Национальный стандарт РФ ГОСТ Р ИСО 14837-1-2007 "Вибрация. Шум и вибрация, создаваемые движением рельсового транспорта. Часть 1. Общее руководство" (утв. приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 27 декабря 2007 г. N 586-ст)

Vibration. Ground-borne noise and vibration arising from rail systems. Part 1. General guidance

Дата введения - 1 октября 2008 г.

Введен впервые

Предисловие

Цели и принципы стандартизации в Российской Федерации установлены Федеральным законом от 27 декабря 2002 г, N 184-ФЗ "О техническом регулировании", а правила применения национальных стандартов Российской Федерации - ГОСТ Р 1.0-2004 "Стандартизация в Российской Федерации. Основные положения"

Сведения о стандарте

1 Подготовлен Открытым акционерным обществом "Научно-исследовательский центр контроля и диагностики технических систем" (ОАО "НИЦ КД") на основе собственного аутентичного перевода стандарта, указанного в пункте 4

2 Внесен Техническим комитетом по стандартизации ТК 183 "Вибрация и удар"

3 Утвержден и введен в действие приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 27 декабря 2007 г. N 586-ст

4 Настоящий стандарт идентичен международному стандарту ИСО 14837-1:2005 "Вибрация. Шум и вибрация, создаваемые движением рельсового транспорта. Часть 1. Общее руководство" (ISO 14837-1:2005 "Mechanical vibration - Ground-borne noise and vibration arising from rail systems - Part 1: General guidance").

При применении настоящего стандарта рекомендуется использовать вместо ссылочного международного стандарта соответствующий ему национальный стандарт Российской Федерации, сведения о которых приведены в дополнительном приложении D

4 Введен впервые

1 Область применения

Настоящий стандарт устанавливает общее руководство по оценке вибрации грунта (сейсмических волн), создаваемой при движении рельсовых транспортных средств, и ее воздействия на сооружения.

Приведен перечень факторов, которые необходимо принимать во внимание при анализе вибрации грунта, и дано общее руководство по построению прогностических моделей для широкого диапазона практических ситуаций (например, в целях оценки риска повреждения конструкции здания, определения воздействия вибрации на обитателей здания и размещенное в нем оборудование).

В настоящем стандарте рассмотрены характеристики:

- источника вибрации (транспортное средство, колеса, рельсы, рельсовый путь, опорная конструкция);

- пути распространения вибрации (состояние грунта, расстояние до объекта воздействия);

- объекта воздействия (фундамент, вид сооружения).

Установленное руководство распространяется на рельсовые транспортные средства всех типов и все способы укладки рельсового пути (по земле, на эстакаде, в туннеле).

Настоящий стандарт не распространяется на вибрацию, возникающую в процессе строительства рельсовых коммуникаций и их технического обслуживания.

Настоящий стандарт не распространяется на шум, излучаемый в окружающую среду искусственным сооружением (эстакадой) при прохождении по нему рельсового транспортного средства.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующий стандарт:

ИСО 2041:1990 Вибрация и удар. Термины и определения

3 Термины и определения

В настоящем стандарте применены термины по ИСО 2041, а также следующие термины с соответствующими определениями.

3.1 передаваемая (через грунт) вибрация: Вибрация, создаваемая при прохождении рельсового транспортного средства, распространяющаяся в виде сейсмических волн по земной поверхности или через искусственные конструкции и воздействующая на сооружения.

3.2 переизлученный шум: Шум, порождаемый внутри зданий вибрацией, передаваемой через грунт вследствие движения рельсового транспортного средства.

Примечание - Переизлученный шум не включает в себя акустический шум, непосредственно излучаемый источником в воздушную среду.

3.3 параметр модели: Коэффициент или функция, характеризующий(ая) поведение физического объекта в рамках данной математической модели.

3.4 элемент модели: Важная составляющая физической системы, описываемой моделью.

3.5 разработка модели: Создание математического описания физического объекта.

Примечание - Разработка модели представляет собой итерационную процедуру, в ходе которой параметры, компоненты и общий вид модели уточняют, чтобы прогнозные и полученные в результате измерений значения параметров наилучшим образом соответствовали друг другу.

3.6 калибровка модели: Подгонка модели, осуществляемая с целью обеспечить наилучшее согласие выходных данных модели с результатами измерений.

3.7 тестирование модели: Сравнение выходных данных модели с результатами измерений, не использованными при разработке и калибровке модели.

3.8 проверка модели: Подтверждение соответствия результатов, полученных с помощью математической модели объекта, поставленной задаче моделирования.

3.9 показатель: Параметр, через который задают критерии оценки и значения которого получают в результате измерений или прогноза.

3.10 вносимое усиление: Отношение между значениями показателя после и до внесения изменений в систему.

Примечания

1 Уменьшение показателя соответствует отрицательному вносимому усилению при его выражении в децибелах.

2 "Вносимое усиление" является рекомендуемым термином, однако наряду с ним также используют термин "вносимые потери". Уменьшение показателя соответствует положительным вносимым потерям при их выражении в децибелах.

3.11 неподрессоренная масса: Общая масса колес, осей, тормозных дисков, двигателя с осевой подвеской, редукторов и других элементов рельсового транспортного средства, расположенных ниже системы его подвески.

4 Общие сведения о передаваемой вибрации и переизлученном шуме

4.1 Предмет исследования

Вибрация, передаваемая через грунт, и переизлученный шум могут вызывать неприятные ощущения у людей, находящихся в зданиях. Указанные факторы могут также негативно влиять на установленное в зданиях оборудование (на правильность его функционирования), если это оборудование чувствительно к динамическим воздействиям. Если же вибрация, передаваемая через грунт, достаточно высока, это может составить угрозу и для целостности конструкции зданий и других сооружений.

Настоящим стандартом установлено руководство по построению прогностических моделей, позволяющих оценить воздействие вибрации на людей (но не животных) и на оборудование, находящихся внутри зданий, а также непосредственно на конструкцию этих зданий.

Люди ощущают вибрацию по-разному в зависимости от ее частотного состава: через вибрацию всего тела и его частей в диапазоне от 1 до 80 Гц и как звук, излученный вибрирующими элементами здания (стенами, полом, потолком) в диапазоне от 16 до 250 Гц.

Примечания

1 Человек, помимо ощущения колебаний своего тела, может воспринимать вибрацию также тактильно в более широком диапазоне частот.

2 В некоторых специальных случаях при анализе воздействия шума следует принимать во внимание частоты ниже 16 и выше 250 Гц.

3 Вторичный эффект воздействия вибрации представляет собой шум, излучаемый дребезжащими предметами (посудой, оконными стеклами, потолками, светильниками, мебелью и пр.). Этот шум может создавать значительные неудобства, но его трудно описать количественно, поэтому в настоящем руководстве не рассматривается механизм его возникновения.

Вибрация в зданиях может влиять на состояние находящегося в них чувствительного измерительного инструмента и на выполняемые технологические процессы. Диапазон частот, принимаемый во внимание при анализе этого влияния, зависит от конкретной ситуации и может составлять до 200 Гц.

Примечание - Обычно основная энергия колебаний сосредоточена в диапазоне ниже 100 Гц, поскольку это определяется динамическими характеристиками элементов здания.

Диапазон частот при анализе риска повреждений конструкции здания вследствие воздействия вибрации составляет от 1 до 500 Гц, хотя высокие значения механических напряжений, обусловливающие высокий риск повреждений, связаны с низкочастотной вибрацией. Большинство повреждений конструкции здания вследствие действия источников техногенной природы вызвано вибрацией в диапазоне частот от 1 до 150 Гц.

4.2 Источник передаваемой вибрации

4.2.1 Общие положения

Источником вибрации является рельсовый транспорт. Вибрация передается, видоизменяясь, через рельсовые пути на их опору и далее в грунт, окружающие здания, являясь как самостоятельным источником воздействия, так и порождая переизлученный шум. Источник, путь распространения и объект воздействия показаны схематически на рисунке 1. Причина вибрации - взаимодействие колеса и рельсового пути, как показано на рисунке 2.

Рисунок 1 - Примеры источника, пути распространения и объекта воздействия

При прогнозировании передаваемой через грунт вибрации и переизлученного шума следует учитывать, что характеристики источника, пути распространения и объекта воздействия зависят от многих факторов (см. приложение А), одни из которых более существенны, чем другие. Данные для прогнозирования должны быть определены из опыта, литературных источников, экспертных оценок или по результатам измерений на месте.

