmung, z. B. zur Minderung der Schallübertragung vom Drehgestell in den Fahrgastraum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 Bild 7.2: Hochdämmende zweischalige Fußbodenkonstruktion, Maße in mm . . . . . 243 Bild 7.3: Drehmomentdurchführung durch Schalldämmwand mit Schalldämpfer . . 244 754 Abbildungsverzeichnis <?page no="759"?> Bild 7.4: Belüftete Schallkapsel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 Bild 7.5: Phasen einer „Schallarmen Konstruktionsmethode“. Bei der Beschaffung von neuen Schienenfahrzeugen sind weitere Schritte vor- und nachgeschaltet, siehe Kapitel 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 Bild 7.6: Grundsätzliche Möglichkeiten zur Anwendung von Schall-Minderungsmaßnahmen am Beispiel eines Stadtbahnfahrzeugs auf einem Grünen Gleis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 Bild 7.7: Grundsätzliche Möglichkeiten zur Anwendung von Schall-Minderungsmaßnahmen am Beispiel einer S-Bahn auf einem Viadukt (oder in einer Tunnelhaltestelle) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 Bild 7.8: Frequenzbereiche für Körper- und Luftschall, die in diesem Kapitel betrachtet werden (grüne Balken). Die gelb markierten Bereiche werden in den Kap. 11 ff behandelt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 Bild 7.9: Gemittelte Maximalpegel an verschieden Messpunkten und bei Geschwindigkeiten von 40-km/ h und 60-km/ h (Nahverkehrs-Hochflurfahrzeuge) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 Bild 7.10: Schallemissionen Rad/ Schiene/ Schwelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 Bild 7.11: Radschallabsorber (zur Rollgeräuschminderung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 Bild 7.12: Rad mit Schallabsorber (links), Rad ohne Absorber (rechts) . . . . . . . . . . . . . 259 Bild 7.13: Vorbeifahrpegel in 7,5-m Abstand bei v = 80-km/ h (arithmetischer Mittelwert) auf sehr glatten Schienenfahrfahrflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 Bild 7.14: Grenzspektren der Schienenfahrflächenrauheit nach DIN EN ISO 3095 / 3381 und VDV/ VDB [7.29] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 Bild 7.15: Beispiele für Schienenfahrflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 Bild 7.16: Einfluss des Schienenschleifens auf die Rollgeräuschentwicklung mit der Zeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 Bild 7.17: Beispiele für Maßnahmen an der Schiene zur Schallemissionsminderung; a bis c: Schienensteg-Dämpfung (SSD) und d: Schienensteg-Abschirmung (SSA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 Bild 7.18: Vergleich der Oberbauformen „Schotter mit Schwellen“ und „Feste Fahrbahn“ im Hinblick auf ihre akustischen Auswirkungen [7.70] . . . . . . . 268 Bild 7.19: „Minderungsmaßnahmen“ Oberbau: Absorberplatten im Gleisbereich, begrünter Bahnkörper und Schottergleis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269 Bild 7.20: Prinzipielle Möglichkeiten zur Ausführung von Schallschutzmaßnahmen an Eisenbahnstrecken; h Sch = Höhe der Maßnahme über die Schienenoberkante (SO) [7.35] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 Bild 7.21: Schallschutzwände aus unterschiedlichen Materialien und mit verschiedenen Höhen - Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 Bild 7.22: Größen zur Berechnung des Schirmwertes einer Schallschutzwand . . . . . . 272 Bild 7.23: Minderung von Bahngeräuschen durch absorbierende Schallschutzwandtypen in Abhängigkeit vom z k -Wert [7.35] . . . . . . . . . . . . 273 Bild 7.24: Einfluss von Reflexionen auf den Beurteilungspegel in Straßen mit geschlossenen Häuserzeilen, n. Gl. (7.12) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 Abbildungsverzeichnis 755 <?page no="760"?> Bild 7.25: Wirkung von Schallschutzwänden seitlich von Eisenbahnstrecken am Beispiel eines dreigeschossigen Wohnhauses in 50-m, 100-m und 200-m Entfernung vom Gleis für unterschiedlich hohe Schallschutzschirme h 1 bis h 3 ; [7.35] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 Bild 7.26: Anfahrwinkel zwischen Rad und Schiene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276 Bild 7.27: Ansatzpunkte zur Minderung der Schallabstrahlung von Brücken/ Viadukten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 Bild 7.28: Mögliche Schallminderungsmaßnahen an brücken / Viadukten, Abschirmung und / Oder Entdröhnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 Bild 7.29: Links: Differenz-Pegelwerte zur Ableitung von Brücken-Korrekturpegeln zur Schallimmissionsberechnung nach Anlage 2 zur 16. BImSchV (2014), rechts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 Bild 7.30: Schallpegelschrieb entlang einer Strecke vor und nach dem Schleifen der Schienenfahrflächen. Die Gleisabschnitte a) bis e) werden überwacht, die obere Linie zeigt den Zustand vor, die untere nach dem Schleifen. . . . . . . . 281 Bild 7.31: Terzspektren von Schalldruckpegeln L peq , T und L pAeq,T gemessen in einem Nahverkehrsschienenfahrzeug über einem Trieb- (TDG) und einem Laufdrehgestell (LDG) bei 80-km/ h, . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 Bild 7.32: Möglicher Einsatz von Schallabsorptionsmaßnahmen in Tunnelhaltestellen (A bis D) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 Bild 7.33: Beispiel für Schallschutzmaßnahmen in einem unterirdischen Bahnhof (hier Hbf Berlin) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 Bild 7.34: Grundsätzliche Möglichkeiten, Quietschgeräusche in engen Gleisbögen zu unterdrücken oder zu vermeiden (Nah- und Fernverkehr): . . . . . . . . . . . . . 289 Bild 7.35: Einfluss einer Radsatzsteuerung auf die Schallpegel L pAFmax im Gleisbogen, Messpunkte im Drehgestell. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 Bild 7.36: Rel. Summenhäufigkeit über L pAFmax [7.40] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 Bild 7.37: Mit einem Tribometer gemessene Reibverläufe im Labor (Hübner-Tribometer) [7.3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 Bild 7.38: Links: Beispiel einer Schienenkonditionierung im Schottergleis und bei einem straßenbündigen Gleis, rechts: Beispiel einer Schienenberegnung (mit grünem Gleis und niedrigen Schallschutzschirmen) . . . . . . . . . . . . . . . 295 Bild 7.39: Aufbau eine Resonanzabsorbers (Grundplatte, Dämpfungselemente und Zungen), [7.36], [7.37], [7.38] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296 Bild 7.40: Max-Hold-FFT-Spektren während einer Straßenbahnvorbeifahrt im Gleisbogen, Linienbandbreite Δf = 25-Hz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299 Bild 7.41: Asymmetrisch geschliffene Schienenkopfprofile zur Reduzierung des Kurvenquietschens (Innen- und Außenräder laufen auf unterschiedlichen Durchmessern, D a > D i ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 Bild 8.1: Beispiel für das Ergebnis einer Schallleistungsberechnung, Schotteroberbau (Referenz), FF = Feste Fahrbahn und in Straßenfahrbahnen eingebettete Gleise, grün tief = begrünter Bahnkörper mit tiefliegender Vegetationsebene, grün hoch = begrünter Bahnkörper mit hochliegender Vegetationsebene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 Bild 8.2: Beispiel für das Ergebnis einer Schallimmissionsberechnung nach 16. BImSchV, Anlage 2 (Schall 03) für eine eingleisige Strecke (Rasterlärmkarte) 333 756 Abbildungsverzeichnis <?page no="761"?> Bild 9.1: Rechtsanspruch auf Schutz vor Verkehrslärm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356 Bild 9.2: Kosten pro gelöstem Schutzfall in € als diskrete Funktion K = f (SF verb ) der verbleibenden Schutzfälle in verschiedenen Varianten (Diagramm nach [9.47]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358 Bild 9.3: Verfügbare jährliche Bundeshaushaltsmittel für die Lärmsanierung der Eisenbahnen des Bundes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367 Bild 9.4: Nationales Umrüstprogramm für laute Güterwagen 2012 bis 2020 - 2-Säulen-Konzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373 Bild 10.1: Beispiele für straßenbündige (A), besondere (B) und unabhängige (C) Bahnkörper (Fotos F. Krüger) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387 Bild 10.2: Begriffsbestimmungen sowie Zuordnung zum Oberbau, Unterbau und Untergrund (VDV-Schrift 600, Bild 3.1-3 [10.1]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388 Bild 10.3: Vignolschiene oder rillenlose Schiene (Foto Rupp) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389 Bild 10.4: Rillenschiene (Foto Rupp)A: FahrkopfB: Rillenkopf (ggf. abschnittsweise Leitflanke bzw. Leitschiene)C: RillenbodenD: SchienenstegE: Schienenfuß 389 Bild 10.5: Schienenkammerfüllelement für Rillenschienen aus Kunststoff, hier im Bereich eines Schweißstoßes (Foto Rupp, Augsburg 2019) . . . . . . . . . . . . . . 