TECHNICKÉ MOŽNOSTI ZNÍŽENIA HLUKU A VIBRÁCIÍ Z PREVÁDZKY ŽELEZNIČNÝCH TRATÍ.

Zníženie záťaže obyvateľstva Európy hlukom a vibráciami od prevádzky železničného dopravného systému je základným predpokladom zachovania konkurencieschopnosti železníc a preto je významným bodom agendy Európskej komisie pre nasledujúce obdobie, ako aj výskumných úloh v rámci projektov Shift2Rail. Tento článok pojednáva o aplikácii súčasne prebiehajúcich aktivít v EÚ na riešenia projektov rekonštrukcie železničných tratí na Slovensku, tak aby prevádzka železničných dráh prebiehala za dodržania limitov, v rámci zdravých životných podmienok.

Ing. Peter Červenka

REMING CONSULT a.s., Trnavská cesta 27, 831 04 Bratislava

Ing. Ján Šimo, CSc.;  Ing. Marianna Kolibíková; Ing., Mgr. Michal Bugala; Ing.Lenka Pechancová, doc. Mgr. Julián Kondela, PhD.

Klub ZPS vo vibroakustike, s.r.o., Vojtecha Tvrdého 23, 010 01 Žilina


1. Posúdenie dopadov hluku, vibrácií a technickej seizmicity na záujmové     územie z prevádzky železničných tratí

1.1. Posúdenie hluku

Pri posúdení hlukovej záťaže na záujmové územie v okolí prevádzky železničného dopravného systému sa kontrolujú podľa Vyhlášky MZ SR č.549/2007 Z. z. príloha k vyhláške Tab. č.1.1 prípustné hodnoty určujúcich veličín hluku vo vonkajšom prostredí a to porovnaním posudzovanej hodnoty s prípustnou hodnotou. Posudzovaná hodnota v prípade predikcie hluku je predpokladaná hodnota určujúcej veličiny vrátane príslušnej neistoty. Vyhodnotí sa územie v okolí do vzdialenosti 100m od osi priľahlej koľaje železničnej dráhy pre kategóriu územia III. a následne sa kontroluje záujmové územie mimo definovaného okolia podľa závažnosti kategórie územia.

1.2. Posúdenie vibrácií

Pri posúdení vibrácií v záujmovom území v okolí prevádzky železničného dopravného systému sa kontrolujú hodnoty určujúcich veličín zrýchlenia vibrácií podľa Vyhlášky MZ SR č.549/2007 Z. z. Tab. č.4  prípustné hodnoty vibrácií pre chránené miestnosti v budovách a to porovnaním posudzovanej hodnoty s prípustnou hodnotou.

1.3. Posúdenie technickej seizmicity

Pri posúdení technickej seizmicity v záujmovom území v okolí prevádzky železničného dopravného systému podľa Eurokódu 8 národná príloha tabuľka NB.8.1 sa kontroluje efektívna rýchlosť kmitania z hľadiska I. medzného stavu, tabuľky NB.8.7, vrcholová rýchlosť kmitania pre orientačné závislosti stupňa poškodenia stavebných objektov vplyvom trhacích prác a tabuľky NB.8.3 a efektívna rýchlosť kmitania dynamickej odozvy (s výnimkou odozvy na trhacie práce) dôležitého miesta konštrukcie triedy odolnosti pre určenie nutnosti dynamického výpočtu.

 

Obr. č. 1 Ukážka šírenia hluku, vibrácií a technickej seizmicity.  Archív Klubu ZPS vo vibroakustike, s.r.o.


2. Metodika hodnotenia 

2.1. Hluková záťaž

Stanovenie hlukovej záťaže v záujmovom území, sa určuje meraním a výpočtom (matematickým modelovaním) podľa výpočtovej metódy SCHALL 03 s adaptáciou pre použitie v SR. 

Model územia je tvorený modelom terénu, modelom budov a ďalších objektov (protihlukové steny, zemné valy, vegetácia) a plôch, ktoré môžu ovplyvňovať šírenie zvuku v prostredí. 

Pre potreby predikcie hlukovej záťaže s využitím matematického modelovania sa používa trojdimenzionálny model terénu.

