- My, akustycy nie jesteśmy zadowoleni, że ekranuje się niemal wszystko. Oczywiście, musimy stawiać ekrany akustyczne, bo takie są przepisy i tych inwestorzy ściśle się trzymają. Niestety, w wielu przypadkach, nawet gdy nie mają one merytorycznego uzasadnienia, trzeba je stawiać – ubolewa dr inż. Tadeusz Wszołek z Katedry Mechaniki i Wibroakustyki Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Kiedy ekran jest tylko pozorną osłoną, a kiedy rzeczywiście skutecznie chroni przed hałasem? O tym mówi dr inż. Tadeusz Wszołek w wywiadzie dla portalu edroga.pl.
- Dlaczego ekranujemy drogi?
- Odpowiadając najprościej: ekranujemy hałas pochodzący od pojazdów. Źródła tego hałasu są różne. Przy małych prędkościach jest nim przede wszystkim silnik, czyli napęd. Przy średnich prędkościach pojazdów hałas generowany jest na styku opon z nawierzchnią jezdni, a przy bardzo dużych prędkościach, ponad 100 km/h, będzie z kolei dominował hałas aerodynamiczny. Te źródła są umiejscowione na różnych wysokościach, a więc skuteczność ekranowania jest też różna dla tych poszczególnych źródeł hałasu.
- Jakie są zasadnicze błędy projektowe powodujące niską skuteczność ekranów?
- Geometria układu: droga (źródło) – ekran – odbiorca, jest jednym z głównych czynników decydujących o skuteczności ekranów. W danym układzie szczególnie ważne jest położenie odbiorcy. Dość często bowiem teren (otoczenie ekranu) traktuje się niestety jako układ płaski, czyli bez wzniesień czy zagłębień terenu. Tak jest po prostu łatwiej. W obliczeniach odnoszących się do terenu płaskiego uzyskuje się inny wynik niż w rzeczywistości, co skutkuje nieprawidłowym doborem ekranów. Bywa też, że nie bierze się pod uwagę położenia niwelety drogi i zdarzają się przypadki, kiedy widzimy drogę w głębokim wykopie, a na górze skarpy postawiony jest ekran, którego skuteczność jest mocno ograniczona; według niektórych badań nawet o 6 dB niższa w stosunku do ekranu ustawionego na terenie płaskim. Tak więc wydawane są duże pieniądze na instalację ekranu, a skuteczność jego jest praktycznie żadna. Można jednak zauważyć, że projektanci coraz częściej solidnie podchodzą do obliczeń.
Kolejnym spotykanym błędem jest nieprawidłowa (zaniżona) prędkość strumienia pojazdów. Tu jednak trudno tak do końca winić projektantów, ponieważ biorą pod uwagę prędkość teoretyczną, czyli tę dopuszczalną na danym odcinku drogi, a w rzeczywistości – jak wiemy – jeździmy z reguły znacznie szybciej.
Innym spotykanym błędem jest brak optymalizacji kształtu ekranu w danych warunkach terenowych. Tymczasem rzeźba terenu ma istotne znaczenie, nie tylko w obliczaniu „prostej” skuteczności ekranu, ale także (a może przede wszystkim) w przypadku bardziej złożonego kształtu. Poza wspomnianą już geometrią układu, ważne jest zwieńczenie (kształt krawędzi górnej) ekranu. Najprostszym i najczęściej stosowanym zwieńczeniem ekranu jest rozwiązanie w kształcie litery L. Przeważnie - i słusznie - to zwieńczenie jest zwrócone w stronę źródła hałasu, w więc w kierunku drogi. Ale bywają też sytuacje, kiedy powinno być ono zwrócone w drugą stronę, na przykład wtedy, kiedy chronimy teren opadający w dół. Wówczas skuteczność takiego zwieńczenia jest większa.