Точность прогностической модели зависит от ее назначения и определяется полнотой учета всех существенных факторов и знанием значений соответствующих параметров.

Рисунок 2 - Описание источника вибрации, лист 1

Рисунок 2, лист 2

4.2.2 Механизм возбуждения вибрации

Причинами возбуждения вибрации являются:

а) движущиеся нагрузки (квазистатическое возбуждение), т.е. перемещающийся вместе с движением поезда прогиб пути и опорной системы. Если зафиксировать точку на рельсовом пути, то действующие в ней переменные нагрузки вызывают появление изгибных волн как в самих рельсах, так и в прилегающем грунте. Механизм этого возбуждения еще не известен в деталях (в том числе, влияние граничных условий, неоднородностей пути и грунта на распространение волн). Если высокоскоростной состав движется по пути, уложенному на мягкий грунт, то скорость его движения может превышать скорость распространения поверхностной (рэлеевской) волны в грунте. Это порождает вибрации высокого уровня подобно тому, как полет сверхзвукового самолета сопровождается звуковым ударом. Более всего такая вибрация влияет на состояние самих путей. Для решения данной проблемы балластный слой рельсового пути устраивают на уплотненном грунте или на бетонных плитах со свайным фундаментом, который достигает более плотных слоев грунта. Если рельсовый путь проложен в туннеле, то его обделка и обратный свод обеспечивают жесткое основание, которое уменьшает уровень вибрации, распространяющейся в окружающий грунт;

b) неровности поверхностей катания колес и рельсов. Случайные неровности в зоне контакта рельса с колесом вызывают возбуждение всей системы "транспортное средство - рельсовый путь". Такие неровности появляются, в первую очередь, в процессе изготовления, поэтому при приемке в эксплуатацию состояние колес и путей должно быть подвергнуто контролю. Однако это не может защитить от появления неровностей в процессе эксплуатации;

c) параметрическое возбуждение. Если рельсовая опора имеет дискретную структуру - шпалы, упругие подушки поверх бетонного основания (в отличие от заглубленных в бетон рельсов), то колесо при качении по рельсу "чувствует" изменение жесткости опоры. Переменная сила упругости создает колебания колеса и рельса на частоте, зависящей от скорости движения транспортного средства и пространственной дискретности опоры. Другая дискретность (и соответствующие ей частоты возбуждения) характеризуется расстояниями между осями колесных пар и тележками. Если частоты возбуждения совпадают с собственными частотами транспортного средства или системы "транспортное средство - рельсовый путь", то колебания пути и окружающего грунта могут быть весьма значительными;

d) дефекты колес (рельсов). Помимо неровностей на поверхностях катания колес и рельсов могут наблюдаться более грубые дефекты, возникающие при эксплуатации транспортных средств и рельсового пути. Наиболее серьезные дефекты рельсов связаны с выбоинами. Выбоины могут присутствовать и на поверхности катания колес, для которых, кроме того, характерны такие дефекты, как овальность формы, дисбаланс и эксцентриситет. Со временем дефекты накапливаются, особенно если рельсовые коммуникации не обеспечены своевременным и должным техническим уходом;

e) разрывы рельсового пути (на стрелочных переводах, в глухих пересечениях, в стыках рельсов и т.д.), вызывающие появление ударов. Если длины стыкующихся или сварных рельсов равны расстоянию между тележками вагонов, уровень вибрации может существенно возрасти;

f) подвеска транспортного средства;

g) случайные или периодические изменения твердости стальной поверхности рельсов, являющиеся следствием дефекта изготовления или (более вероятно) результатом старения рельсового пути;

h) нагрузки в поперечном направлении, в частности при движении транспортного средства по закругленному участку пути малого радиуса или при прохождении стрелочных переводов;

i) изменение режима движения. Ускорение или торможение транспортного средства сопровождается возникновением переменных сил и, соответственно, вибрацией;

j) экстремальные внешние факторы. Например, температура и влажность головки рельса влияют на ее износ и, следовательно, появляющуюся в результате этого вибрацию.

Уровень вибрации, обусловленной вышеперечисленными причинами, зависит от входных импедансов головки рельса и обода колеса в области их контакта.

Значение входного импеданса головки рельса определяется конструкцией верхнего строения рельсового пути, его основания, а также характеристиками прилегающего грунта.

Входной импеданс колеса в исследуемой области частот зависит в основном от неподрессоренной массы транспортного средства. Однако для жесткой подвески (например, из-за отсутствия должного технического ухода или вследствие особенностей конструкции демпфера и его поведения на высоких частотах) большое значение имеет также общая масса транспортного средства вместе с грузом.

4.3 Распространение вибрации

Если рельсовый путь проложен по поверхности земли или на эстакаде, вибрация передается через грунт в основном в виде поверхностных волн.

Если рельсовый путь проходит через туннель, вибрация передается через грунт в виде продольных и сдвиговых волн. На некотором расстоянии от туннеля, которое зависит от его глубины, преобладающими вновь становятся поверхностные волны.

Вибрация и переизлученный шум на объекте воздействия наблюдаются в диапазоне частот приблизительно от 1 до 250 Гц. Для некоторых видов грунта (например, скальной породы), а также при наличии жесткой связи между зданием и туннелем или когда здание расположено на небольшом расстоянии от туннеля и фундамент здания и скальную породу разделяет только тонкий слой грунта, существенной может оказаться вибрация на более высоких частотах.

Балластный слой рельсового пути работает как фильтр нижних частот, подавляя составляющие вибрации в высокочастотной области спектра. Грунт также обладает демпфирующими свойствами, поэтому с увеличением расстояния (в зависимости от материала грунта) в спектре частот вибрации начинают преобладать низкочастотные составляющие.

Если здание находится в прямом контакте с туннелем (т.е. туннель является составной частью фундамента здания), основной путь прохождения волны лежит через конструкцию здания, поэтому прогностическая модель должна учитывать динамические характеристики этой конструкции. Вибрация будет передаваться на конструкцию не только через продольные и сдвиговые волны, но также иметь вид изгибных колебаний.

При анализе распространения вибрации следует принимать во внимание все объекты искусственной природы, встречающиеся на ее пути (туннели, коммуникации, канализацию, арматуру и пр.), а также, при необходимости, влияние грунтовых вод.

Следует тщательно оценить демпфирующие свойства грунта. Водонасыщенный пористый грунт может вносить вязкое демпфирование на высоких частотах. Однако глобально упрощать модель распространения вибрации (например, предполагать наличие вязкого демпфирования во всем диапазоне частот) следует с большой осторожностью, поскольку это может приводить к существенным ошибкам прогноза, особенно на высоких частотах. В отсутствие значительных механических напряжений грунт обычно рассматривают как линейную систему, хотя в общем случае степень нелинейности в поведении грунта в той или иной мере зависит от действующих в нем напряжений. Необходимость учитывать нелинейные эффекты зависит от типа модели и более детально рассмотрена в разделе 9.

Примечание 1 - Слоистость грунта может привести к разному ослаблению составляющих разных участков спектра при распространении вибрации.

Примечание 2 - Упрощение геометрии границ между разными слоями грунта может в некоторых случаях приводить к большим ошибкам прогноза.

4.4 Объект воздействия

Исследуемый диапазон частот вибрации и переизлученного шума в зданиях составляет приблизительно от 1 до 250 Гц. Составляющие на более высоких частотах могут наблюдаться для грунта некоторых видов (например, скальной породы) на пути распространения вибрации или при наличии прямой механической связи здания с туннелем.

Прогностическая модель должна включать в себя передаточную функцию между свободным полем и фундаментом здания. Модель должна учитывать возможные усиления или ослабления передаваемой вибрации на разных частотах вследствие особенностей частотных характеристик элементов конструкции здания (например, междуэтажных перекрытий).

Следствием вибрации грунта может быть излучение шума в помещениях. Это излучение является пространственно- и частотно-зависимым и определяется излучательной способностью элементов конструкции зданий, а также назначением помещений. При моделировании объекта воздействия необходимо учитывать форму помещений и условия их использования (например, модель для жилой комнаты может быть иной, чем для большой аудитории).

5 Формы воздействия передаваемой вибрации и переизлученного шума

5.1 Общие положения

В настоящем разделе рассмотрено влияние вибрации, передаваемой через грунт, и переизлученного шума в соответствующих диапазонах частот на здания, находящихся в них людей и оборудование, чувствительное к динамическим воздействиям, а также возможные уровни вибрации для воздействий разных видов.

