Liikennetärinää aiheuttavan voiman karakterisointi
Vähäkuopus, Vesa (2022)
Vähäkuopus, Vesa
2022
Rakennustekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Civil Engineering
Rakennetun ympäristön tiedekunta - Faculty of Built Environment
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2022-06-03
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202205245211
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202205245211
Tiivistelmä
Tämän diplomityön aiheena oli erilaisten junatyyppien maaperään värähtelyä aiheuttavien voimien suuruuksien arviointi. Tutkimus eteni selvittämällä värähtelyä aiheuttavan voiman syntymekanismit ja siihen liittyvät olennaisimmat osatekijät. Työn kokeellisessa osuudessa määritettiin erilaisten junatyyppien ns. voiman tiheyksiä eli voimaa, millä juna vaikuttaa maahan per yksikköpituus aiheuttaen maaperän värähtelyä.
Värähtelyä aiheuttava voiman tiheys on junatyypille karakteristinen ominaisuus, mistä johtuen kertaalleen määritettyä arvoa voidaan hyödyntää uusilla suunnittelualueilla pelkästään määrittämällä kyseisen alueen maaperän värähtelynjohtavuus. Yhdistämällä alueen värähtelynjohtavuus aiemmin selvitettyyn junatyypin voiman tiheyteen, voidaan alueen värähtelyolosuhteita arvioida. Voiman tiheyksiä tarkastelemalla on lisäksi mahdollista selvittää, onko aiheutuva värähtelyvaste seurausta suuresta herätevoimasta tietyllä taajuusalueella vai maaperän hyvästä värähtelynsiirtokyvystä vastaavalla taajuusalueella.
Voiman tiheyttä on haastavaa mitata suoraan. Tämän takia tutkimusalueella määritettiin maaperän värähtelynjohtavuus keinoherätteillä, minkä jälkeen junien aiheuttamia värähtelyvasteita hyödyntämällä pystyttiin voiman tiheydet määrittämään junatyyppikohtaisesti. Muodostetussa värähtelysysteemissä vaikuttava voima on helposti selvitettävä, kun maaperän värähtelynjohtavuus ja junan aiheuttama värähtelyvaste tunnetaan.
Maaperän värähtelynjohtavuuden mittaukset ja voiman tiheyden määritykset suoritettiin Yhdys-valtojen Federal Transit Administrationin ohjeeseen perustuen. Ohjeessa kehotetaan muodos-tamaan herätepisteistä epäkoherentti viivalähde, mikä pyrkii imitoimaan junan maaperään aiheuttamaa värähtelyä. Keinoherätelaite valmistettiin tutkimusta varten itse. Yhtenä tutkimuksen tavoitteena oli pyrkiä selvittämään jokseenkin tuntemattoman arviointimenetelmän käyttömahdollisuuksia Suomen ympäristössä.
Menetelmä todettiin lupaavaksi Suomen olosuhteisiin sovellettuna. Käsikäyttöisellä keinoherätteellä oli testialueella mahdollista muodostaa hyödynnettävää maaperän värähtelynjohtavuudesta kertovaa tietoa noin 50-70 metrin etäisyydelle keinoherätteestä. Tämän jälkeen värähtelyn taustakohina kasvaa kohtuuttoman suureksi.
Tämän tutkimuksen perusteella huomattiin IC- ja SM4-kaluston värähtelyä herättävän voiman olevan samaa suuruusluokkaa. SM4-kaluston osalta on havaittavissa yksikkömäärien vaikutus tuloksiin. Erityisesti muiden kuin yllä mainittujen junatyyppien osalta tarvitaan lisätutkimuksia aiheeseen liittyen. The subject of this master’s thesis was to evaluate vibration inducing forces generated by different train types. The research proceeded by elucidating the mechanisms of generation of the forces causing the vibration and the most important components related to it. In the experimental part of the research, the so-called force densities, ie. the force with which a train affects the ground per unit length causing vibration in the soil.
The vibration force density is a characteristic feature of the train type, as a result of which the value once determined can be utilized in the new study areas only by determining the vibration transmissibility of the soil in the new design area. By examining the force densities, it is also possible to determine whether the resulting vibrational response is due to a high excitation force in a certain frequency range or due to a good vibration transmissibility of the soil in the corresponding frequency range.
Force densities are challenging to measure directly. For this reason, the vibration transmissibility of the soil in the study area was determined by artificial stimuli, after which the force densities could be determined for each train type by utilizing the vibration responses caused by the trains. The force stimuli acting in the formed vibration system is easily determined when the vibration transmissibility of the soil and the vibration response caused by the train are known.
Soil vibration transmissibility measurements and force density evaluations were performed based on the instructions of the US Federal Transit Administration. The guide calls for an incoherent line source to be formed from the excitation points, which tends to mimic the vibration caused by the train to the ground. The artificial excitation device was manufactured for the study by the researcher. One of the aims of the study was to try to find out the possibilities of using a somewhat unknown assessment method in the Finnish environment.
