Stomljud- och vibrationspåverkan lila linje Analys inför linbaneprojektering. Åsa Collet ÅF,

Transkript

1 Stomljud- och vibrationspåverkan lila linje Analys inför linbaneprojektering Åsa Collet ÅF,

2 Frågeställning: Stomljud och komfortvibration Vilken påverkan finns till omgivningen med en linbana i Göteborg? Linbanans genererar dynamiska störningar i form av vibrationer (kontinuerligt) och stötar (gondolerna avgång och ankomst, ca 45 s mellanrum vid linbanehastighet 6 m/s) Vibrationer och stötar kan dels gå ut i mark och nå den bebyggelse som finns i närheten av dess bana och skapa komfortvibrationer och stomljud samt skapa komfortvibrationsproblem i gondolerna. 2

3 Sammanfattning Vibrationerna från en 3S linbanas station (mätningar STUBAITAL) domineras av stötar. Stötförlopp genereras vid gondolernas avgång och ankomst. Vibrationer från linbanan som tydligast syns från mätningarna i STUBAITAL kan sammanfattas att härstamma från: Drivmotorns varvtal 1 x rpm, frekvensområde: f < 2 Hz Tornens rassel från linornas kontakt med rullbatterier, frekvensområde f= 0-3 Hz Linornas interaktion med rullar och löphjul som återfinns i stationer och torn. Här ses tre olika fenomen som kallas Strand (f= Hz), Lay (f=5-22 Hz) och Polygonaleffekt på stora löphjul (f=1-4 Hz). En 3S-linbana på lila linjen bedöms ge liten påverkan på sin omgivande ljud och vibrationsmiljö, förutsatt att fundament och torn dimensioneras att inte ha resonanser som sammanfaller med de ovan listade naturliga linbanefrekvenserna. Dock finns undantag. Detta berör extra känsliga verksamheter där extra tuffa krav kan ställas som teatrar, exempel Folkteatern, och industrier/sjukhus med känslig apparatur där individuella bedömningar får göras. Strand inducerade vibrationer från linornas interaktioner bedöms ge mest påverkan till stomljud. Högre risk för stomljud till omgivningen återfinns där markegenskaper är av berg än vid lera. De mer lågfrekventa vibrationerna under 80 Hz sprids lättare i lerjordar än i berg och ger oftare komfortvibrationer än stomljud. De lay orsakade vibrationerna bör minimeras för gondolerna komfort eftersom dess frekvensområde kan lätt sammanfalla med passagerarnas resonansfrekvenser. 3

4 Rekommendationer En geoteknisk undersökning av utpekade platser för placering av stationer och torn ska föranleda beslut om exakt placering för torn och stationer. Vid upphandling av linbaneleverantör ska förfrågningsunderlaget innehålla kravsättning av ljud och vibrationer i konkreta siffervärden. Inga subjektivt krav ska användas t.ex. ska inte störa mm. Vald leverantör ska kunna redovisa resonansfrekvenser av kritiska komponenter i linbanesystemet så som de stora löphjulen i stationerna, gondolerna systemupphängning mm. Konstruktörer av fundamentering till station och torn ska designa anläggningen tillsammans med akustiker/strukturdynamiker/rotordynamiker för att säkerställa att de dynamiska störningarna minimeras till maskin, komponenter och omgivning. 4

5 Underlag till analys, referenser 1. Linbanemätning på 3S bana i Stubaital den 3 maj 2017 utförd av SSD. Rapport från SSD och kompletterande analys av uppmätta tidssignaler ÅF. 2. Nulägesanalys av ljud och vibrationer på Folkteatern den 12 juni 2017 utförd av ÅF 3. Stomljud och vibration lila linje Folkteatern utförd av ÅF 4. Strand-induced vibration of sheave and rope, Oplatka G, Vaclavic P, ISR5/ Running wire ropes in ropeways, wire44(1994) 1 6. Lateral-Axial coupling and boundary conditioning of vibrating strings and cables, Chien-Yu Chen ÅFs samlade erfarenheter av vibrationer och stomljud. 5

6 Innehållsförteckning Lila linjes bansträckning OH 7-17 Sammanställning spännvidder OH Referensmätning STUBAITAL avvikelser/begränsningar OH 20 Resultat 1-4 OH Vibrationer orsakade av linans interaktion Förslag till kravsättning stomljud och vibration OH OH Analys av STUBAITAL med tillhörande tid/frekvenskurvor OH

7 Linbana lila linje Torn: P1-P6 Fyra stationer: Järntorget-Lindholmen-Västra Ramberget- Wieselgrensplatsen Lindholmen Västra Ramberget (drivstation & garage) P2 P3 P4 P1 P5 Järntorget P6 Wieselgrensplatsen 7