390 Bild 10.6: (Vignolschienen-) Gleis: links: Betonschwellen; rechts Holzschwellen (Foto Rupp) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390 Bild 10.7: Gleis mit Stahlschwellen: links ältere Bauart ohne eine elektrische Isolierung; rechts Y-Schwellen (mit Mikrofonen in 7,5 m und 25 m Abstand von Gleismitte für Schalluntersuchungen, Fotos F. Krüger) . . . . . . . . . . . . 391 Bild 10.8: Gleisrahmen aus Rillenschienen und Spurstangen (Foto Rupp, Würzburg 2014) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391 Bild 10.9: Beispiel einer doppelt mittelbaren Befestigung ([10.1]) . . . . . . . . . . . . . . . . . 392 Bild 10.10: Klebedübel auf Betonplatte im Bauzustand und im fertigen Zustand (Fotos Rupp) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393 Bild 10.11: Skizze einer Weiche (Stoßanregung im Herzstückbereich) (Zeichnung VBK) 393 Bild 10.12: Flachrillenkreuzung (Foto Rupp) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394 Bild 10.13: Typische Radprofilgeometrien bei Schienenbahnen. Links, mit flachem Spurkranz: Straßenbahnen; rechts: Eisenbahn (Zeichnung VBK) . . . . . . . . 395 Bild 10.14: Schienenauszugvorrichtung, Beispiel: Bannwaldbrücke VBK, Karlsruhe (Foto Rupp) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396 Bild 10.15: Schienenentwässerungskasten (Fabrikat Riecken) an einer Rillenschiene (Foto Rupp) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396 Bild 10.16: Hochliegendes Grüngleis (Foto Rupp, Karlsruhe), nach 16. BImSchV „mit hochliegender Vegetationsebene“, besonderer Bahnkörper . . . . . . . . . . . . . 398 Bild 10.17: Übersicht der Oberbauformen (Quelle: VDV 604 [10.4] und [10.8]) . . . . . . 399 Bild 11.1: Schwingungsanregungsmechanismen im Rad-/ Schiene-Bereich infolge von Unebenheiten auf den Laufflächen von Rad und Schiene, Rauheiten, Lücken (eben und versetzt, Δz), Flachstellen, Polygone, Auskehlungen usw. 403 Bild 11.2: Generelle Abhängigkeit der angeregten Schwingungen durch die „Härte“ (Zeitdauer) eines Stoßes, Darstellung im Zeit- und Frequenzbereich . . . . . 404 Abbildungsverzeichnis 757 <?page no="762"?> Bild 11.3: Schienenverformung z bei kontinuierlicher Lagerung und zusätzliche Sekundärdurchbiegung z’ aufgrund diskontinuierlicher Lagerung (oben) und Sekundärdurchbiegung z’ als Funktion des Stützpunktabstandes a und der Radlast Q (unten) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406 Bild 11.4: Sekundärdurchbiegung z‘ als Funktion des Stützpunktabstandes a für verschiedene Radlasten Q.Schienenprofil 49E1 (S49), b = 0,2-m . . . . . . . . . . 407 Bild 11.5: Abhängigkeit der Erregerfrequenz f a vom Abstand a (diskontinuierliche Schienenstützung auf Schwellen oder Einzellager) und von der Fahrgeschwindigkeit v . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408 Bild 11.6: Dynamische Erregerkräfte durch Vertikalbewegungen einer Radachse infolge der Sekundärdurchbiegung bei diskontinuierlicher Schienenlagerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408 Bild 11.7: Vertikaler Hammerschlag auf der Tunnelsohle und dadurch hervorgerufenes Schwinggeschwindigkeitssignal (vertikal) auf der Decke eines benachbarten Gebäudes (Deckenmitte) jeweils als Funktion der Zeit 409 Bild 11.8: Messpunkte zur Ermittlung der Schwingungsemission . . . . . . . . . . . . . . . . . 410 Bild 11.9: Körperschallanregung durch Masse-Feder-Effekte des Oberbaus, m: Masse, k: Steifigkeit, USM: Unterschottermatte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411 Bild 11.10: Körperschallanregung durch Schwellen- oder Stützpunktabstand a . . . . . . 412 Bild 11.11: Körperschallanregung durch Achsabstand A im Drehgestell . . . . . . . . . . . . 412 Bild 11.12: Schwingungsabnahme im Boden mit der Entfernung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413 Bild 11.13: Gemessene Max-Hold-Terzpegelspektren am Emissionsort in 8-m Entfernung von Gleismitte. Quelle: Datenbank VIBRA / DB AG . . . . . . . . . 414 Bild 11.14: Terzspektren der Schwinggeschwindigkeit, vertikale Komponente für die Messpunkte 1.2/ 2.2 (Tunnelsohle in Gleismitte), 1.5/ 2.5 (Boden mittig über dem Tunnel), 1.6/ 2.6 (Boden 7,5-m von Tunnelmitte) 1.7/ 2.7 (Boden 15-m von Tunnelmitte) und 1.8/ 2.8 (Boden 30-m von Tunnelmitte). Vier verschiedene Städte. S-Bahnen (HAM, MUN), Stadtbahn (HAN) und U-Bahn (NUR) . Die Messungen wurden jeweils in zwei ca. 20-m voneinander entfernten Messquerschnitten durchgeführt (1.x und 2.x). . . 415 Bild 11.15: Schmalband-Spektren (FFT) der unter einem Schienenlager gemessenen dyn. Kräfte. CC-1 bis CC-3: verschiedene Steifigkeiten (Vorspannstufen) desselben Schienenlagers (CentriCon), el. ZwP: elastische Zwischenplatte. 416 Bild 11.16: Anregung Tunnelsohle (TS) durch ein Fahrzeug (Fz) und einem Prüfhammer (PH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417 Bild 11.17: Kraftspektrum auf der Tunnelsohle für ein U-Bahnfahrzeug ohne Fahrgäste mit v = 60 km/ h, Oberbau: Schienenlager Nürnberg 1a mit einer elastischen, 20-mm dicken Zwischenplatte aus Polyurethan (Feste Fahrbahn) . . . . . . . . 418 Bild 11.18: Kraftspektrum eines Prüfhammers (oben) und Antwortsignale in einem Gebäude neben einem Tunnel (Gebäudefußboden) unter Anregung mit einem Fahrzeug „Fz“ (U-Bahnfahrzeug, v = 60-km/ h, Oberbau: Schienenlager Nürnberg 1a, Feste Fahrbahn), einem Prüfhammer „PH“ und einer Rüttelplatte „RP“ (unten) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419 Bild 11.19: Beispiel für ein Rad-Schiene-Oberbau-Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420 Bild 12.1: Beispiel für den Frequenzgang eines Geophons (Phase und Betrag, links) und Terzpegelkorrekturen, rechts (näherungsweise) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423 758 Abbildungsverzeichnis <?page no="763"?> Bild 12.2: Mögliche Schwingungsmesspunkte im Tunnel, Boden und Gebäude, im Gebäude auch Schallmesspunkte für den Sekundärschall . . . . . . . . . . . . . . . 425 Bild 12.3: Messpunkte im Boden und im Gebäude sowie Bezeichnung der Schwingungsachsen und der Abstände zwischen Gleisachse und Messpunkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426 Bild 12.4: Mögliche Ankopplungen eines Messaufnehmers auf einem Fußboden (inklusive Messmikrofon für den Sekundärschall) und Ankopplung auf der Tunnelsohle beim Schotteroberbau (siehe auch DIN 45669) . . . . . . . . . . . . . 428 Bild 12.5: Ankoppelungsmöglichkeiten an den Boden (s. a. DIN 45669 und ISO 14837-31) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429 Bild 12.6: Beispiel für Triggermöglichkeiten im Gleisbereich (links im Bild), Fast-bewertete Zeitsignale der drei Beschleunigungsaufnehmer (rechts im Bild) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430 Bild 12.7: Übersicht zur Auswertung gemessener Schwingungssignale, gemessen am Fahrzeug, Oberbau, Viadukt (Brücke) sowie im Tunnel, Baugrund und Gebäude (Fußboden, Wand) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431 Bild 12.8: Beispiel eines Schwinggeschwindigkeitssignals und des hieraus ermittelten KB F (t)-Signals mit KB FTi als Maximalwert sowie das gemittelte FFT-Spektrum über die gesamte Vorbeifahrt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432 Bild 12.9: KB F (t)-Signale, gemessen innerhalb von ca. vier Stunden, z-Komponente . 433 Bild 12.10: Darstellung der Beziehung KB FTm von KB Fmax für Messungen an Straßenbahnstrecken in mehreren westdeutschen Städten [12.8] . . . . . . . . 434 Bild 12.11: Vergleich der Ergebnisse der Schwingungskomponenten z-, x- und yauf Holz-und Betondecken in Gebäuden an Eisenbahnstrecken . . . . . . . . . . . . . 434 Bild 12.12: Vergleich der aus den in allen drei Richtungen (x, y, z) gemessenen KB FTi -Werten abgeleiteten Größen: KB FTm , KB Fmax und s((KB FTm,j ) 2 ). Anregung durch Straßenbahnen bei Überfahrt von Weichenanlagen. SZ: Schlafzimmer, WZ: Wohnzimmer, -M: Raummitte, -W: neben der Wand . . 435 Bild 12.13: Zeiten zur Auswertung von Schwingungssignalen nach DIN 45672-2 (obiges Signal wurde am Emissionspunkt in 8 m Abstand von Gleismitte im Baugrund neben einer Eisenbahnstrecke gemessen). . . . . . . . . . . . . . . . . 436 Bild 12.14: Vergleich der Spektren für verschiedene Zeiten und für Mittelungsspektren und MAX HOLD-Spektren (links) und FFT-Spektrum (rechts) . . . . . . . . . . 436 Bild 12.15: Darstellung eines Ruhesignals im Zeit- und Frequenzbereich . . . . . . . . . . . 