Analytical and numerical modelling of train-induced ground-building coupled vibrations

Train-induced ground and building vibrations are always a public concern. Over the past decade, related predictions have become increasingly inaccurate and have failed to adapt to the increasingly complex urban transit environment. This issue has become more serious in light of the emerging high-speed railway technology around the world. In urban areas, gradually decreasing building spacing renders traditional modeling methods invalid for accurately investigating the response of a structure surrounded by others. Although the interplay between buildings is often disregarded, even in dense urban zones, the effects on the overall dynamic properties of a multi-building system have been confirmed by the earthquake engineering community and applied in practice. This thesis aims to develop corresponding analytical and numerical methods and investigate related effects of the interaction between tracks, ground, and buildings. Regarding the analytical modeling of the track-ground-building cluster system, this thesis takes advantage of two representative methods from the railway and earthquake engineering communities for the ground-track and ground-building cluster systems, respectively. It proposes a novel semi-analytical method in which the resulting total response field relates to the scattering response of the track and building in the wavenumber and spatial fields separately. This method also supports coupling an infinite medium with structures described by other numerical formulations, thereby extending its applicability to more general structures. Furthermore, the accuracy and efficiency of this hybrid/analytical method have been verified by several idealized models, which illustrate better performance than finite element-based methods, the latter of which could only approximate the infinite track structure by truncation. In terms of numerical modeling, this thesis proposes a coupling scheme to enhance the efficiency of analyzing the multi-scale problem. This scheme simulates soil and structure dynamics using spectral and finite element methods, respectively. This enables the investigation of practical scenarios. The coupled numerical framework was validated using an existing model and full-scale building tests adjacent to the (high-speed) railways, demonstrating good agreement in numerical reproduction. The comparative study emphasized the influence of vehicle properties on the response of the floor slab as well as the added-building effects. Concerning structure-soil-structure interaction effects, the thesis performed several comparative analyses using the proposed analytical and hybrid methods. The building's spatial arrangement, structural properties, source load positions, and coupling schemes between components (ground, track, and buildings) varied according to the practical situation. The results suggest that, in urban areas where buildings are closely spaced, accounting for the interaction of building clusters is critical for accurately assessing the response of buildings. However, this is less possible to observe using general numerical methods within the limited time period available, especially in the early stages of planning an urban rail transit network.

Le vibrazioni del terreno e degli edifici indotte dal passaggio dei treni rappresentano da sempre un tema di interesse pubblico. Nell’ultimo decennio, le previsioni relative a tali fenomeni si sono rivelate progressivamente meno accurate e non hanno saputo adattarsi alla crescente complessità dell’ambiente urbano. Il problema risulta ancor più rilevante alla luce della diffusione delle tecnologie ferroviarie ad alta velocità a livello globale. Nelle aree urbane, la progressiva riduzione delle distanze tra edifici rende inadeguati i metodi di modellazione tradizionali, che non permettono di descrivere con precisione la risposta di una struttura circondata da altre. Sebbene l’interazione tra edifici venga spesso trascurata, anche nelle zone urbane più dense, la comunità scientifica dell’ingegneria sismica ha già dimostrato e applicato nella pratica gli effetti significativi di tale interazione sulle proprietà dinamiche di sistemi composti da più edifici. Questa tesi si propone di sviluppare metodi analitici e numerici dedicati e di indagare gli effetti dell’interazione tra binari, terreno ed edifici. Per quanto riguarda la modellazione analitica del sistema binario–terreno–edificio, la tesi adotta due approcci rappresentativi provenienti rispettivamente dall’ingegneria ferroviaria e da quella sismica, applicandoli ai sistemi binario–terreno e terreno–edifici. Viene proposto un nuovo metodo semi-analitico in cui il campo di risposta totale è ricondotto alla risposta di scattering del binario e degli edifici, trattati separatamente nei domini delle numerosità d’onda e spaziale. Il metodo consente inoltre di accoppiare un mezzo infinito con strutture descritte mediante altre formulazioni numeriche, estendendone così l’applicabilità a casi strutturali più generali. L’accuratezza e l’efficienza di questo approccio ibrido/analitico sono state verificate attraverso diversi modelli idealizzati, che hanno evidenziato prestazioni superiori rispetto ai metodi basati sugli elementi finiti, i quali possono solo approssimare la struttura infinita del binario tramite troncamento. Dal punto di vista numerico, la tesi propone un quadro di accoppiamento volto a migliorare l’efficienza nell’analisi del problema multiscala. Tale schema combina il metodo spettrale per la dinamica del terreno con il metodo agli elementi finiti per la dinamica strutturale, consentendo lo studio di scenari applicativi realistici. La validazione del modello numerico accoppiato è stata effettuata tramite il confronto con un modello esistente e con prove in scala reale su edifici adiacenti a linee ferroviarie (ad alta velocità), mostrando una buona corrispondenza dei risultati. Lo studio parametrico ha messo in evidenza l’influenza delle caratteristiche del veicolo sulla risposta dei solai e gli effetti aggiuntivi indotti dalla presenza di più edifici. Infine, per quanto concerne gli effetti di interazione struttura–terreno–struttura, la tesi ha condotto diverse analisi comparative basate sui metodi analitico e ibrido proposti. La disposizione spaziale degli edifici, le proprietà strutturali, la posizione delle sorgenti di carico e gli schemi di accoppiamento tra i vari componenti (terreno, binari ed edifici) sono stati variati in funzione delle situazioni pratiche. I risultati evidenziano che, in contesti urbani con edifici ravvicinati, considerare l’interazione di insiemi edilizi è fondamentale per valutare correttamente la risposta strutturale. Tuttavia, questo risulta difficilmente osservabile tramite i metodi numerici convenzionali entro i tempi ridotti disponibili, in particolare nelle fasi preliminari di pianificazione di una rete ferroviaria urbana.