Geräusche und Erschütterungen - Acoustics€¦ · I Verzeichnis der eingereichten...

Inhalt und Zusammenfassung der Habilitationsschrift mit dem Titel:

Geräusche und Erschütterungen aus dem Schienenverkehr

Entstehungsmechanismen, Schallemissionen und Schallimmissionen sowie Minderungsmaßnahmen

Dr.-Ing. Rüdiger G. Wettschureck

Habilitationsschrift, angenommen von der Fakultät III − P r o z e s s w i s s e n s c h a f t e n −

der Technischen Universität Berlin

Lehrgebiet: Technische Akustik

Eröffnung des Verfahrens: 26. März 2003 Zuerkennung der Lehrbefähigung: 27. April 2005

Ausstellung der Urkunde: 28. April 2005 Aushändigung der Urkunde: 27. Juni 2005

Wissenschaftliche Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Michael Möser, TU Berlin

Prof. Dr. rer. nat. Heinrich Kuttruff, RWTH Aachen Prof. Dr.-Ing. Gerhard Müller, TU München

Berlin, 2005

D 83

Habilitationsschrift von Rüdiger G. Wettschureck: Inhalt + Zusammenfassung A

VORWORT Die vorliegende Arbeit stellt gewissermaßen eine Zusammenfassung der Ergebnisse meines berufli-chen Wirkens in den Jahren 1980 bis 2002 dar. Mein herzlicher Dank gilt Herrn Prof. Dr.-Ing. Michael Möser dafür, dass er mich in anregenden Ge-sprächen dazu ermuntert und mir das Vertrauen entgegengebracht hat, diese Arbeit in Angriff zuneh-men und für sein stets förderndes Interesse im Laufe des Habilitationsverfahrens. Herrn Prof. Dr. rer. nat. Heinrich Kuttruff und Herrn Prof. Dr.-Ing. Gerhard Müller danke ich sehr für die freundliche Bereitschaft, die Aufgabe des zweiten und dritten wissenschaftlichen Gutachters zu übernehmen. Bei meinen Co-Autoren des Beitrags im Abschnitt III, den Herren Dipl.-Phys. Günther Hauck, Dr.-Ing. Rolf J. Diehl und Dipl.-Phys. Ludger Willenbrink, möchte ich mich dafür bedanken, dass sie der Verwendung des Beitrags im Rahmen der vorliegenden Arbeit zugestimmt haben. Mein ganz besonderer Dank gilt Herrn Dipl.-Phys. Günther Hauck und seinen Mitarbeitern am frühe-ren Bundesbahn-Zentralamt München für die außergewöhnlich positive Zeit der partnerschaftlichen Zusammenarbeit, in der grundlegende Erkenntnisse, insbesondere zum Kapitel „Körperschall, Er-schütterungen bei Eisenbahnen“, im Rahmen von vielen interessanten Projekten gemeinsam erarbeitet wurden. Allen Kolleginnen und Kollegen an meinen früheren Wirkungsstätten, im Besonderen im Hause Müller-BBM, danke ich für die freundschaftliche Zusammenarbeit und die schöne Zeit des gemeinsa-men Suchens nach den Grundlagen der „Geräusche und Erschütterungen aus dem Schienenverkehr“. Großweil, im Juni 2005 Rüdiger G. Wettschureck

Habilitationsschrift von Rüdiger G. Wettschureck: Inhalt + Zusammenfassung B

INHALTSVERZEICHNIS DER VOLLSTÄNDIGEN HABILITATIONSSCHRIFT.......................SEITE

I Verzeichnis der eingereichten wissenschaftlichen Arbeiten /1/ - /18/ v

II Zusammenfassung der wissenschaftlichen Arbeiten II-1 bis II-22

III Wissenschaftliche Arbeit /1/: Geräusche und Erschütterungen aus dem Schienenverkehr1 III-1

1 EINLEITUNG .................................................................................................................................III-2

2 LUFTSCHALL BEI EISENBAHNEN..........................................................................................III-2

2.1 BEGRIFFSBESTIMMUNGEN ................................................................................................................... III-2 2.2 SCHALLEMISSIONEN............................................................................................................................ III-3 2.3 SCHALLIMMISSIONEN ........................................................................................................................ III-21 2.4 WIRKUNG UND BEWERTUNG VON SCHIENENVERKEHRSGERÄUSCHEN................................................ III-29 2.5 GESETZLICHE REGELUNGEN .............................................................................................................. III-31 2.6 GERÄUSCHMESSUNGEN AN SCHIENENFAHRZEUGEN .......................................................................... III-31

3 KÖRPERSCHALL, ERSCHÜTTERUNGEN BEI EISENBAHNEN......................................III-32

3.1 ALLGEMEINES, BEGRIFFSBESTIMMUNGEN......................................................................................... III-32 3.2 KÖRPERSCHALLENTSTEHUNG............................................................................................................ III-34 3.3 KÖRPERSCHALLAUSBREITUNG IM BODEN.......................................................................................... III-39 3.4 KÖRPERSCHALLEINLEITUNG IN GEBÄUDE UND – AUSBREITUNG IM INNEREN VON GEBÄUDEN.......... III-40 3.5 SEKUNDÄRER LUFTSCHALL IN GEBÄUDEN......................................................................................... III-42 3.6 BEURTEILUNG VON KÖRPERSCHALL, ERSCHÜTTERUNGEN UND SEKUNDÄREM LUFTSCHALL............. III-43 3.7 SCHUTZMAßNAHMEN IM BEREICH DER KÖRPERSCHALLENTSTEHUNG................................................ III-44 3.8 SCHUTZMAßNAHMEN IM BEREICH DER KÖRPERSCHALLAUSBREITUNG IM BODEN.............................. III-53 3.9 SCHUTZMAßNAHMEN AN GEBÄUDEN................................................................................................. III-54 3.10 PROGNOSE VON KÖRPERSCHALL, ERSCHÜTTERUNGEN...................................................................... III-54

4 LUFTSCHALL UND KÖRPERSCHALL, ERSCHÜTTERUNGEN BEI NAHVERKEHRSBAHNEN .......................................................................................................III-56

4.1 ALLGEMEINES ................................................................................................................................... III-56 4.2 BESONDERHEITEN BEI NAHVERKEHRSBAHNEN GEGENÜBER EISENBAHNEN....................................... III-57 4.3 SPEZIELLE KÖRPERSCHALL-MINDERUNGSMAßNAHMEN FÜR DEN INNERSTÄDTISCHEN BEREICH

VON STRAßENBAHNEN....................................................................................................................... III-59

5 SIMULATIONSMODELLE ZUR PROGNOSE VON LUSTSCHALL UND KÖRPER-SCHALL, ERSCHÜTTERUNGEN VON BAHNEN................................................................III-61

5.1 ÜBERBLICK ....................................................................................................................................... III-61 5.2 ROLLGERÄUSCHE .............................................................................................................................. III-62 5.3 INNENGERÄUSCHE UND AGGREGETGERÄUSCHE ................................................................................ III-66 5.4 KÖRPERSCHALL UND ERSCHÜTTERUNGEN......................................................................................... III-67

LITERATUR .............................................................................................................................................III-68

IV Zusammenstellung der wissenschaftlichen Arbeiten /2/ – /18/

1 Veröffentlicht als Kapitel 17 „Geräusche und Erschütterungen aus dem Schienenverkehr“ in: „Taschenbuch der Technischen Akustik“, von G. Müller und M. Möser (Hrsg.), 3. Auflage, Springer Verlag, Berlin, 2003. (Überarbeitete und wesentlich erweiterte Fassung von: Wett-schureck R G, Hauck G: „Geräusche und Erschütterungen aus dem Schienenverkehr“, Kapitel 16 in: „Taschenbuch der Technischen Akus-tik“, von M. Heckl und H. Müller (Hrsg.), 2. Auflage, Springer, Berlin, 1994)

Habilitationsschrift von Rüdiger G. Wettschureck: Inhalt + Zusammenfassung C

I Verzeichnis der eingereichten wissenschaftlichen Arbeiten2

(GEMÄß § 2 ABS. 2 NR. 1 DER HABILITATIONSORDNUNG DER TU BERLIN, VOM 26.08.1993)

Lfd. Nr.

Jahr-gang

Titel Co-Autor(en)

/1/ 2002 Geräusche und Erschütterungen aus dem Schienenverkehr, Kapitel 17 in: „Taschen-buch der Technischen Akustik“, von M. Möser und G. H. Müller (Hrsg.), Springer Verlag, Berlin, 3. Auflage, 20033

Hauck G, Diehl R J, Willenbrink L

/2/ 2002 Long-term properties of Sylomer ballast mats installed in the rapid transit railway tunnel near the Philharmonic Hall of Munich, Germany. Rail Engineering International, Edition 2002 / 4, pp. 6 - 11

Heim M, Tecklenburg M

/3/ 2001 Nachrüstung von Unterschottermatten in einem S-Bahntunnel im Zentrum von Berlin. Proc. D-A-CH Tagung 2001, Innsbruck, 2001, 148 – 155

Daiminger W

/4/ 2001 Installation of high-performance ballast mats in an urban railway tunnel in the city of Berlin. Proc. Euro-Noise ´01 (CD-ROM), Patras, 2001.

Daiminger W

/5/ 2000 The dynamic stiffness as an indicator of the effectiveness of a resilient rail fastening system applied as a noise mitigation measure: Laboratory tests and field application. Rail Engineering International, Edition 2000 / 4, pp. 7 – 10

Diehl R J

/6/ 1999 Installation of highly effective vibration mitigation measures in a railway tunnel in Cologne, Germany. Rail Engineering International, Edition 1999 / 4, pp. 12 - 16.

Breuer F, Tecklenburg M, Widmann H

/7/ 1999 Efficiency of a ballastless mass-spring-system with discrete Sylodyn bearings and of dynamically soft Sylodyn ballast mats in a railway tunnel in Cologne. Proc. ICSV6 – 6th Intern. Congress on Sound and Vibration, Copenhagen 1999, Denmark, Vol. 3, pp. 1473 – 1482.

Breuer F, Tecklenburg M, Widmann H

/8/ 1998 Reduction of the noise emission of a steel railway bridge by means of resilient rail fas-tenings with dynamically soft base plate pads. Proc. Euro-Noise ´98, München, 1998, Vol. I, pp. 289 – 294.

Heim M

/9/ 1997 Measures to reduce structure-borne noise emission induced by above-ground, open railway lines. Rail Engineering International, Edition 1997 / 1, pp. 12 – 16

---------------

/10/ 1997 Reduction of structure-borne noise emissions from above-ground railway lines by means of ballast mats. Proc. Inter-Noise ´97, Budapest 1997, pp. 577 – 580

Heim M, Mühlbachler S

/11/ 1996 Körperschallmindernde Maßnahmen beim Einbau einer Festen Fahrbahn auf einer Stahlbeton-Hohlkastenbrücke. ETR – Eisenbahntechnische Rundschau, Heft 6/1996, S. 371 – 379.

Altreuther B, Daiminger W, Nowack R

/12/ 1996 Structure-borne sound and vibration from rail traffic. Journal of Sound and Vibration 193 (1), (1996), pp. 175 – 184.

Heckl M, Hauck G

/13/ 1995 Vibration and structure-borne noise insulation by means of cellular polyurethane (PUR) elastomers in railway track applications. Rail Engineering International, Edition 1995, No. 2, pp. 7 – 14

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/14/ 1994 Vibration and Structure-Borne Sound Isolation by means of Cellular Polyurethane (PUR) Elastomers. Proc. Vibrationsdagen 1994, organized by SVIB - Swedish Vibra-tion Society, Stockholm, November 1994, pp. 21 – 52

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/15/ 1987 Unterschottermatten auf einer Eisenbahnbrücke in Stahlbeton-Verbundbauweise. Fortschritte der Akustik – DAGA ´87, Aachen, 1987, S. 217– 220

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/16/ 1985 Einfügungsdämmmaß von Unterschottermatten, Acistica 58 (1985), S. 177 – 182 Kurze U J

/17/ 1985 Erschütterungen in der Umgebung von flach liegenden Eisenbahntunneln im Vergleich mit freien Strecken, ACUSTICA 58 (1985), S. 170 – 176

Kurze U J

/18/ 1985 Unterschottermatten im Münchner S-Bahntunnel. Fortschritte der Akustik – DAGA ´85, Stuttgart, 1985, S. 211– 214

Doberauer D

2 Geordnet nach Jahrgang in absteigender Reihenfolge, entsprechend Anlage 7-1 bis Anlage 7-18 des Habilitationsantrages. 3 Überarbeitete und wesentlich erweiterte Fassung von: Wettschureck R G, Hauck G: „Geräusche und Erschütterungen aus dem Schienenver-kehr“, Kap. 16 in: „Taschenbuch der Technischen Akustik“, von M. Heckl und H. Müller (Hrsg.), 2. Aufl., Springer, Berlin, 1994

Habilitationsschrift von Rüdiger G. Wettschureck: Inhalt + Zusammenfassung D

II Zusammenfassung der wissenschaftlichen Arbeiten zum Thema „Geräusche und Erschütterungen aus dem Schienenverkehr“

Vorbemerkungen Schwerpunkt der eingereichten wissenschaftlichen Arbeiten ist ein Manuskript, das unter der Federführung des Antragstellers zur Veröffentlichung in der Neuauflage des Taschenbuchs der Technischen Akustik erstellt wurde /1/4. In diesem ist die behandelte Thematik in vier, auch der vorliegenden Zusammenfassung zugrundeliegende, Hauptabschnitte wie folgt gegliedert:

1. Luftschall bei Eisenbahnen, 2. Körperschall/Erschütterungen bei Eisenbahnen, 3. Luftschall und Körperschall, Erschütterungen bei Nahverkehrsbahnen, 4. Simulationsmodelle zur Prognose von Luftschall und Körperschall, n Erschütterungen von Bahnen.

Die hierbei getroffene Unterscheidung in Eisenbahnen und Nahverkehrsbahnen orientiert sich formal an der „Eisenbahn-Bau- und Betriebsordnung“ [EBO (1967)] und der „Straßenbahn-Bau- und Betriebsordnung“ [BoStrab (1987)], die jeweils in einem Bundesgesetzblatt veröffentlicht sind.

Zu den Eisenbahnen gehören im wesentlichen die Bahnen, die im heutigen Sprachgebrauch unter den Begrif-fen „Vollbahnen“ (Achskräfte ≤ 250 kN) und „S-Bahnen“ (Achskräfte ≤ 160 kN) zusammengefasst werden, während zu den Nahverkehrsbahnen vor allem die Stadtbahnen, U-Bahnen und Straßenbahnen (Achskräfte ≤ 100 kN) zu rechnen sind.

