Application of dynamic vibration absorbers on double-deck circular railway tunnels to mitigate railway-induced ground-borne vibration

Abstract

This dissertation is concerned with investigating the efficiency of dynamic vibration absorbers (DVAs) as measures to mitigate ground-borne vibrations induced by railway traffic in double-deck tunnels. The main topics of the dissertation are the coupling of a set of longitudinal distributions of DVAs to the interior floor of a double-deck tunnel dynamic model, the computation of the response of this coupled system due to train traffic and obtaining the optimum design parameters of the DVAs to minimize this response. To address the first concern, a methodology for coupling a set of longitudinal distributions of DVAs to any railway subsystem in the context of a theoretical dynamic model of railway infrastructure is developed. The optimum design parameters of the DVAs are obtained using an optimization process based on a genetic algorithm. The effectiveness of the DVAs is assessed by two response parameters, which are used as objective functions to be minimized in the optimization process: the energy flow radiated upwards by the tunnel and the maximum transient vibration value (MTVV) in the building near the tunnel. The model used to compute the former is a two-and-a-half dimensional (2.5D) semi-analytical model of a train-track-tunnel-soil system that considers a full-space soil model, and the one used to compute the latter is a hybrid experimental-numerical model of a train-track-tunnel-soil-building system. In the hybrid model, a numerical model of the track-tunnel system based on 2.5D coupled finite element-boundary element formulation along with a dynamic rigid multi-body model of the vehicle is used to compute the response in the tunnel wall, and then, the response in the building is computed using experimentally obtained transfer functions between the tunnel wall and the building. The triaxial response in the building is used to compute the MTVV. An alternative option to evaluate the MTVV in a building is to use a fully theoretical model of the train-track-tunnel-soil-building system. In the context of this modeling strategy, a computationally efficient method to calculate the 2.5D Green's functions of a layered soil is also presented. The results show that the DVAs would be an effective mitigation measure for railway-induced vibrations in double-deck tunnels as reductions up to 6.6 dB in total radiated energy flow and up to 3.3 dB in the vibration inside a nearby building are achieved in the simulations presented in this work.

En esta tesis se estudia la eficiencia de los absorbedores de vibraciones dinámicos (DVAs) como medidas de mitigación de las vibraciones inducidas por infraestructuras ferroviarias aplicados a túneles ferroviarios de dos niveles. Los principales desarrollos de la tesis son el acoplamiento de un conjunto de distribuciones longitudinales de DVAs a la losa intermedia de un modelo dinámico de túnel de dos niveles, el cálculo de la respuesta de este sistema acoplado debido al paso del tren y la obtención de los parámetros óptimos de los DVAs para minimizar esta respuesta. Para abordar la primer punto, se ha desarrollado una metodología con el fin de acoplar un conjunto de distribuciones longitudinales de DVAs a cualquier subsistema ferroviario en el contexto de modelos teóricos de la dinámica de infraestructura ferroviarias. Los parámetros óptimos de los DVAs han sido obtenidos mediante un proceso de optimización basado en un algoritmo genético. La eficiencia de los DVAs se evalúa mediante dos quantificadores de la respuesta dinámica del sistema, los cuales se utilizan como funciones objetivo a minimizar en el proceso de optimización: el flujo de energía total radiado hacia arriba desde el túnel y el valor máximo de vibración transitoria (MTVV) en el forjada de un edificio cercano al túnel. El modelo utilizado para calcular el primero es un modelo semi-analítico del sistema vehículo-vía-túnel-terreno que considera un modelo de terreno de espacio completo, y el que se utiliza para calcular el segundo es un modelo híbrido experimental-numérico del sistema vehículo-vía-túnel-terreno-edificio. En el modelo híbrido, se utiliza un modelo numérico del sistema vía-túnel basado en la formulación acoplada de elementos finitos-elementos de contorno acoplados, formulada en el dominio del número de onda y la frecuencia, junto con un modelo dinámico multicuerpo del vehículo con el objetivo de calcular la respuesta en la pared del túnel. Luego, la respuesta en el edificio se calcula utilizando funciones de transferencia obtenidas experimentalmente entre la pared del túnel y el edificio. Para calcular el MTVV, se utiliza la respuesta triaxial en el edificio. Una opción alternativa para evaluar el MTVV en un edificio es utilizar un modelo totalmente teórico del sistema vehículo-vía-túnel-terreno-edificio. En el contexto de esta estrategia de modelado, también se presenta un método computacionalmente eficiente para calcular las funciones de Green de un terreno en capas en el dominio 2.5D. Los resultados muestran que los DVAs pueden ser una medida de mitigación efectiva para las vibraciones inducidas por infraestructuras ferroviarias en el marco de un túnel ferroviario de dos niveles, ya que en las simulaciones presentadas en esta tesis se alcanzan reducciones de hasta 6.6 dB en el flujo de energía total radiado y hasta 3.3 dB en la vibración dentro de un edificio cercano.