8 Station Järntorget med torn P1 Spännvidd Järntorget-P =116 m Tornhöjd P1: 65 m P1 P1 8

9 Torn P1 och P2 Över älven P1 P2 P1: 65 m hög Spännvidd P1-P2 776 m P2: 125 m hög 9

10 Station Lindholmen med torn P2 125 m P2 Spännvidd P2-Lindholmen =273 m Tornhöjd P2: 125 m P2 10

11 Station Lindholmen med torn P3 Spännvidd P3-Lindholmen =347 m Tornhöjd P3 optiona = 130 m Tornhöjd P3 optionc = 105 m 11

12 Station Västra Ramberget med torn P3 och P4 Spännvidd P4-P3 option A/C = =357 m Tornhöjd P3 option A =130 m Tornhöjd P3 option C =105 m P3 P4 P3 P4 12

13 Västra Ramberget Spännvidd P4-Västra Ramberget =77 m Tornhöjd P4: 58 m P4 P4 13

14 Station Västra Ramberget Drivstation och garage 14

15 Västra Ramberget Spännvidd Västra Ramberget P =159 m Tornhöjd P5: 87 m P5 P5 15

16 Torn P5 och P6 Mellan Västra Ramberget och Wieselgrensplatsen P5 P6 P5: 87 m hög Spännvidd P5-P =576 m P6: 115 m hög 16

17 Wieselgrenplatsen P6 Spännvidd P6-Wieselgrenplatsen =159 m Pelarhöjd P6: 203 m P6 17

18 Spännvidder mellan torn och stationer Sammanställning Stäcka Spännvidd [ m] Heltalsmultipel av kortaste spännvidd Järntorget - P *P1 P P2 - Lindholmen Lindholmen P P3 P P4 Västra Ramberget 77 1 Västra Ramberget P *P5 - P P6 - Wieselgrensplatsen * Referensmätning på torn i Stubaital har jämförbar spännvidd. Dock är tornet i Stubaital mycket kort, endast 18 m.

19 Kommentarer till linans spännvidder mellan torn och stationer Linbanesträckan P1 P2 & P5 - P6 har båda ca 9-12 gånger längre spännvidder än kortaste sträckan Järntorget - P1. Långa spännvidder ger lägre egenfrekvenser, se OH30, för vad som påverkar dessa egenfrekvenser. Låga egenfrekvenser kan ge komfortproblem i gondolerna. Torn/Stationer med de längsta spännvidderna och höjderna bör särskilt dimensioneras dynamiskt noggrant map. vindlast och resonans. Isbildning av linor med vindlast kan snabbt förvärra både ljud och vibrationsbilden. Långa spännvidder ger högre risk till att få ojämn beklädnad av is. 19

20 Referensmätning Stubaital Avvikelser/begränsningar till Göteborgs linbana En vibrationsreferensmätning på 3S linbana i Stubaital finns tillgängligt i detta projekt för att bättre förstå vibrationsbilden från en liknande tilltänkt 3S-linbana dvs. vilka toner förväntas en linbana av jämförbar storlek kunna generera. Ingen linbaneleverantör är vald till Göteborg och därmed ingen design eller dimensionering föreslagen. Markförhållandena i Stubaital är naturligtvis inte jämförbara till lerjordarna i Göteborg och kommer att påverkar den dynamiska responsen av installerad linbana. Endast vibrationsmätningar är utförda på fundament till drivstation, vändstation och torn. Ljudmätningar saknas. 20

21 Resultat 1: Vändstationen ger högre vibrationer än drivstationen mm/s Real mm/s Real mm/s Real mm/s Real Vändstation Drivmotorstation s s s F 6Z F 10:5Z s F F 2Z 1Z 1.00 Amplitude Amplitude Amplitude Amplitude

22 Resultat 2 : maximala vibrationsnivåer skapas av stötförlopp som uppträder med tidsintervallet mellan gondolpassager på driv- och vändstationer. 3.84e e e e e e e-3 Curve Axis Range Axis Range Axis Range s 0.17e e s -0.25e e s 0.50e e s m/s m/s Real 0.50e e e-3 Banhastighet 5m/s F 6Z Banhastighet 6m/s Banhastighet 7m/s -1.50e e e s

23 Resultat 3: Torn ger dominanta lågfrekventa vibrationer Gondolpassager vid torn ger upphov till lågfrekventa rassel. Mätningar i Stubaital visar att tornen lätt rasselexciteras i frekvensområdet 0-3 Hz med vibrations amplituder i magnitud 3 mm/s rms. Mätresultat på fundament till torn 6 i Stubaital. 23