Selbstverständlich werden an geeigneter Stelle und wo es fachlich sinnvoll ist, so insbesondere bei den Bah-nen des Hochgeschwindigkeitsverkehrs (HGV), auch Bahnen europäischer und außereuropäischer Länder einbe-zogen.

1 Luftschall bei Eisenbahnen Zunächst werden einige Begriffe definiert, die zur Charakterisierung der Geräuschsituation in der Umgebung von Schienenwegen gebräuchlich sind, um sodann in einem größeren Abschnitt die für die Schallemission von Schienenfahrzeugen maßgeblichen Einflussgrößen zu behandeln.

Zu den wichtigsten Begriffen gehören u.a. der „Emissionspegel“ und der „Grundwert“, die wie folgt defi-niert sind:

Der Emissionspegel Lm,E in dB(A) ist der Mittelungspegel für den zu betrachtenden Zeitraum 25 m seitlich von der Achse des betrachteten Gleises, in einer Höhe von 3,5 m über Schienenoberkante (SO), bei freier Schallausbreitung.

Der Grundwert ist der Emissionspegel Lm,E in dB(A) eines 100 m langen, 100 km/h schnellen und zu 100 % aus Fahrzeugen mit Scheibenbremsen (einschließlich Lok) zusammengesetzten Zuges auf Schotteroberbau mit Holzschwellen, bei durchschnittlichem Zustand der Schienenfahrflächen, bezogen auf den Zeitraum einer Stunde [Schall 03 (1990)]. Sein Zahlenwert beträgt 51 dB(A).

1.1 Luftschallemissionen

Die Schallemissionen von Schienenfahrzeugen werden im wesentlichen bestimmt durch das > Rollgeräusch (Geschwindigkeitsbereich 50 < v < 350 km/h), > Maschinengeräusch (Geschwindigkeitsbereich v < 60 km/h), > Aerodynamische Geräusch (Geschwindigkeitsbereich v > 350 km/h).

Eines der wichtigsten Konstruktionsmerkmale von Schienenfahrzeugen, die das Rollgeräusch maßgeblich beein-flussen, ist die Bremsbauart. Gleiche Fahrgeschwindigkeit und gleichen Zustand der Schienenfahrflächen vor-ausgesetzt, sind z.B. Fahrzeuge mit Scheibenbremsen und elektronischem Gleitschutz wegen ihrer glätteren Rad-laufflächen grundsätzlich leiser als solche mit Graugussbremsklötzen. Dieser grundsätzliche durch umfang-reiche Messergebnisse abgesicherte Unterschied ist z.B. auch Bestandteil von einschlägigen Richtlinien zur Be-rechnung der Schallimmissionen in der Umgebung von Schienenverkehrswegen geworden [Schall 03 (1990)]. Als weitere wesentliche das Rollgeräusch beeinflussende Parameter werden die Fahrgeschwindigkeit, die Zug-länge, der Zustand der Fahrflächen (Rauhigkeit von Schienen- und Radlaufflächen), die konstruktive Ausfüh-rung der Fahrbahn (Schotteroberbau mit Holz-/Betonschwellen oder schotterloser Oberbau, sogenannte "Feste

4 Lfd. Nr. 1 der eingereichten wissenschaftlichen Arbeiten, s. hier Abschnitt III: Wettschureck R G, Hauck G, Diehl, R L, Willenbrink, L (2003) „Geräusche und Erschütterungen aus dem Schienenverkehr“, Kapitel 17 in „Taschenbuch der Technischen Akustik“, von M. Möser und G. Müller (Hrsg), Springer, 3. Auflage, Berlin, 2003

Habilitationsschrift von Rüdiger G. Wettschureck: Inhalt + Zusammenfassung 1

Fahrbahn"), sowie Besonderheiten am Fahrzeug (wie z.B. schallabschirmende Radbremsscheiben) und am Fahrweg (z.B. Brücken, Bahnübergänge usw.) angeführt.

Hauptschallquellen für die Abstrahlung des Rollgeräusches sind Rad und Schiene. Das Rad strahlt im we-sentlichen im Frequenzbereich über 1000 Hz ab, die Schiene vor allem unter 1000 Hz. Dabei hat auch die Rad-bauart Einfluss auf die Schallabstrahlung.

Im Weiteren werden die vom Betrieb der Ei-senbahnen ausgehenden Schallemissionen in fol-genden drei Unterabschnitten behandelt:

> Fahrzeuge (klassische Schienenfahrzeuge und Magnetbahn);

> Fahrweg (Schotteroberbau, schotterloser Oberbau, Brücken usw.);

> Großflächige Bahnanlagen (Rangierbahn-höfe, Umschlagbahnhöfe und sonstige Bahnanlagen).

Fahrzeuge

Als Anhaltswerte für schalltechnische Planungen werden zu den Fahrzeugen, unterteilt in Trieb-fahrzeuge, Reisezugwagen und Güterwagen, Be-reiche typischer Vorbeifahrpegel angegeben. Hierbei handelt es sich um A-Schallpegel, die in einem Abstand von 25 m seitlich der freien Stre-cke, 3,5 m über Schienenoberkante, bei der je-weils fahrzeugtypischen Fahrgeschwindigkeit, auf Schienen mit glatter Schienenfahrfläche (Riffel-tiefe < 20 µm) gemessen wurden (s. /1/, Abb. 1). Für die wichtigsten Triebfahrzeuge deutscher Bauart werden Richtwerte des A-Schallpegels für die Betriebszustände „Stand“, „Anfahrt“ und „Vorbeifahrt“ angegeben (Tabelle 1 in /1/). Zur Veranschaulichung des Einflusses der genannten Betriebszustände auf das Spektrum der SchallemissioTerzspektren des Schalldruckpegels angegeben.

In einer Gegenüberstellung sind Bereiche des Vkeit für Züge des Hochgeschwindigkeitsverkehrs (H07“ mit einbezogen wird. Diese Gegenüberstellung i

Fahrweg

Ein relativ breiter Raum wird im weiteren Verlauf demission von Schienenverkehrswegen eingeräumt, wvon Eisenbahnbrücken, der Fahrt im Tunnel, dem(BüG) gesonderte Abschnitte gewidmet werden.

Beim Oberbau wird unterschieden in Fahrwege Fahrbahn“5. Zunächst wird eine qualitative Einstufulich ihres Einflusses auf den A-Schallpegel des Vorb

Hab2

5 Feste Fahrbahn = schotterloser Oberbau: Betontragplatte (verschIoarv 300), gelagert auf hydraulisch gebundener Tragschicht (HGT

Abb. 1 Vorbeifahrpegel von Hochgeschwindigkeitszügen 25 m seit-lich des jeweiligen Fahrweges in Abhän-gigkeit von der Geschwindig-keit (s. Abb. 2 in /1/). Nr. Zugtyp Meßhöhe über Fahr-

weg bzw. SO Herkunfts land

1 Transrapid 07 - 4,7 m Deutschland 2a Talgo-Pendular 3,5 m Spanien 3 TGV-Atlantique 3,5 m Frankreich 4 TGV Lyon 3,5 m Frankreich 5a IC/EC-Züge 3,5 m Deutschland 6a ICE 3,5 m Deutschland 7 X2000 3,5 m Schweden 8b Shinkansen ??? Japan

a auf Schotteroberbau der Deutschen Bahn b Einzelmesswert

n werden beispielhaft für ausgewählte Triebfahrzeuge auch

orbeifahrpegels in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindig-GV) dargestellt, wobei auch die Magnetbahn „Transrapid

st auch hier in Abb. 1 wiedergegeben.

es Abschnittes dem Einfluss des Fahrweges auf die Schall-obei dem Oberbau, den verschiedenen Konstruktionsarten

Bahnübergang und dem „Besonders überwachten Gleis“

mit „klassischem“ Schotteroberbau und solche mit „Fester ng der verschiedenen Komponenten des Oberbaus hinsicht-eifahrgeräusches vorgenommen.

ilitationsschrift von Rüdiger G. Wettschureck: Inhalt + Zusammenfassung

iedener Konstruktionsarten) mit elastischer Schienenbefestigung (z.B. Typ ).

Hierbei ergibt sich folgendes Bild: > Schienentyp: gering, > Schienenfahrfläche: sehr groß (Riffelbildung!), > Schienenbefestigung bei Schotteroberbau: eher gering6, > Schienenbefestigung bei Fester Fahrbahn: erheblich, > Schwellentyp eher gering7, > Schotterbettqualität: gering.

Wie bei den Fahrzeugen die Rauhigkeit der Radlaufflächen, erweist sich beim Oberbau die Rauhigkeit der Schienenfahrfläche als die Größe, die einen besonders großen Einfluss auf die Höhe der Schallemission hat. Anhand eines Diagramms wird verdeutlicht, dass die Zunahme der Schallemission in Abhängigkeit von der Schienenrauhigkeit, die gewöhnlich in Form einer Riffeltiefe in µm angegeben wird, um so größer ist, je glatter die Radlauffläche ist. Diese Zunahme der Schallemission mit zunehmender Riffeltiefe ist hier in Abb. 2 wieder-gegeben, und zwar getrennt für Reisezüge und Güterzüge mit Graugussklotzbremsen (verriffelte Radlaufflächen) und für Reisezüge mit Scheibenbremsen (glatte Radlaufflächen). Wie deutlich zu erkennen ist, reagieren verrif-felte Radlaufflächen auf zusätzliche Schienenriffeln deutlich schwächer als glatte Radlaufflächen.

Feste Fahrbahn

Abb. 2 Zunahme des Vorbeifahrpegels vonZügen auf verriffeltem Gleis im Vergleichmit riffelfreiem Gleis in Abhängigkeit vonder Riffeltiefe. Ergebnisse von Messungen25 m seitlich der freien Strecke bei Vorbei-fahrt verschiedener Zugarten mit unter-schiedlichen Geschwindigkeiten (s. Abb.10 in /1/).

Bei Zugfahrten auf Fester Fahrbahn herkömmlicher Bauart ist die Schallemission gegenüber der bei Fahrten auf Schotteroberbau erhöht, weil die schallabsorbierende Wirkung des Schotterbetts fehlt und die Schienen im Ver-gleich zum Schotteroberbau stärker (freier) schwingen können. Dieses Phänomen konnte durch die schallabsor-bierende Gestaltung der Fahrbahnoberfläche weitgehend kompensiert werden. Schallabsorbierende Feste Fahr-bahnen auf der Schnellfahrstrecke Hannover – Berlin weisen keine höheren Schallemissionswerte im Sinne der 16. BImSchV auf als Betonschwellengleise im Schotterbett [BImSchV-16 (1990)], [DB Netz AG (1998 - 2001)]. Das stärkere Schwingen und damit die höhere Schallabstrahlung der Schienen bei Festen Fahrbahnen herkömmlicher Bauart liegt an der wesentlich weicheren Schienenbefestigung und an der geringeren an die Schiene angekoppelten Masse. Durch genauere Untersuchungen wurde nachgewiesen, dass der letzt genannte Effekt auf zwei selektive Pegelerhöhungen im Abstand von ca. 3 Oktaven zurückzuführen ist, deren Frequenz-lage, wie durch Abb. 3 verdeutlicht wird, maßgeblich durch die Federsteife der in der Schienenbefestigung ein-gebauten elastischen Zwischenplatte bestimmt ist. Wegen des großen Frequenzabstandes können diese Pegel-

überhöhungen, die im Bereich der „Rad/Schiene-Resonanz“ (tiefe Frequenzen) und der „Kontakt-Resonanz“ (höhere Frequenzen) auf-treten, mittels sehr einfacher Modelle (Einmassen- bzw. Zweimassen-schwinger) erklärt und jeweils bestimmten Komponenten des Systems Fahrzeug/Oberbau zugeordnet werden (siehe Abb. 18 in /1/).

Aus den in /1/ detailliert beschriebenen Erkenntnissen hat man auf dem Wege von Untersuchungen im Labor sowie an einem Prüfaufbau im Maßstab 1:1 und mittels Simulationsrechnungen eine Variante der "Festen Fahrbahn" entwickelt, mit welcher die im Vergleich zum Schotteroberbau höhere Schallabstrahlung vermieden werden könnte. Das Konzept dieser "Akustisch Innovativen Festen Fahrbahn (AIFF)" ist ein Gleisrost mit als Körperschallabsorber wirkenden, bedämpften und elastisch besohlten Schwellen auf einer Betontragplatte. Anhand der Ergebnisse der Simulationsrechnungen sowie der Laborversuche und der Versuche an einem Prototyp wurde die akustische Wirksam-keit und die Tauglichkeit zur Betriebserprobung nachgewiesen [No-wack et al. (1999)]. Diese Erprobung im Betriebsgleis wird voraus-sichtlich aus wirtschaftlichen Gründen nicht mehr stattfinden.

Brücken

Auch den Brücken ist im Kapitel Fahrweg, entsprechend ihrer Bedeu-tung hinsichtlich des Immissionsschutzes in dicht besiedelten Gebie-ten, ein relativ großer Abschnitt gewidmet. Im Luftschallspektrum vorbeifahrender Züge kommt es bei der Fahrt über Brückenbauwerke infolge von Schallabstrahlung der zu Schwingungen angeregten Brü-ckenbauteile im Vergleich zur freien Strecke zu einer Verschiebung

des Energieschwerpunktes nach tiefen Frequenzen hin. Typische Spektren des Brückengeräusches mit ausge-prägter Pegelanhebung im Bereich tiefer Frequenzen sind in Abb. 4 beispielhaft dargestellt. Diese tieffrequenten

6 Wenn die erforderliche Elastizität wie üblich hauptsächlich vom Schotterbett erbracht wird. 7 Abhängig von der Struktur und der Masse der Schwelle.


Abb. 4 Luftschall 25 m seitlich dreier Brücken verschiedenerKonstruktionsart mit Schotterbett bei Überfahrt von Reisezügenmit Scheibenbremsen und einer Zuggeschwindigkeit vonca. 130 km/h (s. Abb. 21 in /1/): Stahl-Hohl-kastenbrü-cke, -------- Stahl-Fachwerkbrücke, − ⋅ − ⋅ − Stahlbeton-Hohl-kastenbrücke.

Abb. 3 Mittlere Differenz der Schienenschnelle-Terzpegel zwischen drei Tunnelausführungen der Festen

Fahrbahn mit unterschiedlicher Steife der Zwischenplatte21 vv LLL −=∆

n(Lv1) und dem jeweils angrenzenden Schotteroberbau außerhalbdes Tunnels (Lv2). Mittelwert über verschiedene Zugarten undFahrgeschwindigkeiten im Bereich von 60 - 280 km/h mit Ein-zeldifferenzen bei jeweils gleicher Geschwindigkeit (s. Abb. 17in /1/); Federsteife der Zwischenplatten: ca. 20 kN/mm; -------- ca. 70 kN/mm; −⋅−⋅−⋅−⋅− ca. 140 kN/mm.

