METODY POMIARU I OCENY HAŁAŚLIWOŚCI NAWIERZCHNI DROGOWYCH - wybrane aspekty

Transkrypt

1 Seminarium szkoleniowe Zastosowanie nowoczesnych technologii w konstrukcjach nawierzchni METODY POMIARU I OCENY HAŁAŚLIWOŚCI NAWIERZCHNI DROGOWYCH - wybrane aspekty WŁADYSŁAW GARDZIEJCZYK POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA Zakopane, września 2010 r.

2 Seminarium szkoleniowe Zastosowanie nowoczesnych technologii w konstrukcjach nawierzchni 1. WPROWADZENIE 2. WSKAŹNIKI I METODY OCENY HAŁAŚLIWOŚCI NAWIERZCHNI 3. ANALIZA PORÓWNAWCZA WSKAŹNIKÓW OCENY HAŁASU 4. PORÓWNANIE METOD: CPX I SPB 5. KLASYFIKACJA NAWIERZCHNI POD WZGLĘDEM HAŁAŚLIWOŚCI 6. ANALIZA WIDMOWA DŹWIĘKU W POMIARACH POZIOMU HAŁASU 7. PODSUMOWANIE I WNIOSKI 2

3 1. WPROWADZENIE HAŁAS W ŚRODOWISKU niepożądane lub szkodliwe dźwięki (niekorzystne oddziaływanie na człowieka) powodowane przez człowieka, w tym hałas emitowany przez środki transportu, ruch drogowy, ruch kolejowy, ruch samolotowy, oraz hałas pochodzący z obszarów działalności przemysłowej DŹWIĘK - zjawisko fizyczne zdolne wywołać wrażenie słuchowe, spowodowane drganiami mechanicznymi ośrodka sprężystego, rozchodzącymi się w przestrzeni dzięki ruchowi falowemu. 3

4 1. WPROWADZENIE POZIOM CIŚNIENIA AKUSTYCZNEGO L p = 10 lg (p/p o ) 2, [db] -p ciśnienie akustyczne, [Pa] -p o ciśnienie akustyczne odniesienia, p o = 20 μpa POZIOM DŹWIĘKU poziom ciśnienia akustycznego scharakteryzowany charakterystyką częstotliwościową A, B, C, D lub G 4

5 1. WPROWADZENIE Według Podręcznika akustyki ( F. Alton Everest) Ciśnienie dźwięku, aby stał się on dwa razy głośniejszy, wymaga zwiększenia z 1 jednostki do 10 jednostek (obserwacja A) lub z jednostek do jednostek (obserwacja B). Oznacza to, że podwojenie poziomu głośności wymaga zwiększenia w badaniu A ciśnienia dźwięku o 9 jednostek, a w badaniu B o jednostek. Wynika z tego, że zmiany w poziomie głośności lepiej jest opisywać za pomocą stosunku ciśnień niż ich różnicy. Obserwacja Dwa ciśnienia Stosunek ciśnień A : 1 9 Różnica B :

6 1. WPROWADZENIE L eq równoważny poziom dźwięku (T = 1h, 8h, 16h, ) L Amax maksymalny poziom dźwięku w chwili przejazdu pojazdu (T = 0,25s) L AE ekspozycyjny poziom dźwięku (znormalizowany do T = 1s) 6

7 1. WPROWADZENIE Nawierzchnie asfaltowe standardowe (BA, SMA,..) o poziomie hałasu toczenia decyduje tekstura nawierzchni uzależniona od technologii wykonania warstwy ścieralnej i uziarnienia kruszywa Nawierzchnie porowate o poziomie hałasu toczenia decydują: porowatość górnych warstw nawierzchni, liczba i grubość warstw, uziarnienie kruszywa oraz okres eksploatacji nawierzchni 7

8 1. WPROWADZENIE Nawierzchnie z betonu cementowego o poziomie hałasu toczenia decydują: technologia wykonania oraz technika teksturowania powierzchni nawierzchni Nawierzchnie kostkowe o poziomie hałasu toczenia decydują: wymiar i układ kostek 8

