22.02.2018

Mit „High Speed“ zum idealen Tunnel

Bis zu 300 km/h bringen heutige Hochgeschwindigkeitszüge auf die Schiene. Schallforscher/innen der ÖAW entwickeln physikalische Formeln, um Tunnel für diese „High Speed Trains“ möglichst lärm- und umweltschonend zu gestalten.

Wer neben oder über einem Eisenbahntunnel wohnt, bekommt zunächst vielleicht gar nicht so viel vom Zugverkehr mit. Lärm entsteht kaum. Die Störung verläuft subtiler: Bodenerschütterungen und der so genannte Sekundärluftschall zermürben Anwohner/innen erst allmählich, vor allem, weil sie nichts dagegen tun können. Denn gegen die Erschütterungen und die tiefen Bassfrequenzen, die bei einer Tunnelquerung an der Oberfläche entstehen, hilft es auch nichts, Fenster und Türen zu schließen, da sie die gesamte Struktur eines Hauses betreffen.

Umso wichtiger ist es daher, diese unerwünschten Nebeneffekte bereits bei der Planung moderner Tunnel zu berücksichtigen. Ein Team rund um Holger Waubke vom Institut für Schallforschung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) forscht im Projekt „Railway vibrations from tunnels“ an einer möglichst effizienten Methode, um Parameter wie die Bodenbeschaffenheit, Tunnellänge, Zugbauweise und -geschwindigkeit in ein Verhältnis zu setzen und wirksame Maßnahmen gegen den „subtilen Lärm“ treffen zu können.

Eisenbahntunnels baut man seit fast 200 Jahren. Warum sind heute neue Berechnungen notwendig?

Holger Waubke: Die neuen Hochgeschwindigkeitszüge erfordern den Bau vieler neuer Tunnel, die zudem immer näher an bebautes Gebiet heranrücken. Zugleich werden manchmal Tunnel gebaut, die gar nicht unbedingt erforderlich wären, sondern vor allem dem Lärmschutz und der Reduzierung des Geländeverbrauchs dienen. Gerade bei solchen Tunneln ist der Erschütterungsschutz wichtig. Unser Rechenmodell soll dazu beitragen, die Messdaten, die man heute zuverlässig erheben kann, auch richtig einzuordnen. Bisherige Prognosemodelle, die auf einfachen Ersatzmodellen beruhten, hatten eine Ungenauigkeit von +/- 10 Dezibel. Wir arbeiten an einer Methode, die wesentlich genauer sein soll.

 

Es ist heute möglich, Unterschottermatten unter den Schienen zu verlegen oder eine Bahntrasse „elastisch“ zu konstruieren.


Wie funktioniert Ihre Methode?

Waubke: Für Laien sind das wahrscheinlich spanische Dörfer: Unsere Simulation kombiniert zwei Verfahren. Die Randelemente-Methode mit ausschließlich numerisch gegebener Greenscher Funktion und eine Finite Elemente-Methode für Tunnel und Oberbau, beides in 2.5D.

Ich versuche kurz, das zu erklären: Die Greensche Funktion ist die Ausbreitung einer Welle in einem Medium ohne Umrandung. Wir setzen dazu die Randelemente-Methode ein, um nur die Tunnelumrandung berechnen zu müssen. Ein Vorteil dieses Verfahrens ist, dass Wellen bis in große Entfernungen ohne zusätzlichen Aufwand simuliert werden können.

Dazu kommt die Finite Elemente-Methode, eine dreidimensionale Berechnung, bei der sich die Geometrie in Tunnellängsrichtung nicht verändert, während sich die Wellen dreidimensional ausbreiten können.

Moderne Züge fahren immer schneller. Wie reagieren sie mit Ihren Berechnungsmethoden darauf?

Waubke: Unser Modell soll auch Effekte der Bewegung des Zuges enthalten. Zu nennen ist hier insbesondere der Doppler-Effekt, also die zeitliche Dehnung bzw. Stauchung des Signals und eine damit verbundene Frequenzverschiebung. Der Doppler-Effekt gewinnt immer mehr an Bedeutung, eben weil die Geschwindigkeiten der Personenzüge in den letzten Jahren gestiegen sind.

Wie können Tunnelbauer auf die mit Ihrer Methode erhobenen, präzisen Voraussagen reagieren? Lässt sich die Vibration überhaupt verhindern?

Waubke: Es ist heute zum Beispiel möglich, so genannte Unterschottermatten unter den Schienen zu verlegen oder die Trasse überhaupt „elastisch“ zu konstruieren, auf einer Basis, welche die Erschütterung abfedert. Diese „Masse-Feder-System“ genannte Methode ist aber sehr kostspielig und wird vom Bauträger daher genau erwogen.

Bei der Erneuerung der Wendeanlage der U2 am Wiener Karlsplatz spielte die Vermeidung von hörbarem Sekundärluftschall eine große Rolle: wegen des nahe gelegenen Musikvereins.


Setzt man solche Maßnahmen vor allem in dicht besiedelten Gebieten?

Waubke: Ja, es geht primär um den Schall- und Erschütterungsschutz für Anrainer. Von unserer Arbeit könnte zukünftig aber auch die Industrie profitieren, so gibt es zum Beispiel eine Chipfertigung, die nach Vorbeifahrt eines Zuges ihre Wafer – also die hauchfeinen Halbleiterplättchen – entsorgen muss, weil sie durch die Erschütterung unbrauchbar geworden sind.

Oder, ein anderes Beispiel: In Wien spielte bei der Erneuerung der Wendeanlage der U2 am Karlsplatz die Vermeidung von hörbarem Sekundärluftschall eine große Rolle: wegen des nahe gelegenen Musikvereins. Es gibt also viele Orte, für die unsere Arbeit in Zukunft wichtig werden könnte.