Metoda oceny środków transportu z punktu widzenia oddziaływania drgań na człowieka w otoczeniu dalszym

Mirosaw Nader

Politechnika Warszawska, Wydzia Transportu

Edyta Purta

Transportowy Dozór Techniczny

METODA OCENY RODKÓW TRANSPORTU

Z PUNKTU WIDZENIA ODDZIAYWANIA DRGA

NA CZOWIEKA W OTOCZENIU DALSZYM

Streszczenie: W artykule zaprezentowano metod oceny rodków transportu komunikacji miejskiej z punktu widzenia oddziaywania drga na ludzi w budynkach. Przedstawiono systemowe ujcie metody bazujcej na modelowaniu zjawisk dynamicznych w ukadzie pojazd – czowiek – otoczenie. Nastpnie opisano kolejne etapy jej opracowania: wykonanie prognozy oddziaywa dynamicznych na podstawie bada symulacyjnych, weryfikacj uzyskanych wyników w oparciu o przeprowadzone badania eksperymentalne, ocen rodków transportu pod ktem wpywu drga na czowieka w budynku. Na przykadzie jednego z obiektów, który wykorzystano do opracowania metody dokonano klasyfikacji pojazdów transportu miejskiego ze wzgldu na stopie oddziaywania drga. Prac podsumowano wnioskami.

Sowa kluczowe: drgania, czowiek, otoczenie

1. WPROWADZENIE

Systematyczny wzrost liczby u ytkowanych pojazdów zwiksza zagro enie rodowiska oddziaywaniem drga, szczególnie w miejscach zagszczenia linii komunikacyjnych oraz zwartej zabudowy. Tematyka ta znalaza odzwierciedlenie w szeregu publikacjach. Wpyw drga rozpatrywany jest jednak gównie jako zagro enie dla operatorów pojazdów oraz budynków i innych obiektów in ynierskich. Znacznie mniej uwagi powica si tematyce oddziaywania drga na ludzi nara onych w sposób poredni, tzn. przebywajcych w budynkach zlokalizowanych w pobli u linii komunikacyjnych. Problem ten dotyczy gównie obszarów w du ych orodkach miejskich, na których w bliskiej odlegoci mog funkcjonowa linie komunikacyjne ró nych rodków transportu: autobusów, tramwajów, pojazdów ci arowych, metra lub kolei. Nale y podkreli, i zgodnie z aktualnym stanem

prawnym eksploatacja linii komunikacyjnych nie mo e powodowa przekroczenia standardów jakoci rodowiska okrelonych w aktach prawnych [7], [8].

Oddziaywania dynamiczne pojazdów przenoszone s przez grunt na budynki, a nastpnie poprzez ich konstrukcj wpywaj na ludzi w nich przebywajcych, którzy odbieraj drgania w sposób bierny. Powoduje to powstanie negatywnych zmian w warunkach zamieszkania, pracy i nauki oraz ewentualnych zaburze zdrowia. Skutki wpywu drga na ludzi w budynkach zale  od przyspieszenia, prdkoci, przemieszczenia, czstotliwoci, kierunku, czasu oddziaywania oraz pory doby. Wa ny jest tak e rodzaj konstrukcji budynku, sposób jego posadowienia oraz ustawienie do róda drga, a tak e pozycja ciaa oraz cechy osobnicze czowieka przebywajcego w budynku.

2. SYSTEMOWE UJCIE METODY OCENY RODKÓW

TRANSPORTU

W dotychczasowych publikacjach dotyczcych problematyki wpywu drga na otoczenie, nie przedstawiono spójnej metody, która umo liwia ocen przydatnoci zastosowania danego rodka transportu komunikacji miejskiej, w okrelonym miejscu, ze wzgldu na oddziaywania dynamiczne. Ocena ta jest istotna szczególnie tam, gdzie istniej lub bd powstaway wzy komunikacyjne z udziaem pocigów metra. W Polsce, w zwizku z poszukiwaniem optymalnych rozwiza komunikacyjnych w transporcie, istnieje potrzeba dalszej rozbudowy linii metra w Warszawie, jak równie jego budowy w innych, du ych orodkach miejskich. W tej sytuacji niezbdne jest stae monitorowanie poziomu propagowanych drga do rodowiska oraz prognozowanie stanu klimatu wibracyjnego w otoczeniu projektowanych linii komunikacyjnych [1]. Przydatna do tego celu jest przedstawiona w pracy metoda pozwalajca na ocen rodków transportu przyjmujc za kryterium oddziaywanie drga na ludzi w otoczeniu dalszym (rys. 1).

