Jarosław Korzeb, Mirosław Nader, Andrzej Gągorowski, Jan Różowicz
Politechnika Warszawska, Wydział TransportuODDZIAŁYWANIA WIBROAKUSTYCZNE NA
PRZYKŁADZIE EKSPLOATOWANEJ LINII METRA
Rękopis dostarczono, grudzień 2016
Streszczenie: W pracy przedstawiono wybrane zagadnienia badania oddziaływań wibroakustycznych
prowadzonych w strefach oddziaływania metra płytkiego. Przeprowadzono badania eksperymentalne drgań i hałasu na wytypowanym odcinku eksploatowanej II linii metra w Warszawie, do których wy-korzystano aparaturę pomiarową klasy 1 i wysokiej klasy przetworniki. Analizie w dziedzinach czasu i częstotliwości poddano sygnały przyspieszeń drgań mechanicznych generowanych przejazdami po-ciągów oraz towarzyszącego drganiom hałasu występującego w obiektach inżynierskich położonych bezpośrednio nad tunelem. Do przeprowadzenia analiz zbudowano oprogramowanie w środowisku obliczeniowym Matlab. Dokonano oceny obydwu typów oddziaływań w oparciu o kryteria norma-tywne oraz zbadano korelacje zachodzące pomiędzy tymi wymuszeniami. Dokonano ponadto próby identyfikacji ścieżek propagacji oddziaływań oraz oceny czynników przekładających się bezpośrednio na otrzymywane wyniki badań.
Słowa kluczowe: drgania mechaniczne, hałas, metro
1. WSTĘP
Liczne skargi mieszkańców dotyczące znacznego pogorszenia klimatu wibroakustycznego od momentu uruchomienia II linii metra stały się powodem rozpoczęcia prac naukowo-badawczych. Badania eksperymentalne przedstawione w niniejszym artykule prowadzone były w ramach umowy zawartym pomiędzy Wydziałem Transportu Politechniki Warszaw-skiej a „Metrem Warszawskim” w 2015 roku [4]. W artykule przedstawiono wybrane wy-niki badań eksperymentalnych dla wybranego wielokondygnacyjnego obiektu podlegają-cego ciągłej degradacji będącej efektem oddziaływań dynamicznych. Zaproponowano me-todę badawczą opartą na analizie niskoczęstotliwościowej sygnałów wibroakustycznych z uwzględnieniem infradźwięków, jak również innych oddziaływań. Potrzeba opracowania skutecznej metody wynika z faktu, że obecnie obowiązujące w Polsce normy (zwłaszcza w zakresie hałasu akustycznego [3,5-10]) nie uwzględniają dokładnej oceny wpływu kom-pleksowych oddziaływań dynamicznych w zakresie niskich częstotliwości drgań genero-wanych przez transport podziemny, a następnie transmitogenero-wanych przez infrastrukturę na-ziemną.
2. ODDZIAŁYWANIA DRGAŃ NA KONSTRUKCJĘ
OBIEKTU
Ocenę oddziaływania drgań na konstrukcję obiektów położonych nad tunelami metra przy ul. Targowej w Warszawie oparto o analizę wyników badań eksperymentalnych i oblicze-nia wskaźników obciążeoblicze-nia drgaoblicze-niami [4,11,12]. W tym celu opracowano modele przeno-szenia drgań w konstrukcji budynku. W etapie pierwszym zebrano dane dotyczące kon-strukcji budynku, stanu, występujących uszkodzeń oraz właściwości gruntu, na którym posadowiono budynek. Powyższy zestaw danych był wykorzystywany do uszczegółowie-nia matematycznego modelu przenoszeuszczegółowie-nia drgań, w którym uwzględniono obciążeuszczegółowie-nia stałe i zmienne [2].