W przypadku zwieńczeń krawędzi górnej ekranów trudno mówić o zasadniczych błędach, tu raczej chodzi o pewną ich optymalizację. Trzeba pamiętać, że właśnie krawędź górna w głównej mierze decyduje o ostatecznej skuteczności ekranów i podniesieniu ich efektywności. Tu jednak trzeba przyznać, że w tym względzie projektanci nie mają praktycznie żadnego narzędzia wspomagającego. Popularne programy komputerowe tego nie umożliwiają. I choć najnowsze ich wersje są już lepsze pod względem możliwości modyfikacji kształtów ekranów, to nie uwzględniają elementów dyfrakcyjnych na krawędzi ekranu. Do tego służą bardziej zaawansowane programy i takie analizy wykonuje się raczej w warunkach laboratoryjnych, czyli te zagadnienia pozostają w gestii badaczy.
- Co zatem robi się obecnie w nauce, by nowe generacje ekranów były bardziej skuteczne?
- Najwięcej prac badawczych w tej dziedzinie wykonują Japończycy, szczególnie w zakresie optymalizacji zwieńczenia ekranów. W Polsce oczywiście również są takie prace prowadzone, ale w dużo mniejszej skali. Optymalizacja krawędzi górnej wymaga zastosowania w symulacjach dużo bardziej zaawansowanych narzędzi, na przykład metody elementów brzegowych czy metody elementów skończonych. Tymi technikami obliczeniowymi posługują się badacze na całym świecie. One niestety nie są możliwe do praktycznego zastosowania przez projektantów dla rzeczywistych warunków terenowych. Ponadto prowadzone są badania modelowe. Przygotowuje się model fizyczny ekranu, np. w skali 1:10, i bada się go w warunkach laboratoryjnych. W ten sposób można sprawdzać dany kształt i zwieńczenie ekranu.
Kompleksowych badań (na taką skalę) w Polsce jeszcze nie było, biorąc dla porównania te jakie wykonali Japończycy, Koreańczycy czy Chińczycy. Szczególnie cenne są badania na wspomnianych już modelach fizycznych. To jest trudne, ponieważ trzeba transformować do tej skali wszystkie zjawiska, w tym między innymi częstotliwość i długość fali dźwiękowej. O ile geometrię ekranu i jego elementów udaje się w tej skali precyzyjnie przeliczyć, to z parametrem pochłaniania dźwięku, czy inaczej chłonności akustycznej, jest znacznie trudniej. Podobnie dzieje się z izolacyjnością akustyczną. To są istotne zagadnienia biorąc pod uwagę całościowy model, na którym będziemy się opierać w optymalizacji oprogramowania dla projektowania. Takie prace są prowadzone i są one potrzebne, ponieważ coraz częściej mamy do czynienia z sytuacjami, kiedy nie możemy postawić wysokich ekranów, na przykład ze względów wytrzymałościowych, kiedy dysponujemy już istniejącym fundamentowaniem pod funkcjonującym dotąd ekranem, czy po prostu ze względów wizualnych bądź estetycznych. Właśnie wtedy szuka się właściwych rozwiązań w optymalizacji, a więc w zmianie krawędzi górnej, tak jak to robią wspomniani już Japończycy wprowadzając urozmaicone krawędzie górne. Przywołuję tu często Japończyków, ponieważ oni zdecydowanie najbardziej (przynajmniej w ostatnich latach) są zaawansowani w tej dziedzinie badań.
- Co jeszcze decyduje o skuteczności ekranów i czy zwieńczenie krawędzi górnej jest najlepszym rozwiązaniem?
- Na naszym rynku są oferowane różne zwieńczenia, które niestety nie są do końca przebadane i sprawdzone pod względem skuteczności. Istnieją podejrzenia, i to nie jest wyłącznie moje spostrzeżenie, że wybudowanie ekranu prostego, za to troszkę wyższego, przyniosłoby ten sam efekt za znacznie mniejsze pieniądze. W wielu pracach naukowych można znaleźć potwierdzenie, że zwieńczenia ekranów tylko w pewnej określonej odległości przynoszą efekt w sensie minimalizacji kosztów. Natomiast wraz ze wzrostem odległości pomiędzy ekranem a terenem chronionym ta różnica się zaciera i już w odległości kilkudziesięciu metrów taniej wypadają ekrany proste. Podsumowując: podwyższenie ekranu prostego dla pewnej odległości terenu chronionego jest tańszym rozwiązaniem niż zazwyczaj kosztowne zwieńczenie krawędzi górnej, poprawiające warunki dyfrakcji
Elementem również decydującym o skuteczności ekranów są przerwy na ich długościach, wynikające na przykład z zapewniania dojazdów do posesji. Niestety, powodują one gwałtowny spadek skuteczności osłon przeciwhałasowych. Problemem są też ograniczone długości ekranów. Pomiary, jakie wykonałem dla jednej z nowych dróg krajowych wzdłuż której ustawiono ekrany o długościach 70-80 m, wykazały ich skuteczność rzędu 2-3 dB. Sens budowy takich osłon jest praktycznie żaden. Niestety drogowcy mogą się skarżyć na takie działania, bo one pociągają za sobą oczywiście wysokie koszty, ale przepisy i wyjątkowo mała elastyczność urzędników wymuszają ich budowę.