The method was found to be promising when applied to Finnish conditions. With a manual artificial excitation, it was possible to generate usable information on the vibration transmissibility of the soil in the test area at a distance of about 50-70 meters from the artificial excitation. After this, the background noise becomes unreasonably large.
Based on this study, it was found that the vibration-inducing forces of the IC and SM4 trains are of the same order of magnitude. For the SM4 train, the effect of unit amount on the results is noticeable. In particular, for train types other than those mentioned above, further research is needed on this topic.
Värähtelyä aiheuttava voiman tiheys on junatyypille karakteristinen ominaisuus, mistä johtuen kertaalleen määritettyä arvoa voidaan hyödyntää uusilla suunnittelualueilla pelkästään määrittämällä kyseisen alueen maaperän värähtelynjohtavuus. Yhdistämällä alueen värähtelynjohtavuus aiemmin selvitettyyn junatyypin voiman tiheyteen, voidaan alueen värähtelyolosuhteita arvioida. Voiman tiheyksiä tarkastelemalla on lisäksi mahdollista selvittää, onko aiheutuva värähtelyvaste seurausta suuresta herätevoimasta tietyllä taajuusalueella vai maaperän hyvästä värähtelynsiirtokyvystä vastaavalla taajuusalueella.
Voiman tiheyttä on haastavaa mitata suoraan. Tämän takia tutkimusalueella määritettiin maaperän värähtelynjohtavuus keinoherätteillä, minkä jälkeen junien aiheuttamia värähtelyvasteita hyödyntämällä pystyttiin voiman tiheydet määrittämään junatyyppikohtaisesti. Muodostetussa värähtelysysteemissä vaikuttava voima on helposti selvitettävä, kun maaperän värähtelynjohtavuus ja junan aiheuttama värähtelyvaste tunnetaan.
Maaperän värähtelynjohtavuuden mittaukset ja voiman tiheyden määritykset suoritettiin Yhdys-valtojen Federal Transit Administrationin ohjeeseen perustuen. Ohjeessa kehotetaan muodos-tamaan herätepisteistä epäkoherentti viivalähde, mikä pyrkii imitoimaan junan maaperään aiheuttamaa värähtelyä. Keinoherätelaite valmistettiin tutkimusta varten itse. Yhtenä tutkimuksen tavoitteena oli pyrkiä selvittämään jokseenkin tuntemattoman arviointimenetelmän käyttömahdollisuuksia Suomen ympäristössä.
Menetelmä todettiin lupaavaksi Suomen olosuhteisiin sovellettuna. Käsikäyttöisellä keinoherätteellä oli testialueella mahdollista muodostaa hyödynnettävää maaperän värähtelynjohtavuudesta kertovaa tietoa noin 50-70 metrin etäisyydelle keinoherätteestä. Tämän jälkeen värähtelyn taustakohina kasvaa kohtuuttoman suureksi.
Tämän tutkimuksen perusteella huomattiin IC- ja SM4-kaluston värähtelyä herättävän voiman olevan samaa suuruusluokkaa. SM4-kaluston osalta on havaittavissa yksikkömäärien vaikutus tuloksiin. Erityisesti muiden kuin yllä mainittujen junatyyppien osalta tarvitaan lisätutkimuksia aiheeseen liittyen.
The vibration force density is a characteristic feature of the train type, as a result of which the value once determined can be utilized in the new study areas only by determining the vibration transmissibility of the soil in the new design area. By examining the force densities, it is also possible to determine whether the resulting vibrational response is due to a high excitation force in a certain frequency range or due to a good vibration transmissibility of the soil in the corresponding frequency range.
Force densities are challenging to measure directly. For this reason, the vibration transmissibility of the soil in the study area was determined by artificial stimuli, after which the force densities could be determined for each train type by utilizing the vibration responses caused by the trains. The force stimuli acting in the formed vibration system is easily determined when the vibration transmissibility of the soil and the vibration response caused by the train are known.
Soil vibration transmissibility measurements and force density evaluations were performed based on the instructions of the US Federal Transit Administration. The guide calls for an incoherent line source to be formed from the excitation points, which tends to mimic the vibration caused by the train to the ground. The artificial excitation device was manufactured for the study by the researcher. One of the aims of the study was to try to find out the possibilities of using a somewhat unknown assessment method in the Finnish environment.
The method was found to be promising when applied to Finnish conditions. With a manual artificial excitation, it was possible to generate usable information on the vibration transmissibility of the soil in the test area at a distance of about 50-70 meters from the artificial excitation. After this, the background noise becomes unreasonably large.
Based on this study, it was found that the vibration-inducing forces of the IC and SM4 trains are of the same order of magnitude. For the SM4 train, the effect of unit amount on the results is noticeable. In particular, for train types other than those mentioned above, further research is needed on this topic.