Dopravní fakulta Jana Pernera, Univerzita Pardubice šk. rok 2003/2004, letní semestr I. ročník (obor DI-DC) Jiří Šimůnek kombinované studium 3. 4. 2004 Název práce: Hluk a vibrace u tramvajové dopravy a protihluková a protivibrační opatření u tramvajových tratí
Prohlášení: Prohlašuji, že předložená práce je mým původním autorským dílem, které jsem vypracoval samostatně. Literaturu a další zdroje, z nichž jsem při zpracování čerpal, v práci řádně cituji. Anotace: Tato semestrální práce se zabývá problematikou hluku a vibrací u kolejové dopravy se zaměřením na dopravu tramvajovou. Úvodní část se zabývá obecnějšími charakteristikami hluku z fyzikálního hlediska. Dále se práce věnuje příčinám vzniku hluku a vibrací u kolejových vozidel, jejich šířením prostorem a možnostem redukce hlukové zátěže u tramvajových tratí. Zabývá se různými technickými a konstrukčními opatřeními spočívajícími jednak v úpravách kolejového svršku, jednak v úpravách okolí tramvajových tratí. Klíčová slova: hluk, vibrace, tramvajová doprava, kolejová vozidla, odhlučněné tramvajové tratě, tlumící prvky, protihlukové bariéry.
Obsah 1. Úvod
3
2. Základní vlastnosti zvuku
3
3. Účinky hluku na člověka
5
4. Závazné předpisy týkající se hluku
6
5. Dopravní hluk
6
6. Hluk z tramvajové dopravy
7
6.1. Hluk kolejových vozidel obecně
7
6.2. Výpočet dopravního hluku u tramvajové dopravy
8
6.3. Šíření hluku od zdroje
9
6.4. Šíření hluku v prostoru
10
7. Protihluková opatření
12
7.1. Aktivní protihluková opatření
12
7.2. Pasivní protihluková opatření
13
7.2.1. Úpravy tramvajového kolejiště
13
7.2.2. Protihlukové bariéry
17
7.2.2.1. Zvukotechnické parametry hlukových bariér
20
7.2.3. Účinky zeleně
21
8. Závěr
22
9. Použité informační zdroje
23
2
1. Úvod Zvuk je přirozeným projevem přírodních jevů a životních aktivit člověka. Sluch je pro člověka velmi jedním z nejbohatších zdrojů informací a účinným poplašným systémem. Hlukem můžeme označit každý zvuk, který považujeme za nežádoucí, přičemž přesnou fyzikální definici hluku nelze stanovit, neboť velmi záleží na vztahu člověka k danému zvuku. Pro někoho může být určitý zvuk hlukem, pro jiného to bude důležitý zdroj informací. Tzv. boj proti hluku tedy nesměřuje k potlačení hluku jako takového, ale k opatřením proti zbytečně silnému hluku, který znepříjemňuje a ruší pobyt a práci člověka, nebo ohrožuje jeho zdravotní stav. Jednou z nejzávažnějších vlastností zvuku a hluku je jeho šíření na poměrně velké vzdálenosti od zdroje, řádově stovky metrů. Přitom se šíří stejně dobře vzduchem, vodou nebo pevnou látkou, např. konstrukcí stavby. Za určitých podmínek se může odrážet, lomit a ohýbat. V důsledku toho působí hluk na každého, kdo je v dosahu šíření jeho energie, tedy i na osoby, které se zdrojem nemají nic společného a pro které je hluk nežádoucí a zbytečný. Situace se zhoršuje v uzavřených a polouzavřených prostorech, např. v ulicích města, což je případ právě tramvajové dopravy. Hluku dopravního prostředku jsou tak vystaveni nejen cestující, kteří dopravní prostředek využívají, ale i mnoho lidí na ulicích a v přilehlých budovách. Ve volném terénu naopak může dopravní prostředek svým hlukem zamořit území o ploše několika čtverečních kilometrů. Ochrana životního prostředí je jedním z aktuálních problémů současné společnosti. Vedle mnohem hmatatelnějšího a známějšího znečišťování ovzduší a vody je hluk jedním z nebezpečí pro přijatelné životní prostředí. Pouze zdánlivě je hluk méně nebezpečný než znečištění chemické, ale jeho nebezpečnost byla zdravotně prokázána i v případech, kdy se nejedná o zmenšení citlivosti sluchu nebo přímo hluchotu. Hlučnost v životním prostředí roste s pokračující technizací našeho života v takové míře, že nejen velmi často překračuje hranice zdravotní únosnosti, ale v mnohých případech se stává nekontrolovatelnou v tom smyslu, že leckdy nemáme dostatečné technologické a ekonomické možnosti, jak vůbec udržet hlučnost prostředí pod přijatelnou hranicí. Nadměrná hluková expozice snižuje kvalitu, produktivitu a bezpečnost práce. Po stránce sociálně kulturní má snížení hlučnosti úzkou souvislost se zvyšováním životního standardu, zejména v bydlení a trávení volného času. Vibrace (chvění) jsou modifikací hluku. Způsobují namáhání materiálu, které může vést až k jeho poruše. Tyto poruchy jsou dnes často považovány za poruchy způsobené únavou materiálu. Z dopravy jsou známy účinky vibrací např. na budovy nacházející se v okolí dopravních tras, zejména v hustě zastavěných oblastech. U tramvajové dopravy to nabývá na významu zvláště tehdy, prochází-li trať v blízkosti památkově chráněných objektů. Škody způsobené vibracemi a náklady na jejich odstranění mnohdy překračují zvýšené pořizovací náklady na konstrukci trati vhodnou z hlediska vibrací nebo hluku. Stejně tak jsou přímá protihluková opatření levnější než opatření dělaná dodatečně.