Przybliżone skale wpływów dynamicznych (SWD I oraz SWD II), stosowane podczas diagnostyki szkodliwości drgań na istniejące budynki, wg normy PN-85/B-02170, odnoszą się do budynków jedno- lub kilkukondygnacyjnych o konstrukcji murowej, zwartej i ściśle określonych wymiarach rzutu pionowego [7]. Skale obejmują budynki o wysokości nie-przekraczającej 5 kondygnacji, stąd też prowadzenie oceny według normatywnych skal SWD w przypadku np. obiektu Targowa 15 o większej liczbie kondygnacji nie jest możli-we. Dlatego zastosowano zmodyfikowaną metodę amplitudowego (przemieszczeniowego, prędkościowego i przyspieszeniowego) spektrum odpowiedzi.
Badania prowadzono dwuetapowo. W pierwszej fazie wykonano badania eksperymen-talne rejestrując przyspieszenia drgań w wytypowanych wcześniej przekrojach i charakterystycznych punktach pomiarowych. W tych samych pomieszczeniach obiektu dokonywano dodatkowo rejestracji hałasu. Wyniki poddano ocenie zgodnie z obowiązującymi aktami normatywnymi i rozporządzeniami. W drugiej fazie przeprodzono badania symulacyjne i obliczenia dodatkowych parametrów, które poszerzyły wa-chlarz otrzymywanych wyników oraz pozwoliły na ocenę wybranych parametrów charak-teryzujących hałas.
2.1. MODEL OBLICZENIOWY DO OCENY WPŁYWU DRGAŃ
W pierwszej fazie symulacyjnej analizy wytrzymałościowej wymagane jest wyznaczenie sił bezwładności w punktach charakterystycznych i znalezienie wartości maksymalnych. Schemat postępowania uproszczonego przedstawiono poniżej. Przybliżona częstotliwość pierwszej postaci drgań własnych wyznaczana jest z zależności [2,7]:1 2 1 1 2 n k k l n f Q y g y 2
(1) gdzie:
yk –przemieszczenia dla kondygnacji,
k –numer kondygnacji, k = 1,..n, Qk –ciężar skupiony kondygnacji k.
Wartości składowych sił bezwładności na poszczególnych kondygnacjach, odpowiadające drganiom z i-tą częstotliwością drgań własnych, wyznaczane są z poniższej zależności:
1 2 1 ( ) n ik g j ik k k ik n i k j Qkc a P Q ' Q " c g Q ck 3 4(2) gdzie:
Pil – składowa siły bezwładności, w punkcie l odpowiadająca i-tej
częstotliwości drgań własnych,
ag – amplituda przyspieszeń drgań podłoża,
Ql′, Qlʺ – obciążenia stałe i zmienne skupione w punkcie l,
λ – współczynnik redukujący długotrwałą część obciążenia zmiennego1,
cij,cil – rzędna i-tej postaci drgań w punktach j i l budynku, Qj – ciężar masy skupionej w punkcie j.
W uproszczonej analizie można porównać ze sobą różne typy obciążenia dynamiczne-go, np. obciążenie drganiami transportowymi, do obciążenia statycznego lub wywołanego wiatrem, a następnie wyznaczyć przykładowe wskaźniki dynamicznego obciążenia kon-strukcji drganiami [2,5,6]: _ 1 _ 2 dyn tr dyn stat dyn tr dyn wind W W (3) gdzie: stat
– suma naprężeń wywołanych obciążeniem statycznym, – suma maksymalnych naprężeń wywołanych obciążeniem dynamicznym od środków transportu,wind
– naprężenia wywołane obciążeniem konstrukcji obiektu wiatrem.W badaniach symulacyjnych model analizowanego obiektu poddano wymuszeniom re-prezentatywnym dla przejazdów reprezentujących tło dynamiczne oraz przejazdy pocią-gów metra w tunelach znajdującym się bezpośrednio pod obiektem. W obliczeniach wyko-rzystano przebiegi przyspieszeń drgań mechanicznych występujące w warunkach rzeczy-wistych. Obliczenia symulacyjne dały odpowiedź dla każdej kondygnacji budynku na za-dane wymuszenia. Przy analizie wpływu drgań para-sejsmicznych na obiekt brano pod uwagę maksymalne wartości przyspieszeń drgań w kierunkach x, y zmierzone w punktach
1 Długotrwała część obciążenia zmiennego – to „obciążenie, które występuje długo, nieprzerwanie lub z
prze-rwami, w stosunku do czasu użytkowania konstrukcji i czasu pojawiania się ewentualnych stałych zmian właściwości materiałów konstrukcyjnych” (def. [7] ).
tr dyn _
pomiarowych konstrukcji. Analiza i synteza otrzymanych wyników cząstkowych dała pod-stawę do wykonania oceny oddziaływań dynamicznych na konstrukcję badanego obiektu mieszkalnego.
