УНИВЕРСИТЕТ ПО АРХИТЕКТУРА, СТРОИТЕЛСТВО И ГЕОДЕЗИЯ

Четвърта национална конференция по пътища с международно участие

15-18 септември 2011

НЯКОИ АСПЕКТИ НА ПРОЕКТИРАНЕТО НА ТРАНСПОРТНИ ШУМОЗАЩИТНИ ЕКРАНИ

Н. Николов1, А. Писарски2, М. Маждраков3, Д. Бенов4

Ключови думи: шумозащитни екрани, акустично проектиране, софтуер

Научна област: строителна акустика, строителни конструкции, архитектура на инженерните съоръжения, системи и дейности за опазване на околната среда

РЕЗЮМЕ

Транспортните шумозащитни екрани са екологични строителни съоръжения, които се проектират и изграждат успоредно на транспортни артерии (автомагистрали, скоростни железопътни линии и др.) с цел намаляване на нивата на шума до пределно допустимите норми за урбанизираните територии и в помещенията на сградите. Оценката на ефективността на екрана се извършва теоретично, емпирично или чрез съчетаване на двата метода. За автоматизиране на проектирането на тънки шумозащитни екрани е създадена системата за акустични изчисления SoundBG.

1. Определение, ефективност и класификация на транспортните шумозащитни екрани

Транспортните шумозащитни екрани са екологични строителни съоръжения, които се проектират и изграждат успоредно на транспортни артерии (автомагистрали, скоростни железопътни линии и др.) с цел намаляване на нивата на шума до пределно допустимите норми за урбанизираните територии и в помещенията на сградите. Екраните се изпълняват с различни размери (дължина и височина), от различни строителни материали, имат разнообразен напречен профил и архитектурен облик.

1 Н. Николов, Доц. д.т.н. инж., Институт по Строителна Физика, Технологии и Логистика, София, ул. Александър Жендов 1, e-mail: njd1991@abv.bg

2 А. Писарски, Доц. д-р арх., Университе по Архитектура, Строителство и Геодезия, София, бул.”Христо Смирненски 1, e-mail: Pisarski_far@uacg.bg

3 М. Маждраков, Проф. д.т.н. инж., „АСМО-2006“ ООД, София, ж.к. Левски-Г, бл. 34, m.mazhdrakov@acmo-2006.eu

4 Д. Бенов, „АСМО-2006“ ООД, София, ж.к. Левски-Г, бл. 34, d.benov@acmo-2006.eu

Проектните решения на транспортните шумозащитни екрани от акустична гледна точка не могат да бъдат типови (унифицирани), за разлика от елементите, от които са конструирани самите екрани. Тази сложност се заключава в строително-акустичното им оразмеряване, което е функция на множество изисквания, фактори, явления и параметри. От икономическа гледна точка това обстоятелство е водещо за определяне на стойността на съоръжението [1].

Транспортните шумозащитни екрани могат да се дефинират като твърди, практически звуконепропускливи прегради, създаващи зад себе си зона на звукова сянка чрез прекъсване на директното разпространение на шума по линията на пряка видимост от центъра на източника до точката на въздействие (изчислителната точка), при което нивото на шума намалява поради дифракцията на звуковите вълни (фиг. 1).

Количествената мярка на шумозащитното действие на екрана е неговата акустична ефективност, която се дефинира като разлика между нивата на шума в изчислителната точка преди и след изграждането на екрана при равни други условия.

Фиг. 1. Акустично оразмеряване на тънък екран; 1 – източник на шум; 2 – изчислителна точка; 3 – зона на звукова сянка

Според конструкцията и постигнатата ефективност, екраните и екраниращите съоръжения се разделят на няколко класа [1].

1. Тънки екрани. Височината на екраните е от 2 до 6 m, а тяхната акустична ефективност е между 6 и 18 dB(A).

2. Дебели екрани. Височината на екраните е от 2 до 3 m, дебелината е над 3 m, а ефективността им е между 5 и 10 dB(A).

3. Акустични тунели. Ефективността им е 25-30 dB(A).4. Комбинирани екрани – съчетание от два вида екрани. Височината им е от 3 до

5 m, а ефективността между 12 и 17 dB(A). Най-честата комбинация е земен насип с тънък екран.

