26988

توسعه‌ي مدل‌سازي عددي مناسب جهت بررسي ارتعاشات منتشره ناشي از قطار زيرزميني و تأثير آن بر سازه‌هاي مجاور

كارشناسي ارشد

مهندسي راه آهن، گرايش خط و سازه هاي ريلي

1398

1401/06/22

دكتر سيدجواد ميرمحمد صادقي

دكتر امين خواجه دزفولي

راه آهن

يكي از مهم‌ترين چالش‌هاي حمل‌ونقل ريلي درون‌شهري موضوع ارتعاشات ناشي از عبور مترو در نزديكي سازه‌هاي مسكوني، سازه‌هاي حساس و بناهاي تاريخي است. اين ارتعاشات مي‌توانند باعث نارضايتي ساكنين، اختلال در عملكرد تجهيزات حساس و يا خرابي در سازه‌هاي تاريخي شوند. امروزه با پيشرفت كامپيوتر يكي از مهم‌ترين روش‌هاي بررسي، ارزيابي و پيش‌بيني ارتعاشات مدل‌سازي‌هاي عددي مي‌باشد. براي بررسي مدل‌سازي مناسب، پس از صحت سنجي مدل‌سازي در دو مرحله با نتايج موجود در ادبيات موضوع و همچنين نتايج به‌دست‌آمده از تست ميداني، به آناليز پارامتريك پرداخته شد. با توجه به اين‌كه يكي از مهم‌ترين چالش‌هاي بررسي ارتعاشات در اين حالت مسئله‌ي بازتاب ارتعاشات از مرزهاي مدل‌سازي مي‌باشد، پارامترهاي موردنظر انتخاب گرديد. درنهايت پارامترهاي نوع مرز، عرض مدل‌سازي، سايز مش، نوع مدل‌سازي ازنظر يك‌طرفه (نامتقارن) بودن مدل يا مدل‌سازي معمولي (متقارن) و تأثير آن‌ها بر دقت و هزينه‌ي محاسباتي مدل‌سازي‌ها بررسي گرديد. نتايج آناليز پارامتريك نشان داد كه ازنظر نوع مرز، در فضاي زمان بيشترين دقت متعلق به مدل‌سازي با مرز فنر و دمپر و در فضاي فركانس معمولاً بيشترين دقت متعلق به مدل‌سازي با مرز بينهايت مي‌باشد. همچنين با افزايش عرض مدل‌سازي، نرخ كاهش خطا (در فضاي زمان) براي مرز ثابت نسبت به دو نوع مرز ديگر به‌طور چشمگيري بيشتر مي‌باشد اين موضوع نشان‌دهنده‌ي اهميت بيشتر مسئله‌ي عرض مدل براي حالت مرز ثابت مي‌باشد. براي مثال ميزان كاهش خطا در مدل‌سازي با مرز ثابت از عرض مدل‌سازي 35 به عرض 55 در حدود 110 درصد و ميزان كاهش خطا در مدل‌سازي با مرز بينهايت در حدود 10 درصد كاهش خطا بوده است. در مدل‌سازي‌هاي با عرض‌هاي بالاتر از 60 متر مدل‌سازي‌هاي با مرز ثابت مي‌توانند دقتي مشابه و يا حتي بيشتر از ساير انواع مرزها داشته باشند و تغيير دقت با افزايش عرض در حالت استفاده از مرز فنر و دمپر چشمگير نمي‌باشد. روند نتايج در حالت استفاده از كميت دسي‌بل نيز تقريباً مشابه با حالت PPV (حداكثر سرعت ارتعاش ذره ) مي‌باشد و به دليل ماهيت ميانگين‌گيري كميت دسي‌بل، ميزان خطاها به‌طور چشمگيري نسبت به خطاها در حالت كميت PPV كمتر مي‌باشند. مسئله‌ي سايز مش، بيشترين تأثير را به ترتيب در حالت مرز ثابت، مرز بينهايت و مرز فنر دمپر دارد. در سايز مش‌هاي بيشتر تفاوت كمتري بين هزينه‌ي محاسباتي در انواع مرزها وجود دارد. همين‌طور براي مرزهاي ثابت و بينهايت با افزايش سايز مش نرخ كاهش هزينه‌ي محاسباتي كمتر شده است. - مقايسه‌ي بين دقت مدل يك‌طرفه با مدل‌هاي معمولي نشان مي‌دهد ازنظر دقت در فضاي زمان، از دقت نسبتاً مناسبي برخوردارند. مثلاً در سايز مش 4/0متر دقت مدل يك‌طرفه موردبررسي براي مرزهاي بينهايت، در حدود مدل‌سازي معمولي با عرض 40 متر و براي مدل‌سازي با مرز ثابت در حدود مدل‌سازي معمولي با عرض 50 متر و براي مدل‌سازي با مرز فنر دمپر برابر با عرض 30 متر مي‌باشد. اما پيش‌بيني دقت اين مدل‌ها و تأثير پارامترهاي ذكرشده بر آن‌ها به‌مراتب سخت‌تر مي‌باشد. در فضاي فركانس دقت مدل‌سازي‌هاي يك‌طرفه به‌جز حالت استفاده از مرز بينهايت قابل‌قبول نمي‌باشد. همچنين در تمامي اين نوع مرزها، مرز ثابت و بينهايت به ترتيب نتايج قابل پيش بيني تري را با توجه به معيارهاي بررسي‌شده ارائه مي‌دهند.

1401/06/22

Development of an efficient numerical model to investigate ground-borne vibration caused by underground train and its effect on adjacent structures

9/13/2023 12:00:00 AM

One of the most important challenges in railway transportation is vibration caused by passing railway vehicles in adjacent residential, historical, and also sensitive buildings. These vibrations can lead to Residents' dissatisfaction, malfunction of sensitive devices, cracking and even damage to historical buildings. Nowadays due to the advancement of computer technology, numerical models are playing a crucial role in the prediction of railway-borne induced vibrations. In order to investigate the efficient numerical model, the model was validated in two steps, first by a previous study that was presented in the literature and second by experimental field tests. Then, a parametric study was carried out. Parameters of the parametric study were chosen based on the fact that one of the most serious challenges in ground-borne vibration modeling is the reflection of vibration from the boundaries of models. Following that, the effect of boundary conditions such as viscous boundary, infinite element boundary and fixed boundary, the effect of the width of the model and mesh sizes on computational cost and the model’s accuracy were investigated. Moreover, the application of asymmetric models has been investigated. Lastly, some contours were developed based on the parametric study to predict the optimal parameters. Results from the parametric study indicate that in time domain studies, the most accurate models were the models with viscous boundaries, and in the frequency domain the most accurate models were the models with infinite boundary conditions. Moreover, by increasing the width of models, the reduction rate of errors for fixed boundary models tends to decrease more in comparison with a model with other types of boundary conditions. This indicates the importance of the model's width in fixed boundary models. For instance, by increasing the width of the models from 35 to 55m (each side) a reduction of 110% and 10% were observed in models with fixed boundary models and infinite models, respectively. In models with a width of more than 60m (each side), the models with fixed boundary conditions can be associated with similar and even more accuracy to models with other boundary conditions. Changing the model's width is not impose a significant effect on models with viscous boundary conditions. Effects of mesh sizes are more significant in models with fixed boundaries, infinite boundaries and viscous boundaries, respectively. Furthermore, by increasing mesh sizes, the reduction rate of computational costs is less in models with fixed and infinite boundaries. Comparison between asymmetric and symmetric models shows that asymmetric models are associated with decent accuracy in time domain. However, when frequency domain response considers, the asymmetric models' responses are acceptable only when the models have infinite boundary conditions. Moreover, the models with fixed boundaries and infinite boundaries are much more predictable in terms of accuracy and computational costs.

ارتعاشات , مدلسازي عددي , مترو , شرايط مرزي

Vibration , Numerical model , Subway , Boundary condition

Amir Alizadeh Shiraz

Dr. Javad Sadegh