Numerical Analysis of Traffic-Induced Vibration

Numerisk analyse af trafikinduceret vibrationer

Vigsø, Michael ; Elmholt, Morten Møller ; Bach, Kristian Smedegaard

4. term

Structural and Civil Engineering, Master

2013

2013-06-10

68

Vibrationer fra vejtrafik kan genere beboere og i sjældne tilfælde skade bygninger. Tiltag som fartbump eller ujævn belægning kan forstærke problemet. Nutidens vurderinger bygger ofte på erfaringstal og er derfor usikre. Denne specialerapport udvikler en fysikbaseret, numerisk model til at simulere, hvordan køretøj, vej, jord og en nærliggende bygning tilsammen skaber trafikbetingede vibrationer. Modellen er en dynamisk finit-element (FE) model – en beregningsmetode, der opdeler konstruktioner og jord i små elementer og beregner deres bevægelser. Grundmodellen er todimensionel med absorberende randbetingelser, som hindrer kunstige refleksioner fra modellens kanter, og en toetagers bygning er forbundet til jordmodellen. Køretøjet beskrives med en generisk model, hvor hjul og affjedring samles i diskrete fjeder–dæmper–masse-systemer. Der undersøges to vejoverflader: (1) en plan vej med forskellige typer fartbump og (2) en brostensbelægning med tilfældige højdeforskelle beskrevet ved stokastiske parametre. Grænsefladen mellem køretøj og underlag modelleres med Mindlin-bjælkeelementer, understøttet af interfaceelementer og Kelvin-fundamenter (fjedre og dæmpere), så vejens bøjning samt jordens eftergivelighed og dæmpning indgår. Et hovedfokus er vekselvirkningerne mellem køretøj og jord samt mellem jord og bygning. Vekselvirkningen mellem køretøj og jord løses i tidsdomænet med tre tidsintegrationsskemaer: et afkoblet (delmodeller løses separat med kraftudveksling), et eksplicit (tilstand opdateres direkte fra kendte værdier) og et implicit (samtidig løsning af koblede ligninger pr. tidsstep) skema. Jord–bygnings-interaktionen håndteres ved at inkludere jord- og bygningsmodellen i samme FE-system. Modellen kalibreres til en referencesag med en treakslet bybus (sammenlignelig med en Scania City-bus), der kører på siltet ler. Et parameterstudie undersøger, hvilke egenskaber ved køretøj, vej, jord og bygning der har størst betydning for vibrationsniveauet i bygningen – for både fartbump og brosten. Behovet for kobling mellem delmodeller vurderes ved at sammenligne koblede og afkoblede simuleringer. Afslutningsvis udvikles en tredimensionel model til at vurdere, hvornår den enklere todimensionelle model er tilstrækkelig for det tredimensionelle vibrationsproblem.

Vibrations from road traffic can disturb residents and, in rare cases, damage buildings. Measures like speed bumps or rough paving can amplify the issue. Current assessments are often empirical and uncertain. This thesis develops a physics-based numerical model to simulate how a vehicle, road, ground, and a nearby building interact to produce traffic-induced vibrations. The model is a dynamic finite element (FE) model—a computational method that divides structures and soil into small elements and computes their motion. The base model is two-dimensional with absorbing boundary conditions to prevent artificial reflections at model edges, and a two-storey building is attached to the ground model. The vehicle is represented by a generic model in which wheels and suspension are grouped into spring–dashpot–mass systems. Two road surfaces are studied: (1) a flat road with several types of speed bumps and (2) a cobblestone pavement with random height variations defined by stochastic parameters. The interface between the vehicle and the support is modeled using Mindlin beam elements supported by interface elements and Kelvin foundations (springs and dashpots), capturing road bending and the compliant, damped support from the soil. A key focus is the interaction between vehicle and soil and between soil and building. Vehicle–soil interaction is solved in the time domain with three time-integration schemes: a decoupled approach (submodels solved separately with force exchange), an explicit scheme (states updated directly from known values), and an implicit scheme (simultaneous solution of coupled equations at each time step). Soil–building interaction is handled by including the soil and building in the same FE system. Model parameters are calibrated to a reference case with a three-axle city bus (comparable to a Scania City bus) traveling over silty clay. A parameter study explores which properties of the vehicle, road, soil, and building most influence vibration levels in the building—for both speed bumps and cobblestones. The need for coupling between submodels is assessed by comparing coupled and decoupled simulations. Finally, a three-dimensional model is developed to judge when the simpler two-dimensional model is adequate for this inherently three-dimensional vibration problem.

[This abstract was generated with the help of AI]

finite element ; vibrationer ; FEM ; analyse ; matlab ; trafik ; transmitting boundary conditions ; dynamik ; vejbump ; sleeping policeman ; road hump ; brosten ; cobblestones ; Boulevarden ; aalborg ; danmark ; awesome ; 3D ; 2D ; 1D ; 4D ; egenfrekvenser ; resonans ; bus ; scania ; hus ; bygning ; jord ; bølger ; vej ; whole body vibration ; octave bånd ; decibel ; lyd ; trykbølger ; forskydningsbølger ; Rayleigh ; pressure ; shear ; stress ; strain ; Q8 ; Q26 ; Mindlin ; Bernoulli ; Euler ; beam ; element ; FE ; newmark ; frequency domain ; frekvensdomæne ; løsning ; parameterstudie ; interaktion ; kobling ; dekobling ; koblet model ; model ; modellere ; VI ER FÆRDIGE ; master ; thesis ; speciale ; byggeri og anlæg ; konstruktion ; geoteknik ; kontinuummekanik ; urban living ; currant number ; frames ; rammebygning ; artikler ; artikel ; fundamenter ; kelvin ; kelvinfundament ; sinusbump ; trapezebump ; cirkelbump ; acceleration ; hastighed ; flytning ; deformation ; nedbøjning

Download
View record in AAU Student Projects