В последващото изложение ще бъде разгледано акустичното оразмеряване само на тънки екрани, които се прилагат най-масово в Европа и САЩ.

2. Изчисляване на ефективността на тънък екран

Оценката на ефективността на екрана се извършва теоретично, емпирично или чрез съчетаване на двата метода. Приведените по-долу формули решават т.нар. „права задача”, т.е. изчислява се ефективността при зададени височина на екрана и неговото разположение спрямо източника на шум и изчислителната точка (фиг. 1).

Пример за теоретико-емпирично определяне на ефективността на екрана са работите на Маекава, който е изследвал дифракцията при тънък екран в експериментални условия [2].

За безкраен източник на шум (автомобилен поток) от изследванията на Маекава се получава, че ефективността на екрана е:

, (1)

където N е числото на Френел –

λ – дължината на звуковата вълна, m;δ – разликата между най-късото разстояние от източника на шум (1) до

изчислителната точка (2) и пътя, който преминава дифрактираният звук, m.От фиг. 1 следва, че:

.(2)

Формула (1) има физически смисъл, когато , т.е. ако звукът дифрактира на горния ръб на екрана. Когато се приема, че ефективността на екрана е 5 dB(A).

Основните фактори, от които зависи ефективността на екрана се определят от формули (1) и (2). Това са:

височината на екрана h; дължината на звуковата вълна; за автомобилен поток се приема

, за релсов транспорт - ; геометричните параметри на разположението на източника (d1, h1) и на

изчислителната точка (d2, h2); видът на източника – с безкрайна или крайна дължина.

Формула (1) се отнася за източник на шум с безкрайна дължина; за единичен източник на шум или източник с крайна дължина (релсов транспорт) съответната формула е:

(3)

Когато изчислителната точка се намира в помещение, общото намаление на нивото на шума при наличието на екран ще бъде:

. (4)

където е намалението на нивото на шума поради отдалечаването от източника, dB(A);

- намалението на нивото на шума поради поглъщането звуковата енергия от въздуха, dB(A);

- звукоизолацията от въздушен шум на ограждащата конструкция, dB(A).

За открито пространство .

За непрекъснат източник (автомобилен поток) намалението на нивото на шума поради отдалечаването от източника е:

. (5)

където ℓ е средното разстояние между единичните източници в потока, m;r – разстоянието от източника на шум до изчислителната точка, m;r0 – базовото разстояние за определяне на шумовата характеристика на потока

(за автомобилен поток ).При източник с крайна дължина, намалението на нивото на звука между точки

А и B, които лежат на нормалата към средата на източника на разстояния rA и rB, е

(6)

В общия случай, функцията f(r) е значително по-сложна от формула (5) [3]. За малък брой единични източници – 2, 3 или 4, функцията се опростява [4]. Например, за четири източника на разстояние ℓ един от друг

(7)

където

Формулата за f(rB) е аналогична.Намалението на нивото на шума поради поглъщането на звуковите вълни от

въздуха е

(8)

Дължината на страничните части на екрана не трябва да позволява прекият звук да надвишава нивото на шума, който е преминал през екрана (фиг. 2). Като отчитаме особеностите на енергетичното сумиране, получаваме:

(9)

където намаленията и зависят от дължината на страничната част на екрана.

От фиг. 2 следва, че общата дължина на екрана е

(10)

където е разстоянието от изчислителната точка до най-близкия източник на шум, който е извън действието на екрана, m;

ℓ - дължината на защитавания обект, m.

Фиг. 2. Определяне на дължината на екрана

3. Определяне на необходимата ефективност

Шумовият режим в изчислителната точка зависи от шумовата характеристика на източника L0, намалението на нивото на шума от екрана, от разстоянието и ограждащата конструкция, както и от пределно допустимото ниво на шума LLD, което е регламентирано в съответните нормативни документи [5].

За да бъдат изпълнени нормативните изисквания е необходимо

(11)

От формула (11) определяме необходимата (проектната) ефективност на екрана:

(12)

Връзката между проектната височина на екрана и необходимата ефективност е “обратната задача” на формула (1). В този случай, неизвестната е височината на екрана h, което води до трансцендентно уравнение.

4. Оптимална височина на екрана

Фиг. 1 и формули (1), (2) и (3) отразяват нелинейните зависимости между височината на екрана и постиганото намаляване на шума. Анализът на изброените в т. 2 фактори показва, че те влияят по различен начин върху ефективността на екрана като инженерно съоръжение.

1. Височината на екрана увеличава неговата ефективност, от една страна, но от друга обуславя и разходите за неговото изграждане.

2. Обхватът на звуковата сянка (фиг. 1) и степента на намаляване на шума в нея, са фактори, които пряко увеличават полезния ефект на съоръжението.

3. Разположението на източника на шум спрямо екрана има съществена роля, но практически се изменя в тесни граници и не е подходящо като управляващ параметър.

Съобразно т.т. 1 и 2 можем да формулираме целевата функция за оптимално акустично проектно решение. За екран с дължина 1 m, тази функция ще бъде

(13)

където P е площта на звуковата сянка, m2 –

K – коефициент, който отчита оскъпяването на екрана при увеличаване на неговата височина (за тънки екрани ).

Тъй като оптимизационната функция не е линейна, оптимално решение може да се намери и без ограничителни условия. От прагматична гледна точка, обаче, е подходящо да се формулират такива условия.

1. Ограничение за височината на екрана –

(14)

За тънки екрани се препоръчва .2. Ограничение за осигуряване на необходимата ефективност на екрана

(формула (12)).При сглобяеми екрани, получената обща височина трябва да се съобрази с

височината на съставните модули, която най-често е 0.5 m.

5. Софтуер

За автоматизиране на проектирането на тънки шумозащитни екрани са създадени съответните модули от пакета SoundBG [6].

Фиг. 3. Оценка на ефективността на екрана при променливо разстояние от екрана до изчислителната точка и постоянна височина на изчислителната точка – 6 m

1. Модул за намиране на оптималната височина на екрана при различно разположение на охраняваните обекти; изчисленията са показани на фиг. 3 и фиг. 4. За да може да се сравни ефективността на екрана при различна височина и разстояние до изчислителната точка, оценката е направена в %, като най-високата оценка е приета за 100%.

От фиг. 3 се вижда, че екраните с височина до 2.5 m са значително по-неефективни от тези с височина 3 и повече m, особено при по-малки разстояния от екрана до изчислителната точка.

Фиг. 4. Оценка на ефективността на екрана при променлива височина на изчислителната точка и постоянно разстояние от екрана до изчислителната точка – 30 m

От фиг. 4 се вижда, че екраните с височина над 3 m са значително по-ефективни от тези, с височина до 3 m.

Фиг. 5. Примерно изпълнение на софтуера SoundBG for AutoCAD® за предпроектно проучване. Изпълнението е направено с използване на извадка от 3D числен модел на населено място.

2. Модул за предпроектно проучване за необходимостта и параметрите на екрани покрай линейни транспортни обекти. Задачата се решава върху числен модел на терена, който се създава с помощта на графичната система AutoCAD. Моделът трябва да включва сградите, които ще бъдат защитавани от шума със съответните характеристики (формула (12)). Примерно изпълнение е показано на фиг. 5.

3. Модул за акустично проектиране на екрана. Изчислява необходимата височина на екрана при конкретни условия: геометрични елементи, допустими нива на шума в охранявания обект, звукоизолация на помещенията. Пресмятането се извършва по напречни акустични профили (фиг. 6).

Фиг. 6. Изчислителен напречен акустичен профил [7]

В резултат, за всеки профил се получават необходимата височина и съответната дължина на екрана.

От така изчислените стойности, се получават окончателните проектни височини, като се отчитат две допълнителни изисквания:

размерите на екрана да бъдат кратни на размерите на елементите, от които се сглобява или изгражда, напр. панели с размери 0.5x3 m;

височината на екрана да бъде постоянна за относително дълги участъци на трасето.

