Untersuchung zur Betroffenheit von Anwohnern im Hinblick auf die Schallabstrahlung von Eisenbahnbrücken

Quelle: DB NetzAG

Die Schallabstrahlung von Eisenbahnbrücken beruht darauf, dass die Brückenkonstruktion während der Überfahrt eines Zuges zu Schwingungen angeregt wird und zusätzlich zum Rollgeräusch Luftschall abstrahlt. Diese im Vergleich zum Rollgeräusch der Züge tendenziell niederfrequente Geräuschkomponente, auch als Brückendröhnen bezeichnet, kann von Anwohnern als besonders belästigend empfunden werden [1]. Schallschutzwände schirmen nur das seitlich abgestrahlte Rollgeräusch aber nicht das Brückendröhnen ab. Schallschutzfenster mindern aufgrund ihrer frequenzabhängigen Wirkung den von der Brücke abgestrahlten Schall in der Regel ebenfalls nicht ausreichend. Zur Reduktion des Brückendröhnens werden daher heute überwiegend elastische Elemente im Bereich des Oberbaus eingesetzt, allerdings existieren auch konstruktive Maßnahmen [2].

Da in den nächsten Jahren in Deutschland eine Vielzahl von Eisenbahnbrücken ersetzt bzw. saniert wird, soll sichergestellt werden, dass die ersetzten bzw. instand gesetzten Brückenkonstruktionen auch im Hinblick auf die Luftschallemissionen dem Stand der Technik entsprechen. Zur Unterstützung der Fachplaner soll daher im Rahmen des Zukunftsinvestitionsprogramms (ZIP) [3] mit finanzieller Förderung durch den Bund ein Leitfaden zur Schallminderung von Eisenbahnbrücken erstellt werden. Dabei sollen auch allgemeingültige Kriterien entwickelt werden, unter welchen Bedingungen eine Belästigung durch ein Brückendröhnen weitgehend ausgeschlossen werden kann.

Das Projekt ZIP Brückenleitfaden läuft von Januar 2017 bis September 2018 und wird von der Abteilung Akustik und Erschütterungen der DB Systemtechnik GmbH verantwortlich bearbeitet.

Zusammenstellen der vorliegenden Erkenntnisse

Auswertung vorliegender Gutachten

In der Vergangenheit wurde durch die DB Systemtechnik eine Vielzahl von Untersuchungen (u. a. Messungen, Simulationen, Begutachtungen) zur Schallabstrahlung von Eisenbahnbrücken durchgeführt. Im Rahmen des Projektes ZIP Brückenleitfaden wurden diese nun gesamthaft ausgewertet. Das Ziel der Untersuchung war die Ermittlung möglichst allgemein gültiger Kriterien, unter welchen Bedingungen an einer instand zu setzenden bzw. zu erneuernden Stahlbrücke Maßnahmen zur Reduktion des Brückendröhnens eingeplant werden sollten.

Wurde in der Vergangenheit für eine bestehende Stahlbrücke der Einsatz von Maßnahmen zur Reduktion des Brückendröhnens geprüft, erfolgte dies in der Regel durch eine Einzelfallbetrachtung im Rahmen eines Gutachtens. Dabei wurde bewertet, inwiefern das Brückendröhnen – wahrnehmbar durch eine hörbare Verschiebung des Geräuschspektrums zu niedrigen Frequenzen hin – im Bereich der nächstliegenden, im Sinne des Immissionsschutzrechtes schutzbedürftigen Nutzung noch deutlich hörbar war. Dabei konnten aus den vorliegenden 158 Gutachten die folgenden allgemeingültigen Kriterien abgeleitet werden:

• Bei Stahlbrücken mit Schotterbett, die sich in einem Abstand von mehr als 100 m von der nächstliegenden schutzbedürftigen Nutzung entfernt befinden, sind keine Maßnahmen zur Reduktion des Brückendröhnens erforderlich. Für Bebauung in einem Abstand von weniger als 100 m zur Brücke war anhand der ausgewerteten Gutachten keine allgemeingültige Aussage möglich, da hier nur für einen Teil der begutachteten Brücken Minderungsmaßnahmen empfohlen wurden.
• Bei direkt befahrenen Stahlbrücken¹⁾ mit Gesamtlängen größer als 90 m, die sich in einem Abstand von bis zu 100 m zur nächstliegenden schutzbedürftigen Nutzung befinden, wurde in allen betrachteten Fällen eine Lärmsanierung empfohlen, falls die berechnete Kosten-Nutzen-Relation ausreichend ist. Für kürzere Brücken bzw. für Brücken mit Längen größer als 90 m und Abstand größer als 100 m war aus den gleichen Gründen wie oben beschrieben keine allgemeingültige Aussage möglich.

