The vibration response of piled foundations to inertial and underground railway induced loadings

Trillingshinder in de bebouwde omgeving                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     ir. Pieter Coulier

Trillingen en herafgestraald geluid in de bebouwde omgeving veroorzaakt door (ondergronds) treinverkeer zijn een belangrijke vorm van hinder. Deze trillingen worden gegenereerd door de dynamische interactie tussen de wielen en de rails, planten zich voort doorheen de ondergrond als elastische golven, waarna ze uiteindelijk nabijgelegen gebouwen exciteren via de funderingen, wat tot hinder leidt.

Reeds bij zeer kleine trillingsamplitudes kan de goede werking van gevoelige apparatuur verstoord worden (ziekenhuizen, micro-elektronische labo’s, …). Hogere trillingsniveaus leiden tot discomfort voor inwoners, en dit zowel door het trillen van het menselijk lichaam als door een onaangenaam geluid, afgestraald door vibrerende onderdelen van gebouwen. Bovendien bestaan er aanwijzingen dat deze trillingen zelfs aanleiding kunnen geven tot structurele schade in (historische) gebouwen.

Het laatste decennium is de problematiek van trillingshinder gerelateerd aan treinverkeer sterk onder de aandacht gekomen. Deze toenemende belangstelling kan men aan verschillende aspecten wijten. Een eerste aspect is de expansie van spoorinfrastructuur in de stedelijke omgeving.

Belangrijke projecten die hiertoe bijdragen zijn de uitbouw van het Europese hogesnelheidsnetwerk (vb. Antwerpse Noord-Zuidverbinding), de realisatie van voorstedelijke netten met lichtgewichttreinen (vb. Gewestelijk ExpressNet Brussel), de uitbouw van ondergrondse spoorinfrastructuur als antwoord op de structurele verkeershinder en luchtvervuiling  in grootsteden (vb. Diaboloproject Brussels Airport), … In een meer internationale context kunnen de aanleg van de Heathrow Express Line, de Noord-Zuidverbinding in Amsterdam en de expansie van de metro’s van Shanghai & Beijing aangehaald worden om het toenemende belang van de problematiek te illustreren.

Dit toenemende belang wordt bovendien in de hand gewerkt door een groeiende bevolkingsdichtheid in grootsteden, waardoor ook gebieden in de nabijheid van (ondergrondse) spoorlijnen worden aangewend voor stadsontwikkeling. Deze locaties werden vroeger onbebouwd gelaten omwille van hun ongunstige ligging, maar dit kan men zich vandaag de dag niet meer veroorloven. De afstand tussen de bron (spoorwegen) en de ontvanger (gebouwen) wordt bijgevolg kleiner, wat het toenemend aantal klachten gerelateerd aan trillingshinder ten gevolge van treinverkeer verklaart.

Tot slot worden met de moderne constructietechnieken steeds meer lichtgewichtgebouwen gerealiseerd. Een inherente eigenschap van deze structuren is echter hun zeer beperkte dynamische demping, waardoor de trillingen zich relatief gemakkelijk kunnen voortplanten binnenin de structuur. Men kan dan ook zonder meer stellen dat moderne gebouwen veel meer vatbaar zijn voor trillingshinder ten gevolge van treinverkeer.

Gedurende het voorbije decennium is heel wat onderzoek verricht in de zoektocht naar efficiënte maatregelen om de trillingshinder in de bebouwde omgeving te beperken. Men kan deze maatregelen onderverdelen in drie groepen.

Als eerste groep kan men maatregelen aan de bron van het probleem onderscheiden. Het grote voordeel van dit soort maatregelen is dat ze een effect hebben voor verschillende gebouwen in de nabijheid van de bron. Een typisch voorbeeld in tunnels is het gebruik van floating slab tracks, waarbij de sporen geïsoleerd worden van de omringende tunnelstructuur, en dit door middel van elastische matten. Op die manier wordt getracht om de overdracht van de trillingsenergie naar de ondergrond te beperken.

Een tweede manier om trillingshinder tegen te gaan bestaat erin het transmissiepad van de bron naar de ontvanger te onderbreken. Het voorzien van trillingsisolerende schermen in de grond tussen de bron (spoor) en de ontvanger (gebouw) hoort in deze categorie thuis.

Tot slot kan men maatregelen aan de ontvangerszijde voorzien. Hierbij worden stalen veren of rubberen elementen tussen het gebouw en diens fundering geplaatst, om op die manier het gebouw te isoleren van de trillingen in de grond. Deze techniek wordt als base isolation aangeduid, en is een welgekende methode in de constructie van aardbevingsbestendige structuren.

Hoewel er de laatste jaren reeds heel wat onderzoek verricht is, blijft er nog veel onzekerheid omtrent de juiste werking en de efficiëntie van de vermelde maatregelen om de trillingshinder te beperken. Aangezien het implementeren ervan bijzonder duur is, zijn accurate numerieke voorspellingsmodellen onontbeerlijk om tot economische en efficiënte ontwerpen te komen.

In samenwerking met Cambridge University werden een numeriek model ontwikkeld om de golfvoortplanting van de door treinverkeer geïnduceerde trillingen doorheen de ondergrond te simuleren. De focus werd gelegd op de transmissie van trillingen doorheen paalfunderingen naar de bovenliggende structuur. Paalfunderingen worden immers vaak gebruikt bij hoogbouw in grootsteden. Het model houdt op een expliciete wijze rekening met de dynamische interactie tussen nabijgelegen palen, wat bij bestaande modellen vaak slechts vereenvoudigd wordt ingerekend.

Een nieuwe aanpak, gebaseerd op de uitgestraalde energie, maakt het mogelijk om de dominante transmissiepaden van de trillingen doorheen de funderingen te identificeren. Deze methode laat toe om heel wat inzicht in het gedrag van het systeem verwerven.

Verschillende aspecten, zoals het effect van het funderingsontwerp, de bijdrage van horizontale en rotationele trillingen en het belang van paalinteracties kunnen met het ontwikkelde model onderzocht worden. Bovendien werd de efficiëntie van verschillende trillingsbeperkende maatregelen aan de ontvangerszijde (gebouw) onderzocht. Uit de resultaten blijkt dat het voorzien van base isolation tussen het gebouw en diens fundering een aanzienlijke reductie van de interne trillingsniveaus teweeg kan brengen. Er wordt bovendien aangetoond dat met stalen veren een grotere reductie kan bekomen worden dan met rubberen elementen. Dit resultaat is van groot belang, aangezien men omwille van praktische overwegingen nog vaak de voorkeur geeft aan rubberen elementen. Daarnaast is het belangrijk om op te merken dat het opgestelde model eveneens kan gebruikt worden voor het vaststellen van de transmissiepaden bij trillingen ten gevolge van wegverkeer, industrie-, bouw- en sloopactiviteiten.

In het kader van de toenemende sociale relevantie van trillingshinder in de bebouwde omgeving, werd een numeriek model ontwikkeld waarmee men de dominante transmissiepaden van de golven kan vaststellen, wat toelaat om de efficiëntie van trillingsbeperkende maatregelen te onderzoeken. Dit maakt het mogelijk om op een doelmatige en economische manier te ontwerpen, en op die manier het resultaat van de gedane investeringen te optimaliseren.