2. Základní vlastnosti zvuku Podstatou zvuku i vibrací je mechanické kmitání pružného prostředí ve frekvenčním rozsahu od 20 Hz do 20 000 Hz, které se šíří určitým prostředím určitou rychlostí. K šíření dojde vlivem silového působení budícího kmitání, kde rozruch – přenášená energie – se šíří od buzené částice – zdroje. Zvuk se může šířit v plynech, kapalinách i pevných látkách ve formě podélného nebo příčného akustického vlnění. V rozsahu slyšitelných frekvencí označujeme podélné vlnění v plynném nebo kapalném prostředí jako zvuk, příčné vlnění v pevných látkách jako vibrace – bez frekvenčního omezení. Částice prostředí se šířícím rozruchem vychylují z klidové polohy podélně nebo příčně ke směru šíření, takže se hustota částic v určitých částech homogenního pružného prostředí snižuje, a jinde zvyšuje. Tím se mění tlak plynu oproti své statické hodnotě – ve vzduchu tedy oproti atmosférickému tlaku. Tato proměnná složka superponovaná s atmosférickým tlakem se nazývá
3
akustický tlak. Dá se znázornit pomocí izofon, což jsou čáry spojující místa se stejným akustickým tlakem. Vzrůst subjektivního sluchového i hmatového vjemu se v zásadě řídí logaritmickým zákonem. Veličina, která má ve skutečnosti exponenciální růst, je vnímána smysly tak, jako by měla růst lineární. Akustický tlak i další veličiny, se kterými technická akustika pracuje, se mění v běžně v praxi o mnoho řádů, a jejich vyjadřování v jednotkách tlaku je velmi nepraktické. Proto byl v akustice zaveden pojem hladiny jednotlivých akustických veličin. Jednotkou hladiny je decibel (dB). Rychlost šíření zvukové vlny je závislá na hustotě prostředí, teplotě, tlaku, a dalších veličinách. ve vzduchu, pro teplotě 20 °C a normálním atmosférickém tlaku (101,3 kPa) se zvuková vlna šíří rychlostí asi 343 m/s [1], v pevných látkách včetně stavebních materiálů podstatně rychleji, v pryži a vláknitých materiálech daleko pomaleji. Toho se využívá při různých zvukově izolujících nebo zvuk pohlcujících konstrukcích. Ve vakuu se zvuk nešíří vůbec. Pro šíření a chování zvuku je velmi důležitá vlnová délka, vyjadřující vzdálenost dvou sousedních míst s největší hodnotou akustického tlaku. Mezi frekvencí f a vlnovou délkou λ platí vztah λ = c/f, kde c je rychlost zvuku. Znalost změny vlnových délek při rozdílných frekvencích je důležitá pro navrhování protihlukových opatření. Pro popis hlukové události je důležitá nejen hlasitost, vyjádřená hladinami hluku (dB), a frekvenční složení (Hz), ale i doba trvání (s). Zobrazení hladin hluku v závislosti na čase (tj. součet akustické energie všech frekvenčních složek v každém okamžiku doby trvání) se nazývá signál nebo časový záznam. Zobrazení hladin hluku v závislosti na frekvenčním složení (tj. součet akustické energie každé frekvenční složky za celou dobu trvání) se nazývá spektrum. Hladiny dopravního hluku jsou v čase proměnné a proto se definují charakteristické hladiny, které se počítají pro hluk, jehož hladina akustického tlaku se mění v čase o více než 5 dB. Je definována např. ekvivalentní hladina hluku, hladina hlukové expozice SEL, nebo procentní hladina hluku (tedy hladina překročená v určitém procentu doby uvažovaného časového intervalu). Působí-li současně více zdrojů hluku, jejich akustické energie (nikoliv decibelové hladiny) se sčítají. Označíme-li výslednou hladinu L, pak je výsledná hodnota dána vzorcem L1 L2 10 10 L = 10 log 10 + 10
[ dB ] ,
kde L1, L2 jsou hladiny hluku dílčích zdrojů v dB. Je-li rozdíl dvou hladin větší než 6 dB, zvýší se výsledná hladina hluku o méně než 1 dB, je-li rozdíl dvou hladin větší než 10 dB, zvýší se výsledná hladina o méně než 0,5 dB. Jsou-li zdrojem hluku např. dva různé dopravní prostředky, zvýší se hladina hluku velmi málo, proto je z hlediska hlukové zátěže výhodné sdružovat různé druhy dopravy do dopravních koridorů. Působí-li současně více stejných zdrojů hluku (např. stejných vozidel), zjednoduší se vzorec pro výslednou hladinu hluku takto:
L = L Z + 10 log n , kde Lz je hladina hluku základního zdroje (jednoho vozidla) a n je počet zdrojů [1].
4
3. Účinky hluku na člověka Protože sluchový orgán má nelineární vlastnosti pro všechny veličiny, kterými můžeme hluk popsat, je jeho měření a zejména hodnocení značně složité. Bylo vyvinuto množství způsobů, z nichž každý je opodstatněný za určitých podmínek. Hluky stejných hlasitostí, ale různých frekvencí, jsou subjektivně vnímány jako různě hlasité. Např. hluk železniční dopravy, u kterého se frekvence jeho významných složek pohybuje kolem 2 kHz, je vnímán méně rušivě, než hluk silniční dopravy, u kterého se frekvence významných složek pohybuje kolem 5 kHz. Pro posouzení vlivu na člověka se proto při úpravě měřených veličin používá váhový filtr A, kterým se jednotlivým frekvenčním složkám přisuzuje různá váha, úměrná jejich vnímání člověkem. Základní veličinou určující účinek hluku na člověka je intenzita hluku. Člověk se necítí dobře v prostředí s nezvykle nízkou hladinou zvuku. Měří se v decibelech. Hodnoty kolem 20 dB považuje většina lidí za hluboké ticho. Hladina 30 dB je hodnocena jako příjemné ticho. Od 65 dB výše se již začínají nepříznivě projevovat účinky hluku zejména změnami vegetativních reakcí. Při trvalém pobytu v prostředí, kde hladiny akustického tlaku dosahují 85 dB, již vznikají trvalé poruchy sluchu. Současně se ve větší míře projevují účinky na vegetativní systém a celou nervovou soustavu. Při 130 dB se obvykle účinky hluku mění na bolesti ve sluchovém orgánu. K protržení bubínku dochází při hladinách kolem 160 dB [1] Zvuk
Hladina hlasitosti [Ph] = hladina intenzity zvuku [dB]
Zvukový práh Šelest listí Šum listí Pouliční hluk v tichém předměstí Tlumený rozhovor Normální pouliční hluk Hlasitý rozhovor Hluk na silně frekventovaných ulicích velkoměsta Hluk v tunelech podzemních železnic Hluk motorových vozidel Maximální hluk motorky Hlasité obráběcí stroje Startující letadlo ve vzdálenosti 1 m Hluk působící bolest
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130
Tab. 1. Hladina hlasitosti některých typických zvuků [2] Nebezpečí hluku spočívá v tom, že lidský organismus nemá prakticky proti působení akustických signálů významnější obranné funkce, jako třeba u zraku, kde při silné intenzitě světla jednoduše zavřeme oči. U zvuku tato přirozená obrana neexistuje. Problém ochrany proti hluku dále nespočívá pouze v technickém řešení, ale velkou roli zde hraje také ekonomika. Je proto nutné vždy zvolit kompromis mezi technickými a ekonomickými možnostmi, přičemž kritériem pro rozhodování jsou hlukové hygienické předpisy.