Pojazdy komunikacji miejskiej autobusy, tramwaje i pocigi metra stanowi ródo i jednoczenie przyczyn drga. Ich ocena pod ktem przyjtych kryteriów pozwala na sklasyfikowanie rodków transportu jako oddziaujcych negatywnie lub pozytywnie na ludzi w budynkach oraz wartociowanie czy speniaj kryteria sformuowane w normach i aktach prawnych. Proponowana struktura systemu oceny rodków transportu umo liwia zdiagnozowanie stanu rodowiska pod ktem wpywu drga generowanych przez pojazdy, a tym samym okrelenie miejsc, w których nale y podj dziaania zapobiegawcze oparte na rozwizaniach technicznych lub organizacyjnych. Przedstawiona metoda bazuje na modelowaniu zjawisk dynamicznych w ukadzie: rodek transportu – czowiek – otoczenie [3], [4].

Rys. 1. Systemowe ujcie metody oceny rodków transportu

3. METODA OCENY RODKÓW TRANSPORTU

W celu opracowania metody pozwalajcej na ocen rodków transportu z punktu widzenia oddziaywania drga na czowieka i otoczenie wykonano:

ƒ model symulacyjny su cy do bada drga i ich propagacji w ukadzie rodek transportu – czowiek – otoczenie,

ƒ eksperymentaln ocen wpywu drga rodków transportu na czowieka w budynku, ƒ ocen przydatnoci danego typu pojazdu do realizacji zadania przewozowego z punktu

widzenia oddziaywania drga na czowieka w budynku w zdefiniowanych warunkach otoczenia.

Przedstawiona w niniejszej pracy metoda pozwala na okrelenie przydatnoci danego pojazdu do realizacji zada przewozowych w rozpatrywanym cigu komunikacyjnym, traktowanym jako zespó technicznych rodków transportu wykonujcy zadania transportowe do przewozu ludzi (jednym lub ró nymi rodzajami pojazdów cznie). Poprzez zadania transportowe rozumie si bie ce zaspokajanie zbiorowych potrzeb mieszkaców dotyczcych lokalnego transportu rodkami komunikacji miejskiej. Jako kryterium oceny rodków transportu komunikacji miejskiej do wykonywania zada przewozowych, przyjte zostao oddziaywanie drga na ludzi przebywajcych w budynkach.

Pierwszym etapem opracowania metody byo wykonanie prognozy oddziaywa dynamicznych generowanych przez rodki transportu na otoczenie dalsze – budynek i przebywajcych w nim ludzi. Analiz objto oddziaywanie drga generowanych przez

OPRACOWANA METODA OCENA RODKA TRANSPORTU Wpyw drga na budynki

KRYTERIUM Wpyw drga

na ludzi w budynkach NEGATYWNA POZYTYWNA ODDZIA YWANIE NA BUDYNKI ODDZIA YWANIE NA LUDZI Uszkodzenia niekonstrukcyjne Uszkodzenia konstrukcyjne Komfort przebywania RÓD O  PRZYCZYNA ODBIORNIK  SKUTEK

Katastrofy, awarie budowlane

poszczególne pojazdy komunikacji miejskiej: autobusy, tramwaje i metro, a tak e wpyw czny wymienionych rodków transportu. W fazie tej zrealizowano badania symulacyjne, dla potrzeb których przygotowywano zestaw wymusze dynamicznych oraz zamodelowano obiekt poddawany drganiom komunikacyjnym. Po przeprowadzeniu analizy i syntezy otrzymanych wyników, sformuowano prognoz w zakresie oddziaywa dynamicznych badanych rodków transportu na otoczenie dalsze.