Trojdimenzionálny model terénu je tvorený priestorovými plochami, ktoré v príslušnej mierke zobrazujú reálne tvary terénu modelovaného územia. Trojdimenzionálny model budov a ďalších objektov je tvorený údajmi o ich geometrických rozmeroch, na základe ktorých sa vytvorí v príslušnej mierke model tvaru všetkých objektov v sledovanom území.  

Pre všetky objekty musia byť k dispozícii údaje o ich absorpčných, resp. reflexných vlastnostiach. 

 

Obr. č. 2 Grafická závislosť hladiny akustického tlaku od rýchlosti vlakovej súpravy vytvorená predikciou v programe SCHALL 03. Archív Klubu ZPS vo vibroakustike, s.r.o.


Posúdenie a objektivizáciu hlukovej záťaže v chránenom prostredí záujmového územia sa vykoná porovnaním vypočítaných hodnôt hladín určujúcich veličín pre všetky uvažované situácie a referenčné časové intervaly s prípustnými hodnotami určujúcich veličín hluku z pozemnej dopravy – železničné dráhy.  Prípustné hodnoty určujúcich veličín hluku sa vo vonkajšom prostredí mimo budov vzťahujú na miesta, kde sa zdržiavajú ľudia z oddychových, rekreačných, liečebných alebo iných ako pracovných dôvodov a to  vo výške 1,5m ±0,2m nad terénom. Ak ide o chránený priestor budov, vzťahujú sa na priestor pred chránenými miestnosťami vo vzdialenosti 1,5m ±0,5m od obvodovej steny budovy  vo výške 1,5m ±0,2m nad podlahou príslušného podlažia. 

2.2. Expozícia vibrácií

Pri hodnotení vibrácií vo vnútornom prostredí budov sa vychádza z výsledkov merania. Určujúcou veličinou pri hodnotení vibrácií vo vnútornom prostredí budov je ekvivalentná hodnota frekvenčne váženého zrýchlenia vibrácií posudzovaného vo frekvenčnom rozsahu 1Hz až 80Hz.

V prípade veľkého súčiniteľa výkmitu otrasov, ktorých energia je obsiahnutá v uvedenom frekvenčnom rozsahu, je určujúcou veličinou aj maximálna hodnota váženého zrýchlenia vibrácií (pre T=1s alebo meraná s časovou váhovou funkciou Slow).

2.3. Technická seizmicita

Pri posúdení technickej seizmicity v záujmovom území sa kontrolujú na referenčných stanovištiach medzné hodnoty  efektívnej vef   a vrcholovej vpeak rýchlosti kmitania. Meranie a hodnotenie vplyvu technickej seizmicity na budovy a na citlivosť zariadení v budovách sa vykonáva povinne pre frekvenčný rozsah 1Hz až 80Hz pre tri na seba kolmé smery pôsobenia x, y a z. Vyhodnocujeme smer a miesto s najvyššími hodnotami. Efektívne hodnoty rýchlosti kmitania  vef  pre jednotlivé smery pôsobenia majú priamy vzťah k nebezpečnosti a škodlivosti mechanického kmitania na medzné stavy objektov a určujú sa z časového záznamu pre časovú konštantu integrácie T=1s. Vrcholové hodnoty rýchlosti kmitania vpeak v maximálnom smere pôsobenia vyhodnocujeme z časového signálu pomocou FFT analýzy podľa orientačných závislostí uvedených v Eurokóde 8 STN EN 1998-1/NA/Z1.


Obr. č. 3 Monitorovacia stanica pre hluk, vibrácie a technickú seizmicitu. Archív Klubu ZPS vo vibroakustike, s.r.o.