5
4. Závazné předpisy týkající se hluku Základním zákonem je zákon 258/200 Sb. o ochraně veřejného zdraví, který stanovuje, že hluk vzniká provozem na pozemních komunikacích (§ 30), a dále, že správce nebo provozovatel komunikace odpovídá za dodržování hygienických limitů (stanovených vyhláškami dle § 34), resp. za dodržení rozumně dosažitelné míry, tj. poměru mezi náklady na protihluková (protivibrační) opatření a snížením hlukové (vibrační) zátěže. Nařízení vlády 205 ze 27. 11. 2000 o ochraně zdraví před nepříznivými účinky hluku a vibrací, uveřejněné v částce 146/2000 Sb. stanovuje nepřekročitelné hygienické imisní limity hluku a vibrací na pracovištích, ve stavbách pro bydlení, ve stavbách občanského vybavení, ve venkovním prostoru, a dále způsob jejich měření a hodnocení. Emisní hodnoty hluku stanoví zvláštní právní předpisy, jako je např. nařízení vlády o technických podmínkách provozu silničních vozidel a strojních zařízení. Dále jsou to normy, jako např. ČSN ISO 3095 „Akustika. Měření hluku vyzařovaného kolejovými vozidly“. toto nařízení se nevztahuje na hluk z běžného užívání bytu, na hlasové projevy lidí a zvířat, hudební projevy a hluk z činnosti osob na veřejných prostranstvích, pokud se nejedná o hluk z veřejné produkce hudby nebo o hluk působený výrobní nebo jinou podnikatelskou činností osob. Dále se nevztahuje na ojediněle se vyskytující hlukové události a na hluk a vibrace uvnitř dopravních prostředků s výjimkou pracoviště jejich obsluhy. Venkovním prostorem se rozumí prostor ve vzdálenosti 2 m od stavby pro bydlení nebo stavby občanského vybavení a prostor, který je využíván k rekreaci, sportu, léčení, zájmové a jiné činnosti, s výjimkou komunikací a prostor vymezených jako venkovní pracoviště. To znamená, že tyto limity neplatí pro hluk na komunikacích, zastávkách, nádražích, některých chodnících atd. [1].
5. Dopravní hluk Dopravní hluk je časově proměnný hluk se spojitým proměnným spektrem, ale vždy klesajícím směrem k vyšším frekvencím. Na jeho intenzitu má vliv: •
rychlost vozidla,
•
technický stav vozidla a dopravní cesty,
•
počet vozidel za uvažovaný interval a
•
vzdálenost sledovaného bodu od zdroje hluku.
Šíření hluku je dále ovlivňováno: •
tvarem a povrchem terénu,
•
umístěním, rozměry a povrchem překážek přírodních i umělých,
•
klimatickými podmínkami (déšť, sníh, vítr) a charakterem zdroje hluku.
Dále rozeznáváme zdroje hluku •
bodové (jednotlivé vozidlo),
•
liniové (souvislý proud vozidel, dlouhý vlak),
•
plošné (nádraží, velká křižovatka).
6
Dopravní hluk je složen z mnoha dílčích hluků, jejichž zdrojem jsou všechny pohybující se součásti. Protože se vozidlo pohybuje po dopravní cestě, přenáší se chvění i do ní a šíří se dále okolní zeminou ve formě vibrací. Hluk je tedy nejen přímo vyzařován vozidlem i jízdní dráhou jako vzdušný hluk, ale ve formě vibrací může působit na stavby v jeho dosahu, které rozechvívá, popřípadě může rozkmitáním plošných prvků způsobit tzv. sekundární hluk.
Obr. 1. Schéma šíření hluku a vibrací z kolejové dopravy [1]
6. Hluk z tramvajové dopravy 6. 1. Hluk kolejových vozidel obecně Tramvajová doprava patří mezi kolejové dopravní prostředky. Hluk způsobovaný kolejovými vozidly lze obecně rozdělit do čtyř skupin s odlišnými vlastnostmi: •
valivý hluk, vyvolaný valením kola po kolejnici a nerovnostmi povrchů kola a kolejnice, a hluk podvozku,
•
hluk motorů u hnacích vozidel – hluk trakčních motorů, chlazení, kompresorů, sání, atd., hluk z kmitání vozové skříně a pomocných agregátů – ventilace, klimatizace, osvětlení, atd.
•
aerodynamický hluk a hluk sběrače při styku se vzduchem a s trolejovým vedením,
•
ostatní, lokální dopravní hluky – hluk brzd a brždění, hlášení rozhlasu, výstražné návěsti, hluk zabezpečovacích zařízení apod.
7
První tři jmenované typy hluku působí v každém místě dopravní cesty. Míra rušivosti všech hluků se předpovídá poměrně obtížně. Naproti tomu uvedené zvuky bývají často nezbytné pro bezpečnost provozu. Valivý hluk, hluk hnacího stroje a aerodynamický hluk jsou emitovány v různých výškách a jsou každý jinak závislý na rychlosti jízdy. Závislost nárůstu hlučnosti L2 - L1 na zvýšení rychlosti jízdy z V1 na V2 je obecně dána vztahem V L 2 − L 2 = c v ⋅ log 2 V1
[dB ] ,
kde cv = 10 pro rychlosti do 60 km/h, kde převažuje valivý hluk, cv = 30 pro rychlosti v rozmezí 60 – 280 km/h, kde převažuje hluk hnacího stroje, cv = 70 pro rychlosti nad 280 km/h, kde převažuje aerodynamický hluk. Limitní rychlosti cv závisí i na dalších vlivech, např. vozovém parku. Pro tramvajovou dopravu se uvažuje první případ. Pro běžné rychlosti železniční dopravy můžeme uvažovat, že hlučnost roste zhruba se třetí mocninou rychlosti. Při nižších rychlostech, jako je tomu u tramvajové dopravy (běžně uvažovaná rychlost kolem 40 km/h) není vliv rychlosti tak významný [1]. Pro navrhování protihlukových opatření je třeba vzít v úvahu i výšky, ve kterých jsou emitovány jednotlivé druhy hluku. Valivý hluk je emitován ve výšce maximálně 1 m, hluk hnacího stroje ve výšce od 1 do 4 m. Aerodynamický hluk vzniká od 4 m výše, hluk sběrače od 5 m výše. Procentní složení emitovaného hluku je u tramvajové dopravy představuje z 85 % valivý hluk a z 15 % hluk hnacího stroje, aerodynamický hluk se příliš neuplatňuje.
6.2. Výpočet dopravního hluku u tramvajové dopravy Měření hlučnosti pomocí výpočetní techniky je nejpřesnější možnou metodou, její použitelnost je ale omezená. Vzhledem k nutnosti zjišťování dlouhodobých ekvivalentních hladin hluku jsou měření časově, a tedy i ekonomicky, náročná při větší rozsahu, např. u hlukových map, prakticky neproveditelná. Proto byly vypracovány metody výpočetního stanovení ekvivalentní hladiny hluku na základě zadávání parametrů, které můžou definovat stávající i výhledový stav. Výpočetní hladiny z kolejové i nekolejové dopravy se v České republice nejčastěji počítají pomocí programu Hluk+, který vychází z metodických pokynů pro výpočet hladin hluku v dopravě. Výhodou tohoto programu je jednoduchost, malé nároky na kapacitu disku a uvažování českého vozového parku, nevýhodou je, v některých oblastech už omezené, možnosti diferenciace zadaných parametrů. Existují také rozsáhlejší programy, jako Mithra, Soundplan, atd., které jsou vhodné pro posuzování delších úseků staveb a umožňují zpracování digitálních map terénu a větší množství zadávaných parametrů ve více variantách [1]. Výpočet ekvivalentní hladiny hluku z tramvajové dopravy se provádí následujícím způsobem. Základní (výpočetní) ekvivalentní hladina hluku z tramvajové dopravy Y ve vzdálenosti 7,5 m od osy kolejí (koleje) se vypočte podle vzorce Y = 10 ⋅ log X + 40
[dB]
8
X = 44,5 ⋅ F5 ⋅ m
,
kde součinitel F5 zahrnuje vliv rychlosti (je uvažováno pouze pro hodnoty rychlostí 30, 60 a 80 km/h) a částečně vliv konstrukce tramvajové tratě, ale bez uvažování způsobu upevnění. F5 = 0,25 pro V = 30 km/h – tramvajová trať s otevřeným štěrkovým ložem, tramvajová trať zakrytá živičným kobercem, nebo tramvajová trať na panelech BKV, F5 = 0,50 pro V = 30 km/h – tramvajová trať zakrytá panely, F5 = 1,00 pro V = 60 km/h a všechny typy tratí, F5 = 1,65 pro V = 80 km/h a všechny typy tratí. m je počet tramvajových vlaků, které projedou uvažovaným profilem za hodinu. Hodnota Y platí pro dvouvozovou tramvajovou soupravu bez tyristorové regulace, pro jiné typy tramvajových vlaků je třeba použít korekce. Vypočtené hodnoty základní ekvivalentní hladiny hluku Y je třeba dále korigovat vzhledem k situaci posuzovaného bodu, zejména vzhledem ke vzdálenosti od osy koleje, výšce nad terénem, pohltivosti povrchu terénu a vlivu dalších faktorů, jako je zeleň, nízká nebo vyšší souvislá zástavba, brždění v blízkosti zastávek, jízda po mostech, veškeré překážky apod. [1].
6.3. Šíření hluku od zdroje Pro navrhování protihlukových opatření je nutné vědět, jak se hluk šíří daným prostorem. Hluk kolejové dopravy se od zdroje šíří ve volném prostoru bez překážek podle obrázku 2.
Obr. 2. Izofony hluku z kolejové dopravy [1] Při zvětšení vzdálenosti od zdroje z d1 na d2 se sníží hladina hluku z L1 na L2 podle vztahu d L2 − L1 = cd ⋅ log 2 d1
[dB ] ,
kde
9
cd = 20 pro bodový zdroj, kterým může být jednotlivé vozidlo nebo tramvaj z větší vzdálenosti (např. více než 100 m), což znamená, že při zvětšení vzdálenosti od zdroje hluku na dvojnásobek poklesne hlučnost o 6 dB, ale pouze pro složky hluku s vlnovou délkou menší než je vzdálenost d2 - d1, cd = 10 pro liniový zdroj, kterým může být hustý sled automobilů, dlouhý vlak, nebo tramvaj z velmi malé vzdálenosti, což znamená, že při zvětšení vzdálenosti od zdroje hluku na dvojnásobek poklesne hlučnost o 3 dB, ale pouze pro složky hluku s vlnovou délkou menší než je vzdálenost d2 - d1, a vzdálenosti d1, d2 menší, než je délka liniového zdroje, cd = 0 až 5 pro plošný zdroj, kterým může být velká křižovatka, nádraží. to znamená, že hlučnost v blízkém okolí téměř neklesá, ve větší vzdálenosti od tohoto zdroje poklesne hlučnost o 1 až 1,5 dB při zvětšení vzdálenosti od zdroje hluku na dvojnásobek. Pokud by potřebné snížení hlučnosti mělo být dosaženo pouze vzdáleností obytných budov od komunikace, potom by ve smíšené zóně musely být obytné budovy 120 – 150 m od komunikací a až 500 m od dopravních koridorů [1].
