BADANIA SYMULACYJNE WP YWU WYBRANYCH PARAMETRÓW RUCHU DROGOWEGO NA HA AS SAMOCHODOWY

Transkrypt

1 PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ z. 98 Transport 2013 Andrzej Ggorowski Politechnika Warszawska, Wydzia Transportu BADANIA SYMULACYJNE WPYWU WYBRANYCH PARAMETRÓW RUCHU DROGOWEGO NA HAAS SAMOCHODOWY Rkopis dostarczono, maj 2013 Streszczenie: Zgodnie z wymogami Unii Europejskiej do oceny haasu drogowego naley stosowa zarówno metody pomiarowe jaki obliczeniowe. Metody obliczeniowe haasu samochodowego s niezastpione w procesie projektowania inwestycji transportowych i pomagaj znacznie obniy koszty w procesie cigego bd okresowego monitoringu haasu w rodowisku. Problem badawczy podejmowany w artykule okrelony zosta poprzez zdefiniowanie i analiz wybranych wskaników i parametrów majcych podstawowy wpyw na poziom haasu drogowego. Metoda badawcza zostaa zrealizowana poprzez budow modelu geometryczno-akustycznego drogowego obszaru komunikacyjnego, a nastpnie przeprowadzenie bada symulacyjnych z uwzgldnieniem zmian wybranych parametrów oraz z zastosowaniem algorytmu obliczeniowego haasu akustycznego zalecanego do stosowania na obszarze Unii Europejskiej. Sowa kluczowe: haas drogowy, model obliczeniowy, parametry ruchu drogowego 1. WSTP Transport drogowy jest obecnie gównym ródem haasu emitowanego do rodowiska [9, 17]. Aby skutecznie dokonywa jego redukcji konieczne jest zastosowanie odpowiednich metod oceny klimatu akustycznego na duych obszarach komunikacyjnych. W krajach Unii Europejskiej do oceny haasu samochodowego wymagane jest stosowanie zarówno metod pomiarowych jaki i obliczeniowych[3, 6]. Stosowanie w szerokim zakresie metod pomiarowych na duych obszarach komunikacyjnych jest trudne do zrealizowania z powodów zarówno technicznych jak i ekonomicznych. Dlatego tak wane jest opracowanie skutecznych metod obliczeniowych. Metody te s szczególnie przydatne przy opracowywaniu prognoz klimatu akustycznego na obszarach komunikacyjnych przy uwzgldnieniu zmian rónych czynników, np. zmian natenia ruchu.

2 156 Andrzej Ggorowski Na wiecie stosuje si bardzo róne standardy obliczeniowe wykorzystujce do analizy róne parametry i wskaniki oceny haasu oraz w róny sposób opisujce zjawiska propagacji fal akustycznych w rodowisku. Analiza rónych algorytmów obliczeniowych przeprowadzona przez autora [10, 11] wykazaa, e stosujc je uzyskamy róne wartoci tych samych wskaników haasu akustycznego. Uzyskanie dokadnych wyników w przypadku haasu akustycznego ma szczególne znaczenie ze wzgldu na charakterystyk i czuo narzdu suchu czowieka (oraz konieczno stosowania skali decybelowej). Caociowa ocena poszczególnych czynników i parametrów pozwoli opracowa zaoenia do budowy kompleksowej metody obliczeniowej haasu drogowego. W niniejszym artykule przedstawiono analiz rónych grup czynników ksztatujcych klimat akustyczny. Nastpnie zaprezentowano badania wybranych parametrów ruchowych oraz dokonano analizy ich wpywu na poziom haasu samochodowego emitowanego i propagowanego na okrelonym obszarze komunikacyjnym. 2. ANALIZA PARAMETRÓW WPYWAJCYCH NA POZIOM HAASU DROGOWEGO W literaturze mona spotka wybiórcze badania niektórych parametrów decydujcych o poziomie haasu samochodowego. Dua cz bada dotyczy wpywu stanu nawierzchni i rodzaju opon samochodowych na chwilowy poziom haasu [2, 23]. Analiz oddziaywania czynników meteorologicznych na klimat akustyczny mona znale w pracach [13, 21]. Kolejne badania dotycz wpyw rodzaju gruntu na pochanianie i odbijanie dwików[16]. W pracy [14] przedstawiono badania eksperymentalne poziomu haasu przy zmieniajcym si godzinnym nateniu ruchu(dla maego obcienia ruchem). Charakterystyk takich parametrów jak natenie ruchu, struktura ruchu czy prdko pojazdów oraz ich wpywu na poziom haasu mona znale w pracach [1, 7, 15]. W pozycjach tych trudno doszuka si jednak caociowych bada. Wikszo z nich dotyczy zwykle okrelonych warunków terenowych, eksploatacyjnych, ruchowych i pogodowych, a analizowany haas jest wartoci chwilow. W przypadku oceny oddziaywania na rodowisko i ludzi konieczna jest jednak analiza wskaników okrelajcych dugookresowy poziom haasu akustycznego. Dokonujc ogólnego podziau mona wyszczególni cztery gówne grupy czynników majcych podstawowy wpyw na poziom haasu drogowego: grupa czynników zwizana z parametrami konstrukcyjnymi pojazdu(jako róda dwiku), grupa czynników zalena od parametrów ruchowych i eksploatacyjnych pojazdów, czynniki zwizane z budow infrastruktury transportowej ( w tym dróg) oraz architektur i uksztatowaniem caego obszaru komunikacyjnego, warunki meteorologiczne.

