Schallschutz für Triebwerksstandläufe

Flugzeugtriebwerke müssen im Rahmen von Unterhaltsarbeiten im eingebauten Zustand bis zu Take-off-Power getestet werden, um den sicheren Flugbetrieb zu gewährleisten. Da solche Triebwerkstandläufe vielfach nachts durchgeführt werden, entstehen zwangsläufig erhebliche Lärmprobleme. Um die Immissionen durch den Standlauflärm zu reduzieren, wurden bereits vor mehr als 40 Jahren erste Schalldämpferanlagen gebaut. Im Verlauf der Jahre genügten diese aber der Vielfalt und den Anforderungen moderner Triebwerke nicht mehr.

Das Schweizer Lärmschutzrecht schreibt vor, dass für Standläufe geeignete Schallschutzanlagen zu erstellen sind, die dem aktuellen Stand der Technik entsprechen. Deshalb hat die Flughafen Zürich AG in Zusammenarbeit mit den beteiligten Unterhalts­betrieben eine neue, weitgehend geschlossene Schallschutzhalle (SSH) geplant. Als Vorbild diente die in Hamburg bestehende Schallschutzhalle, die auf die speziellen Bedürfnisse am Flug­hafen Zürich angepasst und in Bezug auf die strengen Lärmvorschriften in der Schweiz weiterentwickelt wurde.

Die betroffenen Nachbargemeinden und die Unterhaltsbetriebe am Flughafen Zürich haben in einem Memorandum of Understanding (MoU) [1] die Nutzung der SSH und die einzuhaltenden Lärmimmissionen vereinbart. Trotz Schallleistungspegeln von über 150 dB(A) während eines Standlaufs, sollten bei den nächstliegenden, nur 600 m entfernten Wohngebäuden, Immissionspegel von 50 bis 60 dB(A) nicht überschritten werden. Ein wichtiger Bestandteil der Vereinbarungen war die Entwicklung eines Monitoringsystems, mit dem die Einhaltung der vereinbarten Immissionen ständig überwacht und jährlich dokumentiert wird. Mitte 2014 wurde die neue SSH eingeweiht und nach erfolgreich verlaufener Testphase in Betrieb genommen.

Schallschutzhalle

Gebäudekonstruktion und Hallenbetrieb

Die SSH ist technisch eine durchströmungsoffene, schallabsorbierende Gebäudekonstruktion mit folgenden technischen Eckdaten:

• Stahlträger: 1 200 t
• schallabsorbierende Oberfläche: 20 000 m²
• Grundfläche: 5 000 m²
• Länge/Breite/Höhe: (110/90/27) m
• Gewicht der Tore: 2 x 550 t

Die offene Rückseite wird mit einer rampenartigen Lärmschutzwand abgeschirmt, die den Rückstrahl der laufenden Triebwerke nach oben umlenkt. Besonders wichtige Bauteile sind die luftdurchlässigen und lamellenartig aufgebauten Tore, die auf vier Fahrwerken aufliegen und mit Elektromotoren in nur 45 s geöffnet oder geschlossen werden. Die Bilder 1 und 2 zeigen die Halle in der Außen- und Innenansicht.

Die SSH dient ausschließlich der Durchführung von Stand­läufen. Es dürfen weder aufwendige Flugzeugwartungen stattfinden noch Flugzeuge gewaschen oder enteist werden. Lediglich Feinjustierungen an den Triebwerken im Rahmen der ordent­lichen Tests und Triebwerkreinigungen sind in der SSH zulässig. Die Anlagenverantwortung liegt bei der Flughafen Zürich AG, die die technischen Anlageteile wie Tore, Beleuchtung, Strom- und Datennetz, Kontrollraum einschließlich sanitärer An­lagen wartet und reinigt. Eine Koordinationsstelle plant und überwacht die Belegung der Halle im Tagesbetrieb. Aktuell werden über 800 Standläufe pro Jahr durchgeführt.

Lärmschutzziele

Die SSH verbessert einerseits den Lärmschutz und berücksichtigt andererseits die Bedürfnisse, die anhand der Betriebsdaten abgeschätzt wurden. Weil jeder einzelne Triebwerkstandlauf unterschiedliche Schallimmissionen von unterschiedlicher Dauer verursacht, wurde für die Festlegung von Lärmschutzzielen nicht die Anzahl der Standläufe begrenzt, sondern die am Immissionsort zulässige Schalldosis. Damit werden der ein­wirkende Schallimmissionspegel beim Anwohner und die Einwirkungsdauer beurteilt.

