Associazione Italiana di Acustica 34 Convegno Nazionale Firenze, 13-15 giugno 2007 LA SIMULAZIONE DEL RUMORE FERROVIARIO TRA PRESENTE E FUTURO: APPLICAZIONE IN PARALLELO DI MODELLI PREVISIONALI E VERIFICHE SPERIMENTALI IN SITU Andrea Cerniglia (1), Mariagiovanna Lenti (2) 1) 01 db Italia, Cesano Boscone 2) 01 db Italia, Cesano Boscone 1. Introduzione L uso dei modelli previsionali è strettamente necessario ai fini della mappatura acustica così come previsto dal Decreto Legislativo 194/05. In particolare per simulare il rumore ferroviario, è obbligatorio in Italia lo standard di calcolo nazionale olandese RMR. Si presenta tuttavia una situazione di conflitto con i modelli precedentemente in uso nel Paese, in particolare il modello francese NMPB Fer. Sono state analizzate due simulazioni eseguite con i modelli menzionati, mantenendo inalterate le condizioni al contorno come la geometria del luogo, il numero dei treni in transito, le caratteristiche acustiche del terreno e degli edifici circostanti, nonché le caratteristiche meteorologiche. Per calcolare le emissioni sono stati utilizzati i dati di una campagna di misure lungo la linea ferroviaria in studio. Le simulazioni sono state effettuate su un piano orizzontale e in sezioni verticali attraverso il programma di calcolo previsionale CadnaA (Computer Aided Noise Abatement), che implementa tutti gli standard di calcolo europei per il rumore ambientale, e consente di valutare tramite mappatura acustica il rumore emesso da una sorgente sia su piani verticali sia orizzontali. I valori ottenuti sono stati confrontati con i risultati di una sessione di monitoraggio in continuo tramite due centraline di acquisizione real time CityNoise [1], equipaggiate con fonometro 01dB Solo. 2. Analisi dell area in studio Il sito scelto per le misure di calibrazione e verifica dei modelli si trova lungo la linea ferroviaria Milano-Genova, nel comune di Borgarello, in provincia di Pavia. L area in studio è pianeggiante, costituita da terreni agricoli, senza recettori sensibili nelle vicinanze, fatto salvo per il cimitero distante circa 200 metri dalla linea. L area è
stata scelta in modo da avere l asse ferroviario nel mezzo, in direzione Nord-Sud. L estensione totale dell area è di 20 ettari. La principale sorgente di rumore è la ferrovia, il cui tracciato consta di due linee rette, poste su una massicciata sopraelevata rispetto al piano campagna di circa 2 metri. Una strada locale con un ridotto flusso di traffico incrocia la ferrovia attraverso un passaggio a livello custodito da sbarre. 3. Monitoraggio in tempo reale Le caratteristiche acustiche della zona in studio sono state misurate attraverso due centraline di monitoraggio in continuo CityNoise. Questo ha consentito, in fase di elaborazione dei dati, di individuare, attraverso il sonogramma della misura (Fig. 1), tutti gli eventi sonori accaduti durante il monitoraggio, in particolare la durata dei passaggi dei treni. Nella figura sottostante si notano in ordine temporale: la campanella del passaggio a livello, il transito di un convoglio ferroviario, il passaggio di autoveicoli successivo all apertura delle sbarre ed infine di nuovo la campanella. Figura 1 Storia temporale del Leq e sonogramma di eventi diversi 4. La rappresentazione tridimensionale digitale dell area La propagazione del rumore nell area in studio è stata analizzata con il programma di Noise Prediction CadnaA partendo da una rappresentazione tridimensionale, che contiene le caratteristiche plano-altimetriche del terreno, le dimensioni dei singoli edifici e delle strade e i parametri acustici di tutte le superfici. Applicando all area così rappresentata lo standard di calcolo per le sorgenti ferroviarie, è stato possibile ricavare il livello equivalente di pressione sonora in una griglia di punti con maglia definibile a piacere.