24 Resultat 4: Linans interaktion med löphjul i stationer och rullbatterier i torn är en naturlig källa till vibrationsalstring löphjul i station rullbatteri i torn 24

25 Linans förmåga att skapa vibrationer under interagerande med olika runda hjul Vibrationerna härstammar ofta från linans skrovlighet som under färd löper över rullarna i tornens rullbatterier och runt de stora löphjulen i driv- och returstationer. Både de mindre rullarna och de stora löphjulen är tyvärr inte heller perfekt runda med resultat att vibrationer uppstår när linbanan är i drift. Den skrovliga linans ytterkontur med 6 vridna band över en lincykel. Stora löphjul som inte är perfekt runda Linans naturliga vågighet

26 Reporsakade vibrationer Strand = band Strand inducerade vibrationer varierar med banhastighet och återfinns typiskt i frekvensområdet Hz för en lina med 6 ytterband och en repdiameter av 40 mm. Time s m/s Spectrum vel_x WF 585 [ s] 6 m/s 7 m/s Hz e Amplitude (RMS) mm/s Lina med 6 band (=strand) Exempel från Stubaital med vibrationstoner orsakade av linans strand ger vibrationer i storleksordning 30 μm/s rms till fundament och torn Två olika repdiameter 46 mm och 54 mm ger två toner för varje banhastighet 26

27 Reporsakade vibrationer Lay inducerade vibrationer Lay inducerade vibrationer varierar med banhastighet och återfinns typiskt vid ca 5-22 Hz för en lina med 6 ytterband och rep-diameter 40 mm. Dessa vibrationer kan kännas obehagliga för passagerare i gondolerna eftersom människokroppen har sin resonanser i detta frekvensområde. lay inducerad vibration vid Hz och banhastighet 6 m/s lay längd Exempel från Stubaital med vibrationstoner orsakade av linans lay ger vibrationer mellan Hz i storleksordning m/s rms till motorfundament. 27

28 Vibrationer pga. polygonaleffekt i stora löphjul Löphjulets orundhet blir som roterande tappa när linan löper längs med hjulet. För stora löphjup, ca 3 m, och banhastigheter mellan 4-6 m/s erhålls lågfrekventa toner mellan 1-4 Hz. Exempel från Stubaital med vibrationstoner orsakade av polygnonaleffekt vid 2 Hz, lay vid Hz och strand vid 105 Hz. Uppmätta vibrationsnivåer vid 2 Hz (=polygonaleffekt) är i storleksordningen 0.1 mm/s rms

29 Linan Bör väljas med omsorg! Linan bör väljas så att den passar dynamiskt in i linbanesystemet dvs. Tornens och stationernas egenfrekvenser ska dimensioneras så att de inte sammanfaller med de naturliga rep-orsakade vibrationer. Kritiska komponenter så som linbanerullarna vid tornen och de stora löphjulen i stationerna ska i linbanesystemet vara fria från resonans vid tonerna för strand, lay och polygonal inducerade vibrationer Linornas spännvidd mellan torn och stationer ska väljas så att dess resonanser inte sammanfaller med de naturliga excitationerna från linbanans drift. Finns åtgärd för att förhindra att is bildas på linan så bör det beaktas. 29

30 Egenfrekvenser av linor/rep Mersenne's lag En linas egenfrekvensen (f) mellan två pelare/stationer beror av linans längd (L), spännkraften (T) och linans massa per meter längd (μ). Vågens utbredningshastighet i linan är v. Svängningsform för 1:a egenfrekvensen mellan två torn/stationer Svängningsform för 2:a egenfrekvensen mellan två torn/stationer Svängningsform för 3:e egenfrekvensen mellan två torn/stationer

31 Förslag till kravsättning stomljud & vibrationer 31

32 Människors känslighet mot stomljud och vibration Känseltröskeln för individer varierar inom vida gränser, bl. a beroende av vilket psykologiskt tillstånd personen befinner sig i och av vad man för tillfället sysslar med. En teaterverksamhet kan inte jämföras med generella riktlinjer för t.ex. ett kontor eller bostad utan behöver ha ett striktare krav. Enligt ISO 2631 är känseltröskeln den enda säkra undre gränsen om man vill undvika uppfatta vibrationer Ett snittvärde för känseltröskeln, dvs. den nivå där man känna en vibration, är ca 0,1-0,3 mm/s i frekvensområdet Hz. En vibration kan förstärkas typiskt 10 gånger vid resonans vilket betyder att en mycket liten vibration, under känslighetströskeln, kan bli störande om den interfererar med markens eller byggnadsstommens resonans 32

