Ochrona przed hałasem i drganiami – kolejowe projekty BRIK na PW

Dr inż. Cezary Kraśkiewicz i prof. dr hab. inż. Artur Zbiciak przewodzili projektom BRIK realizowanym na Politechnice Warszawskiej. W ramach dwóch projektów opracowano prototypy rozwiązań ograniczających poziom hałasu oraz rozwiązań wibroizolacyjnych pochodzących od ruchu kolejowego. W styczniu 2025 r. PKP Polskie Linie Kolejowe S.A. podpisały umowy licencyjne na bezterminowe korzystanie z produktów projektów zrealizowanych w ramach wspólnego przedsięwzięcia - to ważny krok we wdrażaniu ich efektów.

Dr Kraśkiewicz od 2012 r. jest pracownikiem Wydziału Inżynierii Lądowej Politechniki Warszawskiej. Naukowo zajmuje się ograniczeniem negatywnych oddziaływań dynamicznych od ruchu pojazdów szynowych na otoczenie linii kolejowych, tras tramwajowych oraz metra. 

– Chodzi przede wszystkim o ograniczenie poziomu hałasu i wibracji, które negatywnie oddziałują na otoczenie trasy – obniżając komfort życia mieszkańców lub użytkowników okolicznych budynków. Na tym zagadnieniu skupiała się moja rozprawa doktorska, której promotorem był prof. dr hab. inż. Artur Zbiciak. W ramach rozprawy od początku budowałem kolejne stanowiska do badań laboratoryjnych elementów składowych nawierzchni torowej w postaci izolatorów wibroakustycznych. Dzięki tym stanowiskom udało mi się pozyskać kilka niedużych prac zleconych na realizacje badań od zainteresowanych firm – mówi dr inż. Cezary Kraśkiewicz. 

Niedługo potem okazało się, że narodowy zarządca infrastruktury kolejowej – spółka PKP PLK S.A. wraz z NCBiR ogłosili konkurs BRIK (Badania i Rozwój Innowacji Kolejowych) i wśród agendy badawczej znalazły się dwa tematy dotyczące opracowania prototypów rozwiązań stosowanych w nawierzchni torowej celem ograniczenia poziomu wibracji i hałasu np. aby uniknąć konieczności budowy wysokich ekranów akustycznych wzdłuż długich odcinków linii kolejowych, co powoduje chociażby barierę w migracji zwierząt.

– Pomimo że było bardzo mało czasu, ok. 2 miesięcy, wspólnie z moim Promotorem – Panem Profesorem Arturem Zbiciakiem podjęliśmy wyzwanie, aby złożyć dwa wnioski – zakładając, że będzie większa szansa na uzyskanie chociażby jednego projektu. Dzięki wcześniejszej współpracy z przemysłem udało nam się skompletować skład konsorcjum i złożyć dwa niezależne wnioski w dwóch tematach z agendy badawczej. Po ok. roku dostaliśmy decyzję z NCBiR, że uzyskaliśmy najwyższą punktację spośród złożonych wniosków – inne konsorcja naukowe nie miały żadnych partnerów przemysłowych – i nasze obydwa projekty uzyskały dofinansowanie. I tak zacząłem swoją przygodę z kierowaniem jednym z projektów oraz koordynacją badań laboratoryjnych i poligonowych w obydwu projektach BRIK – wspomina dr Kraśkiewicz.

Dr inż. Cezary Kraśkiewicz był kierownikiem projektu BRIK „Innowacyjne rozwiązania w zakresie ochrony ludzi i środowiska przed hałasem od ruchu kolejowego” (InRaNoS), w którym opracowywane zostały m.in. prototypowe tłumiki przyszynowe ograniczające poziom hałasu. Był także koordynatorem badań laboratoryjnych i poligonowych (kluczowy personel B+R) projektu BRIK „Innowacyjne rozwiązania w zakresie ochrony ludzi i budynków przed drganiami od ruchu kolejowego” (InRaViS).