2.2. BADANIA EKSPERYMENTALNE ODDZIAŁYWANIA DRGAŃ
W badaniach dokonano rozmieszczenia przekrojów pomiarowych usytuowanych od strony źródeł propagacji drgań o największym natężeniu. Podczas prowadzenia badań ekspery-mentalnych dokonywano rejestracji przebiegów czasowych przyspieszeń drgań i hałasu posługując się metodą wielokanałowej rejestracji sygnałów czasowych przyspieszeń drgań i poziomów ciśnienia akustycznego. Podstawowymi wielkościami uzyskiwanymi z rejestracji było przyspieszenie drgań w 1/3 oktawowych pasmach częstotliwości, w każ-dym punkcie pomiarowym i w każkaż-dym z kierunków pomiarowych pokazanych na rysunku 1. Badania oddziaływania drgań prowadzono w zakresie częstotliwości 1-100 Hz, a poziomy ciśnienia akustycznego rejestrowano w zakresie pasma infradźwiękowego (do 20 Hz) i słyszalnego (20 Hz - 20k Hz). Zastosowano metodę analizy widmowej sygnału w przedziale czasu pozwalającą określić pełną informację amplitudowo-częstotliwościową. W pracy dokonano analizy w pasmach tercjowych, co ułatwiło porównywanie otrzymywa-nych widm częstotliwościowych. Podziału dokonano przez iteracyjne filtrowanie w prze-działach od dolnej (fd) do górnej (fg) częstotliwości kolejnych pasm tercjowych. W tym celu wykorzystano zespoły filtrów działające iteracyjnie z diadyczną zmianą rozmiaru ana-lizowanej próbki sygnału i częstotliwości próbkowania. Na rysunku 1 pokazano lokalizację badanego obiektu względem osi sąsiadujących ulic oraz tuneli metra.
Biorąc pod uwagę stan techniczny badanych obiektów na skutek zużycia eksploatacyj-nego oraz oddziaływań dynamicznych pochodzących od ruchu powierzchniowego i metra, stało się celowym przeprowadzenie kompleksowej oceny stanu technicznego, która po-zwoliła wykazać zagrożenia oraz podać sposoby przeciwdziałania i zabezpieczenia przed pogarszaniem się stanu technicznego analizowanych konstrukcji.
W każdym z 4 przekrojów pomiarowych wyznaczono od 2 do 6 punktów pomiarowych, w zależności od możliwości dostępu do lokali mieszkalnych. Punkty referencyjne NRXS, zlokalizowano w poziomie gruntu przed obiektem. Punkty AB, BB, CB i DB znajdowały się w poziomie terenu, na fundamentach obiektu, punkty AL1S-AL7S, BL1S-BL7S, CL1S -CL7S i DL1S-DL7S znajdowały się w pomieszczeniach obiektu w miejscu styku stropu ze ścianą, natomiast punkty AL1P-AL7P, BL1P-BL7P, CL1P-CL7P i DL1P-DL7P znajdują się w pomieszczeniach obiektu na środku rozpiętości stropu. Na rysunku 2 pokazano zasady oznaczania i lokalizacji punktów pomiarowych w obiekcie.
Rys. 2. Rozmieszczenie punktów pomiarowych w przekrojach pomiarowych A,B,C,D gdzie:
N - oznaczenie przekroju pomiarowego (A, B, C, D); R - symbol punktu referencyjnego;
L - oznaczenie punktu pomiaru wpływu drgań na ludzi w obiekcie; m - numer pomieszczenia w budynku (numer mieszkania);
P - oznaczenie punktu pomiaru drgań na środku rozpiętości stropu; S - oznaczenie punktu pomiaru drgań przy ścianie nośnej;
x - odległość punktu referencyjnego w metrach; y - numer piętra (0-6), numery kondygnacji (1-7);
Na rysunku 3 pokazano wyniki badań eksperymetalnych wpływu drgań na konstrukcję obiektu, w czterech analizowanych przekrojach.
