Mitigação de vibrações induzidas por tráfego ferroviário em túneis. Soluções através de lajes flutuantes

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1 56º Congresso Brasileiro do Concreto Mitigação de vibrações induzidas por tráfego ferroviário em túneis. Soluções através de lajes flutuantes P. Lopes, P. Alves Costa, R. Calçada & A. S. Cardoso IBRACON 214 Natal Brasil

2 Índice 1. Motivação 2. Modelo numérico 3. Exemplo de aplicação 4. Resultados e discussão 5. Conclusões

3 1. Motivação Necessidade de implementação de soluções de mitigação eficientes

4 1. Motivação Madrid (28) Annoyance of inhabitants (Se7en, 1995)

5 1. Motivação Mitigação ao nível do receptor Solução dispendiosa Aplicação complexa em edificações existentes Isolamento de base de edifícios

6 1. Motivação Mitigação na fonte Source [Tiflex, UK] Source [GERB, Germany] Aplicação intensiva em túneis ferroviários Qual a eficiência desta solução na mitigação de vibrações no interior de edifícios?

7 1. Motivação Soluções de laje flutuante conceito básico Amplification f cut-on amplification attenuation Laje Frequency Apoio elástico

8 2. Estratégia de modelação numérica Descrição geral 1 Rail receptance on the moving reference frame Modelling of Track-Tunnel-Ground system Structural model of the train and interaction formulation 2 Train-track dynamic loads 2.5D FEM-PML 4 Free-field dynamic response 3D FEM approach Building-ground interaction Assessment of vibrations Técnicas de modelação distintas atendendo às especificidades dos diferentes meios

9 2. Estratégia de modelação numérica Sistema via-túnel-maciço Abordagem 2.5D FEM-PML A resposta tridimensional é obtida pela sobreposição de diversas soluções 2.5D para diferentes números de onda PML (2.5D) 2.5 FEM PML (2.5D) PML (2.5D) z x y Lopes, P., et al., Modeling of infinite structures by 2.5D FEM-PML. Application to the simulation of vibrations induced in tunnels, in Railways 212. The First International Conference on Railway Technology: Research, Development and Maintenance, J. Pombo, Editor. 212: Tenerife, Canarias. Patrícia Lopes, Pedro Alves Costa, Rui Calçada, António Silva Cardoso. Numerical Modeling of vibrations induced in tunnels: a 2.5D FEM- PML approach in Traffic Induced Environmental Vibrations and Controls: Theory and Application, pp , 213

10 2. Estratégia de modelação numérica Modelação do veículo A dinâmica do veículo é atendida através de um modelo de corpos rígidos bidimensional, onde apenas os movimentos verticais são considerados Car box Mc, Jc ϕ (t) c u (t) c Secondary suspension Bogies Primary suspension Wheelsets u (t) b2 u (t) r4 Mb, Jb Mw k s c s k s c s Mb, Jb ϕ b2(t) u b1(t) k p c p k p c p k p c p k p c p Mw Mw Mw ϕ (t) b1 u r3(t) u r2(t) u r1(t) P 4(t) P 3 (t) P 2 (t) P 1 (t) Alves Costa, P., R. Calçada, and A. Cardoso, Influence of train dynamic modelling strategy on the prediction of track-ground vibrations induced by railway traffic. Journal of Rail and Rapid Transit, 212. DOI: / Alves Costa, P., R. Calçada, and A. Cardoso, Track ground vibrations induced by railway traffic: In-situ measurements and validation of a 2.5D FEM-BEM model. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, : p

11 2. Estratégia de modelação numérica Interacção solo-estrutura ( b b 2 b ) b b K + iωc ω M u = f A B u b s = u + u b K f b s u b = f s = f s Patrícia Lopes, Pedro Alves Costa, Miguel Ferraz, Rui Calçada, António Silva Cardoso, Numerical modelling of vibrations induced by railway traffic in tunnels: from the source to the nearby buildings. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 214 (doi: 1.116/j.soildyn ) Mohammed Hussein, Hugh Hunt, Kisty Kuo, Pedro Alves Costa, João Barbosa.The use of sub-modelling technique to calculate vibration in buildings from underground railways. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part F: Journal of Rail and Rapid Transit, 214 Rigidez dinâmica do sistema de fundações

12 2. Estratégia de modelação numérica Interacção solo-estrutura Condensação matricial da rigidez dinâmica das fundações: K s = RG 1 R T z x y Sistema de equações global: K K bb bs K K bb bs b u u K = K u b bs bb + K s K bb K bs Matriz de rigidez dinâmica solo-estrutura Rigidez dinâmica da estrutura Lopes, P., P. Alves Costa, et al. (213). An efficient numerical model for the simulation of vibrations induced by railway traffic in tunnels. ISEV International Symposium on Environmental Vibrations. Shangai, China:

13 3. Exemplo de aplicação

14 3. Exemplo de aplicação Descrição geral 16. m E 5. m F z x C 4. m 5. m D y C s=25 m/s C p=468 m/s ρ =19 kg/m 3 ξ =.4 H=9. m e =.3 m; E=5 GPa ν=.3; ξ=.1 ρ=25 kg/m 3 A B.3 m.3 m.3 m.3 m.3 m.6 m Comboio: Alfa-Pendular, c=4 m/s Via em laje de betão armado contínua Cenário f cut-on (Hz) f cut-off (Hz).6 m.6 m 3. m 3. m 2. m 2. m 2. m 5. m.6 m Manta flexível Manta intermédia Manta rígida m 2. m 2. m 5. m

15 4. Resultados e discussão

16 4. Resultados e discussão Resposta dinâmica do sistema via-túnel-maciço Resposta dinâmica da via Resposta dinâmica do maciço Velocity (db - ref. 1-8 m/s) Insertion Loss (db) Carril softer mat intermediate mat stiffer mat P1(,,) Frequency (Hz) 1 1 Frequency (Hz) softer mat intermediate mat stiffer mat without mat Velocity (db) Insertion Loss (db) Invert softer mat intermediate mat stiffer mat Frequency (Hz) P2(,2,) Stiffer mat Intermediate mat Softer mat 1 1 Frequency (Hz)

17 4. Resultados e discussão Resposta dinâmica do edifício Modos globais Modos locais

18 4. Resultados e discussão Resposta dinâmica do edifício 1.e iωt 1.e iωt 1.e iωt P 1.e iωt 1.e iωt 1.e iωt Elevada influência da interacção solo-estrutura nos efeitos de amortecimento Lopes, P., P. Alves Costa, et al. (214). "Influence of soil stiffness on vibrations inside buildings due to railway traffic: numerical study." Computers & Geotechnics (DOI:1.116/j.compgeo ). Vertical displacement FRF Vertical displacement FRF SSI without SSI Frequency (Hz) SSI without SSI ξ=% Frequency (Hz) ξ=2%

19 4. Resultados e discussão Resposta dinâmica do edifício Sapata D 6 x Softer mat 6 x Intermediate mat 6 x Stiffer mat Velocity (m/s) 2-2 Velocity (m/s) 2-2 Velocity (m/s) Velocity (m/s/hz) Time a (s) 3 x 1-5 Softer mat Velocity (m/s/hz) x Time (s) Intermediate mat -6 Velocity (m/s/hz) x 1-5 Time (s) Stiffer mat Frequency (Hz) Frequency (Hz) Frequency (Hz)

20 4. Resultados e discussão Resposta dinâmica do edifício ½ vão da laje do 1º piso 1.5 x Softer mat 1.5 x Intermediate mat 1.5 x Stiffer mat Velocity (m/s) Velocity (m/s) Velocity (m/s) x Time (s) Softer mat x Time (s) Intermediate mat x Time (s) Stiffer mat Velocity (m/s/hz) Frequency (Hz) Velocity (m/s/hz) Frequency (Hz) Velocity (m/s/hz) Frequency (Hz)

21 5. Conclusões

22 5. Conclusões Foi apresentada uma medologia simples, baseada em conceitos de subestruturação, para a previsão de vibrações no interior de edifícios devido a tráfego ferroviário. As propriedades dinâmicas do edifício desempenham um papel importante na amplificação ou atenuação das vibrações induzidas pelo tráfego ferroviário. A eficiência de soluções do tipo laje flutuante para a mitigação de vibrações induzidas por tráfego é muito dependente da frequência de corte do sistema de isolamento. Apesar da atenuação propiciada pela presença de material resiliente na via, um efeito pernicioso decorre da amplificação do campo de vibração incidente para frequências próximas da frequência de ressonância do sistema flutuante. Esse facto pode levar à amplificação da resposta no interior do edifício caso se verifique uma sobreposição das frequências naturais do edifício com a frequência de ressonância do sistema de isolamento.

23 Agradeciamentos O presente trabalho comprrende investigação desenvolvida sob financiamento da "FCT - Fundação para a Ciência e Tecnologia", Portugal, nomeadamente através do projecto de investigação PTDC/ECM/11455/29. A primeira autora agradece à FCT pelo apoio financeiro concedido através da bolsa de douramento SFRH/BD/6929/21.

24 Obrigado pela vossa atenção