5.2 Воздействие вибрации на людей в зданиях (диапазон частот от 1 до 80 Гц)

Вибрация конструкции здания может ощущаться находящимися в нем людьми и оказывать на них разное влияние - от ухудшения общего качества жизни до снижения производительности труда. Воздействие вибрации на людей в зданиях рассмотрено в ИСО 2631-2 [4].

Уровни вибрации, создаваемой в зданиях близкопроходящим транспортным средством, таковы, что могут вызывать недовольство, дискомфорт, снижение качества выполняемой работы и в редких случаях приводить к нарушению здоровья.

ИСО 2631-2 [4] устанавливает функцию частотной коррекции для оценки воздействия общей вибрации на человека внутри зданий и руководство по оценке жалоб со стороны населения на раздражающее действие вибрации.

Примечание - Вибрация может ощущаться визуально, например через раскачивание подвесных светильников. Это обычно характерно в случае движения транспортного средства по рельсовому пути на уровне земли (не в туннеле).

5.3 Воздействие переизлученного шума (диапазон частот от 16 до 250 Гц)

Переизлучение шума происходит тогда, когда зачастую неощутимая вибрация возбуждает колебания панелей здания, и некоторая часть колебательной энергии излучается в виде слышимого шума, обычно внутрь помещений. Переизлученный шум чаще ассоциируют с движением поездов внутри туннелей, поскольку в этом случае здание полностью экранировано от передачи шума по воздуху и вибрация земной поверхности - единственный источник создания такого шума. Однако он может быть связан и сдвижением по рельсовому пути на поверхности земли, если окна помещения выходят на противоположную сторону.

Переизлученный шум может вызывать недовольство обитателей зданий и мешать их деятельности. Высокий уровень шума может служить помехой сну.

Примечания

1 Переизлученный шум обычно воспринимается через воздух, но люди, лежащие, например, на кровати, могут воспринимать как шум достаточно слабую вибрацию, если она передается по корпусу кровати и воздействует непосредственно на ушные кости.

2 Дребезжание некоторых предметов способно создать шум на более высоких частотах (см. 4.1, примечание 3).

5.4 Воздействие вибрации на здания (диапазон частот от 1 до 500 Гц)

Вибрация высокого уровня или большое число циклов повторяющихся импульсных воздействий могут привести к повреждению конструкции здания либо непосредственно через механические напряжения (деформации) в конструкции, либо через осадку слабосвязанного грунта. Вибрация, приводящая к повреждению зданий (даже косметического характера), должна быть в 10 - 100 раз выше той, что вызывает недовольство обитателей зданий, поэтому такая вибрация для людей непереносима. Более подробно данный вопрос рассмотрен в ИСО 4866 [6] и соответствующих национальных стандартах*.

Передаваемую через грунт вибрацию от рельсовых транспортных средств следует рассматривать с точки зрения повышения риска повреждений здания при проведении строительных работ вследствие осадки грунта как во время строительства, так и по его завершении.

Примечания

1 Вибрация, помимо зданий, может оказывать воздействие и на другие сооружения (туннели, инженерные коммуникации), что также следует принимать во внимание.

2 В большинстве случаев повреждение зданий связано с воздействием вибрации в диапазоне частот от 1 до 150 Гц.

5.5 Влияние вибрации на оборудование и технологические процессы, чувствительные к динамическим воздействиям (диапазон частот приблизительно от 1 до 200 Гц)

Часто необходимо принимать во внимание возможный результат воздействия вибрации на оборудование и правильность его функционирования (например, на приводы жестких дисков и электрические реле в компьютерах). См. ИСО 8569 [8] и ИСО/ТС 10811 [10].

Обычно вибрация от рельсового транспорта, особенно в туннелях, не оказывает нежелательного влияния на такое оборудование, поскольку уровень динамических воздействий, которым подвергаются, например, компьютеры в обычных условиях их применения (от шагов по полу, хлопанья дверей и т.п.) намного выше имеющего место вследствие воздействия внешних источников.

Существуют, однако, оборудование и технологические процессы, характеризующиеся повышенной чувствительностью к динамическим воздействиям, например производство компьютерных микросхем, некоторые технологии с использованием лазерной техники, лабораторное оборудование (такие как микроскопы и спектроскопы), хирургические операции некоторых видов.

На такое оборудование и процессы может оказать негативное влияние даже очень слабая вибрация - намного ниже уровня человеческого восприятия. Это влияние обычно проявляется через неправильные результаты измерений, неточное позиционирование или фокусирование оборудования, создание помех лицам, выполняющим тонкие рабочие операции.

Вибрация от рельсового транспорта может оказывать негативные воздействия непосредственно или в сочетании с фоновым шумом.

В ряде случаев следует принимать специальные меры по снижению чрезмерно высокого уровня воздействующей вибрации. Чаще всего для этого применяют изоляторы, устанавливаемые между оборудованием и полом, а также виброизоляцию самого пола, настилают массивные и жесткие полы в помещениях с установленным оборудованием, используют устройства для предотвращения хлопанья дверей при их закрытии, специальные напольные покрытия и специальную обувь для снижения вибрации от шагов, изолируют энергетическое и другое оборудование внутри здания для предотвращения передачи вибрации на конструкцию. Правильно выбранные конструкции пола и системы изоляции уменьшают и влияние вибрации от рельсового транспорта. При вводе новых рельсовых коммуникаций целесообразно сравнивать, как изменилась вибрация пола в лаборатории по сравнению с прежним уровнем, обусловленным источниками внутри здания.

Обычно рекомендации по эксплуатации оборудования, чувствительного к динамическим воздействиям, предоставляет его изготовитель. Конечный пользователь также может установить некоторые предельные значения воздействий, основываясь на технических документах или личном опыте.

6 Показатели

6.1 Общие положения

Показатели и соответствующие условия измерений должны быть определены, чтобы количественно характеризовать воздействие передаваемой вибрации и переизлученного шума на людей, конструкцию зданий и оборудование, чувствительное к динамическим воздействиям.

Показатели должны быть определены в тех местах, где они могут быть сопоставлены с заданными предельными значениями. Необходимо учитывать, что результаты измерений могут сильно варьироваться в зависимости от выбранного места измерений (например, вибрация в середине панели или балки обычно выше, чем у опоры, а уровни шума у стен или в углах комнаты выше, чем в ее центре).

Необходимо рассмотреть, как влияют назначения показателя изменения различных факторов (например, типа транспортного средства). Помимо прогнозных значений следует указывать их доверительный интервал для сравнения с принятыми предельными значениями, переделы вариативности результатов измерений должны быть обоснованы достаточным объемом полученных выборок.

Рекомендуется сохранять записи, полученные в процессе измерений, чтобы при необходимости определить на их основе значения других показателей.

6.2 Воздействие вибрации на людей в зданиях

Измеряемый параметр вибрации для оценки ее воздействия на людей в зданиях может быть определен в соответствующих национальных стандартах и согласован с установленными предельными значениями. Общее руководство по оценке воздействия вибрации на людей в зданиях приведено в ИСО 2631-1 [3] и ИСО 2631-2 [4]. Оценку этого воздействия следует осуществлять на основе измерений среднеквадратичных значений корректированного ускорения в трех взаимно перпендикулярных направлениях. В ИСО 2631-1 [3] и ИСО 2631-2 [4] приведены также рекомендации по выбору точек измерений.

Рекомендуется сохранять исходные данные, чтобы использовать их, например, при изменении показателя.

Как правило, для представительной оценки вибрации достаточно измерений в вертикальном направлении на полу в середине помещения, но для высотных зданий необходимы также измерения в горизонтальных направлениях.

Примечания

1 В соответствии с некоторыми национальными стандартами зарубежных стран для оценки вибрации используют результаты измерений среднеквадратичного значения корректированной скорости.

2 Среднеквадратичное значение корректированного ускорения может быть получено в процессе измерения скорости при использовании соответствующей функции частотной коррекции.

3 Для оценки общей вибрации в национальных стандартах зарубежных стран применяют также такие показатели, как пиковое значение скорости, среднеквадратичное значение корректированной скорости с использованием иных функций частотной коррекции, доза вибрации, параметры статистического распределения значений корректированной скорости или ускорения.

6.3 Воздействие переизлученного шума

В соответствующих национальных стандартах должно быть установлено, какой параметр переизлученного шума должен быть измерен для дальнейшего сопоставления результата измерений с установленными предельными значениями.

Для облегчения дальнейшей разработки стандартов, связанных с нормированием переизлученного шума, его следует оценивать на основе максимального уровня звука, измеренного для характеристики шумомера "медленно" с сохранением исходной записи сигнала звукового давления, что позволит получать значения, например, таких показателей, как или третьоктавный спектр для единичного события (например, прохождения подвижного состава).