9 1. WPROWADZENIE Pomiary hałaśliwości nawierzchni wykonane przez zespół z Politechniki Białostockiej Badania szczegółowe: nawierzchnie na ponad 40 odcinkach testowych na drogach krajowych nr 1, 6, 8, 11, 16, 19, 50, 64, 65, na autostradzie A2; na drodze wojewódzkiej nr 253 (woj. kujawskopomorskie), na ulicach Białegostoku, Poznania i Suwałk Odcinki porównawcze: nawierzchnie dróg we Francji, Holandii, w Niemczech i Szwecji 9

10 1. WPROWADZENIE Metody pomiaru: Poziom hałasu: metoda CPX, SPB i CPB Równość podłużna: analizator profilu podłużnego APL Równość poprzeczna: laserowy profilograf równości Szorstkość: zestaw do pomiaru współczynnika tarcia SRT-3 Tekstura: laserowy profilograf równości, stacjonarny profilograf laserowy, profilograf igłowy Współpraca: Politechnika Gdańska, VTI Linköping - Szwecja, Instytut Badawczy Dróg i Mostów, Laboratoria Drogowe GDDKiA (Białystok, Poznań) TPA Instytut Badań Technologicznych 10

11 2. WSKAŹNIKI I METODY OCENY HAŁAŚLIWOŚCI NAWIERZCHNI L Aeq, L DWN - równoważny poziom dźwięku L E ekspozycyjny poziom dźwięku, L Amax (L 1, L 2A, L 2B ) maksymalny poziom dźwięku od przejazdu statystycznego pojazdu SPBI wskaźnik hałaśliwości nawierzchni wg metody SPB, L max (A), L max (B), L max (C), L max (D) poziomu hałasu opona/nawierzchnia CPXI - wskaźnik oceny hałaśliwości nawierzchni wg metody CPX 11

12 2. WSKAŹNIKI I METODY OCENY HAŁAŚLIWOŚCI NAWIERZCHNI Wskaźniki : L Aeq, L DWN, L E - nie pozwalają na jednoznaczną ocenę hałaśliwości nawierzchni drogowych 12

13 2. WSKAŹNIKI I METODY OCENY HAŁAŚLIWOŚCI NAWIERZCHNI Hałas toczenia pojazdu (metoda SPB i CPB) czy hałas opona/nawierzchnia (metoda CPX)? 13

14 2. WSKAŹNIKI I METODY OCENY HAŁAŚLIWOŚCI NAWIERZCHNI Metoda SPB- Statistical Pass-By method (Metoda statystycznego przejazdu) (wg PN-EN ISO :2004) L 1 (V), Kat. 1 L 2A (V) Kat. 2A L 2B (V) SPBI Kat. 2B 14

15 L max, [db(a)] 2. WSKAŹNIKI I METODY OCENY HAŁAŚLIWOŚCI NAWIERZCHNI L max, [db(a)] Wyniki pomiaru poziomu hałasu toczenia wg SPB - przykłady SO-V = km/h SC - kategoria 2B y = 28,11x + 24,92 R 2 = 0,54 lgv 1,7 1,8 1,9 2 2,1 2, y = 23,12x + 42,75 R 2 = 0,34 lgv 1,7 1,8 1,9 2 2,1 2,2 L (1,2A,2B) (V) = A + B logv 15

16 2. WSKAŹNIKI I METODY OCENY HAŁAŚLIWOŚCI NAWIERZCHNI Nr drogi Nawierzchnia Poziomy dźwięku ustalone wg SPB w zależności od rodzaju nawierzchni, kategorii pojazdu i prędkości L 1 (SO) L 2A (SC 2A) L 2B (SC 2B) Dk 22 BA 16 73,0 79,5 83,9 78,2 83,4 86,4 81,0 85,4 87,9 Dk 10 SMA 12 73,0 78,6 82,4 80,9 83,4 84,9 78,5 84,2 87,4 Dk 1 SMA 12 73,3 78,7 82,4 81,5 83,0 83,8 81,7 84,9 86,8 Dk 5 SMA 10 74,2 79,5 83,2 80,7 83,9 85,8 79,4 84,5 87,5 Dk 10 SMA 10 72,0 77,4 81,1 76,1 82,1 85,6 80,1 84,1 86,4 Dk 10 MNU 71,4 77,2 81,1 78,6 81,7 83,5 77,1 82,6 85,9 Dk 11 GUFI 70,4 76,8 81,2 79,3 82,7 84,6 81,3 84,8 86,9 Dk 11 Ruflex 74,6 80,2 84,0 82,0 84,5 86,0 82,0 86,7 89,3 Dk 8 BC 77,2 80,7 83,0 87,1 88,0 88,5 84,7 88,5 90,7 16

17 2. WSKAŹNIKI I METODY OCENY HAŁAŚLIWOŚCI NAWIERZCHNI Indeks SPBI zasada obliczania SPBI 10lg( W 1 10 L 1/ 10 L2A/ 10 L2B / 10 W 2A 10 W 2B 10 ) Kategoria pojazdów Kategoria prędkości nazwa symbol niska średnia wysoka V ref. W x V ref. W x V ref. W x Samochód osobowy , , ,700 Samochód ciężarowy 2A 50 0, , ,075 Samochód ciężarowy 2B 50 0, , ,225 17

18 2. WSKAŹNIKI I METODY OCENY HAŁAŚLIWOŚCI NAWIERZCHNI Nr drogi Nawierzchnia Wartości wskaźnika SPBI w zależności od rodzaju nawierzchni i kategorii prędkości Dk 22 BA 16 74,2 81,1 85,4 Dk 10 SMA 12 74,6 80,3 84,3 Dk 1 SMA 12 75,3 80,4 83,9 Dk 5 SMA 10 75,4 80,9 84,8 Dk 10 SMA 10 73,0 79,3 83,3 Dk 10 MNU 72,8 78,7 82,9 Dk 11 GUFI 72,9 79,4 83,5 Dk 11 Ruflex 76,2 82,0 86,0 Dk 8 BC 79,7 83,6 86,6 18

19 2. WSKAŹNIKI I METODY OCENY HAŁAŚLIWOŚCI NAWIERZCHNI Wartości indeksu SPBI w zależności od struktury rodzajowej pojazdów Nr drogi Nawierzchnia Wartości wskaźnika SPBI w zależności od rodzaju nawierzchni, kategorii prędkości i struktury pojazdów ISO 50/50 ISO 50/50 ISO 50/50 Dk 22 BA 16 74,2 78,6 81,1 83,4 85,4 86,3 Dk 10 SMA 12 74,6 76,6 80,3 82,2 84,3 85,6 Dk 1 SMA 12 75,3 79,3 80,4 82,8 83,9 85,1 Dk 5 SMA 10 75,4 77,5 80,9 82,7 84,8 85,9 Dk 10 SMA 10 73,0 77,7 79,3 81,9 83,3 84,5 Dk 10 MNU 72,8 75,1 78,7 80,7 82,9 84,1 Dk 11 GUFI 72,9 78,6 79,4 82,4 83,5 84,9 Dk 11 Ruflex 76,2 79,7 82,0 84,6 86,0 87,4 Dk 8 BC 79,7 82,4 83,6 86,2 86,6 88,4 19

20 2. WSKAŹNIKI I METODY OCENY HAŁAŚLIWOŚCI NAWIERZCHNI Metoda kontrolowanego przejazdu (CPB Controlled Pass-By method) 20

21 2. WSKAŹNIKI I METODY OCENY HAŁAŚLIWOŚCI NAWIERZCHNI L (CPB, 80 km/h), [db(a)] Wyniki pomiaru hałasu metodą CPB ,4 86,5 85, ,6 78,0 79,7 74,9 77,0 79, BA- Siena BA- Mondeo BA- Laguna SMA- Siena SMA- Mondeo SMA- Laguna KK- Siena KK- Mondeo KK- Laguna 21

22 L max, [db(a)] L max, [db(a)] 2. WSKAŹNIKI I METODY OCENY HAŁAŚLIWOŚCI NAWIERZCHNI L max, [db(a)] "Mondeo-opony letnie" y = 32,89x + 17,51 R 2 = 0,99 1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 "Laguna-opony zimow e" y = 33,49x + 16,00 R 2 = 0,99 lgv lgv 1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 Wyniki pomiaru poziomu dźwięku metodą CPB "4 pojazdy" y = 32,96x + 16,34 R 2 = 0,96 lgv 1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 22

