Közlekedési rezgésforrások épületekre gyakorolt hatása modellezés és szimuláció

Bevezetés

A numerikus modell

Hitelesít® mérések

Alkalmazási példa

Közlekedési rezgésforrások épületekre gyakorolt hatása modellezés és szimuláció Fiala Péter BME HIT Akusztikai Laboratórium

2010. február 22.

Fiala Péter

Akusztikai komplex bizottsági el®adás. 2010.feb.22.

Összefoglalás

Bevezetés

A numerikus modell


Alkalmazási példa

Bevezetés Közlekedési zaj- és rezgésforrások

Fiala Péter


Összefoglalás

Bevezetés

A numerikus modell


Alkalmazási példa

Észlelés és szabványok Ember által észlelt zaj- és rezgésszintek I

Közvetlenül érzékelt rezgés I I I

I

Frekvenciatartomány: 1 Hz 80 Hz Alacsony frekvencia: f < 8 Hz, a > 5 mm/s2 Magas frekvencia: f > 10 Hz, v > 1 × 10−2 mm/s

Lesugárzott zaj I I I I I

Frekvenciatartomány: 20 Hz Hallásküszöb 1 kHz-en: 20µPa Zárt terek esetén 20 Hz 200 Hz Hallásküszöb 200 Hz alatt: 70µPa 70 Hz alatt: 0.5 mPa

Közlekedési rezgés és zaj szabványok I

27/2008. (XII.3). Kv-VM-EüM: I I I

Nappal lakóépületben 45 dBA, kórházban 35 dBA Éjjel közösen 30 dBA Átlagolt érték a legzajosabb egybefügg® nyolc órára Fiala Péter


Összefoglalás

Bevezetés

A numerikus modell


Alkalmazási példa

A források

Vasúti közlekedés I

Dinamikus rezgésgerjesztés: I I

I

Forrás: Sín és kerék egyenetlensége Domináns a kis sebesség¶ (v < 120 km/h) vasutak esetében

Kvázistatikus rezgésgerjesztés I I I

Forrás: Nagy sebességgel haladó, állandó er®terhelés Domináns a nagysebesség¶ (v > 150-200 km/h) vasutak esetében Domináns a lesugárzott zajban

Közúti közlekedés I I

Motorzaj Gördülési rezgés és zaj

Fiala Péter


Összefoglalás

Bevezetés

A numerikus modell


Alkalmazási példa

Tervezési módszerek Rezgés- és zajcsökkentés I

Vasúti közlekedés I I

I

Közúti közlekedés I I

I

Lesugárzott zaj: pályaszerkezet és kerekek rendszeres karbantartása Rezgéskeltés: Csiszolás, úsztatott pályaszerkezet Lesugárzott zaj: Zajvéd® falak Rezgéskeltés: Talajrezgések elszigetelése (árkok, terel®falak)

Vev® oldal I I I I

Épület alapszigetelése Úsztatott padlók Hangolt rezonátorok Szoba a szobában

Numerikus technikák szerepe I I I

Terjedési lánc modellezése Domináns rezgésforrások feltárása Rezgés- és zajcsökkentési módok tesztelése megvalósítás el®tt (virtuális prototípus) Fiala Péter


Összefoglalás

Bevezetés

A numerikus modell


Alkalmazási példa

Összefoglalás

Tartalom

Célkit¶zések I

Numerikus számítási modell bemutatása I I I

I I

Forrásmodell Talaj-épület kölcsönhatás modell Beltéri zajsugárzás modell

Hitelesítési mérések ismertetése Alkalmazás bemutatása I

Háromszintes irodaépület rezgés- és zajszigetelése különböz® módszerekkel

Fiala Péter


Bevezetés

A numerikus modell


Alkalmazási példa

A modell áttekintése Három gyengén csatolt alprobléma

1. Bees® hullámtér: Mozgó járm¶ által ébresztett talajrezgések AcousticStructural

Z X Incident

I I I

Incident

Dinamikus tengelyterelés Az alagút-talaj együttes átviteli függvényei Szabadtéri talajrezgések