Значения показателей должны быть спрогнозированы или получены по результатам измерений вблизи центра помещения, но не в самом центре, чтобы избежать нежелательного влияния стоячих волн.

Примечания

1 Значение , измеренное вблизи центра помещения, наиболее часто используют в настоящее время для оценки переизлученного шума.

2 Другой параметр, также применяемый для оценки переизлученного шума - для характеристики шумомера "быстро", - превышает значения приблизительно на 1 - 2 дБ для бесстыкового рельсового пути и на 3 - 4 дБ для звеньевого рельсового пути.

3 Шум, прогнозируемый или измеренный вблизи стен, может превышать шум, спрогнозированный (измеренный) вблизи центра помещения на 2 - 3 дБ.

Следует обращать внимание на то, что уровни шума будут различными в разных помещениях здания.

Измерения следует проводить в помещениях, обставленных мебелью, с закрытыми окнами, без людей.

Примечания

4 Если в переизлученном шуме преобладают низкочастотные составляющие, то субъективная реакция на этот шум может быть более негативной, чем предполагаемая на основе прогноза (измерения) общего уровня звукового давления.

5 Когда высоким уровнем переизлученного шума сопровождается не единичное событие, а значительное число таких событий, то для оценки воздействия шума помимо целесообразно использовать также значения , полученные на более длительном интервале времени, например 1 ч.

6.4 Воздействие вибрации на здания

ИСО 4866 [6] установил руководство по прогнозированию, выбору точек измерений и оценке воздействия вибрации на конструкцию зданий. В качестве показателя для оценки риска повреждения конструкции зданий обычно используют пиковое значение скорости.

Примечание - Предельные значения вибрации зданий могут быть установлены соответствующими национальными стандартами.

6.5 Влияние вибрации на оборудование, чувствительное к динамическим воздействиям

Применяют показатели (для соответствующих мест измерений), установленные в технической документации изготовителей оборудования, определенные пользователем оборудования или согласно ИСО 8569 [8]. В ИСО/ТС 10811 [10] установлен новый принцип классификации вибрационных воздействий на чувствительное оборудование.

Примечания

1 В конечном итоге воздействие вибрации на чувствительное оборудование определяется перемещениями частей этого оборудования друг относительно друга.

2 Обычно в промышленности используют обобщенные критерии допустимых вибрационных воздействий для разных условий применения оборудования.

7 Измерения передаваемой вибрации и переизлученного шума

7.1 Средства измерений

7.1.1 Общие положения

Должны быть определены характеристики измерительной цепи, в состав которой могут входить датчики вибрации (микрофоны), согласующие усилители, кабели, устройства сбора и хранения данных. Диапазон частот измерений должен соответствовать поставленной задаче. Динамический диапазон должен быть достаточен для измерений как фонового шума, так и максимально возможных на практике значений.

Измерительная цепь должна быть калибрована в соответствии с национальными стандартами.

7.1.2 Средства измерений вибрации

При определении характеристик и при калибровке измерительной цепи следует руководствоваться ИСО 8041 [7].

Измерительная цепь в целом (отдатчика вибрации до устройства записи) должна обеспечивать измерения вибрации в соответствующем диапазоне значений (от до 100 мм /с для скорости и от до 500  для ускорения) и частот (от 1 до 500 Гц). Реальный диапазон для конкретных измерений зависит от целей измерений (например, оценка вибрации, воздействующей на чувствительное оборудование, может потребовать измерений скорости в нижней части динамического диапазона). Результаты измерений вибрации от рельсовых транспортных средств могут быть использованы для прогноза шума, что, в свою очередь, ужесточает требования к средствам измерений (например, по диапазону частот и чувствительности датчиков вибрации). Поэтому необходимо убедиться, что измерительная цепь обладает достаточно низкими собственными шумами.

Предпочтительно использовать устройства сбора оцифрованных данных. Система сбора данных должна содержать необходимые средства предварительной обработки (например, фильтр нижних частот для защиты от наложения спектров) для повышения точности записываемых данных. Средства измерений должны быть установлены и настроены таким образом, чтобы максимально уменьшить негативное влияние внешних факторов (электрических и магнитных полей, трибоэлектрических сигналов, паразитных цепей заземления). Если измерения проводят во временной области, должны быть известны фазовые характеристики измерительной цепи.

С помощью датчиков вибрации может быть измерена любая величина-перемещение, скорость или ускорение - при условии обеспечения требуемого диапазона частот и чувствительности. Датчики и измерительная система в целом должны допускать возможность их применения на открытом воздухе в реальных условиях измерений.

Необходимо обеспечить надежный контакт датчика с вибрирующей средой (например, зарытием в грунт или креплением к вбиваемому в грунт металлическому стержню длиной 300 мм при измерении вибрации грунта, использованием эпоксидных смол для быстрого крепления датчика на фундамент или стену здания, установкой на полу здания с помощью двусторонней клеящей ленты, применением тяжелых металлических дисков с острыми выступами для фиксации на полу с упругим покрытием). Способ установки датчика должен быть выбран таким, чтобы резонансная частота установленного датчика не попадала в диапазон частот измерений.

Измерения вибрации на рельсовом пути (рельсах, шпалах) обычно требуют жесткого механического крепления датчиков, позволяющего обеспечить точное измерение вибрации высокого уровня, возможной при прохождении рельсовых транспортных средств. Необходимо убедиться, что установка измерительной системы вблизи рельсового пути не мешает работе систем сигнализации.

7.1.3 Средства измерений шума

Средства измерений шума должны соответствовать требованиям к шумомерам первого класса по МЭК 61672-1 [14].

Измерительная цепь должна быть калибрована с использованием оборудования, соответствующего требованиям МЭК 60942 [12].

Параметры шума могут также быть получены на основе результатов измерений вибрации (см. 7.1.2).

7.2 Точки измерений

Выбор точек измерений зависят от решаемой задачи, такой как:

a) проведение исследований и построение модели;

b) оценка воздействия вибрации на конструкцию здания (обычно точки измерений располагают на его фундаменте);

c) оценка воздействия вибрации на людей в здании (обычно точки измерений располагают на полу посередине помещений);

d) оценка воздействия вибрации на чувствительное оборудование (обычно точки измерений располагают вблизи областей контакта оборудования с опорой);

e) оценка воздействия на людей переизлученного шума (обычно измерения проводят вблизи центра помещения или согласно стандартам серии ИСО 140 [1]).

Измерения, проводимые в целях исследований и построения модели, могут потребовать, например, оценки вибрации в ее источнике вблизи рельсовых путей или степени изменения вибрации при удалении от источника.

На исследуемом участке рельсового пути вариативность измерений может быть обусловлена, например, изменениями как самого источника вибрации, так и состояния грунта. Поэтому для получения статистически достоверных результатов измерения следует повторять, перемещая точки измерений вдоль пути. Так, исследуя распространение вибрации при удалении от рельсового пути, измерения проводят, устанавливая датчики на расстоянии от пути, например, 8, 16, 32, 64 и 125 м, а затем эти датчики переносят вдоль пути на расстояние 25 м.

Обычно рекомендуется измерять вибрацию в вертикальном направлении и в горизонтальных направлениях: параллельно и перпендикулярно рельсовому пути. Другой вариант - ориентировать оси чувствительности датчиков согласно конструкции здания или помещения, где проводят измерения, и указывать в протоколе измерений положение этих осей относительно рельсового пути.

7.3 Собираемые данные

Для того чтобы оценить вариативность источников вибрации, измерения проводят, по крайней мере, для пяти прохождений транспортного средства каждой категории (например, грузовой состав, пригородный поезд, поезд междугороднего сообщения, скоростной поезд). Данные оценивают непосредственно в процессе измерений, и если разброс результатов превышает 25% или 2 дБ, число измерений увеличивают.

В процессе измерений записывают также данные фоновой вибрации (шума).

7.4 Анализ данных

Постоянная времени измерительного прибора (например, характеристика "быстро" или "медленно") и третьоктавные фильтры должны соответствовать требованиям МЭК 61672-1 [14] и МЭК 61260 [13].

Работоспособность программных и аппаратных средств анализа должна быть проверена.

Вибрация от проходящих составов имеет характер переходных процессов, частотные составляющие которых невозможно определить каким-либо одним установленным методом. Поэтому выбор метода анализа (например, измерение текущих среднеквадратичных значений, быстрое преобразование Фурье, измерение среднеквадратичных значений с удержанием максимального значения) может существенно повлиять на вид спектра переходного процесса. Применяемый метод анализа должен быть указан в протоколе измерений (см. также раздел 6).

7.5 Протокол измерений

Протокол измерений должен содержать, как минимум, следующие сведения:

a) применяемое руководство по измерениям (например, настоящий стандарт);

b) дату и место проведения измерений, организацию и лицо, проводившие измерения;

c) используемые средства измерений, включая заводские номера датчиков и других элементов измерительной системы, метод установки (крепления) датчиков;

d) точки и направления измерений с указанием их ориентации относительно рельсового пути;

e) основные характеристики рельсового пути и места проведения измерений, которые влияют на распространяемую вибрацию и переизлученный шум (см. приложение А);

f) измеряемые показатели (см. раздел 6);

g) результаты измерений отдельно для каждого прохождения поезда по каждому рельсовому пути с указанием:

- категории поезда (включая число вагонов),

- скорости, пути, направления движения,

- времени прохождения и времени анализа вибрации (шума);

h) дополнительную информацию, которая может быть важна для анализа полученных данных (например, погодные условия, наличие поверхностных вод, наличие насыпного грунта, наличие источников электрических или магнитных помех).

8 Принцип построения моделей

8.1 Разработка модели

При разработке модели необходимо опираться на основные характеристики источника вибрации, пути ее распространения и объекта воздействия.

Однако модель не всегда можно разделить на три независимые составляющие. В некоторых случаях она должна представлять собой единую систему (например, в случае рельсовых путей, проходящих через строительные сооружения и эстакады, где нельзя четко отделить источник вибрации от пути распространения и объекта воздействия).

Вибрация и шум от рельсового транспорта должны быть представлены в частотной области, что позволяет построить показатели согласно разделу 6. Базовая модель должна обеспечить получение амплитуд A (f) частотных составляющих вибрации или шума в заданных точках как функции характеристик источника S(f), пути распространения P(f), объекта возбуждения R(f) и их всевозможных комбинаций, где f - частота, Гц.

Основные элементы модели (источник, путь распространения, объект возбуждения) должны быть охарактеризованы через соответствующие параметры (см. приложение А). Число рассматриваемых параметров зависит от этапа оценивания (см. 8.2). Примеры таких параметров приведены на рисунках 3 и 4.

Иногда для упрощения модели допускается описывать ее элементы через несвязанные уравнения. Однако в общем случае эти элементы взаимосвязаны, поэтому в более подробном описании следует учитывать комбинационные составляющие.

Рисунок 3 - Элементы модели источника вибрации

Рисунок 4 - Модели пути распространения и объекта воздействия

8.2 Этапы оценивания

8.2.1 Общие требования к модели

Обычно модель строят для прогноза уровней вибрации, возникающей после введения нового участка рельсовых коммуникаций. Если режим работы данного участка претерпевает изменения или вблизи него возводят новые сооружения, то обычно для расчета уровней шума и вибрации достаточно внести поправки в уже построенную модель.

Требования к модели для нового участка рельсовых коммуникаций различны на разных стадиях разработки.

8.2.2 Модель для нового участка рельсовых коммуникаций

8.2.2.1 Общие положения

Тип и вид модели, а также обеспечиваемая ею точность прогнозирования должны соответствовать определенному этапу проектирования нового участка рельсовых коммуникаций и основываться на всех данных об объекте моделирования, имеющихся на данном этапе.

Для разных этапов проектирования может быть использована одна и та же модель при условии соответствующего выбора исходных параметров (например, параметры, соответствующие наихудшему прогнозу, полученному на стадии предварительного проектирования). В противном случае для каждого этапа проектирования следует рассматривать свою модель расчета передаваемой вибрации и переизлученного шума:

a) предпроектные работы. Соответствующую модель используют на самых ранних этапах проектирования рельсовых коммуникаций с целью оценить, представляют ли вибрация от рельсового транспорта и переизлученный шум существенную проблему, требующую специального рассмотрения, и - в случае положительного ответа на данный вопрос - какой именно участок пути требует специального рассмотрения. Результатом работы данной модели должны быть исходные данные для сравнительных расчетов воздействий на окружающую среду (как часть выбора проекта рельсовых коммуникаций) или для оценки воздействий на окружающую среду для заданного проекта рельсовых коммуникаций;

b) инженерные изыскания. На этом этапе модель используют для уточнения источников и степени негативного воздействия рельсовых коммуникаций на окружающую среду через распространяемую вибрацию и (или) переизлученный шум, а также разработки общих мер по снижению тяжести последствий таких воздействий или их устранению. Данная модель является составным элементом системы планирования для обоснования предложенного проекта и формулировки, где это необходимо, дополнительных мер по защите окружающей среды;

c) рабочий проект. На данном этапе расчетную модель используют для подтверждения обоснованности рабочего проекта в части принятых мер по ослаблению передаваемой вибрации, требования к которым были сформулированы на стадии инженерных изысканий. Особое внимание при этом обращают на парк подвижного состава и верхнее строение рельсовых путей.

На каждом этапе проектирования существуют свои требования к комплексности, простоте использования и точности модели (см. рисунок 5, а также 8.2.2.2 - 8.2.2.4).

8.2.2.2 Этап предпроектных работ

На данном этапе модель должна быть простой, позволяющей быстро проводить необходимые расчеты. Она должна учитывать только небольшое число основных параметров, например доступных на самых ранних этапах проектирования:

- тип рельсового пути (для местного сообщения, массовых перевозок пассажиров, ширококолейного городского транспорта, движения грузовых или скоростных поездов);

- взаимное расположение объектов (например, расстояние строительной конструкции от туннеля - мелкого, среднего или глубокого заложения);

- основной тип грунта: твердый, средний или мягкий;

- чувствительность к вибрации объекта воздействия: высокая (например, для студий звукозаписи, аудиторий), средняя (обычное жилье) или низкая (промышленные здания).

Модель должна позволять оценивать, на каком расстоянии от рельсовых путей превышение предельных уровней для вибрации и переизлученного шума, заданных в проекте, будет маловероятным.

В условиях ограниченной информации на начальном этапе проектирования модель должна рассматривать только "наихудшие случаи" и основываться, предпочтительно, на результатах измерений для аналогичных рельсовых коммуникаций.

8.2.2.3 Этап инженерных изысканий

Модель для инженерных изысканий должна быть более комплексной, позволяющей учесть дополнительные данные, имеющиеся на этом этапе проектирования (см. рисунок 5).

Модель должна позволять получить более точные количественные оценки степени жесткости вибрационного и шумового воздействия в заданных точках и необходимой степени ослабления такого воздействия. Как следствие, в модели должны быть учтены все параметры, оказывающие существенное влияние на оценку уровней передаваемой вибрации и переизлученного шума (перечень таких параметров приведен в приложении А), а также преимущества и недостатки разных решений по ослаблению шума и вибрации.

Рисунок 5 - Допустимые погрешности прогнозирования на разных этапах проектирования и строительства

В поисках путей ослабления шума и вибрации необходимо рассматривать следующее (см. также приложение В):

- конструкцию и способы обслуживания верхнего строения пути;

- конструкцию и способы обслуживания подвижного состава;

- геометрию рельсового пути (расстояния в вертикальном и горизонтальном направлениях);

- опору рельсового пути (например, туннель, земляное полотно, эстакада);

- конструкцию зданий, являющихся объектом воздействия.

Построенная модель может быть эмпирической (с использованием экспериментальных данных), теоретической или являться сочетанием моделей этих двух типов. При построении модели необходимо, чтобы она учитывала частотный состав вибрации.

8.2.2.4 Этап рабочего проекта

Модель на этапе рабочего проекта должна оперировать либо с абсолютными, либо с относительными параметрами шума и вибрации. Ее часто используют для более детального анализа одного из элементов системы: источника, пути распространения или объекта воздействия.

Выходные данные модели могут служить исходной информацией для модели, построенной на этапе инженерных изысканий, чтобы учесть изменения прогнозируемого уровня шума и вибрации по мере разработки проекта. Модель должна учитывать частотный состав вибрации: в октавных, третьоктавных или узких полосах частот.

Поскольку результаты расчетов поданной модели используют для обоснования выбора конструкции и характеристик как рельсового пути, так и близлежащих строений, она должна учитывать влияние всех существенных параметров, перечисленных в приложении А. Модель может быть эмпирической, теоретической, а также являться сочетанием моделей этих двух типов.

8.2.3 Поправки, связанные с изменением рельсовых коммуникаций или возведением новых сооружений

В строительстве новых рельсовых коммуникаций есть много общего, но существуют и различия.

