Optimization and prediction of a geofoam-filled trench in homogeneous and layered soil

Naghizadehrokni, Mehran; Ziegler, Martin (Thesis advisor); Fuentes Gutierrez, Raul (Thesis advisor); Vrettos, Christos (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022, 2023)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Kurzfassung

In Großstädten und an anderen Stellen sind in jüngster Zeit vom Menschen verursachte Bodenvibrationen, die durch externe dynamische Quellen wie Verkehr, Sprengungen, Maschinenfundamente und andere bauliche Aktivitäten hervorgerufen werden, zu einem großen Problem für die nahe gelegenen Strukturen und Bewohner geworden. Der größte Teil der übertragenen Schwingungsenergie wird durch Rayleigh-Wellen nahe der Bodenoberflache übertragen. Der Rest der Energie wird durch Körperzellen übertragen. Oberflächennahe Vibrationen können für die umliegenden Gebäude und ihre Bewohner ein großes Problem darstellen. Daher ist die Implementierung einer Wellenbarriere im Übertragungswagen eine geeignete Lösung, da sie eine Streuung der Bodenschwingungen ermöglicht. Diese Studie stellt die Leistung von Schaumgefüllten Graben bei der Minderung von Bodenvibrationsübertragungen anhand einer umfassenden Parameter Studie vor. Vollautomatische numerische 2D- und 3D-Modelle werden zur Bewertung der Abschirm-Effektivität der Graben im aktiven und passiven System eingesetzt. Das validierte Modell wird zur Untersuchung des Einflusses von geometrischen und dimensionalen Merkmalen auf den Graben mit drei verschiedenen Konfigurationen verwendet, darunter Einzel- und Doppelwände, sowie Dreiecksförmige Wände. Die Parameter Studie basiert auf einer vollständigen Automatisierung des Modells durch die Kopplung von Finite-Elemente-Analyse-Software (Plaxis) und der Programmiersprache Python zur Steuerung der Eingabe, zur Änderung der Parameter sowie zur Erzeugung der Ausgabe und zur Berechnung der Effizienz der Barriere. Die Hauptannahme bei der parametrischen Studie ist, jeden Parameter als unabhängige Variable zu behandeln und andere Parameter konstant zu halten. Es wird ein Optimierungsmodell vorgestellt, um die bestimmenden Faktoren eines mit Geoschaum oder eines mit Beton gefüllten Grabens als Wellenbarriere zu optimieren. Es wird ein genetischer Algorithmuscode mit Kopplung der Python-Software und der Finite-Elemente-Programm-Plaxis zur gegenseitigen Optimierung aller Parameter implementiert. Darüber hinaus werden drei verschiedene Konfigurationen mit Einzel- und Doppelwänden, sowie dreiecksförmige Wände ausgewertet, um den Einfluss der Form der Barriere auf die Dämpfung der einfallenden Wellen zu berücksichtigen. Eine übliche Annahme bei der Untersuchung von Bodenschwingungen ist es, den Boden als homogen zu betrachten, was aber unrealistisch ist. Daher liegt das Hauptaugenmerk dieser Studie darin, den Einfluss der Inhomogenität des Bodens auf die Effizienz des mit Geoschaum gefüllten Grabens zu ermitteln. Eine umfassende parametrische Studie wurde durch Kopplung von Plaxis und Python durchgeführt, wobei die Interaktion aller maßgebenden Parameter aufeinander durch die Methode der Response Surface Methodik dargestellt wird. Es wird auch ein genetischer Algorithmuscode zur gegenseitigen Optimierung aller Parameter in homogenem und inhomogenem Boden vorgestellt. Die Ergebnisse zeigten, dass bei inhomogenem Boden ein tieferer Graben erforderlich ist, um den gleichen Wert der Effizienz wie bei homogenem Boden zu erreichen. Ein künstliches neuronales Netzmodell und ein Ausgleichspolynom werden entwickelt, um die Effizienz der mit Geoschaum gefüllten Barriere abzuschätzen. Die Trennung zwischen den numerischen Modellierungsergebnissen und den entwickelten Modellen demonstrieren die Fähigkeit der Modelle, die Effizienz des mit Geoschaum gefüllten Grabens vorherzusagen. Schließlich wurde eine Anwendung entwickelt, die eine einfache und gemeinsame Nutzung aller entwickelten Modelle und Daten ermöglicht. Der Benutzer kann die App installieren und nutzen und dabei auf alle Daten zugreifen, um die Effizienz des Grabens vorherzusagen und die variierbaren Parameter zu optimieren.

Einrichtungen

  • Lehrstuhl für Geotechnik im Bauwesen und Institut für Geomechanik und Untergrundtechnik [314310]

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