3 Badania symulacyjne wpywu wybranych parametrów ruchu drogowego na haas 157 Aby uwzgldni powysze czynniki w procesie modelowania, naley opisa je z wykorzystaniem szeregu parametrów, które z kolei mog by zmienne w czasie( np. parametry eksploatacyjne czy te meteorologiczne). Odporno algorytmu na zmiany parametrów stanowi podstawowy problem do rozwizania. Ze wzgldu na bardzo du ilo elementów majcych wpyw na emisj, propagacj i tumienie fal dwikowych stworzenie bardzo dokadnej metody stanowi wic zoone zagadnienie. Dokadna i caociowa analiza tych parametrów moe znacznie pomóc przy budowie kompleksowej metody obliczania haasu drogowego. Wród wielu parametrów ruchowych redni dobowy ruch(sdr) jest gównym parametrem wykorzystywanym w badaniach obcienia ruchem poszczególnych dróg. Do bada oddziaywania na rodowisko, w tym do oceny dugookresowego poziomu haasu akustycznego w poszczególnych porach doby oprócz SDR wykorzystuje si takie parametry jak dzienny redni ruch (DSR), wieczorny redni ruch (WSR) oraz nocny redni ruch (NSR). Ich wpyw na dugookresowy poziom haasu samochodowego powinien zosta przeanalizowany w I etapie bada. 3. MODEL GEOMETRYCZNO-AKUSTYCZNY Dla potrzeb bada wpywu parametrów ruchowych na poziom haasu zbudowano w rodowisku SoundPlan model geometryczno-akustyczny drogowego obszaru komunikacyjnego (rys 1). Zbudowany model jest zgodny w gównych zaoeniach z ukadem, który zaproponowano i opisano w poprzednich pracach autora [10, 11]. W stosunku do ukadu poprzedniego zmiany dotycz m.in. modelu róde i dróg oraz identyfikacji parametrów. Przy budowie modelu obszaru komunikacyjnego gównym celem byo uwzgldnienie takich zjawisk jak odbicie, pochanianie, dyfrakcja, interferencja fal w rónych sytuacjach (przypadkach), które mog zdarzy si w rzeczywistych warunkach eksploatacyjnych. Dlatego model przedstawiony na rys.1 reprezentuje teren urbanistyczny o gstej zabudowie charakteryzujcy si równie tym, i obok zjawiska ekranowania wystpuj dodatkowe efekty odbi na fasadach budynków, pomidzy którymi zachodzi propagacja. Taka budowa modelu pozwala okreli poziom haasu z uwzgldnieniem rónych dróg jego propagacji. Model ukadu komunikacyjnego zbudowano z uwzgldnieniem odpowiednich wymaga w zakresie projektowania dróg gównych ruchu przyspieszonego [10, 22]. Na podstawie analizy rzeczywistych danych [7, 12, 17, 20] zdefiniowano w modelu /rys.1/) nastpujce rodzaje parametrów ruchowych: rednie natenie ruchu dla pory dnia(d), wieczoru(w) i nocy(n) -(SNR [poj./h]), redni dobowy ruch w roku (SDR [poj./dob]), dzienny redni ruch (DSR [poj./12h]), wieczorny redni ruch (WSR [poj./4h]), nocny redni ruch (NSR [poj./8h]),

