Benutzer:DrNoise/Artikelentwurf

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Anerkannte Regel der Technik
Identifikator
Kurztitel	sonRAIL
Herausgeber	BAFU, Schweiz
Ersteller	Empa, TU Berlin, PROSE, n-Sphere
Bezugsquelle	sonRAIL-Webtool
Art	Rechenmethode
Bereich	Eisenbahn Lärmberechnung
Akzeptanz
Erste Ausgabe	26.05.2010
Aktuelle Ausgabe	22.01.2014

sonRAIL ist die aktuelle Methode zur Berechnung von Eisenbahnlärm in der Schweiz.

sonRAIL Entwicklung

Die Berechnung von Eisenbahnbahnlärm erfolgt i.d.R. nach nationalen Richtlinen, z.B. mittels SEMIBEL in der Schweiz oder Schall03 in Deutschland. Im Vorfeld der TSI Noise Richtlinien und neueren Erkenntnissen zur Entstehung von Eisenbahngeräuschen wurde im Jahr 2007 die Entwicklung einer neuen Berechnungsmethode für den Schienenverkehrslärm sonRAIL vom Bundesamt für Umwelt der Schweiz (BAFU) beauftragt. Dabei sollten die relevanten Einflussparameter für die Lärmentstehung berücksichtigt werden, um z.B. einerseits innovative Lärmminderungsmassnahmen zu bewerten und andererseits eine hohe Prognosegenauigkeit zu erzielen. Basierend auf Messungen der akustischen Eigenschaften relevanter Fahrzeuge und Oberbautypen der Schweiz wurden die sonRAIL-Module für Emission und Ausbreitung erarbeitet. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen wurden in der sonRAIL Projektdokumentation 2010 veröffentlicht.

Modellbeschreibung

Das akustische Gesamtmodell zur Berechnung der Lärmimmissionen aus Schienenwegen unterteilt sich in ein Emissionsmodell und ein Ausbreitungsmodell. Das Emissionsmodell ermöglicht die Beschreibung von Geräuschquellen am System Fahrzeug-Fahrweg, das Ausbreitungsmodell berücksichtigt alle relevanten Einflussparameter der Schallausbreitung. Beide Modelle wurden in Terzbändern von 100 Hz bis 8 kHz formuliert.

Das Ausbreitungsmodell kann vollständig unabhängig vom Emissionsmodell betrieben werden. Lediglich die Lage der einzelnen Streckenabschnitte muss bekannt sein. Als Resultat liefert das Ausbreitungsmodell Dämpfungsspektren. Die resultierenden Immissionspegel berechnen sich als einfache Subtraktion dieser Ausbreitungsdämpfungen von den Emissionen. Diese klare Trennung der beiden Modellteile erlaubt es die zeitaufwändige Ausbreitungsrechnung als separaten Schritt durchzuführen. Änderungen, welche nur die Emissionen betreffen, wie z.B. Veränderungen am Fahrzeugmix, an den Geschwindigkeiten oder den Schienenrauhigkeiten können so in ihren Auswirkungen praktisch auf Knopfdruck beurteilt werden.

Ausbreitungsmodell in ARBEIT

Das Schallausbreitungsmodell ist in vier Module unterteilt, die getrennt voneinander betrieben werden können. Das Berechnungsmodul ‘Basic’ wird für jede Ausbreitungsrechnung benötigt. In diesem Modul wird die Schallausbreitung zwischen Quelle und Empfänger in einem Vertikalschnitt unter der Annahme einer homogenen Atmosphäre berechnet. Die Berechnung der Luftdämpfung erfolgt gemäss ISO 9613-1. Das Bodeneffekt-Modell basiert auf einem Ansatz für Kugelwellenreflexionen an ebenem, homogenem Terrain. Mittels einer Fresnelzonen-Betrachtung wird das Modell für unebenes Gelände und wechselnde Bodeneigenschaften erweitert. Es berücksichtigt zusätzlich Kohärenzverluste zwischen Direktschall und Reflexion in Abhängigkeit der Frequenz und der Ausbreitungsdistanz. Für die Berechnung der Hinderniswirkung kann entweder der Ansatz gemäss ISO 9613-2 oder ein von A.D. Pierce entwickeltes Verfahren verwendet werden. Ebenfalls nach ISO 9613-2 wird eine allfällige Zusatzdämpfung für Vegetation (foliage attenuation) berechnet.

Im zweiten Modul werden meteorologische Effekte auf die Schallausbreitung berechnet. Als zusätzliche Eingangsdaten werden dazu vertikale Profile des Windes, der Temperatur und der Feuchte benötigt, welche zusätzlich je nach Untergrund variiert werden können. Zum einen wird auf diesem Weg der Wettereinfluss auf die Luftabsorption bestimmt. Zum anderen werden die resultierenden Schallgeschwindigkeitsprofile in einem Schallstrahl-Verfolgungs-Algorithmus eingesetzt, welcher Veränderungen bei den Hinderniswirkungen sowie die Ausbildung von akustischen Schattenzonen ermittelt. Die Pegelabnahme wird dabei aus geometrischen Parametern des Schallstrahles abgeleitet, welcher dem Empfänger am nächsten kommt.

Das dritte und vierte Modul behandeln Pegelerhöhungen als Folge von Reflexionen. In Modul drei werden Reflexionen an Gebäuden und Schallschirmen bestimmt, wobei zwei separate Modelle, eines für kohärente, spiegelnde Reflexionen und eines für inkohärente, streuende Reflexionen zur Anwendung kommen. In Modul vier werden diffuse Reflexionen an Waldrändern und Felswänden berechnet.

Grundsätzlich erfolgt die Schallausbreitung unabhängig von der Art der Schallquelle. Entsprechend haben die Schallausbreitungsalgorithmen auch allgemeine Gültigkeit. Gleichwohl gibt es je nach Quellenart spezielle Herausforderungen, welche mit separaten Ansätzen behandelt werden müssen. In sonRAIL ist dies zum einen der Fall für die Schallausbreitung über Schotter, welche mit einem separat entwickelten Bodeneffektmodell behandelt wird. Zum anderen wurden Speziallösungen implementiert um die zusätzlichen Reflexionen von Eisenbahntunneln und Geländeeinschnitten zu berücksichtigen. Die nachfolgende Abbildung zeigt exemplarisch die Einfach- und Mehrfachreflexionen, welche sich in schallhart ausgeführten Troglagen ergeben.

Emissionsmodell in ARBEIT

Das Emissionsmodell beschreibt die Schallbstrahlung von Eisenbahnlärm bei Fahrt auf freier Strecke. Es liefert Schallleistungspegel pro Meter Gleisabschnitt für fünf vordefinierte Quellenhöhen entlang der Fahrzeugoberfläche in Abhängigkeit der Fahrzeugtypen und -eigenschaften, des Oberbaus und Schienenzustandes sowie der Betriebsbedingungen. Gleisabschnitte mit einheitlichen Eigenschaften, d.h. einheitlichem Oberbau, einheitlicher Schienenrauhigkeit, konstantem Fahrzeugmix (ohne Abzweigungen) und pro Zugsart konstanter Fahrgeschwindigkeit werden dabei zu Linienquellen zusammengefasst.

Das Emissionsmodell beschreibt die Rollgeräuschquelle auf der Basis der Rauhigkeitsspektren von Rad und Schiene. Mit Hilfe eines Filters zur Berücksichtigung der Grösse der Kontaktfläche von Rad und Schiene werden diese beiden Spektren zu einer effektiven Gesamtrauhigkeit kombiniert. Das abgestrahlte Rollgeräusch wird danach unter Berücksichtigung der Fahrgeschwindigkeit und messtechnisch erfasster, typenabhängiger Transferfunktionen ermittelt. Die von Rad und Schiene abgestrahlten Rollgeräuschanteile werden dabei separat ausgewiesen und Quellenhöhen von 0.0 und 0.5 m über Schienenoberkante zugewiesen. Neben der Fahrt auf freier, gerader Strecke sind zusätzlich spezielle Ansätze für Weichen, verschiedene Brückentypen sowie Kurvenfahrten integriert. Für Antriebs- und Aggregatsgeräusche sowie aerodynamische Geräusche wurden basierend auf Messungen mit einer akustischen Kamera für verschiedene Zustände Emissionsspektren ermittelt. Diese wurden für vier Höhenstufen (0.5, 2.0, 3.0 und 4.0 m) ausgewertet und in Funktion der Geschwindigkeit in einer Datenbank abgelegt. Die nachfolgende Abbildung zeigt eine Zusammenstellung von Emissionspegeln wie sie mit dem sonRAIL-Modell ermittelt wurden.

Das sonRAIL Emissionsmodell beinhaltet die spezifischen akustischen Eigenschaften von Schienenfahrzeugen und Oberbautypen in einer Datenbank. Seit Ende 2013 ist die Emissionsberechnung auch als Online-Anwendung dem sonRAIL-Webtool für Anwender frei verfügbar. Unter Berücksichtigung jeweiliger Fahrzeug-Oberbau Kombinationen, Schienenrauheiten, Kurvenradien und Geschwindigkeiten können damit die Schallemissionen bei Vorbeifahrt von einzelnen Fahrzeugen oder Streckenabschnitten berechnet werden.

• Berechnung von Fahrzeugemissionen für die Vorbeifahrgeräusche
• Berechnung von Streckenemissionen entsprechend Fahrzeugmix
• Beurteilung von Lärmminderungsmassnahmen technischer und betrieblicher Art

Die sonRAIL-Webtool Datenbank enthält momentan:

• über 100 Fahrzeugtypen sowie übliche Zugkonfigurationen (vorw. Schweizer Rollmaterial)
• 7 Oberbautypen (z.B. UIC60 Schienen auf Beton Monoblock Schwellen)
• 4 Schienenrauheitsspektren, 5 Weichentypen
• 3 Betonbrücken, 8 Stahlbrücken

Die Eingabe von eigenen Fahrzeug- und Oberbaudaten in das sonRAIL-Webtool ist in Arbeit. Auch werden die Berechnungsmethoden zur realistischen Abbildung von Schallminderungsmassnahmen am Gleis, z. B. Schienenstegdämpfer, aufgrund neuerer Erkenntnisse überarbeitet. Die notwendigen Mess- und Analysearbeiten basieren u. a. auf den Ergebnissen der Massnahmenerprobungen innerhalb des deutschen 'Konjunkturpaket II'.

Module zur Lärmberechnung in der Schweiz

• sonRAIL-Webtool enthält das Emissionsmodell
• sonX Ausbreitungsmodell für Immissionsberechnung (gültig für alle Verkehrsarten)
• sonBASE Lärmdatenbank der Schweiz, sonBASE Dokumentation 2009
• sonROAD für den Strassenverkehrslärm
• sonAIR für den Luftverkehrslärm

Anwendungen

Das sonRAIL-Webtool wurde für Ingenieure, Planer und Behörden entwickelt, zur Beurteilung konkreter Belastungssituationen, zur Evaluation von Lärmschutzmassnahmen sowie zum Austausch und zur Erweiterung der Wissensbasis. Die Schallemissionen einer Strecken aus dem sonRAIL-Webtool können über die Exportfunktion auch für Umgebungslärmberechnungen mit kommerziellen Rechenprogrammen verwendet werden.

SBB Re 460 mit IC 2000

Eine komplette sonRAIL Berechnung mit sonX Ausbreitung ist mit der Software D-noise als GIS Anwenung von n-Sphere AG möglich. Zurzeit laufen die Arbeiten zur dritten schweizweiten Berechnung der Lärmbelastung durch Strassen- und Eisenbahnverkehr im Rahmen des BAFU-Projekts „Verkehrslärmberechnung 2018", in denen die Schallemissionen nach sonROAD (Strassenverkehr) bzw. sonRAIL (Schienenverkehr) berechnet werden.

Weiterführende Informationen

• BAFU Abteilung für Lärm und NIS
• Empa Abteilung Akustik / Lärmminderung
• n-Sphere AG mit D-noise GIS Software

Weblinks

• sonRAIL-Webtool
• sonRAIL Website der Empa
• sonBASE GIS Datenbank vom BAFU