Anhand der Schallleistungspegel der verwendeten Triebwerke, der prognostizierten Schalldämmung und eines digitalen Geländemodells wurde nach DIN ISO 9613 [2] die Schallausbreitung und damit die Lärmimmission eines Standlaufs für einen beliebigen Ort in der Umgebung des Flughafens berechnet. Mit dem Lärmberechnungsprogramm CadnaA [3] konnten danach die Lärmbelastungen sowohl für einzelne Immissionspunkte als auch flächenmäßig für das gesamte Wohngebiet ausgewiesen werden.

Aus den umfangreichen Betriebsdaten ließ sich ein Standardstandlauf eines Airbus A320 als Hilfsgröße definieren. Auf diese Weise konnte die Lärmbelastung für die zu beurteilenden Zeitfenster mit den gesetzlichen Grenzwerten verglichen und die zulässige Anzahl Standardstandläufe als Lärmäquivalent bestimmt werden. Für die Definition der zulässigen Schalldosis und die Beurteilungsmethoden wurden die Kriterien in der Vereinbarung und die schweizerische Gesetzgebung herangezogen. Folgende Grundsätze und Methoden wurden angewendet:

1. Das Umweltschutzgesetz (USG) [4] schreibt in Art. 11 Abs. 2 vor, dass dem sog. Vorsorgeprinzip Rechnung zu tragen ist, d. h. die Lärmbelastungen sind so weit zu begrenzen wie dies technisch und betrieblich möglich und wirtschaftlich tragbar ist.
2. Für die Beurteilung wird zunächst die Eidgenössische Lärmschutz-Verordnung (LSV) [5] angewendet. Der Lärm von Reparaturwerkstätten, Unterhaltsbetrieben und ähnlichen Betriebsanlagen am Flughafen Zürich ist dem Lärm von Industrie- und Gewerbeanlagen gleichgestellt, weshalb ein Triebwerkstandlauf grundsätzlich nach Anhang 6 LSV beurteilt wird. Die Beurteilungszeiten werden in Tag (7 bis 19 Uhr) und Nacht (19 bis 7 Uhr) aufgeteilt. Die Beurteilung der Lärmimmission basiert auf dem mit Korrekturfaktoren für Lärmcharakteristik, Ton- und Impulsgehalt ergänzten L_Aeq der Lärmereignisse. Die so erhaltenen Teilbeurteilungspegel innerhalb einer Beurteilungszeit – Tag bzw. Nacht – werden energetisch addiert und über die Dauer der Beurteilungszeit, d. h. über 12 Stunden, gemittelt.
3. Anhang 6 LSV trägt dem speziellen Lärmmuster der Triebwerkstandläufe mit seinen hohen Lärmspitzen und damit auch dem umweltrechtlich geforderten Schutz der Bevölkerung vor Aufwachreaktionen nachts, nur ungenügend Rechnung. Aus diesem Grund wird für die Beurteilung von Triebwerkstandläufen während der Zeit von 22 bis 6 Uhr die Beurteilungsmethode vom Bundesamt für Umwelt (BAFU) [6] angewendet, die die Störwirkung der einzelnen Lärmereignisse von Triebwerkslärm in der Nacht zwischen 22 und 6 Uhr gewichtet. Dabei werden die Ereignispegel L_AE addiert und getrennt für die einzelnen Nachtstunden auf einen 1-h-L_Aeq umgerechnet. Triebwerkstandläufe nach der zweiten Nachtstunde und vor der letzten Nachtstunde (also zwischen 0 und 5 Uhr) werden der zweiten Nachtstunde (23 bis 24 Uhr) zugerechnet.
4. Die beteiligten Parteien vereinbarten zu den beiden gesetz­lichen Methoden folgende ergänzende Kriterien (Tabelle 1):

Referenzorte

Die an der Planung der SSH beteiligten Parteien definierten die nächstgelegenen Wohnbauten als Referenzorte (Bild 3), an denen die vereinbarten Kriterien erfüllt sein müssen.

Dosimeter

Monitoringsystem

Das Monitoringsystem überwacht und dokumentiert die Lärm­immissionen von Triebwerkstandläufen mithilfe von Messgeräten und einer speziell entwickelten Applikation. Die Lärmmessung erfolgt in der SSH am Ort der Lärmquelle, weil der hohe Hintergrundlärmpegel bei den Referenzorten die Messung des Triebwerklärms unmöglich macht. Um die Schalldosis an den Referenzorten zu ermitteln, wird die Schallausbreitung berechnet.