Prof. dr hab. inż. Artur Zbiciak był kierownikiem projektu BRIK „Innowacyjne rozwiązania w zakresie ochrony ludzi i budynków przed drganiami od ruchu kolejowego” (InRaViS), w którym opracowywane zostały m.in. prototypowe maty UBM i podkładki USP ograniczające poziom wibracji. Był także koordynatorem analiz numerycznych (kluczowy personel B+R) projektu BRIK „Innowacyjne rozwiązania w zakresie ochrony ludzi i środowiska przed hałasem od ruchu kolejowego” (InRaNoS).

Ochrona przed hałasem i drganiami

W ramach projektu BRIK realizowano dwa główne projekty, które dotyczyły aktualnych zagadnień ochrony środowiska przed negatywnym wpływem ruchu pojazdów szynowych na otoczenie tras dróg szynowych (wibracje i hałas):

• Rozwiązanie w zakresie ochrony ludzi i środowiska przed hałasem

W ramach projektu opracowano prototypy rozwiązań ograniczających poziom hałasu pochodzącego od ruchu kolejowego. Dokonano optymalizacji parametrów geometrycznych i materiałowych na podstawie symulacji numerycznych MES oraz przeprowadzono badania skuteczności tłumików (absorberów) przyszynowych i tłumików torowych, w tym badania na poligonie przygotowanym przez Laboratorium Wydziału Inżynierii Lądowej Politechniki Warszawskiej oraz na linii kolejowej nr 9 na odcinku w okolicach Nowego Dworu Mazowieckiego i Pomiechówka. W trakcie badań na czynnej linii kolejowej wykonano pomiary hałasu w środowisku w warunkach operacyjnych (tj. od rzeczywistych przejazdów pojazdów szynowych) w celu oceny skuteczności tłumików przyszynowych. 

Wyniki przeprowadzonych badań pozwoliły na opracowanie wytycznych do stosowania rozwiązań (tłumików akustycznych) na liniach kolejowych. Zastosowanie wytycznych w relacjach z rynkiem branży kolejowej pozwoli na zmniejszenie kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych, poprzez właściwy dobór środków minimalizujących adekwatnych do skali przekroczeń dopuszczalnych wartości poziomu hałasu. Dodatkowo wnioski z przeprowadzonych badań posłużyły do opracowania danych, które mogą zostać wykorzystane wprost w programach obliczeniowych wykorzystywanych do modelowania propagacji hałasu w środowisku.

• Rozwiązania w zakresie ochrony ludzi i budynków przed drganiami

Projekt obejmował opracowanie próbek/prototypów rozwiązań wibroizolacyjnych oraz zbadanie ich skuteczności w zakresie ograniczenia poziomu wibracji pochodzących od ruchu kolejowego i przekazywanych na budynki oraz na ludzi przebywających w budynkach. Zadanie uwzględniało także badania laboratoryjne trwałości eksploatacyjnej (m.in. wytrzymałości zmęczeniowej i odporności na warunki atmosferyczne) dla czterech rodzajów wibroizolatorów w nawierzchni kolejowej o konstrukcji podsypkowej i bezpodsypkowej: podkładek podpodkładowych (USP), mat podpodsypkowych/ podtłuczniowych (UBM), mat podpłytowych (USM) oraz systemu blokowych podpór szynowych w otulinie (EBS). Badania laboratoryjne były poprzedzone wszechstronnymi analizami numerycznymi z wykorzystaniem zaawansowanych systemów metody elementów skończonych (MES).

Głównym efektem projektu są wytyczne określające skuteczność nowych rozwiązań oraz zakres stosowania z uwzględnieniem ich wprowadzania w konstrukcję nawierzchni torowej wraz z rekomendacjami, które pozwolą na zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych poprzez dobór środków minimalizujących, adekwatnych do skali przekroczeń. W wyniku przeprowadzonych prac badawczych opracowano także wytyczne w zakresie uwzględniania środków ograniczających emisję drań w analizach obliczeniowych.

– Wyniki tych projektów przyniosą realne korzyści ekonomiczne, ekologiczne i społeczne, gdyż lepsze rozpoznanie stanu wiedzy w zakresie stosowania wibroizolatorów przyniesie korzyści w postaci właściwego wyboru elementów składowych konstrukcji drogi szynowej oraz zwiększenia trwałości budowli, komfortu mieszkańców i użytkowników budynków położonych wzdłuż trasy drogi szynowej poprzez obniżenie poziomu wibracji i hałasu wtórnego – dodaje dr Kraśkiewicz. 