33 Riktvärden och förordning om trafikbuller Det finns riktvärden för bullerimmissioner, dvs. riktvärden för hur mycket det får bullra i olika miljöer. Som långsiktigt mål samt vid nybyggnation eller väsentlig ombyggnad av trafikinfrastruktur anges i prop 1996/97:53 riktvärden för bostadsbebyggelse. Följande riktvärden för trafikbuller bör normalt inte överskridas: 30 dba ekvivalentnivå inomhus. 45 dba maximalnivå inomhus nattetid. 55 dba ekvivalentnivå utomhus (vid fasad)*. 70 dba maximalnivå vid uteplats i anslutning till bostad. I de fall utomhusnivån inte kan reduceras till nivåer enligt ovan bör inriktningen vara att inomhusvärdena inte överskrids *Trafikverket 33

34 Stomljud och komfortstörande vibrationer Stomljud förekommer frekvensmässigt till största delen inom de lägre delarna, Hz av normalhörande människors hörselområde Hz. Stomljud beskrivs ofta som ett lågfrekvent buller som inte går att riktningsbestämma i rummet. Stomljud har en lågfrekvent ljudkaraktär eftersom marken, grundläggningen och byggnadens golv och väggar släpper igenom låga frekvenser och hindrar höga. Då stomljudet överförs från hela golvytan eller från en vägg kan det upplevas som mer störande än luftburet buller som tydligt kan identifieras komma från en riktning För svenska förhållanden är vibrationerna oftast i frekvensområden 5 20 Hz, men hela området 1 80 Hz omfattas av den svenska standarden, SS * I de fall linbanan går på jordarter med stor elasticitet som till exempel lera minskar risken för stomljudsstörningar men samtidigt ökar risken för vibrationer. Anledningen är att dessa jordarter har en hög dämpning av frekvenser som överför stomljud, men en liten dämpning av låga frekvenser som kan leda till komfortstörande vibrationer. *SIS, SS Vibrationer och stöt mätning och riktvärden för bedömning av komfort i byggnader. 34

35 Riktvärden stomljud Sverige saknar nationellt beslutade riktvärden för stomljud från trafik men sedan ett antal år tillbaka så används så kallade projektspecifika riktvärden vid planering och byggande av infrastruktur nära bostäder. Det finns även kommuner som antagit riktvärden för stomljud. Merparten av dessa riktvärden har varit angivna som en maximalnivå med tidsvägning slow, L pasmax 30 dba Inom den nationella bullersamordningen har två riktvärden föreslagits, ett maximalt med tidsvägning fast LpAFmax 35 dba, och ett gällande ekvivalent nivå under ett dygn LpAEq,24h 30 dba*. *Naturvårdsverkets nationella bullersamordning. 35

36 Analys av vibrationsmätningar utförda på 3S bana i Stubaital 36

37 Information om Stubaital banan 37

38 Referensmätning på 3S bana i Stubaital 38

39 Resultat från vändstationen 39

40 Vändstationens mätpunkter Mätpunkt 5 & 6 är redovisade i denna rapport 40

41 Tidssignal mätpunkt 5:Z 3.84e e-3 Stöt e e e-3 Stöt 1 F 8:5X F 9:5Y F 10:5Z Stöt 3 Stöt e e-3 m/s Real 0.50e e-3 Short transients -1.00e e e e s

42 Mätpunkt 5:Z hastighet: 5 m/s tidsintervall: s dominanta frekvenser: 8 Hz, 87 Hz vibrationshastight: 8 Hz 0.7 mm/s 8 Hz Stöt 1 42

43 Mätpunkt 5:Z hastighet: 6 m/s tidsintervall: s dominerande frekvenser: 11 Hz, 106 Hz vibrationshastighet: 1.0 mm/s 11 Hz Stöt 2 43

44 Mätpunkt 5:Z hastighet: 6 m/s tidsintervall: s dominerande frekvenser: 9 Hz, 14 Hz, 107 Hz vibrationshastighet: 0.7 mm/s 9 Hz & 14 Hz Stöt 3 44

45 Mätpunkt 5:Z hastighet: 7 m/s tidsintervall: s dominerande frekvenser: 10 Hz, 123 Hz vibrationshastighet: 0.7 mm/s 10 Hz Stöt 4 45

46 Tidssignal för mätpunkt 6:Z 3.84e e e-3 F F F 6X 6Y 6Z 2.50e e e-3 Stöt 1 Stöt 2 Stöt e-3 m/s Real 0.50e e e e e e s

47 Mätpunkt 6:Z hastighet: 5 m/s tidsintervall: s dominerande frekvenser: 9 Hz, 13 Hz, 87 Hz vibrationshastighet: 1.1 mm/s 9 & 13 Hz Stöt 1 47

48 Mätpunkt 6:Z hastighet: 6 m/s tidsintervall: s dominerande frekvenser: 9 Hz, 12 Hz, 105 Hz vibrationshastighet: 0.6 mm/s 9 & 12 Hz Stöt 2 48

49 Mätpunkt 6:Z hastighet: 7 m/s tidsintervall: s dominerande frekvenser: 13 Hz, 123 Hz vibrationshastighet: 1.0 mm/s 13 Hz Stöt 3 49

50 Drivstationen

51 Mätpunkter 1-4 drivstationen mätpunkter 1-3 redovisade i denna rapport

52 Mätpunkt 1:Z 6.00e e e e e e F F F 1X 1Y 1Z m/s Real -1.00e e e e e-3 Stöt 2 Stöt 3 Stöt e-3 Stöt e e s 1593

53 Mätpunkt 1:Z hastighet: 5 m/s tidsintervall: s dominerande frekvens: 2 Hz vibrationshastighet: 3.8 mm/s 2 Hz Stöt 1

54 Mätpunkt 1:Z hastighet: 5 m/s tidsintervall: s dominant frekvens: 14 Hz vibrationsnivå: 0.8 mm/s 14 Hz Stöt 2

55 Mätpunkt 1:Z hastighet: 6 m/s tidsintervall: s dominerande frekvenser: 2, 10, 16, 105Hz vibrationsnivå: 0.3 mm/s 16 Hz Stöt 3

56 Mätpunkt 1:Z hastighet: 7 m/s tidsintervall: s dominerande frekvenser: 2,13,21,32,55,68,115 Hz vibrationsnivå : 0.3 mm/s 16 Hz Stöt 5

57 Mätpunkt e e e e-3 F F F 3X 3Y 3Z Stöt e e-3 Stöt e e m/s Real -1.00e e e e-3 Stöt e e e e e s 1601

58 Mätpunkt 3:Y hastighet: 5 m/s tidsintervall: s dominant frekvens: 2 Hz vibrationsnivå: 5.4 mm/s 2 Hz Stöt 1

59 Mätpunkt 3:Y hastighet: 6 m/s tidsintervall: s dominant frekvens: 2 Hz vibrationsnivå: 5.7 mm/s 2 Hz Stöt 2

60 Mätpunkt 3:Z hastighet: 5 m/s tidsintervall: s dominerande frekvenser: 14, 65, 82 Hz vibrationsnivå: 1.0 mm/s 14 Hz Stöt 3

61 Mätpunkt e e e e e-3 Stöt 1 F F F 2X 2Y 2Z Stöt e e-3 m/s Real -2.00e e e e e e e e s 1593

62 Measurement point 2:X speed: 5 m/s time event: s domiant frequencies: 0-5 Hz maximum: 1 Hz 5.1 mm/s rms Stöt 1

63 Mätpunkt 2:Y hastighet: 6 m/s tidsintervall: s dominant frekvens: 3 Hz vibrationsnivå: 0.6 mm/s 3 Hz Stöt 2

64 Torn

65 Mätpunkt 9 = Tornfundament nr 6

66 Förutsättning för mätningar på pelare 6 i Stubaital Stubaital banan har längre spännvidder och kortare torn än förslaget till Göteborgs bana. Pelare 6 H=18m Pelare 5 H=50m Pelare 7 H=32m 576 m 964 m 66

67 Mätpunkt e e e-3 F F F 9x 9y 9z 1.00e e m/s Real -0.50e e e e e F F F 9x 9y 9z e e s mm/s Real Curve Freq (1/Δt) RMS s Hz 1.48 mm/s Hz 0.90 mm/s Hz 1.65 mm/s s 323

68 Mätpunkt 9:Z (del 1 av 2 frekvensområde 0-10 Hz) hastighet: 5-7 m/s tidsintervall: s dominant frekvens: 0-3 Hz vibrationsnivå : 3.0 mm/s 0-3 Hz OBS, givare är inte avsedd för att mäta lägre vibrationer än 1 Hz. Resultat 0-1 Hz är därför osäkra.

69 Mätpunkt 9:Z (del 2 av 2 frekvensområde Hz) hastighet: 5-7 m/s tidsintervall: s dominant frekvenser: flertal vibrationsnivå: < 30 μmm/s rms