Problématiques vibratoires dans la construction · Système à 1 ddl équivalent : plancher...

Mars 2011

Alain FOURNOL, Nicolas SOUIL

AVLS, BET Vibrations – Acoustique

Orsay (91)

Problématiques vibratoires dans

la construction

Mars 2011

1) Caractérisation dynamique des planchers

2) Planchers et Piétons

3) Vibrations engendrées par les

circulations ferroviaires

4) Suspensions antivibratiles

Mars 2011

1) Caractérisation dynamique des planchers

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 5010

-8

10-7

10-6

10-5

10-4

Adm

itta

nce

[(m

/s)/

N]

Fréquence [Hz]

Admittance :

V(f) / F(f)

Fréquence (Hz)

m/s/N

Mars 2011

Mars 2011

Avantages :

- mesurable

- calculable

Inconvénients :

- Mesure Locale

- Mesure délicate aux très

basses fréquences

Mars 2011

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 5010

-8

10-7

10-6

10-5

10-4

Adm

itta

nce

[(m

/s)/

N]

Fréquence [Hz]

Admittance au centre plancher :

f1 = 6.2 Hz

K = w / Admit = 40.106

N/m

M = K / w2= 26 000 kg

x = 1.2 %

Fréquence (Hz)

m/s/N

Mars 2011

0

22

0 2)(

)(

im

i

F

X

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 5010

-8

10-7

10-6

10-5

10-4

Fréquence [Hz]

m/s

/N

Système Masse-Ressort - Amplitude -V/F

Système à 1 ddl équivalent : plancher simplifié

m

k c

X

F

022

m

c

km

c

Fréquence (Hz)

m/s/N

Mars 2011

Exemple : Cas d’un piéton

- Fréquence fondamentale = 2.0 Hz

- Fz = 280 N à f1, 30 N à f3

Vitesse = 30 x 2.10-5

= 6.10-4

m/s

= 82 dBv

1 1.25 1.6 2 2.5 3.15 4 5 6.3 8 10 12.5 16 20 25 31.5 40 50 63 80 100 125 160 20030

40

50

60

70

80

90

Fréquences centrales de bandes de 1/3 d'octave [Hz]

dB

[R

éf.

5e-0

08 m

/s]

Fichier : sin_6.2Hz - Spectre Tiers d'Octave moy 1 s.

Canal n°1 - m/s

Mars 2011

Bibliographie :

- Bachmann « Vibration problems in structures » CEB 1991.

- ISO 10137 – Serviceability of buildings and walkways against vibrations, 2007

- Setra - Evaluation du comportement vibratoire sous l’action des piétons, 2006

Mars 2011

2) Planchers et Piétons

35 40 45 50 55 60 65 70-1000

-500

0

500

1000

[New

ton]

Temps [s]

1.sig - Signal Temporel - Somme des amplitudes

990Newton Crête

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

100

200

300

400

500

[New

ton]

RM

S

Fréquence [Hz]

Spectre bande fines - Somme des amplitudes - Boxcar - f = 0.1 Hz

Mars 2011

0 2 4 6 8 10 120

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Fréquence [Hz]

DLF

[-]

Dynamic Load Factors - Methode BACHMANN&AL

DLF1

DLF2

DLF3

Dynamic load Factors

0 2 4 6 8 10 120

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Fréquence [Hz]

DLF

[-]

Dynamic Load Factors - Methode ISO10137

DLF1

DLF2

DLF3

DLF4

DLF5

0 2 4 6 8 10 120

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Fréquence [Hz]

DLF

[-]

Dynamic Load Factors - Methode RAINER

DLF1

DLF2

DLF3

DLF4

0 2 4 6 8 10 120

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Fréquence [Hz]

DLF

[-]

Dynamic Load Factors - Methode YOUNG

DLF1

DLF2

DLF3

DLF4

Mars 2011

Modélisation de la marche Pas par Pas

Mars 2011

Application à une structure mesurée / modélisée

(plancher f1 = 14 Hz) :

Mars 2011

Calcul élement finis – Réponse temporelle

0 5 10 15

-0.5

0

0.5

Signal Temporel de vitesse vibratoire

Mesure - Marche à 2.0 Hz[m

m/s

]

Temps [s]

0 5 10 15

-0.5

0

0.5

Signal Temporel de vitesse vibratoire

Calcul ISO10137 - Marche à 2.0 Hz

[mm

/s]

Temps [s]

1 1.25 1.6 2 2.5 3.15 4 5 6.3 8 10 12.5 16 2020

40

60

80

Fréquences centrales de bandes de 1/3 d'octave [Hz]

[dB

ref

5.1

0-8

m/s

]

Spectres tiers d'octave de vitesse vibratoire max.1s

Mesure

Calcul

Mars 2011

Modèles complexes

Mars 2011

Modèles complexes – Cartographie

Mars 2011

Bibliographie :

- HIVOSS : Human induced vibration of steel structures – Vibrations of floors

Mars 2011

3) Vibrations engendrées par les

circulations ferroviaires

Mars 2011

Plusieurs problématiques :

- Propagation dans le sol,

- Interaction sol-structure,

- propagation dans la structure du bâtiment,

- amplification des planchers,

- régénération acoustique dans le volume de réception

Mars 2011

Interaction sol – structure :

Extrait de « high speed ground transportation noise & vib impact assessment »

Mars 2011

1 01

1 02

- 4 0

-3 0

-2 0

-1 0

0

1 0

2 0

F r é q u e n c e s c e n t ra le s e n 1 / 3 o c t a v e [ H z ]

Am

pli

fic

ati

on

Lv

fond -

Lv so

l (d

B)