Прежде всего следует измерить вибрацию, наблюдаемую при эксплуатации действующих путей. Собранные данные необходимо проанализировать с учетом того, какой показатель будет использован для оценки прогнозируемых воздействий (см. раздел 6). Кроме того, следует провести анализ для данных, усредненных по времени, в третьоктавных и узких полосах частот.

Построенный прогноз должен, как правило, позволять оценить:

- влияние изменений в рельсовых коммуникациях (подвижном составе, пути, конструкции туннеля);

- уровни вибрации и переизлученного шума, которые будут наблюдаться во вновь возведенном здании вблизи от рельсовых путей.

При изменениях рельсового пути или бандажа оценка должна учитывать изменившиеся условия контакта колеса с рельсом.

Также, как и при проектировании новых рельсовых коммуникаций, должны быть проведены исследования для нижеуказанных этапов:

a) предпроектных работ - чтобы определить, не требует ли новое здание мер защиты от передаваемой через грунт вибрации и переизлученного шума и не должны ли быть внесены изменения в конструкцию рельсового пути;

b) инженерных изысканий - для подтверждения степени жесткости создаваемой вибрации (шума) и определения на этой основе необходимых мер защиты вновь возводимого здания (например, изоляции основания) или модификации конструкции рельсового пути (например, верхнего строения);

c) рабочего проекта - для подтверждения обоснованности выбранной конструкции нового здания (фундамента, междуэтажных перекрытий, изоляции основания) или предлагаемых изменений подвижного состава, пути, конструкции туннеля.

Результатом применения модели на каждом из вышеуказанных этапов должно быть полученное значение вносимого усиления или модуля передаточной функции. Полученную передаточную функцию применяют, используя в качестве входного воздействия данные наблюдаемой вибрации, для расчета значений соответствующих показателей (для вибрации и переизлученного шума).

9 Прогностические модели

9.1 Общие положения

В приложении А приведен перечень параметров, которые необходимо рассматривать в каждой конкретной ситуации. Все параметры, на основе которых строят прогноз, должны быть зарегистрированы. Может потребоваться обоснование причин, почему тот или иной параметр не принят в рассмотрение. Необходимо оценить, какое влияние на прогноз окажет неопределенность задания исходных параметров.

Модели для прогнозирования вибрации от рельсового транспорта и переизлученного шума могут быть параметрическими, эмпирическими или гибридными. Эти три типа модели широко используют на практике, и выбор среди них зависит от доступности исходных данных и целей прогноза. Для определения передаточной функции может быть использовано непрерывное возбуждение геосейсмическим вибратором или импульсное возбуждение падающим грузом или управляемым взрывом. При этом следует определить, какую коррекцию полученной передаточной функции потребует внести различие в искусственном и реальном источнике вибрации (в частности, может оказаться необходимым рассматривать рельсовый путь как распределенный, а несосредоточенный источник вибрации). Полезным может оказаться использование физических моделей в уменьшенном масштабе.

Параметрические модели могут допускать численное или аналитическое решение. Эмпирические модели используют данные полевых экспериментов в сочетании с методами интерполяции. Параметрические модели также, как и некоторые эмпирические, являются детерминированными, дающими на выходе единственное значение прогнозируемой величины для данного набора входных значений. Поскольку точность, обеспечиваемая моделью данного типа, зависит от точного знания входных данных, при построении прогноза не следует полагаться на единственный набор входных значений, если нет достаточной уверенности в их правильности. Необходимо оценить эффект варьирования параметров в заданных пределах. Значения параметров должны быть либо технически обоснованы, либо получены применением метода оценки рисков.

С особой осторожностью следует применять модель в условиях, отличающихся от тех, при которых модель была калибрована и проверена. Неопределенность экстраполяции прямо зависит от значения экстраполируемой величины.

Необходимо определить последствия включения в рассмотрение транспортного средства (введение возбуждения в виде переходного процесса на заданном интервале времени, соответствующем прохождению транспортным средством участка пути).

9.2 Параметрические модели

9.2.1 Общий анализ

Должна быть определена размерность пространства (одно-, двух- или трехмерное), описываемого моделью, с учетом необходимой точности на данном этапе проектирования.

Важно, чтобы модель адекватно описывала строение грунта (в частности, положение грунтовых вод), вносимый грунтом коэффициент потерь, плотность грунта и скорость, с которой в нем распространяются волны. В частности, для описания малых деформаций грунта, имеющих место при распространении вибрации, может быть использовано значение модуля сдвига, полученное в результате геотехнических изысканий.

Характеристики грунта могут быть получены по результатам измерений скорости распространения волн, выполненных, по возможности, на разной глубине и для разной степени водонасыщения. Не следует для получения значения модуля сдвига использовать результаты измерений в статическом режиме.

К использованию значений характеристик грунта из литературных источников следует подходить с осторожностью, поскольку они могут не в полной степени соответствовать реальным условиям на месте.

9.2.2 Аналитические решения

Аналитические решения связаны с неизбежными упрощениями. При этом необходимо учитывать следующее:

a) должны быть точно установлены все ограничения, в том числе по диапазону частот и типу распространяющихся волн;

b) прогноз, сделанный для волн только одного типа, может содержать значительные ошибки. Например, на дальнем расстоянии от туннеля глубокого заложения при однородном грунте доминирующими могут быть волны сжатия, в то время как на ближних расстояниях существенное значение могут иметь сдвиговые волны. Кроме того, может наблюдаться взаимное преобразование сдвиговых волн и волн сжатия друг в друга, а также в волны Стоунли, Лэмба и Лява, особенно на границах сред, а также в волны Рэлея на земной поверхности;

c) при определении коэффициента потерь следует учитывать его зависимость от частоты;

d) следует правильно определить элемент модели, описывающий источник вибрации. Для железнодорожных туннелей в качестве такого источника рекомендуется принимать балластный слой рельсового пути, хотя зачастую проведение в нем измерений может быть затруднено. Можно вместо этого проводить измерения вибрации стен туннеля, но только в случае, если имеется подтверждение, что уровень этой вибрации близок к уровню вибрации в балластном слое. Для наземного пути в качестве элемента модели, описывающего источник, может быть взят уровень вибрации на земной поверхности на заданном расстоянии от рельсового пути.

В случае пористого грунта использование аналитических методов возможно (если свойства такого грунта хорошо известны), но требуют применения сложных математических преобразований.

9.2.3 Численные решения

9.2.3.1 Общие положения

Численные методы решения могут быть использованы для прогноза производимой вибрации и описания ее распространения при наличии достаточной информации о свойствах системы. Численные решения могут быть получены на основе метода конечных элементов, метода конечных разностей либо метода граничных элементов. При использовании любого из указанных методов необходимо оценить, какое влияние на получаемое решение оказывает дискретизация по времени и пространству.

9.2.3.2 Метод конечных элементов

В методе конечных элементов среду представляют в виде совокупности элементов, а решение находят посредством итеративной процедуры, получая значения функций на границах элементов. Можно использовать существующие программные реализации метода, но при этом следует обращать внимание на точное представление:

- элементов на границах между туннелем и грунтом и между грунтом и фундаментом конструкции;

- функции возбуждения, описывающей взаимодействие колеса с рельсом, особенно если эта функция изменяется во времени и пространстве.

При использовании метода конечных элементов важно правильно выбрать элементы на границах сред, чтобы исключить влияние на получаемое решение переотраженных волн.

9.2.3.3 Метод конечных разностей

Аналитические дифференциальные уравнения могут быть заменены уравнениями в конечных разностях для получения численных решений волновых уравнений. Метод конечных разностей включает в себя дискретизацию динамической системы и пошаговое вычисление изменений во времени состояний точек среды.

9.2.3.4 Метод граничных элементов

Метод граничных элементов удобно применять в том случае, когда известна функция Грина.

Метод граничных элементов является альтернативой методу конечных элементов и требует задания элементов только на границе. В конкретной задаче распространения вибрации в грунте этот метод особенно удобен, поскольку допускает моделирование грунта полубесконечной средой и не требует учета переотражений, как это имеет место в методе конечных элементов.

9.2.4 Гибридные модели

Метод граничных элементов может быть использован в сочетании с методами конечных элементов и конечных разностей. Если методом конечных разностей удобно получать решение для колебаний источника, то метод граничных элементов служит для получения решений (с небольшой затратой вычислительных ресурсов) относительно колебаний точек среды на пути распространения вибрации от источника к объекту воздействия.