Figura 2 Rappresentazione tridimensionale digitale in CadnaA 5. Simulazione del rumore attraverso lo standard di calcolo francese NMPB Fer 5.1 Cenni generali sullo standard Il metodo francese per il calcolo previsionale del rumore ferroviario è stato sviluppato sulla base del metodo già esistente per il rumore da traffico stradale NMPB. Questo metodo si basa sul calcolo del rumore per bande di ottava ed è implementato nel modello ingegneristico Mithra-Fer, sviluppato dal CSTB. Sono specificate due procedure di calcolo: in condizioni meteorologiche favorevoli alla propagazione del rumore e in condizioni omogenee. Il risultato è un livello equivalente a lungo termine pesato A, ottenuto dalla combinazione dei due calcoli e prendendo in considerazione la percentuale di periodi in cui si hanno condizioni favorevoli [2]. Per fornire questo dato finale, il modello di calcolo richiede come dati di ingresso: quantità e tipologia di convogli che transitano sulla linea, potenza sonora del singolo convoglio valutata ad una velocità nota, caratteristiche del tracciato ferroviario 5.2 Calcolo della potenza sonora complessiva da attribuire alla linea Per determinare la potenza sonora totale del tracciato ferroviario è stato necessario partire dai dati di pressione misurati lungo la linea, che nel caso specifico sono starti acquisiti in una postazione distante 15 m dall asse ad un altezza di 2,4 m. Per ognuno dei convogli transitati durante il periodo di misura è stato calcolato il livello di pressione sonora su un tempo di passaggio t p così come definito dal SNCF, ovvero l intervallo di tempo durante cui il treno taglia la perpendicolare al binario passante per il microfono [3]. A partire dal livello di pressione sonora così ottenuto è stato valutato il livello di potenza sonora relativa al convoglio. Da qui, tramite il software, è stato possibile costruire lo spettro di emissione della linea durante tutto il periodo di misura. 5.3 Risultati della simulazione Su tutta l area in studio è stata calcolata, a 4 metri di altezza, la mappa acustica che rappresenta il livello di pressione sonora equivalente imputabile al solo rumore ferroviario integrato lungo tutto il periodo di misura. Tale mappa (Fig. 3) è costituita da un insieme di punti recettori disposti alla distanza di 1 metro l uno dall altro, a formare una griglia. Le linee isofoniche rappresentate sono spaziate di 5 db.
> 45.0 db > 50.0 db > 55.0 db > 60.0 db > 65.0 db > 70.0 db > 75.0 db Figura 3 Mappatura acustica con il modello NMPB Fer Sulla mappa sono inoltre riportate le posizioni delle centraline CityNoise. La mappa in figura 3 è stata calcolata con il metodo ray tracing, demandando al software la segmentazione della sorgente lineare in diversi tratti, rappresentati da una sorgente puntiforme. La lunghezza di tali tratti è funzione della distanza tra sorgente e recettore e dell eventuale presenza di ostacoli lungo il percorso del suono. Dal recettore vengono lanciati raggi di ricerca che raggiungono i segmenti di sorgente. Ogni raggio porta al recettore un contributo sonoro che dipende dalla potenza sonora dei singoli segmenti e dalle caratteristiche acustiche del percorso di propagazione. A seguito di tale elaborazione, una seconda mappa è stata calcolata facendo uso di un differente procedimento anch esso implementato in CadnaA e chiamato angle scanning. Esso consiste nell impostare a priori la spaziatura tra i raggi che dal recettore sono diretti verso la sorgente. La distanza angolare tra i raggi è stata fissata a 5. In figura 4 si può notare la differenza tra i suddetti metodi, che manifestano variazioni di livello equivalente al recettore. Figura 4 Spaziatura tra i raggi tramite variabile (a sinistra) e fissata (destra)
