Submitted by Marlene Santos (marlene.bc.ufg@gmail.com) on 2016-10-20T18:30:20Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Ana Flávia Paulino de Carvalho - 2016.pdf: 2131091 bytes, checksum: 15ddf737ba58887ff8135af85c0c08d0 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Jaqueline Silva (jtas29@gmail.com) on 2016-10-21T19:25:11Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Ana Flávia Paulino de Carvalho - 2016.pdf: 2131091 bytes, checksum: 15ddf737ba58887ff8135af85c0c08d0 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2016-10-21T19:25:11Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - Ana Flávia Paulino de Carvalho - 2016.pdf: 2131091 bytes, checksum: 15ddf737ba58887ff8135af85c0c08d0 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2016-06-17 / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Goiás - FAPEG / The expansion of the railway network together with the urbanization process resulted in the train induced vibrations analysis. In this work was developed a parametric analysis of ground vibration induced by railway traffic from the representation of the train through a point load, normal to the ground, moving with constant velocity. The wheel load is elastically distributed on the railway track composed by rails, sleepers and ballast, generating the resulting load on the ground. The soil is formulated as a homogeneous, elastic, isotropic and linear solid material, and their displacements are calculated by the use of triple Fourier transform, assuming that the velocity of the train traffic is less than the Rayleigh waves. The methodology of this study is based on developing a computational code using the numerical tool MATLAB. After the validation of this program, the influences of the vibrations induced by rail traffic are analyzed parametrically considering variation in the type and train speed, the characteristics of the railway track, the soil properties and the distance between the observation point and the railroad. The results show the strong influence of several parameters of the problem in the displacement and the instantaneous velocity of ground vibration, especially when the train speed approaches to the speed of Rayleigh waves in the soil. The vibration values obtained are then compared with acceptable levels of current regulations according to the type and human use of buildings which are close to the railway. / A expansão da malha ferroviária aliada ao processo de urbanização acarretaram na necessidade de análise do impacto da propagação da vibração no solo induzida pelo tráfego de trens. Neste trabalho é desenvolvida uma análise paramétrica da vibração do solo induzida pelo tráfego ferroviário a partir da representação do trem através de uma carga pontual normal ao solo movendo-se com velocidade constante. Esta carga de roda é distribuída elasticamente sobre a pista ferroviária composta pelos trilhos, dormentes e lastro, gerando o carregamento resultante no solo. O solo é formulado como um sólido homogêneo, elástico, isotrópico e linear e os seus deslocamentos são calculados através do uso da transformada tripla de Fourier, assumindo que a velocidade de tráfego do trem é inferior à velocidade das ondas de Rayleigh no solo considerado. A metodologia deste trabalho se baseia no desenvolvimento de um programa computacional com a utilização da ferramenta numérica MATLAB. Após a validação deste programa, as influências das vibrações induzidas pelo tráfego ferroviário são analisadas parametricamente a partir da variação do tipo e da velocidade do trem, das características da pista ferroviária, das propriedades do solo e da distância entre o ponto de observação e a ferrovia. Os resultados obtidos apresentam a forte influência dos diversos parâmetros do problema no deslocamento e na velocidade instantânea da vibração do solo, principalmente quando a velocidade do trem se aproxima à velocidade das ondas de Rayleigh no solo considerado. Os valores de vibração encontrados são então comparados com os níveis aceitáveis estabelecidos nas normas vigentes de acordo com o tipo e uso humano da construção que se encontra próxima à ferrovia.

In der Arbeit wird gezeigt, wie man die Bodensteifigkeit bei sehr kleinen Dehnungen sowie die Abnahme der Steifigkeit mit zunehmender Scherdehnung in Labor- und Feldversuchen ermitteln kann. Dazu werden typische Eigenschaften mineralischer und organischer Böden einschließlich Korrelationen zusammengestellt und wesentliche Unterschiede zum Bodenverhalten bei großen Dehnungen, insbesondere hinsichtlich der Steifigkeit und der Spannungsabhängigkeit aufgezeigt. Weiterhin wird dargelegt, wie man mit dem hypoplastischen Stoffgesetz mit intergranularen Dehnungen das Bodenverhalten bei kleinen Dehnungen wirklichkeitsnah erfassen kann und wie die Stoffparameter zu bestimmen sind. Für die realistische Erfassung des Bodenverhaltens infolge zyklischer Belastung einschließlich der Ausbildung von Hystereseschleifen wird eine Modifizierung des hypoplastischen Stoffgesetzes unter Einführung eines zusätzlichen Stoffparameters vorgenommen. Es wird gezeigt, wie dieser Parameter in zyklischen Laborversuchen bestimmt werden kann und wie damit die Akkumulation von Dehnungen bei drainierten Bedingungen bzw. von Porenwasserdrücken bei undrainierten Bedingungen zuverlässig prognostiziert werden kann. Anhand der dynamischen Beanspruchung eines Eisenbahndammes auf weichem, organischem Untergrund wird das modifizierte hypoplastische Stoffgesetz mit intergranularen Dehnungen für ein bodendynamisches