Közlekedési rezgésforrások épületekre gyakorolt hatása modellezés és szimuláció BME HIT Akusztikai Laboratórium 21. február 22.
Bevezetés Közlekedési zaj- és rezgésforrások
Észlelés és szabványok Ember által észlelt zaj- és rezgésszintek Közvetlenül érzékelt rezgés Frekvenciatartomány: 1 Hz 8 Hz Alacsony frekvencia: f < 8 Hz, a > 5 mm/s 2 Magas frekvencia: f > 1 Hz, v > 1 1 2 mm/s Lesugárzott zaj Frekvenciatartomány: 2 Hz Hallásküszöb 1 khz-en: 2µPa Zárt terek esetén 2 Hz 2 Hz Hallásküszöb 2 Hz alatt: 7µPa 7 Hz alatt:.5 mpa Közlekedési rezgés és zaj szabványok 27/28. (XII.3). Kv-VM-EüM: Nappal lakóépületben 45 dba, kórházban 35 dba Éjjel közösen 3 dba Átlagolt érték a legzajosabb egybefügg nyolc órára
A források Vasúti közlekedés Dinamikus rezgésgerjesztés: Forrás: Sín és kerék egyenetlensége Domináns a kis sebesség (v < 12 km/h) vasutak esetében Kvázistatikus rezgésgerjesztés Forrás: Nagy sebességgel haladó, állandó er terhelés Domináns a nagysebesség (v > 15-2 km/h) vasutak esetében Domináns a lesugárzott zajban Közúti közlekedés Motorzaj Gördülési rezgés és zaj
Tervezési módszerek Rezgés- és zajcsökkentés Vasúti közlekedés Lesugárzott zaj: pályaszerkezet és kerekek rendszeres karbantartása Rezgéskeltés: Csiszolás, úsztatott pályaszerkezet Közúti közlekedés Lesugárzott zaj: Zajvéd falak Rezgéskeltés: Talajrezgések elszigetelése (árkok, terel falak) Vev oldal Épület alapszigetelése Úsztatott padlók Hangolt rezonátorok Szoba a szobában Numerikus technikák szerepe Terjedési lánc modellezése Domináns rezgésforrások feltárása Rezgés- és zajcsökkentési módok tesztelése megvalósítás el tt (virtuális prototípus)
Tartalom Célkit zések Numerikus számítási modell bemutatása Forrásmodell Talaj-épület kölcsönhatás modell Beltéri zajsugárzás modell Hitelesítési mérések ismertetése Alkalmazás bemutatása Háromszintes irodaépület rezgés- és zajszigetelése különböz módszerekkel
A modell áttekintése Három gyengén csatolt alprobléma 1. Bees hullámtér: Mozgó járm által ébresztett talajrezgések AcousticStructural Z X Incident Incident Dinamikus tengelyterelés Az alagút-talaj együttes átviteli függvényei Szabadtéri talajrezgések
A modell áttekintése Három gyengén csatolt alprobléma 2. Szerkezeti válasz: épületrezgések meghatározása AcousticStructural Structural Z Incident X Incident 3. Akusztikai válasz: lesugárzott zaj az épület zárt termein belül AcousticStructural
A forrásmodell A dinamikus tengelyterhelés meghatározása Axle load [N/Hz] 2.5 x 14 2 1.5 1.5 2 4 6 8 1 Frequency [Hz] Koncentrált paraméteres járm modell Elosztott paraméteres pályamodell Végeselem alagútmodell Réteges talajmodell
Mozgó forrás periodikus közegben: Floquet-transzformáció Hoszirányban periodikus szerkezet Számítások a kombinált tér-hullámszám tartományban Számítások az L =.58 m hosszú alagútszegmensen a végtelen periodikus tartomány helyett Állandó sebességgel mozgó forrásokra alkalmazható
A pálya-alagút-talaj rendszer harmonikus válasza Er -elmozdulás átviteli függvények (a) 1 Hz-en és (b) 4 Hz-en. (a) (b) Animáció Zoom Animáció Zoom Szabadtéri válasz metróelhaladásra 1 Hz-en.