Brückengeräusche (so genanntes Brückendröhnen) führen häufig trotz Einhaltung der A-bewerteten Richt- bzw. Grenzwerte zu Belästigungen bei Anwohnern.

Eine Rangordnung der verschiedenen Bauarten von Eisenbahnbrücken im Hinblick auf deren Geräuschab-strahlung und Belästigungsreaktionen bei betroffenen Anwohnern führt zu folgendem Ergebnis [Wettschureck (1996)] (Zahlenangaben für ∆L jeweils im Vergleich mit der freien Strecke):

1. Stahlbrücken ohne Schotterbett, ohne Minderungsmaßnahmen: ∆L ≤ +15 dB(A), 2. Stahlbrücken mit Schotterbett, ohne Minderungsmaßnahmen: ∆L ≤ +5 dB(A), 3. Stahlbrücken mit Schotterbett, mit Minderungsmaßnahmen: ∆L ≤ +3 dB(A), 4. Stahlbetonbrücken ohne Schotterbett, ohne Minderungsmaßnahmen: ∆L ≤ +3 dB(A), 5. Stahlbetonbrücken mit Schotterbett, mit Minderungsmaßnahmen: ∆L ≈ ± 0 dB(A),

Innerhalb der verschiedenen Bauarten von Stahlbrücken kann eine weitere Differenzierung nach den in Abb. 5 skizzierten Konstruktionstypen wie folgt vorgenommen werden:

> Hohlkastenbrücke (a), > Trägerrostbrücke (b), > Trogbrücke (c), > Stabbogenbrücke (d), > Fachwerkbrücke (e).

Demnach ist eine direkt befahrene Stahl-Hohlkastenbrücke (ohne Schotterbett) ohne Maßnahmen zur Minderung des in die Brückenstruktur eingeleiteten Körperschalls der lauteste und am häufigsten zu Geräuschbelästigungen führende Konstruktionstyp unter den Eisenbahnbrücken.

Ansatzpunkte zur Verringerung der Schwingungsanregung und damit der Schallabstrahlung von Brücken sind Maßnahmen am Fahrweg (Vermeidung von Unstetigkeiten des Oberbaus beim Übergang von der freien Strecke zur Brücke; Sicherstellen eines einwandfreien Zustandes der Schienenfahrfläche im Brückenbereich) und Maßnahmen am Tragwerk der Brücke (Erhöhung der Masse, z.B. durch nachträgliches Einschottern, Fre-quenzverstimmung durch Masse- bzw. Steifigkeitsänderung, Erhöhung der Steifigkeit im Bereich des Deckble-ches).

Bei Beachtung einiger grundlegender Regeln ist es bereits in der Konstruktionsphase möglich, die Schallab-strahlung von Stahlbrücken zu beeinflussen [Brückenstudie (1987)]. So ist z.B. unbedingt darauf zu achten, dass die ersten Eigenfrequenzen der am meisten Schall abstrahlenden Brückenbauteile nicht im Bereich der Anre-gungsfrequenzen des Systems Fahrzeug/Oberbau zwischen ca. 40 Hz und 100 Hz liegen. Nach Möglichkeit soll-ten sie sogar außerhalb des Frequenzbereichs zwischen 20 Hz und 140 Hz liegen (Bereich der Schwellenfachfre-quenz bei den üblichen Kombinationen aus Schwellenabstand und Fahrgeschwindigkeit). Außerdem ist durch günstige Verteilung der Steifen die Eingangsimpedanz der Fahrbahnplatte möglichst hoch auszulegen. Das Schwingungsverhalten des Deckbleches ist für die Weiterleitung der Schwingungsenergie an die übrigen Brü-ckenbauteile entscheidend. Das bedeutet, dass grundsätzlich große Masse und Dämpfung sowie hohe Steifigkeit bzw. geringe Verformung anzustreben sind.

Eine charakteristische und maßgebliche Größe für die Anregbarkeit einer Brückenstruktur durch den über-fahrenden Zug ist die mechanische Eingangsimpedanz der Brückenfahrbahn. Abb. 6 zeigt hierzu Ergebnisse von Messungen an Fahrbahnen von 10 Stahlbrücken verschiedener Konstruktionsart – mit ca. 25 mm bis 45 mm dicken Blechen der längs- und querversteiften Fahrbahnplatte – im Vergleich mit Messungen an einer Stahlbe-


(a) (b) (c)

(d)

(e)

Abb. 5 Querschnitt der wichtigsten Konstruktionstypen von Eisenbahnbrücken inStahlbauweise (nach [Wettschureck R G (1996)]): (a) Hohlkastenbrücke, (b) Trägerrostbrücke, (c) Trogbrücke, (d)Stabbogenbrücke (mit Ausschnitt der Seitenansicht), (e) Fachwerkbrücke (mitAusschnitt der Seitenansicht).

ton-Verbundbrücke, deren Fahrbahn-platte aus bewehrtem Beton eine Dicke von 40 cm aufweist. Nicht veröffent-lichte Messergebnisse zu weiteren Brü-cken mit Betonfahrbahn ergaben ver-gleichbare Größenordnung der Ein-gangsimpedanz, die in der Nähe der für übliche Tunnelsohlen liegt [Müller-BBM (1979-2001)]. Unabhängig von der naturgemäß großen Streubreite der Messwerte für die Stahlbrücken kann man der Abbildung entnehmen, dass die Eingangsimpedanz von Brücken mit Be-tonfahrbahn eine Größenordnung von 104 hat und damit im Mittel um einen Faktor 102 über der von Brücken mit Stahlfahrbahn liegt. Dieses Ergebnis ist im Hinblick auf die schwingungstechni-schen Eigenschaften von Brückenfahr-bahnen dieser grundsätzlich verschiede-nen Brückenbauarten gewissermaßen als typisch anzusehen. Aus Abb. 6 kann man außerdem ableiten, dass die Vor-aussetzungen für die Wirksamkeit von Maßnahmen zur Entkopplung von Oberbau und Brückenbauwerk bei Brü-cken mit Betonfahrbahnen wegen der sehr viel höheren Eingangsimpedanz der Fahrbahn im Vergleich zu Stahlbrücken in der Regel wesentlich günstiger sind. Wegen der bereits ohne zusätzliche Maßnahmen niedrigeren Schallabstrah-

lung dieser Brücken führt die günstigere Wirkung von Minderungsmaßnahmen trotzdem zu geringeren Pegel-minderungen des gesamten Vorbeifahrgeräusches als bei Stahlbrücken.

Abb. 6 Aus Einzelmeßwerten von örtlichvariierenden Punktimpedanzen gebildete Terz-Impedanzmaße des mittleren Betrages derEisgangs-Impedanz von Fahrbahnen verschie-dener Eisenbahnbrücken. Ein-zelergebnisse und Streubereich für 10 Stahlbrü-cken unterschiedlicher Konstruktionsarten; Stahlbeton-Verbundbrücke: Doppel-T-Stahltragwerk mit einer 40 cm dicken Beton-fahrbahnplatte (s. Abb. 22 in /1/)

Mögliche Minderungsmaßnahmen sind bei Brücken prinzipiell die gleichen wie im Tunnel, d.h. in erster Li-nie der Einbau von Unterschottermatten [Wettschureck (1987)], der Einbau hoch elastischer Schienenbefestigun-

gen [Wettschureck et al. (1998), (2000)], sowie der Einbau einer elastisch gelagerten Gleistragplatte (Feste Fahrbahn), bei Brücken meist mit vollflächiger Lagerung [Wettschureck et al. (1996)]. Im Falle von Stahlbrücken ist allerdings die infolge der niedrigen Ein-gangimpedanz der Brückenfahrbahn gegenüber dem Einbau im Tunnel begrenzte Wirksamkeit der genannten Maßnahmen zu be-achten. Zusätzlich wurde bei Stahlbrücken der nachträgliche Ein-bau eines Schotterbetts (wenn aus statischen Gründen möglich bzw. zulässig) und die Sandwichbeschichtung der hauptsächlich schallabstrahlenden Bauteile erfolgreich eingesetzt [Wettschureck (1996)], [DB (1979-2001)]. In jüngerer Vergangenheit wird bei der Deutschen Bahn im Zusammenhang mit der schalltechnischen Sa-nierung von Stahlbrücken als wirtschaftliche Alternative zur Unter-schottermatte vermehrt auch der Einsatz von elastischen Schwel-lenlagern („besohlte Schwellen“) in die Planungen mit einbezogen (s. z.B. Abb. 25 in /1/).

Weitere Fahrwegeinflüsse

Hierzu sind bei den Fahrwegbestandteilen der Bahnübergang und der Tunnel sowie als Gleispflege- und Wartungselement das „Be-sonders überwachte Gleis – BüG“ zu rechnen. Im Nahbereich von Bahnübergängen bewirken schlechter Zustand der Schienenfahrflächen, verursacht durch Verunreinigungen (z.B. Splitt), die Straßenfahrzeuge auf die Schienenfahrfläche bringen, sowie Reflexionen am Straßenbelag Erhöhungen des Vorbeifahrpe-gels von 6 dB(A) bis 11 dB(A). In seitlichen Entfernungen > 100 m beeinflussen sie den Immissionspegel allerdings nicht mehr.


Bei Tunnelfahrt im Hochgeschwindigkeitsverkehr kann der so genannte Tunnel Sonic Boom auftreten. Er wird durch die Druckwelle, die vor dem Zug durch den Tunnel läuft, am anderen Ende des Tunnels hervorgeru-fen. Der entstehende dumpfe Knall wird vom Tunnelmund abgestrahlt.

Das Verfahren BüG - Besonders überwachtes Gleis ist im Jahr 1998 Bestandteil der einschlägigen Vor-schriften zur Ermittlung der Schallimmission von Eisenbahnstrecken geworden [BImSchV-16 (1990)]. Beim Ansatz des BüG kann im Zusammenhang mit dem Neubau, Ausbau und Umbau von Schienenwegen bei den im Rahmen von Planfeststellungsverfahren durchzuführenden schalltechnischen Berechnungen ein Abschlag von 3 dB in Ansatz gebracht werden, wenn die akustischen Eigenschaften der entsprechenden Gleisabschnitte nach festgelegten Bestimmungen regelmäßig mit einem speziell hierfür ausgerüsteten Messwagen überwacht [Hauck et al. (1997)] und bei Bedarf die Schienenfahrflächen nach einem der festgelegten Verfahren geschliffen werden.

Großflächige Bahnanlagen

Zu den großflächigen Bahnanlagen zählen Rangierbahnhöfe, Umschlagbahnhöfe und sonstige Anlagen, wie Personenbahnhöfe, Güterbahnhöfe, Betriebswerke u.a..

Rangierbahnhöfe (Rbf)

Rbf sind eigenständige Zugbildungsanlagen mit großer flächenhafter Ausdehnung und vom üblichen Schienen-verkehr abweichenden Schallquellen. Sie bestehen im wesentlichen aus einer Einfahrgruppe zur Aufnahme der ankommenden Züge, einer Ablaufanlage und Richtungsgruppe zum Sortieren und Sammeln der Wagen und einer Ausfahrgruppe zur Aufnahme der fertigzustellenden Züge. Insbesondere in der Ablaufanlage und in der Richtungsgruppe finden schallemittierende Vorgänge statt, wie z.B. Auflaufstöße, Durchfahren von Gleisbrem-sen, Kurvenquietschen oder Hemmschuhaufläufe. Die einzelnen Schallquellen werden jeweils durch deren A-bewerteten Emissionspegel gekennzeichnet. Hierbei handelt sich um Pegel Lm,25,1, d.h. um Mittelungspegel für eine Stunde, betrachtet in 25 m Abstand zur Schallquelle, bei einem Ereignis in der Stunde.

Umschlagbahnhöfe (Ubf)

Ubf sind flächenhafte Bahnanlagen zur Horizontal- und Vertikalverladung von Ladungsgütern ohne Wechsel des Transportgefäßes (Großcontainer, Sattelanhänger, Lastkraftwagen (LKW) und Sattelzüge). Zu den wesentlichen Schallquellen eines Ubf zählen neben den Rangierfahrten mit den bereits bei den Rbf aufgeführten Schallquellen die Containerkräne, die mobilen Umschlaggeräte (Seitenlader) und die Vorrichtungen zur Horizontalverladung im Zusammenhang mit der "Rollenden Landstraße".

Für die wichtigsten Schallquellen in Rbf und in Ubf werden Emissionspegel Lm,25,1 als Grundlage für Be-rechnungen nach [Akustik 04 (1990)] angegeben (s. /1/, Tabelle 2 und Tabelle 3). Zu den heute sowohl in Rbf- als auch in Ubf-Anlagen noch relativ lästigen Schallquellen zählt das Kurvenquietschen, das beim Befahren enger Gleisbogen (Radius R ≤ 300 m) auftritt. Maßnahmen zur Reduzierung bzw. Vermeidung des Kurven-quietschens, wie z.B. der Einsatz einer bleilegierten Schiene, der Einsatz von kopfgehärteten Schienen bzw. eine Schmierung der Schienenfahrflächen mit einem speziellen Schmierverfahren, wurden untersucht mit dem Er-gebnis, dass sich mit den getesteten Maßnahmen zwar eine Reduzierung der Quietschhäufigkeit und auch des Schallpegels beim Quietschen erreichen lässt, eine gänzliche Unterdrückung dieser höherfrequenten Schallab-strahlung jedoch nicht realisiert werden konnte. Außerdem erwies sich die Maßnahme mit der bleilegierten Schiene aus Gründen der geringen Standfestigkeit für den rauhen Einsatz in Rbf als nicht geeignet.

Sonstige Bahnanlagen

Hierzu ist das Ergebnis einer Studie bemerkenswert [Bahnhofstudie 2 (1986)], wonach sich mit der Annahme, dass in Personenbahnhöfen alle Züge mit unverminderter Geschwindigkeit im Bahnhofsbereich durchfahren und andere Schallquellen (wie z.B. Gepäckkarrenfahrten, Türenschlagen, Lautsprecherdurchsagen usw.) nicht auftreten, richtige, in der Tendenz eher zu hohe Mittelungspegel ergeben. Dies vereinfacht im Rahmen von Immissionsprognosen die Berechnung der Pegel im Bahnhofsbereich ganz wesentlich.

