12

Jernbanestøy og vibrasjoner

Kort videoforklaring Se video

Jernbanetransport er en av de mest energieffektive og miljøvennlige formene for landtransport. Samtidig er jernbanen en betydelig kilde til støy og vibrasjoner for mennesker som bor og arbeider nær jernbanelinjer. Etter hvert som jernbanenettene bygges ut og toghastighetene øker, har håndteringen av jernbanens støy- og vibrasjonspåvirkning blitt en sentral utfordring både i infrastrukturplanlegging og i utforming av rullende materiell [158, 68].

Dette kapitlet omhandler de viktigste kildene til jernbanestøy, mekanismene som fører vibrasjoner fra sporet til grunnen og videre til nærliggende bygninger, målemetodene og grenseverdiene som brukes til å kvantifisere og begrense støyeksponering, samt støy- og vibrasjonsreduserende tiltak som er tilgjengelige for sporingeniøren, infrastrukturforvalteren og kjøretøyutvikleren.

12.1 Innledning

Jernbanestøy påvirker helse og livskvalitet for mange mennesker. Epidemiologiske studier [174] har knyttet langvarig eksponering for jernbanestøy til økt risiko for:

• Søvnforstyrrelser og søvnmangel som følge av togpasseringer om natten.

• Hjerte- og karsykdommer, blant annet forhøyet blodtrykk og økt risiko for hjerteinfarkt ved \(L_{night} > 50\) dB(A) om natten.

• Støyplage og redusert kognitiv yteevne hos barn, særlig ved skoler som ligger inntil sterkt trafikkerte jernbanelinjer.

Vibrasjoner fra jernbanen er et eget, men beslektet problem. Vibrasjoner som forplanter seg gjennom grunnen, kan føre til:

• Fysisk ubehag for personer i bygninger, med merkbare vibrasjoner i frekvensområdet 1–80 Hz.

• Påvirkning av og mulig skade på følsomt utstyr som elektronmikroskoper, litografimaskiner og laboratorievekter.

• Konstruksjonsskader på historiske bygninger med utilstrekkelige fundamenter.

• Strukturlyd («rumling») i bygninger, der vibrasjoner i vegger, gulv og himlinger setter bygningsflatene i bevegelse og skaper lavfrekvent lyd.

Norske jernbaneprosjekter vurderes etter flere delvis overlappende støyregelverk: planretningslinjer for ny arealbruk og ny infrastruktur, tiltaksgrenser for eksisterende kilder og europeiske krav til strategisk støykartlegging. Det viktige i praksis er å holde disse sammenhengene adskilt, i stedet for å behandle én grenseverdi som et universelt krav til jernbanestøy [123, 131, 95].

12.2 Kilder til jernbanestøy

Jernbanestøy kan deles inn i flere klart adskilte kildetyper etter den fysiske lydgenereringsmekanismen. Den dominerende kilden endres med hastigheten: Støy fra framdriftssystemet er viktig ved lav hastighet og stillstand, rullestøy dominerer ved vanlige hastigheter på hovedlinjer, og aerodynamisk støy blir stadig viktigere på høyhastighetslinjer.

12.2.1 Rullestøy

Rullestøy er den dominerende støykilden ved hastigheter over omtrent 50–60 km/h for konvensjonelle diesel- og elektriske tog, og over omtrent 80 km/h for godstog. Støyen oppstår som følge av den samlede ruheten på hjul- og skinneoverflatene [158]. Kontaktmekanikken bak denne eksitasjonen utvikles i kapittel 10, mens korrugering og ruhet tidligere er introdusert som spordefekter i kapittel 4.

Når hjulet ruller over skinnen, eksiterer små ujevnheter på både hjulbanen og skinnens kjøreflate vibrasjoner i hjulet og skinnen. Disse vibrerende overflatene utstråler lyd til luften omkring. Lydnivået øker tilnærmet som \(30\log_{10}(v/v_0)\), det vil si med omtrent 9 dB for hver dobling av hastigheten.

Regneeksempel.

Hvis hastigheten til et tog øker fra 120 til 160 km/h, blir økningen i rullestøy

\[ \Delta L_A = 30\log_{10}\!\left(\frac{160}{120}\right) = 3{,}7\,\text{dB}. \]

Dette er en betydelig akustisk endring: Noen få desibel kan avgjøre om det er behov for et avbøtende tiltak.

De viktigste parameterne som bestemmer rullestøy, er:

• Hjul- og skinneruhet: måles som overflatehøydespektre \(L_r(\lambda)\) over bølgelengder \(\lambda\) på 3–1000 mm.

• Kontaktfilter: Kontaktflaten virker som et romlig filter ved å midle ruheten over sine dimensjoner og dempe bidrag ved bølgelengder som er kortere enn kontaktflatens lengde.

• Konstruksjonsdynamikk: Hjulets resonanser (typisk 800–5000 Hz for de viktigste utstrålende svingeformene) og skinnens resonans mellom svillefestene (typisk 800–1200 Hz) forsterker ruhetseksitasjonen nær disse frekvensene [158].

Den praktiske mekanismen ligger i selve hjul–skinne-kontakten: Overflatetilstand, kontaktdynamikk og konstruksjonsvibrasjoner virker sammen og bestemmer hvor mye lyd som utstråles. Figur 12.1 illustrerer dette samspillet med eksempler på hjulenes overflatetilstand og en forenklet skisse av lydutstrålingen.

Figur 12.1 Generering av rullestøy gjennom samspillet mellom hjul og skinne.

12.2.2 Støy fra framdriftssystemet

Støy fra framdriftssystemet genereres av kjøretøyets mekaniske og elektriske systemer: dieselmotorer, kjølevifter, girkasser, elektriske motorer, kompressorer og hjelpeutstyr. Denne støyen dominerer ved lave hastigheter (under 50–80 km/h) og ved stillstand. Til forskjell fra rullestøy er nivået fra framdriftssystemet nesten uavhengig av hastigheten ved en gitt driftsform.

Viktige kilder til støy fra framdriftssystemet omfatter:

• Dieselmotorer: en bredbåndet støykilde, typisk 90–100 dB(A) i en avstand på 7,5 m fra moderne diesellokomotiver med høy effekt.

• Kjølevifter: tonale komponenter ved bladpasseringsfrekvensen og dens harmoniske; kan dominere ved tomgang.

• Elektriske framdriftssystemer: koblingsstøy fra vekselrettere ved frekvenser som er knyttet til koblingsfrekvensen (typisk 300–3000 Hz); stadig mer relevant for elektriske motorvognsett.

• Kompressorer og hjelpeutstyr: betydelige kilder på stasjoner og under opphold.

Moderne framdriftssystemer (permanentmagnetmotorer, vekselrettere med høy koblingsfrekvens og innkapslede girkasser) har redusert støyen fra framdriftssystemet vesentlig de siste to tiårene. Rullestøy er derfor nå den dominerende kilden for de fleste moderne elektriske motorvognsett ved hastigheter over 60–80 km/h [158, 68].

12.2.3 Aerodynamisk støy

Ved høye hastigheter (\(v > 200\) km/h) blir aerodynamisk støy stadig viktigere og vil etter hvert dominere det samlede støynivået. De viktigste aerodynamiske støykildene er:

• Boggi og understell: Turbulent strømning omkring boggiutsparingen er den største kilden på de fleste høyhastighetstog.

• Strømavtaker: en betydelig, diskret kilde; støy fra strømavtakeren kan overstige rullestøyen ved hastigheter over 280 km/h.

• Mellomrom mellom vogner: strømningsavløsning og hulromsresonanser i mellomrommene mellom vognene.

• Togfront og togavslutning: Trykkforstyrrelser forplanter seg som vandrende bølger langs toget.

Aerodynamisk støy øker tilnærmet som \(60\log_{10}(v/v_0)\), det vil si med omtrent 18 dB for hver dobling av hastigheten, langt raskere enn rullestøy. Ved 300 km/h gir hver økning på 10 km/h omtrent 0,9 dB(A). Tilsvarende gir hver økning på 25 km/h omtrent 2 dB(A) [158].

12.2.4 Slagstøy

Slagstøy oppstår ved diskontinuiteter i kjøreflaten:

• Skinneskjøter og isolerte skjøter: Når et hjul passerer en åpning, oppstår en skarp impulsiv kraft. Helsveiset spor har i stor grad fjernet denne kilden på hovedlinjene, men isolerte blokkskjøter i signalanlegg er fortsatt et problem.

• Sporveksler og sporkryss: Hjulet går fra kjøreskinnen til krysspissen, noe som medfører både en geometrisk åpning og en endring i skinnehodets høyde. Den resulterende slagkraften utstråles som en kraftig impuls, typisk 5–10 dB over rullestøynivået ved samme toghastighet.

• Hjulslag: En flat flekk på hjulbanen, som skyldes at hjulet låses under bremsing, gir et gjentatt slag med en frekvens lik toghastigheten dividert med hjulomkretsen. Selv et hjulslag på 50 mm er tydelig hørbart og gir store dynamiske krefter (se kapittel 10).

• Korrugering: Kortbølget (20–80 mm), periodisk ruhet på skinnen gir en sterk tonal støykomponent ved korrugeringsfrekvensen \(f = v / \lambda_c\); for \(\lambda_c = 30\) mm og \(v = 100\) km/h blir \(f \approx 925\) Hz. Fordi korrugeringen er periodisk (figur 12.2), beskriver beboere ofte den resulterende tonale støyen som en «syngende» eller «hylende» lyd. Den samme gjentatte eksitasjonen øker også de dynamiske hjul–skinne-kreftene og akselererer nedbrytningen av sporet  [105, 106].

Figur 12.2 Skinnekorrugering som en periodisk ruhetskilde.

12.2.5 Bremseskrik og kurveskrik

Bremsing: Bremseskrik oppstår ved bruk av bremseklosser av støpejern. Bremseklossen ligger an mot hjulbanen og skaper en ru overflate, noe som øker ruheten som driver rullestøyen. Moderne bremseklosser av komposittmateriale (K-klosser) er utviklet som en direkte erstatning som ikke øker hjulbanens ruhet, og som reduserer rullestøyen betydelig, særlig fra godsvogner om natten. UICs arbeid knytter godkjenning og bruk av K- og LL-klosser direkte til mindre støy fra godstrafikken [114].

Kurveskrik er en kraftig tonal støy, vanligvis i frekvensområdet 500–4000 Hz, som oppstår ved stor lateral krypning i hjul–skinne-kontakten i krappe kurver, både ved hjulbanen og ved eventuell flenskontakt. Støyen skyldes en selveksitert stick-slip-instabilitet i den sideveis krypkraften. Kurveskrik kan nå 115–120 dB(A) ved togpassering og er en av de mest plagsomme formene for jernbanestøy for beboere langs sporet. Problemet forekommer hovedsakelig i kurver med radius \(R < 300\) m  [158, 4]. Praktiske tiltak er derfor rettet mot å kontrollere friksjonsforholdene mellom hjul og skinne i kurven ved hjelp av friksjonsmodifiserende midler, skinnesmøreapparater eller vannsprayanlegg.

I praksis er tiltak mot kurveskrik vanligvis et spørsmål om vedlikehold og friksjonskontroll langs sporet. Figur 12.3 viser eksempler på feltdiagnostikk og utstyr som brukes til å styre friksjonsforholdene mellom hjul og skinne i krappe kurver.

Figur 12.3 Eksempler på diagnostikk av kurveskrik og friksjonskontroll.(a) Friksjonsmodifiserende middel ved skinnen; (b) Måleoppsett for kurveskrik; (c) Forsyningsenhet langs sporet; og (d) Kompakt påføringsenhet langs sporet.

12.3 Vibrasjoner og strukturlyd

Vibrasjoner i grunnen behandles adskilt fra luftoverført støy fordi overføringsvei, frekvensområde og avbøtende tiltak er forskjellige. Det følgende delkapitlet følger vibrasjonene fra hjul–skinne-kontakten til grunnen og nærliggende bygninger.

12.3.1 Genereringsmekanisme

Vibrasjonene genereres av de dynamiske hjul–skinne-kreftene som beskrives i kapittel 10. De oscillerende kontaktkreftene forplanter seg nedover gjennom skinnen og befestigelsessystemet til svillene og ballasten (eller sporplaten), og derfra videre i grunnen som elastiske bølger. Det dominerende frekvensområdet er omtrent 4–200 Hz [158].

De viktigste eksitasjonsmekanismene for vibrasjoner er:

• Kvasistatisk nedbøyning: Grunnen bøyes ned under vekten av det passerende toget og danner et langsomt bevegende nedbøyningsbasseng, som merkes som en lavfrekvent (\(< 10\) Hz) forstyrrelse i nærfeltet.

• Dynamisk ruhetseksitasjon: Hjul- og skinneruhet eksiterer dynamiske krefter ved frekvenser fra omtrent 20 til 2000 Hz. Vibrasjoner i grunnen i området 20–200 Hz fra denne kilden forplanter seg som rombølger (P- og S-bølger) og Rayleigh-overflatebølger.

• Parametrisk eksitasjon: Den periodiske variasjonen i sporstivhet mellom feltmidten mellom svillene og rett over en sville gir eksitasjon ved svillepasseringsfrekvensen \(f_{sp} = v / d_s\) (der \(d_s\) er svilleavstanden, typisk 0,6 m).

12.3.2 Bølgeforplantning i grunnen

Når energien går inn i grunnen, forplanter den seg som:

• P-bølger (kompresjonsbølger): forplanter seg i alle retninger med P-bølgehastigheten \(c_P = \sqrt{(K + 4G/3)/\rho}\), typisk 300–2000 m/s i jord og berg.

• S-bølger (skjærbølger): forplanter seg med \(c_S = \sqrt{G/\rho}\), typisk 100–600 m/s. De overfører vibrasjoner i det kritiske området 4–80 Hz mer effektivt enn P-bølger.

• Rayleigh-bølger: overflatebølger som fører mesteparten av vibrasjonsenergien ved avstander over omtrent 5 m fra sporet. De avtar med \(r^{-1/2}\) med avstanden som følge av geometrisk spredning, mens rombølger avtar med \(r^{-1}\) eller raskere [135].

Her er \(K\) kompresjonsmodulen, \(G\) skjærmodulen og \(\rho\) massetettheten til grunnmaterialet.

Den relative betydningen av disse bølgetypene endres med lagdelingen i grunnen, avstanden og frekvensen. Et nyttig praktisk skille er at bløt grunn ofte forbindes med merkbare vibrasjoner, mens hard grunn kan overføre vibrasjoner effektivt til bygninger der de gjenutstråles som strukturlyd. Figur 12.4 illustrerer denne overføringsveien fra vibrasjoner til strukturlyd.

Figur 12.4 Vibrasjoner i grunnen og overføringsveien for strukturlyd.

12.3.3 Bygningsrespons og strukturlyd

Når vibrasjonene når fundamentet til en bygning, overføres de gjennom bæresystemet (søyler, dekker og vegger) til gulv og himlinger. Vibrasjonene i gulv og himlinger setter bygningsflatene i bevegelse og skaper lavfrekvent lyd som kalles strukturlyd. Dette oppleves som en lavfrekvent «rumling» inne i bygningen som er vanskelig å behandle med konvensjonell lydisolasjon, fordi lyden kommer via konstruksjonen og ikke gjennom fasaden.

Frekvensområdet for strukturlyd er vanligvis 16–250 Hz. Vurderingen bruker både vibrasjonsstørrelser (vibrasjonshastighetsnivå \(L_v\) i dB relativt til \(10^{-9}\,\mathrm{m\,s^{-1}}\) eller akselerasjonsnivå \(L_a\) i dB relativt til \(10^{-6}\,\mathrm{m\,s^{-2}}\)) og akustiske størrelser (lydtrykknivå i dB(A) eller dB(C) ved svært lave frekvenser)  [158, 174].

12.4 Støymåling og grenseverdier

En støyvurdering krever både en fysisk størrelse og en regelverksmessig sammenheng. Dette delkapitlet introduserer derfor først de akustiske indikatorene og knytter dem deretter til norske grenseverdier og valg av tiltak.

12.4.1 Akustiske størrelser

Den grunnleggende størrelsen i en støyvurdering er det A-veide lydtrykknivået \(L_A\), beregnet som \(L_A = 10 \log_{10}(p_A^2/p_\text{ref}^2)\) i dB(A), der \(p_A\) er den A-veide effektivverdien av lydtrykket og \(p_\text{ref} = 20\,\mu\mathrm{Pa}\) er referanselydtrykket. A-veiefilteret tilnærmer menneskeørets frekvensfølsomhet ved moderate lydnivåer ved å dempe svært lave (\(< 100\) Hz) og svært høye (\(> 8000\) Hz) frekvenser.

De viktigste akustiske indikatorene for vurdering av jernbanestøy er oppført nedenfor. Tabellen definerer hva hver indikator måler; de norske plan- og tiltaksverdiene er oppsummert separat i tabell 12.1.

Indikator	Bruk ved vurdering av jernbanestøy
\(L_{Aeq,T}\)	Ekvivalent kontinuerlig A-veid nivå over et tidsrom \(T\).
\(L_{Amax}\)	Maksimalt A-veid nivå ved togpassering; brukes ved vurdering av søvnforstyrrelser. For norsk jernbaneplanlegging brukes den statistiske størrelsen \(L_{5AF}\).
\(L_{den}\)	Ekvivalent dag–kveld–natt-nivå for kartlegging og planlegging.
\(L_{night}\)	Ekvivalent nattnivå, kl. 23:00–07:00; knyttet til søvnforstyrrelser.

Notasjonen \(L_{5AF}\) er kompakt, men viktig. Senketallet 5 betyr det A-veide maksimalnivået som overskrides av 5% av de aktuelle støyhendelsene, for eksempel enkeltstående togpasseringer. Bokstaven A angir A-veiing, og F angir tidsveiingen «Fast» på 125 ms. Dette er dermed et statistisk maksimalnivå, ikke nødvendigvis den mest støyende togpasseringen i perioden [123].

Dag–kveld–natt-indikatoren er et energigjennomsnitt der det legges til straff for eksponering om kvelden og natten:

\[ \begin{aligned} L_{den} &= 10\log_{10}\!\Biggl[\frac{1}{24}\!\Bigl( 12 \cdot 10^{L_d/10} + 4 \cdot 10^{(L_e+5)/10}\\ &\qquad\qquad {}+ 8 \cdot 10^{(L_n+10)/10} \Bigr)\Biggr]. \end{aligned} \]

(12.1)

Her er \(L_d\), \(L_e\) og \(L_n\) nivåene på dagtid (07:00–19:00), kveldstid (19:00–23:00) og nattetid (23:00–07:00). Straffene for henholdsvis kveld og natt er 5 dB og 10 dB.

Regneeksempel.

Anta at \(L_d = 60\) dB(A), \(L_e = 55\) dB(A) og \(L_n = 50\) dB(A). Når straffene for kveld og natt er lagt til, tilsvarer alle de tre energileddene 60 dB(A):

\[ L_{den} = 10\log_{10}\!\left[ \frac{12\cdot10^{6} + 4\cdot10^{6} + 8\cdot10^{6}}{24} \right] = 60\,\text{dB(A)}. \]

Eksemplet viser hvorfor jernbanestøy om natten er viktig selv når det målte ekvivalentnivået om natten er lavere enn nivået på dagtid.

12.4.2 Norsk regelverk

Ved vurdering av jernbanestøy i Norge må tre regelverksmessige sammenhenger holdes adskilt. Tabell 12.1 oppsummerer de viktigste verdiene som brukes ved planlegging, soneinndeling og oppfølging av eksisterende virksomhet.

Sammenheng	Indikator	Verdi for jernbane	Bruk i vurderingen
Planleggingsverdi i T-1442	\(L_{den}\)	\(\leq 58\) dB	Utenfor vinduer i rom med støyfølsomt bruksformål og på den stille delen av uteoppholdsarealer.
Maksimalverdi om natten i T-1442	\(L_{5AF}\)	\(\leq 75\) dB	Utenfor soveromsvinduer i nattperioder med mer enn ti jernbanehendelser.
Gul sone i T-1442	\(L_{den}\) eller \(L_{5AF}\)	\(>58\) dB eller \(>75\) dB	Vurderingssone der støyfølsom utbygging krever nøye planlegging og avbøtende tiltak.
Rød sone i T-1442	\(L_{den}\) eller \(L_{5AF}\)	\(>68\) dB eller \(>90\) dB	Sone som vanligvis er uegnet for ny støyfølsom bruk, med mindre det begrunnes i prioriterte utbyggingsområder.
Forskrift om forurensning, kapittel 5	\(L_{pAeq,24h}\) innendørs	\(>42\) dB	Tiltaksgrense for eksisterende virksomheter og eksisterende bygninger.

Tabell 12.1 Viktige norske plan- og tiltaksindikatorer for jernbanestøy.

Verdiene i T-1442 er veiledende planverdier. Bindende prosjektkrav fastsettes gjennom planer, tillatelser, byggeregler og prosjektspesifikke vilkår.

Tabellen må leses sammen med den regelverksmessige sammenhengen:

• T-1442/2021: Den nasjonale retningslinjen for støy i arealplanlegging og ved etablering av ny støyende infrastruktur. For jernbanestøy er \(L_{den}\) den viktigste planleggingsindikatoren, med en egen indikator for maksimalnivået om natten, \(L_{5AF}\), utenfor soverom når det forekommer mer enn ti hendelser per natt [123].

• Forurensningsforskriften.\ Kapittel 5 i Forurensningsforskriften regulerer kartlegging, handlingsplaner og grenseverdier for eksisterende virksomhet. Den sentrale tiltaksgrensen er en innendørsverdi for \(L_{pAeq,24h}\), ikke planleggingsverdien utendørs for jernbane i T-1442 [131].

• EU-direktiv: Direktiv 2002/49/EF krever strategisk støykartlegging og handlingsplaner for viktige jernbaner og tettbygde områder [95, 73].

Det viktige ved en praktisk gjennomgang er at \(L_{night}\), \(L_{5AF}\) og \(L_{pAeq,24h}\) innendørs besvarer ulike spørsmål. De må ikke erstatte hverandre uten at gjeldende forskrift eller prosjektvilkår er kontrollert.

12.4.3 Vibrasjonsmåling

Vibrasjoner i grunnen kvantifiseres med vibrasjonshastighetsnivået \(L_v\) (i dB relativt til \(10^{-9}\,\mathrm{m\,s^{-1}}\)), målt i oktav- eller tersoktavbånd. Den mest brukte vurderingsstandarden er ISO 14837-1, som definerer måleprosedyrer for jernbaneinduserte vibrasjoner. Den norske standarden NS 8176 angir vibrasjonsklasser for boliger med den statistiske maksimalverdien for veid vibrasjonshastighet, \(v_{w,95}\):

• Klasse A: \(v_{w,95} \leq 0{,}1\) mm/s.

• Klasse B: \(v_{w,95} \leq 0{,}2\) mm/s.

• Klasse C: \(v_{w,95} \leq 0{,}3\) mm/s.

• Klasse D: \(v_{w,95} \leq 0{,}6\) mm/s.

Klasse A og B representerer strengere komfortnivåer som kan brukes der det kreves høy vibrasjonsstandard, mens klasse D er mindre krevende og kan brukes i tilfeller der klasse C ikke er praktisk oppnåelig. Klasse C brukes ofte som planleggingsmål for ny landbasert transportinfrastruktur nær boliger, men det nøyaktige kravet må kontrolleres for det enkelte prosjektet  [113, 156].

12.5 Avbøtende tiltak

Tiltak mot jernbanestøy og vibrasjoner kan settes inn på tre nivåer: ved kilden (kjøretøy og spor), langs overføringsveien og ved mottakeren (bygningens fasade). Kilderettede tiltak er vanligvis mest kostnadseffektive.

12.5.1 Skinnesliping mot rullestøy

Skinnesliping (beskrevet i kapittel 17) fjerner overflatemateriale for å gjenopprette et jevnt skinneprofil og reduserer dermed både skinnekorrugering og ruhet. I Bane NORs praksis angis ikke skinnesliping med ett universelt kalenderintervall: Vedlikeholdsreglene for skinner behandler sliping, fresing eller høvling som tilstandsutløste tiltak som skal gjennomføres senest når den tillatte bølgedybden for korrugering og bølger er nådd. En egen regel basert på bruttotonn gjelder ferdigbearbeiding av sveiser: I trafikkert spor skal sluttslipingen utføres så snart som mulig og før mer enn 30 000 bruttotonn har passert sveisen [13, 11]. Støymekanismen er reduksjon av overflateruheten og korrugeringen som eksiterer vibrasjoner i hjul og skinne, slik figur 12.5 viser. Skinnesliping er derfor et av de mest kostnadseffektive tiltakene mot rullestøy som er tilgjengelige for infrastrukturforvalteren [105, 130].

Figur 12.5 Skinneoverflatens tilstand før og etter sliping.

12.5.2 Elastiske komponenter

Elastiske sporkomponenter reduserer støy og vibrasjoner ved å endre den vertikale stivheten og dempingen mellom skinne, sville, ballast, sporplate og tunnelsåle. Komponenten må velges i sammenheng med resten av opplagringssystemet: Et mykere lag kan redusere vibrasjonsoverføringen, men for stor samlet nedbøyning kan gi problemer med geometri, stabilitet eller resonans.

Skinnemellomlegg og fjærende befestigelser. Vanlige fjærende skinnebefestigelser (f.eks. Pandrol og Vossloh) bruker et skinnemellomlegg for å kontrollere stivheten ved skinnefestet, største kontakttrykk og elektrisk isolasjon, som vist i figur 12.6. Som støy- og vibrasjonstiltak kan mykere skinnemellomlegg eller mellomlegg under skinnen dempe kraft- og vibrasjonsoverføringen fra skinnen til svillen i det aktuelle frekvensområdet. De reduserer ikke automatisk rullestøyen: Redusert mellomleggsstivhet kan gi lavere avklingningsrate for sporet og større vibrasjon og lydutstråling fra skinnen. Stivhet og demping må derfor velges ut fra en systemvurdering. Typiske stivhetsverdier for myke skinnemellomlegg er omtrent 5–30 kN/mm, sammenlignet med langt stivere standardmellomlegg i vanlig spor. Innskuddsdempingen er ofte 5–15 dB i oktavbåndene 200–1000 Hz, avhengig av det samlede befestigelses- og opplagringssystemet [158, 68].

Figur 12.6 Skinnemellomlegg og fjærende skinnebefestigelse.(a) Skinnemellomlegg; og (b) Fjærende skinnebefestigelse.

Svillematter (USP-er). Svillematter er elastiske lag av elastomer som er festet til undersiden av betongsviller, som vist i figur 12.7. Bane NORs tekniske regelverk omfatter betongsviller levert med svillematter (svillematter) og angir klasser for statisk stivhet [49, 47]. Svillematter virker lokalt i kontaktflaten mellom hver sville og ballasten. De reduserer den dynamiske stivheten i sville–ballast-grenseflaten, reduserer slagkrefter ved skjøter og sporkryss og kan redusere vibrasjoner i grunnen over sville–ballast-resonansen. De forbedrer også ballastkornenes virkemåte ved å øke kontaktarealet og redusere lokal knusing.

Ballastmatter (UBM-er). Ballastmatter er sammenhengende elastiske sjikt som legges under hele ballastlaget, vanligvis på et stivt underlag, en tunnelsåle, et brodekke eller et preparert formasjonsplan. Til forskjell fra svillematter, som virker ved de enkelte svilleplasseringene, isolerer en ballastmatte hele ballastlaget. Dette kan forbedre isolasjonen mot vibrasjoner i grunnen samtidig som konvensjonelle sviller og stampbar ballast beholdes. Svært myke matter kan redusere sporets stabilitet og motstand mot setninger, og derfor må stivhet, ballasttykkelse, drenering og vedlikeholdstilgang kontrolleres samlet. Bane NORs tekniske regelverk fastslår også at ballastmatter ikke bør kombineres med svillematter fordi de kombinerte elastiske lagene kan gi uheldig resonans og for stor nedbøyning [10, 158, 130].

Figur 12.7 Svillematter og ballastmatter.(a) Svillematter; og (b) Prøver av ballastmatter.

Spor med flytende sporplate (FST). I ballastfritt spor, tunneler og andre steder uten konvensjonell kontakt mellom sviller og ballast oppnås elastisiteten vanligvis med matter under sporplaten, innstøpte sviller eller blokker, eller flytende sporplater  [68, 130]. Spor med flytende sporplate er det mest effektive vibrasjonsisolerende tiltaket for jernbaner i tunneler og byområder. Betongplaten er opplagret på elastiske isolatorer (fjærer eller elastomeropplagringer) med en egenfrekvens som vanligvis er 7–15 Hz. Over to ganger egenfrekvensen øker isolasjonen med omtrent 12 dB per oktav. Innskuddsdemping på 20–40 dB kan oppnås over 50 Hz, og spor med flytende sporplate er derfor standardløsningen for underjordiske jernbaner som går under vibrasjonsfølsomme bygninger. Figur 12.8 viser hovedprinsippet: Skinnene og befestigelsene bæres av en massiv sporplate som er dynamisk frikoblet fra tunnelsålen med elastiske isolatorer.

Figur 12.8 Spor med flytende sporplate i en tunnel, med kjøretøyprofil, flytende sporplate og elastomeropplagringer [158].

Den viktigste ulempen er kostnaden: Spor med flytende sporplate koster vanligvis 5–15 ganger mer enn konvensjonelt ballastspor per spormeter. Bruken er derfor begrenset til steder der vibrasjonspåvirkningen på følsomme mottakere ikke kan håndteres med rimeligere tiltak [158, 109].

12.5.3 Støyskjermer

Skjerming langs sporet (støyskjermer) er et veletablert tiltak langs overføringsveien. De bryter den direkte lydbanen fra sporet til mottakerne og reduserer støyen ved diffraksjon rundt skjermens øvre kant. Innskuddsdempingen \(IL\) for en tynn skjerm i frittfelt kan tilnærmes med:

\[ \begin{aligned} IL &\approx 10 + 10 \log_{10}\!\left(\frac{2\pi N}{\tanh\sqrt{2\pi N}}\right),\\ N &= \frac{2\delta}{\lambda}. \end{aligned} \]

(12.2)

der \(\delta\) er forskjellen i banelengde (omveien over skjermens øvre kant) og \(\lambda\) er bølgelengden ved frekvensen \(f\). Fresnel-tallet \(N = 2\delta/\lambda\) bestemmer den ideelle ytelsen ved én frekvens: Jo høyere \(N\) er, desto større blir innskuddsdempingen. I virkelige jernbaneprosjekter er reduksjonen av bredbåndsnivået \(L_{den}\) vanligvis mindre på grunn av kildehøyde, markeffekter, refleksjoner, lekkasje, mottakerhøyde og togets støyspekter. Figur 12.9 viser geometrien som brukes til å definere støykilden ved hjul–skinne-kontakten, den blokkerte siktlinjen og den diffrakterte lydbanen over skjermkanten.

Figur 12.9 Støyskjermgeometri for en jernbanekilde: Skjermen bryter den direkte lydveien fra hjul–skinne-kontakten, slik at mottakeren hovedsakelig eksponeres for lyd som diffrakteres over skjermens øvre kant.

Regneeksempel.

Med utgangspunkt i figur 12.9 antar vi at skjermen akkurat blokkerer den direkte siktlinjen mellom hjul–skinne-kilden og en mottaker. La avstanden fra kilden til toppen av skjermen være \(d_1 = 3{,}0\) m, avstanden fra skjermtoppen til mottakeren være \(d_2 = 6{,}2\) m og den uhindrede direkte avstanden være \(d_0 = 9{,}1\) m. Forskjellen i banelengde blir dermed

\[ \delta = (d_1+d_2)-d_0 = (3{,}0+6{,}2-9{,}1)\,\mathrm{m} = 0{,}10\,\text{m}. \]

Ved beregning av bølgelengden er \(c\) lydhastigheten i luft og \(f\) frekvensen. Ved senterfrekvensen 500 Hz i oktavbåndet, med \(c = 340\) m/s, blir

\[ \begin{aligned} \lambda &= \frac{c}{f} = \frac{340\,\mathrm{m/s}}{500\,\mathrm{s^{-1}}} = 0{,}68\,\text{m},\\ N &= \frac{2\delta}{\lambda} = \frac{2(0{,}10\,\mathrm{m})}{0{,}68\,\mathrm{m}} = 0{,}29 . \end{aligned} \]

Når \(N = 0{,}29\) settes inn i ligning 12.2, fås

\[ \begin{aligned} IL &\approx 10 + 10\log_{10}\!\left( \frac{2\pi(0{,}29)}{\tanh\sqrt{2\pi(0{,}29)}}\right)\\ &\approx 13\,\text{dB}. \end{aligned} \]

Denne verdien må tolkes som et ideelt skjermingsestimat ved én frekvens. Den oppnåelige bredbåndsreduksjonen for en virkelig jernbaneskjerm vil vanligvis være lavere når kildehøyde, lekkasje, refleksjoner, grunnforhold og togets støyspekter tas med. Den samme geometrien gir en større ideell innskuddsdemping ved høyere frekvenser fordi bølgelengden er kortere.

Det tekniske valget omfatter høyde, absorberende overflate, vedlikeholdbarhet, tilgang, visuell påvirkning, snørydding og tilgjengelig bredde i korridoren er også viktige forhold. Bane NORs tekniske regelverk angir en minste flatemasse for skjermmaterialet på \(15\,\mathrm{kg\,m^{-2}}\), anbefaler absorberende materiale der refleksjoner er viktige, og skiller mellom konvensjonelle høye skjermer og lave skjermer som plasseres nær kilden [45]. Figur 12.10 viser et konvensjonelt eksempel langs sporet: Den sammenhengende veggen er plassert mellom jernbanen og nærliggende boliger og bryter den direkte siktlinjen fra hjul–skinne-kilden til mottakerne.

Figur 12.10 Eksempel på en konvensjonell støyskjerm langs jernbanen som skiller linjen fra nærliggende mottakere [147].

12.5.4 Støysvake hjul og dempede hjul

Hjulvibrasjoner står for opptil 30% av den samlede rullestøyenergien på enkelte kjøretøy. Tiltak som kan utføres på hjulet, omfatter:

• Hjulabsorbenter og hjuldempere: viskoelastiske dempeelementer, avstemte absorbenter eller ringdempere som er festet til hjulskiven. De tilfører demping til de viktigste lydutstrålende svingeformene og reduserer lyden som utstråles fra hjulet, med 3–8 dB.

• Optimaliserte hjulprofiler: profiler som reduserer den ekvivalente konisiteten og holder ruhetsspekteret i et område med lav lydutstråling.

• Bremseklosser av komposittmateriale: K-klosser som gir en jevn hjulbane og dermed reduserer hjulbaneruheten og rullestøyen med 8–12 dB sammenlignet med kjøretøy som bremses med støpejernsklosser  [158].

I Bane NORs offentlig tilgjengelige tekniske regelverk behandles støysvak hjulutforming indirekte, ikke gjennom én foreskrevet geometri for demperen. Vedlikeholdsreglene for skinner regulerer grenseflaten mellom hjul og skinne ved å vurdere sporets ekvivalente konisitet mot referansehjulprofiler som S1002 og GV 1/40, med hastighetsavhengige grenseverdier. Network Statement krever dessuten frekvensbaserte data for støyutslipp når nytt rullende materiell tas i bruk på det nasjonale jernbanenettet, eller når endringer på eksisterende rullende materiell endrer støyutslippets karakter. Disse kravene støtter akustisk godkjenning og kompatibilitetskontroll, men utgjør ikke en standardtegning av en bestemt konstruksjon med hjuldemping [13, 37].

12.5.5 Innstøpt spor og platebane

I innstøpte skinnesystemer (se kapittel 2) omsluttes skinnen av en sammenhengende elastomerkappe eller et støpt elastomersjikt. Elastomermaterialet gir:

• Svært god vibrasjonsisolasjon, med egenfrekvens typisk 5–12 Hz.

• Svært god reduksjon av rullestøy fordi skinnen er kraftig dempet og lydutstrålingen fra både skinnesteget og skinnefoten absorberes.

• Fjerning av skinnebefestigelser og tilhørende vedlikehold.

Innstøpte skinner er standard i urbane sporveis- og bybanesystemer og brukes i økende grad til tung bybane [68].

12.6 Støy i tunneler

Det akustiske miljøet i en jernbanetunnel er grunnleggende forskjellig fra forholdene i friluft. Viktige fenomener omfatter:

• Tunnelresonanser: Tunnelens tverrsnitt virker som en bølgeleder. For en ideell, stiv sirkulær kanal med radius \(r\) har den første høyereordens tverrmoden grensefrekvensen \(f_c \approx 1{,}8412c/(2\pi r)\). Med \(r \approx 4{,}0\) m og \(c = 340\) m/s gir dette \(f_c \approx 25\) Hz; under denne verdien er den plane moden den eneste akustiske moden som forplanter seg. Virkelige jernbanetunneler er ikke sirkulære rør, og svingeformene avhenger derfor av tverrsnitt, tunnelkledning, portaler og installert utstyr.

• Mikrotrykk: I høyhastighetstunneler omdannes en del av trykkbølgen som oppstår når toget kjører inn, til en mikrotrykkpuls ved tunnelutløpet, der den utstråles som et hørbart impulsivt «drønn» utenfor tunnelportalen. Dette motvirkes med portalhetter og ventiler i hettene, som forlenger trykkstigningstiden og reduserer trykkgradienten før bølgen når tunnelutløpet  [132, 99].

• Forsterkning av kurveskrik: Kurveskrik og flensstøy forsterkes av tunnelens bølgeledervirkning, særlig i tunneler med kurver.

Støynivået inne i tunneler under togpassering overstiger vanligvis 90–100 dB(A) ved tunnelveggen. Dette krever særlig oppmerksomhet på vibrasjoner i tunnelkledningen og i nærliggende konstruksjoner.

12.7 Oppsummering av kapitlet

Kildemekanisme. Rullestøy, støy fra framdriftssystemet, aerodynamisk støy, slagstøy, bremseskrik og kurveskrik er ikke innbyrdes utskiftbare problemer. Hver kilde har sitt eget dominerende frekvensområde, sin egen hastighetsavhengighet og sitt eget fysiske opphav. Rullestøy bestemmes hovedsakelig av den samlede ruheten på hjul og skinne, mens støy fra framdriftssystemet dominerer ved lav hastighet, og aerodynamisk støy først blir viktig ved høyere hastigheter. Riktig diagnose er derfor det første steget i valg av tiltak.

Overføringsvei. Luftoverført støy utstråles fra hjulet, skinnen, kjøretøykarosseriet eller infrastrukturen og går gjennom luften til mottakeren. Vibrasjoner forplanter seg gjennom sporet, grunnen og bygningsfundamentene og kan merkes direkte eller gjenutstråles som lavfrekvent lyd innendørs. Dette skillet er viktig fordi en støyskjerm kan redusere luftlyd, men har liten virkning på vibrasjoner som overføres gjennom grunnen.

Vurderingsstørrelser. Jernbanestøy beskrives ofte med A-veide nivåer, ekvivalentnivåer og dag–kveld–natt-indekser som \(L_{den}\), mens maksimalnivåer er relevante for hendelser om natten og søvnforstyrrelser. Vibrasjonsvurderinger bruker hastighetsbaserte størrelser og statistiske deskriptorer som \(v_{w,95}\). Det norske regelverket knytter disse størrelsene til planleggings- og vurderingspraksis, og ingeniøren må derfor forstå både den fysiske størrelsen og kriteriet som anvendes.

Tiltakskjede. Skinnesliping, vedlikehold av hjul, K-klosser og hjuldemping virker hovedsakelig ved kilden. Elastiske skinnemellomlegg, svillematter, ballastmatter og spor med flytende sporplate endrer overføringsveien gjennom sporet og grunnen. Skjermer og fasadetiltak virker nærmere mottakeren. Et tiltak som er effektivt i én del av kjeden, kan være uten virkning eller til og med uheldig i en annen. Valget av tiltak må derfor bygge på den diagnostiserte mekanismen.

Særskilte miljøer. Tunneler, platebane, innstøpt spor og tette bykorridorer kan endre den akustiske responsen og vibrasjonsresponsen vesentlig. Tunnelens bølgeledervirkning, mikrotrykkbølger, strukturlyd innendørs og nedbøyning i elastisk spor krever tolkning utover en enkel beregning av støy ved togpassering. Den overordnede konsekvensen er at en miljøvurdering av jernbanen går ut over regning med desibel og må følge den fysiske veien fra togdrift til menneskelig eksponering.

Oppgaver

Oppgave 1: Diagnostisering av kilder til jernbanestøy

En jernbanekorridor går gjennom et boligområde. Beboerne melder om fire forskjellige problemer:

(i) lavfrekvent motor- og viftestøy når tog venter på stasjonen,

(ii) bredbåndet støy fra godstog som passerer med 90–120 km/h,

(iii) en tonal «syngende» lyd på én rettstrekning, og

(iv) et skarpt skrik fra en kurve med radius 250 m nær en plattform.

(a) Klassifiser hver klage som støy fra framdriftssystemet, rullestøy, støy fra korrugering, kurveskrik, slagstøy, aerodynamisk støy eller vibrasjoner i grunnen.

(b) Angi for hver klage om den første undersøkelsen hovedsakelig bør rette seg mot kjøretøyet, hjul–skinne-kontakten, sportilstanden, overføringsveien eller mottakeren.

(c) Velg én måle- eller inspeksjonsmetode som kan bidra til å bekrefte hver diagnose.

Oppgave 2: Hastighet og ruhet ved rullestøy

Et godstog kjører med \(v_1 = 100\) km/h og gir et støynivå ved togpassering på \(L_A = 82\) dB(A) i en avstand på 25 m fra sporet.

(a) Bruk \(\Delta L_A = 30\log_{10}(v_2/v_1)\) til å beregne rullestøynivået hvis hastigheten økes til \(v_2 = 160\) km/h.

(b) For det opprinnelige toget ved 100 km/h antas det at hjulruhetsnivået i det dominerende bølgelengdebåndet er \(L_{r,w}=46\) dB, og at skinneruhetsnivået er \(L_{r,r}=42\) dB. Etter at bremseklossene av støpejern er erstattet med K-klosser av komposittmateriale, synker hjulruheten til \(L_{r,w}=36\) dB, mens skinneruheten er uendret. Bruk

\[ L_{r,\mathrm{comb}} = 10\log_{10}\!\left(10^{L_{r,w}/10}+10^{L_{r,r}/10}\right) \]

til å beregne endringen i samlet ruhet og den tilhørende reduksjonen i rullestøy.

(c) Forklar hvorfor denne reduksjonen i rullestøy er mindre enn reduksjonen på 10 dB i hjulruheten.

(d) Angi hvorfor aerodynamisk støy vanligvis ikke er den dimensjonerende kilden i dette hastighetsområdet for godstog.

Oppgave 3: Vurdering av jernbanestøy for dag, kveld og natt

En bolig som ligger 30 m fra en jernbanelinje, utsettes for følgende ekvivalentnivåer: \(L_d = 62\) dB(A) (dag), \(L_e = 58\) dB(A) (kveld) og \(L_n = 55\) dB(A) (natt).

(a) Beregn \(L_{den}\) for boligen, og vurder om den oppfyller den aktuelle planverdien for jernbane i T-1442.

(b) Forklar hvorfor dette er forskjellig fra kontrollen av maksimalnivået om natten med \(L_{5AF}\) etter T-1442.

(c) Hvis tiltak ved kilden og langs overføringsveien reduserer alle de tre ekvivalentnivåene med 8 dB(A), beregn \(L_{den}\) på nytt og vurder om kravet er oppfylt.

Oppgave 4: Valg av tiltak mot støy og vibrasjoner

En jernbanelinje med blandet person- og godstrafikk går nær boliger og deretter inn i en kort tunnel under en vibrasjonsfølsom bygning. Målinger viser rullestøy utendørs og lavfrekvent rumling innendørs. Et alternativ med elastisk spor endrer den forenklede stivheten i sporopplagringen fra \(C_t = 120\) til 60 kN/mm. Bruk \(Q = 100\) kN.

(a) Foreslå ett tiltak ved kilden, ett langs overføringsveien og ett ved mottakeren. Angi hvilket problem hvert tiltak er rettet mot.

(b) Bruk \(\delta = Q/C_t\) til å sammenligne skinnens nedbøyning før og etter innføringen av det elastiske sporet. Hvorfor er dette bare en indikator?

(c) Forklar hvordan svillematter eller mykere skinneopplagring kan redusere vibrasjonsoverføringen, og angi én ulempe.

(d) Er en konvensjonell støyskjerm alene tilstrekkelig? Begrunn svaret med rammeverket kilde–overføringsvei–mottaker.