KENT ĐÇĐ RAYLI SĐSTEMLERDE ÇEVRESEL GÜRÜLTÜNÜN AZALTILMASI Doç. Dr. Zübeyde Öztürk ĐTÜ Đnşaat Fak. Ulaştırma A. B. Dalı Đnş. Yük. Müh. Veysel Arlı Đstanbul Fen Bil. Enstitüsü ÖZET Ulaştırmanın olumsuz etkilerinden biri olan gürültüyü, sağlığı olumsuz etkilemeyecek seviyede tutabilmek için ülkeler kendilerine uygun olarak taşıt ve çevre için sınır değerler belirlemektedirler. Bu sınır değerlerin aşılmaması için bir dizi önlem alınmaktadır. Demiryolunun gürültü açısından karayoluna göre bazı avantajları olmasına rağmen özelikle hızlardaki artış taşıt, yol ve çevre üzerinde bazı düzenlemeleri gerektirmektedir. Çalışma iki bölümden oluşmakta olup, ilk bölümde raylı sistemler için gürültü azaltma önlemlerinden bahsedildikten sonra ikinci bölümde Đstanbul da kentiçi raylı sistemlerde gürültü azaltmaya yönelik bazı uygulama çalışmaları ve sonuçları üzerinde durulmaktadır. Raylı sistemlerden kaynaklanan gürültü tren motorundan, tren tekerleğinin rayla olan temasından, aerodinamik etkilerden ve hareket sırasında titreşen ünitelerden kaynaklanır. Demiryolu gürültüsünün de karayolunda olduğu gibi önemli kısmı sürtünmeyle meydana gelir. Tekerlek ve rayın temas bölgesinde üst yüzey pürüzlülüğü, kaymaların oluşması ve burulma titremesi nedenleriyle sürtünme gürültüsünde artış meydana gelmektedir. Meydana gelen sesin yayılması ise raylar, tekerlek bandajı, tekerlek diski ve işletim sistemiyle olmaktadır. Bir kısım titreşim taşıtın gövdesel sesini oluşturan vagon kasası ve diğer titreşimleri etkiler. Ayrıca hava hareketleri, çarpmalar ve aşınmalar yolu ile de gürültü oluşur, frenleme sisteminin de gürültü üzerinde rolü söz konusudur. Đstanbul da kent içi raylı sistemlerin, konut alanlarının ve tarihi yapıların çok yakınından geçmesi nedeniyle, titreşimin ve gürültünün azaltılması konusunda bazı çalışmalar yapma gereği doğmuştur. Bu çalışmalarda, Đstanbul Aksaray-Yenibosna hafif metro hattı ile Zeytinburnu-Bağcılar tramvay hatlarında gürültü artış nedenleri ve bu gürültünün azaltılması olanakları araştırılmıştır. Đstanbul Aksaray-Yenibosna hafif metro hattında yolla ilgili en önemli gürültü artış nedeninin ray mantarındaki dalgalı aşınmalar olduğu belirlenmiştir. Hem yol altyapısında, hem de taşıtta dinamik ek yüklere neden olan bu ray bozuklukları gürültüde hissedilir bir artışa neden olmaktadır. Ray taşlama çalışması ile sağlanan azalma miktarı çalışmada verilmektedir. Đstanbul Zeytinburnu-Bağcılar tramvay hattında ise, taşıtın çok küçük yarıçaplı dönemeçlerde seyri sırasında, tekerlek çınlama gürültüsü oluştuğu saptanmıştır. Tekerlek çınlama gürültüsünü önlemek için, taşıtın frenlemede ve hızlanmada patinaj sorununa neden olmayan ve gürültüde önemli azalma sağlayan, sürtünme düzenleyicilerin uygulanma şekli çalışmada verilmektedir.