Если метод конечных элементов и метод конечных разностей требуют тщательного рассмотрения, какое влияние на точность решений оказывают отражения от границ, то метод граничных элементов свободен от этого недостатка.

9.3 Эмпирические модели

9.3.1 Общие положения

Эмпирические модели целиком основаны на результатах измерений и представляют собой форму интерполяции или экстраполяции полученных данных.

Для экстраполяции данных используют коэффициент усиления или модуль передаточной функции, но при этом необходимо провести анализ физической сути получаемых результатов.

9.3.2 Типы эмпирических моделей Эмпирические модели принципиально подразделяют:

a) на локальные модели. Результаты измерений на ограниченном участке распространяют на другие участки. Вид экстраполирующей функции получают аналитическим методом, из других баз данных или экспертным путем;

b) на глобальные модели. Прогностическую модель (набор детерминистических алгоритмов) получают построением линий регрессии или выделением трендов на основе большого числа измерений, проведенных на разных участках, где основные характеристики системы (см. приложение А) имеют разное значение.

Локальные модели следует применять при проведении исследований на единственном участке, например для оценки требований по ослаблению вибрации в том месте, где будет построено здание. В случае проектирования нового участка рельсовых коммуникаций следует использовать глобальную модель, чтобы учесть возможные изменения характеристик вдоль исследуемой части пути.

Число участков, на которых следует проводить сбор данных, должно быть выбрано с учетом:

- длины исследуемой части рельсового пути (чем длиннее путь, тем больше участков измерений);

- числа существенных характеристик, для которых наблюдаются значительные различия в значениях от участка к участку. Если такие различия наблюдаются для всех существенных характеристик, число участков измерений будет максимальным.

- Число участков измерений в глобальной модели зависит не только от числа характеристик, значения которых изменяются от участка к участку, но и оттого, насколько велики эти изменения. При определении мест измерений по мере удаления от рельсового пути и вдоль этого пути учитывают такие параметры, как расстояние, глубина туннеля, характеристики грунта.

Для любой из вышеуказанных моделей число измерений на участке должно быть достаточным, чтобы представлять всевозможные сочетания типов транспортных средств, транспортных средств данного типа и рельсовых путей.

9.3.3 Виды эмпирических моделей

Основной вид любой модели приведен в 8.1. Эмпирические модели требуют упрощенного физического рассмотрения. Допустимая степень упрощения зависит:

- от вариативности результатов измерений и участков, для которых проводят измерения и оценку;

- от этапа оценивания (см. 8.2).

Основное упрощение, которое может быть внесено в эмпирическую модель, - допущение несвязанности элементов системы. Комбинационные составляющие добавляют, если между двумя параметрами существует сильное взаимодействие, на этапе, например, рабочего проекта, где к точности прогноза предъявляют повышенные требования.

Например, основным видом эмпирической модели распространения вибрации через грунт для параметра вибрации A(f) в предположении несвязанности элементов будет

,

(1)

где ;

;

;

f - частота;

надстрочный индекс "'" означает, что данный элемент модели является поправкой на соответствующие условия;

подстрочный индекс обозначает исходное значение для источника (SRef) и условия, на которые делают поправки: подвижной состав (RSt), вид рельсового пути (TF), вид основания полотна (SupIn), путь распространения (РР), тип грунта (G) и тип конструкции (Struct), являющейся объектом воздействия.

Основным видом эмпирической модели для переизлученного шума в том же предположении несвязанности элементов, записанная для уровня L(f) в децибелах (дБ) с используемым опорным значением 20 мкПа, будет

,

(2)

где ;

;

;

f - частота;

надстрочный индекс "-" означает, что данный параметр измеряют в децибелах;

подстрочные индексы имеют тот же смысл, что и в уравнении (1), а дополнительный индекс (Rad) обозначает поправку на условия излучения.

Если вибрацию также выражают в децибелах, должно быть указано опорное значение. Для локальной модели каждый параметр уравнения (1) или (2) должен быть получен либо теоретически, либо путем измерений.

9.4 Полуэмпирические модели

Полуэмпирические модели представляют собой сочетание параметрических моделей (см. 9.2) и эмпирических моделей (см. 9.3). В этом случае один или несколько элементов эмпирической модели заменяют аналитическими выражениями или результатами измерений при частично выполненных строительных работах (например, используют геосейсмический вибратор в полностью построенном туннеле, но без проложенных в нем рельсовых путей для оценки вносимого усиления на пути до объекта воздействия). Такой подход часто применяют при модификации модели, построенной на этапе инженерных изысканий, до уровня, соответствующего этапу рабочего проекта. Обычно уточнению подлежат элементы, связанные с источником вибрации (туннель, конструкция рельсового пути, тип подвижного состава) и объектом воздействия (фундамент, конструкция здания).

Полуэмпирические модели подтверждают статистическую достоверность эмпирических данных, чтобы использовать их совместно с аналитическими методами на стадии рабочего проекта.

10 Разработка, калибровка, тестирование и проверка модели

Измерения, проводимые при разработке модели, а также для ее калибровки и тестирования, должны быть выполнены в тех условиях, для которых определены показатели, получение значений которых является целью работы модели.

Следует иметь в виду, что оценка вибрации, распространяемой через грунт, и переизлученного шума сопровождается отсутствием информации о многих важных факторах, поэтому неопределенность такой оценки может быть значительной. Для определения применимости построенной модели необходимо оценить точность получаемых с ее помощью прогнозов. Эта точность меняется в зависимости от этапа разработки (см. 8.2). Чем дальше продвигается разработка, тем выше требования к точности (см. рисунок 5). Знание точности оценок, получаемых с применением данной модели, является необходимым для управления рисками в процессе проектирования и строительства рельсовых коммуникаций.

Примечание - Некоторые рекомендации по построению, калибровке и проверке модели приведены в приложении С.

Ниже описана общая процедура, посредством которой можно получить количественную оценку точности модели.

Точность модели оценивают сравнением с результатами измерений, не использованными при построении модели. Кроме того, для заданных условий испытаний можно сравнить оценки, полученные с помощью данной модели и другой модели, уже прошедшей процедуру проверки. При этом следует тщательно зафиксировать расхождения в допущениях, при которых построены модели, и входных условиях. Предположения о виде входного воздействия и параметры этого воздействия должны быть зарегистрированы.

Стадии разработки и калибровки модели предшествуют стадии ее тестирования.

На стадии разработки модель проходит несколько этапов итерации, посредством которых добиваются улучшения согласия между выходными данными модели и результатами измерений или условиями испытаний. Для сложных моделей, предназначенных обеспечить высокую точность прогноза, в процессе разработки рассматривают каждый ее элемент (источник, путь распространения, объект воздействия) и каждый существенный параметр (скорость движения подвижного состава, расстояние от рельсового пути). Изменения, вносимые в модель, должны, по возможности, базироваться на понимании лежащих в их основе физических закономерностей. Метод сравнения можно осуществить с использованием геосейсмического вибратора, создающего заданные деформации на заданных частотах, при условии допустимости замены протяженного источника возбуждения точечным.

Повышение точности прогноза для конкретного участка местности можно оценить по результатам измерений на этом участке (например, при прохождении поездов, использовании геосейсмического вибратора на поверхности или других источников возбуждения, помещаемых в наклонную скважину), внося соответствующие поправки, отражающие различие между искусственными и реальными источниками вибрации. После разработки модели необходимо провести ее калибровку, т.е. градуировать ее таким образом, чтобы расхождение между выходными данными модели и результатами измерений было минимальным. Вид градуировочной функции должен быть зарегистрирован.

Последним этапом работы с моделью является ее тестирование. В процессе тестирования сравнивают прогнозные значения, генерируемые моделью, с результатами измерений, полученными при функционировании рельсовых коммуникаций. Эти измерения не должны включать в себя измерения, проведенные на этапе калибровки. По результатам тестирования оценивают неопределенность прогнозирования с применением данной модели (см. приложение С).

Построенную модель обычно реализуют в виде компьютерной программы. Перед использованием в реальных условиях эксплуатации модель должна быть проверена на адекватность получаемых результатов. Обычно такая проверка состоит в сравнении результатов работы программы и ручных расчетов для заданных условий. В ходе проверки оценивают также стабильность работы программы, задавая значения переменных во всем диапазоне их изменения.

_______________________________

* В Российской Федерации действует ГОСТ Р 52892-2007 "Вибрация и удар. Вибрация зданий. Измерение вибрации и оценка ее воздействия на конструкцию".