Realizowane na Wydziale Inżynierii Lądowej Politechniki Warszawskiej dwa projekty BRIK dotyczyły konsorcjum składającego się z pięciu podmiotów – zarówno dwóch konsorcjantów przemysłowych, jak i trzech jednostek naukowych, a WIL pełnił w tych projektach rolę Lidera. Finansowanie projektów BRIK realizowane było ze środków europejskich (Program Operacyjny Inteligentny Rozwój) oraz środków narodowego zarządcy infrastruktury kolejowej – tzn. spółki PKP PLK S.A. W skład Konsorcjum weszły: Politechnika Warszawska, Instytut Kolejnictwa, Instytut Ochrony Środowiska – Państwowy Instytut Badawczy, Budimex S.A. oraz Anito 2 Sp. z o. o.

– Realizacja projektów wymagała stworzenia bardzo szerokich zespołów badawczych – tylko na Wydziale Inżynierii Lądowej zaangażowanych było ok. 50 pracowników – od specjalistów w zakresie symulacji numerycznych, przez specjalistów od badań laboratoryjnych po osoby wykonujące pomiary w terenie na poligonach badawczych. Współpracowaliśmy też z pracownikami innych wydziałów na PW – np. Samochodów i Maszyn Roboczych lub Inżynierii Produkcji (obecnie Mechaniczny Technologiczny). W ramach konsorcjum mieliśmy też możliwość współpracy i wymiany doświadczeń ze specjalistami od akustyki środowiska, technologami zajmującymi się procesem produkcyjnym wyrobów budowlanych i ich certyfikacją czy też czynnymi inżynierami torowymi zajmującymi się budową lub modernizacją linii kolejowych, co jest bardzo cennym doświadczeniem dla naukowca – zaznacza dr inż. Cezary Kraśkiewicz. 

Na przestrzeni kilku lat realizacji pojawiały się realne wyzwania – niekiedy wynikające z siły wyższej, jak np. pandemia Covid-19, która uniemożliwiła lub wydłużyła przeprowadzenie części badań – co wymusiło modyfikację harmonogramów realizacji projektów. Dodatkowo specyfika projektów wymaga, aby przed rozpoczęciem jakichkolwiek badań na linii kolejowej ukończyć odpowiednie szkolenia z zakresu BHP i uzyskać przepustki od Służby Ochrony Kolei. Część badań poligonowych jest możliwa tylko do realizacji w trakcie kilkugodzinnych przerw w ruchu – jedynie w ciągu nocy, a badania akustyczne wymagają odpowiednich warunków atmosferycznych, aby ich wyniki były wiarygodne. 

Patenty na hałas i drgania

W ramach projektów powstały konkretne produkty objęte ochroną patentową:

• „Tłumik przyszynowy” stosowany w celu obniżania emisji hałasu generowanego przez ruch kolejowy, zawierający odkształcalną otulinę w której umieszczono elementy rezonujące. Otulina zawiera wycięcia w postaci pustek powietrznych, umiejscowione zgodnie z kierunkiem drgań szyny (zgłoszenie patentowe nr: P.441392 z dnia: 06.07.2022 r.),
• „Sposób wytwarzania elementów prefabrykowanych ograniczających hałas kolejowy” – opatentowana metoda obejmuje etapowe wytwarzanie uwzględniające w końcowym etapie odsłonięcie zamkniętych porów kruszywa betonu porowatego (zgłoszenie patentowe nr: P.442276 z dnia: 14.09.2022 r.),
• „Mata tłumiąca” stosowana w konstrukcji dróg kolejowych w celu redukcji drgań pochodzących od ruchu pojazdów szynowych. Warstwa wewnętrzna, podzielona przegrodami, wypełniona jest luźnym materiałem (np. ścinki/wióry z recyklingu opon samochodowych, włókna gumowe), oraz wyposażona jest w zewnętrzne pneumatyczne zawory powietrza (zgłoszenie patentowe nr: P.440999 z dnia: 22.04.2022 r.),
• „Podkładka podpodkładowa” mocowana górną stroną do dolnej strony podkładu kolejowego a od dolnej strony podparta na podsypce z tłucznia. Podkładka wykonana jest z materiału elastomerowego i charakteryzuje się tym, że zawiera zbrojenie z materiału zmiennofazowego o właściwościach pseudosprężystych (zgłoszenie patentowe nr: P.444276 z dnia: 21.03.2023 r.).