1.Demiryolunda gürültü sorunu Gelişigüzel bir yapısı olan bir ses spekturumudur ki, subjektif olarak, istenmeyen ses biçimlerine gürültü denir. Verilmiş bir süre içinde süreklilik gösteren ses basınçlarının ortalama değerine eşdeğer gürültü seviyesi denir. Đnsan kulağı düşük ses basıncı seviyesindeki değişik frekanslardaki seslere, orta veya yüksek ses basıncı seviyesindeki değişik frekanslardaki seslere olan hassasiyetinden daha farklı bir hassasiyet göstermektedir. Bunlardan düşük ses basıncı seviyesinde olan ve gerçek ile daha iyi bir uygunluk gösteren ve dolayısıyla günümüzde en yaygın olarak kullanılan frekans ağırlıklandırması A tipi ağırlıklandırmadır. A tipi ağırlıklandırma db(a) veya dba olarak gösterilir. Demiryollarında tekerleğin ray üstünde yuvarlanmasından, darbe etkilerinden ve ondülasyon, tekerlek düzleşmesi gibi ray-tekerlek yüzey pürüzlerinden dolayı gürültü meydana gelmektedir. Mesela, tek bir tekerlekte olan düzleşme 7-10 db kadar daha fazla gürültüye neden olmaktadır. 2. Gürültü Seviye Standartları Eğer gürültü seviyesi azaltılamazsa (örneğin, aracın ve hattın uygun dizaynıyla) çevre sakinlerini rahatsız etmemek için gürültü seviyesi standartlara uygun olacak şekilde hat boyunca gürültü bariyerleri inşa edilir. Son zamanlarda demiryolu gibi önemli projelerde şartnameler çevre etkilerini de içerir. Gürültü için standartlar her ülke için farklıdır.tramvay ve hafif metro araçlarından yayılan gürültünün ölçümü ISO 3095 standardına göre yapılmaktadır. Hava yolu ile iletilen gürültü 01.07.2005 tarihli 25862 sayılı resmi gazete yayınlanan Çevresel Gürültünün Değerlendirilmesi ve Yönetimi Yönetmeliği ne göre raylı sistemler için çevresel gürültü düzeyi gündüz(07:00-19:00) 65 db(a) ve gece(23:00-07.00) 55dB(A) li geçmemelidir. Ülkemizde olduğu gibi konut alanları için Fransa, Đngiltere ve Almanya da gündüz 65 db(a) ve gece 55dB(A) gürültü limitleri kabul edilmiştir. Avrupa ülkelerinin gürültü limit değerlerinin ortalaması gündüz 61dB(A) ve gece 53 db(a)dir. [1]
3. Đstanbul kent içi raylı sistemlerde gürültü nedenleri Đstanbul kent içi raylı sistemlerde görülen iki önemli gürültü kaynağı: Aksaray-Havaalanı hafif metro hattında ray mantarı ondülasyonu ve Kabataş-Bağcılar tramvay hattında çok dar kurplardır. Genel olarak, ondülasyon ray üst yüzeyi üzerinde az ya da çok periyodik biçimlerde oluşan düzlemsel bozukluklar olarak tanımlanabilir. Ondülasyon, demiryolu mühendisleri için önemli bir problemdir. Görünen o ki, dalgalı aşınmayı ve bunun gelişimini açıklayabilmek amacıyla yüzlerce deney yapılmış olmasına karşın, bunların hemen hiçbirisinde özellikle de kısa dalgaların neden oluştuğu konusunda ortak kanaatler oluşmasına karşılık, nasıl oluştuğu konusunda henüz kesin sonuçlara ulaşılamamıştır. Ondülasyon tüm demiryollarında ve kentsel raylı sistem hatlarında, dingil yükünden bağımsız olarak, değişik hızlarda oluşabilmekte ve 0,05mm lik bir dalga derinliğinde gürültü düzeyinde hissedilen bir artışa neden olmaktadır.dalga derinliği 0,1mm nin üstünde çıktığında ise, üstyapı bakım maliyetlerinin artmasına neden olabilmektedir.[2] Ray ondülasyonu demiryolu ulaşımının başından beri vardır. 1960 yılların ortalarına kadar bu kusurların belli limitler altında tutulabiliyordu. Ama elektrik çekimli hatların yüksek hız ve dingil yüklerine imkan vermesi ile ondülasyon sorunu da önemli derecede artmıştır. Ondülasyonların en bilinen etkisi gürültüdür. Rahatsızlık veren bu gürültü seviyesi insan kulağının en çok algıladığı frekans aralığı içindedir. Đstanbul hafif metro hattında ondülasyon ölçüm çalışmalarında elde edilen sonuçlar şöyledir: Doğru kesimlerde ve kurp yarıçapı R>600m den büyük kesimlerde her iki rayda 2-8cm dalga uzunluğunda kısa dalgalı ondülasyonlar vardır.r<600m den küçük dar kurblarda sadece iç rayda 8-15 cm dalga boyunda ama daha derin ondülasyon vardır. Tünel içlerinde ondülasyon oluşmamaktadır. Bunun altyapının beton olmasına bağlı olduğu düşünülmektedir. Đstasyon giriş ve çıkışlarında yani fren ve demeraj bölgelerinde ondülasyon oluşmaktadır.
