KOLEJOVÉ ABSORBÉRY HLUKU A SMĚROVÉ CLONY Jan Eisenreich ředitel společnosti a předseda představenstva PROKOP RAIL, a.s. 1. Úvod Hluk a vibrace - civilizační produkt, který svojí každodenní přítomností bezprostředně působí a ovlivňuje život na této planetě. Denně jsme jeho původci i spotřebiteli, denně jej vnímáme v různých podobách a s různou intenzitou. Hluk a vibrace výrazně ovlivňují životní prostředí a mnohdy představují dominantními faktor jeho kvality. Mezi nejvýznamnější zdroje hluku se řadí doprava letecká, silniční a železniční. Železniční doprava má svoje nesporné výhody a přínosy v ochraně životního prostředí. Obecně vykazuje ze všech nejrozšířenějších druhů dopravy nejmenší přírůstek hluku a vibrací, který má vliv na přilehlá území intravilánů a extravilánů sídel. Přestože v poslední době bylo na poli snižování hluku šířícího se vzduchem a vibrací učiněno mnoho pozitivního, nelze jej považovat za dokončenou či snad uzavřenou záležitost. Každodenní praxe, zájem evropských a státních orgánů a institucí či nevládních organizací ukazuje na nutnost neustálého hledání nových a optimálních řešení i v této oblasti. 2. Stav techniky, definice a zadání Současné trendy ve snižování hluku, jehož původcem je železniční doprava, lze nalézt jak u jednotlivých železničních správců, tak i v širším měřítku v celém železničním průmyslu. Obecně je lze rozdělit do dvou, vzájemně se prolínajících rovin. První rovinu vytváří veřejnost, instituce a státní orgány při utváření legislativního a technického rámce s vymezením požadavků na vlastnosti nových výrobků, dopravních prostředků a staveb nevyjímaje. Druhou rovinu tvoří vlastní zájem železničních správ, výrobců a provozovatelů železniční techniky reagovat na dané požadavky s cílem uspět na trhu. 2.1. Zdroje hluku a vibrací a jejich přenos Pro snižování hluku železnice jsou rozhodné tři jeho zdroje : - hluk trakce - hluk valení - hluk aerodynamický, PROKOP RAIL a.s., Jan Eisenreich předseda představenstva Strana 1 (celkem 11)
přičemž jejich dominance v celkově vnímaném hluku je závislá na rychlosti kolejových vozidel. Zatímco při rychlostech do 60 km/h je dominantním zdrojem hluk trakce ( pohonné jednotky, uspořádání podvozků, brzdové systémy a pod ), při rychlostech v rozmezí 60 km/h 200 km/h tvoří dominantu hluk z valení ( interakce nerovností kola a kolejnice, přenos vibrací do soustavy železničního svršku, vyzařování hluku kolejnicemi, pražci apod. ). Vysokorychlostní provoz se vyznačuje dominantou způsobenou celkovou aerodynamikou vozů. Hluk konveční železnice se především dotýká technického řešení vlastních drážních vozidel. Přesto je nutné vytvářet v jízdní dráze technická řešení snižující přenos a vyzařování hluku do okolí železničních tratí a to absorbcí nebo nepropustností. Jak již bylo uvedeno, největší složka hluku železniční dopravy na konvenčních tratích vzniká při valení kola po kolejnici a je vyzařována ve výšce do jednoho metru nad kolejnicí. Na velikost vyzařované akustické energie má podle provedených měření vliv struktura vlastního povrchu kolejové jízdní dráhy a přilehlých ploch, tj. pohltivost použitých materiálů přicházejících bezprostředně do přímého kontaktu s emitovanou akustickou energií. 2.2. Protihlukové stěny V České republice jsou modernizované tratě vybavovány řadou prvků aktivní i pasivní ochrany před hlukem a vibracemi. Nejčastěji využívanými prostředky jsou protihlukové stěny budované podél železničních tratí a další doprovodná opatření týkající se např. výplní oken a otvorů obytných budov apod. Všechna tato opatření se vyznačují velkou nákladovostí a někdy i malou efektivností. Vysoké a liniově vedené dlouhé protihlukové stěny rozhodným způsobem zasahují do rázu krajiny, často vytváří v krajině zřejmé a cizorodé předěly. V intravilánech sídel završují již dokonané rozdělení a vnímaný životní prostor dále značně zužují. V současné době jsme tak svědky jistého paradoxu vznikajícího právě v sídelních celcích, kdy hodnota snížení hladiny hluku není vnímána obyvateli zcela pozitivně, či spíše negativně, neboť do popředí vystupuje individuální hodnota po léta vnímaného životního prostoru. Současné technické možnosti výstavby protihlukových střen umožňují jejich architektonické a relevantní začlenění do daného prostoru, přesto z podstaty daného technického řešení vzniklá stavba protihlukové stěny jen dále umocňuje rozdělený prostor železnicí a podstatně mění vjem po léta utvářený žitím v bezprostřední blízkosti železnice. Doprovodným negativním jevem protihlukových stěn je křehkost a zranitelnost ploch vandaly a všude přítomnými sprayery. PROKOP RAIL a.s., Jan Eisenreich předseda představenstva Strana 2 (celkem 11)
Nezanedbatelný vliv mají protihlukové stěny i na cestující. S jistou dávkou nadsázky se stává cestování vlakem po trati vybavené vysokými protihlukovými stěnami jízdou v bobové dráze. Pravda, jízda je velmi klidná a s dostatečně vyrovnaným odstředivým zrychlením při jízdě v obloucích. Nicméně známý pohled do otevřené krajiny a její vnímání v souvislostech se mnohdy nekoná. V žádném případě není snahou tohoto příspěvku ani v náznaku znevažovat či jinak snižovat hodnotu opatření spočívajících právě ve výstavbě protihlukových stěn, neboť pro dosažení požadovaných hodnot představují protihlukové stěny kvalitní a mnohdy jediné možné řešení. Cílem tohoto příspěvku je uvést nové možnosti uplatnění kolejových absorbérů v oblasti snižování hluku a začlenit je do vzájemných souvztažností. 2.3. Kolejové absorbéry Některé sousední železniční správy, zejména u staveb železničních tratí s pevnou jízdní dráhou, nahrazují nedostatek pohltivosti povrchu železobetonové desky vkládáním kolejových absorbérů plošně uložených na jízdní dráze. Jedná se zejména o prostorové tvárnice na bázi pojené dřevité vlny ( ilustrační foto LIAKUSTIK - DE ) nebo speciálního lehčeného betonu. Tyto tvárnice jsou plošně ukládány, přičemž mnohdy, respektive závislosti na traťové rychlosti, nejsou vzájemně fixovány nebo jinak připevňovány k podkladní, ložné ploše. Hmotnost těchto dílců činí cca 125 kg/m 2. Uváděná zvuková pohltivost 3,2 db (A). V podmínkách České republiky byl zřízen zkušební úsek koleje tramvajové tratě s kolejovým absorbérem, resp. plošným zakrytím otevřeného kolejového lože pryžovými deskami, včetně uzavření žlábkových kolejnic do pryžových bloků. Cílem bylo získání informací vlivu uložených desek z pryžového granulátu s obkladem stojin kolejnic na snížení emisí hluku od městské kolejové dopravy. Úsek byl zřízen v Praze PROKOP RAIL a.s., Jan Eisenreich předseda představenstva Strana 3 (celkem 11)
Dopravními podniky hl. m. Prahy za spolupráce FS ČVUT Praha na nově vybudované tramvajové trati do Modřan. Úsek se nachází v jedné koleji, v přímé a tramvajový svršek se skládá ze žlábkových kolejnic NT-1 uložených na železobetonových pražcích ŽPSV Uherský Ostroh, a.s. TB - 92 bez úklonu úložné plochy se zabudovanými hmoždinkami PA - SV 30. Upevnění kolejnice NT-1 k pražci je pružné, bezpodkladnicové - VOSSLOH -svěrka Skl 14. Foto PROKOP RAIL a.s. leden 2006 Současný stav zkušebního úseku je zřejmý z přiložených fotografií, na kterých je zřejmá současná vlnkovitost temen kolejnic vytvořená tramvajovým provozem. 2.4. Kolejový absorbér BRENS Kolejový absorbér BRENS ovlivnily více jak dvacetileté zkušenosti získané v oblasti zádlažeb kolejových drah, staveb železničního svršku a spodku. Proto kolejový absorbér tvoří sendvič, obsahující hlukově aktivní části, pasivní nosné části a systém podpor a fixací. Při návrhu byly základní požadavky na nový výrobek rozděleny do tří oblastí : A) Materiálová dostupnost a vliv na ekologii B) Stavebnicová variabilita C) Minimalizace závislosti na stavbě kolejové dráhy 2.4.1. Materiálová dostupnost Z pohledu materiálové dostupnosti bylo pro hlukově aktivní část kolejového absorbéru, tzv. médium, využito pryžových recyklátů různých vlastností a struktur. V podstatě se jedná o druhotné a ekologické zhodnocení pryžového odpadu vznikajícího v různých průmyslových odvětvích a silniční dopravě. Pryžový dílec je na své horní ploše tvořen hlubokou strukturou příčných vln s daným poloměrem, přičemž právě materiálová struktura horní plochy dílce je doplněna velmi pružnou frakcí pryže. Svislá stěna přiléhající ke kolejnici je též tvarově upravena pro zvýšení aktivní plochy dílce. Spodní část dílce obsahuje základní nosnou a upevňovací část. Pro architektonické začlenění kolejových absorbérů BRENS do kolejových staveb lze aktivní plochu pryžového dílce provést v různém barevném provedení. Pro pasivní část kolejového absorbéru, tzv. báze, bylo použito několika vysoce pevných materiálů, zajišťujících prostorovou stabilitu úložných ploch aktivní části. Zbývající část kolejového absorbéru BRENS tvoří systém uložení na patách kolejnic prostřednictvím plastových nosníků PROKOP RAIL a.s., Jan Eisenreich předseda představenstva Strana 4 (celkem 11)
vklíněných do spojkové komory kolejnic a zajištěných v pracovní poloze proti aerodynamickým účinkům. Tento způsob uložení najde uplatnění zejména tam, kde nelze použít k uložení kolejových absorbérů příčné pražce nebo kde by bylo plošné uložení zvýšenou měrou namáháno vlivem pověrtnosti ( zejména dešti a mrazu ). S výhodou lze použít uložení kolejových absorbérů v koleji s pevnou jízdní dráhou, kdy mezi aktivní částí médiem a betonovou plochou pevné jízdní dráhy vzniká vzduchová mezera. Takovéto uspořádání zvyšuje účinnost útlumu hluku neboť k utlumení je využívána celá plocha aktivní části desky. Podrobnosti jsou uvedeny dále v jednotlivých aplikacích. 2.4.2. Stavebnicová variabilita Kolejový absorbér BRENS umožňuje stavebnicovou variabilitu v závislosti na stavbě kolejové dráhy a zohledňuje možnosti jeho využití pro aplikaci povrchově vedených rozvodů zabezpečovacích Obr. : Půdorysný pohled na uspořádání koleje se vzorem CIK-CAK Prostor pro vedení indukčních nebo detekčních smyček 3020 Vnější dílec BRENS absorber Kolejový rošt se štěrkovým ložem Vnitřní dílec BRENS absorber POZNÁMKA : Základní skladebná délka kolejového absorbéru BRENS je 0,600 m, tj. dle rozdělení pražců UIC. Dílce jsou předmontovány do celků délek 1,20; 1,80; 2,40 a 3,60 m 2400 Další možnosti vzorů : KOSOČTVEREC a ŘÁDKY systémů, tj. např. indukčních nebo detekčních smyček apod. Aktivní pryžovou desku kolejového PROKOP RAIL a.s., Jan Eisenreich předseda představenstva Strana 5 (celkem 11)
absorbéru BRENS lze s výhodou použít pro snížení odrazu hluku při jízdě vlaku podél nástupišť, opěrných zdí nebo mostních konstrukcí. Vnitřní výztužné vložky pryžové desky umožňují rychlé a snadné uchycení. Směrově orientované příčné vlny s podélným sklonem aktivní desky zajišťují dokonalé odvedení srážkových vod z povrchu. Pro zvýšení účinnosti kolejového absorbéru BRENS jsou navrženy do spojkových komor pryžové tvarovky ( bokovnice ) délky 600 mm. Tvar bokovnic je zvolen tak, aby jejich instalací nedošlo k zakrytí upevňovacích prvků kolejnic k pražci a to ani ve vertikálním směru, respektive ve směru kolmém na spojnici temen kolejnic. Tímto je zajištěna možnost elektronického snímání geometrické polohy kolejnice. Pryžové bokovnice jsou trvale přitlačovány ke stojině pomocí plastových nosičů. Pryžová tvarovka je pro obě strany spojkové komory stejná DETAIL BOKOVNICE Prostor pro upevňovací prvky kolejnice zůstává volný 2.4.3. Minimalizace závislosti na stavbě kolejové dráhy Závislost kolejového absorbéru BRENS na stavbě kolejové dráhy je dána způsobem uložení jednotlivých dílců v koleji. Kolejové absorbéry BRENS uložené pomocí plastových nosičů na patách kolejnic jsou zcela podřízeny geometrické poloze koleje. Zejména se to týká hodnot rozchodu koleje se všemi povolenými odchylkami a tolerancemi při současné akceptaci odchylek a tolerancí plynoucí z typu kolejnice a jejího uložení na podpoře ( bez úklonu nebo s příčným úklonem ). Styčné spáry mezi jednotlivými panely mohou být v případech železničních tratí s větší osovou vzdáleností pražců ponechány otevřené. Stejně tak u směrových oblouků malých poloměrů lze ponechat lichoběžníkovitě rozevřené styčné spáry. Při použití pryžové tvarovky ( bokovnice ) vkládané do spojkové komory kolejnic lze ponechat styčné spáry rozevřené. Kolejové absorbéry BRENS ukládané plošně nebo na úložné plochy příčných pražců jsou ve své úložné ploše podřízeny tvaru pražce. 3. Právní ochrana výrobku a právní ujednání 3.1. Kolejový absorbér hluku BRENS je obsažen v patentově chráněném vynálezu o názvu Stavebnicový prvek snižující hluk a vibrace jehož původcem a majitelem je Jan Eisenreich ( kopie patentové listiny tvoří přílohu č. 1 ). Úřad průmyslového vlastnictví v Praze na uvedený vynález udělil 1.7.2005 patent číslo 295 607. Společnost PROKOP RAIL, a.s. je držitelem platné licence k tomuto patentu. PROKOP RAIL a.s., Jan Eisenreich předseda představenstva Strana 6 (celkem 11)
3.2. Technická řešení spojená s detaily uložení jednotlivých dílců, výrobní a technická dokumentace výrobků je duševním majetkem společnosti PROKOP RAIL, a.s. Výrobní postupy, technologie výroby a receptury pryžových dílců jsou duševním majetkem společnosti INTERTECH PLUS, s.r.o., přičemž výrobky dle této dokumentace, určené pro kolejové absorbéry BRENS, uvádí na trh výhradně společnost PROKOP RAIL, a.s. 3.3. Návrh aplikace, dodávka, instalace a údržba kolejových absorbérů BRENS je konkretizována s jednotlivými vlastníky, správci, kolejových drah bilaterálními dokumenty - Technickými podmínkami dodacími kolejové absorbéry BRENS ( dále jen TPD ). Tyto TPD jsou závazné pro třetí osoby podílející se na výrobě, dodávce, montáži a údržbě kolejových drah. 4. Výsledky měření 4.1. V závěru loňského roku proběhly u akreditované zkušební laboratoře CENTRUM STAVEBNÍHO INŽENÝRSTVÍ, a.s., pracoviště Zlín, zkoušky zaměřené na stanovení činitele zvukové pohltivosti v dozvukové místnosti podle ČSN EN 1793-1 a ČSN EN ISO 354. Zkouška byla navržena tak, aby provedená měření zvukové pohltivosti obsahovala různé variantní možnosti aplikace kolejových absorbérů BRENS v koleji. Současně byla stanovena modelová sestava zkušebních panelů v provedení simulující štěrkové lože a dřevěné pražce. Vzhledem k možnostem manipulace se zkušebními panely nebyly osazeny do panelů kolejnice. Zkouška tak byla rozdělena celkem na čtyři samostatná měření : 4.1.1. Absorbéry BRENS se vzduchovou mezerou 100 nad betonovým povrchem a to dvěmi řadami tvořenými dvojicemi absorbérů s mezerou mezi řadami 300 mm. Tato zkouška byla navržena jako simulace aplikace kolejových absorbérů BRENS v pevné jízdní dráze s průběžnou odrazivou betonovou plochou. Dosažený činitel zvukové pohltivosti DLα. 9 db Kategorie podle ČSN EN 1793-1. A3 4.1.2. Absorbéry BRENS uvnitř a vně koleje, štěrkové lože 100 mm Dosažený činitel zvukové pohltivosti DLα. 10 db Kategorie podle ČSN EN 1793-1. A3 4.1.3. Absorbéry BRENS uvnitř koleje, štěrkové lože 100 mm Dosažený činitel zvukové pohltivosti DLα. 5 db Kategorie podle ČSN EN 1793-1. A2 4.1.4. Štěrkové lože 100mm, bez absorbérů Dosažený činitel zvukové pohltivosti DLα. 2 db PROKOP RAIL a.s., Jan Eisenreich předseda představenstva Strana 7 (celkem 11)
Kategorie podle ČSN EN 1793-1. A1 Plné znění provedené zkoušky je obsaženo v příloze č. 2 4.2. Provedená zkouška potvrdila výhodnost použitých materiálů i tvarového uspořádání kolejového absorbéru BRENS a dosažené výsledky jsou dávají předpoklad velmi příznivých výsledků u jednotlivých aplikací. Následující graf je souhrnem provedených zkoušek s porovnáním známých hodnot u obdobných výrobků pro kolejové dráhy a výrobků pro obecná stavební použití. 4.2.1. Srovnávací graf Kolejové absorbéry BRENS a orientační porovnání s kolejovými absorbéry DB- LIAKUSTIK a materiálem ISOVER SSP 2 Alfa S 1,2 1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 63 125 250 500 1000 2000 4000 f (Hz) 254-05 Absorbery BRENS, mezera 100 mm, na betonu 282-05, štěrkové lože tl. 100 mm 283-05, štěrkové lože tl. 100 mm, Absorbery BRENS uvnitř kolejí 284-05, štěrkové lože tl. 100 mm, Absorbery BRENS uvnitř i vně kolejí LIAKUSTIK - liaporové tvárnice na betonové podložce ISOVER SSP 2 minerální deska tl. 50 mm Poznámka : hodnoty LIAKUSTIK převzaty z http://www.bausteine-briest.de/liakustikmessungen.html 4.3. Oblast slyšitelnosti zvuku v závislosti na frekvenci a síle zvuku. Na tomto místě si dovolím obecnou vsuvku týkající se vnímání zvuku, které je velmi subjektivní. Oblast slyšitelnosti je vymezena pásmem slyšitelných kmitočtů přibližně od 16 do 16 000 Hz a rozsahem intenzity zvuku mezi prahem slyšení (cca 10-12 W/m 2 ) a prahem bolesti (cca 10 2 W/m 2 ). Skutečný zvukový vjem je ale závislý i na zdravotním stavu posluchače. Porovnáním výše uvedeného grafu s oblastmi slyšitelnosti zvuku lze dovodit, že kolejové absorbéry BRENS dosahují dobrých útlumových vlastností v nejčastěji se vyskytujících frekvenčních pásmech. PROKOP RAIL a.s., Jan Eisenreich předseda představenstva Strana 8 (celkem 11)
PROKOP RAIL A.S., 5. Směrové clony 5.1. Směrové clony navrženy jako železobetonové prefabrikované dílce s tvarovou úpravou, které svojí výškou zasahují do úrovně jednoho metru nad temeno koleje. Jejich umístění ve vztahu k ose koleje má být co nejbližší, avšak je do značné míry limitováno obecně platnými pravidly v uspořádání kolejových drah, zejména celostátních a regionálních. Přesto lze směrovými clonami dosáhnout výrazného útlumu hluku zejména v případech, kdy kolejová dráha se nachází nad úrovní okolního prostředí, např. na náspech, estakádách apod. Plochy směrových clon mohou být doplněny PROKOP RAIL a.s., Jan Eisenreich předseda představenstva Strana 9 (celkem 11)
zvukově pohltivou vrstvou vložením pryžového dílce kolejového absorbéru BRENS. Největší uplatnění naleznou směrové clony u příměstských kolejových drah a tramvajových tratí vedených v samostatném tělese nebo odděleně mezi jednotlivými jízdními pruhy pozemní komunikace. Vhodnou kombinací směrových clon s městskou vegetací, zejména s odolnými odrůdami nízkých konifer nebo plazivými rostlinami lze dosáhnout velmi působivého provedení tramvajové tratě a její začlenění do městské zeleně a to i bez nutnosti zřizování ekonomicky a údržbově náročných výsadeb nebo zatravnění kolejí. Směrové clony pro tramvajovou dopravu jsou navrženy do výšky 750 mm nad temenem kolejnice, čímž nedochází k omezení rozhledových poměrů na tramvajovou trať ze souběžně vedených pozemních komunikací. V rozhledových poměrech úrovňových křížení a křižovatek se protihlukové clony nezřizují. Nízké protihlukové clony umožňují regulaci pohybu chodců na vymezené přechody pro chodce. Únikové stezky z prostoru kolejišť jsou vyznačeny směrovými šipkami určujícími nejbližší únikový východ, šipky jsou umístěny ve vnitřní, zaoblené, spodní části clony a jsou opatřeny reflexní úpravou. Únikové východy z kolejiště jsou řešeny vynecháním směrové clony s vytvořením krátkého směrového labyrintu pro zamezení přímého vstup do přiléhající vozovky. Svislá plocha parabolicky zaoblené horní části clony je opatřena reflexním nátěrem pro zvýšení orientace v kolejišti za snížené viditelnosti nebo v noci. 6. Možnosti použití Kolejové absorbéry BRENS umožňují všestranné použití na všech stavbách kolejových drah, např. : A. V koleji se štěrkovým ložem B. V koleji s pevnou jízdní dráhou C. V koleji na mostních konstrukcích D. V koleji podél nástupištních hran nebo opěrných zdí E. V kolejích hlavových a uzavřených železničních stanic s dlouhými pobyty vlaků F. V kolejích příměstských drah G. V tramvajových tratích Některá vzorová řešení aplikací kolejových absorbérů BRENS jsou obsahem přílohy č. 3 7. Závěr Cílem tohoto příspěvku je poukázat na možnosti využití nových výrobků společnosti PROKOP RAIL, a.s. při řešení snižování emisí hluku a vibrací v železniční dopravě. PROKOP RAIL a.s., Jan Eisenreich předseda představenstva Strana 10 (celkem 11)
Použitá literatura : Ing. Jan Hlaváček Protihluková a protivibrační opatření používaná v evropské železniční síti Vědeckotechnický sborník ČD č. 6 rok 1998 Ing. Jan Čihák, Ing. Jindřich Fajtl, Ing. Ladislav Kopsa, Ing. Jiří Šídlo Ekologie v oblasti železniční dopravy Vědeckotechnický sborník ČD č. 6 rok 1998 Nová železniční technika ročník 1998 2005 Katalog výrobků ŽPSV Uherský Ostroh, a.s. Přílohy : 1. kopie patentové listiny vynálezu o názvu Stavebnicový prvek snižující hluk a vibrace. 2. Protokol zkušební laboratoře č. 09/06 CENTRUM STAVEBNÍHO INŽENÝRSTVÍ, a.s., pracoviště Zlín, Stanovení činitele zvukové pohltivosti v dozvukové místnosti podle ČSN EN 1793-1 a ČSN EN ISO 354. 3. Vzorová řešení aplikací kolejových absorbérů hluku BRENS PROKOP RAIL a.s., Jan Eisenreich předseda představenstva Strana 11 (celkem 11)