Nächtliche Immissionsprognosen von Strassenlärm (Hochleistungsstrassen)

• Forschungsstelle: ASTRA SBT
• Projektnummer: ASTRA2008/013_OBF
• Projekttitel Englisch: Prediction of road traffic noise at night-time

Schlüsselwörter (Deutsch)

Lärmimmissionen, Nachtlärm, Wettereinfluss

Schlüsselwörter (Englisch)

noise immission, night-time noise, weather influence

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Strassenlärmimmissionen hängen von der Quellstärke und den Schallausbreitungsverhältnissen ab. Nachts und in speziellen topographischen Situationen wie Tälern treten sowohl auf der Quellen- als auch auf der Ausbreitungsseite besondere Effekte auf, die bisher in rechnerischen Prognosen nicht berücksichtigt werden konnten. Da in den meisten Fällen die Nachtperiode grenzwertrelevant ist, kommt einer Reduktion der Prognoseunsicherheit besondere Bedeutung zu.

Im Projekt wird die Relevanz dieser Einflussfaktoren quantitativ untersucht. Dabei wird mitberücksichtigt, welche Daten aktuell im Bereich Verkehr und Meteorologie zur Verfügung stehen. Die Untersuchungen werden experimentell in Form von Messungen in rund 8 Geometrien und theoretisch anhand von numerischen Simulationen geführt.

Das Ziel besteht in der Formulierung einer praxisnahen Anleitung zum Umgang mit Immissionsprognosen nachts und bei besonderen topographischen Verhältnissen.

Kurzbeschreibung (Englisch)

Road traffic noise immissions depend on source strength and propagation factors. During night time and under certain topographical conditions special effects can occur both on the source side and regarding sound propagation. Up to now many of these factors can not be accounted for and are thus ignored in calculations. As the night time period is relevant for legal consideration in many cases it would be important to lower the incorporated uncertainties.

Within the project the relevance of these influence factors will investigated in a quantitative manner. This is done on the basis of actual available data on traffic and meteorology. The investigations are performed on one hand experimentally with measurements in about 8 different geometries and on the other hand theoretically by numerical computer simulations.

The outcome will be a guidance for practical application on how to handle these effects in order to improve accuracy of road traffic noise immission calculations.

Projektbeschreibung (Deutsch)

Die lärmtechnische Sanierung infolge des Strassenverkehrs soll bis zum Jahre 2015 bzw. 2018 abgeschlossen sein. Es zeigt sich generell, dass bei den lärmrelevanten Verkehrsachsen mehrheitlich die Nachtperiode die massgebende Beurteilungsphase ist. Die Erfahrung lehrt, dass jedoch gerade nachts Messungen und rechnerische Prognosen zum Teil erheblich differieren.

Die Aussagen zu den nächtlichen Immissionen werden oft aus den Tageswerten abgeleitet. Dabei werden entweder pauschale Tag/Nachtdifferenzen angenommen, oder Tagwerte werden durch Korrektur der unterschiedlichen Verkehrsmengen auf Nachtwerte umgerechnet. Obwohl die Verkehrsmenge der bedeutendste Einflussfaktor auf die Strassenlärmimmissionen ist, muss von weiteren systematischen Tag/Nachtunterschieden ausgegangen werden. Hier sind einerseits quellenseitige Unterschiede wie z.B. Verkehrsmix, Fahrzeuggeschwindigkeit, Fahrverhalten oder Spurbelegung und andererseits die Ausbreitung betreffende Unterschiede, insbesondere der Zustand der Atmosphäre zu nennen.

Aktuell verwendete Strassenlärmrechenmodelle wie StL-86+ können für nächtliche Prognosen lediglich den Einfluss der Verkehrsmenge korrekt nachbilden. Da die anderen möglichen Einflussfaktoren unberücksichtigt bleiben, ist deshalb von einer erheblichen Prognoseunsicherheit auszugehen.

Im Rahmen des Forschungsprojekts sollen die aufgeführten Einflussfaktoren systematisch untersucht und quantifiziert werden. Das Augenmerk liegt auf Überlandsituationen, innerstädtische Verhältnisse müssen unberücksichtigt bleiben. Zusätzlich werden die besonderen Ausbreitungsbedingungen in Talsituationen beschrieben und Methoden zum rechnerischen Umgang abgeleitet. Die Untersuchungen erfolgen experimentell und theoretisch. In rund 8 unterschiedlichen Geometrien werden Messungen bei gleichzeitiger Beobachtung des Verkehrs, der akustischen Immissionen und der Meteorologie durchgeführt. Ergänzend sind numerische Simulationen zur Bedeutung der Einflussfaktoren vorgesehen. Hier sind insbesondere Parameterstudien zur Entwicklung von analytischen Zusammenhängen vorgesehen.

Ziel des Forschungsauftrages ist es, ein einfaches Verfahren zu entwickeln, welches dem Akustiker die Detektion und Behandlung der für aktuelle Berechnungsmodell kritischen Fälle erlaubt.

Kritische Fälle sind:

· Situationen in welchen der Tag/Nacht Unterschied wesentlich von der anhand des Verkehrsmengenverhältnisses erwarteten Differenz abweicht. Dabei wird angenommen, dass aktuell verfügbare Verkehrsdaten eingesetzt werden.

Situationen in welchen die StL-86 Prognose nachts systematische Abweichungen erzeugt.

Erwartete Erkenntnisse/ Nutzen, Nutzniesser (Deutsch)

Die experimentellen und theoretischen Untersuchungen zeigen quantitativ die möglichen Fehlerquellen von Strassenlärmimmissionsprognosen nachts und unter besonderen topographischen Bedingungen wie Talsituationen. Als Ergebnis wird eine Anleitung resultieren, wie mit den kritischen Fällen umzugehen ist. Die erwartete Erhöhung der Prognosesicherheiten erlaubt schärfere Aussagen und reduziert das Risiko von Nachbesserungen bei Sanierungen.

Die Ergebnisse dürften sowohl für das ASTRA, das BAFU als auch für die Kantone von Nutzen sein.

Methoden (Deutsch)

Für die Zielerreichung sind folgende Untersuchungen vorgesehen:

Phase I: Festlegung relevanter Messstellen

Evaluation geeigneter Pilot-Messstellen im Bereich einer Hochleistungsstrasse, die Angaben zu Verkehrsmengen, Geschwindigkeit, Spuraufteilung und nach Möglichkeit Informationen zur Meteorologie liefern könnten. Die 2 Pilot-Messstellen sind einerseits in einem vermuteten Bereich mit nicht modellhafter Abbildung der Tag- /Nacht-Situation sowie in einem vermuteten Bereich mit Normbedingungen festzulegen.

Phase II: Messtechnische Aufnahmen Pilot

Aufnahme der akustischen Strassenlärmimmissionen mit Ermittlung der oben definierten Daten. Ziel ist es, für die jeweilige Geometrie eine Korrelation zwischen den oben aufgezeigten Einflussfaktoren und den akustischen Immissionen herzustellen. Für die untersuchten Geometrien werden StL-86+ Berechnungen durchgeführt und die Differenzen aufgezeigt. Die Ergebnisse der Pilot-Messungen sollen Anhaltspunkte für die Festlegung der Hauptmessungen liefern.

Phase III: Hauptmessungen

Anhang von Meteostatistiken können Aussagen über die jahresdurchschnittliche Bedeutung abgeleitet werden. Es wird davon ausgegangen, dass die meteorologischen Verhältnisse in der Schweiz, zusammen mit den Ergebnissen der Pilot-Messungen, Hinweise zur Festlegung der weiteren 5 – 8 Geometrien liefern, die mit Langzeit-Immissionsmessungen erhoben werden. Für jede Messstelle sind die festgelegten Daten zu erheben, entsprechend auszuwerten und die Korrelation mit der Meteorologie und den übrigen Einflussfaktoren zu prüfen.

Phase IV: Auswertung

Parallel zu den messtechnischen Untersuchungen werden rechnerische Simulationen zur Bedeutung der Einflussfaktoren durchgeführt. Die Berechnungen werden mit analytischen Ansätzen und numerischen wellentheoretischen Modellen durchgeführt.

Aus den messtechnisch und rechnerisch gefundenen Ergebnissen werden schliesslich Regeln zur Detektion von kritischen Fällen und wo möglich eine quantitative Abschätzung der Abweichungen entwickelt.

Inwieweit sich die Ergebnisse in Form einer Karte mit kritischen Bereichen und Modellkorrekturen, oder Hinweise über Vorgehen usw. präsentiert, ist zurzeit noch offen.

Allgemeiner Stand der Forschung (Deutsch)

Zu den für die Nachtperiode bedeutenden quellenseitigen Einflussfaktoren sind kaum Forschungsarbeiten verfügbar. Es gibt einige Hinweise zum geänderten Fahrverhalten nachts, allerdings nur qualitativer Natur. Fragen zum nächtlichen Verkehrsmix und zur Spurbelegung können wohl nur anhand der messtechnischen Untersuchungen beantwortet werden, wobei lokale Besonderheiten zu berücksichtigen sind.

