ISO 14837-1:2005
(Main)Mechanical vibration — Ground-borne noise and vibration arising from rail systems — Part 1: General guidance
Mechanical vibration — Ground-borne noise and vibration arising from rail systems — Part 1: General guidance
ISO 14837-1:2005 provides general guidance on ground-borne vibration generated by the operation of rail systems, and the resultant ground-borne noise in buildings. It lists the factors and parameters that need to be taken into consideration and offers guidance on prediction methods appropriate for a range of circumstances (e.g. to support the assessment of effects on human occupants and sensitive equipment or operations inside the buildings in addition to the predictions required to assess the risk of damage to building structures). Attention is paid in ISO 14837-1:2005 to characteristics of the source: emission (e.g. train, wheel, rail, track, supporting infrastructure); propagation path: transmission (e.g. ground condition, distance); and receiving structures: immission: (e.g. foundations, form of building construction). The guidance covers all forms of wheel and rail systems, from light-rail to high-speed trains and freight. ISO 14837-1:2005 provides guidance for rail systems at-grade, on elevated structures and in tunnels. It does not deal with vibration arising from the construction and maintenance of the rail system. It does not deal with airborne noise. Structure-radiated noise from elevated structures, which can have a significant environmental impact, is also excluded.
Vibrations mécaniques — Vibrations et bruits initiés au sol dus à des lignes ferroviaires — Partie 1: Directives générales
L'ISO 14837-1:2005 fournit des directives générales relatives aux vibrations transmises par le sol dans les bâtiments et du bruit résultant dus à l'exploitation de lignes ferroviaires. Elle énumère les facteurs et paramètres dont la prise en compte est nécessaire et propose des directives pour des méthodes de prédiction convenant à diverses circonstances (par exemple la prise en charge de l'évaluation des effets sur les occupants et les équipements sensibles ou leur fonctionnement dans les bâtiments outre les prédictions nécessaires à l'évaluation du risque de dommage aux structures des bâtiments). La présente partie de l'ISO 14837 prête une attention particulière aux caractéristiques de la source: émission (par exemple train, roue, rail, voie, infrastructure de soutien), au chemin de propagation: transmission (par exemple état du sol, distance), et aux structures réceptrices: immissions (par exemple fondations, type de construction du bâtiment). Les directives couvrent tous les types de roues et de lignes ferroviaires, du métro léger aux trains à grande vitesse et trains de marchandise. La présente partie de l'ISO 14837 fournit des orientations pour les lignes ferroviaires de surface, sur des structures surélevées et dans les tunnels. Elle ne traite pas des vibrations résultant de la construction et de la maintenance de la ligne ferroviaire. Elle ne couvre pas le bruit aérien. Elle exclut également le bruit rayonné par les structures en hauteur qui peuvent avoir un impact significatif sur l'environnement.
General Information
Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 14837-1
First edition
2005-07-15
Mechanical vibration — Ground-borne
noise and vibration arising from rail
systems —
Part 1:
General guidance
Vibrations mécaniques — Vibrations et bruits initiés au sol dus à des
lignes ferroviaires —
Partie 1: Directives générales
Reference number
©
ISO 2005
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Published in Switzerland
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Contents Page
Foreword. iv
Introduction . v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions. 1
4 Overview of ground-borne vibration and ground-borne noise. 3
4.1 Circumstances of interest. 3
4.2 Source of ground-borne vibration and ground-borne noise. 3
4.3 Propagation . 8
4.4 Receiver . 8
5 Effects of ground-borne vibration and ground-borne noise. 9
5.1 General. 9
5.2 Perception of ground-borne vibration (1 Hz to 80 Hz) . 9
5.3 Perception of ground-borne noise (16 Hz to 250 Hz). 9
5.4 Effect on buildings (1 Hz to 500 Hz). 9
5.5 Effect on very sensitive equipment and sensitive tasks (circa 1 Hz to 200 Hz). 10
6 Metrics . 10
6.1 General. 10
6.2 Perception of ground-borne vibration. 10
6.3 Perception of ground-borne noise. 11
6.4 Effects on buildings. 11
6.5 Effects on very sensitive equipment . 12
7 Ground-borne noise and vibration measurements. 12
7.1 Equipment (instrumentation chain) . 12
7.2 Measurement locations. 13
7.3 Data to be acquired. 13
7.4 Data analysis . 13
7.5 Measurement report . 14
8 Concept of models. 14
8.1 Model development . 14
8.2 Stages of assessment . 15
9 Prediction models. 20
9.1 General. 20
9.2 Parametric models. 21
9.3 Empirical models . 22
9.4 Semi-empirical models. 24
10 Development, calibration, validation and verification . 24
Annex A (informative) Checklist of issues relevant to modelling and measurement . 26
Annex B (informative) Mitigation of ground-borne vibration and ground-borne noise . 32
Annex C (informative) Process and tools for development, calibration, validation and verification. 39
Bibliography . 44
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the
International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 14837-1 was prepared by Technical Committee ISO/TC 108, Mechanical vibration and shock,
Subcommittee SC 2, Measurement and evaluation of mechanical vibration and shock as applied to machines,
vehicles and structures.
ISO 14837 consists of the following parts, under the general title Mechanical vibration — Ground-borne noise
and vibration arising from rail systems:
Part 1: General guidance
The following parts are under preparation:
Part 2: Prediction models
Part 3: Measurement
Part 4: Evaluation criteria
Part 5: Mitigation
Part 6: Asset management
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Introduction
Many if not all ground transportation systems can give rise to ground-borne vibration and/or ground-borne
noise. Railways are by far the most common and significant source as a consequence of running steel wheels
over steel rail.
Rail systems of all types generate ground-borne vibration and/or ground-borne noise, which (especially in
urban settings) can have an undesirable environmental impact. An assessment of the likely ground vibration
and response of structures at different distances from the source may be required. This requirement may arise
for planning purposes where
a) a new or extended railway or new or altered buildings are proposed,
b) changes in dynamic characteristics of track or dynamic characteristics of trains are proposed,
c) a change in train operations is proposed (e.g. change of total length, speed, service pattern), or
d) assistance is needed in the evaluation of vibration mitigation measures.
Appropriate prediction of ground-borne vibration and/or ground-borne noise is the first of the two essential
blocks required to assess vibration effects of new or modified rail systems on existing buildings, or the effects
on new buildings next to or over existing rail systems. Ground-borne vibration and/or ground-borne noise
criteria (and/or limit values) in the receiving building are the second block of any assessment. Criteria and limit
values, however, are covered by national standards and other International Standards.
Prediction of ground-borne vibration and/or ground-borne noise from rail systems is a complex and developing
technical field. This part of ISO 14837 provides guidelines on the essential considerations associated with
developing prediction models to ensure that they are “fit for purpose” and that they are consistent in their
approach.
Guidance is given on calibrating and validating a model and verifying its implementation, which are vital steps
in quantifying and improving the model’s accuracy.
Table 1 shows in outline the stages to be observed for new or modified rail systems or building developments
alongside rail systems. This part of ISO 14837 provides general introduction and guidance. Detailed matters
will be covered in future parts, the titles of which are given in the Foreword.
Table 1 — Outline of stages and the appropriate parts of ISO 14837
1. Approach dependent upon:
New build, refurbishment or adjacent development (Part 1)
Design stage (concept, preliminary, detail) (Part 1)
2. Evaluation criteria
Use national standards and/or Part 4
Define assessment location(s) and metric(s)
3. Parameters affecting situation
Identify relevant parameters (check list in Part 1)
Gather parameter data
4. Measurements
Acquire site-specific information using metric(s) defined by criteria (Part 3 and Part 4)
Evaluation of model parameters
Develop and or validate prediction model
Evaluate mitigation performance
5. Predictions
Use metric defined by criteria (Part 4)
Use appropriate model in the design stage (Part 1 and Part 2)
Ensure validation and define accuracy (Part 1)
6. Assessment
Compare predictions against criteria
Identify reason(s) for exceeding criteria
7. Mitigation
Identify mitigation options (Part 1, Part 5 and Part 6)
Assess whether mitigation options are reasonably practicable
Carry out cost/benefit analysis
8. Solution
Develop detail design
Implement solution
9. Asset management
Implement a programme of condition monitoring and maintenance to observe criteria (Part 5, Part 6)
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 14837-1:2005(E)
Mechanical vibration — Ground-borne noise and vibration
arising from rail systems —
Part 1:
General guidance
1 Scope
This part of ISO 14837 provides general guidance on ground-borne vibration generated by the operation of rail
systems, and the resultant ground-borne noise in buildings.
It lists the factors and parameters that need to be taken into consideration and offers guidance on prediction
methods appropriate for a range of circumstances (e.g. to support the assessment of effects on human
occupants and sensitive equipment or operations inside the buildings in addition to the predictions required to
assess the risk of damage to building structures).
Attention is paid in this part of ISO 14837 to
characteristics of the source: emission (e.g. train, wheel, rail, track, supporting infrastructure),
propagation path: transmission (e.g. ground condition, distance), and
receiving structures: immission: (e.g. foundations, form of building construction).
The guidance covers all forms of wheel and rail systems, from light-rail to high-speed trains and freight. This
part of ISO 14837 provides guidance for rail systems at-grade, on elevated structures and in tunnels.
This part of ISO 14837 does not deal with vibration arising from the construction and maintenance of the rail
system. It does not deal with airborne noise. Structure-radiated noise from elevated structures, which can
have a significant environmental impact, is also excluded.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated
references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced
document (including any amendments) applies.
ISO 2041, Vibration and shock — Vocabulary
3 Terms and definitions
For the purpose of this document, the terms and definitions given in ISO 2041 apply, together with the
following.
3.1
ground-borne vibration
vibration generated from the pass-by of vehicle on rail, propagated through the ground or structure into a
receiving building
3.2
ground-borne noise
noise generated inside a building by ground-borne vibration generated from the pass-by of vehicle on rail
NOTE 1 Ground-borne noise is sometimes also referred to as re-radiated noise, structure-borne noise and solid-borne
noise.
NOTE 2 Ground-borne noise excludes direct airborne noise.
3.3
model parameter
factor or function describing the physical behaviour of a mechanical element (property) in a mathematical
model
3.4
model component
principal (fundamental) element of the whole physical system
3.5
model development
drafting a model of a physical structure
NOTE The model development is an iterative process through which a parameter, component or the whole model is
modified to provide better agreement between predicted and measured values.
3.6
model calibration
calibration function(s) which are evaluated to ensure agreement between the model output and measured
data
3.7
model validation
comparison between the output of the calibrated model and the measured data, independent of the data set
used for calibration
3.8
model verification
confirmation that the mathematical elements of the model behave as intended
3.9
metric
indicator used to express an evaluative criterion and measured or predicted quantity
3.10
insertion gain
ratio between the value of a metric with and without a change to the system
NOTE 1 A reduction in the metric value is shown with a negative sign when the insertion gain is expressed in decibels.
NOTE 2 Although “insertion gain” is the preferred term, the term “insertion loss” is also used. A reduction in the metric
value is shown with a positive sign when the insertion loss is expressed in decibels.
3.11
unsprung mass
collective mass of elements such as wheels, axles and, where appropriate, brake discs, axle hung motor,
gearboxes, that bear on the rail below the vehicle suspension
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4 Overview of ground-borne vibration and ground-borne noise
4.1 Circumstances of interest
Ground-borne vibration and/or ground-borne noise can give rise to effects on human occupants of buildings.
Very sensitive equipment or its operation can also be adversely affected. In extreme cases, ground-borne
vibration can be such that there is a risk of damage to buildings and other structures.
This part of ISO 14837 provides guidance on the prediction models required to assess the effects of vibration
on human beings (but not animals) and very sensitive equipment inside buildings, and on the buildings
themselves.
People will perceive vibration in different forms, depending on the frequency range, as mechanical vibration of
the human body (relevant frequency range 1 Hz to 80 Hz) and/or as sound, ground-borne noise emitted by
vibrating parts of a building; i.e. the walls, floor and ceiling (relevant frequency range 16 Hz to 250 Hz).
NOTE 1 Vibration is perceived in different forms, either as whole body vibration (1 Hz to 80 Hz), or perceived through
the tactile sense, which may have a higher frequency range.
NOTE 2 In unusual circumstances, frequencies as low as 16 Hz or as high as 500 Hz may be relevant to ground-borne
noise.
NOTE 3 Secondary effects include higher frequency noise emitted by rattling of some items such as glasses, dishes,
windowpanes, ceilings, light fittings and some furniture. Guidance is not provided on the prediction of sound generation by
this mechanism because it is difficult to quantify, although it can be a significant source of disturbance.
Vibration in buildings can affect technical equipment; i.e. sensitive measuring instruments or manufacturing
processes. The relevant frequency range is dependent upon the particular item of equipment and can be up to
200 Hz.
NOTE 4 Typically, dominant frequencies are less than 100 Hz because they represent the response of building
elements.
The frequency range relevant to the evaluation of the risk of vibration-induced damage on building structures
is 1 Hz to 500 Hz, although high strains associated with higher risk of damage are associated with low
frequencies. Most building damage from man-made sources occurs in the frequency range 1 Hz to 150 Hz.
4.2 Source of ground-borne vibration and ground-borne noise
4.2.1 General
Rail systems are a source of vibration. The vibration is transferred and modified through the track system into
the supporting infrastructure and then the surrounding ground, and into neighbouring buildings where it can
cause perceptible vibration and/or audible ground-borne noise. This source/propagation path/receiver system
is shown schematically in Figure 1. The origin of the vibration is the interaction between the rail and wheel
depicted in Figure 2.
In the prediction of ground-borne vibration and/or ground-borne noise arising from rail systems, it should be
noted that the source, propagation and receiver system depend on many matters (see Annex A), some of
which are more significant than others. The parameters must be determined either from experience, data in
the literature or expert opinion, or by in situ measurements.
The desired accuracy of the prediction model will depend upon the purpose of the prediction and is limited by
the knowledge and understanding of system parameters.
Key
1 source
2 propagation:
2 a body waves (compression, shear)
2 b surface waves (e.g. Rayleigh, Love)
2 c interface waves (e.g. Stoneley)
3 receiver (vibration, re-radiated noise)
4 water table
NOTE The components of the system comprising source, propagation and receiver are interdependent.
Figure 1 — Example of source, propagation and receiver system
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Key
1 rail support spacing
2 intra-bogie axle spacing
3 inter-bogie axle spacing
4 intra-vehicle axle spacing
5 inter-vehicle axle spacing
a
for detail, see Figure 2 b).
a) Description of source
Key
1 train speed, v 6 rail roughness
2 part of carriage mass, m 7 rail impedance
C
3 part of bogie mass, m 8 typical model of rail support
B
4 unsprung mass, m 9 typical model of formation/tunnel
W
5 wheel roughness 10 ground impedance
NOTE Damping may not be viscous.
b) Example model for train/track
Figure 2 — Description of source
Key 3 inter-bogie axle passage frequency from in Figure 2 a)
X frequency, Hz 4 intra-vehicle axle passage frequency from in
Figure 2 a)
Y interaction force, dB
5 inter-vehicle axle passage frequency from in
1 rail support passage frequency from in Figure 2 a)
Figure 2 a)
2 intra-bogie axle passage frequency from in Figure 2 a)
6 wheel and rail roughness
NOTE Passage frequencies are f [Hz] = v [km/h]/(3,6 l [m]) with l being the spacing considered.
n n n
c) Sources of excitation at wheel/rail interfaces at d) Sources of excitation at wheel/rail interfaces
80 km/h (indicative only) at 250 km/h (indicative only)
Key
X frequency, Hz (e.g. one-third-octave mid frequency)
Y insertion gain for train/track relative to a reference defined track, dB
e) Example insertion gain for track predicted by train/track model
Figure 2 (continued)
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4.2.2 Mechanism of excitation
Mechanisms of excitation are the following.
a) Moving loads (quasistatic) excitation, i.e. the moving distortion of the track and supporting medium due to
the train load moving with the train. At fixed locations this is a time-dependent dynamic action and causes
flexural waves in the track and the ground. There are mechanisms related to this that are not yet fully
understood (e.g. effects of boundary conditions, inhomogeneities in the track and ground giving rise to
propagating waves). It is possible for high-speed trains travelling on soft ground to exceed the Rayleigh
(surface) wave speed of the ground. Unmitigated, this could generate large vibration levels in a similar
way to the sonic boom generated by supersonic aircraft. Its effect in the near field on track stability are
more significant. However, this issue is designed out by placing the track bed on stiffened ground or on
concrete slab track with piled foundations to underlying stiffer strata. In tunnels, the tunnel lining and
invert slab provide the stiff foundation that reduces the levels of vibration in the surrounding ground.
b) Excitation caused by wheel/rail roughness, i.e. random irregularities of the contact surfaces, rail and
wheel cause forced excitations of the system (vehicle/track). Roughness will arise first during
manufacture. Allowance should be made for the variation in roughness that occurs once in service. These
irregularities will vary in service with time.
c) Parametric excitation: For railway tracks with discrete rail support (e.g. sleepers on ballast, resilient base
plates on slab as distinct from embedded rail), the wheel “sees” a variation of stiffness depending upon its
position along the rail. The moving dynamic forces excite the vehicle and track. The speed of the vehicle
and support spacing define the support passage frequency. Similarly, other harmonic components arise
due to axle spacing and bogie spacing. Where these frequencies coincide with the natural frequency of
the vehicle and vehicle on the track system, considerable excitation of the vehicle track and surrounding
environment can arise.
d) Additional wheel/rail defects: More severe forms of wheel and rail roughness can occur in some
circumstances as a consequence of operation. For rail, the most severe form of roughness is corrugation.
This consists of superimposed periodic irregularities of varying wavelengths. Corrugation can also occur
on the wheel with other forms of severe “roughness” being associated with single or multiple wheel flats,
ovality, out of balance and eccentricity. These irregularities will vary in service with time. Defects can also
arise from insufficient remedial grinding or inappropriate remedial grinding of corrugated track.
e) Discontinuities of the track, i.e. gaps at the switches, at rail joints, dipped rail, etc. cause impact forces. If
the length of jointed or welded rails becomes equal to the spacing between bogies of the vehicles, then
the levels of vibration can be significantly increased.
f) Vehicle suspension (including the case of locked suspension).
g) Steel hardness, i.e. random or periodic variation in hardness of running surfaces, during manufacture or
more usually arising in service.
h) Lateral loads, particularly due to vehicle guidance on tight radius of curvature, and through switches.
i) Driving conditions, i.e. acceleration and braking deceleration of the train form dynamic forces causing
vibration.
j) Extreme environmental conditions: For example, railhead temperature and humidity affect wear and
hence vibration.
The parameters described under a) through j) above only give rise to vibration as a consequence of the finite
driving-point impedance seen at the contact patch between the railhead and the wheel tread.
The impedance seen at the railhead is principally determined by the design of the track, but is also influenced
by the supporting structures (e.g. tunnel invert, the tunnel) and the surrounding ground.
For the frequencies of interest, the impedance at the wheel tread is principally determined by the unsprung
mass of the vehicle. However, the overall mass of the vehicle and its payload can become important if the
suspension becomes effectively rigid (e.g. due to lack of maintenance or the behaviour of dampers at high
frequencies).
4.3 Propagation
With rail systems at grade and on elevated structures, the vibration in the ground is mostly carried by surface
waves.
For rail systems in tunnels, the propagation of the vibration in the ground is carried via compression and shear
waves. At a distance from the tunnel, depending upon the tunnel depth, surface waves may dominate.
The frequency range of interest for ground-borne noise and vibration at the receiver is approximately 1 Hz to
250 Hz. Higher frequencies may be received in certain ground conditions (e.g. rock), or when the building is
directly in contact with the tunnel or ground rock, or at a very short distance between tunnel and building or
where a soil interlayer between building foundation and rock strata is thin.
The low-pass filter effect of the train-track bed system attenuates the frequencies in the upper part of the
relevant frequency range considered in this part of ISO 14837. Due to effects such as damping in the ground,
the frequency spectrum changes its shape with distance, and lower frequencies may dominate over larger
distances, depending on the ground material.
Where the receiving building is in direct contact with the tunnel (i.e. the tunnel is part of the foundations of a
building), the main propagation path is through the structure of the building and therefore the prediction model
should take account of the dynamic response of the building structure. Propagation will take place not only
through compression and shear waves but also through flexural/bending waves.
Consideration should be given to man-made structures in the ground (such as tunnels, services, ground
treatment and/or anchors) and the effect that they may have on propagation characteristics. It may be
necessary also to consider the effect of ground water.
Damping in the ground should be considered carefully. Water saturation of porous soils can introduce viscous
damping at higher frequencies. However, caution should be exercised in using major simplifications, such as
the presumption of viscous damping generally, as this may give rise to significant errors in predicted values
particularly at high frequencies. At low strains, it is common to treat the soil behaviour as linear, although
non-linearity is implicit in the behaviour of soils to a varying degree as a function of strain. The need to
consider these issues and the approach adopted will vary depending on the type of model used. Further
guidance is provided in Clause 9.
NOTE 1 The presence of layering can give preference to some frequencies.
NOTE 2 In some situations, there may be errors in assuming clear and simple boundaries for the layers.
4.4 Receiver
The frequency range of interest for the immissions (ground-borne noise and vibration) at the receiver is
approximately 1 Hz to 250 Hz. Higher frequencies may be received in certain ground conditions (e.g. rock), or
when the building is directly in contact with or very close to the tunnel.
The prediction model should allow for the transfer function between free-field and building foundation. The
model should allow for the response of building elements (e.g. floors) that may magnify or attenuate the
incoming vibration as a function of frequency.
Ground-borne vibration can radiate noise in rooms where the magnitude will vary spatially and will depend
upon the radiation efficiency of the structure and room use, which will be a function of frequency.
The modelling of the receiver should have due regard to structural form and fitting out as a consequence of
use (e.g. the models used for rooms in residential property may need to be different from those used for large
rooms such as auditoria).
8 © ISO 2005 – All rights reserved
5 Effects of ground-borne vibration and ground-borne noise
5.1 General
This clause provides guidance on the effects of ground-borne vibration and ground-borne noise on buildings,
occupants and sensitive equipment, and the frequency range relevant in each case. It also puts the magnitude
of ground-borne noise and vibration from rail systems into context.
5.2 Perception of ground-borne vibration (1 Hz to 80 Hz)
Structural vibration inside buildings can be detected by human occupants and can affect them in many ways:
their quality of life can be reduced as can their working efficiency. These effects are considered by ISO 2631-2.
The levels of vibration generated inside buildings close to rail systems are such that in some situations they
give rise to (in order of magnitude) annoyance, discomfort, activity disturbance and, at extreme levels, might in
rare cases affect health.
ISO 2631-2 provides a frequency weighting curve related to human response to whole-body vibration inside
buildings and guidance on evaluating complaints.
NOTE Vibration can also be visually perceived (e.g. swaying of pendulum light fittings, light lever action on reflective
surfaces). This mechanism is more likely to be associated with rail systems at grade as distinct from rail systems in
tunnels.
5.3 Perception of ground-borne noise (16 Hz to 250 Hz)
Ground-borne noise occurs when often imperceptible levels of ground-borne vibration give rise to vibration of
building surfaces, and some contents that in turn cause an audible “rumbling” sound, usually by radiation to
the air inside rooms. Ground-borne noise is more often associated with rail systems in tunnels, as distinct from
railways at grade, because the receiving building is completely screened from any airborne noise in the tunnel.
Ground-borne noise could, however, also be an issue for an at-grade situation in a room that is on the remote
façade to the source.
Ground-borne noise can give rise to annoyance or activity disturbance. Higher levels of ground-borne noise
may give rise to sleep disturbance.
NOTE 1 The primary perception of ground-borne noise is through the air, although people lying on beds may also
perceive ground-borne noise/vibration at much lower levels as it propagates through the bed structure (bone conduction).
NOTE 2 Higher frequency noise can be emitted by rattling of some elements (see 4.1, NOTE 3).
5.4 Effect on buildings (1 Hz to 500 Hz)
Extremely high levels of ground-borne vibration or a large number of vibration cycles of high magnitude can, in
unusual circumstances, give rise to risk of damage to building structures either through direct stress/strain on
building components or through induced settlement in cohesion-less soils and fill. The vibration levels required
are of the order of 10 to 100 times larger than those associated with human perception and thus levels of
vibration sufficient to damage a building, even cosmetically, would be intolerable to occupants. For further
guidance, see ISO 4866 and national standards.
The risk of vibration-induced damage to buildings associated with the operation of railways should be
considered in the context of the greater risk of damage posed by construction work from induced settlement
both during and after construction.
NOTE 1 There can be effects on other structures (e.g. adjacent tunnels, utilities) that may need to be considered.
NOTE 2 Most building damage arises in the frequency range 1 Hz to 150 Hz.
5.5 Effect on very sensitive equipment and sensitive tasks (circa 1 Hz to 200 Hz)
Concerns are often raised about the potential effect of vibration on equipment and its operation (computer
hardware such as hard disc drives and electrical relays). Guidance is provided in ISO 8569 and ISO/TS 10811.
Generally the majority of such equipment is not adversely affected at the levels of vibration that occur from rail
systems, particularly those in tunnels. The levels of vibration and shock experienced by computer installations
in their normal service environment (e.g. due to footfalls and door slams) are far higher than those
experienced as a result of environmental sources.
There are, however, a range of very vibration-sensitive equipment and particular (tasks); for example:
computer microprocessor manufacture; some types of laser technology; sensitive laboratory equipment and
its operation (e.g. microscopy and spectroscopy); and some forms of medical surgery.
Very low levels of vibration, well below the threshold of human perception, can disrupt these types of
equipment and their operation. The principal forms of disruption are adverse effects on sensing, positioning
and focusing of equipment and on the activities of the operators in performing these tasks.
Vibration from the railway may itself be at a level to cause interference or it may sufficiently add to the
background levels in a building and cause interference.
In very sensitive applications, such equipment will by necessity be subject to extensive vibration control.
Background levels are likely to be controlled; for example: by isolation of sensitive equipment from floors or
vibration isolated floors; use of high-mass and high-rigidity floors; anti-slam doors; control of foot falls (floor
covering and footwear); and isolation of power and mechanical-services equipment from the receiving rooms
within the building structure. Floor design and equipment isolation can also reduce the effects of railway
vibration. It is useful to compare levels of vibration on the floors of a laboratory from a new rail scheme with
existing ambient vibration from internal activities.
There are only a few International Standards that specifically relate to sensitive types of equipment and/or
their operation. The manufacturer generally sets serviceability limits or the end user may define limits or
targets either by specification or by experience.
6 Metrics
6.1 General
The metric and associated measurement conditions used to quantify the effects of ground-borne vibration
and/or ground-borne noise on human beings, the effects on buildings and the effects on sensitive equipment
should be defined in detail.
The metric(s) should be predicted at location(s) consistent with the guide value(s) adopted, with due regard to
the variation in measurements that will arise at different locations in a room (e.g. vibration levels at mid-span
are typically higher than those near the supports; noise levels near walls or at the corners of rooms are higher
than those near the centre).
Due regard should be given to the variability in the metric that will arise due to many factors (e.g. inter-train
variability). Predicted levels should be qualified by confidence limits in a manner that is consistent with the
form of the guide value adopted, and measurements should report variability based upon a sufficient number
of samples.
Preferably, time histories should be maintained to enable other metrics to be evaluated if required.
6.2 Perception of ground-borne vibration
Ground-borne vibration should be evaluated in the metric advocated by the relevant national standards and
should be consistent with the form of the guide value to be adopted. Appropriate guidance is provided in
ISO 2631-1 and ISO 2631-2. Human perception and whole-body response to vibration inside buildings should
10 © ISO 2005 – All rights reserved
be based principally on the overall (and running) r.m.s. frequency-weighted acceleration in the three
orthogonal directions. ISO 2631-1 and ISO 2631-2 also provide guidance on measurement locations.
The raw time histories should be maintained to allow the derivation of any metric.
In general, vertical vibration measurements in the middle of a floor characterize the environment adequately
except in tall buildings where horizontal measurements should be included.
NOTE 1 Human perception may also be rated as frequency-weighted velocity according to some national standards.
NOTE 2 The r.m.s. frequency-weighted acceleration can be derived from the r.m.s. frequency-weighted velocity with an
appropriately adjusted weighting.
NOTE 3 National standards also use other metrics for evaluating response to whole-body vibration, such as peak
particle velocity (PPV), KB value, vibration dose value (VDV) and statistical maximum value of weighted velocity or
F
acceleration.
6.3 Perception of ground-borne noise
Ground-borne noise should be evaluated in the metric recommended by the relevant national standards and
should be consistent with the form of the guide value to be adopted.
To assist in future standards development of rating values, ground-borne noise should also be quantified
using the maximum A-weighted sound pressure level with a slow time constant, L and the raw
pASmax
unweighted sound pressure time history should be preserved so that metrics such as event L and the
pAeq
one-third-octave band linear spectrum of the event can be derived.
The metrics should be predicted or measured near to, but not at, the centre of rooms to avoid undue influence
by acoustic standing waves in the room.
NOTE 1 The L metric measured near the centre of rooms is most closely associated with the body of information
pASmax
on this subject currently available.
NOTE 2 All other parameters remaining equal, L with a fast time constant will be approximately 1 dB to 2 dB
pAFmax
greater than L for rail systems using continuously welded rail, and 3 dB to 4 dB greater for jointed rail.
pASmax
NOTE 3 Ground-borne noise levels predicted or measured near the walls of a room may be 2 dB to 3 dB greater than
those near the centre.
Account should be taken of the difference in noise levels with horizontal and vertical location of the room in a
building.
During measurements, rooms should be furnished, unoccupied and with the windows closed.
NOTE 4 If the ground-borne noise is dominated by very low frequencies, overall A-weighted sound pressure levels can
underestimate the subjective response.
NOTE 5 When there are high ground-borne noise levels or a large number of events, it is relevant to not only look at
the L of the event but also the longer duration (e.g. 1 h) L .
Aeq Aeq
6.4 Effects on buildings
Guidance is provided in ISO 4866 and its amendments on the prediction, appropriate measurement locations
and evaluation. The generally used metric for assessing building damage is PPV (peak particle velocity).
NOTE See national standards for rating values.
6.5 Effects on very sensitive equipment
The metric and assessment location defined in the manufacturer’s serviceability limit, user-defined limit or
ISO 8569 should be used. ISO/TS 10811 provides a new approach to classify environments for sensitive
equipment.
NOTE 1 Relative displacement (between parts within sensitive equipment) is ultimately the issue that can affect
sensitive equipment and its use.
NOTE 2 It is common practice in industry to refer to generic sensitivity curves, such as VC (vibration criterion) curves
for rating sites for sensitive equipment.
7 Ground-borne noise and vibration measurements
7.1 Equipment (instrumentation chain)
7.1.1 General
The characteristics of the instrumentation chain, which may comprise transducers, amplifiers/signal
conditioners, cables, data acquisition and data storage means, shall be fully understood. The frequency range
should be appropriate to the source and evaluation required. The dynamic range should be sufficient to span
the source magnitude from ambient levels to the peak of an event.
The calibration of the measurement system should be traceable to national standards or International
Standards.
7.1.2 Ground-borne vibration
Reference should be made to ISO 8041 for the specification and calibration of vibration-measuring equipment.
The instrumentation chain (from transducers to recording device) should be capable of measuring ground
–4
vibration over an appropriate range of magnitudes (as velocity from 5 × 10 mm/s to 100 mm/s or as
–6 2 2
acceleration from 3 × 10 m/s to 500 m/s ) and frequencies (1 Hz to 500 Hz) of interest. The actual range
required for a specific measurement will depend upon the assessment (e.g. evaluation for sensitive equipment
–4
could demand a range covering the lower end of magnitudes, from 5 × 10 mm/s). Ground-borne vibration
measurements may be used to predict ground-borne noise, which should therefore influence the
measurements (e.g. demand a broader frequency range and higher sensitivity measurements). Therefore
special care is required to ensure that the signal of interest is not affected by noise that may arise within the
instrumentation
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 14837-1
Première édition
2005-07-15
Vibrations mécaniques — Vibrations
et bruits initiés au sol dus à des lignes
ferroviaires —
Partie 1:
Directives générales
Mechanical vibration — Ground-borne noise and vibration arising from
rail systems —
Part 1: General guidance
Numéro de référence
©
ISO 2005
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Publié en Suisse
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Sommaire Page
Avant-propos. iv
Introduction . v
1 Domaine d'application. 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions. 2
4 Aperçu général des vibrations et du bruit transmis par le sol . 3
4.1 Cas intéressants . 3
4.2 Source de vibrations et de bruit transmis par le sol. 4
4.3 Propagation . 8
4.4 Récepteur . 9
5 Effets des vibrations et du bruit transmis par le sol. 9
5.1 Généralités . 9
5.2 Perception des vibrations transmises par le sol (1 Hz à 80 Hz) . 9
5.3 Perception du bruit transmis par le sol (16 Hz à 250 Hz). 10
5.4 Effet sur les bâtiments (1 Hz à 500 Hz). 10
5.5 Effet sur des équipements très sensibles et tâches sensibles (environ 1 Hz à 200 Hz) . 10
6 Grandeurs métriques. 11
6.1 Généralités . 11
6.2 Perception des vibrations transmises par le sol. 11
6.3 Perception du bruit transmis par le sol. 12
6.4 Effets sur les bâtiments . 12
6.5 Effets sur des équipements très sensibles. 12
7 Mesurages des bruits et vibrations transmis par le sol . 13
7.1 Équipement (Chaîne d'instrumentation) . 13
7.2 Emplacement des mesurages . 14
7.3 Acquisition des données . 14
7.4 Analyses des données . 14
7.5 Rapport de mesure . 15
8 Concept de modèles. 15
8.1 Développement de modèles . 15
8.2 Étapes d'évaluation . 16
9 Modèles prédictibles . 22
9.1 Généralités . 22
9.2 Modèles paramétriques. 22
9.3 Modèles empiriques . 24
9.4 Modèles semi-empiriques. 26
10 Développement, étalonnage, validation et vérification. 26
Annexe A (normative) Liste de contrôle des points pertinents pour la modélisation et le mesurage. 28
Annexe B (informative) Atténuation des vibrations et bruits transmis par le sol . 34
Annexe C (informative) