W związku z modernizacją układu torowego w obrębie stacji Katowice przewidziano w projekcie wykonywanym przez Przedsiębiorstwo Projektowania Realizacji i Wdrożeń „BPK Katowice” Sp. z o.o. zastosowanie mat wibroizolacyjnych. Celem prac wykonanych w Instytucie Mechaniki Budowli Politechniki Krakowskiej było przeprowadzenie pomiarów drgań i określenie na tej podstawie dotychczasowych oddziaływań drgań od ruchu pociągów na stacji Katowice na konstrukcję peronów i przejść podziemnych a następnie sporządzenie analizy rozwiązań wibroizolacyjnych torów na stacji.

Nawierzchnia kolejowa dworca PKP w Katowicach

Analiza dotyczy doboru parametrów maty wibroizolacyjnej (sztywność, tłumienie, grubość) zapewniających obniżenie dotychczasowych oddziaływań dynamicznych na konstrukcję peronów i przejść podziemnych.
Dworzec składa się z peronów połączonych trzema tunelami przejść podziemnych o konstrukcji żelbetowej usytuowanymi poprzecznie do układu torowego. Przykładowo przekrój przez konstrukcję dworca w miejscu usytuowania tunelu przedstawiono na rys. 32.

Boki peronów wykonane są ze ścian oporowych, pomiędzy którymi znajduje się grunt zagęszczony. Nawierzchnia szynowa to klasyczna nawierzchnia podsypkowa: tłuczeń i drewniane podkłady. W celu poprawy stanu technicznego dworca jak również ograniczenia wpływu drgań od przejeżdżających pociągów obiekt poddany zostanie modernizacji. W jej ramach przewidziano wprowadzenie wibroizolacji w postaci maty wibroizolacyjnej (pokrytej geowłókniną) pod warstwami tłucznia, na którym spoczywać będą podkłady żelbetowe; przy czym maty powinny również być ułożone pionowo do góry wzdłuż bocznych ścian peronów (rys.33).

Obliczenia symulacyjne, których celem było dobranie maty wibroizolacyjnej o określonych parametrach sztywności, tłumienia i grubości (przyjęto maty o grubościach 15 i 25 mm) w konstrukcji toru kolejowego na dworcu PKP w Katowicach, polegały na określeniu (na podstawie wyników pomiarów) wymuszenia kinematycznego, jakiemu podlegać będą elementy konstrukcyjne analizowanej budowli. Przyjęto model obliczeniowy MES rozważanego układu, a jego wycinek przedstawiono na rys. 34. Rys. 35 przedstawia podział konstrukcji na elementy skończone.

Analizy wykonano przyjmując dwie grubości maty wibroizolacyjnej: 15 i 25 mm. Wyniki uzyskane przy zastosowaniu maty o grubości 15 mm były w niektórych pasmach częstotliwości niezadowalające (mała lub ujemna wartość skuteczności) stąd konieczne było przeprowadzenie obliczeń modelu z matą o grubości 25 mm. Poniżej przedstawiono wybrane wyniki obliczeń uzyskane przy zastosowaniu maty o grubości 25 mm. Wyrażono je w postaci najniekorzystniejszego spektrum drgań (FFT) uzyskanych w punktach pomiarowych na konstrukcji po przejściu przez wibroizolację. Przyjmując w obliczeniach jednakowe wejście (wibrogram przejazdu pociągu podczas przejazdu nr 8) na podstawie obliczenia modelu z wibroizolacjią uzyskano informacje o wyjściu (spektrum drgań w punkcie po przejściu przez wibroizolację). Wyniki analiz FFT przedstawiono na rys. 36 - 38 w odniesieniu do punktu na nawierzchni peronu (punkt na peronie 1 przy wyjściu z peronu do tunelu zachodniego). Umożliwiają one porównanie wpływu nowego układu wibroizolacyjnego ze stosowanym dotychczas.

W przypadku zastosowania maty o przyjętych w obliczeniach parametrach sztywności dynamicznej i tłumienia oraz o grubości 25 mm prognozowana redukcja drgań w żadnym paśmie częstotliwości nie jest ujemna (nie przewiduje się wzrostu poziomu drgań) – tabela 3. Prognozowany dzięki zastosowaniu tych rozwiązań globalny (w całym paśmie częstotliwości drgań od 1 do 100 Hz) poziom redukcji drgań w stosunku do dotychczasowego rozwiązania konstrukcyjnego nawierzchni szynowej w pasmach częstotliwości od 10 do 100 Hz zestawiono w zamieszczonej poniżej tabeli 4. Z danych tych wynika, że na peronach drgania mogą zostać zredukowane co najmniej o 45%, a w przejściach podziemnych co najmniej o 61%.