23 2. WSKAŹNIKI I METODY OCENY HAŁAŚLIWOŚCI NAWIERZCHNI Metoda CPX (Close Proximity method) przyczepy badawcze do pomiaru hałasu opona/nawierzchnia (ISO : Acoustics - Part 2: The Close - Proximity method) T RL, UK NL LCPC, F 23

24 2. WSKAŹNIKI I METODY OCENY HAŁAŚLIWOŚCI NAWIERZCHNI Przyczepa badawcza Politechniki Gdańskiej 24

25 L max, [db(a)] 2. WSKAŹNIKI I METODY OCENY HAŁAŚLIWOŚCI NAWIERZCHNI 95,4 96, ,3 96,7 98,6 98,2 98,7 99,6 98,8 99,9 100,1 100, ,5 89,05 88,48 89,48 92, ,79 98,04 97,3 97,05 97,8 Wyniki badań poziomu dźwięku na wybranych nawierzchniach BA SMA 12,8 PU 8/16 NP-2w -4 BC-ok Opona A Opona B Opona C Opona D CPXI(80) 25

26 2. WSKAŹNIKI I METODY OCENY HAŁAŚLIWOŚCI NAWIERZCHNI Poziom hałasu opona/nawierzchnia wg CPX SMA 0/4: CPXI (80) = MPD = 0,36 SMA 0/6: CPXI (80) = MPD = 0,49 SMA 0/8: CPXI (80) = MPD = 0,74 96,3 db(a), 96,3 db(a) 96,8 db(a) 2 db(a) SMA 0/12,8: CPXI (80) = 98,8 db(a) MPD = 0,71 1,8 db(a) SMA 0/16: CPXI (80) = 100,6 db(a) MPD = 1,30 26

27 3. ANALIZA PORÓWNAWCZA WSKAŹNIKÓW OCENY HAŁASU Rodzaj CPXI, [db(a)] L 1 (SPB), [db(a)] CPXI - L 1 (SPB) nawierzchni Beton 89,9 97,0 102,5 70,8 77,4 81,8 19,1 19,6 20,7 asfaltowy Slurry seal 89,5 96,8 101,9 70,5 76,5 80,6 19,0 20,3 21,3 SMA 0/12,8 91,4 98,7 103,6 71,4 77,7 82,0 20,0 21,0 21,6 Pow. utrwalenie 92,2 99,5-73,7 80,4 85,0 18,5 19,1 - BKB-typ 2 92, ,7 85,3 90,4 19,3 - - Kostka kamienna Poziom L 1 - Indeks CPXI 97,7 106,1-77, ,1 - - Średnia wartość różnicy poziomów, [db(a)] 19,3 20,0 21,2 27

28 3. ANALIZA PORÓWNAWCZA WSKAŹNIKÓW OCENY HAŁASU Rodzaj CPXI, [db(a)] L 2B (SPB),[dB(A)] CPXI - L 2B (SPB), [db(a)] nawierzchni 50km/h 80km/h 50km/ 80km/h 50km/h 80km/h h Beton asfaltowy 89,9 97,0 81,0 87,2 8,9 9,8 Slurry seal 89,5 96,8 79,2 86,5 10,3 10,3 SMA 0/12,8 91,4 98,7 81,3 86,1 10,1 12,6 Pow. utrwalenie 92,2 99,5 80,8 87,4 11,4 12,1 Kostka kamienna Poziom L 2B - Indeks CPXI 97,7 106,1 86,8 94,5 10,9 11,6 Średnia wartość różnicy poziomów, [db(a)] 10,3 11,3 28

29 3. ANALIZA PORÓWNAWCZA WSKAŹNIKÓW OCENY HAŁASU L 1 (SPB) L 1 (CPB) Rodzaj nawierzchni L 1 (SPB), [db(a)] L 1 (CPB), [db(a)] L 1 (SPB) - L 1 (CPB) Beton asfaltowy 70,6 76,8 81,0 71,4 77,8 82,1-0,8-1,0-1,1 SMA 71,8 77,8 81,8 70,1 77,2 82,0 1,7 0,6-0,2 Kostka kamienna 78,1 85,8 90,9 78,0 85,9 91,1 0,1-0,1-0,2 29

30 3. ANALIZA PORÓWNAWCZA WSKAŹNIKÓW OCENY HAŁASU Indeks SPBI Indeks CPXI y = 0,9036x + 25,868 R² = 0,3363 CPXI, [db(a)] SPBI, [db(a)] 30

31 4. PORÓWNANIE METOD: CPX I SPB Metoda CPX - zalety: -Stosunkowo duża łatwość prowadzenia pomiarów poziomu hałasu, niezależnie od warunków ruchu, położenia odcinka drogi, lokalizacji drogi -Krótki czas wykonywania pomiarów, -Możliwość badania hałasu przy różnych prędkościach, -Możliwość porównywania wyników hałaśliwości nawierzchni na różnych drogach (także w różnych krajach), przy zachowaniu takich samych warunków pomiaru, Metoda CPX - wady: -Ustalone wartości CPX dotyczą tzw. pola bliskiego, a tym samym nie uwzględniają propagacji i absorpcji dźwięku, -Trudności w wykorzystaniu wyników pomiarów w ocenie klimatu akustycznego w otoczeniu dróg, -Aparatura pomiarowa dość skomplikowana i kosztowna, -Opony testowe są tylko pewnym przybliżeniem poszczególnych pojazdów 31

32 4. PORÓWNANIE METOD: CPX I SPB METODA SPB zalety: -Wyniki pomiarów uwzględniają hałas toczenia pojazdu samochodowego danej kategorii, propagację i pochłanianie dźwięku, co ma istotne znaczenie przy badaniu nawierzchni porowatych, -Ustalone wartości poziomu dźwięku od przejazdu statystycznego pojazdu mogą być wykorzystane w obliczeniach równoważnego poziomu dźwięku od ruchu samochodowego w otoczeniu drogi, -Aparatura badawcza stosunkowo łatwa w obsłudze. METODA SPB wady: -Wyniki pomiarów są reprezentatywne dla konkretnego odcinka drogi, przy określonej charakterystyce pojazdów, -Trudności ustalenia wartości poziomu dźwięku dla każdej grupy pojazdów na niektórych odcinkach badawczych, -Trudności w prowadzeniu pomiarów na ulicach, -Praktycznie brak możliwości prowadzenia badań przy ograniczeniach prędkości, braku widoczności, przed oddaniem drogi do eksploatacji, -Porównanie wyników poziomu hałasu na różnych drogach, nawet o tej samej nawierzchni, zawsze jest obarczone pewnym błędem. 32

33 5. KLASYFIKACJA NAWIERZCHNI POD WZGLĘDEM HAŁAŚLIWOŚCI (propozycja) Kryteria oceny hałaśliwości nawierzchni L 1 maksymalny poziom dźwięku od przejeżdżającego z prędkością 80 km/h, statystycznego pojazdu osobowego, ustalony zgodnie z metodą SPB CPXI wskaźnik ustalony zgodnie z metodą CPX, jako średnia arytmetyczna poziomów dźwięku generowanego w tzw. polu bliskim, przy zastosowaniu zestawu opon testowych 33

34 Klasa NC naw. ciche 5. KLASYFIKACJA NAWIERZCHNI POD WZGLĘDEM HAŁAŚLIWOŚCI (propozycja) Poziom hałasu, [db(a)] CPXI (80) L 1 (80) Przykłady warstw ścieralnych < 93,5 < 73,0 Pojedyncze warstwy porowate o uziarnieniu kruszywa < 10 mm (np. PA 8) Podwójne warstwy porowate Nawierzchnie poroelastyczne,... ZH zredukowana hałaśliwość NH normalna hałaśliwość PH - podwyższona hałaśliwość NNH nadmierna 93,5 96,4 73,0 75,9 SMA i betony asfaltowe (uziarnienie kruszywa < 10 mm (np. SMA5, SMA8, AC5, AC8) Bardzo cienkie warstwy bitumiczne typu BBTM o uziarnieniu kruszywa < 10 mm (np. BBTM8) Pojedyncze warstwy porowate o uziarnieniu kruszywa > 10 mm (np. PA11) 96,5 99, ,9 SMA i betony asfaltowe o uziarnieniu kruszywa mm (np. SMA11/SMA12,8, AC11/BA12,8) Bardzo cienkie warstwy bitumiczne o uziarnieniu kruszywa >10mm (np. BBTM11) Betony cementowe o optymalnym teksturowaniu 99,5 102,4 79,0 81,9 102,5 82,0 Kostka kamienna Powierzchniowe utrwalenia Uszorstnione nawierzchnie typu SMA SMA i betony asfaltowe o uziarnieniu kruszywa 16 mm Klasyczne betony cementowe Betonowa kostka brukowa przy optymalnym układzie połączeń Betonowa kostka brukowa bez optymalizacji połączeń 34 Betony cementowe poprzecznie rowkowane