4 158 Andrzej Ggorowski rednia prdko ruchu pojazdów w danej klasie (V sr [km/h]), rodzaj potoku ruchu. z y Rys. 1. Model geometryczno-akustyczny drogowego obszaru komunikacyjnego- widok w ukadzie przestrzennym (X-Y-Z) x redni dobowy ruch w roku (SDR) zosta okrelony w modelu jako liczba pojazdów przejedajcych przez dany przekrój drogi w cigu 24 kolejnych godzin, rednio w cigu jednego roku. Natenie ruchu zdefiniowano jako liczba pojazdów przejedajcych przez dany przekrój drogi w jednostce czasu. Z punktu widzenia realizacji celów pracy dokonano szczegóowej analizy redniego dobowego ruchu w Polsce. Dokonujc przegldu rzeczywistych danych pomiarowych SDR(ostatnie takie dane zostay zaprezentowane przez Generaln Dyrekcj Dróg Krajowych i Autostrad za 2010 r.[12]) mona stwierdzi due zrónicowanie wartoci tego parametru na poszczególnych drogach sieci krajowej. W zalenoci od województwa i technicznej klasy drogi oraz podziau funkcjonalnego SDR wahao si w granicach od 319 do poj./dob. Na drogach midzynarodowych rednie obcienie ruchem pojazdów silnikowych w 2010 roku wynosio poj./dob, za na pozostaych drogach krajowych 7097 poj./dob. redni dobowy ruch pojazdów silnikowych (SDR) w 2010 roku na caej sieci dróg krajowych wynosi ogóem 9888 poj./dob. Uwzgldniajc zakres zmian obcienia ruchem dla dróg gównych ruchu przyspieszonego(gp), przyjto do bada przedzia SDR od 300 do poj./dob. W przypadku dróg tej klasy technicznej redni SDR wyniós poj./dob. Wybrane parametry przyjte w modelu oraz struktur ruchu pojazdów przedstawiono w tabelach 1 i 2.

5 Badania symulacyjne wpywu wybranych parametrów ruchu drogowego na haas 159 Wybrane parametry ruchowe przyjte w modelu Tabela 1 Klasa techniczna drogi GP Podzia funkcjonalny Droga krajowa gówna SDR Kat Vr [km/h] Warto SDR parametru [poj./dob] poj. Dzie Wieczór Noc minimalna 300 A maksymalna B rednia C Potok ruchu Dzie Wieczór Noc Pynny cigy Pynny cigy Pynny cigy Podzia pojazdów na kategorie ( klasy) Tabela 2 Lp. Symbol kategorii (klasy) pojazdów Grupa pojazdów 1 A motocykle 2 B Samochody osobowe o dopuszczalnej masie cakowitej do 3,5t 3 C Autobusy, samochody o masie dopuszczalnej powyej 3,5t 4. MODEL OBLICZENIOWY Model obliczeniowy do bada wpywu wybranych parametrów ruchowych na poziom haasu dugoterminowego oparto na metodzie NMPB-Routes-96 [8] oraz algorytmach opisanych w normach midzynarodowych ISO [18] i ISO [19]. Francuska metoda NMPB-Routes-96 zalecana jest przez Uni Europejsk do stosowania przez poszczególne kraje czonkowskie jako metoda przejciowa do momentu opracowania wspólnego algorytmu obliczeniowego haasu drogowego. Uwzgldnia ona m.in. okrelenie poziomu mocy akustycznej dla kadego róda ( pojazdu)oraz poszukiwanie tras propagacji dwiku pomidzy kadym ze róde a punktem odbioru (trasa bezporednia, trasa odbita i/lub ugita). Rozbudowane algorytmy powyszych metod mog by przedmiotem osobnych analiz i dlatego w artykule zostanie opisany tylko sposób obliczania gównego wskanika do oceny dugookresowego poziomu haasu akustycznego. Wskanik L DWN jest dugookresowym rednim poziomem dwiku skorygowanym za pomoc charakterystyki czstotliwociowej A, wyznaczonym w cigu wszystkich dób dla okresu caego roku. Z godnie z normami ISO , ISO oraz metod NMPB- Routes-96 urednianie poziomu dwiku zaley zarówno od rónic emisji dwiku( z uwzgldnieniem rónic w nateniu ruchu) jak i odchyle warunków meteorologicznych wpywajcych na propagacj dwiku. Wskanik L DWN mona wyrazi w sposób nastpujcy:

6 160 Andrzej Ggorowski d 0,1( L 24 D K ) e d 0,1( LW K ) d e e 0,1( LN K n ) L DWN 10 log ) (1) gdzie: L D, L W, L N odpowiednio dzienne, wieczorne i nocne poziomy wynikowe zawierajce poprawki dotyczce róde dwiku i charakteru dwiku, d liczba godzin dziennych, e liczba godzin wieczornych, K d, K w, K n poprawki dotyczce odpowiednio pory dziennej, wieczornej i nocnej. 5. BADANIA SYMULACYJNE I ANALIZA WYNIKÓW Celem niniejszych bada bya przede wszystkim analiza wpywu wybranych parametrów ruchowych(sdr, DSR, WSR, NSR) na poziom haasu w rónych punktach obszaru komunikacyjnego (przy uwzgldnieniu rónych dróg propagacji fal akustycznych). y x Rys. 2. Rozmieszczenie gównych punktów wyznaczajcych poszczególne podobszary w modelu obszaru komunikacyjnego

7 Badania symulacyjne wpywu wybranych parametrów ruchu drogowego na haas 161 Aby dokona analizy na caym obszarze komunikacyjnym, podzielono go na 6 podobszarów (podobny sposób postpowania przyjto w poprzednich badaniach autora [10, 11]). rodki tych podobszarów wyznaczaj odcinki prostopade do stycznych do osi drogi. Gówne punkty lokalizacyjne zaznaczono na rys. 2 (P1-P48). Przykadowo punkty P1-P8 wyznaczaj odcinek 1 podobszaru pierwszego (P9-P16 odcinek 2 podobszaru drugiego, P17-P24 odcinek 3 podobszaru trzeciego, odcinek 4 P25-P32, odcinek 5 P33-P40, odcinek 6 P41-P48). Z kolei poszczególne odcinki wyznaczaj paszczyzny rodkowe podobszarów modelu terenu komunikacyjnego. Uwzgldniajc szeroki zakres zmian parametru SDR dokonano serii oblicze poziomu haasu drogowego. Badania symulacyjne przeprowadzono dla trzech przedziaów wartoci SDR reprezentujcych odpowiednio mae, rednie i due obcienie ruchem(tab. 3). Przedziay SDR przyjte w modelu Lp. obcienie ruchem Przedzia SDR [poj./dob] 1 mae rednie due Tabela 3 Oblicze poziomu haasu drogowego dokonano w punktach rozmieszczonych w czci (paszczynie) rodkowej poszczególnych podobszarów przy uwzgldnieniu rónych wysokoci nad poziomem morza, odlegoci od osi drogi, usytuowania w stosunku do budynków stanowicych poszczególne sztuczne przeszkody akustyczne. Zgodnie z metod opisan w rozdziale poprzednim dla okrelonego natenia ruchu wyznaczono wartoci poziomu cinienia akustycznego korygowanego filtrem korekcyjnym A. Na podstawie uzyskanych wartoci poziomu cinienia akustycznego dla poszczególnych pór doby dokonano wylicze dugookresowego redniego poziomu dwiku A wyraonego wskanikiem L DWN zgodnie ze wzorem (1) opisanym w poprzednim rozdziale. Dla wszystkich badanych podobszarów uzyskano wzrost wartoci wskanika L DWN przy ze zwikszajcym si obcieniu ruchem, przy czym stopie wzrostu dugookresowego poziomu haasu by róny dla analizowanych przedziaów SDR. Najwiksz dynamik wzrostu zaobserwowano w przedziale najniszym okrelajcym najmniejsze obcienie ruchem. Wraz ze wzrostem SDR, szczególnie dotyczy to najwyszego przedziau dynamika wzrostowa maleje. Fakt ten mona wytumaczy nakadaniem si fal akustycznych pochodzcych z bardzo wielu róde dwiku. Podobne wyniki uzyskano przy odpowiednich zmianach takich parametrów jak DSR, WSR, NSR. W literaturze (o czym ju wspomniano w rozdziale2) mona znale wybiórcze badania eksperymentalne w tym zakresie [1, 14], które potwierdzaj uzyskane wyniki. Przykadowe wyniki dla wybranego podobszaru i poszczególnych przedziaów SDR przedstawiono na rysunkach 3a, 3b, 3c. Wykresy 3a (przedzia I SDR), 3b (przedzia II SDR) oraz 3c (przedzia III SDR) przedstawiaj poziomy wskanika L DWN w funkcji redniego dobowego ruchu(sdr) w punktach P2, P5, P8 podobszaru I dla wysokoci h =2,8 m.