1.2 Luftschallimmissionen

Dieser Abschnitt behandelt zunächst die gesetzlichen Grundlagen sowie die Vorschriften für Schallimmissi-onsberechnungen, die nach dem deutschen Planfeststellungsrecht bei Planungen des Neubaus oder Umbaus von Eisenbahnstrecken bzw. von Bahnanlagen vorgeschrieben und in der 16. BImSchV niedergelegt sind [BImSchV-16 (1990)]. Die dort zitierte Richtlinie „Akustik 04“ enthält für großflächige Bahnanlagen, wie vor allem Ran-gierbahnhöfe, Umschlagbahnhöfe, alle im Rahmen einer Schallimmissionsberechnung notwendigen Angaben sowie eine Anleitung zum Abarbeiten der einzelnen Rechenschritte mittels EDV [Akustik 04 (1990)]. Für Be-rechnungen der Schallimmission von Eisenbahnstrecken ist in Deutschland das Berechnungsverfahren der „Schall 03“ vorgeschrieben [Schall 03 (1990)], in der ebenfalls alle für derartige Berechnungen erforderlichen Ausgangsdaten und Angaben enthalten sind.


Im Zusammenhang mit der Schallausbreitung im Freien ist von besonderer Bedeutung, dass die Schallab-strahlung von Zügen bevorzugt nach der Seite gerichtet ist. Das Richtwirkungsmaß ist ungefähr durch die fol-gende Gleichung zu beschreiben:

( )δ2sin27,122,0lg10 ⋅+⋅=ID

δ ist der Winkel zwischen der Verbindungslinie Emissionsort-Immissionsort und der Gleisachse. Der Einfluss des Richtwirkungsmaßes soll durch die Abb. 7 veranschaulicht werden. In dieser sind typische Vorbeifahrpegel für verschiedene seitliche Messentfernungen als Funktion der Zeit dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, dass mit abnehmender Entfernung die Anstiegsflanken immer steiler werden, was auf die gerichtete Schallabstrah-lung des vorbeifahrenden Zuges zurückzuführen ist. Ferner kann man erkennen, dass mit zunehmender Entfer-nung immer längere Streckenabschnitte die Schallimmission beeinflussen.

Schallschutzmaßnahmen

Abb. 7 Zeitverlauf des A-Schallpegels in verschiedenen Entfer-nungen vom Gleis bei Vorbeifahrt eines Reisezuges (gemischtmit Graugussklotz- und Scheibenbremsen). Geschwindigkeitv = 140 km/h (nach Abb. 35 in /1/).

Zur Minderung der Schallimmissionen seitlich von Eisenbahnstrecken werden verschiedene Schall-schutzmaßnahmen eingesetzt. Die wichtigsten Ele-mente des „aktiven“8 Schallschutzes an Schienenwe-gen oder allgemein an Bahnanlagen sind Schall-schutzwände und Schallschutzwälle, die des „passi-ven“ Schallschutzes sind Schallschutzfenster.

Schallschutzwände (SSW)

SSW werden aus unterschiedlichen Materialien wie Beton, Kunststoff, Aluminium, Ziegelsteinen, Holz und aus Mischprodukten hergestellt und müssen beim Einsatz an Gleisen der Deutschen Bahn definierte Anforderungen erfüllen [DB AG (2000)]. Außer be-stimmten Sicherheitsanforderungen, wie z.B. die Ein-haltung von Mindestabständen zur Mitte des nächstlie-genden Gleises, sind bei SSW mit einer Schallpegel-

minderung bis zu 15 dB(A) Mindestwerte des Schalldämmmaßes und bei allen SSW Mindestwerte des Schallab-sorptionsgrades der der Schallquelle zugewandten Wandseite entsprechend nachfolgender Aufstellung einzuhal-ten:

Frequenz [Hz] 125 250 500 1000 2000 4000 Schalldämmmaß R [B] 12 18 24 30 35 35 Schallabsorptionsgrad αs 0,3 0,5 0,8 0,9 0,9 0,8

Die Pegelminderung ∆L durch eine SSW hängt von ihrem Schirmwert z und von der Überstandslänge gegenüber dem abzuschirmenden Immissionsort ab. Das Verfahren zur Berechnung der Abschirmwirkung von SSW ist in der [Schall 03 (1990)] ausführlich beschrieben. Die bei Schienenverkehrsgeräuschen vorhandene Richtwirkung wirkt sich dahingehend positiv aus, dass an Schienenwegen geringere Überstandslängen der SSW erforderlich sind als an Straßen [Kurze (1980)].

Schallschutzwälle

Schallschutzwälle sind grundsätzlich genauso zu berechnen wie SSW, wobei jedoch bei der Ermittlung des Schirmwertes z zu beachten ist, dass hier zwei Beugungskanten vorhanden sind. Dichter Pflanzenbewuchs an der Böschung eines Schallschutzwalls begünstigt die Geräuschminderung durch Absorption. Durch Bäume, die über die Beugungskante hinausragen, kann jedoch die Abschirmwirkung infolge von Reflexionen an Blättern und Ästen verringert werden.

Schallschutzfenster

Schallschutzfenster oder die Verbesserung der Schalldämmung anderer Umfassungsbauteile von Gebäuden sind Hauptelemente des passiven Schallschutzes. Dieser ist dann durchzuführen, wenn dem Bau von Schallschutz-wänden oder -wällen technische oder räumliche Gründe entgegenstehen bzw. wenn beim Neubau oder der we-sentlichen Änderung von Schienenwegen die festgelegten Immissionsgrenzwerte nach [BImSchV-16 (1990)] nicht eingehalten werden können.

Für die Dimensionierung von Schallschutzfenstern existiert als Ergebnis umfangreicher Studien ein ausge-reiftes Instrumentarium, das den Besonderheiten des Schienenverkehrslärms nach § 43 des Bundesimmissions-schutzgesetzes [BImSchG (1994)] Rechnung trägt. 8 Die Bezeichnung „aktiv“ hat sich beim Schienenverkehr für quellnahe Sekundärmaßnahmen wie Schallschutzwand bzw. Schallschutzwall eingebürgert, obwohl der Begriff in der Lärmbekämpfung grundlegend verschieden definiert ist!


Diese Besonderheiten sind:

> Geringere Störwirkung des Schienenverkehrslärms (SVL) gegenüber dem Straßenverkehrslärm (StVL); Stichwort: Schienenbonus,

> Bessere Dämmwirkung von Fenstern bei Schienenverkehrslärm gegenüber Straßenverkehrslärm bei gleichem Schalldämmmaß aufgrund der unterschiedlichen Geräuschspektren.

Zur unterschiedlichen Störwirkung von SVL und StVL sind mehrere Studien durchgeführt worden (s. z.B. [61], [62], [83], [111] in /1/), die „über alles gesehen“ zu dem Ergebnis geführt haben, dass der ermittelte Lästigkeits-unterschied beim Verfahren zur Berechnung der Schallimmissionen in [BImSchV-16 (1990)] mit einem Ab-schlag von 5 dB zugunsten des SVL als „Schienenbonus“ festgeschrieben wurde.

Abb. 8 Schalldruckpegel-Terzspektren vonSchienen- und Straßenverkehrsgeräuschenaußerhalb (gemessen) und innerhalb (ge-rechnet mittels angegebenem Schalldämm-maß eines Fensters) eines Wohnraums, fürden bauakustischen Frequenzbereich (s.Abb. 45 in /1/).

Die Auswirkung der unterschiedlichen Geräuschspektren von Schienen- und Straßenverkehrsgeräuschen bei der Auslegung von Schallschutzfenstern wird durch die Abb. 8 deutlich. Es ist je ein mittleres Spektrum für außerhalb von Wohnräumen gemessene Schienen- bzw. Straßenver-kehrsgeräusche dargestellt (obere Kurven). Nach Abzug des über Schallschutzfenster verschiedener Bauarten gemittelten Schalldämmas-ses (gepunktete Kurve) ergeben sich die entsprechenden Spektren in-nerhalb von Wohnräumen mit dem jeweils dazugehörigen Innenschall-pegel. Man sieht, dass sich bei gleichem Mittelungspegel La (außen) in diesem Beispiel eine Differenz der Mittelungspegel Li (innen) von 6 dB zugunsten des Schienenverkehrsgeräusches ergibt. Diese für Schie-nenverkehrsgeräusche bessere Dämmwirkung wird bei der Berechnung der erforderlichen Schalldämmung durch eine Korrektur, den so ge-nannten E-Summanden, berücksichtigt. In /1/ sind alle weiteren für die Auslegung von Schallschutzfenstern benötigten Berechnungsgrundla-gen angegeben. Einzelheiten zu den diesbezüglichen Vorschriften sind in [BImSchV-24 (1997)] zu finden.

Fahrgeräusche in Fahrzeugen

Diese werden in /1/ am Ende des Abschnitts Schallimmissionen be-handelt. Dabei wird unterschieden nach Fahrgeräuschen in Reisezug-wagen und in Führerständen der Triebfahrzeuge.

Reisezugwagen

Für Reisende sind in den zurückliegenden Jahrzehnten bei der Minderung der Innen-Schallpegel wesentliche Verbesserungen erzielt worden. Vor allem durch die Einführung der Scheibenbremsen an Reisezugwagen sind die Innenpegel (ähnlich wie die Außenpegel) stark zurückgegangen. International haben die Bahnen folgende Richtwerte für den Innengeräuschpegel in Reisezugwagen bei Fahrgeschwindigkeiten bis 160 km/h vorgegeben:

in der 1. Klasse 65 dB(A) in der 2. Klasse 68 dB(A).

Auch für Fahrzeuge des schnellen Reiseverkehrs bei Geschwindigkeiten über 200 km/h wird heute die Einhal-tung dieser Werte angestrebt.

Bei älteren Reisezugwagen steigt der Innenpegel bei Fahrt im Tunnel wegen nicht ausreichender Schalldäm-mung des Dachbereichs wesentlich stärker an als bei neuen Reisezugwagen. So hat man z.B. beim InterCity Express (ICE), der durch besonders gute Schalldämmung der Seitenwände, der Fenster und des Daches auch für Tunnelfahrt konzipiert ist (s. hoher Anteil von Tunneln auf den deutschen Neubaustrecken) erreicht, dass der Innenpegel im Tunnel gegenüber der freien Strecke bei Geschwindigkeiten über 200 km/h nur um etwa 4 dB(A) ansteigt.

Triebfahrzeuge

Im Führerraum von Triebfahrzeugen ist als Kriterium zum Schutz der Triebfahrzeugführer vor Gehörschädigung ein äquivalenter Dauerschallpegel Leq bzw. der Beurteilungspegel Lra bezogen auf die Dauer einer Arbeitsschicht maßgebend. Nach Kodex 651 des Internationalen Eisenbahnverbands UIC [UIC (1994)] darf der Leq bezogen auf eine Messzeit von 30 Minuten, bei geschlossenen Türen und Fenstern und Geschwindigkeiten bis 300 km/h auf gut unterhaltenem Gleis einen Wert von 78 dB(A) nicht überschreiten, 75 dB(A) sind anzustreben. Im Tun-nel liegen diese Grenzwerte um 5 dB(A) höher.

In /1/ werden Bereiche des Beurteilungspegels Lra angegeben, mit denen in Führerständen von Triebfahrzeu-gen der Deutschen Bahn zu rechnen ist. Außerdem findet man in einer Zusammenstellung typischer Werte für A-Schallpegel, die bei Vollastbetrieb und maximaler Geschwindigkeit bei Fahrt auf freier Strecke am Ohr von Lokführern gemessen wurden (s. Tabelle 5 in /1/)


1.3 Wirkung und Bewertung – Gesetze – Geräuschmessungen

Die wesentlichen Inhalte der Abschnitte 2.4 - 2.6 in /1/ werden hier wie folgt zusammengefasst.

Schienenbonus

Die wichtigste Größe im Hinblick auf die Wirkung und Bewertung von Schienenverkehrsgeräuschen, insbeson-dere im Hinblick auf Wirkungsunterschiede im Vergleich mit Straßenverkehrsgeräuschen, ist der „Schienenbo-nus“. Nach einem historischen Abriss der wissenschaftlichen Studien und der gesetzgeberischen Entwicklung werden in /1/ zunächst die wichtigsten Ergebnisse einer großen Zahl an durchgeführten Studien mitgeteilt. So-dann werden die Besonderheiten des Schienenverkehrslärms (SVL) im Vergleich zum Straßenverkehrslärm (StVL) aufgeführt, die im Ergebnis der Studien und der langjährigen gesetzgeberischen Arbeit schließlich zu folgenden Aussagen geführt haben:

> die unterschiedliche Störwirkung von SVL und StVL wurde beim Verfahren zur Berechnung der Schallimmissionen in [BImSchV-16 (1990)] mit einem Abschlag von 5 dB zugunsten des SVL als Schienenbonus festgeschrieben,

> neuere Studien bestätigen weitgehend die Ergebnisse früherer Untersuchungen und zeigen, dass auch unter den geänderten Verkehrsbedingungen des Hochgeschwindigkeitsverkehrs der Ansatz eines Schie-nenbonus in Höhe von 5 dB(A) weiterhin gerechtfertigt ist [Jäger et al. (2000)],

> in der im Jahr 1997 verabschiedeten Magnetschwebebahn-Lärmschutzverordnung [Magnetbahn (1997)] wurde bis zu einer Fahrgeschwindigkeit von 300 km/h ebenfalls einen Schienenbonus von 5 dB(A) festgelegt.

Gesetzliche Regelungen

Zu dem „mühsamen“ und langwierigen Weg durch die Gesetzgebungsinstanzen, beginnend beim Bundesimmissionsschutzgesetz vom März 1974 [BImSchG (1994)] bis hin zu den heute im Zusammenhang mit Berechnungen der Schallimmissionen von Schienenverkehrswegen und die Auslegung von Schallschutzmaß-nahmen verbindlichen Verordnungen und Vorschriften [BImSchV-16 (1990)], [Akustik 04 (1990)], [BImSchV-24 (1997)] wird in /1/ ein kurzer Abriss gegeben.

Aufgrund der in [Akustik 04 (1990)] gegenüber dem früheren Entwurf wesentlich verschärften Anforderun-gen zeigte sich, dass die beim Bau oder der wesentlichen Änderung von Schienenwegen nun erforderlichen Pe-gelreduzierungen von nicht selten 25 dB(A) mit gleisnahen („aktiven“) Schallschutzmaßnahmen bei weitem nicht erreicht werden können, so dass die passiven Schallschutzmaßnahmen stark an Bedeutung gewannen. Art und Umfang von Schallschutzmaßnahmen für schutzbedürftige Räume in baulichen Anlagen wurden schließlich in [BImSchV-24 (1997)] auf der Grundlage eines entsprechenden Berechnungsverfahrens [Akustik 04 (1990)] festgelegt.

Auch die Lärmvorsorge beim Bau oder der wesentlichen Änderung von Verkehrswegen der Magnetschwe-bebahnen wurde durch den Gesetzgeber mit der Magnetschwebebahn-Lärmschutzverordnung [Magnetbahn (1997)] im Jahr 1997 geregelt.

Geräuschmessungen an Schienenfahrzeugen

In diesem Abschnitt werden die einschlägigen Regelwerke genannt, in denen Geräuschmessungen in und an Schienenfahrzeugen ausführlich behandelt werden. In diesem Zusammenhang wird auf die besondere Wichtig-keit eingegangen, die Randbedingungen bei Geräuschmessungen zur Erlangung von zuverlässigen Messergeb-nissen gewissenhaft zu kontrollieren. Hierzu gehört vor allem die Einhaltung eines definierten Zustandes der Schienenfahrfläche und des Oberbaus im jeweiligen Messabschnitt. Außerdem werden neuere Messverfahren zur Ortung von Einzelschallquellen bei stationären Quellen im Labor [Hald (1989)] und an vorbeifahrenden Zügen [Nordborg (2000)] im Hinblick auf deren Einsatz zur gezielten Suche und ggfls. Beseitigung bzw. Minde-rung von Geräuschquellen vorgestellt.

2 Körperschall bei Eisenbahnen9 Wie im Abschnitt „Luftschall bei Eisenbahnen“ werden auch im Körperschall-Abschnitt in /1/ zunächst einige grundlegende Begriffe und Messgrößen erläutert bzw. definiert. Anhand einer Prinzipskizze werden die auf ein Gebäude seitlich einer Eisenbahnstrecke einwirkenden Schallimmissionen (primärer) Luftschall, Körperschall und Sekundärluftschall veranschaulicht (s. Abb. 9). Die wichtigsten Größen zur Kennzeichnung und Messung von Körperschall, der Schnellepegel und der Beschleunigungspegel sowie der physikalische Zusammenhang bei-der Größen über die Fourier-Transformation werden angegeben und erläutert. Des weiteren werden typische

9 Dieser Abschnitt wird gegenüber /1/ hier verkürzt unter dem Begriff „Körperschall“ abgehandelt. In der Praxis wird der Begriff „Körper-schall“ verbreitet als Synonym für den Begriff Erschütterungen verwendet, obwohl dieser, wie mit der Bezeichnung "Schall" zum Ausdruck kommt, streng genommen für die Behandlung von Festkörperschwingungen im Bereich hörbarer Frequenzen (f > 16 Hz) reserviert ist [Cre-mer, Heckl (1995)].


Messpositionen beschrieben (s. Abb. 9), die zur Ermittlung der Körperschall-Emission (8-m-Punkt) und -Immis-sion in benachbarten Gebäuden (z.B. an Fundamenten, an tragenden Bauteilen in Obergeschossen oder an Ge-schossdecken) nach den einschlägigen Normen vorzusehen sind.

2.1 Körperschallentstehung und Körperschallausbreitung im Boden

Körperschall entsteht im Rad/Schiene(R/S)-Kontaktpunkt und pflanzt sich von dort in das Fahrzeug sowie in den Untergrund fort. Die Anregung im R/S-Kontaktpunkt hat ihre Ursache vor allem in Unebenheiten der Schienen- und der Radlaufflächen. Diese Abweichung von der idealen Form (ebene Schiene, rundes Rad) führt zu Kontaktkräften, die das gesamte R/S-System zu Schwingungen anregen.

Folgende Anregungsmechanismen sind hauptsächlich zu unterscheiden:

> Weg- oder Geschwindigkeitserregung infolge geometrischer Formabweichungen bei Rad und Schiene, die sich als Welligkeit bzw. Rauhigkeit der Fahrflächen äußern,

> Parametrische Schwingungserregung durch örtliche und damit zeitliche Steifigkeitswechsel des Gleis-Oberbau-Systems beim Überrollvorgang, die zu einer örtlich wechselnden dynamischen Einsenkung der Schienenfahrfläche führen,

> Massenkrafterregung aufgrund von Un-wuchten des rotierenden Rades.

Abb. 9 Veranschaulichung der seitlich einer oberirdischenEisenbahnstrecke verursachten Körperschall- und Luftschall-Immissionen, mit Lage typischer Meßpunkte zur Ermittlung derEmission (8m-Meßpunkt) und der Immissionen.Schwingungsrichtungen: x parallel zur Gleisachse (horizontal); ysenkrecht zur Gleisachse (horizontal); z senkrecht zurErdoberfläche (vertikal) (nach Abb. 49 in /1/).

Es folgt in /1/ mit Bezug zur einschlägigen Literatur eine ausführliche qualitative Betrachtung zum Ein-fluss verschiedener Parameter auf die Körperschall-entstehung, so vor allem der Fahrzeugparameter (Geschwindigkeit, unabgefederte Radsatzmasse, Wagenkastengewicht, Abstände von Achsen und Drehgestellen usw.), der Oberbauparameter (Schot-teroberbau oder Feste Fahrbahn, Masse und Stei-figkeit von Oberbaukomponenten usw.), der Stre-ckenführung (oberirdisch in ebenem Gelände, in Dammlage, im Einschnitt oder unterirdisch in ei-nem Tunnel unterschiedlicher Bauart etc.) sowie von Trassierung, Oberbauunterhaltungszustand und Untergrundbeschaffenheit. Der Einfluss der wich-tigsten geschwindigkeitsabhängigen, zu einer perio-dischen Anregung führenden Parameter, wie Schwellenabstand und Achsabstand bzw. Radumfang (im Falle von Un-rundheiten), wird sodann durch Ergebnisse von Messungen an Betriebs-gleisen veranschaulicht. Als Beispiel wird hier in Abb. 10 die Vorbei-fahrt des ICE 1 auf Schotteroberbau einer oberirdischen Strecke mit Ge-schwindigkeiten von 100 km/h bis 250 km/h wiedergegeben. Mit der Formel (v = Geschwindigkeit in [km/h], s = Schwellen- bzw. Achsabstand oder Radumfang in m) kann die Fre-quenzlage der mit den genannten Parametern zusammenhängenden Ma-xima der Körperschallanregung errechnet werden. Rechnet man mit den üblichen Werten von ca. 0,6 m für den Schwellenabstand und von ca. 2,5 m bis 3 m für den Achsabstand bzw. den Radumfang, so ergibt sich, dass im interessierenden Frequenzbereich von ca. 16 Hz bis 125 Hz für Geschwindigkeiten unter 100 km/h nur die Schwellenabstandsfrequenz

]

[6,3/ Hzsvf s ⋅=

10 zum Tragen kommt, im Geschwindigkeitsbereich 100 < v <200 km/h so-wohl die Schwellenabstandsfrequenz als auch die Achsab-stands(Raddreh)-Frequenz zu beachten sind, während im Bereich über ca. 200 km/h im wesentlichen nur letztere maßgeblich ist.

Abb. 10 Körperschall im Boden (aufErdpflock) 8 m seitlich von Gleismitteeiner oberirdischen Eisenbahnstrecke beiVorbeifahrt des ICE 1 mit verschiedenenGeschwindigkeiten auf Schotteroberbauder Bauart W60 B70 (s. Abb. 54 in /1/). ------ 100 km/h; 160 km/h; ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅200 km/h; −⋅−⋅− 250 km/h

Besonderes Augenmerk wird sodann dem für die Praxis wichtigen

Fall gewidmet, bei dem geschwindigkeitsabhängige Anregungen in ei nem Frequenzbereich auftreten, in dem die sehr dominante, jedoch ge-schwindigkeitsunabhängige „Rad/Schiene-Resonanz“ fR/S liegt. In die-sen Fällen kommt es zu einer stark überhöhten Körperschallanregung, was auch hier durch die Abb. 11 und Abb. 12 veranschaulicht werden soll. Man erkennt, dass im Falle des Schotteroberbaus, z.B. bei einer

10 Es ist außerdem zu beachten, dass die 5. Harmonische der Raddrehfrequenz bei einem Radumfang von ungefähr 3 m sehr nahe bei der Schwellenabstandsfrequenz liegt; dies ist z.B. beim ICE der Fall.


Geschwindigkeit von 120 km/h, die Schwellenabstandsfrequenz fs,120 und die Rad/Schiene-Resonanzfrequenz fR/S im Terzband mit der Mittenfrequenz von 50 Hz liegen, wodurch der Schnellepegel bei dieser Frequenz besonders hoch ist (s. Abb. 11: 3).

Abb. 11 Körperschall an der Tunnelwand eineszweigleisigen Rechtecktunnels bei Vorbeifahrtdes Triebzuges ET 420 auf Schotteroberbau derBauart K 60 H mit unterschiedlichen Ge-schwindigkeiten v: ------ v = 30 km/h: fs,30 ≈14 Hz 1; v = 60 km/h: fs,60 ≈ 28 Hz 2;⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ v = 120 km/h: fs,120 ≈ 56 Hz; fR/S ≈ 55 Hz3, fa,120 ≈ 13 Hz 4. fs Schwellenfachfrequenz(Schwellenabstand s = 0,6 m), fR/S Rad/Schiene-Resonanzfrequenz, fa Achsabstandsfrequenz(mit Achsabstand a = 2,5 m) (s. Abb. 55 in /1/)

Beim "Masse-Feder-System" dagegen liegt die Rad/Schiene-Re-sonanzfrequenz fR/S bei ca. 12 Hz, d.h. um zwei Oktaven tiefer als beim Schotteroberbau und fällt hier bei der gleichen Geschwin-digkeit von 120 km/h mit der Achsabstandsfrequenz fa,120 zusam-men (s. Abb. 12: 4). Erst bei der um den Faktor 4 niedrigeren Ge-schwindigkeit von 30 km/h liegen Schwellenabstandsfrequenz fs,30 und Rad/Schiene-Resonanzfrequenz fR/S wieder im gleichen Terz-band mit der Mittenfrequenz von jetzt 12,5 Hz (s. Abb. 12: 1).

Über die beschriebenen Effekte hinaus zeigen die Abb. 11 und Abb. 12 deutlich den Einfluss der Oberbauart auf die Körperschall-entstehung. Man kann erkennen, dass die Frequenzlage der maxi-malen Körperschallanregung im Bereich der Rad/Schiene-Reso-nanzfrequenz fR/S einerseits von der Fahrgeschwindigkeit unabhän-gig ist, andererseits jedoch sehr stark von der Ausbildung des Ober-baus abhängen kann. Als wesentliche Parameter sind hierbei die dynamisch wirksame Masse (unabgefederte Radsatzmasse plus An-teile des Oberbaus) und die Federsteifigkeit des Oberbaus11 zu nen-nen. Letztere ist bei den verglichenen Oberbauarten um mehr als den Faktor 10 verschieden (s. auch [Heckl et al. (1996)].

Im übrigen sind die Diagramme als deutlicher Hinweis dafür anzusehen, dass die Anregung von Eigenfrequenzen des Tunnelbau-werks nicht als Ursache für die maximalen Körperschallpegel an der Tunnelwand infragekommen kann, da sich beide Oberbauarten in zwei Tunnelabschnitten gleicher Bauform mit identischen Quer-schnittsabmessungen befinden.

In /1/ werden daran anschließend weitere Beispiele für den Ein-fluss zusätzlicher Parameter auf die Körperschallentstehung disku-tiert und mit Messergebnissen veranschaulicht.

Zur Körperschallausbreitung im Boden werden die maßgebli-chen Einflussgrößen zwar genannt, auf eine detaillierte Beschrei-bung wird jedoch wegen der bestehenden großen Unsicherheiten verzichtet. Im konkreten Einzelfall eines geplanten Bauvorhabens in der Nachbarschaft einer bestehenden oder geplanten Bahnstrecke ist es in der Regel im Hinblick auf eine verlässliche Prognose des im Gebäude zu erwartenden Körperschalls notwendig, eine gewis-senhafte Analyse der Ausbreitungsverhältnisse durchzuführen (Bo-denart, Bodenschichtung, Hindernisse im Ausbreitungsweg usw.). Für vorsichtige und überschlägige Erschütterungsprognosen bei nicht näher bekanntem Untergrund können jedoch Ergebnisse der bislang umfangreichsten Studie zur Untersuchung der Körper-schallausbreitung an Schienenverkehrswegen [ARGE (1980/81)] herangezogen werden, die in /1/ komprimiert wiedergegeben wer-den (s. dort Abb. 60 und Tabelle 6).

2

2

BmB

v

1

eS

H

Abb. 12 Körperschall an der Tunnelwand eineszweigleisigen Rechtecktunnels bei Vorbeifahrtdes Triebzuges ET 420 auf einemtiefabgestimmten schotterlosen Oberbau("Masse-Feder-System") mit unterschiedlichenGeschwindigkeiten v: ------ v = 30 km/h: fs,30 ≈14 Hz 1; fR/S ≈ 12 Hz 1; v =60 km/h: fs,60 ≈ 28 Hz 2; ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ v = 120 km/h:fs,120 ≈ 56 Hz 3; fR/S ≈ 12 Hz 4; fa,120 ≈ 13 Hz 4.fs Stützpunktabstandsfrequenz (mit Abstands = 0,6 m), fR/S Rad/Schiene-Resonanzfrequenz;fa Achsabstandsfrequenz (mit Achsabstand a =2,5 m) (s. Abb. 56 in /1/)

.2 Körperschall in Gebäuden

.2.1 Körperschalleinleitung und –ausbreitung in Gebäuden

eim Übergang vom Erdboden in das Fundament eines Gebäudes erfährt der Körperschall zunächst eine Ver-inderung. Diese hängt ab von der Bauart und Masse des Fundaments, von der Gebäudemasse sowie von der odenart, in der das Gebäude gegründet ist [Auersch (1984)].

Bei der Ausbreitung im Gebäude erfährt der Körperschall in der Regel eine Zunahme infolge der Anregung on Deckeneigenfrequenzen. Die Pegelerhöhung in Deckenbauteilen ist stark von deren Konstruktion abhängig.

1 Diese wird vielfach auch mit "Bettungssteife" bezeichnet. Dabei ist zu beachten, dass hiermit eigentlich nur die Steife von Schotterbett inschließlich Planum oder Betonunterbau gemeint ist, während die Federsteifigkeit des Oberbaues auch die Biegesteife der Schiene und die teife der Zwischenlagen (Zw) zwischen Schiene und Schwelle beinhaltet.

abilitationsschrift von Rüdiger G. Wettschureck: Inhalt + Zusammenfassung 11

Die entscheidenden Parameter sind Masse, Deckenspannweite, Biegesteifigkeit, Dämpfungsverhalten und Ein-spannbedingung der Decken.

Zu Problemen können Fußbodenaufbauten wie schwimmende Estriche führen, da diese Konstruktionen schwingungsfähige Systeme darstellen, deren Eigenfrequenzen oft im Bereich der Hauptanregungsfrequenzen des aus dem Schienenverkehr herrührenden Körperschalls liegen. Die Höhe eines Bauwerkes ist für die Körper-schallausbreitung in Gebäuden in der Regel von untergeordneter Bedeutung [Auersch (1984)].