Resim 1. Đstanbul hafif metro hattında ray ondülasyon Tramvay hatlarında çok dar kurplar (30m yarıçapında) bulunduğu için, taşıtın kurpu geçmesi sırasında çok rahatsız edici düzeyde gürültü ortaya çıkmaktadır. Literatürde wheel squeal adı verilen tekerlek çınlaması olarak tercüme edilen bu gürültü, özellikle tramvay hattına çok yakın bulunan konut sakinlerini çok rahatsız etmektedir. Tekerlek çınlama gürültüsünün nedeni ile ilgili iki teori vardır, birincisi ve en kabul edileni tekerleğin yanal sünmesi ve yapışma-kayma (stick-slip)hareketidir, diğer teori ise buden teması ile birlikte yapışma-kayma hareketidir. [3] 3. Kent içi raylı sistemlerde gürültü önleme çalışmaları Gürültüye neden olan ondülasyonları tamamen önlemek mümkün değildir. Bunun için, dünyada kullanılan en yaygın yöntem rayların periyodik taşlanmasıdır. Her ülke kendi işletme şartlarına ve imkanlarına göre taşlama periyodu belirlemektedir. Genelde, dalgalı aşınma derinliği 0,1mm ye ulaştığı zaman taşlama yapılması gerektiği kabul edilmektedir. Modern taşlama makineleri ile dalgalı aşınmaları temizlenmekte ve rayın yanal ve boyuna profili orijinal şekline göre düzeltilmektedir. Genelde ray taşlama periyodu olarak toplam trafik yüküne bağlı olarak belirlenmektedir. Mesela, Kuzey Amerika demiryolu kurumlarına göre, yolcu hatlarında periyodik ray taşlama periyodu Tablo 1 de verilmiştir. [4] Yol geometrisi Koruyucu taşlama için toplam trafik yükü (MGT, milyon gros ton)
R<2000m yatay kurp R>2000m yatay kurp Aliyman 5-7 MGT 10-15 MGT 20-30 MGT Đstanbul Aksaray-Havaalanı hafif metro hattının yıllık toplam trafik yükü 10,5 MGT hesaplanmıştır. Genel olarak demiryolu kurumlarının uygulamalarına ve elde edilen tecrübelere göre, Đstanbul hafif metro hattında yatay kurplarda R<600m yatay kurplarda her yıl, diğer bölgelerde her iki yılda bir ray taşlama yapılmalıdır. Genelde, ondülasyon taşlamanın asıl amacı dinamik yükleri azaltmak ve dolayısıyla yol ve araç deformasyonlarını azaltmaktır. Ancak, Alman Demiryolları (DB AG) sadece gürültüyü azalmak amacıyla ray taşlama kriteri belirlemiştir. Dalga boyu 100mm nin altındaki ondülasyon derinliği 0,05-0,07mm ulaştığı zaman ray taşlama yapmaktadır. Hat ekseninden 25m mesafedeki eşdeğer gürültü seviyesi limit değeri 48dBA kabul edilmiştir. Gürültü amaçlı taşlama sayesinde, 12dBA a varan gürültüde azalmalar elde edilmiştir. Ayrıca 25 yıl servis ömrüne sahip bir gürültü perdesine göre taşlama maliyetinin %10 olduğu sonucuna varılmıştır. [5] 2006 yılında, yurt dışından kiralanan ray taşlama makinesi ile tüm hafif metro hattı taşlanmıştır. Ondülasyon taşlama sayesinde gürültüde hissedilir bir azalma görülmüştür. Gürültüdeki azalmayı tespit etmek için, hafif metro hattına çok yakın olan Davutpaşa bölgesinde bir konutun yatak odasında gürültü seviyesi ölçülmüştür. ĐTÜ Makine Fakültesi öğretim üyesi Doç. Dr. Haluk EROL ile birlikte taşlama öncesinde ve taşlama sonrasında tren geçişlerinden kaynaklanan konut içi gürültü ölçümleri yapılmıştır. Ölçümler, Brüel&Kjaer 2260 tipi SLM(Sound Level Meter) cihazı ile A frekans ağırlık eğrileri kullanılarak yaklaşık 60 saniyelik sürelerde yapılmıştır. Ölçüm sonuçlarının anlamlı olması için, gürültü ölçümleri aynı saatlerde (23.00-24:00 arası) ve aynı tren hızlarında (V=80km/sa) ve aynı noktada ölçülmüştür. Taşlama öncesinde konut içi gürültü düzeyi 60,1 dba iken, taşlama sonrasında bu değer 44,0 dba a düşmüştür. Aynı şartlarda arka plan eşdeğer gürültü seviyesi 31,1 dba ölçülmüştür. Ray mantarındaki dalgalı aşınmaların ray taşlama ile temizlenmesi sayesinde, konut içi eşdeğer gürültü seviyesinde 16dBA gürültü azalmıştır. Gürültü şikayetleri tamamen kesilmekle beraber, bu değer Çevre ve Orman Bakanlığının Çevresel Gürültünün Değerlendirilmesi ve Yönetimi Yönetmeliği kriterleri(40dba) biraz üstünde kalmıştır. Buna karşın, yönetmeliğin demiryolunun geçtiği yerleşim yerleri için gece saatlerinde çevresel gürültü sınır değeri olan 55dBA değerinin altında kalınmıştır.