6.4. Šíření hluku v prostoru Při šíření hlukového paprsku dochází k ovlivňování jeho přímočarého šíření vlivem odrazu od překážek, ohybem v prostředí s měnícími se fyzikálnímu vlastnostmi nebo lomem při přechodu z jednoho prostředí do jiného prostředí (s odlišnými fyzikálními vlastnostmi), přičemž se uplatňují základní zákony fyziky, jako např. zákon zachování energie. Odraz nastává při šíření hlukového paprsku proti překážce. Intenzita odražené vlny závisí na pohltivých vlastnostech odrazné plochy a na vlnové délce signálu. V případě rovinné plochy, jejíž rozměry jsou podstatně větší než vlnová délka dopadající vlny, lze užít zákona odrazu, podle kterého se úhel odrazu rovná úhlu dopadu. Odraz zvuku vyvolá před překážou koncentraci akustické energie, která se projeví zejména vzestupem akustického tlaku. Lom paprsku nastává tehdy, postupuje-li paprsek do jiného zvukového prostředí. Úhel lomu je závislý na velikosti změny rychlosti šíření hluku c v novém prostředí. Protože zejména ve stavebních materiálech je úhel lomu velký, může při určitém mezním úhlu dopadu nastat úplný odraz, resp. zvukový paprsek vstoupí do takového prostředí pouze při kolmém nebo téměř kolmém dopadu, zatímco ostatní paprsky jsou odraženy. Ohyb šířících se zvukových vln je vlastně důsledkem fyzikálního zákona zvaného Huygensův princip. Podle něj každé místo na hraně překážky je fiktivním zdrojem nového elementárního vlnění. Složením (interferencí) všech dílčích účinků se v určitém směru vlnění zesiluje, a v jiných směrech ruší – dostáváme tak vlastně změnu směru šíření – ohyb zvukových vln. Velikost odchýlení zvukového paprsku od původního směru šíření, resp. vzdálenost s, do které působí tlumící vliv překážky, je závislá na vlnové délce postupujícího signálu λ a na délce překážky D. Za překážkou vzniká akustický stín, kdy se na odvráceném (zadním) povrchu překážky projeví pokles akustického tlaku přibližně o tolik dB, o kolik se akustický tlak zvýšil před překážkou. Snížení akustického tlaku je závislé i na vlnové délce. Dopadne-li hluková vlna na povrch překážky, můžou tedy nastat tyto situace: •
část energie je odražena zpět,
10
•
část proniká do hmoty, je pohlcena materiálem a buď přeměněna ve hmotě překážky na tepelnou energii, nebo na chvění, které se může přenášet do přilehlých konstrukcí,
•
část energie prochází dál (póry a otvory v překážce).
Poměr odražené, pohlcené a dále přenesené energie závisí na: •
velikosti překážky (tedy na všech třech rozměrech)
•
akustických vlastnostech překážky – materiálu i povrchu
•
vlnové délce dopadajícího zvuku.
Poměry jednotlivých energií jsou důležitými charakteristikami např. protihlukových stěn. Překážka samozřejmě ovlivní zvukovou vlnu pouze tehdy, je-li její nejmenší rozměr větší něž vlnová délka. Vysoké frekvence s malými vlnovými délkami lze ztlumit podstatně snáze než nízké frekvence s velkými vlnovými délkami. Hluky s vlnovou délkou několik metrů často procházejí stěnami budov a jejich tlumení je velmi obtížné. Útlum hluku překážkou závisí na •
výšce,
•
délce D a hmotnosti překážky,
•
vlnové délce hluku,
•
druhu zdroje hluku (bodový, liniový)
•
vzdálenosti zdroje od překážky (čím je zdroj dál, tím je překážka relativně nižší), resp. na efektivní výšce překážky h (tj. výšce nad spojnicí zdroje hluku a posuzovaného bodu).
Obr. 3. Efektivní výška protihlukové bariéry [1]
11
Ochranný účinek překážky je tím vyšší, v čím hlubším jejím akustickém stínu posuzovaný bod leží. Pro účinnou ochranu před hlukem je důležitá podélná délka překážky (např. stěny podél tramvajové tratě).
7. Protihluková opatření Pro veškerá protihluková opatření platí základní pravidlo „Kam je vidět, tam se dostane i hluk“. Překážka tedy musí být bez otvorů. Protihluková opatření se dělí na aktivní a pasivní. Aktivní opatření snižují hlukové emise zdroje, pasivní opatření chrání obyvatele okolí před nadměrnou hlukovou zátěží.
7.1. Aktivní protihluková opatření Aktivní protihluková opatření jsou •
urbanistická
•
architektonická
•
dopravně organizační
•
technická
Urbanistická opatření spočívají v optimalizaci přepravních nároků, komplexním řešení obytných zón včetně dopravního systému, optimalizaci dopravní obsluhy, vhodné dislokaci objektů podle jejich účelu atd. V praxi to znamená například, že silně zatížené komunikace je třeba vést zásadně mimo obytné a historické zóny. Oblasti, které vyžadují zvláštní akustickou ochranu (zdravotnictví, školství), situovat mimo silně zatížené komunikace, dopravu soustředit do dopravních koridorů a podle nich nechat dostatečný prostor pro ochranná opatření. Velké dopravní plochy (nádraží, terminály MHD) je vhodné situovat dostatečně daleko od chráněných zón. Blíže k frekventovaným komunikacím je vhodné situovat objekty, které nevyžadují protihlukovou ochranu (sklady apod.) ale naopak samy můžou jako protihluková bariéra sloužit. Ve městech je nutné preferovat MHD před individuální dopravou. Architektonická ochrana spočívá ve vhodném situování budov a jejich vnitřních prostor vzhledem k poloze vůči komunikacím. Objekty postavené rovnoběžně s komunikací jsou zasaženy hlukem jen z jedné strany, objekty situované kolmo ke komunikaci jsou hlukem zasaženy z obou stran, navíc se hluk mezi nimi odráží. Souvislé objekty postavené rovnoběžně s komunikací vytvářejí účinnou překážku, za kterou se vytváří klidová zóna – akustický stín. Nelze-li jako překážku využít nebytové objekty, je vhodná zástavba tzv. bariérovými domy. Vhodné je také výškové členění zástavby tak, aby směrem od komunikace její výška rostla. Dopravně organizační opatření zahrnují např. omezení rychlosti jízdy, zvláště v noční době, zkvalitňování a různé formy preference hromadné dopravy, vhodné vedení a řízení dopravy apod. Technická opatření spočívají ve snížení hlukové emise vozidla i jízdní cesty. U vozidel se používají různé tlumiče a odpružení, kapotáž pojezdu, změna materiálu sběrače, udržování vozidla v dobrém technickém stavu apod. U jízdní dráhy lze použít celou škálu méně hlučných konstrukcí, a zajistit kvalitní údržbu. Zejména u tramvajové dopravy vyzařovaný hluk úzce souvisí i s kvalitou koleje.