Znaczenie i wartość pracy wykonanej przez zespół Konsorcjum podkreślają liczne nagrody naukowe, przyznane na podstawie zrealizowanych projektów i związanych z nimi publikacjami naukowymi:

• Nagroda zespołowa I stopnia JM Rektora PW dla Pracowników Wydziału Inżynierii Lądowej PW za osiągnięcia naukowe w latach 2021-2022 oraz Nagroda zespołowa II stopnia JM Rektora PW za osiągnięcia naukowe w latach 2019-2020 za cykle publikacji obejmujące zakres tematyczny projektów.
• II miejsce w konkursie „Innowator Mazowsza” (kategoria „Innowacyjny Naukowiec”) oraz Stypendium Ministra Edukacji i Nauki dla wybitnych młodych naukowców w dziedzinie nauk inżynieryjno-technicznych (dyscyplina: Inżynieria lądowa, geodezja i transport) dla Cezarego Kraśkiewicza za rozprawę doktorską: „Identyfikacja i dobór cech materiałowych wybranych izolatorów wibroakustycznych w systemach konstrukcji dróg szynowych”. Zakres tematyczny rozprawy ściśle związany z projektami.

Dotychczas w ramach realizacji badań i analiz w projektach BRIK I powstało również kilkanaście publikacji naukowych w wysoko punktowanych czasopismach, m.in. w czasopismach wydawcy Elsevier, w czasopiśmie "Materials" czy w czasopismach Polskiej Akademii Nauk.

Projekty w praktyce

Oba projekty zostały zakończone w maju 2023 roku, po 5-letnim okresie realizacji trwającym od czerwca 2018 roku. Aktualnie projekty są w okresie trwałości. 

W styczniu 2025 r. PKP Polskie Linie Kolejowe S.A. podpisały Umowy licencyjne na bezterminowe korzystanie z produktów projektów zrealizowanych w ramach wspólnego przedsięwzięcia Narodowego Centrum Badań i Rozwoju oraz PKP Polskie Linie Kolejowe S.A. BRIK – Badania i Rozwój w Infrastrukturze Kolejowej. Projekty zrealizowane zostały przy współpracy z pięcioma podmiotami – jednostkami naukowymi i uczestnikami rynku branży kolejowej. Zawarcie Umów to ważny krok we wdrażaniu efektów projektów prowadzonych od 2017 r.

Umowy licencyjne zawarto z wykonawcami projektów:

• „Innowacyjne rozwiązania w zakresie ochrony ludzi i budynków przed drganiami od ruchu kolejowego”. Zadanie realizowane przez konsorcjum firm: Politechnika Warszawska, Instytut Kolejnictwa, Instytut Ochrony Środowiska – Państwowy Instytut Badawczy, Budimex S.A. oraz Anito 2 Sp. z o. o.
• „Innowacyjne rozwiązania w zakresie ochrony ludzi i środowiska przed hałasem od ruchu kolejowego”. Zadanie realizowane przez konsorcjum firm: Politechnika Warszawska, Instytut Ochrony Środowiska – Państwowy Instytut Badawczy, Budimex S.A. oraz Anito 2 Sp. z o.o.

Zawarcie Umów licencyjnych pozwala na bezterminowe, nieodpłatne i otwarte (niewyłączne) korzystanie z produktów wymienionych już projektów bez ograniczeń terytorialnych, przy czym prawa autorskie i produkcyjne zachowują Konsorcja realizujące ww. projekty.

Aktualnie PKP Polskie Linie Kolejowe S.A. prowadzą analizę rodzajów dokumentów wewnętrznych (tj. dokumentów bazowych, standardów, wytycznych, instrukcji itp.), w których może nastąpić wdrożenie efektów projektów zrealizowanych w ramach konkursu BRIK I.