Fiala Péter


Összefoglalás

Bevezetés

A numerikus modell


Alkalmazási példa

A modell áttekintése Három gyengén csatolt alprobléma

2. Szerkezeti válasz: épületrezgések meghatározása Structural

AcousticStructural

Z X

Incident

Incident

3. Akusztikai válasz: lesugárzott zaj az épület zárt termein belül AcousticStructural

Fiala Péter


Összefoglalás

Bevezetés

A numerikus modell


Alkalmazási példa

Összefoglalás

A forrásmodell I

A dinamikus tengelyterhelés meghatározása 4

Axle load [N/Hz]

2.5 2 1.5 1 0.5 0

I

I

I I

x 10

20

40 60 80 Frequency [Hz]

Koncentrált paraméteres járm¶ modell Elosztott paraméteres pályamodell Végeselem alagútmodell Réteges talajmodell Fiala Péter


100

Bevezetés

A numerikus modell


Alkalmazási példa

Mozgó forrás periodikus közegben: Floquet-transzformáció I I I

I

Hoszirányban periodikus szerkezet Számítások a kombinált tér-hullámszám tartományban Számítások az L = 0.508 m hosszú alagútszegmensen a végtelen periodikus tartomány helyett Állandó sebességgel mozgó forrásokra alkalmazható

Fiala Péter


Összefoglalás

Bevezetés

A numerikus modell


Alkalmazási példa

A pálya-alagút-talaj rendszer harmonikus válasza I

Er®-elmozdulás átviteli függvények (a) 10 Hz-en és (b) 40 Hz-en. (a)

I

(b)

Animáció Animáció Zoom Zoom Szabadtéri válasz metróelhaladásra 10 Hz-en. Fiala Péter


Összefoglalás

Bevezetés

A numerikus modell


Alkalmazási példa

A talaj-épület kölcsönhatás problémája I

Folytonossági és egyensúlyfeltételek

I

Interpretáció

Fiala Péter


Összefoglalás

Bevezetés

A numerikus modell


Alkalmazási példa

Az épületmodell I

Egy hipotetikus irodaépület végeselem modellje

I

Paraméterek I I I I I

Vasbeton lemezalap Vasbeton födémek Vasbeton vázszerkezet Vasbeton mag Tégla kitölt®falak Fiala Péter


Összefoglalás

Bevezetés

A numerikus modell


Alkalmazási példa

Összefoglalás

Az épület dinamikája: modális szuperpozíció I

Az alap dinamikus módusainak kvázi-statikus transzformációja

I

3.71 Hz 3.82 Hz A merev alapú épület dinamikus módusai

6.42 Hz

11.92 Hz Fiala Péter

159.50 Hz

95.35 Hz


Bevezetés

A numerikus modell


Alkalmazási példa

Az épület válasza I

Három modellezési eset: I

Nincs talaj-épület kölcsönhatás, egyszer¶sít® feltételezések: I I

I

I

Merev épületalap Rugalmas épületalap

Rugalmas épületalap talaj-építmény kölcsönhatással

Meggyelési pontok

Fiala Péter


Összefoglalás

Bevezetés

A numerikus modell


Alkalmazási példa

Összefoglalás

Az épület válasza kölcsönhatás nélkül Merev alap −4

−4

2 1

I

50 100 Frequency [Hz]

3 2 1 0 0

150

−4

2 1 0 0

150

−4


150


150

−4

x 10 Velocity [m/s/Hz]

Velocity [m/s/Hz]


3

Rugalmas alap

x 10

3 2 1 0 0


3

0 0

−4


Velocity [m/s/Hz]

x 10


Alapszint (Q1)

150


I

3 2 1 0 0


1. emelet (Q2) Fiala Péter

150

3 2 1 0 0

2. emelet (Q3)


Bevezetés

A numerikus modell


Alkalmazási példa

Összefoglalás

Az épület válasza rugalmas alappal Kölcsönhatás gyelembe vétele nélkül −4

−4

2 1

I


3 2 1 0 0

150

−4

2 1 0 0

150

−4


150


150

−4


Velocity [m/s/Hz]


3

Kölcsönhatás gyelembe vételével Animáció

x 10

3 2 1 0 0


3

0 0

−4


Velocity [m/s/Hz]

x 10


Alapszint (Q1)

150


I

3 2 1 0 0


1. emelet (Q2) Fiala Péter

150

3 2 1 0 0

2. emelet (Q3)


Bevezetés

A numerikus modell


Alkalmazási példa

Összefoglalás

Az akusztikai modell I

I

Az épületrezgések és hangnyomás közti csatolás

A bels® tér impedanciájának számítása: Akusztikai spektrális végeselem módszer

Fiala Péter


Bevezetés

A numerikus modell


Alkalmazási példa

Összefoglalás

Átviteli függvények R2 R3

A merev alapon megjelen® egységnyi függ®leges kitérésimpulzusra adott akusztikai válasz az 1. szobában, különböz® elnyelési tényez®k esetére: α = Eabs /Einc : α = 0, α = 0.03, α = 0.15. 7

5

x 10

Transfer [dB re Pa/m]

160

Sound pressure [Pa]

I

R1

0

140 120 100 80 60 40

(a)

−5

0

1

2 Time [s]

Fiala Péter

3

(b)

20 0


150


Bevezetés

A numerikus modell


Alkalmazási példa

A terem válasza metróelhaladásra

I

Az épület akusztikai válasza metróelhaladásra Animáció 80

0.1 0 −0.1 −0.2 −10

I

Sound Energy [dB]

Pressure [Pa]

0.2

−5

0 Time [s]

5

60

40

20

0

10

8 10 13 16 20 25 31 40 50 63 80100125 One−third octave band [Hz]

Hangnyomás az els® emeleti szobában

Fiala Péter


Összefoglalás

Bevezetés

A numerikus modell


Alkalmazási példa


Projekt háttér I

FP6 EC Growth CONVURT: Control of Noise and Vibration from Underground Railway Trac

Fiala Péter


Összefoglalás

Bevezetés

A numerikus modell


Alkalmazási példa

Összefoglalás

A forrásmodell: Mérések a London Underground Bakerloo vonalán I

Mért (a) sín- és (b) kerékegyenetlenség 10 0 −10 −20 0 10

−1

10

−2

10

−3

10

10 0 −10 −20 0 10

−1

−2

10

−3

10

10

Wavelength [m] Wavelength [m] (a) (b) A tengelygyorsulásból származtatott adatokkal kiegészített eredmények (v = 47.6 km/h)

Roughness [dBref µ m]

I

20 Roughness [dBref µ m]

Roughness [dBref µ m]

20

Fiala Péter

80

LH Rail RH Rail Axlebox 3 PSD curve

60 40 20 0 −20 0 10

1

2

3


4

10


Bevezetés

A numerikus modell


Alkalmazási példa

A talajfelszín válasza Mérési elrendezés

Fiala Péter


Összefoglalás

Bevezetés

A numerikus modell


Alkalmazási példa

Összefoglalás

A talajfelszín válasza

Velocity [m/s]

Mért és számított rezgéssebesség id®függvények és spektrumok {23.5 m, 0 m, 0 m} (FF02z). −4

2

x 10

FF02z

0 −2 −10

−5

0 Time [s]

(a)

5

10

−5

x 10

4 2 0

(b)

−4

10

FF02z

6

Velocity [m/s]

Velocity [m/s/Hz]

I

FF02z

−6

10

−8

20

40 60 80 Frequency [Hz] Fiala Péter

100

10

(c)