Wnioski

Przedstawione powyżej przykłady wskazują na konieczność projektowania rozwiązań wibroizolacji nawierzchni szynowych z wykorzystaniem obliczeń symulacyjnych. Takie podejście zwiększa zdecydowanie prawdopodobieństwo uzyskania wymaganej skuteczności wibroizolacji przy zoptymalizowaniu kosztów zastosowanego rozwiązania.
Brak sprawdzenia skuteczności wibroizolacji przed jej wykonaniem może prowadzić nawet do zwiększenia poziomu emitowanych do środowiska drgań. Ilustrują to zamieszczone na rys. 39 wyniki obliczeń skuteczności wibroizolacji nawierzchni bezpodsypkowej w tunelu średnicowym w Warszawie dotyczące zastosowania dwóch rodzajów maty, różniących się parametrami sztywności i tłumienia:
• typ A – moduł sztywności E = 0,017 N/mm3, tłumienie w pasmach częstotliwości od 0,01 -0,28,
• typ B – moduł sztywności E = 0,023 N/mm3, tłumienie w pasmach częstotliwości od 0,10 -0,23.

Z wykresów zamieszczonych na rys. 39 wynika, że zastosowanie maty typu A o stosunkowo małej sztywności pozwala zdecydowanie obniżyć poziom wpływu drgań pionowych stropu na ludzi w częstotliwościach powyżej 20 Hz, ale równocześnie powoduje wzrost poziomu drgań w niskich częstotliwościach powyżej progu odczuwalności drgań przez ludzi. Z tego powodu rozwiązanie to trzeba było odrzucić a korzystniejsze okazało się zastosowanie maty typu B o tej samej grubości, ale o większej sztywności. Mata ta w mniejszym stopniu dała obniżenie poziomu drgań w wyższych częstotliwościach, ale nie spowodowała wzrostu tego poziomu w częstotliwościach niskich, dając w całym paśmie częstotliwości obniżenie poziomu wpływu drgań na ludzi poniżej progu ich odczuwalności. Takich efektów zmiany sztywności mat wibroizolacyjnych nie dałoby się przewidzieć bez wykonania obliczeń symulacyjnych.

Dlatego zastosowanie wibroizolacji w konstrukcji nawierzchni szynowych i w konstrukcji budynków powinno zawsze odbywać się w wyniku jej zaprojektowania tj. po wykonaniu obliczeń symulacyjnych (prognoz), które na podstawie danych doświadczalnych określą skutek użycia danego rozwiązania.

dr inż. Krzysztof Kozioł
dr hab. inż. Krzysztof Stypuła, prof. PK
Instytut Mechaniki Budowli
Politechniki Krakowskiej

Materiał był prezentowany na V Seminarium „Wpływ hałasu i drgań wywołanych eksploatacją transportu szynowego na budynki i ludzi w budynkach – Diagnostyka i Zapobieganie – WIBROSZYN 2010” (Kraków, 9-10 września 2010 r.).

Literatura i wykorzystane materiały
[1] Stypuła K.: Wybrane przykłady zastosowań nowoczesnych wibroizolacji nawierzchni szynowych w Polsce. Materiały IV Seminarium „Wpływ hałasu i drgań wywołanych eksploatacją transportu szynowego na budynki i ludzi w budynkach – diagnostyka i zapobieganie” WIBROSZYN-2009. Kraków, 10-11 września 2009, s. 33-57.
[2] Stypuła K.: Nowoczesne wibroizolacje. Builder, Nr 10, październik 2009, s. 66-70.
[3] Stypuła K., Kozioł K.: Problematyka drgań budynków posadowionych w sąsiedztwie linii kolejowych. II Konf. nauk.-techn. Projektowanie, budowa i utrzymanie infrastruktury w transporcie szynowym INFRASZYN 2009. Zakopane 22-24 kwietnia 2009, 303-314.
[4] PN-B-02170: 1985. Ocena szkodliwości drgań przekazywanych przez podłoże na budynki.
[5] PN-B-02171: 1988. Ocena wpływu drgań na ludzi w budynkach.