12
7.2. Pasivní protihluková opatření Pasivní protihluková opatření můžou být vložena do konstrukce koleje, umístěna podél tratě, nebo přímo na objekty, které je třeba chránit. Protihlukovou ochranu přímo na objektech tvoří hlavně okna s více skly (2 - 3), okna s mezivrstvou speciálního plynu, speciální protihlukové fasády, předsazené fasády, apod.
7.2.1. Úpravy tramvajového kolejiště Nejjednodušším opatřením na zmírnění hluku a vibrací jsou úpravy upevnění kolejnic. Na obrázku 4 je znázorněn moderní způsob bezpodkladnicového upevnění tramvajové kolejnice na pražec TB 93. Kolejnice je (na rozdíl od dříve užívaných pevných systémů upevnění) upevněna pomocí pružných svěrek a od betonového pražce je izolována pryžovou podložkou.
Obr. 4. Bezpodkladnicové upevnění koleje[1] Další jednoduchou úpravou na snížení hlučnosti a vibrací je obložení kolejnic tlumícími prvky. Bokovnice mají buď plný profil, nebo s otvory, vždy přesně tvarovaný do spojkové komory. Tlumící efekt mají pouze tehdy, jsou-li dokonale připevněné k profilu kolejnice. Používají se obvykle bokovnice z porézních materiálů, např. drcené recyklované pryže, kterými je vyplněn prostor kolem stojiny kolejnice. Ke kolejnici se pryžové části obvykle lepí Chemoprénem. V úrovni vozovky se provádí asfaltová zálivka, čímž dojde k dostatečně kvalitnímu a pružnému spojení s krytem vozovky v okolí kolejnice, takže se v tomto místě netvoří trhliny. Tento systém se používá při rekonstrukcích i při novostavbách.
13
Obr. 5. Ukázka antivibračního systému Sedra. A – spodní tlumící ložisko k prvnímu tlumení, B – tlumící vrstva pro druhé tlumení, C – vysoce hmotné těleso plnící komoru pro boční tlumení (bokovnice), D – bitumenní-adhezivní zálivka spár[3]. Při novostavbách, ale i při rozsáhlejších rekonstrukcích komunikací a křižovatek, se přistupuje ke zcela nové konstrukci kolejového uložení. Základem je jakási „vana“ asi 75 cm hluboká, po stranách tvořená betonovými prefabrikáty o průřezu ve tvaru „L“ (viz obr. 6). Na dno této „vany“ se pokládají ve 2-3 vrstvách speciální antivibrační rohože s dutinami, vyrobené rovněž z recyklované pryže. Na tyto rohože je položena vrstva hrubého a další vrstva jemnějšího štěrku. Do této vrstvy se pokládají betonové pražce, na které se bezpodkladnicově upevňují kolejnice. Kolejnice jsou v bezstykovém provedení, vždy po několika stech metrech délky jsou opatřeny dilatačními spárami (kvůli tepelné roztažnosti). Prostor mezi pražci bývá vyplněn betonem a plocha mezi kolejnicemi je vyplněna vhodným krytem – dlažba, živice, atd. Tak lze snížit hlučnost tramvajové tratě až o 9 dB, tedy o celých 90 % původního stavu.
Obr. 6. Průřez tělesem odhlučněné tramvajové tratě v Letenské ulici v Praze[4]
14
Obr. 7. Pokládka protivibračních rohoží a výstavba protihlukové „vany“ v Letenské ulici na Malé Straně v Praze, v místech, kde tramvajová trať prochází barokním domem [4].
V zahraničí se používají i další způsoby konstrukce odhlučněných tramvajových tratí. Jednou z nich je trať na monolitické betonové desce, na kterou jsou položeny a upevněny kolejnice, hlukově izolované opět pomocí bokovnic. Pro stabilizaci správného rozchodu jsou kolejnice spojeny ocelovými rozchodnicemi. Prostor mezi kolejnicemi je opět vyplněn další vrstvou betonu a zakryt živičným krytem. Průřez takovou tratí ukazuje obr. 8. Obdoba této konstrukce trati se u nás nachází v Praze v ulici Na poříčí. Tam jsou do monolitické desky vloženy asi ve 2 m vzdálenostech standardní betonové pražce, sloužící k upevnění kolejnic a stabilizaci rozchodu. V takovém případě není nutné používat rozchodnice.
Obr. 8. Průřez tratí na monolitické betonové desce [5]
15
Obr. 9. Detail provedení tratě z předchozího obrázku v místě mezi pražci, v místě rozchodnice (která je rovněž hlukově izolována) a v místě upevňovadel [5]. Další, a z architektonického i ekologického hlediska velmi vítanou, možností jsou zatravněné tramvajové tratě. Využívá se tady zvukopohltivého efektu zeminy. Základem takové tratě je opět protihluková vana a štěrkové lože, které je zhotoveno do výše horní plochy pražců. Kolejnice jsou opět opatřeny pryžovými bokovnicemi, příp. i rozchodnicemi. Pražce jsou pokryty geotextilií a prostor mezi kolejnicemi je vyplněn zeminou a opatřen zpravidla předpěstovaným travnatým kobercem. Zemina se v tramvajové trati může umístit přímo ke kolejnicím. Pro usnadnění údržby upevňovacích prvků je výhodnější zakrytí upevňovacích šroubů buď širším provedením bokovnic, ve kterých je vhodná dutina pro šrouby, nebo zakrytí šroubů speciálními betonovými prefabrikáty. Toto řešení navíc umožní v případě potřeby pojíždění údržbových nekolejových vozidel (např. trolejových věží) po zatravněné trati – poškození trávníku je mnohem menší.
Obr. 10. Průřez zatravněnou tramvajovou tratí na středním dělícím pásu komunikace[1] V zahraničí se používají zatravněné tratě i jiných konstrukcí, např. trať na monolitické betonové desce, s vrstvou štěrku mezi pražci, kde je travnatý koberec uložen na tenčí vrstvě zeminy položené na štěrku. Další možností je vedení tratě na klasických železničních kolejnicích, které jsou
16
viditelné včetně stojiny. Travnatý koberec je tedy umístěn níže, v úrovni upevňovacích prvků, pouze několik centimetrů nad horní stranou pražců – viz obr. 11.
Obr. 11. Zatravněná trať se železničními kolejnicemi a sníženou úrovní travního koberce[5]
Obr. 12. Zatravněná trať na betonové desce[5] Dalšími možnostmi, jak snižovat hlučnost a vibrace, zejména v křižovatkách, je používání pružinových jazyků výhybek místo jazyků čepových. U čepových jazyků dochází k vytloukání čepu jazyka, což je jednak spojeno s charakteristickým hlukem a vibracemi, a jednak s dřívějším opotřebením. To u pružinových jazyků do značné míry odpadá. Mají až třikrát delší životnost a jízda po nich je výrazně tišší a plynulejší. V menší míře se na celkové hlučnosti tramvajové dopravy podílí i hluk vznikající pohybem sběrače po trolejovém vedení. Lze mu předejít vhodnými úpravami lišty sběrače, např. nahrazením dříve rozšířených hliníkových lišt uhlíkovými. Vibrace vznikající třením sběrače o trolej se po nosných lanech přenášejí do okolních budov, na jejichž zdích jsou nosná lana zavěšena. Aby tím nebyli uživatelé budov rušeni, umísťují se do převěsů v závěsných růžicích tlumiče s pryžovou výplní (starý způsob). Moderní tlumení spočívá v instalaci speciálních plastových parafilových lan, která můžou být použita buď v celé délce převěsu, nebo jen u závěsných růžic, v kombinaci z ocelovým lanem. Zároveň tato lana slouží jako elektrická izolace. 7.2.2. Protihlukové bariéry Protihlukové bariéry podél tramvajových tratí jsou prakticky totožné s bariérami užívanými na železnici nebo v silniční dopravě. Jsou dosud nejběžnější ochranou před dopravním hlukem všeho druhu. Lze je rozdělit podle několika hledisek: 1. podle míry využití konfigurace terénu (zářezy, tunely atd.) nebo navržení dodatečných protihlukových úprav,
17
2. podle hmotnosti a technického provedení na •
hmotné – zemní valy, pásy zeleně
•
tenké – bariéry deskového tvaru ze stavebních materiálů – stěny, zídky apod.
Z hlediska využití ochrany proti dopravnímu hluku je vhodné využití konfigurace terénu, tedy vedení trasy v zářezu, případně tunelu, částečně nebo úplně zakrytém. Stejného efektu lze dosáhnout dodatečným zřízením zemních valů, které jsou však náročné na potřebný prostor. Zmenšení šířky zemního valu lze dosáhnout použitím valu z vyztužené zeminy nebo valu vyztuženého betonovými, obvykle krabicovými prvky. Zesílení clonícího i estetického účinku lze dosáhnout ozeleněním svahů zářezů nebo zemních valů. Je-li komunikace vedena údolím, vzhledem k vodním tokům obvykle na náspu, zasáhne hluk celý nechráněný prostor, který ovšem bývá často prakticky neochranitelný.
Obr. 13. Protihlukové valy u tramvajové tratě[1] Akustické vlastnosti clony závisí na její hmotnosti. zemní valy patří mezi hmotné clony, které mají tloušťku i výšku srovnatelnou a tlumící efekt se dosahuje objemem materiálu.
Obr. 14. Ukázka tenké bariéry z plastových průhledných desek [6] Tloušťka tenkých clon je proti délce a výšce malá, tlumicí efekt se dosahuje především akustickými vlastnostmi materiálu clony.
18
Obr. 15. Zvukopohltivá bariéra opatřená dřevěným obkladem [6]
Obr. 16. Hliníková protihluková stěna [6] Protihlukovou stěnu tvoří nejčastěji obdélníkové panely z různých materiálů, vkládané mezi ocelové nebo betonové nosné prvky. Pro zvýšení účinnosti bývají někdy obloženy pohltivým materiálem. Podle základního materiálu panelů se rozlišují stěny: •
betonové,
•
dřevěné – s ochranou proti povětrnostním vlivům,
•
ocelové – s antikorozní ochranou,
•
hliníkové – s povlakem nebo nátěrem,
•
průhledné, ze speciálního skla nebo plexiskla (nutná ochrana drobného ptactva)
•
plastové – odolné proti povětrnostním vlivům, které nesmí způsobit změnu tvaru nebo barvy,
•
z cihlářských prvků
•
kombinované, např. betonové nebo cihlářské prvky vyplněné zeminou, ozeleněné stěnové prvky, atd.
Zvýšení absorpce odrazivých povrchů panelů lze dosáhnout použitím
19
•
povrchové vrstvy (obkladu) vytvořené při výrobě nebo dodatečně z minerální vaty pokryté latěmi, porézního keramického materiálu, drcené pryže, dřevěných třísek spojených cementem, expandovaného jílu apod.
•
perforovaných ocelových, hliníkových nebo plastových krabic naplněných minerální vatou.
Protihlukové clony jako celek musí splňovat různé technické požadavky. k nim patří zejména požadavky na: •
zvukotechnické vlastnosti – neprůzvučnost, pohltivost,
•
stabilitu, tvarovou a rozměrovou stálost, plošnou hmotnost (min. 10 kg/m2), rozměrové tolerance, limity průhybu, atd.,
•
odolnost proti stárnutí a korozi (pokud nejde zajistit jinak, je nutný ochranný nátěr),
•
stálobarevnost po dobu životnosti,
•
odolnost proti ohni, odolnost proti vrženému kameni,
•
nenáročnost na údržbu – snadné čištění jednoduchou mechanizací, snadná výměna při poškození prvku.
