Vibrações induzidas por tráfego ferroviário em túneis

The topic of the thesis is vibrations induced by railway traffic in tunnels. The thesis comprises the development, the implementation and the experimental validation of prediction models encompassing the simulation of vibration generation due to train-track dynamic interaction, its propagation along the tunnel-ground system and also the interaction of vibrations with buildings nearby the railway infrastructure. After the contextualization of the topic and a brief explanation on of the fundamental aspects involved, a numerical model, specially developed for dealing with vibration propagation in unbounded domains, is presented. This model results from the coupling of a finite element method with a perfectly matched layer technique, both formulated on the 2.5D domain. The versatility inherent to the finite element approach makes the model especially able to simulate tridimensional wave propagation in the tunnel-ground system. In order to achieve high computational performance, the mathematical formulation is achieved by developing of dynamic equilibrium equations on the wavenumber-frequency domain, intrinsic to the 2.5D approach. The comprehensive model follows a sub-structuring approach adopting a strategy that aims, on the one hand, to achieve high computationally efficient computational efficiency simulations, and on the other, at a deep understanding of the physics of all studied aspects. Different models are developed, using the most suitable techniques for each domain, and are then coupled. The dynamic train-track interaction is simulated by an autonomous model, which attends to the train’s structural behavior as well as to the solution of the train-track interaction problem due to the of track unevenness. The soil-structure interaction, caused by the dynamic excitation resulting from the railway traffic in the tunnel, is considered on other autonomous model. Different techniques of for handling soil-structure interaction, with distinct degrees of accuracy and complexity, are presented and analyzed. Parametric studies, developed for reaching a better and deeper knowledge of the most influent factors on the track-tunnel-ground dynamic response, are presented. Looking for a holistic approach to the problem, an integrated and comprehensive study is developed. The influence of ground stiffness is analyzed from different points of view, ranging from the vibration generation mechanisms to its the influence on the vibration levels induced inside buildings. The study also extended to the analysis of the efficiency of floating slab track system on the mitigation of vibrations. A comprehensive approach is followed analyzing the influence on the generation, propagation and reception mechanisms. The experimental validation of the proposed model is also performed. The selected case study corresponds to a stretch of an underground railway line located in Madrid. The options followed on the numerical modelling of the case study are presented and discussed and a comparison between measured and computed results it’s performed. The good match between the experimental and computed results obtained allows attesting the suitability and reliability of the proposed model on the prediction of vibrations inside buildings due to underground railway traffic. Finally, the main conclusions of the dissertation are presented and further research needs on the topic are suggested. AGRADECIMENTOS Concluído este trabalho, a autora gostaria de expressar um sincero e profundo agradecimento a todas as pessoas e entidades que das mais diversas formas contribuíram para a sua concretização. Pela relevância do seu contributo, endereçam-se os seguintes agradecimentos:  Aos orientadores científicos, Professores Doutores Rui Calçada, António Silva Cardoso e Pedro Alves Costa, pelo apoio, interesse e dedicação demonstrados ao longo do presente trabalho e principalmente, pela amizade e disponibilidade evidenciada a cada momento;  Ao Professor Doutor Miguel Ferraz pelo apoio e disponibilidade demonstrada na realização dos modelos estruturais dos edifícios;  Ao Professor Doutor Raimundo Delgado pelo apoio e pragmatismo mostrado na resolução de diversas questões burocráticas no âmbito do PRODEC;  Ao Instituto Politécnico do Porto (IPP) pelo apoio concedido através da dispensa de serviço docente durante o último ano de condução dos trabalhos;  Ao Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP) pelo apoio institucional e criação de condições para a realização da presente dissertação. Agradece-se ainda ao seu Presidente, Professor Doutor João Rocha, pela compreensão, disponibilidade e atenção dedicada à criação de condições para que o presente trabalho pudesse ser realizado com serenidade;  Ao Director do Departamento de Engenharia Civil do ISEP, Professor Rui Gomes dos Santos, por todo o apoio e pragmatismo mostrado na condução de diligências para a criação de condições que permitissem a realização dos trabalhos;  Ao Professor Doutor Jesús Fernández Ruiz da Universidade da Corunha, pela disponibilização dos dados experimentais que permitiram a validação experimental dos modelos concebidos;  À Metro do Porto, pela colaboração prestada na condução de trabalhos experimentais, que embora não estejam reflectidos na presente dissertação, muito contribuíram para o alcançar de um conhecimento mais profundo sobre a temática;  À Fundação para a Ciência e Tecnologia, pela Bolsa de Doutoramento atribuída (SFRH/BD/69290/2010);  Ao colega Aires Colaço, por todo o apoio e boa vontade demonstrada na realização de trabalhos experimentais no campo experimental do Pólo Universitário;  A todos os colegas e amigos que com gestos de amizade e apoio contribuíram para tornar o trabalho menos árduo, em particular ao Professor António Pestana, ao Tiago Domingues, ao Cândido Freitas, à Elza Mendes e à Ana Magalhães. Por fim, não pode a autora deixar de expressar uma profunda gratidão, estima e admiração a seus Pais, Irmãos, e de um modo especial ao Pedro e à nossa filha Rita, pelo apoio, incentivo e compreensão que neles sempre encontrou no decurso deste trabalho.