Weryfikacj uzyskanych wyników przeprowadzano w fazie II obejmujcej badania eksperymentalne, które przeprowadzano w warunkach rzeczywistej eksploatacji linii komunikacyjnych. Na ich podstawie mo liwe byo sprawdzenie poprawnoci przyjtych wczeniej zao e i wykonanie ostatecznej oceny oddziaywania drga rodków transportu na ludzi przebywajcych w budynku. Powy sze zadanie zrealizowano poprzez waciwy dobór przekrojów i punktów pomiarowych, wykonanie pomiarów w obiekcie przy u yciu specjalistycznej aparatury oraz obróbk i analiz uzyskanych wyników.

Ostatni III faz opracowanej metody jest ocena rodków transportu pod ktem wpywu na czowieka w budynku, na podstawie wyników uzyskanych w poprzednich etapach analiz. W fazie tej dokonywana jest klasyfikacja rodków transportu miejskiego z uwagi na stopie oddziaywania drga. W klasyfikacji tej rozpatruje si zarówno wpyw przejazdu poszczególnego rodka komunikacji miejskiej, jak równie równoczesne oddziaywanie kliku rodzajów rodków transportu (rys. 2).

Rys. 2. Schemat wykorzystania metody do realizacji zadania badawczego METODA OCENY RODKÓW

TRANSPORTU Koncepcja Model fizyczny Model matematyczny Dane wejciowe Badania symulacyjne (I faza) Badania eksperymentalne (II faza)

Ocena przydatnoci rodków transportu (III faza)

Wynik Parametry Nie Tak Analiza i synteza Zastosowanie

W celu przeprowadzenia oblicze symulacyjnych konieczne byo uzyskanie szczegóowych danych charakteryzujcych analizowany obiekt. Informacje te wykorzystywano w pó niejszym etapie do uszczegóowienia modelu obliczeniowego. Obejmoway one midzy innymi: poo enie budynku, rodzaj fundamentów, materia u yty do ich budowy, materia zastosowany do budowy murów, typ stropów i wieców, opis rodzaju gruntu. Nastpnie wykonano szczegóowe rzuty i przekroje badanego obiektu.

Kolejny etap polega na opracowaniu przestrzennego modelu geometrycznego budynku, na podstawie informacji uzyskanych podczas etapu pierwszego. Do budowy modelu obiektu u yto programu AutoCad wykorzystujc zapis parametrowy 3D, skadajcy si z prostych bry geometrycznych. W modelu uwzgldniono poszczególne elementy konstrukcyjne: awy fundamentowe, ciany, stropy, nadpro a, wiece, klatki schodowe, spoczniki, otwory, typ konstrukcji dachu. Po zamodelowaniu wszystkich elementów budynku, ukad geometryczny zosta zaimportowany do programu Abaqus.

W zbudowanym modelu obiektu zdefiniowano wzy istniejce midzy poszczególnymi elementami skadowymi. Nastpnie przypisywano im odpowiednie wasnoci i cechy materiaowe, które obejmoway charakterystyki mechaniczne materiaów u ytych do konstrukcji z uwzgldnieniem moduu Younga, wspóczynnika Poissona i gstoci, parametry konstrukcyjne elementów obiektu (rozstaw i wymiary belek, pyt stropowych, balkonowych, schodów) oraz nominalne obci enia statyczne poszczególnych elementów konstrukcji.

W dalszej kolejnoci wykonano analiz ta dynamicznego w otoczeniu rozpatrywanego obiektu (uwzgldniono w niej rzeczywiste wyniki pomiarów dostpnych w zasobach archiwalnych). Umo liwio to przygotowanie zestawu wymusze dynamicznych dla potrzeb modelowania i badania budynku poddawanego drganiom komunikacyjnym. W tym etapie wykorzystano zale no opisujca propagacj fali Rayleigha o amplitudach w pierwotnym punkcie pomiarowym A0 i Ar w analizowanym punkcie, znajdujcych si

w odlegociach r0 i r, dla parametrów okrelajcych wasnoci podo a p i .

A – amplituda w punkcie pierwotnym r , ₀ r

A – amplituda w odlegoci r,

0

r – pierwotny punkt pomiarowy,

r – odlego od punktu r , ₀

p – wspóczynnik (dla fal Rayleigha 0,5),

D

Przebiegi czasowe wymusze przyo ono do odpowiednich wzów siatki geometrycznej obiektu znajdujcych si w poziomie posadowienia budynku od strony róda drga. Podstaw analizy dynamicznej byy równania ruchu:

g x M x K x C x M   

gdzie:

x x

x,, – wektory odpowiednio przemieszcze, prdkoci, przyspiesze,

g x

 – przyspieszenia drga gruntu w poziomie terenu,

M – macierz bezwadnoci ukadu, K – macierz sztywnoci ukadu, C – macierz tumienia.