Randwertproblem angewendet und gezeigt, dass damit das Bodenverhalten realistisch abgebildet werden kann. Die Berechnungsergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit Ergebnissen von Schwingungsmessungen und Langzeitverformungsmessungen. Es werden bodendynamische Berechnungen zur Wellenausbreitung sowohl eindimensional als auch im Halbraum mit unterschiedlichen Stoffgesetzen geführt und Vergleiche mit analytischen Lösungen vorgenommen. Dazu wird gezeigt, welche Anforderungen an numerische Berechnungen zur Wellenausbreitung, insbesondere hinsichtlich Wahl der Zeitschritte, Elementgröße bzw. Knotenabstände, Größe des FE-Netzes und Modellierung der FE-Ränder erforderlich sind.:1 Einführung 2 Bodensteifgkeit 2.1 Defnition der Scherdehnung und der Schubspannung 2.2 Versuchstechnische Ermittlung der Bodensteifgkeiten 2.3 Ermittlung der Bodensteifgkeiten im Feld 2.4 Ermittlung der Bodensteifgkeiten im Labor 2.5 Bodensteifgkeit bei sehr kleinen Dehnungen 2.6 Abnahme der Steifigkeit mit zunehmender Scherdehnung 2.7 Bodenverhalten und Scherdehnungsgrenzen 2.8 Weitere bodendynamische Eigenschaften 3 Hypoplastisches Stogesetz 3.1 Allgemeine Formulierung der Hypoplastizität 3.2 Intergranulare Dehnungen 3.3 Bereich mit sehr kleinen Dehnungen 3.4 Bereich mit kleinen bis mittleren Dehnungen 3.5 Vergleich der Ergebnisse mit dem HS-Small-Modell 3.6 Zusammenfassung und Wertung der Ergebnisse 4 Numerische Berechnungen zur Wellenausbreitung 4.1 Eindimensionale Wellenausbreitung 4.2 Wellenausbreitung im Halbraum 4.3 Wellenausbreitung im porösen Medium 5 Anwendungsbeispiel 5.1 Geometrische Situation, Baugrundschichtung 5.2 Bodenmechanische und bodendynamische Kennwerte 5.3 Schwingungsmessungen 5.4 Messung von bleibenden Verformungen 5.5 Belastung 5.6 Numerische Modellierung 5.7 Hypoplastische Berechnung 5.8 Vergleich Mess- und Berechnungsergebnisse 5.9 Linear elastische Berechnung 5.10 Vergleich der Ergebnisse mit hypoplastischer und elastischer Berechnung 6 Zusammenfassung und Ausblick Summary Literaturverzeichnis Symbolverzeichnis Anhang A Berechnungen zur Wellenausbreitung Anhang B Eingabedateien für Berechnungen mit TOCHNOG Anhang C Herleitungen der Biot-Theorie / In this thesis it is shown how to determine the soil stiffness at very small strains, as well as the decrease in stiffness with increasing shear strain amplitude in laboratory and field tests. Typical properties and empirical correlations of coarse-, fine-grained and organic soils are collected and significant differences in soil stiffness and stress-dependence at small strains compared to large strains are shown. Further it is shown how one can realistically reproduce the soil behaviour at small strains with the hypoplastic constitutive model with intergranular strains and how the material parameters are determined. For a realistic prediction of soil behaviour due to cyclic loading including hysteresis loops in the stress-strain relationship, a modification of the hypoplastic constitutive model is made by using an additional material parameter. It is shown how this additional parameter can be determined in cyclic laboratory tests and how the accumulation of strains in drained conditions and excess pore pressures built up in undrained conditions can be realistically reproduced. Based on the dynamic load on a railway embankment on soft marshy ground, the modified hypoplastic constitutive model with intergranular strains is applied for a boundary value problem. It is demonstrated, that the soil behaviour can be reproduced realistically. Numerical results show a good agreement with results of vibration measurements and measurements of permanent displacements. A dynamical numerical analysis is performed for both one-dimensional and half-space conditions. Different constitutive models have been applied and compared with analytical solutions. The results demonstrate requirements on numerical analysis of wave propagation, in particular with regards to time steps, element size, node spacing, size of the FE mesh and boundary conditions.:1 Einführung 2 Bodensteifgkeit 2.1 Defnition der Scherdehnung und der Schubspannung 2.2 Versuchstechnische Ermittlung der Bodensteifgkeiten 2.3 Ermittlung der Bodensteifgkeiten im Feld 2.4 Ermittlung der Bodensteifgkeiten im Labor 2.5 Bodensteifgkeit bei sehr kleinen Dehnungen 2.6 Abnahme der Steifigkeit mit zunehmender Scherdehnung 2.7 Bodenverhalten und Scherdehnungsgrenzen 2.8 Weitere bodendynamische Eigenschaften 3 Hypoplastisches Stogesetz 3.1 Allgemeine Formulierung der Hypoplastizität 3.2 Intergranulare Dehnungen 3.3 Bereich mit sehr kleinen Dehnungen 3.4 Bereich mit kleinen bis mittleren Dehnungen 3.5 Vergleich der Ergebnisse mit dem HS-Small-Modell 3.6 Zusammenfassung und Wertung der Ergebnisse 4 Numerische Berechnungen zur Wellenausbreitung 4.1 Eindimensionale Wellenausbreitung 4.2 Wellenausbreitung im Halbraum 4.3 Wellenausbreitung im porösen Medium 5 Anwendungsbeispiel 5.1 Geometrische Situation, Baugrundschichtung 5.2 Bodenmechanische und bodendynamische Kennwerte 5.3 Schwingungsmessungen 5.4 Messung von bleibenden Verformungen 5.5 Belastung 5.6 Numerische Modellierung 5.7 Hypoplastische Berechnung 5.8 Vergleich Mess- und Berechnungsergebnisse 5.9 Linear elastische Berechnung 5.10 Vergleich der Ergebnisse mit hypoplastischer und elastischer Berechnung 6 Zusammenfassung und Ausblick Summary Literaturverzeichnis Symbolverzeichnis Anhang A Berechnungen zur Wellenausbreitung Anhang B Eingabedateien für Berechnungen mit TOCHNOG Anhang C Herleitungen der Biot-Theorie