Rosnące wymagania społeczne dotyczące standardu życia w wielkich aglomeracjach nakłaniają zarządców infrastruktury do poszukiwania rozwiązań służących ograniczeniu wibracji tworzonych przez nowoczesne środki komunikacji miejskiej i międzymiejskiej. Efektem tych dążeń jest między innymi wbudowywany w konstrukcję nawierzchni szynowej system blokowych podpór szynowych z dwustopniowym systemem tłumienia drgań.
Geneza systemu EBS
Prototyp podpory blokowej EBS opracowano i wykonano w 1963 roku w Holandii. Pierwsza realizacja, na której zostały zastosowane podpory blokowe EBS miała miejsce w 1973 roku na wiadukcie tramwajowym w Hadze. Od tego czasu zmieniły się kilkukrotnie rozwiązania konstrukcyjne, co związane było przede wszystkim z rosnącymi wymogami w zakresie wibroizolacji, stawianymi Producentowi przez Zarządców Infrastruktury w Europie Zachodniej.
Szerokie zastosowanie w infrastrukturze szynowej
Blokowe podpory szynowe w otulinie jako sprężysty system przytwierdzenia, znalazły zastosowanie w bezpodsypkowych konstrukcjach nawierzchni szynowych, głównie w tunelach metra i kolei, a także w torowiskach tramwajowych. System ten posiada bezterminowe świadectwa dopuszczenia do eksploatacji budowli typu wydane przez Prezesa Urzędu Transportu Kolejowego na tory szlakowe, a także na rozjazdy i skrzyżowania torów. W Polsce został zastosowany między innymi na: obu liniach metra warszawskiego, torach stacyjnych Dworca Głównego we Wrocławiu, w Tunelu Średnicowym w Warszawie czy łącznicy na lotnisko im. Fryderyka Chopina w Warszawie. System po raz pierwszy w Polsce znalazł także zastosowanie w torowisku tramwajowym przy ulicy Zielenieckiej w Warszawie. Rozwiązanie zostało sprawdzone w wielu europejskich krajach między innymi: Holandii (Almelo, Zwolle, Amsterdam, Den Bosch, Rotterdam, Haga, Utrecht), Hiszpanii (Madryt, Sewilla, Malaga,Witoria, Bilbao, Alicante, Logrono) Irlandii (Dublin), Szwajcarii (Killwangen) czy Wielkiej Brytanii (Londyn). Po technologię bezpodsypkową „sięgnęli” także włodarze metra w krajach WNP takich jak: Ukraina (Kijów), Rosja (Sankt Petersburg), Białoruś (Mińsk) czy Kazachstan (Ałmaty).
EBS od środka
Jedną z głównych zalet tego rozwiązania jest wibroizolacja, czyli ograniczenie transmisji drgań od pojazdów szynowych do otoczenia trasy. Blokowe podpory szynowe w otulinie posiadają kilka elementów sprężystych, które można różnicować pod względem ich właściwości sprężystych tak, aby osiągnąć wymaganą sztywność podpory. Podstawowym elementem sprężystym jest podkładka umieszczona pod blokiem podporowym. Jej sztywność można modelować zarówno poprzez grubość jak i użyty do jej produkcji materiał. Kolejnym istotnym elementem sprężystym jest masa zalewowa na bazie żywic poliuretanowych, która otula prefabrykowany blok. To ten element systemu decyduje o tym, że szyna jest sprężyście zamocowana nie tylko w płaszczyźnie pionowej, ale również w płaszczyźnie poziomej, w kierunku podłużnym, jak i poprzecznym. Sztywność masy zalewowej dobierana jest w zależności od obciążeń toru i oczekiwań poziomu tłumienia. Ostatnim elementem wibroizolacyjnym jest sam system mocowania szyny, w którym można zmieniać sztywność przekładki podszynowej. Blokowe podpory EBS mogą ograniczyć transmisję drgań do otoczenia, w odniesieniu do konstrukcji podsypkowej o około 10 dB. W sytuacji wymagającej szczególnej wibroizolacji można dodatkowo zastosować pod płytą torową maty wibroizolacyjne TRACKELAST STM. W tym przypadku możliwe jest ograniczenie poziomu drgań nawet o 35 dB. Każdorazowo w dziale technicznym, przed zastosowaniem danej odmiany blokowych podpór szynowych przeprowadzane są prognozy skuteczności ograniczenia transmisji drgań, dzięki którym można w przybliżeniu oszacować wartość tłumienia dodanego. W wykonaniu poprawnej prognozy należy wziąć m.in. pod uwagę dane pojazdu szynowego jak: rozstaw osi, masa wózka, rozstaw wózków w pojeździe, maksymalna prędkość, maksymalną nacisk osi, masa pojazdu, a także podstawowe wielkości płyty torowej takie jak: grubość, szerokość czy gęstość.