Le due elaborazioni sono state confrontate fra loro e sono state notate differenze totalmente imputabili alla diversità di densità dei raggi di ricerca, essendo rimaste invariate le caratteristiche del modello. In particolare si è visto che rispetto al primo caso, con il procedimento angle scanning si calcolano livelli di rumore minori dietro agli ostacoli (muri ed edifici) e maggiori in prossimità di essi. In tabella 1 è rappresentato il confronto tra i livelli equivalenti misurati dalla centralina ed i livelli calcolati rispettivamente con il primo e con il secondo metodo: al recettore presso il cimitero i livelli calcolati con i due metodi differiscono di 4 db circa. Tabella 1 Confronto tra livelli sonori misurati e calcolati presso le centraline linea ferroviaria Leq misurato CityNoise Leq calcolato con NMPB Fer (Ray Tracing) 73.5 73.3 73.1 Leq calcolato con NMPB Fer (Angle Scanning) cimitero 53.6 53.6 57.7 6. Simulazione attraverso lo standard di calcolo olandese 6.1 Cenni generali sullo standard Lo standard di calcolo olandese RMR dei Paesi Bassi per il rumore ferroviario contiene due diverse metodologie di calcolo: SRM I (metodologia semplificata) e SRM II (metodologia dettagliata). All interno dello standard è contenuto un modello di emissione i cui dati sono rappresentativi del materiale rotabile e delle rotaie olandesi. I treni sono suddivisi in 10 categorie, in base al sistema di trazione e al sistema di frenaggio. Al fine di calcolare il livello di pressione sonora equivalente, tutti i treni devono essere classificati in una delle suddette categorie oppure in una categoria ulteriore dopo l effettuazione di opportune misure, tramite procedure standard [4]. La sorgente di rumore è fornita dal modello come livello di potenza sonora equivalente per km di tracciato, calcolata per otto bande d ottava da 63 a 8000 Hz, prendendo in considerazione le categorie dei treni e la tipologia di tracciato.[1] Per tipologie di treni convenzionali sono consentite due sorgenti di rumore: all altezza del piano rotabile e a 0.5 m da esso. Per treni ad alta velocità sono da specificare sorgenti ad un altezza sul piano rotabile di, rispettivamente, 0.5 m, 2.0 m, 4.0 m e 5.0 m. [5] Per il calcolo degli effetti sulla propagazione, la sorgente lineare è suddivisa in angoli di 5 visti dal recettore. 6.2 Il database delle emissioni sonore Al fine di verificare l entità dell approssimazione in cui si incorre adottando il metodo olandese senza previa taratura, è stato utilizzato il database esistente nel modello per ottenere la potenza sonora da associare alla sorgente ferroviaria.. Si sono cercate associazioni tra le categorie di treni standard olandesi e i treni circolanti in Italia utilizzando non rilievi acustici ma classificazioni, reperite in letteratura, che si basano sull individuazione di caratteristiche affini tra la struttura dei convogli italiani e quella dei convogli olandesi [6].
Per le simulazioni è stata utilizzata la metodologia di calcolo dettagliata SRM II. 6.3 Risultati della simulazione Appoggiandosi al medesimo modello tridimensionale del territorio è stata quindi calcolata la mappatura acustica a 4 metri di altezza per il modello olandese (Fig. 5). In questo caso, la potenza acustica della sorgente ricavata dal database del modello è inferiore rispetto a quella calcolata con il metodo precedente ed i valori ottenuti nella mappa sono distanti dai valori misurati, a causa della assenza di taratura del database di emissione, che contiene riferimenti a materiale rotabile non italiano. > 40.0 db > 45.0 db > 50.0 db > 55.0 db > 60.0 db > 65.0 db > 70.0 db > 75.0 db Figura 5 - Mappatura acustica con il modello RMR (metodologia SRM II) Sono stati applicati anche in questo caso sia il procedimento ray tracing (con segmentazione della sorgente effettuata da software) sia il procedimento angle scanning con distanza angolare tra i raggi pari a 5. Confrontando i risultati si sono notate differenze dell ordine di pochi decimi di db, perché lo standard olandese prevede comunque che la sorgente sia suddivisa in angoli di 5 visti dal recettore, e di questo fatto tiene conto il software per effettuare la segmentazione. Il confronto con i dati misurati dalle centraline (Tab. 2) conferma quanto detto.