0

10

1

2


3

10


Bevezetés

A numerikus modell


Alkalmazási példa

Az épületmodell hitelesítése

I

Kálvin Center: Hétszintes vasbeton vázszerkezetes irodaépület

Fiala Péter


Összefoglalás

Bevezetés

A numerikus modell


Alkalmazási példa

Ejt®zsákos mérések a metróban

Fiala Péter


Összefoglalás

Bevezetés

A numerikus modell


Alkalmazási példa

A mér®rendszer

Fiala Péter


Összefoglalás

Bevezetés

A numerikus modell


Alkalmazási példa

Összefoglalás

Eredmények I

Szerkezeti rezgésgyorsulás az alagútban és az épület pinceszintjében

Acceleration [m/s2]

0.01

2

Acceleration [m/s ]

0.5

−0.5 0

(a)

0.05

0.1

0.15 Time [s]

0.2

0.25

0.3

0.005

0

−0.005

−0.01 0

(b)

0.05

0.1

0.15 Time [s]

0.2

0.25

0.3

20


100

120

Számított (a) és mért (b) rezgés spektrumok

(a)

−20 Acceleration [dB re 1m/s2]

−20 Acceleration [dB re 1m/s2]

I

0

−40 −60 −80 −100 −120 0

20


100

120

Fiala Péter

(b)

−40 −60 −80 −100 −120 0


Bevezetés

A numerikus modell


Alkalmazási példa

Rezgés- és zajcsökkentés

Rezgés- és zajcsökkentés három szinten I I I

Forrás szigetelése úsztatott pályaszerkezettel Épület szigetelése alapszigeteléssel Terem akusztikai szigetelése szoba a szobában elrendezéssel

Célkit¶zés I I I

Rezgésszigetelési módszerek hatékonyságának el®rebecslése Paramétertanulmány Numerikus eredmények többféle kiértékelése

Fiala Péter


Összefoglalás

Bevezetés

A numerikus modell


Alkalmazási példa

A forrás szigetelése: Úsztatott pályaszerkezet

I I

Cél: Sínszerkezet és alagútfal dinamikus elválasztása Paraméterek: I I I I

Szakaszos úsztatott beton pályaszerkezet 31 m hosszú betonszegmensek Alátámasztás: 2x17 pontban Rezonanciafrekvencia: 10 Hz

Fiala Péter


Összefoglalás

Bevezetés

A numerikus modell


Alkalmazási példa

A forrás szigetelése II I

Pálya-talaj átviteli függvények

I

Szabadtéri rezgések szigetelés nélkül és szigeteléssel −4

x 10

70 Velocity [dB re 5´ 10−8 m/s]

1

Velocity [m/s]

0.8 0.6 0.4 0.2 0 −10

−5

0 Time [s]

5

10

Fiala Péter

60 50 40 30 20 10 0

8 10 13 16 20 25 31 40 50 63 80 100125 One−third octave band center frequency [Hz] Akusztikai komplex bizottsági el®adás. 2010.feb.22.

Összefoglalás

Bevezetés

A numerikus modell


Alkalmazási példa

Összefoglalás

A forrás szigetelése III

I

Az úsztatott pályaszerkezet beiktatási csillapítása (Insertion Loss, IL)

IL = 20 log10

Uuniso Uiso

(1)

Insertion loss [dB]

60

40 I I

20

0 I

−20

szürke: SDOF rendszerrel becsült szürke sáv: A tényleges IL tartománya az épület alapja mentén fekete: Átlagolt érték

8 10 13 16 20 25 31 40 50 63 80 100125 One−third octave band center frequency [Hz]

Fiala Péter


Bevezetés

A numerikus modell


Alkalmazási példa

Az épület alapszigetelése

I

F®bb tervezési szempontok I I

I

Rezonanciafrekvencia Statikus elmozdulás (holtteher)