Zu den Schallausbreitungsphänomenen in Tallagen und bei inhomogener Atmosphäre gibt es ein prinzipielles Verständnis der zu Grunde liegenden Mechanismen. Es sind entsprechende Rechenmodelle verfügbar, die bei Kenntnis der Geometrie und der meteorologischen Bedingungen diese Phänomene nachbilden können. Obwohl in der Literatur vereinzelt messtechnische Untersuchungen vorgestellt werden, fehlen breiter abgestützte Erfahrungswerte für praktische Anwendungen.

Projektziele (Deutsch)

Die Forschungsarbeit hat folgende auf die Praxis ausgerichtete Zielsetzungen:

• Quantifizierung der bislang bei Strassenlärmberechnungen unberücksichtigten nachtspezifischen Einflussfaktoren auf die Immissionen: Verkehrsmix, Geschwindigkeitsniveau, Fahrverhalten, Spurbelegung und meteorologische Bedingungen. Überdies wird die Bedeutung der Schallausbreitung in Talsituationen charakterisiert.
• Entwicklung eines empirischen Modells zur quantitativen Abschätzung der Einflussfaktoren und Formulierung eines einfachen Verfahrens für die Anwendung in der Praxis.

Projektziele (Englisch)

The purpose of the project is:

• Investigation and quantification of influence factors on road traffic noise immissions specific for night time periods: car fleet, vehicle speed, driving conditions, distribution on lanes and meteorological conditions. In addition the relevance of sound propagation in valleys will be characterized.
• Development of an empirical model to estimate the significance of the influence factors in a quantitative manner and formulation of a simple method for practical applications.

Forschungsplan (Deutsch)

Phase I, Quartal 1 2009:

o Definition von relevanten Messsituationen

o Datenlage klären (Meteodaten Meteo Schweiz, Verkehrsdaten ASTRA)

Phase II, Quartal 2 2009:

o Pilotmessung an 1 bis 2 Standorten

o Evaluation der Messergebnisse

o Folgerungen für weitere messtechnische Untersuchungen

o Suche von potenziellen weiteren Standorten

Phase III, Quartal 3 2009:

o Hauptmessungen an 5 bis 6 Standorten

o Theoretische Untersuchungen mit analytischen und wellentheoretischen Modellen

Phase IVa, Quartal 4 2009:

o Auswertung der Messergebnisse

o Berechnungen mit StL-86+

o Simulationen mit theoretischen Modellen

Phase IVb, Quartal 1 2010:

o Interpretation der Ergebnisse

Phase IVc, Quartal 2 2010:

o Formulierung des Rezepts zur Detektion und zum Umgang mit den kritischen Fällen

Phase IVd, Quartal 3 2010:

o Dokumentation

Phase IVd, Quartal 4 2010:

Fertigstellung des Berichts

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Die Forschungsergebnisse werden in Form einer Anleitung zur Abschätzung der Bedeutung von nächtlichen Einflussfaktoren auf Strassenlärmimmissionen festgehalten

Berichtsnummer (Deutsch)

1520

Berichtsnummer (Englisch)

1520

Literatur (Deutsch)

D. Ellinghaus, J. Steinbrecher, Fahren bei Nacht, IFAPLAN, Köln (1991)

Gegenfurtner, K.R., Mayser, H. & Sharpe, L.T. Seeing movement in the dark. Nature, vol. 398, 475-476 (1999)

K. M. Li, Q. Wang, A BEM approach to assess the acoustic performance of noise barriers in a refracting atmosphere, Journal of Sound and Vibration , vol. 211, 663-681 (1998)

A. Muradali, K. R. Fyfe, Accurate barrier modelling in the presence of atmospheric effects, Applied Acoustics, vol. 56, 157-182 (1999)

J. Forssen, M. Ogren, Thick barrier noise-reduction in the presence of atmospheriv turbuilence: measurements and numerical modelling, Applied Acoustics 63, 173–187 (2002)

J. Hofmann, K. Heutschi, An Engineering Model for Sound Pressure in Shadow Zones Based on Numerical Simulations, Acta Acustica united with Acustica, vol. 91, 661-670 (2005)

K. Heutschi, On the sound propagation in Alpine valleys, Euronoise (2006)

R. Bayer et al. Wirkung von Schallschirmen bei Inversionslagen und Wind, ASTRA Forschungsauftrag 2002/012 (2007)