Die sechs Messgeräte (Bild 4) wurden so angeordnet, dass sie nicht dem Abluftstrom der Triebwerke ausgesetzt sind und die Schallausbreitung vom Triebwerk zum Mikrofon nicht durch Tragflächen des Flugzeugs abgeschirmt wird.

Die Messdaten werden über einen Server in eine Datenbank gespeichert. Zusätzlich werden die Betriebsdaten aller Stand­läufe, wie Flugzeugtyp, Leistungssetzung, Treibstoffverbrauch und Zeitdauer, elektronisch über das Gebäudeautomations­system (Torbedienung, Datenerfassung, Windmessung etc.) erfasst und in derselben Datenbank gespeichert. Die für das Monitoring­system entwickelte Applikation verknüpft die Lärmdaten mit den Betriebsdaten, zählt die Anzahl Standläufe pro Zeitabschnitt und berechnet die maßgebende Schalldosis (Bild 5).

Akustische Messgeräte

Die Mikrofone sind 3 m über dem Boden montiert. Direkt darunter befinden sich die Messgeräte in einer abschließbaren Gerätenische (Bild 6).

Fallbeispiel: Standläufe in der Nacht vom 29./30. August 2015

Lärmmessung

Die sechs Schallpegelmessgeräte in der SSH zeichnen permanent und zeitsynchronisiert den momentanen Schalldruck­pegel auf. Die Messung erfolgt mit der Zeitkonstante „Fast“ (0,125 s) und dem Frequenzfilter A. Der berechnete 1-min-L_Aeq (1-Minuten-Mittelwert) wird in eine Datenbank (Bild 5) und als Sicherung bei einem möglichen Netzwerkausfall auf die messgeräteinterne Speicherkarte geschrieben. Die für das Monitoringsystem (Dosimeter) entwickelte Applikation wählt von den sechs 1-min-L_Aeq den jeweils höchsten Minutenwert aus und bildet daraus einen kontinuierlichen Pegel-Zeit-Verlauf.

Bild 7 stellt den Pegelverlauf in der Nacht vom 29./30. August 2015, von 22 bis 6 Uhr dar.

Tabelle 2 zeigt eine Beispielrechnung anhand des Fallbeispiels aus Bild 7

Dosisanzeige

Die ermittelte Schalldosis wird in drei Säulen dargestellt (Bild 8), die die unterschiedlichen Beurteilungszeitfenster (Tabelle 1) repräsentieren.

 

 

y = Prozentanteil der ermittelten Schalldosis zur zulässigen Schalldosis

x – x₀ = durch Messung ermittelte Schalldosis – zulässige Schalldosis in dB

Die Darstellung hat den Vorteil, dass die blaue Säule bei kleinen Schalldosen nur wenig ansteigt, bei Schalldosen ab 50 % jedoch deutlich sichtbar wird.

Aus Bild 8 können folgende Werte abgelesen werden:

Linke Säule: Aktuelle Schalldosis für das Beurteilungszeitfenster 23 bis 5 Uhr nach BAFU, „1-h-L_Aeq“ beträgt 64 %.

Mittlere Säule: Aktuelle Schalldosis für das Beurteilungszeitfenster 19 bis 7 Uhr nach LSV, „12-h-L_Aeq“ (Tag oder Nacht) beträgt 80 %. Rechte Säule: Die aktuelle Schalldosis für die laufende Woche nach MoU-Vereinbarung „Wochendosis“ beträgt knapp 70 % der zulässigen Schalldosis.

Abnahmemessung

Die Empa, Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology, als unabhängiges Forschungsinstitut wurde beauftragt, nach Inbetriebnahme der Schallschutzhalle eine Abnahmemessung durchzuführen und folgende Fragestellungen zu klären:

•  Dämmwirkung der Schallschutzhalle,
•  Ermittlung der Schutzwirkung in Bezug auf die in der MoU-Vereinbarung definierten Referenzorte,
•  Festlegung der Ausbreitungsdämpfung in verschiedene Richtungen,
•  Erarbeitung von Grundlagenparametern für die Dosimeter-Transferfunktion

Durchführung

In einer ersten Phase wurde je ein kontrollierter Triebwerkstandlauf mit einem Langstreckenflugzeug vom Typ Airbus A330 im Freien und in der SSH durchgeführt. Die Messpunkte im Nah­bereich wurden in gleicher Geometrie in 170 m Abstand zum Flugzeug angeordnet (Bild 9).

Die Differenzpegel ergaben die Dämmwirkung der Schallschutzhalle. Gleichzeitig wurden auch die Lärm­immissionen bei den Referenzorten (Bild 3) gemessen.