In /1/ werden Ergebnisse der statistischen Auswertung einer Vielzahl von Messberichten zur Einleitung und Übertragung von Körperschall in Gebäuden angegeben (s. Abb. 61 und Tabelle 7). Diese können als Grundlage für überschlägige Abschätzungen dienen. Es wird gezeigt, dass man bei derartigen Abschätzungen zumindest tendenziell richtig liegt, wenn man den Summenpegel aus Messwerten in den drei Schwingungsrichtungen (x,y,z) im Boden, z.B. am Ort eines zu errichtenden Gebäudes, als Wert des auf Geschossdecken (z-Richtung) im Gebäude zu erwartenden Körperschallpegels annimmt.

Abb. 13 Körperschall im Tunnel sowie Körper-schall und Sekundärluftschall im Keller einesca. 10 m seitlich dieses Tunnels mit 3,5 m Über-deckung gelegenen Gebäudes bei Durchfahrtvon Triebzügen ET 471 der Hamburger S-Bahnmit einer Geschwindigkeit von 60 km/h (s.Abb. 63 in /1/)

In vielen Fällen macht sich Körperschall in der Nachbarschaft von Bahnstrecken weniger in Form von fühlbaren Schwingungen (Erschütterungen) sondern vielmehr in Form von so genanntem Sekundär-Luftschall bemerkbar. Dieser wird von den schwingenden Raumbegrenzungsflächen abgestrahlt und als tieffrequenter (meist störender) Luftschall wahrgenommen. Die in Abb. 13 dargestellten Ergebnisse von Messungen in einem S-Bahntunnel und im Keller eines benachbarten Gebäudes sollen dies veranschaulichen. Anhand der Darstellung kann man den ge-samten Körperschallübertragungsweg von der Schiene über die Tunnelwand bis zur Kellerwand des Gebäudes und schließlich bis hin zum Sekundär-Luftschall im Kellerraum verfolgen, dessen A-Schallpegel im vorliegenden Fall bei ca. 35 dB(A) liegt.

2.2.2 Beurteilung von Körperschallimmissionen

Bei der Beurteilung der durch Schienenverkehr in Gebäuden ver-ursachten Körperschall-Immissionen ist zu unterscheiden nach der Art der Wahrnehmung der Körperschall-Immissionen (fühlbar oder hörbar). Dementsprechend ist dieser Abschnitt in /1/ gegliedert in Beurteilung von Körperschall, Erschütterungen und Beurteilung von Sekundärluftschall.

Beurteilung von Körperschall, Erschütterungen

Zur Bewertung der Einwirkung von Erschütterungen auf Menschen werden sogenannte KB-Werte herangezogen. Das KB-Signal ist gemäß [DIN 45669-1 (1995)] das durch Frequenzbewertung und Normierung des unbewerteten Körperschall-Schnellesignals v(t) entstandene Signal KB(t). Daraus wird der KB-Wert KBF als Momentanwert des gleitenden Effektivwerts mit der Zeitbewertung „Fast“ (τ = 125 ms) ermittelt. Der während der Beobachtungsdauer aufgetretene höchste KBF-Wert wird als KBFmax-Wert bezeichnet. In [DIN 4150-2 (1999)] wird ein in /1/ näher beschriebenes Taktmaximalverfahren vorgeschlagen. Danach ist die unter Berücksichtigung der Einwirk- und Beurteilungszeiten gebildete Beurteilungsschwingstärke KBFTr zur Beurtei-lung heranzuziehen.

Im Gegensatz zur Situation bei der Beurteilung von (primären) Luftschallimmissionen existiert noch immer keine gesetzliche Regelung, die ein Einhalten bestimmter Grenzwerte für Erschütterungseinwirkungen aus dem Schienenverkehr vorschreibt. Üblicherweise wird daher zur Beurteilung der Erschütterungsimmissionen die DIN 4150, Teil 2 aushilfsweise herangezogen. In dieser wird bei der Beurteilung der Erschütterungen aus dem Schienenverkehr unterschieden zwischen Neubau- und Ausbaustrecken. Für neu zu bauende Strecken gelten die darin angegebenen Anhaltswerte. Die Norm nennt jedoch keine Anhaltswerte für bereits bestehende Bahnstre-cken. Die momentane Regelung hat zwar keinen rechtsverbindlichen Charakter, erfordert jedoch gemäß einem Verwaltungsgerichtsurteil [BVGH (1995)], dass sich die vorhandene Vorbelastung aus dem Schienenverkehr durch das Hinzutreten neuer Immissionen nach dem Ausbau von Bahnstrecken nicht wesentlich erhöht.

Zur Beurteilung einer zukünftigen Erschütterungssituation ist es daher von Bedeutung, welche Erhöhung ei-ner Erschütterungseinwirkung deutlich wahrnehmbar ist. Dieser Frage und weiteren Aspekten zur Wahrneh-mung von Erschütterungen aus dem Eisenbahnverkehr sowie deren Auswirkungen auf die Anwohner von Schie-nenwegen wurde in einer Reihe von Studien nachgegangen, über die in /1/ auszugsweise berichtet wird.

Beurteilung von Sekundärluftschall

Der sekundäre Luftschall ist ein relativ tieffrequentes Verkehrsgeräusch, das infolge von Schwingungsanregung von Gebäuden durch Eisenbahnverkehr von den Begrenzungsflächen eines Raumes abgestrahlt wird und das keine identifizierbare Schalleinfallsrichtung hat. Da jedoch die Bestimmungen nach [BImSchV-16 (1990)] hier nicht anwendbar sind, gibt es derzeit keine gesetzlichen Regelungen über Grenzwerte hinsichtlich zumutbarer


Einwirkungen aus sekundärem Luftschall. In der gutachterlichen Praxis behilft man sich daher durch die An-wendung verschiedener Normen und Richtlinien. Diese in /1/ benannten Vorschriften sind jedoch ausnahmslos nicht für die unmittelbare Anwendung zur Beurteilung von sekundärem Luftschall vorgesehen, so dass hier nach wie vor ziemlich große Unsicherheit besteht.

2.3 Körperschall-Minderungsmaßnahmen

Abb. 14 Prinzipskizze eines Schotter-oberbaus mit Unterschottermatte amBeispiel eines eingleisigen S-Bahn-tunnelsmit kreisförmigem Tunnelquerschnitt. 1Gleisrost; 2 Schotterbett; 3 Unterschotter-matte (USM); 4 Seitenmatte; 5 Aufbeton(seitl. Fluchtweg); 6 Tunnelschale; 7 Ka-

Grundsätzlich gilt in der Technik des Schallschutzes allgemein oder des Körperschallschutzes im Besonderen, dass Minderungsmaßnahmen dann am effektivsten sind, wenn sie an der Quelle bzw. nahe an dieser durchge-führt werden. Diesbezüglich ist also bei Eisenbahnstrecken die regelmäßige Wartung des Oberbaus, wie das

Schleifen der Schienen bei beginnender Verriffelung bzw. Wellen-bildung, der Austausch von abgenützten Schienen und die Erneuerung oder Durcharbeitung des Schotterbetts eine wichtige Schutzmaßnahme genereller Art. Dies reicht jedoch in der Regel bei Strecken durch dicht besiedelte Gebiete nicht aus, um betroffene Anwohner vor unzumutba-rer Einwirkung aus dem Betrieb hinreichend zu schützen. Daher be-stand bereits frühzeitig (etwa in den 60-er Jahren) der Bedarf an wirksa-men Maßnahmen zur Minderung der vom Eisenbahnbetrieb ausgehen-den Körperschall-Emissionen bzw. der auf betroffene Gebäude einwir-kenden Körperschall-Immissionen..

In /1/ wird die ausführliche Behandlung dieser Thematik unterteilt in die Bereiche Maßnahmen im Bereich der Körperschallentstehung unterirdischer und oberirdischer Strecken (s. dort Abschn. 3.7), Maß-nahmen im Ausbreitungsweg (s. Abschn. 3.8) und Maßnahmen an Ge-bäuden (s. Abschn. 3.9). Im Folgenden werden die wichtigsten Erkenntnisse daraus in zwei Teilen - „Minderungsmaßnahmen am Oberbau“ und „Minderungsmaßnahmen im Ausbreitungsweg und an Gebäuden“ - zusammengefasst

2.3.1 Maßnahmen am Oberbau

Für unterirdische Strecken existiert ein ausgereiftes und bewährtes Instrumentarium an Maßnahmen, das aufgrund der klar erfassbaren Randparameter in Tunnelbauwerken zum Teil auch rechnerisch gut abgesichert ist. In /1/ wird hierzu die maßgebliche und teilweise grundlegende Literatur benannt. Demnach haben sich hauptsächlich bei Nahverkehrsbahnen, aber auch im Bereich des Fernverkehrs, der Einbau von Unterschottermatten und sog. Masse-Feder-Systeme als wirksame Maßnahme zur Körperschallminderung bewährt.

Unterschottermatten (USM) sind elastische Matten aus verschiede-nen Materialien, hauptsächlich auf Polyurethan- oder Kautschukbasis, die das Tunnelbauwerk (Bereich der Tunnelsohle) und das Schotterbett vollflächig dauerelastisch voneinander trennen. In Abb. 14 ist der prin-zipielle Aufbau eines Schotteroberbaus mit USM am Beispiel eines Tunnelbauwerkes mit kreisförmigem Querschnitt dargestellt.

Die akustische Wirksamkeit von Körperschallminderungsmaßnah-men allgemein bzw. von USM im Besonderen wird durch das Einfü-gungsdämmmaß beschrieben. Anfang der 80-er Jahre wurde ein ein-faches Verfahren entwickelt [Wettschureck, Kurze (1985)], [Kurze, Wettschureck (1985)], [Wettschureck, Doberauer (1985)], mit dem be-reits in der Planungsphase die Wirksamkeit einer USM rechnerisch er-mittelt werden kann [Wettschureck (1994) u. (1995)]. In Abb. 15 ist in Teilbild a zunächst das gemessene Einfügungsdämm-maß für die im Münchner S-Bahntunnel nahe der Philharmonie „Am Gasteig“ eingebaute USM dargestellt, während das Teilbild b das nach [Wettschureck, Kurze (1985)] für diese USM berechnete Einfügungs-dämmmaß zeigt.

ng zwischen Messergebnis und Rechenergebnis hat sich bei späteren An-w(nS

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belkanal (s. Abb. 64 in /1/)

Abb. 15 Gemessenes und berechnetesEinfügungsdämmmaß einer Unterschotter-matte (USM). a Messergebnis für die imMünchner S-Bahntunnel eingebaute USM;Mittelwert und Streubereich aus Messungender Vorbeifahrt von Triebzügen ET 420 an6 Tunnelwand-Meßpunkten vor/nachEinbau der USM; b Rechnerergebnis fürdiese USM nach [z32]; Parameter: Impe-danz der Tunnelsohle; elastischerHalbraum mit sT = 5⋅109 N/m; ------- 0,8 mdicke Betonplatte mit ZT = 107 Ns/m(s. Abb. 67 in /1/)

Eine ähnlich gute Übereinstimmu
endungen des Rechenmodells im Laufe der vergangenen ca. 20 Jahre ergeben (s. z.B. [Wettschureck et al.
1999-1), (1999-2)], [Wettschureck, Daiminger (2001-1), (2001-2)], so dass dieses in der Zwischenzeit bei ei-igen europäischen Bahnen und Verkehrsgesellschaften im Rahmen von Ausschreibungsverfahren zu einer Art tandard geworden ist.


Neueste Untersuchungen, die 18 Jahre nach dem Einbau der USM im Münchner S-Bahntunnel nahe der Phil-harmonie „Am Gasteig“ durchgeführt wurden haben ergeben [Wettschureck et al.(2002)], dass hinsichtlich der Wirksamkeit dieser USM auch nach der langen Zeit der extremen Betriebsbelastung von ca. 760⋅106 Lasttonnen keine signifikante Einbuße zu verzeichnen ist (s. Abb. 16).

Abb. 16: Schnellepegel-Terzspektren, gemessen an der Tunnelwand der MünchnerS-Bahn, nahe der Philharmonie “Am Gasteig”, während der Vorbeifahrt von Triebzügen ET 420 mit einerGeschwindigkeit von 60 km/h, vor/nach Einbau der Unterschottermatten des Typs Sylomer B 851 (nach[z35], Abb. 13) (a) südliche Tunnelröhre: Messpunkt ausserhalb des Bereichs mit Unterschottermatten, (b) nördliche Tunnelröhre: Messpunkt innerhalb des Bereichs mit Unterschottermatten, (c) südliche Tunnelröhre: Messpunkt innerhalb des Bereichs mit Unterschottermatten

Das Prinzip eines als "Masse-Feder-System" ausgebildeten Oberbaus in Trogbauweise ist in Abb. 17 darge-stellt. Danach ist ein Betontrog (Fertigteil- oder Ortbetonbauweise), in dem der Gleisrost entweder im Schot-terbett liegt oder in Füllbeton12 einbetoniert ist, über Elastomer-lager (Einzellager oder streifenför-mige Lager) auf der Tunnelsohle elastisch gelagert. Mit Oberbaufor-men dieser Bau-art können je nach Anforderun-gen und kon-struktiver Ausle-gung Abstimm-frequenzen um ≥ 5 Hz erreicht werden.

In Abb. 18 ist das Einfügungs-dämmmaß eines schotterlosen Masse-Feder-Systems dargestellt, dessen Abstimmfrequenz etwas unter 12 Hz liegt. Zum Ver-gleich ist das Einfügungsdämmmaß der im Münchner S-Bahntunnel eingebauten USM angegeben, deren stati-sche Federsteife den niedrigsten für S-Bahnbetrieb zulässigen Wert hat. Abb. 18 zeigt, dass die Körperschall-dämmung des MFS im besonders kritischen Frequenzbereich von ca. 20 Hz bis 63 Hz durch die wesentlich tie-fere Abstimmung beträchtlich größer ist, als sie mit USM bei Berücksichtigung der Vorgaben hinsichtlich der zulässigen statischen Steifigkeit erreicht werden kann.

Weitere, in der Regel weniger wirksame, weil höherfrequent abgestimmte Alternativen, wie z.B. hochelasti-sche Schienenbefestigungen, vollflächig elastisch gelagerte Betontragplatten („floating slabs“) werden in /1/ mit Bezug zur einschlägigen Literatur genannt.