3. Aktivity EÚ pre zníženie expozície obyvateľstva hlukom od železničnej dopravy

Podľa výsledku posledného prieskumu Eurobarometer 29% obyvateľstva EU-28 je často alebo veľmi často rušených hlukom emitovaným dopravou a z toho 13% je dotknutých železničnou dopravou. Podľa tohto prieskumu sú najviac rušení železničným hlukom obyvatelia Holandska (22%), Írska (20%), Dánska (20%), Rakúska (19%), Nemecka (15%), Českej republiky (15%), Slovenska (15%), atď.[5]

Hluk sa stal  dôvodom kritiky železničnej dopravy vo viacerých krajinách.  Podľa referenčného scenára 2013 sa očakáva nárast nákladnej železničnej dopravy do roku 2030 o viac než 50% oproti úrovni roku 2010. Z toho vyplýva , že redukcia železničného hluku sa stáva podmienkou pre rozvoj železničného sektoru, ktorý hrá dôležitú úlohu v zabezpečovaní udržateľnej mobility obyvateľstva. Z dôvodu ochrany svojho obyvateľstva ohlásili niektoré štáty (CH, D, NL) úmysel vydať zákaz vstupu železničných nákladných vozňov, ktoré nebudú plniť určité hlukové limity od roku 2020 s prípadným odložením na rok 2022.

Tieto opatrenia by narušili princípy interoperability, spôsobili prerušenia cezhraničnej prevádzky, narušili by sa konkurenčné vzťahy a vytvorili by sa prekážky obchodu.

3.1. Konkrétne opatrenia Európskej Komisie

V odborných kruhoch bol dosiahnutý konsenzus, že najefektívnejšou cestou na redukciu súčasných úrovní  železničného hluku na 50% (8-10 dB) je náhrada brzdových klátikov zo sivej liatiny nákladných vozňov inovatívnymi kompozitnými brzdovými klátikmi. Riešenie problému pri zdroji je podstatne efektívnejšie než ostatné opatrenia, najmä protihlukové steny stavané pozdĺž železničných tratí.

Voľba použitia LL klátikov môže napomôcť výraznému zníženiu úrovne hluku pre minimálne polovicu dotknutej populácie. Finančný prínos tohto opatrenia bol odhadnutý na 2 255 miliónov € za roky 2015 až 2035.

Európska Komisia pre podporu rekonštrukcie vozňov prijala nasledovné opatrenia:

  1. Nariadenie (EU) 2015/429, ukladajúce hlukovo diferencovaný poplatok za použitie železničnej dopravnej cesty. Minimálny bonus za vlak zložený aspoň z 90% z vozňov, spĺňajúcich TSI Hluk vo výške 0,0035 € za nápravový kilometer na rekonštruovaných vozňoch. Trvanie opatrenia je stanovené do konca roku 2021. Uvádza sa možnosť uvalenia malusu aj po tomto dátume.
  2. Nariadenie (EU) 2013/1316 o vytvorení Nástroja pre spájanie Európy (CEF) rezervovalo obnos 262 mil. €, z ktorého by sa malo financovať 20% z oprávnených nákladov na vybavenie vozňov LL klátikmi.
  3. Nová Smernica pre interoperabilitu (EÚ)2016/797, ktorá nadobudla účinnosť 15. júna 2016. Táto zmena dovoľuje zozáväzniť aplikáciu TSI na existujúce subsystémy a vozidlá.

Na základe tejto novej smernice pre interoparabilitu bola vytvorená pracovná skupina, zložená zo zástupcov EK, EUAR, CER,UIP, UNIFE, atď., ktorá má za úlohu predložiť návrh na zmenu TSI Hluk s cieľom aplikácie tejto TSI na existujúce vozne, ktoré neplnia požiadavky TSI.

Pracovná skupina v súčasnosti rozpracovala viacero scenárov postupu.

3.2. Scenáre aplikácie TSI Hluk na existujúce vozne 

Alternatíva 1a: Rozšírenie platnosti TSI Hluk na  existujúce vozne a  aplikovaná od 1/1/2022

Alternatíva 1b: Rozšírenie platnosti TSI Hluk na  existujúce vozne a  aplikovaná od 1/1/2026

Alternatíva 2a: Rozšírenie platnosti TSI Hluk na  existujúce vozne a  aplikovaná na vozne v medzinárodnej doprave od 1/1/2022 a na všetky ostatné vozne od 1/1/2026

Alternatíva 2b: Rozšírenie platnosti TSI Hluk na  existujúce vozne a  aplikovaná na vozne v medzinárodnej doprave od 1/1/2022 a na všetky ostatné vozne od 1/1/2028 

Alternatíva 2c: Rozšírenie platnosti TSI Hluk na  existujúce vozne a  applikované na vozne v medzinárodnej doprave od 1/1/2022 a na všetky ostatné vozne od 1/1/2030 

Alternatíva 3a: Rozšírenie platnosti na vozne užívajúce siete (= AT,DE,NL,CH) od 1/1/2022.