Durch die Wahl eines Airbus A330, einer der lautesten Flugzeugtypen am Flughafen Zürich, sollte nachgewiesen werden, dass die zulässige Schalldosis auch im ungünstigsten Fall eingehalten und zudem im lauten Flughafenumfeld eine stabile akustische Messung durchgeführt werden kann. Bei der Abnahme­messung wurden die Triebwerke mehrmals von Leerlauf stufenweise bis Volllast hoch- und wieder heruntergefahren. Die Zeitabschnitte mit konstanter Leistungssetzung wurden identifiziert und für die Messpunkte in der SSH sowie im Nah- und Fernbereich ausgewertet.

In einer zweiten Phase wurde an den Referenzorten eine Langzeitmessung von drei Wochen Dauer durchgeführt, um den laufenden Betrieb zu erfassen und die Messresultate der ersten Phase zu validieren.

Ergebnisse

Zur Bestimmung der Schalldämmung der SSH wurden für die Nahbereichspunkte die Differenzen der Mittelungspegel gebildet und über die ermittelte Richtwirkung eine Schallleistung berechnet. Eine spektrale Auswertung zeigt, dass zwischen 500 Hz und 5 kHz die Dämmwirkung etwa 25 dB beträgt. Bei den Referenzorten außerhalb des Flughafenareals waren die Triebwerkstandläufe aufgrund des Umgebungsgeräuschpegels im A-bewerteten Schallpegel kaum messbar, während der Verlauf der tiefen Frequenzen erkennbar war. Der Höreindruck am nächstgelegenen Referenzort war lediglich ein schwaches tieffrequentes Grollen. An den weiter als 700 m entfernten Referenzorten konnte der Standlauf nicht mehr wahrgenommen werden. Theoretisch müsste der Pegel in der SSH und am Referenzort parallel verlaufen. Dies war jedoch nicht der Fall. Die Pegeldifferenz stieg mit zunehmendem Pegel in der SSH an und nahm mit abnehmendem Pegel ab, was auf einen deutlichen Störgeräuschanteil hinweist. Es kann davon ausgegangen werden, dass die gemessenen Pegeldifferenzen zwischen SSH und Referenzorten tendenziell unterschätzt werden und damit zugunsten der Anwohner ausfallen. In den Berechnungen wurden auch die relevanten Unsicherheitsfaktoren berücksichtigt.

Die Empa ermittelte mit der Abnahmemessung die zulässigen Schalldosen, die nun die Grundlagen für die Programmierung des Dosimeters bilden. Sie hat damit nachgewiesen, dass mit der Schallschutzhalle eine deutliche Reduktion der Immissionen erreicht wird und die Triebwerkstandläufe bei den Referenzorten kaum mehr hörbar sind. Die SSH gilt als Erfolg für den Lärmschutz am Flughafenstandort Zürich.

Betrieb

Die Anzahl durchgeführter Standläufe und die Lärmauswirkungen werden jährlich in einem Bericht dokumentiert. Die Tabellen 3 und 4 zeigen einen Auszug aus der Jahresauswertung 2015.

Demnach wurden insgesamt 857 Triebwerkstand­läufe durchgeführt, wovon 466 (54 %) nachts von 19 bis 7 Uhr stattfanden. Aus Tabelle 4 wird ersichtlich, dass die zuläs­sige Dosis einmal überschritten wurde. Grund für diese Überschreitung war ein außerordentlicher Volllaststandlauf eines Lang­streckenflugzeugs.

Betriebserfahrungen

Die Schallschutzhalle kann mit wenigen Ausnahmen infolge Unterhalts- oder Reparaturarbeiten ohne Einschränkung benutzt werden. Zudem bietet die SSH für die Durchführung von Triebwerkstandläufen einige Vorteile, wie beispielsweise die Wetterunabhängigkeit oder eine sichere Abgrenzung des Standlaufbereichs. Die Lamellentore bewirken eine gleichmäßige Luftströmung, sodass selbst stark windige Verhältnisse und die daraus folgenden Turbulenzen bei der Durchführung eines Triebwerkstandlaufs eine untergeordnete Rolle spielen. Der anfänglichen Skepsis der Techniker, bei geschlossenen Toren einen Volllaststandlauf durchzuführen, konnte mit entsprechender Schulung entgegengewirkt werden. Mit diesem Erfolg sind die hohen Investitionen für den Bau der Schallschutzhalle für Mensch und Flughafenbetrieb sehr gut angelegt und erzeugen allgemeine Zufriedenheit.