437 Bild 12.16: Schwinggeschwindigkeitsspektren mehrerer Zugfahrten auf einer Tunnelstrecke (Feste Fahrbahn) - Fahrten in beide Richtungen auf demselben Gleis mit einem U-Bahnfahrzeug, Messpunkt auf der Tunnelsohle in Gleismitte, vertikale Schwingungsrichtung . . . . . . . . . . . . . 439 Bild 12.17: Schieneneinsenkung, (Feste Fahrbahn mit elastischen Zwischenplatten) . . 440 Bild 12.18: Übersicht zur Auswertung gemessener Sekundär-Schallsignale in Wohnungen neben Gleisen der Eisenbahnen und Straßenbahnen . . . . . . . . 441 Bild 12.19: Beispiel für eine Laufzeitmessung zur Ermittlung der Scher- und Kompressionswellengeschwindigkeit im Baugrund, Anregung mit einem Prüfhammer (Stoß) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443 Abbildungsverzeichnis 759 <?page no="764"?> Bild 13.1: Kraftübertragung V T beim Ein-Massen-Schwinger bezogen auf konstante Erregerkräfte. Für „Bodenkraft F B “ wird im Folgenden auch der Begriff „Sohlkraft F S “ verwendet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448 Bild 13.2: Gegenüberstellung von Messergebnissen an der Tunnelwand in zwei unterschiedlichen Tunnel-Streckenabschnitten und zwei Messquerschnitten, Schotteroberbau [13.4] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450 Bild 13.3: Beispiel für die Geschwindigkeitsabhängigkeit von Immissionswerten in einem Gebäude über einer U-Bahn-Strecke. Messungen im 1. Obergeschoß für unterschiedliche elastische Gleislagerungen [13.1] . . . . . . . . . . . . . . . . . 452 Bild 13.4: Oberbauformen mit unterschiedlicher Anordnung von Elastizitäten (siehe ISO 14837-1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453 Bild 13.5: Prinzipielle Einsatzmöglichkeiten von Elastomeren / Stahlfedern beim schotterlosen Oberbau (Feste Fahrbahn) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454 Bild 13.6: Einsatzbereiche schwingungsmindernder Maßnahmen an Trassen des schienengebundenen Verkehrs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455 Bild 13.7: Einmassenschwinger (SDOF-System, single degree of freedom-system) als Ersatzmodell für den elastischen Gleisoberbau, Wirkung s. Bild 13.1 . . . . . 456 Bild 13.8: Schienenlager (Kölner Ei), montiert auf der Tunnelsohle oder Gleislängsbalken, auf Brücken oder, zur Sanierung, auf Schwellen . . . . . . . 459 Bild 13.9: Beispiele für Steifigkeitsverläufe von unterschiedlichen elastischen Schienenlagern, gemessenen auf einem Prüfstand [13.1] . . . . . . . . . . . . . . . 460 Bild 13.10: Schienenlager Nürnberg 1a, montiert im Tunnel auf einem Gleislängsbalken mit Unterguss-Sockel, Feste Fahrbahn (links) und ebenerdig auf Längsbalken bei einem Grünen Gleis (oben) . . . . . . . . . . . . . 461 Bild 13.11: Delta Lager der Firma Ortec (Anwendung bei der KVB, Köln) . . . . . . . . . . . 461 Bild 13.12: Prinzipieller Aufbau einer Festen Fahrbahn mit el. Schienenlagern: . . . . . . 462 Bild 13.13: Zweiblockschwellen mit Schwellenschuhen im Schotteroberbau . . . . . . . . 462 Bild 13.14: Elastische Schwellenbesohlung (Fa. Getzner) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463 Bild 13.15: Separate Verlegung von Boden- und Seitenmatten, Schotteroberbau mit Matten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464 Bild 13.16: Durchgehende Verlegung von Unterschottermatten im Gleistrog (links), Anwendung im Tunnel (rechts, HOCHBAHN Hamburg) . . . . . . . . . . . . . . . 464 Bild 13.17: Übergang zwischen Fester Fahrbahn mit weichem Schienenlager und Masse-Feder-System mit härterem Schienenlager. D: Deckel für Stahlfederöffnung (aus einem Tunnel in Singapur) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465 Bild 13.18: Masse-Feder-System mit Einzeltrögen und Betonschwellen [13.4], Anwendung z. B. bei der Stadtbahn Dortmund, der S-Bahn Hamburg und der MRT in Singapur (abweichende Formen und Maße wurden umgesetzt) 466 Bild 13.19: Masse-Feder-Systeme auf Elastomer-Streifenlager; links: Schottertrog, rechts: Betonplatte mit Seitenstreifen (Quelle: Fa. Getzner) . . . . . . . . . . . . . 467 Bild 13.20: Masse-Feder-System auf Elastomer-Blocklagern (Quelle: Fa. ContiTech) . . 467 Bild 13.21: Anheben der Fahrwegplatte in der Revisionsöffnung mittels Hydraulik, Einmessen der Lager (Quelle: Fa. ContiTech) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468 Bild 13.22: Oberbau als Masse-Feder-System mit Schotter - als Streifenlagerung ausgeführt (Quelle: Fa. Getzner) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469 760 Abbildungsverzeichnis <?page no="765"?> Bild 13.23: Masse-Feder-Systeme im Straßenbereich. Beispiel links: Pyrmont (Australien), Quelle Fa. ContiTech; Beispiel rechts: Graz, Quelle Fa. Getzner 469 Bild 13.24: Erstellung der Fahrwegplatte auf Kork-Gummi Einzellager (Metro Sao Paulo, Quelle: Fa. CDM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 470 Bild 13.25: Masse-Feder-System mit Stahlfedern (Quelle: Fa. Gerb). Oben: Integration der Federelemente in eine Fahrwegplatte. A = 1435 mm; B = 3000 mm; C = 1400 mm; D = 700 mm, Federraten zwischen ca. 3,6 kN/ mm und 6,9 kN/ mm 471 Bild 13.26: Oberirdisch ausgeführtes Masse-Feder-System mit Stahlfedern (Quelle: Fa. Gerb), [13.10] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472 Bild 13.27: Elastisch auf Stahlfedern gelagerte Fahrwegtrasse im Bahnhof Chonan (Quelle: Fa. Gerb) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473 Bild 13.28: Querschnitt eines Masse-Feder-Systems mit Einzeltrögen (Quelle: Fa. Gerb) 474 Bild 13.29: Qualitativer Vergleich der möglichen Bereiche für Einfügedämm-Maße D e (f Tn ) unterschiedlicher Oberbauformen und deren Ausführung: USM-Unterschottermatten, MFS-Masse-Feder-Systeme, HSL/ KON-hochelastische Schienenlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475 Bild 13.30: Gemessene Schwinggeschwindigkeitspegel L v in y-Richtung an der Tunnelwand für unterschiedliche Masse-Feder-Systeme bei verschiedenen Randbedingungen (Fahrzeug, Geschwindigkeit usw.) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478 Bild 13.31: Beispiele für gemessene Einfügungsdämm-Maße D e von drei verschiedenen Masse-Feder-Systemen auf unterschiedlichen Streckenabschnitten (bezogen auf einen Schotteroberbau) . . . . . . . . . . . . . . 479 Bild 13.32: Beispiel für ein Masse-Feder-System für eine Straßenbahn (Quelle: Fa. ContiTech, Basel/ Schweiz) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480 Bild 13.33: Beispiel für einen iterativen Berechnungsablauf [13.5] . . . . . . . . . . . . . . . . . 481 Bild 13.34: Biegelinienverlauf der Tragplatte für ein Drehgestell für folgende Parameter: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483 Bild 13.35: Auf Elastomerblocklagern punktförmig gestütztes Masse-Feder-System; vertikale Eigenform bei einer Zugüberfahrt (Quelle: Ing.- Büro Dr. Heiland) 485 Bild 13.36: Eigenfrequenzen und Eigenformen einer 60-m langen Fahrwegplatte für Vollbahnen (Quelle: Ing.-Büro Dr. Heiland) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485 Bild 13.37: Admittanzen für Masse, Feder, Dämpfung und ein Masse-Feder-System mit linearer und logarithmischer Frequenzskala. Eingesetzte Werte: m=1000 kg, k=10 8 N/ m, b=10 5 Ns/ m. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487 Bild 13.38: Abschätzung der Einfügungsdämm-Maße mit unterschiedlichen Frequenzskalen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488 Bild 13.39: Abschätzung der Einfügungsdämm-Maße, Beispiel aus Vornorm DIN 45673-4 (2006), Abszisse: links mit log. Frequenz, rechts als Terzmittenfrequenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490 Bild 13.40: Abschätzung der Einfügungsdämm-Maße, Beispiel Abschätzung mit Impedanzen, Abszisse: links mit log. Frequenz, rechts als Terzmittenfrequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491 Bild 13.41: Einfügungsdämm-Maß D e für die im Beispiel genannten Parameter . . . . . 494 Bild 13.42: Leichtes Masse-Feder-System mit Matten als „Verlorene Schalung“ im „überfahrbaren Straßengleis“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500 Bild 13.43: Masse-Feder-System, separate Verlegung von Boden- und Seitenmatte . . . 500 Abbildungsverzeichnis 761 <?page no="766"?> Bild 13.44: Masse-Feder-System als Pflastergleis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501 Bild 13.45: Umbaumöglichkeit von einem Schotteroberbau auf eine Feste Fahrbahn mit Anwendung (hoch) elastischen Schienenlagern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502 Bild 13.46: Umbaumöglichkeit von einem Schotteroberbau auf eine Feste Fahrbahn mit Anwendung eines Masse-Feder-Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502 Bild 13.47: Umbaumöglichkeit eines Schotteroberbaus im Haltestellenbereich zur Abdeckung des Schotters zum Zwecke einer besseren Reinigung und zur akustischen Sanierung (Anwendung von schallschluckenden Materialien auf der Abdeckung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503 Bild 13.48: Vorspannbares Federelement (Quelle: Fa. Gerb, Berlin) . . . . . . . . . . . . . . . . 