Numerical analysis of road acoustic screen

• Autorzy: Stempin P. , Sumelka W.

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2020.131805

Warianty tytułu

PL

Analiza numeryczna ekranu akustycznego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This article presents the results of a numerical analysis of the road acoustic screen deterioration. Due to the fact that road noise barriers are located in an environment of very high corrosivity, the problem is the rusting of the metal cladding of component panels. The presented case study was, therefore, verified to fulfill the requirements presented in the Eurocode EN 1794-1. Static analysis for wind load and dynamic analysis for the load induced from vehicles was carried out. The analysis presented in the article proved the design errors and their contribution to the formation of severe corrosion, as well as demonstrating the importance of dynamic analysis in the design of acoustic screens.

PL

Drogowe ekrany akustyczne stosuje się jako ochronę przed hałasem powodowanym przez ruch samochodowy. Ze względu na bezpośrednie sąsiedztwo pasa drogowego, znajdują się one w środowisku o bardzo wysokiej korozyjności. Problemem jest więc korozja metalowych okładzin paneli akustycznych, w związku z tym podczas projektowania konstrukcji tego typu należy mieć na uwadze ograniczenie możliwości powstania korozji. W artykule zweryfikowano ekrany akustyczne zlokalizowane wzdłuż drogi ekspresowej, w których zaobserwowano silną korozję. Analizie podlegały ekrany akustyczne składające z paneli akustycznych w obudowie z aluminium. W pracy przedstawiono konstrukcję analizowanego ekranu oraz opracowano model numeryczny uwzględniający zaawansowany model panelu, w szczególności profilowany kształt, perforację blachy oraz rodzaj połączenia między okładziną i rdzeniem. Następnie przeprowadzono analizę statyczną dla obciążenia wiatrem oraz analizę dynamiczną dla obciążenia wywołanego przez pojazdy oraz sprawdzono spełnienie wymagań przedstawionych w normie EN 1794‑1 dla poszczególnych elementów składowych ekranu akustycznego. Uzyskane wyniki analiz porównano z wartościami dopuszczalnymi, wykazując nadmierne ugięcie słupów oraz w konsekwencji powstanie pomiędzy poszczególnymi panelami akustycznymi szczeliny wystarczającej do gromadzenia się czynników korozyjnych, w szczególności takich jak sól drogowa oraz piasek. Wykazano, że miejsca największego otwarcia styku pomiędzy panelami są zgodnie z miejscami występowania największej korozji analizowanych ekranów. Dodatkowo, przeprowadzone analizy dynamiczne ujawniły wzbudzenie postaci drgań mogącej się przyczynić do powstania korozji. Podsumowując, przedstawione w pracy wyniki wskazały błędy konstrukcyjne i ich wpływ na powstanie silnej korozji oraz znaczenie analizy dynamicznej w projektowaniu ekranów akustycznych.

Słowa kluczowe

EN

acoustic screen; corrosion; numerical analysis

PL

ekran akustyczny; korozja; analiza numeryczna

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2020
• Tom: Vol. 66, nr 2
• Strony: 191--210
• Opis fizyczny: Bibliogr. 40 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Stempin P.

• Poznan University of Technology, Institute of Structural Analysis, Poznan, Poland

autor

Sumelka W.

• Poznan University of Technology, Institute of Structural Analysis, Poznan, Poland