Rys. 3. Przykładowe wyniki analizy eksperymentalnej przyspieszeń drgań w punktach oceny drgań na konstrukcję obiektu, w przekrojach pomiarowych A,B,C,D
W tabeli 1 przedstawiono przykładowe wyniki analizy, której podstawą były badania eksperymentalne przeprowadzone dla stanu aktualnego obciążeń komunikacyjnych budyn-ku ruchem powierzchniowym i metrem. Uwzględniono wyniki obliczeń wpływu drgań na konstrukcję obiektu w porównaniu do wpływu wiatru obciążającego ten budynek.
Tabela 1 Przykładowe zestawienie wyników obciążenia wiatrem i siłami bezwładności od komunikacji
naziemnej i metra [4] Punkt
pomiarowy
Obciążenie wiatrem
Obciążenie siłami bezwładności od drgań wywołanych ruchem
powierzchniowym i metrem k k
W
P
k Wk Pk [kN/m] [kN/m] A44L01S 0,620 0,031 0,050 A56L05S 0,728 0,009 0,012Punkt pomiarowy
Obciążenie wiatrem
Obciążenie siłami bezwładności od drgań wywołanych ruchem
powierzchniowym i metrem k k
W
P
k Wk Pk [kN/m] [kN/m] B114L00S 0,620 0,017 0,028 C97L00S 0,620 0,009 0,014 D76L01S 0,620 0,011 0,015Uzyskane wartości sił bezwładności porównano z poziomymi siłami wynikającymi z działania wiatru (wartości obciążeń charakterystycznych wiatrem ustalono na podstawie polskich norm). Rzeczywiste siły bezwładności wyznaczono na podstawie pomierzonych drgań ruchem komunikacji naziemnej i metra. Największe siły bezwładności w kolejnych punktach „k” wyznaczono na podstawie wymagań normatywnych.
3. ODDZIAŁYWANIE DRGAŃ I HAŁASU NA LUDZI
PRZEBYWAJĄCYCH W OBIEKCIE
W celu wykazania rzeczywistych związków pomiędzy generowanymi drganiami i powstającymi oddziaływaniami akustycznymi zastosowano metodę badawczą uwzględ-niającą pełną synchronizacje pomiarów drgań i hałasu podczas kolejnych przejazdów po-ciągów metra. Oprócz synchronizacji czasowej w torach pomiarowych uwzględniano od-powiednie położenie w płaszczyźnie X-Y czujników drgań i mikrofonów pomiarowych. Parametrami wyjściowymi do oceny oddziaływania drgań i hałasu na ludzi były wartości skuteczne przyspieszeń drgań oraz poziomy ciśnienia akustycznego. Otrzymane wartości poddano dalszej analizie zarówno w funkcji czasu, jak i częstotliwości. Przykładowy wy-nik analizy częstotliwościowej oddziaływania drgań na ludzi pokazano na rysunku 4.
W zastosowanej metodzie badawczej przy uwzględnieniu obowiązujących norm z za-kresu akustyki budowlanej [3, 9] wyznaczano poziomy hałasu równoważne i maksymalne z uwzględnieniem charakterystyki A oraz poziomy ciśnienia akustycznego w szerokim zakresie częstotliwości (z uwzględnieniem pełnego pasma słyszalnego i infradźwiękowe-go).
W tym przypadku pokazano pierwszą fazę przejazdu pociągu pod obiektem, przy której występowało niskoczęstotliwościowe pobudzenie stropu do drgań, niosące przekroczenia wartości dopuszczalnych dla przebywania w pomieszczeniach mieszkalnych w porze noc-nej, zgodnie z [8]. Przykładowe wyniki analizy częstotliwościowej drgań i odpowiadających im oddziaływań akustycznych dla wybranego przekroju pomiarowego i wybranej kondygnacji budynku przedstawiono na rysunkach 5-6.