Výsledná alternatíva bude uvedená v revidovanej TSI Hluk, ktorá bude publikovaná koncom roka 2017. [6]

3.3. Hlukovo orientované štandardy pre železničnú infraštruktúru

 Železničný hluk je výsledkom interakcie medzi kolesom a koľajou. Manažment nákladov a prínosov  akustickej kvality trate cestou brúsenia koľajníc spolu s ostatnými relevantnými technológiami údržby  sú predmetom prebiehajúcich výskumov a testov, medzi inými aj projektShift2Rail. [8]

3.4. Pozícia vlastníkov vozňov

Zo všetkých scenárov aplikácie TSI Hluk vyplýva potreba urýchleného naštartovania vybavovania nákladných vozňov „tichými“ klátikmi aj na Slovensku.

Je zrejmé z doterajších skúseností, že ich nasadením sa prevádzkovateľom zvýšia prevádzkové náklady, ktoré je potrebné držiteľom vozňov kompenzovať. Takisto je potrebné naštartovať štátnu, resp. EU pomoc z CEF balíka, ktorý ponúka financovanie 20% počiatočných nákladov.

ZSSK CARGO prevádzkuje v súčasnosti 550 vozňov, ktoré sú v súlade s TSI. Firma získala skúsenosti pri účasti na projekte EuropeTrain (2010 až 2012) a chce pokračovať v praktickom overovaní prevádzkových a ekonomických dopadov.[7]

EK prijala myšlienku zvýšenia finančného príspevku na rekonštrukciu hlučných vozňov na tiché. Na Slovensku sa predpokladá zavedenie systému bonusov/malusov  do poplatku za dopravnú cestu zatiaľ nie je vyriešené.

Súčasne prebieha naďalej vývoj nových tichých klátikov s cieľom dosiahnuť nižšie prevádzkové náklady a lepšie úžitkové vlastnosti.

Záver

Železničné spoločnosti a vlastníci vozňov sa pohybujú v liberalizovanom prostredí, kde sa každé zaváhanie platí a hoci následky niektorých rozhodnutí nemusia byť spočiatku veľké, v dlhodobom horizonte sa môžu prejaviť zásadne.

Je vysoko pravdepodobné, že úplný zákaz prevádzky hlučných vozňov v rámci EÚ bude prijatý v r. 2018  a povinná aplikácia u časti flotily od 1/1/2022. Do doby povinného začatia retrofitu (2020) možno očakávať úspešné dokončenie vývoja brzdových klátikov. V tejto veci sa očakáva potrebná riadiaca aktivita zo strany MDV SR, DÚ SR ako aj ŽSR.

Literatúra

[1]    Archív Klubu ZPS vo vibroakustike, s.r.o.; V. Tvrdého 23, Žilina

[2]    STN Eurokód 8, Navrhovanie konštrukcií na seizmickú odolnosť. Časť 1, národná príloha, zmena 1(STN EN 1998-1/NA/Z1).

[3]    STN ISO 2631-2:2004 Mechanické kmitanie a otrasy. Hodnotenie expozície človeka kmitaniu na celé telo.

[4]    Vyhláška MZ SR č.549/2007 Z. z., ktorou sa ustanovujú podrobnosti o prípustných hodnotách hluku, infrazvuku a vibrácií a o požiadavkách na objektivizáciu hluku, infrazvuku a vibrácií v životnom prostredí.

[5]    Zdroj: COMMISSION STAFF WORKING DOCUMENT Rail freight noise reduction Brussels, 22.12.2015 SWD(2015) 300 final .

[6]    Report N. ERA-REP-115 of the European Union for Railways on Application of NOI TSI to existing wagons.

[7]    ZSSK CARGO -Časopis  BUSINESS 2/2016

[8]    Environment Agency (Noise in Europe 2014, EEA Report No 10/2014).