Tabella 2 - Confronto tra livelli sonori misurati e calcolati presso le centraline linea ferroviaria Leq misurato con CityNoise Leq calcolato con SRM II (Ray Tracing) 73.5 68.1 68.2 Leq calcolato con SRM II (Angle Scanning) cimitero 53.6 50.3 50.3 7. Confronto tra i modelli Appare poco significativo confrontare in valore assoluto le mappe calcolate con i due diversi modelli poiché i valori di potenza ricavati tramite misure sono distanti dal database delle emissioni utilizzato per il modello olandese. È tuttavia interessante confrontare i differenti gradienti con cui il livello equivalente diminuisce all allontanarsi del punto recettore dalla sorgente (Fig. 6). A questo scopo sono stati calcolati i livelli equivalenti su una matrice di punti recettori disposti a diverse distanze dalla sorgente (20, 50, 100, 220 metri lungo l orizzontale) e a diverse altezze rispetto al piano campagna (4, 10, 18, 25 metri). L andamento dell attenuazione è molto simile alle diverse altezze a partire da 50 m di distanza orizzontale dalla sorgente. Il punto a 220 m dalla sorgente è schermato da un edificio e si può notare come la schermatura risulti più evidente nel modello olandese. Figura 6 Attenuazione del rumore all aumentare della distanza dalla sorgente
Analizzando le mappe del rumore in sezione (Figg. 7, 8, 9), si nota una spiccata simmetria rispetto all asse perpendicolare al terreno e passante per la linea ferroviaria. La distribuzione del rumore calcolata con il modello francese evidenzia un ulteriore simmetria, rispetto a due assi inclinati, che le conferisce la caratteristica forma a lobi. Figura 7 Mappe verticali in vista tridimensionale (NMPB sopra, SRM sotto) Figura 8 Mappa verticale del rumore con il modello NMPB Fer (150 x 40 metri) Figura 9 Mappa verticale del rumore con il modello SRM II (150 x 40 metri)
8. Conclusioni L applicazione di due differenti modelli di simulazione del rumore sul medesimo sito, mantenendo invariate le condizioni al contorno, ha evidenziato diversi aspetti interessanti. Il modello francese NMPB Fer con tecnica ray tracing, opportunamente tarato con misure in situ, ha fornito valori sostanzialmente aderenti ai valori misurati. La risposta del modello NMPB Fer alle due differenti tecniche di calcolo, ray tracing con spaziatura fra i raggi calcolata da software, e con spaziatura fissata dall utente (angle scanning), ha evidenziato diversità di comportamento del modello. Il modello olandese RMR (metodologia SRM II), basato su database senza alcuna taratura iniziale, si è scostato di circa 5 db dalle misure sperimentali. Non si esclude ovviamente che con una taratura, correttamente eseguita, si possano ottenere risultati migliori dal modello. A prescindere dalla calibrazione dei modelli, emerge che la scelta di uno standard di calcolo piuttosto di un altro può portare a differenze nei risultati. Tali differenze possono diventare importanti nel caso di recettori posti nelle vicinanze -e a maggior ragione a ridosso- della linea ferroviaria, a causa dei diversi lobi di radiazione considerati dai due modelli. Si evidenzia dunque che, anche in un caso geometricamente semplice come quello considerato in questo lavoro, la taratura e la calibrazione del modello, a partire da misure sperimentali, assumono un ruolo fondamentale per il corretto funzionamento del modello stesso. La campagna di misure ha inoltre evidenziato l efficacia di un dispositivo di monitoraggio in continuo e in tempo reale, che consente di controllare, già in fase di misura, quali fenomeni vengono registrati in modo da depurare il dato rilevato da tutti gli eventi che potrebbero inficiare il procedimento di taratura del modello. Bibliografia [1] Cerniglia A., Brambilla G., Verardi P., Real time noise monitoring publishing, Atti dell 8 International Symposioum Transport noise and Vibration St. Petersburg 2006 [2] AEA Technology, Imagine The state of the art, www.imagineproject.org (2004) [3] Agence Francaise de Sécurité Sanitarie Environnementale, Impacts sanitaires du bruit: etat des lieux indicateurs bruit-sante annexes, (2004) [4] Commissione delle Comunità Europee, Raccomandazione della Commissione del 6 agosto 2003 concernente le linee guida relative ai metodi di calcolo aggiornati per il rumore delle attività industriali, degli aeromobli, del traffico veicolare e ferroviario e i relativi dati di rumorosità (2003) [5] J. Block, R. Jones, Imagine work Package 6 Rail Noise Sources South Europe Workshop on imagine project, www.imagine-project.org (2005) [6] Paviotti M., Iacoponi A., Classificazione acustica del materiale rotabile italiano, Atti del 33 Convegno Nazionale dell Associazione Italiana di Acustica Ischia 2006