Gamla Årstabron dämpas med ny metod

På uppdrag av Trafikverket görs nu ett arbete på Gamla Årstabron i Stockholm för att minska buller. Arbetet får inte påverka vare sig den ständiga tågtrafiken eller brons yttre, så man är tvungen att arbeta underifrån! Däck och balkar kläs med särskilda dämpande paneler – en metod som aldrig tidigare använts på stålbroar. Läs hela artikeln som pdf här.

Text: Svante Hägerstrand

Kung Gustaf V:s regering lät 1925–29 uppföra en ny järnvägsbro som ledde in till Stockholm söderifrån. Gamla Årstabron, som den nuförtiden kallas, är idag ett vackert kulturminnesmärkt landmärke i södra Stockholm som är i fullt bruk. Bron har dubbelspår och det passerar ett tåg var 6:e minut dygnet runt. 90 år efter uppförandet beslutade Trafikverket att brons lastkapacitet måste höjas och 2015 genomförde Skanska en grundlig renovering. Det 151 m långa brodäcket byttes ut i sektioner om ca 50 ton styck – totalt byttes 930 ton brobana ut. Det nya ståldäcket är förstärkt av längs- och tvärsgående balkar och hänger i den gamla brobågen. Räls återanvändes, däremot byttes gamla trä-sleepers ut mot nya rälsbefästningar som monterades direkt i brodäcket.

MÄTNING VISAR ÖKNING AV BULLER
När arbetet avslutats och tågtrafiken åter släpptes på, visade det sig att bullret från bron ökat; vid en husfasad 550 m från bron uppmättes en ökning av ljudnivån med 7 dB jämfört med värden innan renoveringen. Trafikverket beslutade att utreda frågan och försöka hitta en lösning på problemet. När ett södergående tåg passerar över Årstaviken kommer detta ut ur en tunnel, sedan över en betongbro som går till Årsta Holmar där spåret fortsätter ut på stålbron. Tiden för tågpassagen över själva stålbron är kort i förhållande till den totala tågpassagetiden. De mätningar som utförts före och efter renovering mätte den s.k. ekvivalentnivån Leq, vilket är ett medelvärde över tid. Men tittar man på en Leq över 10 min så är bidraget från stålbron endast ca. 30 sekunder. Med andra ord så är det tidsmässiga bidraget ganska litet, och de övriga 9½ minutrarna kommer buller från omgivningarna, tunnelöppning samt den första betongbron. Vad är det då som de klagande uppfattat som störande? Berodde verkligen bullerökningen på stålbron? Ytterligare mätningar krävdes för att få mer information avseende nivå och frekvensinnehåll för att kartlägga stålbrons bidrag.

EN FÖRSTA KARTLÄGGNING
Bild 1 visar resultat från en ny mätning vid husfasad. Mätningen visar frekvensinnehållet över tid där tåget kommer ut ur tunneln vid tid 0 sek, går vidare ut på betongbron (5–23 sek), över Årsta Holmar och ut på stålbron (27–42 sek). Mätningen indikerar att det samlade bullret primärt påverkas av tågpassagen över den första betongbron (ca. 5–23 sek). Men man kan också se att det är ett högt innehåll av lågfrekvent ljud när tåget passerar stålbron (efter ca 27 sek). En möjlig förklaring till klagomålen kan vara att den uppfattade ökningen i ljudnivå egentligen är ett ökat bidrag i lågfrekvensområdet, och att detta bidrag kan bero på det nyligen införda brodäcket i stål. På bild 2 ses tydligt att det lågfrekventa bidraget är större för passagen över stålbron än passagen över betongbron. Man kan se att tåget kör ut på betongbron (0–20 sek), därefter passeras holmen där nivån sjunker, och vidare passeras stålbron från 27–42 sek med en kraftig stigning av låga frekvenser (ca 63–250 Hz).