Abb. 17 Prinzipskizze eines Masse-Feder-Systems (MFS) in Trogbauweise am Beispiel eines zweigleisigen S-Bahntunnels mit Rechteckquerschnitt. 1 Gleisrost; 2 Schotter bzw. Füllbeton; 3 Betontrog; 4 Elastomer-lager mit Lagersockel; 5 Tunnelsohle; 6dauerelastisches Fugenband; 7 Kabelkanal (s. Abb. 70 in /1/)

Bei oberirdischen Strecken sind die Verhältnisse grundsätzlich schwieriger, da wichtige Parameter und Randbedingungen, wie Pla-numsimpedanzen, Inter-aktionen zwischen Unter-grund und Oberbau etc., nicht hinreichend definiert oder aber einer direkten Messung nicht zugänglich sind. In /1/ wird die ein-schlägige Literatur ausge-wertet und es wird gezeigt, dass bei Beachtung einiger grundlegender Vorausset-zungen auch hier eine nen-nenswerte Minderung des in den Untergrund eingeleiteten Körperschalls erreicht wer-den kann.

Habilitationsschrift von Rüdig14

12 Bei schotterlosen "Masse-Feder-Systemen" ist in der Regel die Bauhöhe im Vergleich zu

Abb. 18 Einfügungsdämmmaß einer USMund eines MFS jeweils gemessen an derTunnelwand bei Überfahrt des TriebzugesET 420; ------- USM: S-Bahntunnel Mün-chen; MFS: Flughafentunnel Frank-furt/Main (s. Abb. 71 in /1/)

er G. Wettschureck: Inhalt + Zusammenfassung

r Prinzipskizze in Abb. 17 deutlich geringer.

Eine der wichtigsten und hinsichtlich der konstruktiven Lösung oberbautechnischer Details inzwischen auch erfolgreichen Maßnah-men ist der Einbau von Unterschottermatten in Verbindung mit einer Planumsverbesserung oder dem Einbau einer zusätzlichen Trag-schicht, wie z.B. einer HGT (hydraulisch gebundene Tragschicht) oder einer ZVT (zementverfestigte Tragschicht).

Die Abb. 19 zeigt als Beispiel die erfolgreiche Anwendung einer derartigen Maßnahme an der Arlbergzulaufstrecke der Österreichi-schen Bundesbahnen (ÖBB) [Wettschureck (1997)], [Wettschureck et al. (1997)]. In dieser Abbildung ist zu dem Rechenergebnis für die vorliegende Einbausituation auch das rechnerisch zu erwartende Einfügungsdämmmaß angegeben, das mit der gleichen USM beim Einbau auf einer üblichen Tunnelsohle mit näherungsweise unendli-cher Eingangsimpedanz zu erwarten wäre. Man erkennt, dass sich der Einfluss des endlich steifen, selbst „federnden“ Planums in einem mit zunehmender Frequenz abnehmenden Einfügungsdämmmaß bemerk-bar macht.

Eine wesentliches Problem bei Maßnahmen dieser Art betrifft die Stabilisierung der seitlichen „Bettungsschulter“ des Schotterbetts. Die in dieser Hinsicht bei verschiedenen europäischen Bahnen gefundenen Lösungen werden in /1/ mit Quellenangabe vorgestellt.

Am Ende des Abschnitts 3.7 in /1/ wird mittels einer Grafik eine ÜsPi

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Abb. 19 Einfügungsdämmmaß einer USMauf verdichtetem Planum; Messergebnis: Mittelwert und Streubereich.Rechnung: - - - - - Abschlussimpedanzendlich (verdichtetes Planum); Abschlussimpedanz näherungsweise unend-lich, z.B. Tunnelsohle (nach Abb. 80 in /1/)

bersicht zur Wirksamkeit der bis zum Jahr 1997 erprobten Minderungsmaßnahmen an oberirdischen Vollbahn-trecken vermittelt, die im Abschlußbericht des vom ERRI (European Railway Research Institute) geförderten rojektes [RENVIB II (1997)] anhand der Angaben in der Literatur zusammengestellt worden waren (s. Abb. 81

n /1/).

iese an oberirdischen Vollbahnstrecken erprobten Maßnahmen sind:

> elastische Schwellenlager („besohlte Schwellen“), > Unterschottermatten auf verdichtetem Planum, > Bodenverbesserung und > elastisch gelagerte Fahrbahnplatten („floating slabs“).

.3.2 Maßnahmen im Ausbreitungsweg und an Gebäuden

ür Maßnahmen zur Minderung des Körperschalls auf dem Ausbreitungsweg seitlich von Bahnstrecken kom-en im wesentlichen zwei physikalisch unterschiedliche Prinzipien in Frage:

> Absorption von Schwingungsenergie mit Hilfe von geeigneten Absorbern, > Reflexion bzw. Dämmung des Körperschalls an Unstetigkeiten (Impedanzsprüngen) im Ausbreitungs-

weg durch Schichten mit hoher spezifischer Masse oder mit niedriger dynamischer Steife, jeweils verglichen mit dem umgebenden Boden.

ie in /1/ ausgeführt wird, hat das erst genannte Prinzip in der Praxis wegen der im Verhältnis zum Aufwand icht nennenswerten Wirksamkeit keine Bedeutung erlangt.

Bedeutender und im Hinblick auf praktische Anwendungen erfolgversprechender sind Maßnahmen nach em Prinzip der Reflexion bzw. Dämmung an einem Impedanzsprung. Hierzu wurde eine Reihe von Versuchen urchgeführt, die man unterteilen kann in

> schwere Abschirmwände im Boden, z.B. aus Beton und > senkrechte Erdschlitze, verfüllt mit elastischen Matten (auch gasgefüllten) oder offene (Luft)Gräben.

ine gewisse Zwischenstellung nehmen Abschirmwände aus sog. Bohrlochreihen ein. Mit diesen wurde unter ünstigen Voraussetzungen, nämlich bei einer Tiefe der Bohrlöcher von mehr als dem Zweifachen der Wellen-änge der ungestörten Oberflächenwelle, zwar eine nennenswerte Abschirmwirkung erzielt, sie kommen jedoch us technischen und wirtschaftlichen Gesichtpunkten für praktische Einsatzfälle nicht in Frage [Prange, Huber 1982)].

Zu den Erfahrungen mit Bodenschlitzen, insbesondere im Hinblick auf Dimensionierungsregeln, wird die inschlägige Literatur in /1/ analysiert. Danach kann nach dem vorliegenden Erkenntnisstand mit dem Einsatz on Bodenschlitzen nach Abwägung technischer und wirtschaftlicher Gesichtspunkte am ehesten eine nennens-erte Abschirmwirkung erzielt werden, wenn diese so dicht wie möglich am zu schützenden Objekt angeordnet nd entsprechend den dort herrschenden Randbedingungen hinsichtlich Tiefe und Länge des Schlitzes dimensio-iert werden.


Gebäude können beim Bau durch konstruktive Maßnahmen gegen Körperschalleinleitung geschützt werden. In Frage kommt hierbei vor allem die elastische Lagerung von Gebäuden, die in den typischen Ausführungsformen der punktförmigen (diskrete Einzellager), streifenförmigen oder vollflächigen Lagerung bei Bauvorhaben in unmittelbarer Nachbarschaft von Eisenbahnstrecken vermehrt zur Anwendung kommt. Hierzu wird in /1/ ein-schlägige Literatur angegeben. Auf Details wird nicht weiter eingegangen, weil im Prinzip jedes Gebäude als Einzelfall betrachtet und dementsprechend behandelt werden muss.

Auch bestehende Gebäude können nachträglich elastisch gelagert werden, wenn sie grundsätzlich dafür ge-eignet sind. Die Kosten für nachträgliche Maßnahmen dieser Art sind allerdings in der Regel beträchtlich.

Innerhalb von Gebäuden kann durch körperschalltechnisch günstige Formgebung und Dimensionierung der Fundamente und der Bauteile dafür gesorgt werden, dass möglichst wenig Körperschall ins Gebäude eingeleitet und in diesem weitergeleitet wird. Besondere Aufmerksamkeit ist hierbei den Deckenbauteilen und Fußboden-aufbauten zu widmen. So ist zum Beispiel unbedingt darauf zu achten, dass die Eigenfrequenz von Decken und schwimmenden Estrichen möglichst nicht im Bereich des spektralen Maximums der Körperschallanregung aus dem Zugverkehr liegt.

2.4 Prognose von Körperschall-Immissionen

Anders als auf dem Gebiet der Prognose von Luftschallimmissionen [Schall 03 (1990)], [Akustik 04 (1990)] existiert für die Prognose von Körperschall-Immissionen noch immer kein allgemein gültiges Verfahren. Dies liegt vor allem daran, dass für viele Randparameter, deren Kenntnis für die Prognose nötig ist – wie z.B. die Ausbreitungsbedingungen im Boden, die Körperschallübertragung im Gebäude etc. – keine allgemein gültigen Annahmen über die zugrunde zulegenden Parameter getroffen werden können. Diese können vielmehr mit aus-reichender Sicherheit für jeden zu untersuchenden Immissionsort nur durch Messungen vor Ort ermittelt werden.

Das heute von den meisten auf diesem Gebiet tätigen Ingenieurbüros angewandte Verfahren ist ein empiri-sches Rechenverfahren. Bei diesem werden vorhandene Randbedingungen, die im konkreten Anwendungsfall idealerweise durch Messungen ermittelt werden, kombiniert mit Parametern, die in einer Vielzahl von Grundsatzuntersuchungen ermittelt wurden.

Ansätze zur mathematischen Beschreibung von Teilbereichen der Körperschallprognose hat es in der Ver-gangenheit durchaus gegeben [Diehl et al. (1997)]. Die Zuverlässigkeit solcher mathematischen Modelle ist jedoch sehr stark von der Kenntnis der in die Rechnung eingehenden Parameter abhängig.

In /1/ werden einige wesentliche Parameter beschrieben, von deren Kenntnis die Genauigkeit von Körper-schallprognosen, sowohl bei Anwendung empirischer Methoden als auch im Falle von mathematischen Re-chenmodellen, maßgeblich abhängt.

Das heute übliche (empirische) Prognoseverfahren wird in den Grundzügen dargestellt. Dieses ist entspre-chend dem Übertragungsweg von der Körperschallentstehung bis hin zum betroffenen Gebäude in die Bereiche Körperschallemission, Körperschallausbreitung und Körperschallimmission unterteilt. Die grundsätzliche Vor-gehensweise bei der Erstellung einer Körperschallprognose wird in /1/, sofern verallgemeinert darstellbar, für die genannten Teilbereiche skizziert.

3 Luftschall und Körperschall bei Nahverkehrsbahnen Hinsichtlich der Entstehung, Ausbreitung und Bewertung des von diesen Bahnen (Straßenbahnen, Stadtbahnen und U-Bahnen) erzeugten Luftschalls bzw. Körperschalls gelten im großen und ganzen die unter der Überschrift „Eisenbahnen“ (Vollbahnen, S-Bahnen) bisher behandelten Aspekte. Dennoch erscheint es angebracht, auf einige Besonderheiten einzugehen, die sich aus den speziellen verkehrstechnischen Randbedingungen und damit zusammenhängend auch hinsichtlich der technischen Möglichkeiten zur Realisierung von Körperschallminde-rungsmaßnahmen ergeben. Vor allem bei den Straßenbahnen sind dies die durch die Trassierung im innerstädti-schen Bereich sowie durch den gemischten Straßen- und Schienenverkehr vorgegebenen Randbedingungen.

Zunächst wird in /1/ eine kurze Übersicht über die spezielle Literatur zu den Nahverkehrsbahnen gegeben. Daran anschließend werden einige Besonderheiten, wie das vermehrte Auftreten des Kurvenquietschens und weitere fahrweg- und fahrzeugtypische Besonderheiten (z.B. Rasengleis, Niederflurbahn) behandelt, um sodann auf spezielle Körperschallminderungsmaßnahmen für den innerstädtischen Bereich von Straßenbahnen einzuge-hen.

3.1 Besonderheiten bei Nahverkehrsbahnen

Das Kurvenquietschen tritt vermehrt im innerstädtischen Bereich dort auf, wo die Streckenführung bei Straßen-bahnen im Vergleich mit Vollbahnen häufig sehr kleine Kurvenradien erfordert. Das Phänomen des Kurven-quietschens ist auf das Quergleiten der starr verbundenen Räder und die damit verbundene hochfrequente Haft-Gleit- (stick-slip) Bewegung zurückzuführen. Es kann durch Einzelradaufhängung, durch einachsige Laufwerke und durch Verwendung von lenkbaren Radsätzen weitgehend verhindert werden. Als Sekundärmaßnahmen gegen das Kurvenquietschen wurde bisher die Körperschalldämpfung der Räder, das Besprühen der Schienen sowie auch die Körperschalldämpfung der Schiene mittels spezieller Schienenstegdämpfer angewandt.


In /1/ wird hierzu die einschlägige Literatur angegeben und es wird auf Forschungsaktivitäten eingegangen [STUVA (1994)], die ausgehend von den nicht befriedigenden Bewertungskriterien zur Berücksichtigung des Kurvenquietschens von Straßenbahnen im Rahmen von Immissionsberechnungen veranlasst wurden.

Unter der Überschrift fahrweg- und fahrzeugtypische Besonderheiten von Straßenbahnen werden in /1/ zu-nächst die wegen des gemischten Straßen- und Schienenverkehrs im Bereich von Innenstädten sich ergebenden Effekte angeführt. Dazu gehört z.B. die große Streuung der Schallemission durch Verschmutzung der Schienen-fahrflächen durch Straßenstaub, Splitt oder dergleichen und damit auch der Radlaufflächen und durch die sehr unterschiedlichen Arten der Gleisverlegung (in Pflaster, in glatten Straßen, auf eigenem Gleiskörper, Rasengleis etc.). Wegen der rauhen Radlaufflächen gelten für Straßenbahnen, obwohl diese heute generell nicht mehr mit Klotzbremsen ausgestattet werden, im Rahmen von Prognosen nach [Schall 03 (1990)] grundsätzlich die höhe-ren Schallemissionspegel für Fahrzeuge mit Klotzbremsen.

Des weiteren wird auf ein Forschungsvorhabens zu „Geräuschemissionen von Straßenbahnen“ näher einge-gangen, das vom Umweltbundesamt zwecks Überprüfung der auf ältere Messungen zurückgehenden Festlegun-gen zu Emissionswerten von Straßenbahnen in der Richtlinie [Schall 03 (1990)] durchgeführt worden war [Giesler (2000)]. Auf den Ergebnissen dieses Vorhabens basiert ein Vorschlag zur Überarbeitung der Pegelzu-schläge DFz bzw. DFb für Fahrzeuge bzw. Fahrbahnen bei Straßenbahnen nach [Schall 03 (1990)]. Als Resumeé ist diesem Vorschlag zu entnehmen (s. Tabelle 8 in /1/), dass die Geräuschsituation bei herkömmlichen Straßen-bahnen bei nicht regelmäßig gepflegtem Rad/Schiene-System durch das Rechenverfahren der Schall 03, mit Ausnahme des Betonschwellengleises, zum Teil deutlich unterschätzt wird, so dass eine Korrektur der betroffe-nen Werte im Rahmen einer Überarbeitung der Richtlinie angebracht erscheint.