7.2.2.1. Zvukotechnické parametry hlukových bariér Zvukotechnické požadavky jsou pro protihlukové clony u dopravních staveb předepsány jako minimální zaručené hodnoty vzduchové neprůzvučnosti (koeficientu průzvučnosti) a zvukové pohltivosti (koeficientu zvukové pohltivosti). Vzduchová neprůzvučnost ∆LAR [dB] je rozdíl energie (hladiny hluku) dopadající na povrch překážky přivrácený ke zdroji hluku a energie (hladiny hluku) vyzářené odvráceným povrchem této překážky. Vzduchová neprůzvučnost se týká pouze zvuku šířícího se vzduchem, nikoliv chvěním. Minimální požadovaná neprůzvučnost je definována tzv. referenčním spektrem (viz tab. 2) nebo celkovou hodnotou ∆LARmin = 25 dB. Vzduchová neprůzvučnost clon bývá zpravidla 10 až 50 dB. Je-li plošná hmotnost clony 40 kg/m2 a vyšší, není třeba tento parametr posuzovat [1]. f [Hz]
100
125
250
500
1000
2000
4000
∆LAR [dB]
10
12
18
24
30
35
35
Tab. 2. Hodnoty požadované vzduchové neprůzvučnosti při daných frekvencích [1] Koeficient průzvučnosti τ je poměr energie vyzářené rubovou stranou clony k dopadající energii. Koeficient průzvučnosti je bezrozměrné číslo mezi 0 a 1. Hodnota 0 znamená, že žádná energie neprojde na rubovou (od zdroje hluku odvrácenou) stranu bariéry. 1 znamená, že veškerá energie projde na rubovou stranu. Zvuková pohltivost ∆LAα [dB] je rozdíl energie (hladiny hluku) dopadající na povrch překážky přivrácený ke zdroji hluku a energie (hladiny hluku) vyzářené stejným povrchem zpět. Podle velikosti ∆LAα se rozlišují clony:
20
•
odrazivé s ∆LAα < 4 dB,
•
pohltivé s ∆LAα v rozmezí od 4 dB do 8 dB,
•
vysoce pohltivé s ∆LAα > 8 dB.
Nově projektované bariéry jsou většinou požadovány a navrhovány jako pohltivé. Koeficient zvukové pohltivosti α je poměr pohlcené energie k dopadající. Je to opět bezrozměrná veličina mezi 0 a 1. 0 znamená, že veškerá zvuková energie je povrchem bariéry odražena, 1 znamená, že veškerá energie je pohlcena. Koeficient α se stanovuje pro danou konstrukci jako celek. Minimální koeficient zvukové pohltivosti stanovuje (pro pohltivé clony) tabulka 3. f [Hz]
100
125
250
500
1000
2000
4000
α
0,2
0,3
0,5
0,8
0,9
0,9
0,9
Tab. 3. Požadované hodnoty koeficientu zvukové pohltivosti při daných frekvencích [1]
7.2.3. Účinky zeleně Zeleň dobře tlumí frekvence nad 5 kHz, proto není pro útlum dopravního hluku příliš účinná. Pásy zeleně se obvykle používají v kombinaci s jinými protihlukovými opatřeními, jako samostatné musí být širší než 20 m. Výhodou zeleně je velká celková plocha listů natočených různými směry, estetické působení, pohlcování exhalací a prachu, ovlivňování mikroklimatu, zvlhčování vzduchu, a další funkce. Nevýhodou zeleně jsou změny akustických vlastností v průběhu roku (lze to omezit vhodnou skladbou dřevin), nároky na plochu a potřeba trvalé údržby. Z těchto důvodů jsou nejběžnější uměle vybudované protihlukové bariéry (zemní valy, stěny atd.), jejichž častou, ale nikoliv nutnou, nevýhodou bývá jejich málo estetický vzhled nebo necitlivé umístění. To je však spíše otázka architektonického řešení.
21
8. Závěr Závěrem je možno říci, že rozmanité technické prostředky, kterými je redukována hluková zátěž z tramvajové dopravy, jsou na značně pokročilé úrovni. Nejen, že jsou schopny plnit svou základní funkci – protihlukovou ochranu, ale zároveň umožňují i příznivé architektonické a estetické ztvárnění tramvajových tratí, čímž výrazně přispívají k lepšímu životnímu prostředí zejména v hustě obydlených městských částech. Pomáhají tím také vytvářet příznivý postoj obyvatel k tramvajové dopravě, zejména u novostaveb.
22
9. Použité informační zdroje [1] KREJČIŘÍKOVÁ, H., ŠPAČKOVÁ H.: Dopravní stavby – Část: Kolejová doprava. Praha, Vydavatelství ČVUT, 2003. 75 s. ISBN 80-01-02444-X . [2] STEINER, D.: Akustika. Seminární práce z fyziky [online]. [cit. 2003-03-04] Dostupné z WWW: < http://www.steiner.cz/david/akustika/ >. [3] Firemní informační materiál SEDRA ASPHALT TECHNIK BIEBRICH: SEDRA SDS – Systém pokládání kolejnic tlumící vibrace pro tramvajové koleje. [4] Firemní informační materiál SEDRA ASPHALT TECHNIK BIEBRICH: Technické sdělení č. 7.8/11.96, Pracovní obor – kolejnice, SEDRA SDS, Systém uložení tramvajových kolejí tlumících chvění kolejnic „provedení Praha“. [5] Firemní informační materiál Art of…Sound of…Kind of…SILENCE – Neue Wege schaffen – mit zukunftsweisenden Lösungen, Polyplan GmbH. [6] Obrázky firmy LAND Co. Zlín, s.r.o., systémy protihlukových stěn [online]. [cit. 03-042003]. dostupné z WWW: < http://www.volny.cz/landco/ >.
Poznámky: • Chybí souhlas se zveřejněním Velmi pěkná práce, hodnocení: nezveřejňuje se 10. 5. 2004 JM
23