Rys. 4. Przykładowe wyniki analizy wpływu drgań na ludzi w pomieszczeniach dla przekroju A i drugiej kondygnacji budynku, na wykresie przyśpieszenia skuteczne drgań z uwzględnieniem
kierunków drgań oraz wartości granicznych [4].
Rys. 5. Przykładowe wyniki analizy wpływu drgań na ludzi w pomieszczeniach dla przekroju A i drugiej kondygnacji budynku, na wykresie przyśpieszenia skuteczne drgań z uwzględnieniem
kierunków drgań oraz wartości granicznych [4]
W większości badanych przypadków, w czasie przejazdów metra występowały przekro-czenia wartości dopuszczalnych hałasu (zwłaszcza dla poziomów maksymalnych) oraz obserwowano wzrosty poziomów parametrów sygnału akustycznego w zakresie niskich częstotliwości względem poziomu tła (tabela 2).
a)
b)
Rys. 6. Analiza wibroakustyczna - przykładowe wyniki analizy oddziaływań akustycznych dla przekroju A i drugiej kondygnacji budynku [4]: a)poziom hałasu LEQ(f) - rozkład widma hałasu w paśmie infradźwiękowym, b)poziom hałasu LEQ(f) - rozkład widma hałasu w paśmie
słyszal-nym
Tabela 2
Przykładowe wyniki wzrostu poziomu hałasu LEQ(f)podczas przejazdu składu metra względem poziomu tła dla częstotliwości dominujących
Wzrost poziomu hałasu LEQ(f) podczas przejazdu składu metra względem poziomu tła dla częstotliwości dominujących
Pasmo f o często-tliwości środkowej pasma f0 [Hz] Poziom hałasu LEQ(f) [dB] Wzrost [dB] 5,00 45,9 15 6,30 45,9 16,5 25,0 48,6 19,2 31,5 49,5 23,9 40,0 57,2 29,7 50,0 54,5 26,6 63,0 47,6 16,8 80,0 46 17,9 0 10 20 30 40 50 0,8 1 1,3 1,6 2 2,5 3,1 4 5 6,3 8 10 12,5 16 f[Hz] LEQ[dB] 0 10 20 30 40 50 60 70 f[Hz] LEQ[dB]
Przedstawione w pracy [4] wyniki szczegółowe, których przykłady zacytowano powy-żej, pokazały współzależność drgań transmitowanych od metra poprzez elementy kon-strukcyjne budynku i hałasu akustycznego działającego na mieszkańców badanego obiek-tu. Przyjmując, że drgające przegrody budowlane obiektu promieniują energię akustyczną na całej powierzchni, można je przedstawiać jako zbiór źródeł zastępczych, rozłożonych równomiernie po powierzchni i ocenę wpływu występujących przyspieszeń drgań w miej-scu lokalizacji źródeł zastępczych na wartość ciśnienia akustycznego przeprowadzić na podstawie funkcji koherencji cząstkowych wyznaczonych między przyspieszeniami drgań w określonych punktach stropu a ciśnieniem akustycznym w pomieszczeniu.
4. PODSUMOWANIE
Na podstawie przeprowadzonych w pracy [4] badań, których przykładowe wyniki pokaza-no powyżej można stwierdzić, że analiza zarejestrowanych sygnałów drgań w zakresie częstotliwości od 5÷100 Hz oraz hałasu dała wysoką zgodność, stąd zjawiska te należy traktować łącznie, jako pochodzące ze zidentyfikowanego źródła, którym jest tunel metra. Analiza częstotliwościowa sygnału akustycznego wykazała ścisły związek emisji aku-stycznej od II linii metra z transmitowanymi poprzez elementy konstrukcyjne budynku drganiami mechanicznymi. Wzrosty następowały w tym samym zakresie częstotliwości zarówno w przypadku drgań i hałasu. Należy również podkreślić, że mamy do czynienia z hałasem o charakterze nieustalonym, co znacznie zwiększa jego uciążliwość i nieko-rzystne oddziaływanie na organizm człowieka [1].