Macierz tumienia zdefiniowano jako kombinacj liniow macierzy bezwadnoci i macierzy sztywnoci [2]:

K M

C D E

W wyniku oblicze symulacyjnych otrzymano odpowiedzi w ka dym w le siatki elementów w kierunkach x, y, z na zadane wymuszenia.

Weryfikacj dowiadczaln przyjtego modelu przeprowadzono w oparciu o badania symulacyjne drga generowanych przez poszczególne rodki transportu komunikacji miejskiej: autobusy, tramwaje, pocigi metra oraz oddziaujcych cznie. Do oblicze symulacyjnych przyjto globalny ukad wspórzdnych, gdzie x – kierunek wzdu osi jezdni, tunelu metra, linii tramwajowej, y – kierunek prostopady do osi jezdni, tunelu metra, linii tramwajowej, z – kierunek pionowy. Przyjto równie lokalny ukad wspórzdnych (1, 2, 3) zorientowany nastpujco do ukadu globalnego: 1 – kierunek zgodny z osi x, 2 – kierunek zgodny z osi z, 3 – kierunek zgodny z osi y.

W badaniach symulacyjnych wpywu drga na ludzi w budynku uwzgldniono maksymalne wartoci skuteczne przyspiesze drga w trzech kierunkach, wystpujce na ka dej z kondygnacji. Uzyskane w wyniku analiz przyspieszenia drga porównano z wartociami dopuszczalnymi okrelonymi w normie PN-88/B-02171 Ocena wpywu

drga na ludzi w budynkach (rys. 3) [5]. W badaniach uwzgldniono: próg odczuwalnoci

drga przez ludzi n = 1, próg komfortu w pomieszczeniach mieszkalnych w porze nocnej

n = 1,4 (od godz. 22.00 do 6.00), próg komfortu w pomieszczeniach mieszkalnych w porze

dziennej n = 4 (od godz. 6.00 do 22.00). Zakres czstotliwoci, w którym analizowano wartoci przyspiesze zawiera si w przedziale 1 ÷ 80 Hz.

W celu weryfikacji wyników uzyskanych w I fazie opracowanej metody wykonano badania eksperymentalne oparte na pomiarach przyspiesze drga oddziaujcych na ludzi znajdujcych si w budynku. Obejmoway one kilka etapów. Wyznaczono przekroje i punkty pomiarowe, nastpnie wykorzystujc specjalistyczn aparatur wykonano pomiary drga. Po dokonaniu obróbki i analizy wyników, przeprowadzono ocen w oparciu o norm PN-88/B-02171 [5].

W pomiarach uwzgldniono dwa punkty pomiarowe badania wpywu drga na ludzi: na poziomie pierwszej kondygnacji, na pododze w poowie rozpitoci stropu oraz na poziomie najwy szej kondygnacji, równie na pododze, w poowie rozpitoci stropu.

Rys. 3. Przyjte kryteria oceny rodków transportu

W wyniku analiz uzyskano przyspieszenia drga w 1/3 oktawowych pasmach czstotliwoci w zakresie 1,0 y 80,0 Hz. Przeprowadzone pomiary dotyczyy przejazdów autobusu, tramwaju i metra oraz sumarycznego wpywu oddziaywa dynamicznych analizowanych pojazdów.

4. OCENA RODKÓW TRANSPORTU

Opracowan metod zastosowano do oceny rodków transportu komunikacji miejskiej eksploatowanych w otoczeniu budynku zlokalizowanego przy ul. Sowackiego 5/13 w Warszawie [6]. Stwierdzono, i w zdefiniowanych warunkach otoczenia, ocena pojazdów do realizacji zada transportowych w oparciu o kryterium oddziaywania drga na ludzi przebywajcych w analizowanym budynku jest:

ƒ pozytywna dla przejazdów autobusów, tramwajów oraz pocigów metra,

ƒ niekorzystna (negatywna) dla przejazdów cznych rodków transportu komunikacji miejskiej.

