The problem of noise pollution generated by trains is one of the most serious causes of disturbance to the general population in Europe. This problem will probably worsen due to an expected increase in railway traffic, in line with EU policies on greener transport, and carbon emission reduction goals. A large part of the disturbance is due to ground-borne vibrations, which are difficult to attenuate due to their low frequencies, i.e. long wavelengths. Current solutions are scarcely efficient in this respect, with low performance, high costs and non-negligible impacts during installation (e. g. track removal, railway traffic interruption, bulky barriers, etc). One novel approach to the problem of attenuating low frequency vibrations that has emerged in the past decade involves the use of elastic metamaterials or phononic crystals. These are geometrically elaborate structures, usually repeated in periodic lattices, which exploit local resonance mechanisms or Bragg scattering to generate frequency-dependent manipulation of elastic waves, including band gaps, i.e. frequency ranges in which wave propagation is strongly attenuated. Large-scale metamaterials in the form of periodically repeated bore holes of various shapes have been proposed in applications such as seismic shields, and numerical studies indicate that they could be effective in providing attenuation of 1 or 2 orders of magnitude on waves in frequency ranges as low as 1-20 Hz. This type of technological solution is of considerable relevance for rail-generated vibrations. However, one practical problem is to adopt solutions that are acceptable in terms of size and cost for railway companies. An attractive solution is to adopt buried barriers at a distance of a few metres from the rail tracks. However, it is necessary to verify the feasibility and efficiency of this type of solution, i.e. a relatively thin barrier placed perpendicularly to wave propagation, given the large wavelengths involved. The objective of this thesis is thus to provide preliminary evidence to evaluate such a solution. More specifically, the goal is to determine whether the use of metamaterial structures can enable more efficient vibration attenuation compared to simple homogeneous buried barriers, through the mechanism of low-frequency resonance activation. To verify this hypothesis, a numerical and experimental study of the effect of resonant barriers on the propagation of low frequency elastic waves in soil is presented. A scaled model comprising resonating structures originating from two main metamaterial designs is proposed, together with a cylindrical encasement to couple the structures to the soil, while allowing the resonators to freely vibrate. The influence of various parameters is evaluated: metamaterial type, size, thickness and material (polymeric or metal). Numerical Finite Element Analysis is used to develop a suitable design, analysing mode shapes and frequencies of the resonating structures with and without the surrounding case. Experimental modal analysis is then performed on the corresponding fabricated samples, providing both model validation and out-of-soil mechanical characterization. Finally, vibration transmission loss analysis is performed in a model “sandwich” structure comprising two soil portions surrounding the resonating metamaterial barrier, allowing the evaluation on the performance of the different designs. Results indicate that both polymeric and metal metamaterial structures provide good attenuation of vibrations for selected frequency intervals in the low-frequency 1-5 kHz range, demonstrating the feasibility of the approach. Preliminary data regarding the structures providing preferable design characteristics is also obtained. Future developments based on the results obtained herein can lead to more efficient and realistic designs, closer to the final application, in which additional features (e.g. rubber damping elements, or variable unit cell size) can lead to improved optimized solutions.
Il problema della propagazione di vibrazioni generate dal trasporto rotabile è una delle più gravi cause di disturbo per la popolazione in Europa. Questo problema è in previdibile peggioramento a causa del previsto aumento del traffico ferroviario, in linea con le politiche dell'UE su trasporti a basso impatto ambientale e gli obiettivi di riduzione delle emissioni di CO2. Gran parte del disturbo è dovuto alle vibrazioni trasmesse dal suolo, che sono difficili da attenuare a causa delle loro basse frequenze, e quindi grandi lunghezze d'onda. Le soluzioni attuali sono scarsamente efficienti alle basse frequenze, con scarse prestazioni, costi elevati e impatti non trascurabili durante l'installazione (ad esempio rimozione dei binari, interruzione del traffico ferroviario, barriere ingombranti, ecc). Un nuovo approccio al problema dell'attenuazione delle vibrazioni a bassa frequenza che è emerso nell'ultimo decennio coinvolge l'uso di metamateriali elastici o cristalli fononici. Si tratta di strutture geometricamente elaborate, di solito organizzate in reticoli periodici, che sfruttano i meccanismi di risonanza locale o lo scattering di Bragg per generare una manipolazione delle onde elastiche dipendente dalla frequenza, compresi i "band gaps", cioè gli intervalli di frequenza in cui la propagazione delle onde è fortemente attenuata. Metamateriali di grande dimensioni, ovvero cavità di varie forme ripetute periodicamente nel terreno, sono stati proposti in applicazioni come gli scudi sismici, e studi numerici indicano che queste potrebbero essere efficaci nel fornire un'attenuazione di 1 o 2 ordini di grandezza sull'ampiezza delle onde in intervalli di frequenza da 1-20 Hz. Questo tipo di soluzione tecnologica è di notevole rilevanza per le vibrazioni generate dal trasporto di mezzi rotabili. Tuttavia, un problema pratico è quello di adottare soluzioni che siano accettabili in termini di dimensioni e costi per le compagnie ferroviarie. Una soluzione interessante è quella di adottare barriere interrate ad una distanza di alcuni metri dai binari. Tuttavia, è necessario verificare la fattibilità e l'efficienza di questo tipo di soluzione, ovvero una barriera relativamente sottile posta perpendicolarmente alla propagazione delle onde, date le grandi lunghezze d'onda in gioco. L'obiettivo di questa tesi è quindi quello di fornire prove preliminari per valutare tale soluzione. Più specificamente, l'obiettivo è quello di determinare se l'uso di strutture metamateriali può consentire un'attenuazione delle vibrazioni più efficiente rispetto alle semplici barriere interrate omogenee, attraverso il meccanismo di attivazione della risonanza a bassa frequenza. Per verificare questa ipotesi, si propone uno studio numerico e sperimentale dell'effetto delle barriere risonanti sulla propagazione delle onde elastiche a bassa frequenza nel suolo. E' stato considerato un modello in scala che comprende strutture risonanti originate da due design principali di metamateriali, insieme ad un involucro cilindrico per accoppiare le strutture al suolo, pur permettendo ai risuonatori di vibrare liberamente. E' stata valutata l'influenza di vari parametri: tipo di metamateriale, dimensioni, spessore e materiale di fabbricazione (polimerico o metallico). L'analisi numerica agli elementi finiti è stata utilizzata per sviluppare un progetto adeguato, analizzando le forme dei modi e le frequenze delle strutture risonanti con e senza l'involucro circostante. L'analisi modale sperimentale è stata poi eseguita sui corrispondenti campioni fabbricati, fornendo sia la validazione del modello che la caratterizzazione meccanica fuori dal suolo. Infine, l'analisi della risposta in frequenza delle vibrazioni è stata eseguita in una struttura di tipo "sandwich" che comprende due porzioni di terreno che circondano la barriera metamateriale risonante, permettendo la valutazione delle prestazioni dei diversi design. I risultati indicano che sia le strutture metamateriali polimeriche che metalliche forniscono una buona attenuazione delle vibrazioni per intervalli di frequenza selezionati nella gamma delle basse frequenze tra 1-5 kHz, dimostrando la fattibilità dell'approccio. Sono stati ottenuti anche dati preliminari riguardanti le strutture che forniscono caratteristiche preferenziali di progettazione. Gli sviluppi futuri basati sui risultati ottenuti nella tesi potranno portare a dei design più efficienti e realistici, più vicini all'applicazione finale, in cui le caratteristiche aggiuntive (ad esempio elementi di smorzamento in gomma, o la dimensione variabile della cella unitaria) permetteranno di raggiungere soluzioni ottimali.
Mitigation of ground-borne vibrations using metabarriers
NISTRI, FABIO
2020/2021
Abstract
The problem of noise pollution generated by trains is one of the most serious causes of disturbance to the general population in Europe. This problem will probably worsen due to an expected increase in railway traffic, in line with EU policies on greener transport, and carbon emission reduction goals. A large part of the disturbance is due to ground-borne vibrations, which are difficult to attenuate due to their low frequencies, i.e. long wavelengths. Current solutions are scarcely efficient in this respect, with low performance, high costs and non-negligible impacts during installation (e. g. track removal, railway traffic interruption, bulky barriers, etc). One novel approach to the problem of attenuating low frequency vibrations that has emerged in the past decade involves the use of elastic metamaterials or phononic crystals. These are geometrically elaborate structures, usually repeated in periodic lattices, which exploit local resonance mechanisms or Bragg scattering to generate frequency-dependent manipulation of elastic waves, including band gaps, i.e. frequency ranges in which wave propagation is strongly attenuated. Large-scale metamaterials in the form of periodically repeated bore holes of various shapes have been proposed in applications such as seismic shields, and numerical studies indicate that they could be effective in providing attenuation of 1 or 2 orders of magnitude on waves in frequency ranges as low as 1-20 Hz. This type of technological solution is of considerable relevance for rail-generated vibrations. However, one practical problem is to adopt solutions that are acceptable in terms of size and cost for railway companies. An attractive solution is to adopt buried barriers at a distance of a few metres from the rail tracks. However, it is necessary to verify the feasibility and efficiency of this type of solution, i.e. a relatively thin barrier placed perpendicularly to wave propagation, given the large wavelengths involved. The objective of this thesis is thus to provide preliminary evidence to evaluate such a solution. More specifically, the goal is to determine whether the use of metamaterial structures can enable more efficient vibration attenuation compared to simple homogeneous buried barriers, through the mechanism of low-frequency resonance activation. To verify this hypothesis, a numerical and experimental study of the effect of resonant barriers on the propagation of low frequency elastic waves in soil is presented. A scaled model comprising resonating structures originating from two main metamaterial designs is proposed, together with a cylindrical encasement to couple the structures to the soil, while allowing the resonators to freely vibrate. The influence of various parameters is evaluated: metamaterial type, size, thickness and material (polymeric or metal). Numerical Finite Element Analysis is used to develop a suitable design, analysing mode shapes and frequencies of the resonating structures with and without the surrounding case. Experimental modal analysis is then performed on the corresponding fabricated samples, providing both model validation and out-of-soil mechanical characterization. Finally, vibration transmission loss analysis is performed in a model “sandwich” structure comprising two soil portions surrounding the resonating metamaterial barrier, allowing the evaluation on the performance of the different designs. Results indicate that both polymeric and metal metamaterial structures provide good attenuation of vibrations for selected frequency intervals in the low-frequency 1-5 kHz range, demonstrating the feasibility of the approach. Preliminary data regarding the structures providing preferable design characteristics is also obtained. Future developments based on the results obtained herein can lead to more efficient and realistic designs, closer to the final application, in which additional features (e.g. rubber damping elements, or variable unit cell size) can lead to improved optimized solutions.File | Dimensione | Formato | |
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https://hdl.handle.net/10589/187676