Megvalósítás I

Gumi rugó alátámasztás n × m-es blokkokban

Fiala Péter


Összefoglalás

Bevezetés

A numerikus modell


Alkalmazási példa

Az épület alapszigetelése: elrendezés I

Rezgésszigetelés rugókra helyezéssel. y c9

c10

p1

x c5

r1,3

c11

c12

r2,4 c6

c8

c7

p2 c1

I I

c2

c3

c4

Sajátfrekvencia: fiso = 10 Hz. A merev alapú rezgésszigetelt épület módusai

9.56 Hz

12.38 Hz

Fiala Péter

15.26 Hz


Összefoglalás

Bevezetés

A numerikus modell


Alkalmazási példa

Összefoglalás

Az épület alapszigetelése: Rezgésszintek RMS sebesség egy födémlemez két kiválaszott pontjában x = 12.5, y = 2

−4

4

x 10

x 10

3 Velocity [m/s]

Velocity [m/s]

x = 2.5, y = 6

−4

4

3

2

1

2

1

0 −10

−5

0 Time [s]

5

0 −10

10

60

40

20

0

−5

0 Time [s]

5

10



I

8 1012.516 20 25 31 40 50 63 80 100125 One−third octave band center frequency [Hz] Fiala Péter

60

40

20

0

8 1012.516 20 25 31 40 50 63 80 100125 One−third octave band center frequency [Hz] Akusztikai komplex bizottsági el®adás. 2010.feb.22.

Bevezetés

A numerikus modell


Alkalmazási példa

Az épület alapszigetelése: Beiktatási csillapítás Az alapszigetelés beiktatási csillapítása az els® szinten különböz® kiértékelési módszerekkel 60

60

40

40

20

0

−20

I I I

I I

Insertion loss [dB]

Insertion loss [dB]

I

8 1012.516 20 25 31 40 50 63 80 100125 One−third octave band center frequency [Hz]

20

0

−20


szürke vonal: SDOF rendszer szürke tartomány: Lokális érték tartománya fekete vonal: Födém rezgési energiájából számolt görbe

Animáció Rezgésszigeteléssel Audio Rezgésszigetelés nélkül Rezgésszigeteléssel

Fiala Péter


Összefoglalás

Bevezetés

A numerikus modell


Alkalmazási példa

Akusztikai szigetelés I

Szoba a szobában elv megvalósítása I

I

Cél: teljes falfelület dinamikus elválasztása az épület rezgéseit®l

Paraméterek I I I I I

Padló rugalmas alátámasztása méterenként elhelyezett gumi elemekkel 10 cm vasbeton padló és födém 6 cm téglafal terhelés: 8.7 t, rugónként ≈ 3 kN rezonanciafrekvencia: 10 Hz, statikus süllyedés: 2.5 mm Fiala Péter


Összefoglalás

Bevezetés

A numerikus modell


Alkalmazási példa

Akusztikai szigetelés

Az akusztikai szigetelés beiktatási csillapítása különböz® kiértékelési módszerekkel 80

60

70 Insertion loss [dB]

Sound Energy Level [dB]

I

60 50 40 30 20 10

I I I

40 20 0 −20



szürke vonal: SDOF rendszer szürke tartomány: Lokális érték tartománya fekete vonal: Teljes szoba akusztikai energiájából számol térték

Fiala Péter


Összefoglalás

Bevezetés

A numerikus modell


Alkalmazási példa

Összefoglalás

Eredmények I

I I

3D determinisztikus csatolt modell épületek rezgés- és zajterhelésének számítására Hitelesítés mérésekkel paramétertanulmány rezgés- és zajcsökkentési módszerek vizsgálatához

További kutatási terület I I I

Bizonytalan vagy ismeretlen paraméterek sztochasztikus modellezése Érzékenységvizsgálat Pontosan meghatározandó paraméterek kijelölése

Fiala Péter


Összefoglalás

Közlekedési rezgésforrások épületekre gyakorolt hatása modellezés és szimuláció

Recommend Documents