Resim 2.Taşlama öncesi ondülasyon Resim 3.Taşlama sonrası ray-tekerlek temas yüzeyi Dar kurplardaki tekerlek çınlama gürültüsünü azaltmak için, ray mantarı üstüne sürtünme modifiyerleri uygulanmıştır. Sürtünme modifiyerleri özellikle gürültüyü azaltmak için en yaygın olarak kullanılan yöntemdir. Bu modifiyerler su bazlı malzemesi olup su buharlaştığı zaman ray üstünde ince kuru bir film tabakası oluşur. Ray üstü modifiyeri ray üstündeki sürtünme katsayısını 0,40-0,60 değerlerinden optimum seviye olan 0,30-0,35 e düşürürken yanal yükleri de azaltarak tekerlek çınlama temas gürültüsünü de azaltır. Ray üstündeki sürtünme katsayısı 0,3 ün altında olması, frenleme mesafelerin artmasına ve rayda ve tekerlekte temas yorulmasına neden olur. Modifiyerler, yağlama sürtünme-sünme eğrisini modifiye ederek rayla bandaj arasındaki yapışma-kayma(stick-slip) hareketini azaltır veya elimine eder ve belki kısa dalga boylu ondülasyona neden olan kayma-patinaj hareketini azaltır. Sürtünme modifiyerleri kurbun her iki ray üstüne uygulanmalıdır. Çünkü kurbun dış ve iç rayında mantar üstünde çok farklı sürtünmenin olması bojinin dönüşünü zorlar ve raya gelen kuvvetleri artırır Modifiyer raya araçtan spray yöntemi ile, hat kenarına monte edilen sabit ray pompası ile veya hat bakım aracı ile uygulanır.[6] Son iki yıldır yapılan araştırma ve kontrollü deneme çalışmaları sonucunda, optimum sürtünme katsayısı sağlayan sistem kabul edilmiştir. Ray mantarına fazla uygulanan modifiyer sürtünme katsayısını fazla düşürdüğü için taşıtlarda kayma ve patinaj sorununa neden olurken, az uygulandığı zaman gürültü seviyesinden istenilen azalma elde
edilememektedir. Deneme çalışmaları sonucunda, istenilen verimi sağlayan yağlama miktarı ve aralığı ayarlanarak tramvay hattına uygulanmıştır. Zeytinburnu-Bağcılar tramvay hattında Güngören bölgesinde, 30m yarıçaplı çok dar kurptan geçen taşıtlardan kaynaklanan tekerlek çınlama gürültüsü konusunda çevre sakinlerinden gelen şikayetler üzerine bu kurpun başına sabit ray yağlama pompası monte edilmiştir. Tren geçişini algılayarak otomatik olarak ray mantarı üstüne modifiyer malzeme uygulanmaktadır. Ray mantarına uygulanan bu malzeme Lubcon firmasına ait Sintono Terra HLK gres yağıdır. Resim 4.Ray yağlama panosu Resim 5.Ray mantar köşesinde açılan yağlama delikleri Yağlama pompası, yaklaşık 150m boyunda iki adet ters yatay kurptan oluşan yol kesiminin başına monte edilmiştir. Her iki ray mantarının iç köşesine 35cm aralıklarla açılan 4mm çapındaki 4 er adet deliklere yağlama hortumları bağlanmıştır. Yağlama deliklerinin 100m gerisinde ray altına monte edilen sensör, üzerinden geçen trenleri saymaktadır ve sayım değerini yağlama panosuna iletmektedir. Pano içindeki elektronik kontrol ünitesi, belirlenmiş olan tren sayısına göre gres pompalama işlemini gerçekleştirmektedir. Kontrol ünitesinde kaç trende bir yağlama yapılacağı ve her seferinde kaç pompalama yapılacağı ayarlanabilmektedir. Deneme testleri sonunda her üç trende bir sefer bir sefer pompalamanın yeterli olduğu görülmüştür. Pompanın her basma işleminde 1,4gr gres ray mantarı üstüne pompalanmaktadır.
Yağlama pompası bölgesinde yapılan kontrollerde, tramvay araçlarının ivmelenme ve frenlemelerinde hiçbir soruna neden olmadığı ve gresin 150 metre boyundaki kurp boyunca yayıldığı görülmüştür. Ayrıca gürültü seviyesindeki azalmayı ölçmek için, gündüz saatlerinde(11:00-12:00 arasında) SVAN 947 cihazı ile A frekans ağırlık eğrileri kullanılarak eşdeğer gürültü seviyeleri ölçülmüştür. Yağlama pompası monte edilmeden önce (07.11.2006 tarihinde) eşdeğer gürültü seviyesi 97,47 dba iken, yağlamadan sonraki gürültü seviyesi (23.01.2007 tarihinde) 76,4 dba olmuştur. Tramvay aracının geçmediği arka plan gürültüsü 74 dba ölçülmüştür. Ray mantarı yağlama sayesinde eşdeğer gürültü seviyesi 19dBA azalarak rahatsız edici olmayan seviyeye düşmüştür, ayrıca karayolu araçlarından kaynaklanan ortam gürültüsünden sadece 2,4dBA daha fazla çıkmıştır. Resim 6.Yağlama pompası monte edilmeden önce araç geçişi sırasında ortaya çıkan çevresel gürültü grafiği Resim 7. Yağlama pompası monte edilmeden sonra araç geçişi sırasında ortaya çıkan çevresel gürültü grafiği
Ray mantarının iç köşesine açılan deliklerden çıkan gres yağı, ray mantar üstüne yayıldığı gibi ray mantar yanağına da yayılmaktadır. Bu sayede, gürültüdeki ciddi azalmanın yanında, kurbun dış rayındaki yanal aşınmayı da azaltmaktadır. Yağlanmamış rayın iç kenarındaki sürtünme katsayısı 0,3-0,6 arasındadır ve yanal yüzeyde düzensiz şekilde fazla aşınmalar meydana gelir. Aşınmayı ve direnimleri azaltmak için yanal yüzeydeki sürtünme katsayısı 0,15 den az ve sabit tutulması gerekir.[7] Gürültü önleme amaçlı ray yağlama deneme çalışmasının Mart 2007 tarihinde tamamlanması hedeflenmektedir. Bu süre sonunda, tekerlek çınlama gürültüsünü ve yanal ray aşınmasını azaltmak için, yarıçapı 100 metrenin altında olan tüm yatay kurpların başlarında sabit ray yağlama pompaları monte edilmesi düşünülmektedir. 4. Sonuç Kent içi raylı sistemlerinin en önemli çevresel etkilerinden biri gürültüdür. Hem taşıt içindeki yolcular hem de çevre sakinleri için, rahatsız edici seviyedeki demiryolu gürültüsünü azaltmak için, işletmeci kurumlarının bir takım önlemleri alması gereklidir. Bu önlemlerde öncelikle yasal mevzuatın sınır değerleri sağlamak hedeflenmektedir. Đstanbul kent içi raylı sistemlerde yoldan kaynaklı gürültü nedenleri metro hatlarında ray mantarındaki dalgalı aşınmalar(ondülasyonlar) ve tramvay hatlarındaki dar kurplarda yapışma-kayma (stick-slip) hareketidir. Đstanbul kent içiş raylı sistemlerde, tecrübelere göre R<600m yatay kurplarda her yıl, diğer bölgelerde her iki yılda bir ray taşlama yapılmalıdır. Ayrıca yarıçapı 100 metrenin altındaki kurplarda sabit ray yağlama pompası monte edilmelidir. Kaynaklar: 1. A Study of European Priorities and Strategies for Railway Noise Abatement 2. UIC International Eisenbahnverband, 1979: Katalog der Schienenfehler, Utrecht:UIC. 3. TCRP Report 23, Wheel/Rail Noise Control Manual
4. Rail Grinding Best Practices, Peter Scroba, National Research Council of Canada, Mike Roney, Canadian Pasific Railways 5. Track Compendium, Bernhard Lichtberger, Şubat 2005 6. Donald T.Eadie, Marco Santoro, Kelsan Technologies Corp., Haziran 2003 7. Railway Gazette International, Mart 2004