Poziomy tłumienia wibracji
Przykładowy wykres tłumienia dodanego dla konstrukcji nawierzchni z blokowymi podporami oraz matą wibroizolacyjną w dwóch wariantach (grubość 15 i 30 mm) w odniesieniu
do konstrukcji podsypkowej.
Przyjęta w programie SELECTOR metoda określania tłumienia dodanego oparta jest na mechanicznym modelu czterech zwartych mas oddzielonych przez maksymalnie cztery elementy sprężyste, co odzwierciedla przekrój bezpodsypkowej nawierzchni szynowej. Metoda ta spełnia wytyczne normy DIN V 45673-4 opisującej obliczeniowe określanie tłumienia dodanego.
Cztery główne nieodsprężynowane masy to: pojazd szynowy oraz sama szyna (wartość ekwiwalentna), podpora szynowa, płyta torowa (wartość ekwiwalentna) oraz płyta fundamentowa i grunt (obie wartości ekwiwalentne). Elementy sprężyste oddzielające te masy to: przekładka podszynowa (sztywność określona zgodnie z EN 13146-9), podpora blokowa EBS (sztywność określona zgodnie z EN 13146-9), ewentualnie mata wibroizolacyjna umieszczona pod płytą torową (statyczny moduł podłoża sprężystego określony zgodnie z DIN 45673-7) i podłoże (powierzchnia ekwiwalentna, moduł sprężystości określony zgodnie z DIN 45672-1 i/lub moduł ściśliwości określony zgodnie z DIN 18134). Model zakończony jest graniczną masą o nieskończonej sztywności. Przyjęta metoda spełnia wytyczne przedstawione w normie DIN V 45673-4 opisującej analityczne określanie tłumienia dodanego w konstrukcjach nawierzchni szynowych.
Konieczne postawienie diagnozy
Prognozy tłumienia przy wykorzystaniu programu SELECTOR pozwalają w przybliżeniu określić skuteczność tłumienia drgań danego rozwiązania konstrukcji. Jednak chcąc określić jaki poziom tłumienia jest niezbędny dla konkretnej lokalizacji powinny zostać wykonane badania stanu wyjściowego in situ, lub zamodelowanie całego otoczenia trasy. Tego typu badania i prognozy są wykonywane przez specjalistyczne uprawnione jednostki badawcze (modelowanie numeryczne konstrukcji, obliczenia symulacyjne na podstawie wyników pomiarów drgań, wyznaczenie sił dynamicznych do uwzględnienia w obliczeniach konstrukcyjnych - wraz z zaleceniami, ocena wpływu prognozowanych drgań na ludzi w budynku). Pomiary, analizy i ocena wpływu drgań wykonywana jest na zgodność z normami:
- PN-B-02170:1985 Ocena szkodliwości drgań przekazywanych przez podłoże na budynki
- PN-B-02171:1988 Ocena wpływu drgań na ludzi w budynkach
W wyniku przeprowadzonych badań i analiz, mając na uwadze właściwości tłumiące poszczególnych wyrobów i systemów zastosowanych w nawierzchni, jak i warunki pracy całej konstrukcji, powinny zostać zarekomendowane wartości właściwości (sztywność statyczna i dynamiczna, współczynnik tłumienia). Dobór wibroizolacji powinien być wypadkową ochrony przed drganiami budynków i ludzi, ale także zapewnieniem właściwej bezawaryjnej eksploatacji nawierzchni.
Błędy w „sztuce” inżynierskiej
Świadomość konieczności prognozowania skuteczności ograniczenia drgań, a także ich wpływu na środowisko, jest w naszym kraju wciąż na poziomie niezadowalającym. Wpisywanie do specyfikacji przetargowych, bez wykonanych wcześniej analiz, wartości podanych w aprobatach technicznych lub kartach technicznych producentów, może doprowadzić do sytuacji, że zamiast osiągnąć cel możemy wręcz pogorszyć stan istniejący. Częstym zjawiskiem jest używanie nazw handlowych wyrobów, bez zrozumienia zagadnień, z jakimi mamy do czynienia w przypadku konieczności ograniczenia transmisji drgań od pojazdów do otoczenia trasy. Można też spotkać się z sytuacją, kiedy w trakcie realizacji projektu następuje na wniosek wykonawcy, zmiana konstrukcji nawierzchni na „sztywną”, pomimo że w projekcie założono zastosowanie elementów wibroizolacyjnych.
Cezary Lipko, Dyrektor Techniczny TINES SA
Bogusława Kruk, Kierownik Działu Technicznego TINES SA
Zapisz się do newslettera:
