Symulacje MES propagacji fali akustycznej w otoczeniu konstrukcji nawierzchni szynowej

• Autorzy: Zbiciak Artur , Józefiak Kazimierz , Czubacki Radosław , Chacińska Patrycja

Warianty tytułu

EN

FEM simulations of acoustic wave propagation in the vicinity of the railroad structure

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Hałas jest jednym z podstawowych problemów środowiskowych. Występuje głównie w obrębie dużych aglomeracji miejskich, negatywnie wpływając na samopoczucie, a przy długotrwałej ekspozycji – będąc szkodliwym dla zdrowia. Obszary, na których przebywają ludzie, w szczególności tereny związane z budownictwem mieszkaniowym, podlegają ochronie przed hałasem. Obowiązują tam określone dopuszczalne wartości poziomu dźwięku. Podobne regulacje dotyczą również cennych, naturalnych obszarów środowiskowych. Działania ochronne zmierzające do ograniczenia hałasu powinny dotyczyć przede wszystkim jego źródła. Jest to zadanie dla producentów maszyn, urządzeń i środków transportu, ale również dla projektantów konstrukcji stosujących odpowiednie zabezpieczenia akustyczne w obiektach budowlanych i inżynierskich. W przypadku hałasu emitowanego przez kolej, jego poziom emisji zależy od liczby, rodzaju i prędkości pociągów, struktury ruchu z podziałem na porę dzienną i nocną, a także od rodzaju torowiska i jego przebiegu (np. na nasypie, w wykopie, na wiadukcie albo na moście). Hałas kolejowy powstaje głównie na styku koła i szyny; zależy od chropowatości obu tych elementów, prędkości toczenia oraz charakterystyki dynamicznej toru. W pracy przedstawiono sformułowanie sprzężonego zagadnienia mechaniczno-akustycznego, którego rozwiązanie – przy wykorzystaniu metody elementów skończonych (MES) – pozwala na symulacyjne określenie poziomu ciśnienia akustycznego w dowolnym punkcie otoczenia konstrukcji nawierzchni szynowej. W celu symulacji zjawiska propagacji fali akustycznej wywołanej przejazdem koła pociągu zbudowano model numeryczny konstrukcji kolejowej nawierzchni podsypkowej. W obliczeniach wykorzystano program MES Abaqus. Przeprowadzono analizę harmoniczną w dziedzinie częstotliwości. W wybranych punktach modelu numerycznego badano zależność amplitudy ciśnienia akustycznego od częstotliwości wymuszenia. Następnie, wyniki przedstawiono w pasmach tercjowych. W artykule została omówiona metodyka przybliżonej oceny hałasu od ruchu kolejowego na podstawie analizy numerycznej. Przygotowany model zostanie w dalszych pracach zweryfikowany na podstawie pomiarów hałasu oraz – po ewentualnych modyfikacjach – zastosowany do oceny rozwiązań technologicznych mających na celu redukcję hałasu kolejowego (tłumiki torowe i tłumiki przyszynowe).

EN

Noise is one of the major environmental concerns nowadays. The problem is especially significant around large urban agglomerations where high levels of noise can have a negative impact on physical or psychological well-being of citizens while a long-term exposure can be harmful to health. Residential areas are protected by the introduction of maximum allowable sound pressure levels according to appropriate norms. There are also similar regulations concerning natural areas under environmental protection. Different measures used in order to reduce levels of noise should be applied primarily to the source of the sound. This is the task mainly for the manufacturers of all kinds of machines as well as means of transport. However, noise levels can be also controlled by the introduction of appropriately designed or chosen elements or materials in civil engineering structures. The noise levels emitted by the rail traffic depend on the number, kind and speed of trains, night and day traffic organization as well as on the type of the railroad structure and its location (e.g. on an embankment, on a bridge or flyover). Railway noise mainly develops between wheels and rails and depends on the roughness of both these elements, rolling speed and dynamic characteristics of the railroad. The paper presents the mathematical formulation of a coupled acoustic-structure problem. Solving the problem with finite element method gives the possibility to predict sound pressure levels in the vicinity of a railway structure. A numerical model of a certain type of a railroad structure was built in order to simulate the acoustic wave propagation caused by a wheel-rail interaction. The harmonic analysis was carried out using the Abaqus software. The acoustic pressure obtained based on the harmonic analysis was evaluated in certain points of the acoustic medium for various excitation frequencies. The final results were presented in the form of one-third octave bands. In the article, a possible methodology for estimating noise levels from railway structures based on a numerical analysis was shown. In the future works, the numerical model will be validated by field test data and applied to evaluate different types of technological solutions (silencers) used to reduce railway noise levels.

Słowa kluczowe

PL

metoda elementów skończonych; akustyka; hałas kolejowy

EN

finite element method; acoustics; railway noise

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Komunikacji Rzeczpospolitej Polskiej
• Czasopismo: Przegląd Komunikacyjny
• Rocznik: 2020
• Tom: R. 75, nr 9
• Strony: 8--14
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., rys., tab., wykr., wz.

Twórcy

autor

Zbiciak Artur

• Wydział Inżynierii Lądowej Politechnika Warszawska

autor

Józefiak Kazimierz

• Wydział Inżynierii Lądowej Politechnika Warszawska

autor

Czubacki Radosław

• Wydział Inżynierii Lądowej Politechnika Warszawska

autor

Chacińska Patrycja

• Instytut Ochrony Środowiska Państwowego Instytutu Badań, Warszawa

Bibliografia

• [1] Bukowski J., Mechanika płynów, PWN, Warszawa, 1959
• [2] Brzeziński K., Kraśkiewicz C. i in., Tłumiki torowe i przyszynowe jako innowacyjne rozwiązania dla ochrony ludzi i środowiska przed hałasem od ruchu kolejowego, Zeszyty Naukowo-Techniczne SITK RP Oddział w Krakowie, 2018, 1, 33-46
• [3] Dassault Systèmes, Abaqus Analysis User’s Manual Ver. 6.16, Dassault Systèmes, 2016
• [4] Dyrektywa Komisji UE 2015/996 z dnia 19 maja 2015 r. ustanawiająca wspólne metody oceny hałasu zgodnie z dyrektywą 2002/49/ WE Parlamentu Europejskiego i Rady
• [5] Engel Z., Ochrona środowiska przed drganiami i hałasem, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1993
• [6] PN-EN 15528: 2015-12, Kolejnictwo - Klasyfikacja linii w odniesieniu do oddziaływań pomiędzy obciążeniami granicznymi pojazdów szynowych a infrastrukturą, 2015
• [7] Fung Y. C. Podstawy mechaniki ciała stałego, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 1965
• [8] Kucharski R. i in. Wytyczne do sporządzania map akustycznych, GIOŚ, IOŚ-PIB, Warszawa, 2016
• [9] Lipowczan A., Podstawy pomiarów hałasu, Główny Instytut Górnictwa i Liga Walki z Hałasem, Warszawa-Katowice, 1987
• [10] Makarewicz R. Dźwięki i fale, Wydawnictwo Naukowe UAM, Poznań, 2017.
• [11] Nurzyński J. Akustyka w budownictwie, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 2018
• [12] Reken - en Meetvoorschrift Railverkeerslawaai ‘96, Ministerie Volkshuisvesting, Ruimtelijke Ordening en Milieubeheer, 20.11.1996
• [13] Souli M., Benson D. J. (Ed.), Arbitrary Lagrangian-Eulerian and Fluid-Structure Interaction, WILEY, 2010
• [14] www.eea.europa.eu/airs/2018/environment-and-health/environmental-noise, 2019
• [15] Zhang Q., Song C. Multiphysics Modeling. Numerical Methods and Engineering Applications, Elsevier, 2016