4. Модул за оценяване на ефективността на екрана с приетите коригирани проектни размери. Изпълнява по същите изчислителни профили. В зависимост от получените резултати, следват различни решения – увеличаване на проектната височина, повишаване на звукоизолацията на ограждащата конструкция на високите етажи на сградите и т.н.

6. Оразмеряване на транспортен шумозащитен екран на естакадата на бул. „Брюксел”, гр. София

Естакадата на бул. „Брюксел” спада към първостепенната улична мрежа клас II – градски магистрали [8]. Изчислената аналитично [1] шумова характеристика на

автомобилния поток по бул. „Брюксел” е Същата

характеристика се отчита и по изготвената шумова карта на гр. София.Въз основа на посочените материали и извършените на обекта проучвания и

измервания, са избрани характерни акустични изчислителни напречни профили (фиг. 6). За всеки профил са измерени разстоянията от границата на естакадата до най-близките ръбове на прилежащите сгради и височините им над приетата кота ±0.00, определена от горната повърхнина на тротоарния блок при крилата на устоите.

Граничните стойности на шума в помещенията на сградите зависят от тяхното предназначение. В случая, в защитената зона попадат жилищни и административни сгради [5]. Необходимата акустична ефективност и съответните височина и дължина на екрана за различните профили са изчислени чрез описания софтуер. Получените резултати за необходимите височини на съоръжението за отделните профили са показани в табл. 1.

Таблица 1. Необходими височини на съоръжението за отделните профили

Пр.№

ИЗТОК ЗАПАДГранично

ниво на шума, dB(A)

, долу m , горе m

Гранично ниво на

шума, dB(A), долу m , горе m

1 50 0 0 50 0 02 50 0 0 50 0 03 50 0 04 50 1.1 1.45 35 3.9 6.36 35 2.8 3.8 35 2.8 4.17 35 2.9 4.1 35 2.6 1.28 35 2.9 4.1 35 2.8 3.89 35 3.4 5.4 35 2.6 3.510 35 4.6 7.1 35 2.6 1.411 35 2.1 3.7 35 2.2 312 35 2.9 4.1 35 2.2 3.113 35 1.9 3.1

Фиг. 7. Шумозащитни екрани на бул. „Брюксел“, София (източник: в-к Дневник)

За височина на съоръжението от източната и западната страни приемаме съответно 3 и 2.5 m (фиг. 7). Необходимата дължина на съоръжението извън крайните профили е около 180 m.

Екраните са изпълнени от модулни трислойни звукопоглъщащи панели. Източният шумозащитен екран е съставен по височина от 3 части: долна част, състояща се от два панела без перфорация; средна част – светлопрозрачен панел с

височина 1000 mm от плексиглас с дебелина 10 mm; горна част – два звукоизолиращи и звукопоглъщащи панели с перфорирана страница от страната на магистралата.

Западният шумозащитен екран е съставен по височина също от 3 части; горната част, обаче, е само един звукоизолиращ и звукопоглъщащ панел с перфорирана страница от страната на магистралата.

С използването на светлопрозрачен панел се елиминира т.нар. „тунелен“ ефект за водачите на моторни превозни средства. Тъй като прозрачните панели представляват определена опасност за ниско летящите птици, по тях са поставени плашещи изображения на летящи хищници (фиг. 8).

Фиг. 8. Изображения на летящи хищници (източник: в-к Дневник)

За избягване на еднообразието са използвани различни по цвят панели (фиг. 9).

Фиг. 9. Използване на различни по цвят панели

7. Транспортни шумозащитни екрани на АМ „Люлин“

У нас все още, транспортни шумозащитни екрани се изграждат без научно обоснован акустичен проект. Фиг. 3 и фиг. 4 показват сложните зависимости между

проектните параметри, които трябва да се вземат предвид при акустичното оразмеряване на екрана.

От тази гледна точка, ще разгледаме новоизградените екрани на АМ „Люлин“.

Фиг. 10. Изглед над шумозащитният екран на АМ „Люлин“ край с. Мало Бучино

1. Екраните не са разположени така, че да защитават максимален брой жители (напр. фиг. 10). Най-вероятно това се дължи на факта, че не са построени акустични изчислителни профили (вж. фиг. 6).