8 162 Andrzej Ggorowski P2 P5 P8 LDWN [db] a) SDR [poj./dob] P2 P5 P P2 P5 P8 LDWN [db] 45 LDWN [db] b) SDR [poj./dob] c) SDR [poj./dob] Rys. 3. Poziomy wskanika L DWN w funkcji redniego dobowego ruchu: a) przedzia I SDR, b) przedzia II SDR, c) przedzia III SDR

9 Badania symulacyjne wpywu wybranych parametrów ruchu drogowego na haas PODSUMOWANIE Obecnie inwestycje drogowe oraz zmiany w organizacji ruchu musz uwzgldnia ochron rodowiska i ludzi przed haasem[3-5]. Aby móc wyznacza poziom haasu na duych obszarach komunikacyjnych konieczne jest zastosowanie obok narzdzi pomiarowych równie metod obliczeniowych, przy czym ich dokadno ma podstawowe znaczenie w wiernym odwzorowaniu rzeczywistych warunków akustycznych. Z kolei, aby zapewni odpowiedni dokadno naley w modelu uwzgldni jak najwicej parametrów wpywajcych na kocowy poziom haasu w okrelonym punkcie obszaru komunikacyjnego. Jednake jak wykazano w rozdziale 2 jest to trudne do zrealizowania ze wzgldu na du ich liczb, rónorodno oraz nieliniowo oraz znaczn zmienno w czasie. Naley bowiem pamita, e model musi zapewnia zarówno dokadno oblicze, jak i odpowiedni efektywno numeryczn. Badania prowadzone przez autora pozwol oceni, które czynniki powinny by w pierwszej kolejnoci uwzgldnione w kompleksowej metodzie obliczeniowej, co pozwoli opracowa zbiór zaoe do jej budowy. Badania opisane w niniejszym artykule dotycz wpywu wybranych parametrów ruchowych na poziom haasu w okrelonych punktach zamodelowanego obszaru komunikacyjnego. Uwzgldniono w nich szeroki zakres zmian parametru SDR. Pozwolio to okreli zmiany w klimacie akustycznym przy maym, rednim i duym obcieniu ruchem. Okrelono dynamik zmian poziomu haasu dla szerokiego zakresu wartoci SDR oraz dla punktów zlokalizowanych w rónych miejscach obszaru komunikacyjnego(dla rónych odlegoci, wysokoci i rónych dróg propagacji). Z przedstawionej analizy wynika jednoznacznie, e takie parametry ruchowe jak SDR (czy te DSR, WSR, NSR) maj znaczcy wpyw na klimat akustyczny. Powinny wic by jednym z gównych parametrów uwzgldnionych w kompleksowej metodzie obliczania i oceny dugookresowego poziomu emisji i immisji haasu samochodowego na okrelonym obszarze komunikacyjnym. Dalsze badania autora bd dotyczy pozostaych parametrów, których analiza zostaa przedstawiona w rozdziale 2 niniejszego artykuu. Bibliografia 1. Baubonyte I., Grazuleviciene R. Road Traffic Flow and Environmental Noise in Kaunas City, Environmental Research, Engineering and Management, 2007.No.1(39), pp Cho D. S., Mun S. Development of a highway traffic noise prediction model that considers various road surface types. Applied Acoustics 69 (11), 2008, pp Dyrektywa 2002/49/WE Parlamentu Europejskiego oraz Rady z dnia 25 czerwca 2002 r. w sprawie oceny i zarzdzania poziomem haasu w rodowisku Dz.U nr 62 poz. 627 Prawo ochrony rodowiska, Ustawa z dnia 27 kwietnia 2001 r. 5. Dz.U nr 120 poz. 826: Rozporzdzenie Ministra rodowiska z dnia 14 czerwca 2007 r. w sprawie dopuszczalnych poziomów haasu w rodowisku. 6. Dz.U nr 140 poz. 824: Rozporzdzenie Ministra rodowiska z dnia 16 czerwca 2011 r. w sprawie wymaga w zakresie prowadzenia pomiarów poziomów substancji lub energii w rodowisku przez zarzdzajcego drog, lini kolejow, lini tramwajow, lotniskiem lub portem.

10 164 Andrzej Ggorowski 7. Ellebjerg L.. Effectiveness and Benefits of Traffic Flow Measures on Noise Control, silence- project contract n , European Commission, dg research, French national computation method NMPB-Routes-96 (SETRA-CERTU-LCPCCSTB), referred to in Arrêté du 5 mai 1995 relatif au bruit des infrastructures routières, Journal Officiel du 10 mai 1995, Article Ggorowski A., Korzeb J.: Ocena haasu drogowego w wietle przepisów unijnych i krajowych, Logistyka nr 6/2011, s Ggorowski A.: Komputerowa analiza haasu drogowego z uwzgldnieniem ronych metod obliczeniowych. Logistyka 4/2012, s Ggorowski A.: Badania haasu drogowego z uwzgldnieniem ronych metod obliczeniowych. Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej, Transport., Warszawa 2013, s. 114 (w druku). 12. Generalna Dyrekcja Dróg Krajowych i Autostrad. Generalny pomiar ruchu w 2010 roku,, Warszawa Heimann.D. Influence of meteorological parameters on outdoor noise propagation, Euronoise paper ID: 113-IP/p.1 pp.1-6, Naples Kapusta M. Influence of the intensity and composition of traffic flow on the equivalent noise level, Slovak Journal of Civil Engineering, 2003/2, pp Kumar K., V. K. Katiyar, Parida M., Rawat K. Mathematical modeling of road traffic noise prediction. Int. Journal of Appl. Math and Mech. 7 (4): 21-28, Makarewicz R.: Influence of Ground Effect and Refraction on Road Traffic Noise, Applied Acoustics, Vol. 52, No. 2, pp Opoczyski K. Synteza wyników GPR 2010, Transprojekt -Warszawa PN-ISO :2002. Akustyka Tumienie dwiku podczas propagacji w przestrzeni otwartej. Ogólna metoda obliczania. 19. PN-ISO :2006. Akustyka. Opis i pomiary haasu rodowiskowego. Wielkoci podstawowe i procedury oceny. 20. Pomiary natenia ruchu koowego: materiay Zarzdu Dróg Miejskich 21. Salomons E.M.,, Computational Atmospheric Acoustics, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, Rozporzdzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej w sprawie warunków technicznych jakim powinny odpowiada drogi publiczne i ich usytuowanie (Dz. U. z 1999 r. Nr 43, poz. 430) 23. Yamaguchi M, Nakagawa H, Mizuno T. Sound absorption mechanism of porous asphalt pavement. Journal of the Acoustical Society of Japan 1999;20(1): SIMULATION STUDY ON INFLUENCE OF SELECTED TRAFFIC PARAMETERS ON ROAD NOISE Summary: In accordance with EU requirements for the assessment of road traffic noise, both measurement and calculation methods should be used. Computational methods of road noise are irreplaceable in the design of transport investment and help significantly reduce costs in the process of continuous or periodic monitoring of environmental noise. The research problem taken up in the article is specified by defining and analysis of selected indicators and parameters that influence on road noise level. Research methodology was realized by building a geometric-acoustic model of the road traffic area,and then conducting simulation studies with regard to changes of selected parameters and applying the noise calculation algorithm recommended for use in the European Union. Keywords: road traffic noise, calculation model, road traffic parameters