Bibliografia

• 1. W. Drozd, “Acoustic baffles as a method of reduction of noise emission in the road infrastructure”, Przegląd Budowlany, vol. R. 84, nr 12, 2013 (in Polish).
• 2. B. Kotzen and C. English, “Environmental Noise Barriers: A Guide To Their Acoustic and Visual Design”, Second Edition. London: E & FN SPON, 1999.
• 3. M. Garai and P. Guidorzi, “European methodology for testing the airborne sound insulation characteristics of noise barriers in situ: experimental verification and comparison with laboratory data”, The Journal of the Acoustical Society of America, vol. 108, no. 3, p. 1054, 2000.
• 4. T. Ishizuka and K. Fujiwara, “Performance of noise barriers with various edge shapes and acoustical conditions”, Applied Acoustics, vol. 65, no. 2, pp. 125-141, 2004.
• 5. J. Y. Hong and J. Y. Jeon, “The effects of audio-visual factors on perceptions of environmental noise barrier performance”, Landscape and Urban Planning, vol. 125, pp. 28-37, May 2014.
• 6. J. L. R. Joynt and J. Kang, “The influence of preconceptions on perceived sound reduction by environmental noise barriers”, Science of The Total Environment, vol. 408, no. 20, pp. 4368-4375, Sep. 2010.
• 7. A. Behar and D. N. May, “Durability of sound absorbing materials for highway noise barriers”, Journal of Sound and Vibration, vol. 71, no. 1, pp. 33-54, 1980.
• 8. “EN 14389-2:2004 - Road traffic noise reducing devices - Procedures for assessing long term performance - Part 2: Non-acoustical characteristics”.
• 9. “EN 1794-1:2003 - Road traffic noise reducing devices - Non acoustic performance Part 1: Mechanical performance and stability requirements”.
• 10. “EN 1794-2:2003 - Road traffic noise reducing devices - Non acoustic performance Part 2: General safety and environmental requirements”.
• 11. X. Xiong, A. Li, X. Liang, and J. Zhang, “Field study on high-speed train induced fluctuating pressure on a bridge noise barrier”, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, vol. 177, pp. 157-166, 2018.
• 12. M. Lü, Q. Li, Z. Ning, and Z. Ji, “Study on the aerodynamic load characteristic of noise reduction barrier on highspeed railway”, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, vol. 176, pp. 254-262, y 2018.
• 13. M. Tokunaga, M. Sogabe, T. Santo, and K. Ono, “Dynamic response evaluation of tall noise barrier on high speed railway structures”, Journal of Sound and Vibration, vol. 366, pp. 293-308, Mar. 2016.
• 14. “EN ISO 12944-2:2017 - Paints and varnishes - Corrosion protection of steel structures by protective paint system - Part 2: Classification of environments”.
• 15 “EN 60721-3-4:1995 - Classification of Environmental Conditions - Part 3: Classification of groups of environmental parameters and their severities Section 4: Stationary use at non-weatherprotected locations”.
• 16. J. R. Davis, “Corrosion of Aluminum and Aluminum Alloys”. ASM International, 1998.
• 17. J. Xiao and S. Chaudhuri, “Predictive modeling of localized corrosion: An application to aluminum alloys”, Electrochimica Acta, vol. 56, no. 16, pp. 5630-5641, Jun. 2011.
• 18. F. Mansfeld and J. V. Kenkel, “Galvanic corrosion of Al alloys—III. The effect of area ratio”, Corrosion Science, vol. 15, no. 4, pp. 239-250, Jan. 1975.
• 19. Z. Szklarska-Smialowska, “Pitting corrosion of aluminum”, Corrosion Science, vol. 41, no. 9, pp. 1743-1767, Aug. 1999.
• 20. Y. Huang, C. Wei, L. Chen, and P. Li, “Quantitative correlation between geometric parameters and stress concentration of corrosion pits”, Engineering Failure Analysis, vol. 44, pp. 168-178, Sep. 2014.
• 21. M. Cerit, K. Genel, and S. Eksi, “Numerical investigation on stress concentration of corrosion pit”, Engineering Failure Analysis, vol. 16, no. 7, pp. 2467-2472, Oct. 2009.
• 22. G. F. Kennell, R. W. Evitts, and K. L. Heppner, “A critical crevice solution and IR drop crevice corrosion model”, Corrosion Science, vol. 50, no. 6, pp. 1716-1725, Jun. 2008.
• 23. W. Sun, L. Wang, T. Wu, and G. Liu, “An arbitrary Lagrangian-Eulerian model for modelling the time-dependent evolution of crevice corrosion”, Corrosion Science, vol. 78, pp. 233-243, Jan. 2014.
• 24. M. J. Schofield, “Corrosion”, in Plant Engineer’s Reference Book, Elsevier, 2002, pp. 33-1-33-25.
• 25. R. de Borst, M. A. Crisfield, J. J. C. Remmers, and C. V. Verhoosel, “Nonlinear Finite Element Analysis of Solids and Structures”, 2 edition. Hoboken, NJ: Wiley, 2012.
• 26. A. Ali, M. H. Fouladi, and B. Sahari, “A review of constitutive models for rubber-like materials”, American Journal of Engineering and Applied Sciences, vol. 3, pp. 232-239, 2010.
• 27. M. C. Boyce and E. M. Arruda, “Constitutive Models of Rubber Elasticity: A Review”, Rubber Chemistry and Technology, vol. 73, no. 3, pp. 504-523, Jul. 2000.
• 28. B. Storåkers, “On material representation and constitutive branching in finite compressible elasticity”, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, vol. 34, no. 2, pp. 125-145, Jan. 1986.
• 29. A. Buska and R. Mačiulaitis, “The compressive strength properties of mineral wool slabs: Influence of structure anisotropy and methodical factors”, Journal of Civil Engineering and Management, vol. 13, no. 2, pp. 97-106, Jan. 2007.
• 30. M. L. Benzeggagh and M. Kenane, “Measurement of mixed-mode delamination fracture toughness of unidirectional glass/epoxy composites with mixed-mode bending apparatus”, Composites Science and Technology, vol. 56, pp. 439-449, 1996.
• 31. P. P. Camanho and C. G. Davila, “Mixed-Mode Decohesion Finite Elements for the Simulation of Delamination in Composite Materials”, NASA/TM-2002–211737, pp. 1-37, 2012.
• 32. J. Pozorska and Z. Pozorski, “The numerical model of sandwich panels used for specifying wrinkling stress”, Journal of Applied Mathematics and Computational Mechanics, vol. 13, no. 3, 2014.
• 33. “Abaqus Analysis User’s Manual (6.12) ”.
• 34. P. G. Bergan, G. Horrigmoe, B. Bråkeland, and T. H. Søreide, “Solution techniques for non-linear finite element problems”, International Journal for Numerical Methods in Engineering, vol. 12, no. 11, pp. 1677-696, 1978.
• 35. “EN 1991-1-4:2005 - Eurocode 1: Actions on structures Part 1-4: General actions - Wind actions”.
• 36. R. G. Grimes, J. G. Lewis, and H. D. Simon, “A Shifted Block Lanczos Algorithm for Solving Sparse Symmetric Generalized Eigenproblems”, SIAM Journal on Matrix Analysis and Applications, vol. 15, no. 1, pp. 228-272, Jan. 1994.
• 37. J. Shaw and S. Jayasuriya, “Modal sensitivities for repeated eigenvalues and eigenvalue derivatives”, AIAA Journal, vol. 30, no. 3, pp. 850-852, Mar. 1992.
• 38. H. M. Hilber and T. J. R. Hughes, “Collocation, dissipation and [overshoot] for time integration schemes in structural dynamics”, Earthquake Engineering & Structural Dynamics, vol. 6, no. 1, pp. 99-117, Jan. 1978.
• 39. A. Ružinskas, M. Bulevičius, and H. Sivilevičius, “Laboratory investigation and efficiency of deicing materials used in road maintenance”, Transport, vol. 31, no. 2, pp. 147-155, Jun. 2016.
• 40. “EN ISO 14688-1:2006 - Geotechnical investigation and testing - Identification and classification of soil - Part 1: Identification and description” .

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).