35 6. ANALIZA WIDMOWA DŹWIĘKU W POMIARACH POZIOMU HAŁASU TOCZENIA Poziom ciśnienia akustycznego - jedynie wstępna ocena określonego dźwięku złożonego Analiza poszczególnych składowych dźwięku w funkcji częstotliwości, tj. widma akustycznego - bardziej szczegółowa ocena wpływu dźwięku na słuch oraz większe możliwości wyboru sposobów zmniejszenia poziomu dźwięku 35

36 L max, [db(a)] 6. ANALIZA WIDMOWA DŹWIĘKU W POMIARACH POZIOMU HAŁASU L max, [db(a)] SO(pz)-SMA y = 28,90x + 23,05 R 2 = 0,66 lgv 1,6 1,7 1,8 1,9 2 2,1 2, SO(pz)-SMA-w idma dźw ięku Częstotliw ość, [Hz] 36

37 Poziom dźw ięku, [db(a)] 6. ANALIZA WIDMOWA DŹWIĘKU W POMIARACH POZIOMU HAŁASU CPB-SPB (80km/h) suchacpb w ilgotcpb mokracpb suchaspb 45 w ilgotspb mokraspb ,25k 2,5k 5k 10k Częstotliw ość, [Hz] 37

38 Poziom dźw ięku, [db(a)] ANALIZA WIDMOWA DŹWIĘKU W POMIARACH POZIOMU HAŁASU ,0 95,0 90,0 85,0 80,0 75,0 70,0 65,0 60,0 55,0 Częstotliw ość, [Hz] SMA0/12,8/BW8 ND/1w /3a ND/2w /4a ND/2w /4b PU8/16/BW11 38

39 Poziom dźw ięku, [db(a)] ANALIZA WIDMOWA DŹWIĘKU W POMIARACH POZIOMU HAŁASU ,0 95,0 90,0 85,0 80,0 75,0 70,0 65,0 60,0 55,0 Częstotliw ość, [Hz] SMA0/12,8/BW4 SMA0/12,8/BW7 SMA0/12,8/BW8 SMA0/4/5b SMA0/6/5c SMA0/8/6c 39

40 7. Podsumowanie i wnioski 1. W oparciu o równoważny poziom dźwięku L eq nie ma możliwości oceny nawierzchni drogowych pod względem hałaśliwości. Metoda statystycznego przejazdu (SPB) i metoda kontrolowanego przejazdu (CPB) umożliwiają ocenę hałasu toczenia pojazdów samochodowych, a metoda CPX ocenę hałasu opona/nawierzchnia. 40

41 2. W oparciu o wartość wskaźnika L 1 i indeks CPXI można dokonać klasyfikacji nawierzchni pod względem hałaśliwości. Proponowany podział na 5 klas pod względem hałaśliwości wydaje się być rozwiązaniem właściwym, a podane kryteria są jednoznaczne. 3. Maksymalne poziomy dźwięku od przejazdu pojazdów poszczególnych kategorii, na analizowanych nawierzchniach, mogą być podstawą oceny klimatu akustycznego w otoczeniu dróg 41

42 4. Należy dążyć do uwzględniania widm emitowanych dźwięków w celu bardziej szczegółowego zbadania problemu ograniczenia hałasu w płaszczyźnie opona/ nawierzchnia 42

43 DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ 43