_______________________________

* Концепция "измерительной погрешности" предполагает, что систематическая погрешность измерений незначительна. В общем случае систематическая погрешность измерений также подлежит оценке.

Библиография

[1]	ИСО 140 (все части)	Акустика. Измерение звукоизоляции в зданиях и элементов зданий
	(ISO 140, all parts)	(Acoustics - Measurement of sound insulation in buildings and of building elements)
[2]	ИСО 2017-2 (все части)	Вибрация и удар. Опоры упругие. Часть 2. Техническая информация, необходимая для проектирования изоляции систем рельсового транспорта
	(ISO 2017-2)	(Mechanical vibration and shock - Resilient mounting systems - Part 2: Technical information to be exchanged for the application of isolation vibration associated with railways systems)
[3]	ИСО 2631-1:1997	Вибрация и удар. Оценка воздействия общей вибрации на человека. Часть 1. Общие требования
	(ISO 2631-1:1997)	(Mechanical vibration and shock - Evaluation of human exposure to whole-body vibration - Part 1: General requirements)
[4]	ИСО 2631-2:2003	Вибрация и удар. Оценка воздействия общей вибрации на человека. Часть 2. Вибрация в зданиях (диапазон частот от 1 до 80 Гц)
	(ISO 2631-2:2003)	[Mechanical vibration and shock - Evaluation of human exposure to whole-body vibration - Part 2: Vibration in buildings (1 Hz to 80 Hz)]
[5]	ИСО 3534-1:2006	Статистические методы. Словарь и условные обозначения. Часть 1. Общие статистические термины и термины теории вероятности
	(ISO 3534-1:2006)	(Statistics - Vocabulary and symbols - Part 1: Probability and general statistical terms)
[6]	ИСО 4866:1990	Вибрация и удар. Вибрация зданий. Руководство по измерению вибрации и оценке ее воздействия на здание
	(ISO 4866:1990)	(Mechanical vibration and shock - Vibration of buildings - Guidelines for the measurement of vibrations and evaluation of their effects on buildings)
[7]	ИСО 8041:2005	Воздействие вибрации на человека. Средства измерений
	(ISO 8041:2005)	(Human response to vibration - Measuring instrumentation)
[8]	ИСО 8569:1996	Вибрация и удар. Измерение и оценка воздействия вибрации в здании на оборудование, чувствительное к динамическим воздействиям
	(ISO 8569:1996)	(Mechanical vibration and shock - Measurement and evaluation of shock and vibration effects on sensitive equipment in buildings)
[9]	ИСО 10137:1992	Основы расчета строительных конструкций. Эксплуатационная надежность зданий в условиях воздействия вибрации
	(ISO 10137:1992)	(Bases for design of structures - Serviceability of buildings against vibration)
[10]	ИСО/ТС 10811 (все части)	Вибрация и удар. Вибрация и удар в зданиях, где установлено чувствительное оборудование
	(ISO/TS 10811, all parts)	(Mechanical vibration and shock - Vibration and shock in buildings with sensitive equipment)
[11]	ИСО 10815:1996	Вибрация. Измерения вибрации внутри железнодорожных туннелей при прохождении поездов
	(ISO 10815:1996)	(Mechanical vibration - Measurement of vibration generated internally in railway tunnels by the passage of trains)
[12]	МЭК 60942:2003	Электроакустика. Калибраторы акустические
	(IEC 60942:2003)	(Electroacoustics - Sound calibrators)
[13]	МЭК 61260:1995	Электроакустика. Фильтры с шириной полосы в октаву и доли октавы
	(IEC 61260:1995)	(Electroacoustics - Octave-band and fractional-octave-band filters)
[14]	МЭК 61672-1:2002	Электроакустика. Шумомеры. Часть 1. Технические требования
	(IEC 61672-1:2002)	(Electroacoustics - Sound level meters - Part 1: Specifications)
[15]	ЕН 13146-3:2002	Рельсовый транспорт. Рельсовый путь. Методы испытаний скрепления. Часть 3. Определение амортизации ударных нагрузок
	(EN 13146-3:2002)	(Railway applications - Track - Test methods for fastening systems - Part 3: Determination of attenuation of impact loads)
[16]	ЕН 13481-6:2002	Рельсовый транспорт. Рельсовый путь. Требования к характеристикам скрепления. Часть 6. Специальные скрепления для ослабления вибрации
	(EN 13481-6:2002)	(Railway applications - Track - Performance requirements for fastening systems - Part 6: Special fastening systems for attenuation of vibration)
[17]	ЕН 13848-1:2004	Рельсовый транспорт. Рельсовый путь. Качество геометрии рельсового пути. Часть 1. Описание геометрии рельсового пути
	(EN 13848-1:2004)	(Railway applications - Track - Track geometry quality - Part 1: Characterization of track geometry)
[18]	DIN 4150 (все части)	Вибрация в зданиях
	(DIN 4150, all parts)	(Vibrations in buildings)
[19]	DIN 45672 (все части)	Измерение вибрации вблизи железнодорожных путей
	(DIN 45672, all parts)	(Vibration measurement associated with railway traffic systems)
[20]	DIN 45673 (все части)	Вибрация. Упругие элементы рельсового пути
	(DIN 45673, all parts)	(Mechanical vibration - Resilient elements used in railway tracks)
[21]	NS 8176:1999	Вибрация. Измерения вибрации от наземного транспорта в зданиях и руководство по оценке ее воздействия на человека
	(NS 8176:1999)	(Vibration and shock - Measurement of vibration in buildings from landbased transport and guidance for evaluation of its effects on human beings)
[22]	NORM S 9012:1996	Оценка воздействий от рельсового транспорта на человека в зданиях. Вибрация и переизлученный шум
	(NORM S 9012:1996)	(Evaluation of human exposure in buildings to immissions by railway traffic - Vibrations and secondary air-borne noise)
[23]	VDI 2716:2001	Воздушный шум и вибрация от городского рельсового транспорта
	(VDI 2716:2001)	(Airborne and structure-borne noise of local public transport railways)
[24]	VDI 3837:2006	Вибрация грунта вблизи от наземных рельсовых коммуникаций. Расчет спектра вибрации
	(VDI 3837:2006)	(Ground-borne vibration in the vicinity of rail systems at grade - Spectral prediction method)
[25]	Руководство ИСО/МЭК 98:1995	Руководство по выражению неопределенности измерений
	(ISO/IEC Guide 98:1995)	(Guide to the expression of uncertainty in measurement)
[26]	ANC Guidelines, Measurement and assessment of groundborne noise and vibration, 2001
[27]	FRYBA, L. Vibration of solids and structures under moving loads. Noordhoff International Publishing, Groningen, 1972
[28]	GORDON, C.G. Vibration prediction and control in microelectronic facilities. Internoise 1996
[29]	GREER, R.J. and COLLINS, K.M. Ground-borne noise and vibration from railways. Internoise1996
[30]	GREER, R.J. et al. Channel tunnel rail link - High speed, low impact, minimum cost. ICE Transport Journal, 153(2), 2002, pp.71 - 78
[31]	GRIFFIN, M. J. Handbook of human vibration. Academic Press, 1990
[32]	HUNT, H.E.M. Prediction of vibration transmission from railways into buildings using models of infinite length. Vehicle Systems Dynamic Supplement, Swets & Zeitlinger, 1995
[33]	JONSSON, J.O. On ground and structural vibrations related to railway traffic. PhD Thesis, Chalmers University of Technology, Sweden, 2000
[34]	KRGER, F. Immissionsgerechte Gestaltung des Gleisoberbaus von Tunnelstrecken. Zeitschrift, fr Lrmbekmpfung 39, Spinger, 1992, pp.165 - 175
[35]	Krylov, V.V. Noise and vibration from high speed trains. Thomas Telford, 2001
[36]	MADSHUS, C., BESSASON, В., and HARVIK, L. Prediction model for low frequency vibration from high speed railways on soft ground. Journal of Sound and Vibration, 193(1), 1996, pp.195 - 203
[37]	MAKOVICKA, D. The use of rubber for vibro-base-insulation of the building structure exposed to the seismic effect of traffic. Building Research Journal, 40, ser. E, No. 9/3, Slovak Academic Press, 1992
[38]	NG, S.L.D. Transmission of ground-borne vibration from surface railway trains, DPhil, University of Cambridge, 1995
[39]	SHARIF, A.K. Dynamic performance investigation of base isolated structures, PhD, Imperial College of Science and Technology, London, 1999
[40]	TALBOT, J.P. On the performance of base-isolated buildings: A generic model. DPhil, Cambridge University, 2001