A talaj-épület kölcsönhatás problémája Folytonossági és egyensúlyfeltételek Interpretáció
Az épületmodell Egy hipotetikus irodaépület végeselem modellje Paraméterek Vasbeton lemezalap Vasbeton födémek Vasbeton vázszerkezet Vasbeton mag Tégla kitölt falak
Az épület dinamikája: modális szuperpozíció Az alap dinamikus módusainak kvázi-statikus transzformációja 3.71 Hz 3.82 Hz 159.5 Hz A merev alapú épület dinamikus módusai 6.42 Hz 11.92 Hz 95.35 Hz
Az épület válasza Három modellezési eset: Nincs talaj-épület kölcsönhatás, egyszer sít feltételezések: Merev épületalap Rugalmas épületalap Rugalmas épületalap talaj-építmény kölcsönhatással Meggyelési pontok
Az épület válasza kölcsönhatás nélkül x 1 4 Merev alap x 1 4 x 1 4 Velocity [m/s/hz] 3 2 1 Velocity [m/s/hz] 3 2 1 Velocity [m/s/hz] 3 2 1 5 1 15 Frequency [Hz] x 1 4 Rugalmas alap 5 1 15 Frequency [Hz] x 1 4 5 1 15 Frequency [Hz] x 1 4 Velocity [m/s/hz] 3 2 1 Velocity [m/s/hz] 3 2 1 Velocity [m/s/hz] 3 2 1 5 1 15 Frequency [Hz] 5 1 15 Frequency [Hz] 5 1 15 Frequency [Hz] Alapszint (Q1) 1. emelet (Q2) 2. emelet (Q3)
Az épület válasza rugalmas alappal Kölcsönhatás gyelembe vétele nélkül x 1 4 x 1 4 x 1 4 Velocity [m/s/hz] 3 2 1 Velocity [m/s/hz] 3 2 1 Velocity [m/s/hz] 3 2 1 5 1 15 Frequency [Hz] x 1 4 5 1 15 Frequency [Hz] Kölcsönhatás gyelembe vételével Animáció x 1 4 5 1 15 Frequency [Hz] x 1 4 Velocity [m/s/hz] 3 2 1 Velocity [m/s/hz] 3 2 1 Velocity [m/s/hz] 3 2 1 5 1 15 Frequency [Hz] 5 1 15 Frequency [Hz] 5 1 15 Frequency [Hz] Alapszint (Q1) 1. emelet (Q2) 2. emelet (Q3)
Az akusztikai modell Az épületrezgések és hangnyomás közti csatolás A bels tér impedanciájának számítása: Akusztikai spektrális végeselem módszer
Átviteli függvények R2 R3 R1 A merev alapon megjelen egységnyi függ leges kitérésimpulzusra adott akusztikai válasz az 1. szobában, különböz elnyelési tényez k esetére: α = E abs /E inc: α =, α =.3, α =.15. 5 x 17 16 Sound pressure [Pa] Transfer [db re Pa/m] 14 12 1 8 6 4 (a) 5 1 2 3 Time [s] (b) 2 5 1 15 Frequency [Hz]
A terem válasza metróelhaladásra Az épület akusztikai válasza metróelhaladásra Animáció.2 8 Pressure [Pa].1.1 Sound Energy [db] 6 4 2.2 1 5 5 1 Time [s] 8 1 13 16 2 25 31 4 5 63 81125 One third octave band [Hz] Hangnyomás az els emeleti szobában
Hitelesít mérések Projekt háttér FP6 EC Growth CONVURT: Control of Noise and Vibration from Underground Railway Trac
A forrásmodell: Mérések a London Underground Bakerloo vonalán Mért (a) sín- és (b) kerékegyenetlenség 2 2 (a) Roughness [db ref µ m] 1 1 2 1 1 1 1 2 Wavelength [m] 1 3 (b) Roughness [db ref µ m] 1 1 2 1 1 1 1 2 Wavelength [m] A tengelygyorsulásból származtatott adatokkal kiegészített eredmények (v = 47.6 km/h) Roughness [db ref µ m] 8 6 4 2 1 3 LH Rail RH Rail Axlebox 3 PSD curve 2 1 1 1 1 2 1 3 1 4 Frequency [Hz]
A talajfelszín válasza Mérési elrendezés
A talajfelszín válasza Mért és számított rezgéssebesség id függvények és spektrumok {23.5 m, m, m} (FF2z). (a) Velocity [m/s/hz] 6 4 2 Velocity [m/s] x 1 5 2 x 1 4 FF2z 2 1 5 5 1 Time [s] FF2z Velocity [m/s] 1 4 1 6 FF2z (b) 2 4 6 8 1 Frequency [Hz] (c) 1 8 1 1 1 1 2 1 3 Frequency [Hz]
Az épületmodell hitelesítése Kálvin Center: Hétszintes vasbeton vázszerkezetes irodaépület
Ejt zsákos mérések a metróban
A mér rendszer
Eredmények Szerkezeti rezgésgyorsulás az alagútban és az épület pinceszintjében.5.1 Acceleration [m/s 2 ] Acceleration [m/s 2 ].5.5 (a).5.5.1.15.2.25.3 Time [s] (b).1.5.1.15.2.25.3 Time [s] Számított (a) és mért (b) rezgés spektrumok 2 2 Acceleration [db re 1m/s2] 4 6 8 1 Acceleration [db re 1m/s2] 4 6 8 1 (a) 12 2 4 6 8 1 12 Frequency [Hz] (b) 12 2 4 6 8 1 12 Frequency [Hz]
