Raideliikenteen aiheuttaman runkomelun mallintaminen rakennuksessa

Abstract

Tässä työssä tutkittiin raideliikenteen värähtelyä ja runkomelua sekä niiden mallintamismenetelmiä. Työn tavoitteena oli selvittää raideliikenteen runkomelun numeeriseen mallintamiseen soveltuvat menetelmät ja kehittää laskentamalliin perustuva runkomelun arviointimenetelmä. Kirjallisuusselvityksessä raideliikenteen värähtelyä ja runkomelua tarkasteltiin lähteen (juna-ratarakenne), siirtotien (maaperä) sekä vastaanottajan (rakennus) osalta. Kirjallisuusselvityksen perusteella valittiin käytettävät menetelmät raideliikenteen värähtelyn mallintamiseksi rakennuksessa.

Tutkimuskohteena toimineesta asuinkerrostalosta ja ympäröivästä maaperästä luotiin 3D-malli elementtimenetelmää hyödyntävään Ansys-\-laskentaohjelmistoon. Mallissa otettiin huomioon rakennuksen kantava ja jäykistävä runko. Laskentamallissa värähtelyä tarkasteltiin taajuustasossa.

Tutkimuskohteessa mitattiin raideliikenteen aiheuttamaa värähtelyä. Mittauspisteet sijaitsivat maaperässä, rakennuksen kantavissa rakenteissa jokaisessa kerroksessa sekä asuinhuoneen välipohjan keskipisteessä. Mittaustuloksilla validoitiin tutkimuskohteesta luotua laskentamallia. Lisäksi mittaustuloksia hyödynnettiin runkomelun arviointimenetelmien vertailussa. Tutkimuskohteen maaperän ominaisuuksia määritettiin pinta-aaltojen spektrianalyysiin perustuvan maaperän leikkausaallonnopeuksien mittausmenetelmän avulla.

Laskentamalliin perustuva runkomelun arviointimenetelmä perustuu suunnittelukohteessa maaperästä tehtäviin raideliikenteen värähtelymittauksiin. Arvio värähtelystä rakennuksessa tehdään laskentamallista saatavilla värähtelyn siirtofunktioilla ja mitatuilla maaperän värähtelytasoilla. Laskentamalliin perustuvalla runkomelun arviointimenetelmällä voitiin arvioida runkomelutasoja tutkimuskohteessa nykymenetelmiä tarkemmin rakennuksen eri tiloissa. Välipohjan värähtelyn värähtelytason arviossa laskentamallin ero mittaustulokseen oli noin 0,5 dB. Laskentamallilla runkomeluarvio voidaan tehdä rakennuksen eri tiloissa taajuustasossa.

Tutkimuskohteen tulosten perusteella numeeriseen laskentamalliin perustuva runkomelun arviointimenetelmä soveltuu suunnittelukäyttöön. Haasteina laskentamalleissa on materiaaliparametrien määrittämisen epävarmuus ja mallien vaatima laskentateho.

This thesis studies the use of numerical modelling methods of vibration and groundborne noise emitted by railway traffic. The literature review section of the thesis discusses the mechanisms of vibration and groundborne noise as well as the modelling methods used to model and evaluate the phenomena. The section is divided to emission (train-track interaction), propagation (ground) and immission (building) of vibration and groundborne noise. Methods used in the numerical model in the thesis are based on the literature review.

Modelling the immission of groundborne noise in a building is investigated by creating a numerical model of a building in Ansys engineering simulation software. The model includes the building and the surrounding ground. The numerical model utilizes finite-element method to calculate the harmonic response of the building.

Vibrations caused by the nearby railway were measured in the subject building in order to validate the numerical model as well as to compare the groundborne noise evaluation methods. Vibration velocity levels were measured on the top layer of the soil, on each story of the building and on the midpoint of the floor of a room. The shearwave velocity of the soil around the building was measured and evaluated using the spectral-analysis of surface waves method.

The proposed evalution method of groundborne noise is based on railway vibration measuerements on the site and a numerical model of the building. The groundborne noise levels in the building are evaluated based on the soil to building transfer functions from the numerical model and the measured ground vibration levels. The proposed method enabled more accurate assessment of groundborne noise in the investigated building than the widely used assessment guidelines. The difference between the measurement and the proposed method in the floor vibration was 0.5 dB. The proposed method allows for assessing vibration anywhere in the building in frequency domain. The proposed groundborne noise evalution method based on a numerical model was determined to be suitable for use in acoustic consulting. Some of the challenges in the method are the uncertainties of determining the material parameters and the computational resources needed to solve large models.