A m p l i f i c a t i o n m in iA m p l i f i c a t i o n m a x iA m p l i f i c a t i o n m o y e n n e

Expérimentations sur site :

Fréquence (Hz)

Amplification (dB)

Mars 2011

Facteurs à considérer :

- Dimensions de la fondation vis-à-vis de la longueur d’onde,

- masse et rigidité des fondations,

- paramètres mécaniques du sol

Approche prévisionnelle : modèle FEM 2D

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10010

-10

10-9

10-8

10-7

10-6

Fréquence [Hz]

[m/s

/N]

Vitesse vibratoire harmonique à 15 m

Massif reception

Terrain naturel

Fréquence (Hz)

Mars 2011

Amplification de planchers :

1 1.251.6 2 2.5 3.15 4 5 6.3 8 10 12.5 16 20 25 31.5 40 50 63 80 100 125 160 20020

30

40

50

60

70

80

Fréquences centrales de bandes de 1/3 d'octave [Hz]

dB

[ r

ef

5.1

0-8

m/s

]

T4.TIM - Spectre Tiers d'octave maximum 1 sec.

1Z Dalle R-1

3Z voile Infra

6Z plancher R+1

5Z plancher RdC

Comparaison de

spectres 1/3

octave mesurés

simultanément en

plusieurs points

d’un bâtiment

Fréquence (Hz)

Lv (dB) ref 5.10-8

m/s

Mars 2011

Régénération acoustique :

Local non meublé,

Micro au 1/3 de la diagonale,

45 dB(A) au passage des trains proches,

(A) = -34.6 dB à 40 Hz

0 50 100 150 200 250 300 350 4000

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

X: 40Y: 0.05595

Fréquence [Hz]

Pa R

MS

Fichier : T4 - Spectre Bandes fines FFT - Hanning - f = 1 Hz

16: SPL Salle R-1 - Pa

Fréquence (Hz)

Lp dB ref 2.10-5

Pa

Mars 2011

10 12.5 16 20 25 31.5 40 50 63 80 100 125 160 20020

30

40

50

60

70

80

Fréquences centrales de bandes de 1/3 d'octave [Hz]

dB

(A

) [R

èf

2e-0

05 P

a]

Fichier : T4 - Spectre Tiers d'Octave max 1 s.

16: SPL Salle R-1 - Pa - 45.3 dB(A)

Fréquence (Hz)

Lp pondéré (A) en dB ref 2.10-5

Pa

Mars 2011

4) Suspensions antivibratiles

Approche générale : système à 1 degré de liberté

Transmissibilité en force (cas d’une machine

vibrante suspendue)

=

Transmissibilité en déplacement (cas d’un bâtiment

suspendu, sismique)

Mars 2011

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10010

-4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

Transmissibilité en force

Influence Infrastructures

[Fréquence Hz]

[Sans U

nité]

Masse Ressort - 3 Hz

MR 3Hz sur HEA-100

MR 3Hz sur IPE-300

Suspension de bâtimentTransmissibilité en déplacement, Influence des infrastructures

Mars 2011

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10010

-4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

Amplification Sismique

Influence Superstructures

[Sans U

nité]

[Fréquence Hz]

Masse Ressort - 3 Hz

HEA-100 - Susp. 3Hz

IPER-300 - Susp. 3Hz

Suspension de bâtimentTransmissibilité en déplacement, influence des superstructures

Mars 2011

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10010

-4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

Transmissibilité en force

Influence Infrastructures

[Fréquence Hz]

[Sans U

nité]

Masse Ressort - 3 Hz

MR 3Hz sur HEA-100

MR 3Hz sur IPE-300

Suspension d’équipements techniquesTransmissibilité en force – Influence des infrastructures

Mars 2011

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10010

-4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

Transmissibilité en force

Influence Superstructures

[Fréquence Hz]

[Sans U

nité]

Masse Ressort - 3 Hz

HEA-100 - Susp. 3Hz

IPE-300 - Susp. 3Hz

Suspension d’équipements techniquesTransmissibilité en force – Influence des superstructures

Mars 2011

Plateforme technique en terrasse

Planchers de bureaux

Mars 2011

Plateforme

suspendue

à 3 Hz

Equipements

suspendus à

5 Hz

Deux étages de suspension

Mars 2011

0 5 10 15 20 25 30

10-2

10-1

100

101

Force DPT->Structure / Force injectée

Fréquence [Hz]

Sans U

nité

Machine 1C non suspendue

Machine 1C suspendue 5Hz

Filtrage en force

Seule

suspension de la

plateforme à 3Hz

Suspension de :

la plateforme à 3Hz

+

Equipement à 5Hz

Mars 2011

Merci de votre attention

Mars 2011

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1010

-2

10-1

100

101

102

Amplification Sismique

Influence Infrastructures

[Sans U

nité]

[Fréquence Hz]

Masse Ressort - 3 Hz

MR 3Hz sur HEA-100

MR 3Hz sur IPER-300

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1010

-2

10-1

100

101

102

Amplification Sismique

Influence Superstructures

[Sans U

nité]

[Fréquence Hz]

Masse Ressort - 3 Hz

HEA-100 - Susp. 3Hz

IPER-300 - Susp. 3Hz

Mars 2011

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1010

-2

10-1

100

101

102

Transmissibilité en force

Influence Infrastructures

[Fréquence Hz]

[Sans U

nité]

Masse Ressort - 3 Hz

MR 3Hz sur HEA-100

MR 3Hz sur IPE-300

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1010

-2

10-1

100

101

102

Transmissibilité en force

Influence Superstructures

[Fréquence Hz]

[Sans U

nité]

Masse Ressort - 3 Hz

HEA-100 - Susp. 3Hz

IPE-300 - Susp. 3Hz