Na zjawisko subiektywnego odczuwania drgań przez mieszkańców wpływa nakładające się na nie zjawisko oddziaływania niewidocznego źródła hałasu na zmysł słuchu i układ nerwowy Przekroczenia dopuszczalnych poziomów hałasu nakładają się na przekroczenia progu odczuwalności drgań.
Podczas prowadzenia badań eksperymentalnych stwierdzono, że drgania stropów w zi-dentyfikowanym paśmie częstotliwości opisać można regułą, iż im wyższa kondygnacja, tym wyraźniej dominują drgania stropów w kierunku pionowym.
Badany obiekt zlokalizowany jest w zasięgu oddziaływań dynamicznych, dla których zastosowanie metody standardowej wibroizolacji podtorza nie jest skuteczne.
Wyniki uzyskane podczas badań modelowych i eksperymentalnych pozwoliły na sfor-mułowanie wniosku, iż konieczna są dalsze prace badawcze nad sposobami identyfikacji mechanizmu przenoszenia drgań z tunelu do obiektów naziemnych oraz metodami analizy generowanego hałasu niskoczęstotliwościowego. Również nieliniowe zjawiska propagacji drgań w obiekcie o dużym stopniu zużycia wymagają dalszej analizy naukowej.
Bibliografia
2. Korzeb J: Predykcja wybranych oddziaływań dynamicznych w strefie wpływu infrastruktury
transporto-wej. Prace naukowe Politechniki Warszawskiej, seria Transport, z.90, ISSN 1230-9265, ISBN
978-83-7814-111-2, OWPW, Warszawa 2013, stron 202.
3. Instrukcja ITB No 358/98 - Ocena hałasu niskoczęstotliwościowego w pomieszczeniach mieszkalnych. 4. Nader M., Korzeb J., Gągorowski A. i in.: Przeprowadzenie badań eksperymentalnych w zakresie
oddzia-ływania drgań oraz hałasu w obiekcie Targowa 15 zlokalizowanym na trasie eksploatowanego odcinka centralnego drugiej linii metra w Warszawie. Umowa z Metro Warszawskie Sp. z o.o., symbol pracy w
WTPW – 501 230 102 239, Warszawa 2015, stron 669.
5. PN-82/B-02000, 1982: Obciążenia budowli. Zasady ustalania wartości.
6. PN-77/B-02011, 1977: Obciążenia w obliczeniach statycznych. Obciążenie wiatrem. 7. PN 85/B-02170: Ocena szkodliwości drgań przekazywanych przez podłoże na budynki. 8. PN-88/B-02171: Ocena wpływu drgań na ludzi w budynkach.
9. PN-87/B-02151/02: Akustyka budowlana. Ochrona przed hałasem pomieszczeń w budynkach.
Dopusz-czalne wartości poziomu dźwięku w pomieszczeniach.
10. PN-87/B-02156: Akustyka budowlana. Metody pomiaru poziomu dźwięku A w budynkach.
11. Praca zbiorowa Program Funkcjonalno-Użytkowy (PFU): Projekt i budowa II linii metra od stacji
„Rondo Daszyńskiego” do stacji „Dworzec Wileński” w Warszawie, Warszawa 2008.
12. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 17 czerwca 2011 r. w sprawie warunków technicznych,
jakim powinny odpowiadać obiekty budowlane metra i ich usytuowanie. Dz.U. nr 144 poz. 859.
VIBROACOUSTIC IMPACTS - THE EXAMPLE OF EXPLOITED METRO LINE
Summary: This paper presents selected issues of noise and vibration impact study, carried out in the impact
zone of shallow underground. Experimental studies of noise and vibration, were prepared in selected section of exploited second metro line in Warsaw, in which Class 1 measuring devices and high-end converters were used. In order to evaluation influence of mechanical vibrations and associated noise generated by passing metro trains, occurring in the engineering objects located directly above the tunnel, analysis in the time and frequency domains have been performed. To perform discussed analysis, dedicated software in the compu-ting environment Matlab has been prepared. An evaluation of both types of interactions, based on the norma-tive criteria and correlations between occurring extortion were examined. Moreover, an attempts were made to identifying propagation paths of impacts, and their interactions, and evaluation of factors that contribute directly to the obtained results.