Darüber hinaus ist zu beachten, dass keine allgemeingültige Aussage möglich ist, sofern auf einer Brücke Weichen oder Schienenauszüge vorhanden sind bzw. sich eine Schallschutzwand im Bereich der Brücke befindet. Zur Ergänzung der o.g. Kriterien wurden im Projekt ZIP Brückenleitfaden weitere Untersuchungen durchgeführt.

Auswertung vorliegender Messungen

Im nächsten Schritt wurden die vorliegenden messtechnischen Untersuchungen ausgewertet, um die aus akustischer Sicht besonders kritischen Brücken zu ermitteln. Um die Anzahl der auszuwertenden Untersuchungen einzugrenzen, wurden dabei zunächst die heute überwiegend vorhandenen bzw. die überwiegend neu errichteten Brücken- und Oberbautypen ermittelt. Bei den Stahlbrücken mit Schotterbett spielen die Vollwandträgerbrücken mit Trogquerschnitt mit Längen bis 30 m und bei den direkt befahrenen Stahlbrücken die Vollwandträgerbrücken mit offener Fahrbahn und Längen bis 45 m die wichtigste Rolle. Daher wurden im Weiteren vor allem diese Brückentypen genauer betrachtet.

Bild 1. Spektrale Brückenzuschläge DLZE von Vollwandträgerbrücken mit und ohne Schotterbett gemittelt aus mehreren vorhandenen Messungen.

Bild 1 zeigt gemittelte Ergebnisse aus Luftschallmessungen an den beiden oben genannten Brückentypen. Zur Quantifi­zierung des Brückendröhnens wurden dabei Messungen der Z-bewerteten Schalldruckpegel an der Brücke, und der angrenzenden freien Strecke während der Vorbeifahrt mehrerer Züge verwendet. Die Differenz der gemittelten Luftschallpegel wird dabei als Brückenzuschlag bezeichnet. Typische Messpositionen sind dabei 25 m (in Ausnahmefällen 7,5 m) seitlich der Gleis­mitte und 3,5 m bzw. 1,2 m über Schienenoberkante.

Durch Ermittlung der Summenpegel des Luftschallpegels neben der Brücke und der angrenzenden Strecke kann durch Bildung der Differenz auch ein Einzahlwert zur Beschreibung des Brückendröhnens ermittelt werden. Im Gegensatz zur spektralen Darstellung des Brückenzuschlages ist dieser jedoch auch stark von der betrachteten Zugkategorie (definiert über Art und Geschwindigkeit der betrachteten Züge) abhängig.

Fährt ein Zug über eine stählerne Vollwandträgerbrücke mit Trogquerschnitt und Schotterbett können aufgrund der Schallabstrahlung der Brücke vor allem zusätzliche Geräuschanteile im tiefen Frequenzbereich auftreten. Bei der spektralen Betrachtung des Brückenzuschlages dominieren häufig einzelne Frequenzen (typischerweise zwischen 63 Hz und 80 Hz). Dies lässt sich darauf zurückführen, dass erste bzw. höhere Eigenmoden der Stegbleche der Längsträger durch die Überfahrt des Zuges angeregt werden.

Bei direkt befahrenen Vollwandträgerbrücken mit offener Fahrbahn zeigt sich während der Überfahrt von Zügen eine eher breitbandige Erhöhung des Geräuschpegels. Dies lässt sich einerseits auf ein tendenziell breitbandiges Brückendröhnen und andererseits auch auf ein nach unten abgestrahltes und in die Umgebung reflektiertes Rollgeräusch der Züge zurückführen. Allerdings zeigt sich im spektralen Brückenzuschlag zwischen 63 Hz und 80 Hz ein Maximum, das wiederum auf Eigenfrequenzen der Stegbleche der Längsträger hinweist.

Schallabstrahlung einer stählernen Vollwandträgerbrücke bei Langenau

Neben den oben dargestellten spektralen Brückenzuschlägen für stählerne Vollwandträgerbrücken mit und ohne Schotterbett, ist für eine Abschätzung der Belästigung durch das Brückendröhnen auch die Abstrahlcharakteristik (also die Abstrahlung des Luftschalls unter verschiedenen Winkeln zur Gleisachse) erforderlich. Diese war allerdings zum Start des Projektes noch nicht bekannt, da in der Vergangenheit Luftschallmessungen an Brücken typischerweise seitlich etwa in Bauwerksmitte erfolgt sind. Daher wurden an einer direkt befahrenen Stahlbrücke umfangreiche Messungen der Luftschallpegel während der Vorbeifahrt von Regelzügen durchgeführt (siehe Bild 2).