Pojawiają się także wady ekranów wynikające z ich wykonawstwa. Często są one skutkiem oszczędności w produkcji paneli stosowanych w ekranach. W Katedrze badamy zarówno izolacyjność ekranów, jak i ich pochłanianie, w tym tych elementów, które stosowane są w ekranach. Dość często obserwujemy, że próbki, jakie są nam przekazywane do badań bywają kiepskiej jakości. Można podejrzewać, że panele masowo produkowane z przeznaczeniem do instalacji w ekranach są jeszcze gorsze. Na szczęście są wytwórcy solidni, wykonujący badania optymalizujące tak aby otrzymać jak najlepszy produkt. Technicznie nie jest trudne uzyskanie dobrej skuteczności izolacyjnej czy pochłaniania dla pojedynczych paneli. Chodzi jednak o to, aby były one konkurencyjnie tanie. Nawet niewielkie oszczędności na pojedynczym panelu dają duże zyski w przypadku wielokilometrowej długości ekranu. Poza tym jedne z wyższych kosztów wiążą się z fundamentowaniem. Fundamenty muszą mieć głębokość równą wysokości ekranu. Oczywiście, to nie jest fundament na całej długości, lecz konstrukcja palowa.
Optymalizacja, która mogłaby się wydawać mało istotna w ekranowaniu, w tej ogromnej masie osłony przeciwhałasowej może dawać znaczne oszczędności. Tego jednak projektanci nie robią. Jadąc więc naszymi drogami i obserwując ilość ekranów można mieć duże wątpliwości czy naprawdę wszystkie są potrzebne, szczególnie w miastach. Wiadomo, że ekran nie chroni wysokich budynków. A jeśli ma taką funkcję spełnić, to musi być bardzo wysoki, jak na przykład na ulicy Opolskiej w Krakowie. Tam zamontowano ekrany 11-metrowej wysokości, dodatkowo instalując zadaszenie na ich krawędzi górnej. Na początku minionej dekady lat, kiedy je montowano, wykonywaliśmy pomiary skuteczności ekranów tam już istniejących. Wahała się ona od 3 do 7 dB, a ich koszt wynosił ponad 5 mln zł. Zbliżony wynik (obejmujący także górne kondygnacje wysokich budynków) można by uzyskać stosując mniej kosztowne bądź bardziej ekonomicznie uzasadnione rozwiązania. Na przykład dobrą nawierzchnię asfaltową, i to nie koniecznie w sensie super asfaltów, ale zwykłą, tyle że równą, gładką; poprawiając też płynność ruchu i stosując uspokojenie ruchu. Byłoby to tańsze, a też efektywniejsze z wielu innych punktów widzenia. Tu przytoczę przykład pomiarów, jakie kiedyś wykonywaliśmy na zlecenie Generalnej Dyrekcji Dróg Krajowych i Autostrad. Na określonych odcinkach dróg w kilku województwach zmierzyliśmy hałas raz w normalnych warunkach oraz drugi raz w obecności policji. Na widok radiowozu kierujący zwalniali prędkość i jechali zgodnie z dozwoloną. Z tego badania wynikło, że w skali całego kraju przeciętne obniżenie hałasu wyniosło blisko 3 dB, czyli tyle ile wynosi skuteczność kiepskiego (i drogiego) ekranu.
Rozmawiała: Agnieszka Serbeńska