505 Bild 13.49: Elastische Lagerung eines Gebäudes über zwei U-Bahn-Tunnel, unten: Anordnung der Federelemente unterhalb der Stahlschalung (Quelle: Fa. Gerb, Berlin) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506 Bild 13.50: Anordnung von Federelementen zur Gebäudeabfederung im Tiefgaragenbereich (Quelle: Fa. Gerb) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506 Bild 13.51: Punktförmige elastische Lagerung eines Gebäudes mittels Blocklager auf Pfahlköpfen (Quelle: Fa. Getzner) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507 Bild 13.52: Schematische Darstellung einer streifenförmigen elastischen Gebäudelagerung (Quelle: Fa. Getzner) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508 Bild 13.53: Schematische Bild einer vollflächigen elastischen Gebäudelagerung (Quelle: Fa. Getzner) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508 Bild 13.54: Streifenförmige Lagerung eines Gebäudes (Fa. Getzner) . . . . . . . . . . . . . . . . 509 Bild 14.1: Emissionen und Immissionen beim Schienenverkehr durch Schwingungsanregung F Fz im Rad-/ Schiene-Bereich. Möglichkeiten zur Ersatzanregung F ers an verschiedenen Punkten auf dem Übertragungsweg. 514 Bild 14.2: Bauphasen von Strecken und Gebäuden sowie Überblick über Verfahren zur Erschütterungsprognose an Schienenwegen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515 Bild 14.3: Übertragungssystem und prinzipielle Vorgehensweise bei einer Prognose 515 Bild 14.4: Allgemeine Ein-/ Ausgangsbeziehung eines mechanischen Systems [14.21] 516 Bild 14.5: Konkretisierte Ein-/ Ausgangsbeziehung eines mechanischen Systems für Bahnstrecken (hier eine Tunnelstrecke) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 516 Bild 14.6: Einordnung des Identifikationsproblems in die Klasse der Strukturprobleme [14.21] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517 Bild 14.7: Gesamtes Übertragungssystem mit den Subsystemen Fahrzeug / Oberbau / Tunnel / Boden / Gebäude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 519 Bild 14.8: Querschnittsprofil mit Gleislage auf einem Viadukt, ebenerdig und im Tunnel mit wesentlichen die Ausbreitung beeinflussenden Parametern . . 523 Bild 14.9: Genereller Überblick zu Prognosemodellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525 Bild 14.10: Abschätzung des mittleren sekundären Schalldruckpegels L pAFmax,m in Abhängigkeit vom horizontalen Abstand R zwischen Gleismitte und Gebäudeaußenwand und der Oberbauform. U- und Stadtbahnfahrzeuge mit v ≈ 60-km/ h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 527 Bild 14.11: Abhängigkeit des KB FTm -Wertes von dem Abstand R und der Deckenart; ermittelt aus Messungen an Strecken des Fernverkehrs, verschiedene Zugarten, Geschwindigkeit zwischen ca. 80-km/ h und 160-km/ h [14.16]. . 528 762 Abbildungsverzeichnis <?page no="767"?> Bild 14.12: Zusammenhang zwischen messtechnisch ermittelten KB FTm,z -Werten und dem Abstand R zwischen Gleismitte und Gebäude. Mit s wird hier die Standardabweichung σ n-1 bezeichnet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529 Bild 14.13: Schutzabstände und Oberbaukonstruktion bei S-Bahnen; Achslasten 160-kN bis 220-kN, in Anlehnung an [14.7] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532 Bild 14.14: Beispiel für Erregerkraftspektren der Linienlast F/ L; Stadtbahnwagen B6 auf unterschiedlichen Streckenabschnitten, v Fz = 60-km/ h, [14.1] . . . . . . . . 536 Bild 14.15: Prinzip der spektralen Immissionsprognose von v G (f) (Körperschall) und p G (f) (Luftschall) nach Gl. (14.13). Die erforderliche relative Einfügungsdämmung e rel wird dabei durch einen Soll-Ist-Vergleich ermittelt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 539 Bild 14.16: rinzip der Immissionsprognose nach dem Kenngrößenverfahren mit Gl. (14.15) anhand von Spektren (links) und Einzahlwerten (rechts) . . . . . . . . . 540 Bild 14.17: Kenngrößenverfahren; Prognose des mittleren maximalen Sekundär-Schalldruckpegels L pAFmax,m , Frequenzbereich von 6 Hz bis 160 Hz 541 Bild 14.18: Kenngrößenverfahren; Prognose des KB FTm -Wertes aus der Übertragungs-Admittanz Y GS zwischen Tunnelsohle und Gebäudedecke (Fußboden in Raummitte) [14.13]; Y GS ist der Summenpegel des Schmalband-Spektrums der Übertragungs-Admittanz zwischen 4-Hz und 80-Hz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542 Bild 14.19: Kenn-Admittanzen Y K,SS der Tunnelsohle S für unterschiedliche Baugrundverhältnisse (Fels und Lockerboden) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543 Bild 14.20: Korrekturfunktion L K zur Berücksichtigung der Linienquelle eines Schienenfahrzeuges in Abhängigkeit vom Abstand R. . . . . . . . . . . . . . . . . . 544 Bild 14.21: Wellenausbreitung im Boden und geometrische Abhängigkeit zwischen Abstand R, Winkel γ und wirksamer Fahrzeuglänge a/ 2. . . . . . . . . . . . . . . . 544 Bild 14.22: FE-Netz eines in Spritzbetonbauweise erstellten Tunnels mit Innen- und Außenschale, Kraftanregung F mit einem Prüfhammer auf der Tunnelsohle in Tunnelmitte. Vergleichspunkte zwischen Messung und Rechnung an der Tunnelsohle und im Firstbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545 Bild 14.23: Vergleich zwischen Rechen- (NB10n) und Messergebnissen (T32-1U) im Tunnel. Kraftanregung und Messpunkt der Schwinggeschwindigkeit liegen auf der Tunnelsohle (MP 1z) ca. 0,8-m voneinander entfernt, Beispiel der Materialdaten für NB10E s. Tabelle 14.7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546 Bild 14.24: Differenzpegel zwischen Baugrund und Gebäudefundamenten für unterschiedliche Gebäude [14.40] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 547 Bild 14.25: Gemessene Hauseigenfrequenzen f G für unterschiedliche Gebäudehöhen H, nach / 14.41/ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 549 Bild 14.26: Übertragungsfunktion zwischen Baugrund und Gebäudedecke (Beispiel) . 550 Bild 14.27: Realteile von Tunnelsohlenadmittanzen, berechnet mit den Gleichungen in Tafel 14.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552 Bild 14.28: Realteile von Tunnelsohlenadmittanzen, berechnet mit den Gleichungen in Tafel 14.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552 Bild 14.29: Sekundär-Schalldruckpegel L pAFmax in Abhängigkeit von den Taktmaximalwerten KB FTi,z in einem Gebäude an einer Eisenbahnstrecke (Wohnzimmer WZ und Schlafzimmer SZ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562 Abbildungsverzeichnis 763 <?page no="768"?> Bild 14.30: Darstellung verschiedener Bewertungsgrößen relativ zum KB FTI,z -Wert . . . 564 Bild 16.1: Grenzspektren der Schienenrauheit nach DIN EN ISO 3095 und VDV-Schrift 154 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 598 Bild 16.2: Untere Grenzspektren der Gleisabklingraten (TDR), Bild oben, und mögliche Anordnung von Körperschallaufnehmern an der Schiene, Bild unten, zur Messung der TDR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 599 Bild 16.3: Schall-Ausbreitungsmessungen für verschiedene Fahrbahnoberflächen. Im Bild ist ein Gleis in einer Straßenfahrbahn (Feste Fahrbahn) dargestellt, außerdem wurden Schottergleise und Grüne Gleise messtechnisch untersucht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 600 Bild 16.4: Ergebnis der Schallmessungen an unterschiedlichen Fahrbahn-Prüfkörpern [16.9] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 601 Bild 16.5: Simulation einer Linienlast durch Punktanregung an mehreren Stellen im Gleisbereich und Summenbildung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 606 Bild 16.6: Admittanzen Y(f) der Tunnelsohle unter Anregung auf der Schiene (M1G16) und der Tunnelsohle (M1G36) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 607 Bild 16.7: Admittanzen Y(f) der Tunnelsohle unter Anregung auf der Schiene (M1G16) mit Triebdrehgestell (M1G46) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 607 Bild 16.8: Admittanzen Y(f) der Tunnelsohle unter Anregung auf der Schiene (M1G16) mit Laufdrehgestell (M1G56) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 608 Bild 16.9: Tunnelsohlensteifigkeit k TS,dyn (f) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 608 Bild 16.10: Prüfstandsaufbau zur vertikalen Steifigkeitsermittlung (links Schienenlager 1403b, rechts Delta Lager), Messung der Prüfkraft des Prüfzylinders und der Schienenverformung mit Wegaufnehmern . . . . . . . 609 Bild 16.11: Vertikale Steifigkeiten elastischer Schienenlager. Links: Schienenlager 1403b und 1403/ c-90 und / c-70 (Kölner Ei), rechts verschiedene Schienenlager für den Einsatz unter unterschiedlichen Randbedingungen Eisenbahnen und Straßenbahnen), ermittelt bis zu einer Maximallast von 80-kN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 609 Bild 16.12: Beispiel für die Ermittlung der Sekantensteifigkeit k stat zwischen 0, 2 • F max und 0, 8 • F max . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 610 Bild 16.13: Vorrichtung zur Steifigkeitsmessung von einzelnen Schienenlagern im Labor und solchen im eingebauten Zustand im Gleis . . . . . . . . . . . . . . . . . . 611 Bild 16.14: Ergebnis einer Gleis-Steifigkeitsmessung mit der links dargestellten Apparatur [16.18] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 611 Bild 16.15: Ergebnis einer Steifigkeitsermittlung eines Gleises (Rillenschiene) bei einem straßenbündigen Bahnkörper [16.9]. Die Gleissteifigkeit betrug hierbei k stat = 267-kN/ mm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 612 Bild 16.16: Ergebnis einer Stoßanregung: Langsame Überfahrt eines auf einer Schiene liegenden ca. 25 cm langen Stahlkeils durch ein Rad (U-Bahnfahrzeug) . . . 613 Bild 17.1: Vorgehensweise zur Ermittlung von drei Komfortwerten . . . . . . . . . . . . . . 617 Bild 17.2: Vergleichende Gegenüberstellung verschiedener Bewertungsfaktoren zur Ermittlung von Komfortwerten in Schienenfahrzeugen . . . . . . . . . . . . . . . . 618 Bild 17.3: Leistungsdichte - y-Richtung, Δf = 0,122-Hz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 622 Bild 17.4: Leistungsdichte - z-Richtung, Δf = 0,122-Hz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 622 764 Abbildungsverzeichnis <?page no="769"?> Bild 17.5: Vergleich zwischen WZ-Werten und RMS-Werten nach ENV 12299, WZ « RMS, y-Richtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623 Bild 17.6: Vergleich zwischen WZ-Werten und RMS-Werten nach ENV 12299, WZ « RMS, z-Richtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623 Bild 17.7: Vergleich zwischen K-Werten und RMS-Werten nach ENV 12299, . . . . . . . 624 Bild 17.8: Vergleich zwischen K-Werten und RMS-Werten nach ENV 12299, K « RMS, z-Richtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624 Bild 17.9: y- / z- Komfortwerte einer Niederflur-Straßenbahn mit v ≈ 50-km/ h auf einem: Links: Schwellengleis (mit Schotter), Rechts: geschlossenes Gleis (mit Rillenschienen). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 625 Bild 17.10: Einfluss verschiedener Fahrbahnarten A bis I (v ≈ 50-km/ h; Niederflurfahrzeug). RG Rasengleis (verschiedene Ausführungen), Ri: Rillenschienengleis (verschiedene Ausführungen), HS: Holzschwellengleis, BS: Betonschwellengleis, YS: Y-Schwellengleis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 625 Bild 17.11: Komfortwerte (WZ-y / WZ-z) in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit; Stadtbahnfahrzeug, offener Schotteroberbau, verschiedene Messpunkte im Fahrzeug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 626 Bild 17.12: Komfortwerte bei normalem Fahrzyklus auf einem Schottergleis in einem Stadtbahnfahrzeug, v max ca. 100-km/ h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 627 Bild 17.13: Komfortwerte bei normalem Fahrzyklus auf einem geschlossenen Oberbau in einem Stadtbahnfahrzeug, v max ca. 50-km/ h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 627 Bild C.1: A-Bewertungskurve des Luftschalls und wesentliche Frequenzbereiche . . 666 Bild C.2: Tunnelquerschnitte und Messpunkte (·) [C.1]. Auf den folgenden Bildern werden hierfür Ergebnisse dargestellt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 674 Bild C.3: Leistungsdichtespektren PSD der vertikalen Schwinggeschwindigkeit unter Fahrzeuganregung, v = 60-km/ h, Messpunkte: Tunnelsohle . . . . . . . . 675 Bild C.4: Leistungsdichtespektren PSD der horizontalen Schwinggeschwindigkeit unter Fahrzeuganregung, v = 60-km/ h, Messpunkte: Tunnelwand, 1,6-m über der Schienenoberkante (SO) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 676 Bild C.5: Leistungsdichtespektren PSD der vertikalen Schwinggeschwindigkeit unter Fahrzeuganregung, v = 60-km/ h, Messpunkte: Gebäude (Fußboden) 677 Bild C.6: Leistungsdichtespektren PSD der vertikalen Schwinggeschwindigkeit unter Fahrzeuganregung, v = 60-km/ h, Messpunkte: Gebäude (Fußboden) 678 Bild C.7: Anregung Tunnelsohle / Schiene durch einen Prüfhammer (F PH ) und durch ein Fahrzeug (F R ) zur Messung von Übertragungsadmittanzen und zur Abschätzung der Fahrzeugerregerkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 679 Bild C.8: Übertragungsadmittanzen Y mn aus MQ N1 (Bild C.2), vertikale Anregung mit einem Prüfhammer auf der Tunnelsohle in Gleismitte. . . . . . . . . . . . . . 680 Bild C.9: Kohärenzfunktionen γ 2 der Übertragungsadmittanzen Y mn aus MQ N1 (Bild C.2), Erregung mit einem Prüfhammer auf der Tunnelsohle in Gleismitte . 681 Bild C.10: Übertragungsadmittanzen Y mn aus MQ N2 (Bild C.2), Erregung mit einem Prüfhammer auf der Tunnelsohle in Gleismitte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 682 Bild C.11: Übertragungsadmittanzen Y mn aus MQ N3 (Bild C.2), Erregung mit einem Prüfhammer auf der Tunnelsohle in Gleismitte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 683 Bild C.12: Kohärenzfunktionen γ 2 der Übertragungsadmittanzen Y mn aus MQ N3 (Bild C.2), Erregung mit einem Prüfhammer auf der Tunnelsohle in Gleismitte . 684 Abbildungsverzeichnis 765 <?page no="770"?> Bild C.13: Schwingungen auf einer elastisch gelagerten Rechteckplatte (MFS), Anregung mit einem Prüfhammer im Bereich einer Schiene vertikal auf der Masse, Messung Anwortsignal in Gleismitte. Oben: Betragsspektrum, unten Realteil- und Imaginärteilfrequenzgang [C.6]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 685 Bild C.14: Realteil- und Imaginärteilfrequenzgang der Massenadmittanz sowie zugehörige Ortskurve, Anregung seitlich auf der Masse, Messung der Schwingungsantwort in Gleismitte, Radsdatz steht über der angeregten Masse [C.2]. Eigenfrequenzen: f 01 =20-Hz; f 02 =75-Hz / Modale Dämpfung: D 01 =0,120; D 02 =0,026 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 686 Bild C.15: Realteil- und Imaginärteilfrequenzgang der Massenadmittanz sowie zugehörige Ortskurve, Anregung seitlich auf der Masse, Messung der Schwingungsantwort in Massenmitte (Gleismitte), ohne Fahrzeugbelastung [C.2]. Eigenfrequenzen: f 01 =19 Hz; f 02 =93 Hz / Modale Dämpfung: D 01 =0,126; D 02 =0,021 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 686 Bild C.16: Admittanzpegel L Y re 5 . 10 -8 (m/ s)/ N und Kohärenz γ 2 , gemessen auf der Tunnelsohle - Darstellung im doppellogarithmischen Maßstab zur Abschätzung der Tunnel-Boden-Steifigkeit k B , MQ N1 (oben) und MQ N3 (unten) (Bild C.2). Anregung und Messung auf der Tunnelsohle (vertikal), Abstand zwischen Anregung und Messpunkt ca. 1-m. Zum Vergleich sind berechnete Admittanzen einer Feder dargestellt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 687 Bild C.17: Schallpegel-Terzspektrum am 7,5-m-Messpunkt einer Straßenbahn, mit Getriebeschaden; unbewertet und A-bewertet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 688 Bild C.18: Schallpegel-Terzspektrum am 7,5-m-Messpunkt einer Straßenbahn, mit Getriebeschaden; unbewertet und A-bewertet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 688 Bild C.19: Schallpegel-Terzspektrum am 7,5-m-Messpunkt einer Straßenbahn, mit ungestörtem Radsatzlager; unbewertet und A-bewertet . . . . . . . . . . . . . . . . 688 Bild C.20: Schallpegel-Terzspektrum am 7,5-m-Messpunkt einer Straßenbahn, mit gestörtem Radsatzlager; unbewertet und A-bewertet . . . . . . . . . . . . . . . . . . 688 Bild C.21: Schallpegel-Terzspektrum am 7,5-m-Messpunkt einer Strab, mit Bremsenquietschen; unbewertet und A-bewertet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 689 Bild C.22: Schallpegel-Terzspektrum am 7,5-m-Messpunkt einer Strab, nur Gleichstromsteller; unbewertet und A-bewertet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 689 Bild C.23: Schallpegel-Terzspektrum am 25-m-Messpunkt einer Straßenbahn ohne besondere Störungen, auf einem straßenbündigen Gleis; A-bewertet, v ca. 50-km/ h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 689 Bild C.24: Schallpegel-Terzspektrum am 7,5-m und 25-m-Messpunkt einer U-Bahn ohne besondere Störungen, auf einem Schottergleis; unbewertet, v ca. 80-km/ h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 689 Bild C.25: Körperschall, gemessen auf den beiden Radsatzlagern (K6/ K7) eines Radsatzes bei Fahrt in einem Weichenbereich. Die beiden oberen Bilder: Schwingbeschleunigung, unten Schwinggeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . 691 Bild C.26: Einfügungsdämm-Maße für die Variation der Steifigkeit des elastischen Elementes: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 697 Bild C.27: Einfügungsdämm-Maße für die Variation der Masse (Rad / Oberbau): . . . . 698 766 Abbildungsverzeichnis <?page no="771"?> Bild C.28: Gemessene statische Steifigkeiten verschiedener Schienenlager mit unterschiedlichen Zwischenplatten im eingebauten Zustand auf einer Tunnelstrecke [C.4]. Die Bestimmtheitsmaße liegen für alle dargestellten Messergebnisse weit über 0,9. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 699 Bild C.29: Beispiel gemessener Kraft-Zeit- und Kraft-Weg-Verformungsdiagramme für ein in einer Straße eingebettetes Gleis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 700 Bild C.30: Kraft-Weg-Diagramme für verschiedene Schienenlager. Prüfung nur jeweils eines einzelnen Lagers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 701 Bild C.31: Darstellung der Schallausbreitung unter Einbeziehung des Schienenkörperschalls (Schienenkopf, y-Richtung). Links sind die Mittelungspegel und rechts die Maximalpegel dargestellt, jeweils über mehrere Vorbeifahrten gemittelt. Mit L (v.p) werden hier die Pegel des Schienenkörperschalls und des Luftschalls bezeichnet. . . . . . . . . . . . . . . . . 705 Bild C.32: Zusammenhang zwischen der Bandbreite von Terzen und der Anzahl von FFT-Linien innerhalb einer Terz (mit einer Frequenzauflösung von 1,25 Hz, Grundlage für die im Folgenden dargestellten Terzspektren) . . . . . . . . . . . . 709 Bild C.33: Beispiel von Messergebnissen einer Stadtbahn-Tunnelstrecke in H (eingleisiger Kreistunnel im Innenstadtbereich) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 710 Bild C.34: Beispiel von Messergebnissen einer U-Bahn-Strecke in N (eingleisiger Kreistunnel im Innenstadtbereich mit alter Bebauung in der näheren Umgebung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 711 Bild C.35: Beispiel von Messergebnissen an 2 S-Bahnstrecken (eingleisige Kreistunnel im Innenstadtbereich) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 712 Bild C.36: Beispiel von Messergebnissen verschiedener Oberbauformen in einem Stadtbahn-Rechtecktunnel, Gleisbogen, Messpunkt Tunnelsohle Gleismitte, Tunnelsohle liegt ca. 1-m über dem Felshorizont, v = 60-km/ h [C.5] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 712 Bild C.37: Beispiel für Schwingbeschleunigungs- und Schwinggeschwindigkeitsspektren, v = 60-km/ h [C.5], Messpunkt Tunnelsohle Gleismitte. FFT-Spektren, verschiedene Oberbauformen . . . . 713 Bild C.38: Gegenüberstellung von FFT- und Terzspektren der Schwingbeschleunigung (L a ) und Schwinggeschwindigkeit (Lv), v = 60-km/ h [C.5], Messpunkt Tunnelsohle Gleismitte, Schotteroberbau . . . . . 713 Bild C.39: Beispiel von Messergebnissen verschiedener Oberbauformen in zwei Stadtbahn-Rechtecktunnel, links: Tunnel im Fels, rechts: Tunnel im Lockerboden oberhalb des Felshorizonts. Messpunkt Tunnelwand horizontal (gleiche Oberbauformen), v = 60-km/ h [C.5] . . . . . . . . . . . . . . . . 713 Bild C.40: Vorgehensweise zur Ableitung eines admittanzorientierten Prognoseverfahrens [C.6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 714 Bild C.41: Kennadmittanzen zur Abschätzung des erforderlichen Oberbaus anhand der gemessenen Übertragungsadmittanzen zwischen Tunnelsohle (S) und Mitte Gebäudefußboden (G), FFT mit 1-Hz Auflösung . . . . . . . . . . . . . . . . . 715 Bild C.42: Kennadmittanzen zur Abschätzung des erforderlichen Oberbaus anhand der gemessenen Übertragungsadmittanzen zwischen Tunnelsohle (S) und Mitte Gebäudefußboden (G), Terzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 715 Abbildungsverzeichnis 767 <?page no="772"?> Bild C.43: Blockdiagramm für ein terzbasiertes Prognoseverfahren (in Anlehnung an VDI 3837). A: Anregungssystem; B: Boden; D: Decke (Fußbodenmitte); E: Emission; e: ebenerdig; F: Fundament Gebäude; I: Immission; V: Viadukt usw.; v: Schwinggeschwindigkeit; . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 717 Bild C.44: Beispiele für den Zusammenhang verschiedener Schallemissions-Bewertungsgrößen, Messpunkt a2 (7,5-m/ 1,2-m), Straßenbahnen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 718 Bild C.45: Beispiel für gemessene KB FTi -Werte in einem Gebäude mit Holzbalkendecken an einer Straßenbahnstrecke mit einer Weiche, Vergleich der KB FTi -Werte für die Schwingungsrichtungen x, y und z in Abhängigkeit von den Wanderschütterungen (z-Komponente). . . . . . . . . . 719 Bild C.46: Unterschiedliche Bewertungsgrößen für Erschütterungen [C.8 / C.9], siehe folgende Erläuterungen. Messung in Gebäuden an Eisenbahnstrecken. Oben Holzbalkendecken, unten Betondecken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 720 Bild C.47: Beispiel für KB FTi -Werte - gemessen an einer zweigleisigen Eisenbahnstrecke mit unterschiedlichen Zugarten, Gebäude mit Holzbalkendecken. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 721 Bild C.48: Oben: Ermittlung der Wellenausbreitungsgeschwingikeit (Druckwelle v p und Scherwelle v s ) im Boden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 722 Bild C.49: Körperschall Schiene in z-Richtung und abgestrahlter Luftschall. . . . . . . . . 723 Bild C.50: Terzspektren für Körperschall (oben) und Luftschall (unten) infolge einer Stoßanregung auf der Schiene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 724 Bild C.51: Terzspektren für Körperschall (oben) und Luftschall (unten) infolge einer U-Bahnvorbeifahrt mit v = 60-km/ h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 725 Bild C.52: Terzspektren für Körperschall (oben) und Luftschall (unten) infolge einer U-Bahnvorbeifahrt mit v = 80-km/ h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 726 Bild C.53: Terzspektren Max-Hold während eines Quietschgeräusches, 1300 s bezeichnet die Messzeit in Sekunden nach dem Start der Messung . . . . . . . 727 Bild C.54: Schall-Emission - Messung an einem Freitag zwischen 16: 59 Uhr und 17: 36 Uhr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 728 Bild C.55: Schall-Immission - Messung an einem Freitag zwischen 18: 30 Uhr und 19: 10 UhrL pAeq = 53,8 dB(A), Gesamtschallpegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 729 768 Abbildungsverzeichnis <?page no="773"?> Tabellenverzeichnis Tabelle 1.1: Mögliche gesundheitliche Auswirkungen durch Lärm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Tabelle 1.2: Zusammenhang zwischen Bewerteter Schwingstärke K und subjektiver Wahrnehmung (VDI 2057 Blatt 3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Tabelle 2.1: Parameter der Teilschwingungen und der Gesamtschwingung . . . . . . . . . . . . 58 Tabelle 2.2: Parameter zu den in Bild 2.13 an die Messsignale angepassten Werte, vertikale Schwingungskomponente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Tabelle 2.3: Wellengeschwindigkeiten in Luft und in homogenen, festen Körpern (s. Taschenbuch der Technischen Akustik von Heckl/ Müller), [2.24] . . . . . . . . . . 76 Tabelle 2.4: Einige Zusammenhänge zwischen bodendynamischen Kennwerten (siehe auch Anhang B zu DIN 45672-1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Tabelle 2.5: Kennimpedanzen Z 0 verschiedener Medien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Tabelle 2.6: A-Bewertung für Oktaven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Tabelle 2.7: Datensatz (Beispiel für ein U-Bahn-Fahrzeug) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 Tabelle 2.8: Längenbezogene Schallleistungspegel verschiedener Fahrzeugarten für den Nahverkehr ([2.1], [2.13]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 Tabelle 3.1: Schalldrücke p / Schalldruckpegel L p für verschiedene Schallquellen, Beispiele 94 Tabelle 3.2: Beispiele für A-bewertete Schalldruckpegel L pA beim Schienenverkehr . . . . . 95 Tabelle 3.3: Beispiel für eine Pegeladdition nach Gl. (3.9) (unbewertet und A-bewertet), Spalte 8: Pegelminderung in den Terzen 50-Hz, 63-Hz und 80-Hz . . . . . . . . . . . 100 Tabelle 3.4: Beispiel für Messergebnisse an einer Bahnstrecke mit unterschiedlichen Zugarten, Messung in 25-m Abstand von einem Gleis, sowie Berechnung der Einzelereignispegel und des verkehrsstärkebezogenen Emissionspegels je Zugart k (nach DIN 45642) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 Tabelle 3.5: Beispiel einer Pegelmittelung aus vorliegenden Häufigkeiten je Pegelklasse . 103 Tabelle 3.6: Zusammenfassung der Pegelwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 Tabelle 3.7: Zusammenstellung der Gleichungen für häufig verwendete Schallgrößen . . . 105 Tabelle 3.8: Zusammenstellung wesentlicher Gleichungen für den Körperschall und mechanische Schwingungen (in Pegelschreibweise), s.a. ISO 1683 und prEN ISO 10846-1: 2005 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 Tabelle 3.9: Einzahl-Kennwerte oder -Vergleichsmaße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Tabelle 3.10: Beziehungen zwischen dB-Werten und Verhältniszahlen (lineare Größen) . . . 109 Tabelle 3.11: Pegelzunahme bei Verdoppelung und Verzehnfachung gleicher Quellen . . . . 109 Tabelle 3.12: Pegelabnahme bei verschiedenen Signalumwandlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 Tabelle 3.13: Pegelabnahme bei verschiedenen Signalumwandlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 Tabelle 3.14: Umrechnung von Messverstärkereinstellungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 Tabelle 3.15: Umrechnung von Kalibrierwerten für Körperschallmessketten. Ausgangsgröße: Kalibriersignal als Schwingbeschleunigung für f = 79,6-Hz (Kreisfrequenz ω = 500-s -1 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 Tabelle 4.1: Systemunterscheidung aus technischer/ betrieblicher Sicht . . . . . . . . . . . . . . . . 121 Tabelle 4.2: Klassifizierung der Antriebe nach Anordnung im Fahrwerk . . . . . . . . . . . . . . . 128 Tabelle 5.1: Gesamtgeräusch eines Hochgeschwindigkeitszuges und dessen Komponenten als Funktion der Fahrgeschwindigkeit, dominierende Geräuschquellen . . . . . 154 <?page no="774"?> Tabelle 5.2: Quietschfrei befahrene Gleisbögen in Abhängigkeit vom Radsatzabstand (theoretisch) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 Tabelle 5.3: Zusammenstellung einiger Gleichungen für die Impedanz Z(f) von Bauteilen 174 Tabelle 5.4: Abhängigkeiten zwischen Impedanz und Frequenz (Admittanzen als Kehrwert) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 Tabelle 6.1: Übersicht über Regelwerke, die bei der Schallpegelermittlung durch Berechnung oder Messung zu beachten sind (für verschiedene Schallquellen) 181 Tabelle 6.2: Grundsätzliche Funktionen eines Schallpegelmessers/ Schallpegelmesssystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 Tabelle 6.3: Signalaufzeichnung und weitere Verarbeitung von Luftschall . . . . . . . . . . . . . 185 Tabelle 6.4: Allgemeine Anforderungen an Schallmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 Tabelle 6.5: Beurteilung von Korrelationskoeffizienten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 Tabelle 6.6: Fremdgeräuschkorrektur für Kontrollmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 Tabelle 6.7: Differenz zwischen Maximal- und Mittelungspegel am 7,5-m-Punkt . . . . . . . . 198 Tabelle 6.8: Messergebnisse von U-Bahnfahrzeugen aus Berlin, Hamburg, München und Nürnberg, [6.17], [6.18], nur Sonderfahrten bei vorgegebenen Geschwindigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 Tabelle 6.9: Aus den Zeitsignalen ermittelte Schallpegel-Ergebnisse für die beiden Messpunkte K5 und K7, die Zeiten für T rec und T p siehe Bild 6.15 (FST = Flachstelle) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 Tabelle 7.1: Maßnahmen zum „Schallarmen Konstruieren“ mit Beispielen aus dem Schienenverkehr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 Tabelle 7.2: Beispiele für erzielte Minderungen der maximalen Schalldruckpegel durch Änderungen im Bereich der Anregung und Übertragung (Stadtbahnwagen B100). Das Minuszeichen kennzeichnet keine bzw. eine negative Wirkung . . 260 Tabelle 7.3: Wirkung von Maßnahmen auf eine Minderung der Rollgeräusche . . . . . . . . . 266 Tabelle 7.4: Brückenkorrekturwerte nach 16. BImschV (2014) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 Tabelle 7.5: Gemessene Schalldruckpegel (gemittelte Mittelungspegel) in Straßenbahnfahrzeuge für 40-km/ h und 60-km/ h (Hochflurfahrzeuge) . . . . . . 282 Tabelle 7.6: Zusammenstellung der empfohlenen Schallschutzmaßnahmen für Haltestellen im Tunnelbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 Tabelle 7.7: Zusammenstellung möglicher Schallschutzmaßnahmen auf Haltestellen und die zu erwartenden Minderungen der Mittelungspegel (näherungsweise) . . . 287 Tabelle 7.8: Lösungsansätze zur Minderung / Vermeidung von Kurvenquietschen, Untersuchungen in den Jahren 2008 / 2009 [7.40] F: Schienenkopfflanke R: Rillenflanke K: Schienenkopf, Fahrfläche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 Tabelle 7.9: Wirkung von Maßnahmen gegen Kurvenquietschen [7.4] . . . . . . . . . . . . . . . . 297 Tabelle 7.10: Zusammenstellung von Radschallabsorberbauarten als Beispiel für die Entdröhnung dickwandiger Strukturen (Räder von Schienenfahrzeugen) . . . 298 Tabelle 7.11: Schallschutzklassen nach VDI 2719 und Beispiel für ein Schalldämmmaß eines Fensters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303 Tabelle 7.12: Erläuterung zur unterschiedlichen Pegelerhöhung der Vorbeifahrpegel und der Stundenpegel mit der Geschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304 Tabelle 7.13: Maßnahmen bei der Rekonstruktion von Tatra-Straßenbahnen mit möglichen Einflüssen auf die Innengeräusche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306 770 Tabellenverzeichnis <?page no="775"?> Tabelle 7.14: Maßnahmen bei der Rekonstruktion von Tatra-Straßenbahnen mit möglichen Einflüssen auf die Außengeräusche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306 Tabelle 7.15: Schallminderungsmaßnahmen am Fahrzeug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 Tabelle 7.16: Schallminderungsmaßnahmen am Fahrweg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310 Tabelle 7.17: Schallminderungsmaßnahmen im Übertragungsweg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 Tabelle 7.18: Schallminderungsmaßnahmen und deren Wirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 Tabelle 7.19: Maßnahmen am Fahrweg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313 Tabelle 7.20: Maßnahmen im Kontaktbereich Rad/ Schiene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 Tabelle 7.21: Maßnahmen am Fahrzeug (Fahrwerke/ Drehgestelle) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 Tabelle 7.22: Minderungspotential der untersuchten Technologien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316 Tabelle 8.1: Kriterien zur Berechnung der Schallleistung, Vergleich Eisenbahnen - Straßenbahnen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325 Tabelle 8.2: Zusammenstellung der Messdaten in eine Tabelle (Beispiel für eine Vorgabe, hier Fahrt durch einen Gleisbogen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 Tabelle 8.3: Kombinationsmöglichkeiten Fahrbahnarten (Oberbauformen) zu Fahrzeugarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328 Tabelle 8.4: Beispiel für eine Datentabelle zur Ermittlung der Korrekturwerte nach Anlage 2 zur 16. BImSchV (2014) für Straßenbahnen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329 Tabelle 8.5: Erforderliche Angaben für eine Überprüfung auf eine wesentliche Änderung 334 Tabelle 9.1: Beeinträchtigung durch Straßen- und Schienenverkehrslärm in Deutschland (in % der Bevölkerung) nach [9.5], [9.6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339 Tabelle 9.2: Ziel-, Grenz- und Richtwerte des Verkehrslärmschutzes auf der Basis gemittelter Pegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342 Tabelle 9.3: Grenzwerte für das Vorbeifahrgeräusch von Schienenfahrzeugen . . . . . . . . . . 350 Tabelle 9.4: Immissionsgrenzwerte nach der Verkehrslärmschutzverordnung - 16. BImSchV [9.14] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357 Tabelle 9.5: Auslösewerte (Mittelungspegel) für die Lärmsanierung an Schienenwegen der Eisenbahnen des Bundes. Ab 2022 wurden die Werte zusätzlich um 3 dB(A) gesenkt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367 Tabelle 11.1: Schwingungsanregung beim Schienenverkehr - Übersicht . . . . . . . . . . . . . . . . 405 Tabelle 11.2: Auf ganze Zahlen gerundete Pegelwerte aus Bild 11.13 für den energetischen Mittelwert der Max-Hold-Terzspektren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414 Tabelle 11.3: Wesentliche Parameter bei der Kraftmessung unter einem Schienenlager [11.5], Stadtbahnfahrzeug B6 (Q TDG : Achslast Triebdrehgestell, Q LDG : Achslast Laufdrehgestell) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416 Tabelle 12.1: Beschreibung der Parameter für die Anordnung der Messpunkte im Tunnel, an Viadukten, im Boden und Gebäude (und für Prognosen), siehe Bild 12.2 . . 