ODDZIAŁYWANIA WIBROAKUSTYCZNE NA PRZYKŁADZIE EKSPLOATOWANEJ LINII METRA

Transkrypt

1 PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ z. 119 Transport 2017 Jarosław Korzeb, Mirosław Nader, Andrzej Gągorowsi, Jan Różowicz Politechnia Warszawsa, Wydział Transportu ODDZIAŁYWANIA WIBROAKUSTYCZNE NA PRZYKŁADZIE EKSPLOATOWANEJ LINII METRA Ręopis dostarczono, grudzień 2016 Streszczenie: W pracy przedstawiono wybrane zagadnienia badania oddziaływań wibroaustycznych prowadzonych w strefach oddziaływania metra płytiego. Przeprowadzono badania esperymentalne drgań i hałasu na wytypowanym odcinu esploatowanej II linii metra w Warszawie, do tórych wyorzystano aparaturę pomiarową lasy 1 i wysoiej lasy przetwornii. Analizie w dziedzinach czasu i częstotliwości poddano sygnały przyspieszeń drgań mechanicznych generowanych przejazdami pociągów oraz towarzyszącego drganiom hałasu występującego w obietach inżyniersich położonych bezpośrednio nad tunelem. Do przeprowadzenia analiz zbudowano oprogramowanie w środowisu obliczeniowym Matlab. Doonano oceny obydwu typów oddziaływań w oparciu o ryteria normatywne oraz zbadano orelacje zachodzące pomiędzy tymi wymuszeniami. Doonano ponadto próby identyfiacji ścieże propagacji oddziaływań oraz oceny czynniów przeładających się bezpośrednio na otrzymywane wynii badań. Słowa luczowe: drgania mechaniczne, hałas, metro 1. WSTĘP Liczne sargi mieszańców dotyczące znacznego pogorszenia limatu wibroaustycznego od momentu uruchomienia II linii metra stały się powodem rozpoczęcia prac nauowobadawczych. Badania esperymentalne przedstawione w niniejszym artyule prowadzone były w ramach umowy zawartym pomiędzy Wydziałem Transportu Politechnii Warszawsiej a Metrem Warszawsim w 2015 rou [4]. W artyule przedstawiono wybrane wynii badań esperymentalnych dla wybranego wieloondygnacyjnego obietu podlegającego ciągłej degradacji będącej efetem oddziaływań dynamicznych. Zaproponowano metodę badawczą opartą na analizie nisoczęstotliwościowej sygnałów wibroaustycznych z uwzględnieniem infradźwięów, ja również innych oddziaływań. Potrzeba opracowania sutecznej metody wynia z fatu, że obecnie obowiązujące w Polsce normy (zwłaszcza w zaresie hałasu austycznego [3,5-10]) nie uwzględniają doładnej oceny wpływu omplesowych oddziaływań dynamicznych w zaresie nisich częstotliwości drgań generowanych przez transport podziemny, a następnie transmitowanych przez infrastruturę naziemną.

2 216 Jarosław Korzeb, Mirosław Nader, Andrzej Gągorowsi, Jan Różowicz 2. ODDZIAŁYWANIA DRGAŃ NA KONSTRUKCJĘ OBIEKTU Ocenę oddziaływania drgań na onstrucję obietów położonych nad tunelami metra przy ul. Targowej w Warszawie oparto o analizę wyniów badań esperymentalnych i obliczenia wsaźniów obciążenia drganiami [4,11,12]. W tym celu opracowano modele przenoszenia drgań w onstrucji budynu. W etapie pierwszym zebrano dane dotyczące onstrucji budynu, stanu, występujących uszodzeń oraz właściwości gruntu, na tórym posadowiono budyne. Powyższy zestaw danych był wyorzystywany do uszczegółowienia matematycznego modelu przenoszenia drgań, w tórym uwzględniono obciążenia stałe i zmienne [2]. Przybliżone sale wpływów dynamicznych (SWD I oraz SWD II), stosowane podczas diagnostyi szodliwości drgań na istniejące budyni, wg normy PN-85/B-02170, odnoszą się do budynów jedno- lub iluondygnacyjnych o onstrucji murowej, zwartej i ściśle oreślonych wymiarach rzutu pionowego [7]. Sale obejmują budyni o wysoości nieprzeraczającej 5 ondygnacji, stąd też prowadzenie oceny według normatywnych sal SWD w przypadu np. obietu Targowa 15 o więszej liczbie ondygnacji nie jest możliwe. Dlatego zastosowano zmodyfiowaną metodę amplitudowego (przemieszczeniowego, prędościowego i przyspieszeniowego) spetrum odpowiedzi. Badania prowadzono dwuetapowo. W pierwszej fazie wyonano badania esperymentalne rejestrując przyspieszenia drgań w wytypowanych wcześniej przerojach i charaterystycznych puntach pomiarowych. W tych samych pomieszczeniach obietu doonywano dodatowo rejestracji hałasu. Wynii poddano ocenie zgodnie z obowiązującymi atami normatywnymi i rozporządzeniami. W drugiej fazie przeprowadzono badania symulacyjne i obliczenia dodatowych parametrów, tóre poszerzyły wachlarz otrzymywanych wyniów oraz pozwoliły na ocenę wybranych parametrów charateryzujących hałas MODEL OBLICZENIOWY DO OCENY WPŁYWU DRGAŃ W pierwszej fazie symulacyjnej analizy wytrzymałościowej wymagane jest wyznaczenie sił bezwładności w puntach charaterystycznych i znalezienie wartości masymalnych. Schemat postępowania uproszczonego przedstawiono poniżej. Przybliżona częstotliwość pierwszej postaci drgań własnych wyznaczana jest z zależności [2,7]: f1 2 gdzie: y przemieszczenia dla ondygnacji, numer ondygnacji, = 1,..n, Q ciężar supiony ondygnacji. 1 n l 1 Qy gy 2 n (1)

3 Oddziaływania wibroaustyczne na przyładzie esploatowanej linii metra 217 Wartości sładowych sił bezwładności na poszczególnych ondygnacjach, odpowiadające drganiom z i-tą częstotliwością drgań własnych, wyznaczane są z poniższej zależności: gdzie: Pil ag a P Q' Q" c i g j1 i i n i g 2 Q ( c) j1 n sładowa siły bezwładności, w puncie l odpowiadająca i-tej częstotliwości drgań własnych, Qc amplituda przyspieszeń drgań podłoża, Ql, Qlʺ obciążenia stałe i zmienne supione w puncie l, λ współczynni reduujący długotrwałą część obciążenia zmiennego 1, cij, cil rzędna i-tej postaci drgań w puntach j i l budynu, Qj ciężar masy supionej w puncie j. W uproszczonej analizie można porównać ze sobą różne typy obciążenia dynamicznego, np. obciążenie drganiami transportowymi, do obciążenia statycznego lub wywołanego wiatrem, a następnie wyznaczyć przyładowe wsaźnii dynamicznego obciążenia onstrucji drganiami [2,5,6]: W W dyn1 dyn2 dyn _ tr stat dyn _ tr gdzie: stat suma naprężeń wywołanych obciążeniem statycznym, suma masymalnych naprężeń wywołanych obciążeniem dyn _ tr dynamicznym od środów transportu, naprężenia wywołane obciążeniem onstrucji obietu wiatrem. wind wind W badaniach symulacyjnych model analizowanego obietu poddano wymuszeniom reprezentatywnym dla przejazdów reprezentujących tło dynamiczne oraz przejazdy pociągów metra w tunelach znajdującym się bezpośrednio pod obietem. W obliczeniach wyorzystano przebiegi przyspieszeń drgań mechanicznych występujące w warunach rzeczywistych. Obliczenia symulacyjne dały odpowiedź dla ażdej ondygnacji budynu na zadane wymuszenia. Przy analizie wpływu drgań para-sejsmicznych na obiet brano pod uwagę masymalne wartości przyspieszeń drgań w ierunach x, y zmierzone w puntach (2) (3) 1 Długotrwała część obciążenia zmiennego to obciążenie, tóre występuje długo, nieprzerwanie lub z przerwami, w stosunu do czasu użytowania onstrucji i czasu pojawiania się ewentualnych stałych zmian właściwości materiałów onstrucyjnych (def. [7] ).

4 218 Jarosław Korzeb, Mirosław Nader, Andrzej Gągorowsi, Jan Różowicz pomiarowych onstrucji. Analiza i synteza otrzymanych wyniów cząstowych dała podstawę do wyonania oceny oddziaływań dynamicznych na onstrucję badanego obietu mieszalnego BADANIA EKSPERYMENTALNE ODDZIAŁYWANIA DRGAŃ W badaniach doonano rozmieszczenia przerojów pomiarowych usytuowanych od strony źródeł propagacji drgań o najwięszym natężeniu. Podczas prowadzenia badań esperymentalnych doonywano rejestracji przebiegów czasowych przyspieszeń drgań i hałasu posługując się metodą wieloanałowej rejestracji sygnałów czasowych przyspieszeń drgań i poziomów ciśnienia austycznego. Podstawowymi wielościami uzysiwanymi z rejestracji było przyspieszenie drgań w 1/3 otawowych pasmach częstotliwości, w ażdym puncie pomiarowym i w ażdym z ierunów pomiarowych poazanych na rysunu 1. Badania oddziaływania drgań prowadzono w zaresie częstotliwości Hz, a poziomy ciśnienia austycznego rejestrowano w zaresie pasma infradźwięowego (do 20 Hz) i słyszalnego (20 Hz - 20 Hz). Zastosowano metodę analizy widmowej sygnału w przedziale czasu pozwalającą oreślić pełną informację amplitudowo-częstotliwościową. W pracy doonano analizy w pasmach tercjowych, co ułatwiło porównywanie otrzymywanych widm częstotliwościowych. Podziału doonano przez iteracyjne filtrowanie w przedziałach od dolnej (fd) do górnej (fg) częstotliwości olejnych pasm tercjowych. W tym celu wyorzystano zespoły filtrów działające iteracyjnie z diadyczną zmianą rozmiaru analizowanej próbi sygnału i częstotliwości próbowania. Na rysunu 1 poazano loalizację badanego obietu względem osi sąsiadujących ulic oraz tuneli metra. Rys. 1. Schemat usytuowania przerojów pomiarowych

5 Oddziaływania wibroaustyczne na przyładzie esploatowanej linii metra 219 Biorąc pod uwagę stan techniczny badanych obietów na sute zużycia esploatacyjnego oraz oddziaływań dynamicznych pochodzących od ruchu powierzchniowego i metra, stało się celowym przeprowadzenie omplesowej oceny stanu technicznego, tóra pozwoliła wyazać zagrożenia oraz podać sposoby przeciwdziałania i zabezpieczenia przed pogarszaniem się stanu technicznego analizowanych onstrucji. W ażdym z 4 przerojów pomiarowych wyznaczono od 2 do 6 puntów pomiarowych, w zależności od możliwości dostępu do loali mieszalnych. Punty referencyjne NRXS, zloalizowano w poziomie gruntu przed obietem. Punty AB, BB, CB i DB znajdowały się w poziomie terenu, na fundamentach obietu, punty AL1S-AL7S, BL1S-BL7S, CL1S- CL7S i DL1S-DL7S znajdowały się w pomieszczeniach obietu w miejscu styu stropu ze ścianą, natomiast punty AL1P-AL7P, BL1P-BL7P, CL1P-CL7P i DL1P-DL7P znajdują się w pomieszczeniach obietu na środu rozpiętości stropu. Na rysunu 2 poazano zasady oznaczania i loalizacji puntów pomiarowych w obiecie. Rys. 2. Rozmieszczenie puntów pomiarowych w przerojach pomiarowych A,B,C,D gdzie: N - oznaczenie przeroju pomiarowego (A, B, C, D); R - symbol puntu referencyjnego; B - oznaczenie puntu pomiaru wpływu drgań na onstrucję obietu;

6 220 Jarosław Korzeb, Mirosław Nader, Andrzej Gągorowsi, Jan Różowicz L - oznaczenie puntu pomiaru wpływu drgań na ludzi w obiecie; m - numer pomieszczenia w budynu (numer mieszania); P - oznaczenie puntu pomiaru drgań na środu rozpiętości stropu; S - oznaczenie puntu pomiaru drgań przy ścianie nośnej; x - odległość puntu referencyjnego w metrach; y - numer piętra (0-6), numery ondygnacji (1-7); Na rysunu 3 poazano wynii badań esperymetalnych wpływu drgań na onstrucję obietu, w czterech analizowanych przerojach. Rys. 3. Przyładowe wynii analizy esperymentalnej przyspieszeń drgań w puntach oceny drgań na onstrucję obietu, w przerojach pomiarowych A,B,C,D W tabeli 1 przedstawiono przyładowe wynii analizy, tórej podstawą były badania esperymentalne przeprowadzone dla stanu atualnego obciążeń omuniacyjnych budynu ruchem powierzchniowym i metrem. Uwzględniono wynii obliczeń wpływu drgań na onstrucję obietu w porównaniu do wpływu wiatru obciążającego ten budyne. Tabela 1 Przyładowe zestawienie wyniów obciążenia wiatrem i siłami bezwładności od omuniacji naziemnej i metra [4] Punt pomiarowy Obciążenie wiatrem W Obciążenie siłami bezwładności od drgań wywołanych ruchem powierzchniowym i metrem [N/m] [N/m] A44L01S 0,620 0,031 0,050 A56L05S 0,728 0,009 0,012 P P W

7 Oddziaływania wibroaustyczne na przyładzie esploatowanej linii metra 221 Punt pomiarowy Obciążenie wiatrem W Obciążenie siłami bezwładności od drgań wywołanych ruchem powierzchniowym i metrem [N/m] [N/m] B114L00S 0,620 0,017 0,028 C97L00S 0,620 0,009 0,014 D76L01S 0,620 0,011 0,015 Uzysane wartości sił bezwładności porównano z poziomymi siłami wyniającymi z działania wiatru (wartości obciążeń charaterystycznych wiatrem ustalono na podstawie polsich norm). Rzeczywiste siły bezwładności wyznaczono na podstawie pomierzonych drgań ruchem omuniacji naziemnej i metra. Najwięsze siły bezwładności w olejnych puntach wyznaczono na podstawie wymagań normatywnych. P P W 3. ODDZIAŁYWANIE DRGAŃ I HAŁASU NA LUDZI PRZEBYWAJĄCYCH W OBIEKCIE W celu wyazania rzeczywistych związów pomiędzy generowanymi drganiami i powstającymi oddziaływaniami austycznymi zastosowano metodę badawczą uwzględniającą pełną synchronizacje pomiarów drgań i hałasu podczas olejnych przejazdów pociągów metra. Oprócz synchronizacji czasowej w torach pomiarowych uwzględniano odpowiednie położenie w płaszczyźnie X-Y czujniów drgań i mirofonów pomiarowych. Parametrami wyjściowymi do oceny oddziaływania drgań i hałasu na ludzi były wartości suteczne przyspieszeń drgań oraz poziomy ciśnienia austycznego. Otrzymane wartości poddano dalszej analizie zarówno w funcji czasu, ja i częstotliwości. Przyładowy wyni analizy częstotliwościowej oddziaływania drgań na ludzi poazano na rysunu 4. W zastosowanej metodzie badawczej przy uwzględnieniu obowiązujących norm z zaresu austyi budowlanej [3, 9] wyznaczano poziomy hałasu równoważne i masymalne z uwzględnieniem charaterystyi A oraz poziomy ciśnienia austycznego w szeroim zaresie częstotliwości (z uwzględnieniem pełnego pasma słyszalnego i infradźwięowego). W tym przypadu poazano pierwszą fazę przejazdu pociągu pod obietem, przy tórej występowało nisoczęstotliwościowe pobudzenie stropu do drgań, niosące przeroczenia wartości dopuszczalnych dla przebywania w pomieszczeniach mieszalnych w porze nocnej, zgodnie z [8]. Przyładowe wynii analizy częstotliwościowej drgań i odpowiadających im oddziaływań austycznych dla wybranego przeroju pomiarowego i wybranej ondygnacji budynu przedstawiono na rysunach 5-6.

8 222 Jarosław Korzeb, Mirosław Nader, Andrzej Gągorowsi, Jan Różowicz Rys. 4. Przyładowe wynii analizy wpływu drgań na ludzi w pomieszczeniach dla przeroju A i drugiej ondygnacji budynu, na wyresie przyśpieszenia suteczne drgań z uwzględnieniem ierunów drgań oraz wartości granicznych [4]. Rys. 5. Przyładowe wynii analizy wpływu drgań na ludzi w pomieszczeniach dla przeroju A i drugiej ondygnacji budynu, na wyresie przyśpieszenia suteczne drgań z uwzględnieniem ierunów drgań oraz wartości granicznych [4] W więszości badanych przypadów, w czasie przejazdów metra występowały przeroczenia wartości dopuszczalnych hałasu (zwłaszcza dla poziomów masymalnych) oraz obserwowano wzrosty poziomów parametrów sygnału austycznego w zaresie nisich częstotliwości względem poziomu tła (tabela 2).

9 Oddziaływania wibroaustyczne na przyładzie esploatowanej linii metra LEQ[dB] a) 0 0,8 1 1,3 1,6 2 2,5 3, , ,5 16 f[hz] LEQ[dB] b) f[hz] Rys. 6. Analiza wibroaustyczna - przyładowe wynii analizy oddziaływań austycznych dla przeroju A i drugiej ondygnacji budynu [4]: a)poziom hałasu LEQ(f) - rozład widma hałasu w paśmie infradźwięowym, b)poziom hałasu LEQ(f) - rozład widma hałasu w paśmie słyszalnym Tabela 2 Przyładowe wynii wzrostu poziomu hałasu LEQ(f)podczas przejazdu sładu metra względem poziomu tła dla częstotliwości dominujących Wzrost poziomu hałasu LEQ(f) podczas przejazdu sładu metra względem poziomu tła dla częstotliwości dominujących Pasmo f o częstotliwości środowej Poziom hałasu LEQ(f) [db] Wzrost [db] pasma f0 [Hz] 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, ,9

10 224 Jarosław Korzeb, Mirosław Nader, Andrzej Gągorowsi, Jan Różowicz Przedstawione w pracy [4] wynii szczegółowe, tórych przyłady zacytowano powyżej, poazały współzależność drgań transmitowanych od metra poprzez elementy onstrucyjne budynu i hałasu austycznego działającego na mieszańców badanego obietu. Przyjmując, że drgające przegrody budowlane obietu promieniują energię austyczną na całej powierzchni, można je przedstawiać jao zbiór źródeł zastępczych, rozłożonych równomiernie po powierzchni i ocenę wpływu występujących przyspieszeń drgań w miejscu loalizacji źródeł zastępczych na wartość ciśnienia austycznego przeprowadzić na podstawie funcji oherencji cząstowych wyznaczonych między przyspieszeniami drgań w oreślonych puntach stropu a ciśnieniem austycznym w pomieszczeniu. 4. PODSUMOWANIE Na podstawie przeprowadzonych w pracy [4] badań, tórych przyładowe wynii poazano powyżej można stwierdzić, że analiza zarejestrowanych sygnałów drgań w zaresie częstotliwości od Hz oraz hałasu dała wysoą zgodność, stąd zjawisa te należy tratować łącznie, jao pochodzące ze zidentyfiowanego źródła, tórym jest tunel metra. Analiza częstotliwościowa sygnału austycznego wyazała ścisły związe emisji austycznej od II linii metra z transmitowanymi poprzez elementy onstrucyjne budynu drganiami mechanicznymi. Wzrosty następowały w tym samym zaresie częstotliwości zarówno w przypadu drgań i hałasu. Należy również podreślić, że mamy do czynienia z hałasem o charaterze nieustalonym, co znacznie zwięsza jego uciążliwość i nieorzystne oddziaływanie na organizm człowiea [1]. Na zjawiso subietywnego odczuwania drgań przez mieszańców wpływa naładające się na nie zjawiso oddziaływania niewidocznego źródła hałasu na zmysł słuchu i uład nerwowy Przeroczenia dopuszczalnych poziomów hałasu naładają się na przeroczenia progu odczuwalności drgań. Podczas prowadzenia badań esperymentalnych stwierdzono, że drgania stropów w zidentyfiowanym paśmie częstotliwości opisać można regułą, iż im wyższa ondygnacja, tym wyraźniej dominują drgania stropów w ierunu pionowym. Badany obiet zloalizowany jest w zasięgu oddziaływań dynamicznych, dla tórych zastosowanie metody standardowej wibroizolacji podtorza nie jest suteczne. Wynii uzysane podczas badań modelowych i esperymentalnych pozwoliły na sformułowanie wniosu, iż onieczna są dalsze prace badawcze nad sposobami identyfiacji mechanizmu przenoszenia drgań z tunelu do obietów naziemnych oraz metodami analizy generowanego hałasu nisoczęstotliwościowego. Również nieliniowe zjawisa propagacji drgań w obiecie o dużym stopniu zużycia wymagają dalszej analizy nauowej. Bibliografia 1. Branco M., Alves-Pereira M.: Vibroacoustic Disease. Noise Health 23, 3/2004.

11 Oddziaływania wibroaustyczne na przyładzie esploatowanej linii metra Korzeb J: Predycja wybranych oddziaływań dynamicznych w strefie wpływu infrastrutury transportowej. Prace nauowe Politechnii Warszawsiej, seria Transport, z.90, ISSN , ISBN , OWPW, Warszawa 2013, stron Instrucja ITB No 358/98 - Ocena hałasu nisoczęstotliwościowego w pomieszczeniach mieszalnych. 4. Nader M., Korzeb J., Gągorowsi A. i in.: Przeprowadzenie badań esperymentalnych w zaresie oddziaływania drgań oraz hałasu w obiecie Targowa 15 zloalizowanym na trasie esploatowanego odcina centralnego drugiej linii metra w Warszawie. Umowa z Metro Warszawsie Sp. z o.o., symbol pracy w WTPW , Warszawa 2015, stron 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 szodliwości drgań przeazywanych przez podłoże na budyni. 8. PN-88/B-02171: Ocena wpływu drgań na ludzi w budynach. 9. PN-87/B-02151/02: Austya budowlana. Ochrona przed hałasem pomieszczeń w budynach. Dopuszczalne wartości poziomu dźwięu w pomieszczeniach. 10. PN-87/B-02156: Austya budowlana. Metody pomiaru poziomu dźwięu A w budynach. 11. Praca zbiorowa Program Funcjonalno-Użytowy (PFU): Projet i budowa II linii metra od stacji Rondo Daszyńsiego do stacji Dworzec Wileńsi w Warszawie, Warszawa Rozporządzenie Ministra Infrastrutury z dnia 17 czerwca 2011 r. w sprawie warunów technicznych, jaim powinny odpowiadać obiety budowlane metra i ich usytuowanie. Dz.U. nr 144 poz 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 computing environment Matlab has been prepared. An evaluation of both types of interactions, based on the normative 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. Keywords: ground-borne mechanical vibration, noise, metro