DAGS FÖR FÖRSTUDIE
För att komma vidare och hitta en möjlig lösning krävdes kunskap om fördelningen av bullerbidraget från brons olika delar; från däckstruktur och fackverksbåge, från hjul/räls-kontakten och från själva tåget. Trafikverket ville inte ha ytterligare avbrott i tågtrafiken, ett eventuellt ingrepp kunde därför bara implementeras under brodäcket – det var därför avgörande om ståldäck+balkar faktiskt bidrog med en betydande bullernivå i förhållande till övriga källor. Vibratec anlitades för att genomföra en förstudie med syfte att kartlägga detta och för att undersöka om det lågfrekventa bullerbidraget kunde dämpas. En mätning på 550 m avstånd är känslig för bakgrundsljud och väderförhållanden. Bara inverkan av med- eller motvind kan ge 10 dB skillnad vid i övrigt identiskt utförda mätningar. För att minimera inflytandet från bakgrundsljud gjordes därför mätningar från den intilliggande grannbron som löper parallellt med Gamla Årstabron på ca 45 m avstånd. Dessa gjordes med s.k. akustisk kamera, bestående av 56 mikrofoner, för att lättare identifiera olika källors bidrag se bild 3. För att endast mäta under tågpassage monterades ”tågdetektorer” i början och slutet av bron. Detektorerna bestod av 5 st. accelerometrar som började registrera när ett tåg passerade. Passage av varje individuell boogie, ibland t.o.m. enskilda hjulpar, kunde uttydas. Vidare gjordes en mängd mätningar av punktmobiliteten, vilket efter lite dataprocessande kan ge egen frekvens och dämpning för respektive mätpunkt.

MÖJLIGA LÖSNINGAR
Eftersom ökningen i buller i första hand kommer från brostrukturen – inte från själva tåget eller från hjul/rälskontakten – så är en avskärmning med bullerplank ingen lösning. För att minska vibrationerna hos brostrukturen (och därmed minska ljudutstrålningen) vore en naturlig lösning att vibrationsisolera rälsen. Detta kan göras genom att införa elastiska mellanlägg direkt under räl (s.k. rail pads) – ingreppet kräver att rälsen lyfts och skulle alltså innebära ett längre stopp i trafiken. Ytterligare avstängning av tågtrafiken var inget alternativ, Trafikverket önskade en lösning som minskar vibrationerna i brons stålstruktur utan några ingrepp på spåret. För att åstadkomma detta måste dämpning tillföras till själva brodäcket, och ingreppet måste göras underifrån.

LITE OM DÄMPNING
Olika material leder vibrationer olika bra; man brukar tala om att olika material har olika dämpning eller förlustfaktor. Dämpning/förlustfaktor är alltså ett mått på ett materials inre förluster eller på materialets förmåga att omvandla vibrationens rörelseenergi till värme. Stål är ett material som leder vibrationer bra – stål har alltså små interna förluster, d.v.s. lite dämpning. Samtidigt finns det material som har hög dämpning och alltså är bra på att omvandla vibrationsenergi till värme. Genom att addera ett dämpande material till en stålstruktur kan alltså vibrationerna (och därmed ljudutstrålningen) minskas (sound radiation index = en strukturs förmåga att omvandla vibrationer till ljud). Det finns t.o.m. dämpande färg som kan målas på plåt, det fungerar dock bara för betydligt tunnare struktur än denna brokonstruktion. För att stålet verkligen ska ”ta åt sig” av dämpningen krävs en absolut anliggning mellan dämpmaterial och plåt. Att pressa ett dämpande lager mot i detta fall en stålstruktur är en dämpteknik som kallas ”Constrained Layer Damping” – CLD. Likt en sandwich hamnar dämpmaterialet mellan två styva material (vilka själva saknar tillräcklig dämpning). Resultatet är att en vibration ”fångas” mellan plåtarna och dämpas ut av mellanlagret. Effekten av en CLD-lösning är beroende på anliggning, dämpmaterialets tjocklek och dämpning/ förlustfaktor samt tjocklek på tryckande/ fasthållande plåt (constraining layer), se bild 4.

 

Svante Hägerstrand
Vibratec