Zarówno I, jak i II faza realizacji metody badawczej potwierdzia, i równoczesne przejazdy autobusów komunikacji miejskiej, tramwajów oraz metra powoduj przekroczenia progu odczuwalnoci i granicy komfortu w nocy.

W celu okrelenia stopnia oddziaywania drga generowanych przez poszczególne rodki transportu miejskiego na ludzi w budynku, otrzymane w wyniku realizacji II fazy metody (badania eksperymentalne) wartoci drga poddano dodatkowej analizie. Przeprowadzono prób oceny reakcji organizmu czowieka na odbierane drgania w oparciu o literatur przedmiotu. Na tej podstawie okrelono mo liwe do wystpienia potencjalne skutki zdrowotne. W analizowanym budynku stwierdzono, i odnotowane wartoci drga mog u ludzi wpywa negatywnie gównie na ukad nerwowy i wywoywa: ogólne ze samopoczucie, nadmierne zmczenie, rozdra nienie, osabienie koncentracji i pamici oraz

wspóczynnik n = 1 PRÓG ODCZUWALNOCI GRANICA KOMFORTU W NOCY GRANICA KOMFORTU W DZIE wspóczynnik n = 1,4 wspóczynnik n = 4

Zalenoci wyznaczajce wspóczynnik n:

‹ przeznaczenie pomieszczenia

‹ pora wystpowania drga

‹ charakter drga i ich powtarzalno

‹ kierunek dziaania drga

‹ pozycja ciaa czowieka

bezsenno.

Dokonujc oceny reakcji czowieka na drgania nale y zaznaczy, e organizm ludzki indywidualnie odczuwa oddziaywanie drga w zale noci od wielu parametrów, miedzy innymi: ci aru ciaa, wzrostu, pci, wieku, kondycji fizycznej i psychicznej, stanu zdrowia, a tak e innych czynników. W zwizku z tym bezporednie okrelanie skutków zdrowotnych jest trudne i niejednoznaczne.

Przyjta metoda oceny rodków transportu, która jako kryterium przyjmuje oddziaywanie drga na czowieka w otoczeniu dalszym, mo e mie zastosowanie do diagnozowania klimatu wibracyjnego w budynkach zlokalizowanych w pobli u linii komunikacyjnych. Przy pomocy tej metody mo liwe jest przede wszystkim dokonanie oceny, które rodki transportu i w jakim stopniu, w okrelonych warunkach negatywnie oddziauj na czowieka i otoczenie. Na tej podstawie mo liwe jest podjcie odpowiednich czynnoci korygujcych stan rodowiska wibracyjnego.

W zwizku z niekorzystn (negatywn) ocen przejazdów cznych rodków komunikacji miejskiej, nale y na ten fakt zwróci szczególn uwag przy podejmowaniu dziaa ograniczajcych wpyw drga na ludzi w otoczeniu dalszym. Wobec powy szego du e znaczenie miaoby obok ewentualnego wdro enia rodków technicznych, zastosowanie dziaa organizacyjnych

Metoda oceny rodków transportu pod ktem oddziaywania drga na czowieka i otoczenie mo e mie zastosowanie zarówno przy planowaniu nowych inwestycji komunikacyjnych i architektonicznych, a tak e przy ju istniejcych liniach komunikacyjnych zlokalizowanych w pobli u obiektów, w których przebywaj ludzie. W zwizku z tym, nale y podkreli uniwersalno metody, poniewa umo liwia ona na ka dym etapie realizacji inwestycji ocen pojazdów komunikacji miejskiej pod ktem wpywu drga na ludzi w budynkach.

5. PODSUMOWANIE

Przedstawiona w pracy metoda badawcza uwzgldnia kilka etapów realizacji. Umo liwia ona dokonanie oceny rodka transportu do realizacji zada transportowych z punktu widzenia oddziaywania drga na czowieka przebywajcego w budynku. Przez ocen rodków transportu rozumie si:

‹ wartociowanie ró nych pojazdów pod ktem spenienia zao onych kryteriów wpywu drga na ludzi w budynkach,

‹ ocen przydatnoci zastosowania danego rodka transportu w rozpatrywanym cigu komunikacyjnym ze wzgldu na przyjte kryteria.