426 Tabelle 12.2: Zusammenfassende Darstellung der aus den einzelnen KB FTi -Werten ermittelten Kenngrößen für eine Beurteilung nach DIN 4150-2 (Gl = befahrenes Gleis) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433 Tabelle 13.1: Qualitative Wirkung von Parametern auf die Erschütterungsimmissionen in Gebäuden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450 Tabelle 13.2: Mittlere Wirkungen von Maßnahmen am Emissionsort (Rad, Schiene, Oberbau) zur Minderung von Erschütterungen und Sekundärschall in Gebäuden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451 Tabellenverzeichnis 771 <?page no="776"?> Tabelle 13.3: Grundkonzepte und Ausführungsvarianten schwingungsmindernder Oberbauformen, siehe auch Bild-13.4 und Bild-13.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457 Tabelle 13.4: Lagermaterialien und Abstimmfrequenzen von Masse-Feder-Systemen (PUR: Polyurethane / CR: Chloropren-Kautschuk) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478 Tabelle 13.5: Gleichungen der erforderlichen Impedanzen (Z(if)) oder Admittanzen Y(if)) zur Abschätzung der Einfügedämmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 486 Tabelle 13.6: Parameter von realisierten Masse-Feder-Systemen (MFS) mit Elastomermatten als verlorene Schalung [13.5] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494 Tabelle 13.7: Im Gleisoberbau zur Schwingungsminderung verwendete Materialien . . . . . . 498 Tabelle 13.8: Minderungsmaßnahmen am Immissionsort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503 Tabelle 14.1: Unterteilung des Identifikationsproblems (nach [14.21]) für das Gesamtsystem n. Bild 14.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 520 Tabelle 14.2: Darstellung der wesentlichsten Parameter für die Anregung und Ausbreitung von Schwingungen / Erschütterungen beim Schienenverkehr . . . . . . . . . . . . . 521 Tabelle 14.3: Erläuterungen zu Bild 14.8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522 Tabelle 14.4: Bewertung der für den Schutzabstand maßgebenden Randbedingungen für den S-Bahn-Verkehr in Tunneln (in Anlehnung an [14.7]) . . . . . . . . . . . . . . . . . 531 Tabelle 14.5: Zusammenstellung der Parameter, für die Erregerkraftspektren ermittelt wurden (Auswahl) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535 Tabelle 14.6: Erforderlicher Oberbau für unterschiedliche Baugrundverhältnisse in Abhängigkeit vom horizontalen Abstand R zwischen Gebäudeaußenwand und Mitte des nächstgelegenen Gleises im Tunnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543 Tabelle 14.7: Materialdaten für FEM-Berechnungen [14.17] (System NB 10 E nach Bild 14.23; zweischaliger Tunnel (45-cm Wandstärke), ohne elastische Zwischenschicht in der Tunnelsohle) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546 Tabelle 14.8: Werte zur Abschätzung der Übertragung vom Baugrund auf eine Zimmerdecke (Annäherung an ein Beispiel in VDI 3837, 2004) . . . . . . . . . . . . . 550 Tabelle 14.9: Parameter zur Berechnung der Realteile Re{Y} . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553 Tabelle 14.10: Vergleich der Ergebnisse für 4 unterschiedliche Abschätzverfahren für D vp auf Basis des Körperschallpegels L vAm der Decke (Fußboden) . . . . . . . . . . . . . . . . . 557 Tabelle 14.11: Empfohlene Pegelhöchstwerte für den Sekundärschall in Wohnungen . . . . . . 559 Tabelle 14.12: Aus der 24.-BImSchV ableitbare zumutbare Innenraumpegel für unterschiedliche Raumnutzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 559 Tabelle 14.13: Beschreibung der in Bild 14.30 dargestellten Bewertungsgrößen; AVG: Mittelungspegel, MH: Max-Hold-Pegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564 Tabelle 17.1: Laufgüte, WZ-Wert und Schwingungswahrnehmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 619 Tabelle 17.2: Zusammenhang zwischen Bewerteter Schwingstärke und subjektiver Wahrnehmung nach VDI 2057 Blatt 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 620 Tabelle 17.3: Bewertung von Komfortnoten N (ERRI B153) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 621 Tabelle C.1: Mittenfrequenzen und Bandbreiten von Terzen und Oktaven (DIN 45652) und A-Bewertung n. DIN 45633-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 664 Tabelle C.2: Zusammenstellung häufig verwendeter schalltechnischer Größen, Gleichungen und Einheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 666 Tabelle C.3: Reflexionsgrad einiger Stoffe bei verschiedenen Frequenzen . . . . . . . . . . . . . . 667 Tabelle C.4: Wesentliche Daten von Schienenprofilen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 667 772 Tabellenverzeichnis <?page no="777"?> Tabelle C.5: Stahlgüte, Zugfestigkeit des Schienenstahls. Als Schienenwerkstoff ist Walzstahl mit einer Mindestzugfestigkeit von mindestens 685-MPa zu verwenden. (Zukünftig wird hierfür eine Güte 200 mit einem Härtebereich von 200-HBW bis 240 HBW angegeben). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 668 Tabelle C.6: Materialdaten (näherungsweise). c D : Dehnwellengeschwindigkeit, d: Verlustfaktor, f g ×h: Koinzidenzkonstante (h = Materialdicke), Sh: Shore-Härte 669 Tabelle C.7: Absorptionskoeffizienten und Ausbreitungsgeschwindigkeiten (für Rayleighwellen und Longitudinalwellen) bei verschiedenen Bodenarten . . . . 670 Tabelle C.8: Zusammenstellung einiger dynamischer Boden- und Werkstoffkennwerte (Mittelwerte) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 671 Tabelle C.9: Einflussgrößen verschiedener Fahrzeug-, Oberbau-, Tunnel-, Boden- und Gebäudeparameter auf Erschütterungs- und Sekundärschallimmissionen . . . 672 Tabelle C.10: Feste Werte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 696 Tabelle C.11: Variable Größen ( Spalte 1: Referenzwerte) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 696 Tabelle C.12: Zusammenstellung der Messungen an einzelnen elastischen Schienenlagern auf einem Prüfstand [C.4] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 702 Tabelle C.13: Bezeichnung der Messpunkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 709 Tabelle C.13: Erläuterungen zu den beiden obenstehenden Bildern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 716 Tabellenverzeichnis 773 <?page no="778"?> ISBN 978-3-8169-3482-0 In diesem Buch wird der Gesamtkomplex der Entstehung, Ausbreitung und Minderung sowie der Messung und Bewertung von Erschütterungen, Körperschall und Luftschall bei Schienenbahnen behandelt. Dabei werden physikalische, technische und rechtliche Fragen einbezogen sowie Grundlagen der Fahrzeug- und Oberbautechnik dargestellt. Der Inhalt Einführung - Physikalische Grundlagen - Umgang mit Pegelwerten - Rechtsschutz der Anwohner vor Lärm und Erschütterungen des Schienennah- und Fernverkehrs - Messung und Bewertung von Schall und Erschütterungen - Schall- und Schwingungsanregung beim Schienenverkehr - Schall- und Schwingungsminderungen im Schienenverkehr - Besondere Geräusche in engen Gleisbögen - Grundlagen und Beispiele für Erschütterungs- und Schallminderungsmaßnahmen - Prüftechnik - Prognoseverfahren für Erschütterungen, Sekundär- und Primärluftschall - Grundlagen der Fahrzeug- und Fahrwegtechnik - Fahrkomfort - Begriffe, Normen und Datensammlung Die Zielgruppe Schienenverkehrsunternehmen, Ingenieurbüros, Genehmigungsbehörden, Hochschulen, Normungsgremien sowie Hersteller von Komponenten, die in Schienenfahrzeugen und Gleisanlagen die Schall- und Erschütterungsemissionen beeinflussen. Der Autor Dr. -Ing. Friedrich Krüger war langjähriger Leiter der Gruppe Schall- und Schwingungstechnik der STUVA, Köln. Seine Aufgaben bestanden u. a. in der Bearbeitung von FuE-Vorhaben, vorrangig zu den Themen Schall- und Erschütterungsemissionen und -immissionen, Ermittlung der Minderungspotentiale unterschiedlicher Fahrwegarten, Prognose und Bewertung von Erschütterungen und Sekundärschall, Kurvengeräusche. Zu diesen Themen erstellt er Gutachten und wirkt in nationalen und internationalen Normungsgremien mit. Um auch die Schienenfahrzeug- und Oberbautechnik sowie die mit der Thematik verbundenen rechtlichen Fragestellungen in ihren wesentlichen Grundlagen darzustellen, wurde der Autor durch die Co-Autoren Rechtsanwalt H. Heinrich, h2°k, München; Dipl.-Ing. M. Hester, HOCHBAHN, Hamburg; Dipl.-Ing. M. Jäcker- Cüppers, vormals Umweltbundesamt, Berlin / Dessau sowie Dipl.-Ing. Th. Rupp, Albtal-Verkehrs-Gesellschaft mbH, Karlsruhe, unterstützt.