2. Екраните са изградени с височина около 1.7-2.0 m. От фиг. 3 и фиг. 4 се вижда, че екрани с такава височина не са особено ефективни.

3. Перфорацията на ниските панели е насочена към пътното платно (фиг. 11). При лоши метеорологични условия, това ще доведе до запълването на перфорацията, което ще компрометира звукоизолационните свойства на конструкцията. Целесъобразно е перфорираните панели да се разполагат на височина над 2.0 m, а ниските панели да бъдат оребрени.

Фиг. 11. Перфорацията на ниските панели е насочена към пътното платно

Ефективността на екрана се намалява и поради наличие на фуга между пътното платно и най-ниския панел от конструкцията.

8. Изводи

На основата на изложеното до тук и от разгледаните литературни източници, могат да бъдат направени следните изводи.

1. Транспортните шумозащитни екрани имат голямо значение за ограничаване на вредното влияние на шума от транспортните потоци и са масово разпространени в

страните от ЕС и САЩ. С ускорени темпове се изграждат такива съоръжения и в Руската Федерация.

2. Защитното действие на екраните се дължи на сложни акустични явления. Поради тази причина, изграждането на екраните трябва да бъде предхождано от акустично оразмеряване, което да бъде неразделна част от техническия проект на съоръжението. Изграждането на екран без акустични изчисления може да доведе до компрометиране на неговата шумозащитна функция. Възможен е и обратният случай – изграждане на неоправдано скъп екран с височина и/или дължина, по-големи от необходимите.

3. И при проектирането на транспортни шумозащитни екрани, също е целесъобразно използването на специализиран софтуер за автоматизирано проектиране.

4. За да се осигури ефективната защита на населението от транспортния шум, както и оптималното изразходване на средства за изграждането на екраните, трябва да се обогати съществуващата нормативна база.

Нормативно трябва да се регламентират изискванията към проектната документация за изграждането на транспортни шумозащитни екрани, която задължително трябва да включва частите акустична, архитектурна и конструктивна.

ЛИТЕРАТУРА

1. Николов Н., А. Писарски, И. Шубин. Проектиране на транспортни шумозащитни екрани. – София: УИ „Св. Климент Охридски“, 2011, Под печат.

2. Маекава З. Акустические экраны. В Кн.: Снижение шума в зданиях и натериториях застройки. – Москва: изд-во Стройиздат – 423 с., 1986.

3. Николов Н. Моделирование квазицилиндрическими звуковыми волнами распространения звука, излучаемого источником конечной длиной.

сп. Академия, №5, Москва, с. 224-228, 2009.4. Николов Н. Акустични проблеми на трамвайния транспорт в големите градове.

сп. Екологично инженерство, София, No. 1, 2011.5. Наредба 6 за показателите за шум в околната среда, отчитащи степента на

дискомфорт през различните части на денонощието, граничните стойности на показателите за шум в околната среда, методите за оценка на стойностите на

показателите за шум и на вредните ефекти от шума върху здравето на населението, ДВ, 58/2006.

6. Nikolov N., М. Mazhdrakov, D. Benov, G. Trapov. Software suite for acoustical calculations SoundBG. 11th International Geoconference SGEM 2011,

Albena, Bulgaria, 2011.7. Николов Н., A. Писарски, M. Маждраков, Д. Бенов. Проектиране на транспортен

шумозащитен екран на естакадата на бул. Брюксел, гр. София, под печат, 2011.8. Наредба 2 за планиране и проектиране на комуникационно-транспортните системи

на урбанизирани територии. ДВ, 86/2004.

SOME ASPECTS OF DESIGN OF NOISE BARRIERS

N. Nikolov, A. Pisarski, M. Mazhdrakov, D. Benov

Keywords: noise barriers, acoustical calculations, software

ABSTRACT

Transport noise barriers are ecological structures that are designed and built along the roads (motorways, expressways and railways etc.), in order to reduce the noise levels to the limit values for urban areas and in rooms of buildings. Assessment of the effectiveness of the barrier is carried out theoretically, empirically or by a combination of both methods. To automate the design of noise barriers is created software package for acoustic calculations SoundBG.