Na podstawie przeprowadzonej oceny pojazdów mo liwe jest zidentyfikowanie dziaa organizacyjnych ograniczajcych negatywny wpyw oddziaywa dynamicznych, w tym zaprojektowanie Optymalnego Systemu Organizacji Ruchu (OSOR) rodków transportu z uwzgldnieniem:

‹ rodzaju pojazdów (Autobus + Tramwaj + Metro, Autobus + Tramwaj, Autobus + Metro, Tramwaj + Metro, Autobus, Tramwaj, Metro),

‹ czstotliwoci przejazdów, ‹ prdkoci jazdy,

‹ pynnoci ruchu.

Ponadto opracowana metoda pozwala na diagnozowanie stopnia wpywu rodków transportu na ludzi w otoczeniu dalszym:

‹ ocen reakcji organizmu czowieka na drgania generowane przez pojazdy, ‹ ocen komfortu warunków przebywania w budynkach.

Bibliografia

1. Korzeb J.: Analiza drga komunikacyjnych z zastosowaniem teorii falek. Prace naukowe Politechniki Warszawskiej, seria Transport, z. 77, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2011, s. 45-58.

2. Nader M., Korzeb J., Kozyra Z.: Ocena wpywu drga komunikacyjnych na projektowany obiekt mieszkalny. Czasopismo Logistyka nr 4/2011, Pozna, pyta CD, s. 2977-2986.

3. N a d e r M., P u r t a E.: Oddziaywanie autobusów komunikacji miejskiej na ludzi w otoczeniu dalszym. Czasopismo Logistyka nr 4/2011, Pozna, pyta CD, s. 698-705.

4. Nader M., Purta E.: Wybrane aspekty budowy modeli pojazd-otoczenie. Materiay XII Warsztatów Naukowych PTSK „Symulacja w badaniach i rozwoju”, Sarbinowo Morskie 15-17.09.2005, Warszawa 2006, s 190-196.

5. Polska Norma PN-B-02171:1988 (PN-88/B-02171) Ocena wpywu drga na ludzi w budynkach.

6. Praca zbiorowa pod kier. M. Nadera: Badanie, analiza i ocena wpywu drga od naziemnej komunikacji miejskiej i obci e dynamicznych od projektowanej linii metra–stacji Pl. Wilsona wraz z torami odstawczymi, na konstrukcj 21 budynków mieszkalnych, poo onych wzdu ul. Sowackiego w Warszawie, na odcinku od Pl. Wilsona do ul. Krechowieckiej oraz oddziaywania na przebywajcych ludzi. Faza I: Modelowanie konstrukcji obiektów, badania symulacyjne, ich analiza i synteza w celu wykonania prognozy przewidywanych oddziaywa, s. 417. Faza II: Badania eksperymentalne drga w budynkach, analiza i synteza wyników w celu oceny oddziaywa na budynki i ludzi w nich przebywajcych, s. 726. Umowa z Metro Warszawskie Sp. z o.o. nr 4295/PK/04, Warszawa 2005.

7. Rozporzdzenie Ministra Infrastruktury z dnia 17 czerwca 2011 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiada obiekty budowlane metra i ich usytuowanie (Dz. U. 2011, Nr 144, poz. 859). 8. Ustawa z dnia 27 kwietnia 2001 r. Prawo Ochrony rodowiska (Dz. U. 2001, Nr 62, poz. 627 z pó n.

zm.).

THE ASSESSMENT METHOD OF MEANS OF TRANSPORT FROM THE POINT OF VIEW OF VIBRATION INFLUENCE ON HUMAN IN THE FURTHER

ENVIRONMENT

Summary: In the article the following topic regards the assessment method of urban means of transport from the point of view of vibration influence on human. It was presented the system illustration of the method based on the modelling of dynamic phenomena in the system: vehicle – human – environment. Next, the following stages were described: conducting of forecast concerning dynamic influences on the basis of simulation research, verification of the obtained results on the basis of the previously done experimental research, assessment of means of transport at an angle of influence on human in the building. Within the example concerning one of the compound, which was used to compile the method, the classification of urban means of transport regarding level influence of vibration was conducted. The work was summarized by conclusions.