3.2 Spezielle Körperschallminderungsmaßnahmen für den innerstädtischen Bereich von Straßenbahnen

Grundsätzlich sind die bisher für Vollbahnen und S-Bahnen behandelten Maßnahmen auch auf Straßenbahnen, Stadtbahnen und U-Bahnen übertragbar. Dabei sind jedoch die durch niedrigere Achslasten und Fahrgeschwin-digkeiten gekennzeichneten Randbedingungen zu beachten. Dies bedeutet, dass bei der üblicherweise vorgege-benen Grenze für die zulässige Schieneneinsenkung generell niedrigere Werte für die Steifigkeit der elastischen Oberbauelemente anzusetzen sind.

Insbesondere auch wegen des gemischten Verkehrs im innerstädtischen Bereich ergeben sich bei Straßen-bahnen spezielle Anforderungen hinsichtlich konstruktiver Lösungen für Körperschallminderungsmaßnahmen. Die vor diesem Hintergrund für Anwendungsfälle mit hoher Anforderung entwickelten und heute hauptsächlich eingesetzten Oberbauformen werden sodann in /1/ mit Bezug zur einschlägigen Literatur vorgestellt. Diese wer-den im Folgenden auch hier beschrieben.

Kontinuierlich (hoch)elastische Schienenlagerung – KES

Abb. 20 Prinzip einer hoch elastischen konti-nuierlichen Schienenlagerung (KES) in derAusführung als Rillenschiene (s. Abb. 83 in /1/).

Wesentliches Merkmal dieser Oberbauform ist - im Gegensatz zur klassischen (Rillen-)Schienenlagerung mit diskreten Stütz-punkten - die kontinuierliche Lagerung des Schienenfußes auf einem Elastomerband. Bei den konstruktiv aufwendigeren Lö-sungen, z.B. entsprechend der Darstellung in Abb. 20, sind beide Schienen ohne spurführende Querverbindung in einem Längs-profil, in sogen. selbstzentrierenden Elastomerpaketen kontinu-ierlich elastisch eingebettet. Auf die Mitteilung von Ergebnis-sen zur Wirksamkeit dieses Systems, die z.B. im Rahmen von Prognosen verwendet werden könnten, wird in /1/ verzichtet, da nach Aussagen in der einschlägigen Literatur die diesbezügli-chen Untersuchungen bisher nicht ausreichend abgesichert sind.


Leichtes Masse-Feder-System – LMFS

Abb. 21 Vollflächig elastisch gelagerte Gleistragplatte für Straßenbahnen,sogen. Leichtes Masse-Feder-System (LMFS). 1 Bordstein, 2 ElastischerFugenverguss, 3 Rillenschiene, 4 Schienenkammerfüllelement, 5 Asphalt(alternativ Pflaster oder Beton), 6 Betonfüllung, 7 Gleistragplatte aus (be-wehrtem) Beton, 8 Elastische Boden- und Seitenmatte (z.B. zelliges PUR-Elastomer), 9 verfestigte untere Tragschicht, 10 Ausgleichsschicht (elastischerSchienenunterguss, kontinuierlich elastische Schienenlagerung - KES)

Abb. 22 Einfügungsdämmmaß des Leichten Masse-Feder-Systems (LMFS) der Straßenbahn München,Maximilianstraße. Ergebnisse von Messungen vor /nach Einbau des LMFS an identischen Messpunktenam seitlichen Fahrbahnrand des Straßenraumes,abhängig von den örtlichen Gegebenheiten an den 5Messorten jeweils ca. 4 m – 8,5 m vor den Gebäuden

Das LMFS kann aus akustischer Sicht als die günstigste Lösung einer Körperschall-minderungsmaßnahme für Straßenbahnen im innerstädtischen Bereich angesehen werden. Das Prinzip eines LMFS, wie es z.B. im Streckennetz der Münchner Stra-ßenbahn eingebaut ist, zeigt die Abb. 21 (siehe z.B. auch Anhang zur [DIN 45673-1 (2000)]). Bei diesem System ist die ge-samte Masse der Gleistragplatte inklusive Oberbau auf einer vollflächig ausgelegten Elastomermatte abgefedert, die üblicher-weise sogar als „verlorene Schalung“ beim Betonieren fungiert. Das bedeutet, dass die Lagerung der Rillenschiene relativ steif ausgeführt werden kann, woraus sich der Vorteil kleiner Schieneneinsenkungen (üblicherweise < 1 mm) und damit geringer Relativbewegungen zwischen Schiene und Fahrbahn ergibt. Ein weiterer Vorteil dieses Systems besteht darin, dass die Gleistragplatte (siehe Teil 7 in Abb. 21) nahezu jede der bei den verschiedenen Verkehrsbetrieben üblichen Oberbauformen aufnehmen kann (wie z.B. die diversen Varianten des Rahmen- und Quer-schwellengleises sowie auch Einzelstützpunkte). Hierzu wer-den in /1/ typische Ausführungsvarianten in europäischen Städten (Grenoble, Genf u.a.) aus der Literatur genannt.

Zur Wirksamkeit des in Abb. 21 dargestellten Systems wird in /1/ auf Ergebnisse von neuesten Messungen Bezug genom-men, die an identischen Messpunkten vor und nach Einbau dieses Oberbaus bei der Münchner Straßenbahn durchgeführt worden waren [Müller-BBM (2001)]. Daraus wurde das Ein-fügungsdämmmaß des LMFS bezogen auf den Rillenschienen-oberbau vor dem Umbau ermittelt, das hier in Abb. 22 darge-stellt ist. Es ist der typische Verlauf mit einer Abstimmfre-quenz von ca. 20 Hz und Körperschallminderungen von ca. 9 dB bei 63 Hz und bis zu ca. 20 dB in dem bezüglich der Wahrnehmung von sekundärem Luftschall in Gebäuden wich-tigen höheren Frequenzbereich zu erkennen.

4 Simulationsmodelle Zunächst wird in /1/ ein Überblick über die grundsätzlich unterschiedlichen Verfahren bei der Prognose von Luftschall und Körperschall von Bahnen gegeben. Dies sind zum einen empirische Verfahren und zum anderen numerische und analy-tische Verfahren.

Zu den empirischen Verfahren zählt das hier im Abschnitt 1 bereits mehrfach angesprochene Verfahren der [Schall 03 (1990)] zur Prognose der Luftschallimmissionen in der Nachbarschaft von Bahnstrecken, das nach der 16. BImSchV [BImSchV-16 (1990)] im Rahmen von Planfeststellungsverfahren in Deutschland gesetzlich vor-geschrieben ist. Auch das im Abschnitt 2.4 skizzierte Verfahren zur Prognose der von Bahnen verursachten Körperschallimmissionen ist hier zu nennen.

Die numerischen und analytischen Verfahren werden überwiegend im Bereich Forschung und Entwick-lung eingesetzt, da es diese z.B. durch Simulationsrechnungen ermöglichen, mit vergleichsweise geringem Auf-wand eine Vielzahl an Parameterkonstellationen zu studieren. Zu diesen Verfahren zählen alle Modelle mit Rauhigkeitsanregung, die in den vergangenen Jahren mit gutem Erfolg für Studien zur Rollgeräuschentstehung und damit zusammenhängend hinsichtlich der Fahrzeug- und Fahrwegoptimierung eingesetzt wurden. Zu den bekanntesten zählen „TWINS“ (Track Wheel Interaction Noise Software [Thompson (1993), (2000)]) und „RIM“ (Rad/Schiene-Impedanz-Modell [Diehl, Hölzl (1998)]).


4.1 Rollgeräuschmodelle

Das Grundprinzip der Rollgeräuschmodelle wurde zuerst von Remington veröffentlicht [Remington (1987-1), (1987-2)]. Sowohl das Fahrzeug als auch der Fahrweg werden hierbei durch die Impedanzen der jeweiligen Teilkomponenten (Rad, Schiene, elastische Zwischenlagen, Schwelle etc.) beschrieben. Zur Simulation der In-teraktion des Rades mit der Schiene wird im Kontaktbereich zwischen Rad und Schiene ein „Rauhigkeitsband“ durchgezogen. Die so genannte Kontaktfeder wird je zur Hälfte dem Rad und der Schiene zugeordnet.

In /1/ wird hierzu ein Schema des Aufbaus derartiger „Rauhigkeitsmodelle“ angegeben und anhand des Fre-quenzgangs der Impedanzen von Teilkomponenten (Rad, Schiene, Schwelle, Kontaktfeder etc.) erläutert. Der schematische Ablauf eines typischen Rechengangs wird grafisch dargestellt und es wird an einem Rechenbei-spiel der Anteil der Einzelkomponenten am Gesamtvorbeifahrpegel eines Reisezuges gezeigt. Im weiteren Ver-lauf dieses Abschnitts wird die Bestimmung von Eingangsgrößen (Modellparameter) auf dem Wege von Labor-prüfungen oder von Feldmessungen mit Bezug zu den einschlägigen Regelwerken behandelt. Ergebnisse typi-scher Anwendungen von RIM und von TWINS, die im Rahmen von FE-Vorhaben gewonnen wurden, werden diskutiert.

Die Tabelle 1 zeigt beispielhaft das Ergebnis einer mit TWINS durchgeführten Parameterstudie. Es sind Modellparameter und übliche Wertebereiche sowie deren jeweilige Auswirkung auf den Vorbeifahrpegel zu-sammengestellt. Die angegebenen Werte haben beispielhaften Charakter und sind keinesfalls verallgemeine-rungsfähig.

4.2

Bei dgeräHierlungvon

UräuscAnalFahr

IEinfgerä

Habil

Tabelle 1 Mit TWINS berechneter Einfluss der Oberbau- und Fahrzeugparameter auf die Schallabstrahlung von Schienenfahrzeugen (Beispiel einer Parameterstudie nach Tabelle 9 in /1/)

Modellparameter Wert für minimalen Schallpegel

Wert für maximalen Schallpegel

A-bewertete Schall-pegeldifferenz zwischen Parameter für minimalen und maximalen Wert

Schienenprofil UIC54 UIC60 0,7 dB Statische Steife der Zwischenlage 5000 MN/m 100 MN/m 5,9 dB Verlustfaktor der Zwischenlage 0,5 0,1 2,6 dB Schwellenbauart Bi-Block-Schwelle Holzschwelle 3,1 dB Schwellenabstand 0,4 m 0,8 m 1,2 dB Schottersteife 100 MN/m 30 MN/m 0,2 dB Schotterverlustfaktor 2,0 0,5 0,2 dB Lateraler Versatz der Rolllinie auf dem Rad 0 m 0,01 m 0,2 dB Lateraler Versatz der Rolllinie auf der Schiene

0 m 0,01 m 1,3 dB

Radfahrflächenrauhigkeit glatt rau 8,5 dB Fahrflächenrauhigkeit unverriffelter Schienen glatt rau 0,7 – 3,9 dB Fahrgeschwindigkeit des Zuges 80 km/h 160 km/h 9,4 dB Radlast 12500 kg 5000 kg 1,1 dB Lufttemperatur 10°C 30°C 0,2 dB

Lärmmanagement

er Entwicklung von Fahrzeugen müssen hinsichtlich des Außen- und Innengeräusches sowie der Aggregat-usche so genannte Lastenheftwerte und soweit vorhanden gesetzliche Grenzwerte eingehalten werden. bei kann die Prognose des Innen- und Außengeräusches den Entwurfsprozess erleichtern und die Aufstel- von Anforderungen für zulässige Schallleistungen von Aggregaten sowie erforderliche Schalldämmmaße Fahrzeugkomponenten kann als Grundlage für Zulieferer dienen.

nter dem Stichwort Lärmmanagement ist hierbei eine Bestandsaufnahme bezüglich aller maßgeblichen Ge-hquellen an einem Fahrzeug sowie der akustisch maßgeblichen Bauteile eines Fahrzeugs, inklusive der yse hinsichtlich des Einflusses der jeweiligen Quellen/Bauteile auf den Außen- und Innenschallpegel eines zeugs, zu verstehen. n /1/ wird das bei der Fahrzeugentwicklung angewandte Vorgehen skizziert und es werden Beispiele für den luss der Parameter einzelner Übertragungselemente bzw. einzelner Schallquellen auf die entstehenden Fahr-usche in Form von Mustertabellen angegeben (s. Tabellen 10 und 11 in /1/).

itationsschrift von Rüdiger G. Wettschureck: Inhalt + Zusammenfassung 19

4.3 Körperschallmodelle

Dieser Abschnitt behandelt im wesentlichen die heute angewandten empirischen und physikalischen Verfahren zur Körperschall/Erschütterungsprognose, die hier bereits im Abschnitt 2.4 angesprochen wurden.

In /1/ wird besonders auf die bei diesen Prognoseverfahren im Vergleich mit den bewährten Modellen zur Prognose von Luftschallimmissionen wesentlich komplexeren Verhältnisse eingegangen. Ursachen hierfür sind z.B. der im Vergleich zur Luft inhomogene Aufbau des Bodens und die physikalische Eigenschaft des Bodens, dass mehrere Wellentypen auftreten können (Druckwellen, Scherwellen, Oberflächenwellen). Die Inhomogeni-tät des Bodens kann sowohl durch die Schichtung verschiedener Bodenarten als auch durch Störungen in eigent-lich einheitlichem Gesteinstyp verursacht sein.

Eine weitere Schwierigkeit bei der Prognose von Körperschall/Erschütterungen, auf die in /1/ gesondert hin-gewiesen wird, ist die korrekte Berücksichtigung der Ankopplung eines betrachteten Gebäudes an den Boden so-wie der Einfluss der baulichen Strukturen im Inneren des Gebäudes. So ist es ohne weiteres möglich, dass durch Verkettung ungünstiger Umstände eine ungewöhnlich hohe Verstärkung der durch die Bahn im Boden angereg-ten Schwingungen im Gebäude stattfindet, wenn z.B. Eigenresonanzen von Zimmerdecken oder von schwim-menden Estrichen im Frequenzbereich der bahntypischen Anregungsmaxima liegen (ca. 40 Hz bis 80 Hz).

Aufgrund der Bedeutung und der Komplexität dieser Materie wurde die Thematik „Schwingungen im Bo-den“ auch vom Internationalen Eisenbahnverband (UIC) als bedeutsam erkannt und im Rahmen von Projekten des European Railway Research Institute (ERRI, früher ORE („Office des Recherches et d´Essays)) untersucht [ORE D 151/D 151.1 (1989)], [RENVIB II (1997)]. Allgemein anerkannte Simulationsmodelle, wie sie für die Prognose der Rollgeräuschentstehung bei Bahnen existieren, sind derzeit im Bereich von Körper-schall/Erschütterungen nicht bekannt.

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