Rezgés- és zajcsökkentés Rezgés- és zajcsökkentés három szinten Forrás szigetelése úsztatott pályaszerkezettel Épület szigetelése alapszigeteléssel Terem akusztikai szigetelése szoba a szobában elrendezéssel Célkit zés Rezgésszigetelési módszerek hatékonyságának el rebecslése Paramétertanulmány Numerikus eredmények többféle kiértékelése
A forrás szigetelése: Úsztatott pályaszerkezet Cél: Sínszerkezet és alagútfal dinamikus elválasztása Paraméterek: Szakaszos úsztatott beton pályaszerkezet 31 m hosszú betonszegmensek Alátámasztás: 2x17 pontban Rezonanciafrekvencia: 1 Hz
A forrás szigetelése II Pálya-talaj átviteli függvények Szabadtéri rezgések szigetelés nélkül és szigeteléssel Velocity [m/s].8.6.4.2 1 x 1 4 1 5 5 1 Time [s] Velocity [db re 5 1 8 m/s] 7 6 5 4 3 2 1 8 1 13 16 2 25 31 4 5 63 8 1125 One third octave band center frequency [Hz]
A forrás szigetelése III Az úsztatott pályaszerkezet beiktatási csillapítása (Insertion Loss, IL) IL = 2 log 1 U uniso U iso (1) 6 Insertion loss [db] 4 2 2 8 1 13 16 2 25 31 4 5 63 8 1125 One third octave band center frequency [Hz] szürke: SDOF rendszerrel becsült szürke sáv: A tényleges IL tartománya az épület alapja mentén fekete: Átlagolt érték
Az épület alapszigetelése F bb tervezési szempontok Rezonanciafrekvencia Statikus elmozdulás (holtteher) Megvalósítás Gumi rugó alátámasztás n m-es blokkokban
Az épület alapszigetelése: elrendezés Rezgésszigetelés rugókra helyezéssel. y c9 c1 c11 c12 p1 x r2,4 c5 c6 c7 c8 r1,3 p2 c1 c2 c3 c4 Sajátfrekvencia: f iso = 1 Hz. A merev alapú rezgésszigetelt épület módusai 9.56 Hz 12.38 Hz 15.26 Hz
Az épület alapszigetelése: Rezgésszintek RMS sebesség egy födémlemez két kiválaszott pontjában 4 x x = 12.5, y = 2 1 4 4 x x = 2.5, y = 6 1 4 Velocity [m/s] 3 2 1 Velocity [m/s] 3 2 1 1 5 5 1 Time [s] 8 1 5 5 1 Time [s] 8 Velocity [db re 5 1 8 m/s] 6 4 2 Velocity [db re 5 1 8 m/s] 6 4 2 8 112.516 2 25 31 4 5 63 8 1125 One third octave band center frequency [Hz] 8 112.516 2 25 31 4 5 63 8 1125 One third octave band center frequency [Hz]
Az épület alapszigetelése: Beiktatási csillapítás Az alapszigetelés beiktatási csillapítása az els szinten különböz kiértékelési módszerekkel 6 6 Insertion loss [db] 4 2 Insertion loss [db] 4 2 2 8 112.516 2 25 31 4 5 63 8 1125 2 8 112.516 2 25 31 4 5 63 8 1125 One third octave band center frequency [Hz] One third octave band center frequency [Hz] szürke vonal: SDOF rendszer szürke tartomány: Lokális érték tartománya fekete vonal: Födém rezgési energiájából számolt görbe Animáció Rezgésszigeteléssel Audio Rezgésszigetelés nélkül Rezgésszigeteléssel
Akusztikai szigetelés Szoba a szobában elv megvalósítása Cél: teljes falfelület dinamikus elválasztása az épület rezgéseit l Paraméterek Padló rugalmas alátámasztása méterenként elhelyezett gumi elemekkel 1 cm vasbeton padló és födém 6 cm téglafal terhelés: 8.7 t, rugónként 3 kn rezonanciafrekvencia: 1 Hz, statikus süllyedés: 2.5 mm
Akusztikai szigetelés Az akusztikai szigetelés beiktatási csillapítása különböz kiértékelési módszerekkel Sound Energy Level [db] 8 7 6 5 4 3 2 1 8 112.516 2 25 31 4 5 63 8 1125 One third octave band center frequency [Hz] Insertion loss [db] 6 4 2 2 8 112.516 2 25 31 4 5 63 8 1125 One third octave band center frequency [Hz] szürke vonal: SDOF rendszer szürke tartomány: Lokális érték tartománya fekete vonal: Teljes szoba akusztikai energiájából számol térték
Összefoglalás Eredmények 3D determinisztikus csatolt modell épületek rezgés- és zajterhelésének számítására Hitelesítés mérésekkel paramétertanulmány rezgés- és zajcsökkentési módszerek vizsgálatához További kutatási terület Bizonytalan vagy ismeretlen paraméterek sztochasztikus modellezése Érzékenységvizsgálat Pontosan meghatározandó paraméterek kijelölése