Bild 2. Foto der Vollwandträgerbrücke mit offener Fahrbahn in Langenau und Positionen der Luftschallmesspunkte (gelbe Markierungen: Messposition 1,2 m über Schienenoberkante, blaue Markierungen: Messposition 3,5 m über Schienenoberkante, M: Messpunkt, ME: Messebene).

Bei der Brücke handelt es sich um eine genietete, direkt befahrene Stahlbrücke in Langenau mit einer Länge von 25,6 m. Die Stegbleche hatten eine Höhe von 2,0 m und eine Dicke von 15 mm. Die Messungen wurden im nächsten Schritt verwendet, um das erstellte Modell der Brücke zu überprüfen.

Die Berechnungen erfolgten mit dem Programm CadnaA [4]. Die betrachtete Stahlbrücke wurde durch zwei parallele Flächenschallquellen mit einer Höhe von 2 m und einer Länge von 25,6 m (entsprechend der Maße des Hauptträgers) modelliert. Das Rollgeräusch der betrachteten Nahverkehrszüge, die mit einer Geschwindigkeit von max. 150 km/h über die Brücke und die angrenzende freie Strecke verkehrten, wurde über insgesamt sechs Linienquellen (zwei in Höhe der Schienenoberkanten, zwei in Höhe des unteren Raddrittels und zwei in Höhe des oberen Raddrittels) modelliert. Dabei wurde berücksichtigt, dass sich die Schienenoberkante in einer Höhe von 5,2 m über Grund und damit oberhalb der Oberkante der Hauptträger befand. Eine Abschirmung des Rollgeräusches durch die Hauptträger wurde nicht berücksichtigt. Die Berechnung der Schallausbreitung erfolgte als freie Ausbreitung gemäß DIN ISO 9613-2 [5].

Bild 3. Vergleich der gemessenen und der berechneten spektralen Brückenzuschläge DLZE für ausgewählte Messpunkte an der Eisenbahnbrücke in Langenau (durchgezogene Linie: Messungen, ge­strichelte Linien: Simulation).

Bild 3 zeigt ein Beispiel für die gemessenen und die berechneten Luftschallpegel im Vergleich, wobei für die Berechnung die Schallleistung der Hauptträger so angepasst wurde, dass die berechneten und die gemessenen Luftschallpegel am Messpunkt M 1 identisch waren. Die Übereinstimmung zwischen den Messungen und den Berechnungen an den Messpunkten M 2 bis M 13 erlauben dann eine Aussage über die Prognosegenauigkeit des Modells, die in allen betrachteten Fällen im Summenpegel in der Größenordnung der Messunsicherheit lag. Insgesamt konnte mit dem Modell eine gute Übereinstimmung zwischen den Berechnungen und den Messungen erreicht werden, in einzelnen Oktaven zeigte sich in den Berechnungen jedoch eine leichte Überschätzung des Brückenzuschlages.

Berechnung der Schallabstrahlung

Nachdem gezeigt werden konnte, dass das erstellte Modell die Schallabstrahlung stählerner Eisenbahnbrücken korrekt wieder gibt, wurden im nächsten Schritt Berechnungen für verschieden lange Vollwandträgerbrücken mit und ohne Schotterbett durchgeführt.

Für die Modellierung des Brückendröhnens wurden nun in dem oben beschriebenen Modell die in Bild 1 dargestellten, gemittelten Brückenzuschläge für Stahlbrücken mit und ohne Schotterbett für die Schallleistungspegelanpassung der Flächenschallquellen (Hauptträger) verwendet. Dabei wurde die Schallleistung der abstrahlenden Brückenflächen so angepasst, dass der Wert für die Differenz der Z-bewerteten Schallexpositionspegel an der Brücke und der freien Strecke ∆L_ZE im Abstand von 25 m von der Gleismitte und in der Höhe von 1,2 m über Schienenoberkante den Pegelkorrekturen K_Br nach Schall 03 [6] für die Stahlbrücke mit Schotterbett (K_Br= 6 dB) und für die Stahlbrücke ohne Schotterbett (K_Br=12 dB) entspricht. Hierbei wurde keine von der Brückenlänge abhängige Reduktion der Luftschallpegel neben der Brücke berücksichtigt, und somit eine Abschätzung zur – im Sinne des Immissionsschutzes – sicheren Seite durchgeführt.

Für die Bewertung des Brückendröhnens wurden für die Umgebung der Brücke die Linien gleicher Brückenzuschläge (d. h. ∆L_ZE) berechnet. Es wird angenommen, dass eine Belästigung durch ein Brückendröhnen bei einem Brückenzuschlag von ∆L_ZE <3 dB nicht auftritt.

Bild 4 Ausbreitungsrechnung für stählerne Vollwandträgerbrücken der Länge l = 25 m (Abbildungen oben links und rechts) sowie der Länge l = 50 m (Abbildung unten links und rechts) jeweils mit Schotterbett (Abbildungen links) und ohne Schotterbett (Abbildung rechts), mit einer gestrichelten schwarzen Linie überlagert ist der betrachtete Ansatz für die Flächen, außerhalb derer eine Belästigung durch Brückendröhnen nicht erwartet wird.

Bild 4 zeigt die Ergebnisse für Stahlbrücken der Länge 25 m und 50 m mit und ohne Schotterbett. Außerhalb der in der Abbildung dargestellten dicken roten Linien ist nicht von einer Belästigung durch das Brückendröhnen auszugehen.

Im nächsten Schritt wurden anhand der Berechnungen Bereiche um die Brücken definiert, außerhalb derer eine Belästigung durch ein Brückendröhnen nicht zu erwarten ist. Für Stahlbrücken mit Schotterbett ist dabei ist ein vereinfachter Ansatz ausreichend und es wurde ein von der Brückenlänge abhängiger rechteckiger Bereich um die Brücke definiert. Bei direkt befahrenen Stahlbrücken ist dagegen eine detailliertere Beschreibung des Bereichs erforderlich, wobei auch die Winkelabhängigkeit der Schallabstrahlung von der freien Strecke und der Brücke berücksichtigt wird.

Bild 5 Maximaler Abstand zur Brückenmitte, in dem senkrecht von der Gleisachse eine Belästigung durch das Brückendröhnen nicht ausgeschlossen werden kann.

Bild 5 zeigt die Abhängigkeit des maximalen Abstandes zur Brückenmitte, in dem bei einer schützenswerten Nutzung senkrecht von der Gleisachse eine Belästigung durch ein Brückendröhnen nicht ausgeschlossen werden kann.

Schlussfolgerungen

Im Projekt ZIP Brückenleitfaden sollte ein Verfahren erarbeitet werden, welches die Entscheidung für die Notwendigkeit von Maßnahmen zur Reduktion des Brückendröhnens bei geplanter Sanierung oder Ersatz einer Stahlbrücke unterstützt. Sofern aufgrund der Lage der schutzbedürftigen Nutzungen bei der betrachteten Brücke nicht von einer Belästigung auszugehen ist, besteht bei der Sanierung bzw. Erneuerung der Brücke keine Notwendigkeit zur Reduktion des Brückendröhnens. Durch Prognose der Schallabstrahlung der Brücke und der Strecke lassen sich die Bereiche ermitteln, außerhalb derer mit hoher Wahrscheinlichkeit keine Belästigung von Anwohnern durch Brückendröhnen auftritt. Hierfür wurde für Stahlbrücken mit Schotterbett ein von der Brückenlänge abhängiger rechteckiger Bereich um die Brücke definiert, für die direkt befahrenen Stahlbrücken wurde die berechnete Abstrahlcharakteristik detaillierter berücksichtigt.

Bild 6. Entscheidungsbaum für die Notwendigkeit von Maßnahmen zur Reduktion des Brückendröhnens bei geplantem Ersatz oder Sanierung von Stahlbrücken.

Bild 6 fasst die Ergebnisse in einem Entscheidungsbaum zusammen.

Die dargestellten Ergebnisse stellen ein Worst-Case-Szenario dar, da die Brücken lediglich über zwei planparallele Flächen modelliert wurden und keine Reflexionen bzw. Abschirmungen zwischen der Brücke und dem Immissionspunkt betrachtet wurden. Daher kann nur die Aussage getroffen werden, dass außerhalb der definierten Bereiche um die Brücke mit hoher Wahrscheinlichkeit davon ausgegangen werden kann, dass keine Belästigung von Anwohnern durch das Brückendröhnen auftritt. Eine Aussage zur Betroffenheit innerhalb der definierten Bereiche ist dagegen nicht möglich.

¹⁾Stahlbrücken, bei denen die Schienen über Brückenbalken oder direkt auf der Brückenkonstruktion aufgebracht sind und im Weiteren auch als Stahlbrücken ohne Schotterbett bezeichnet werden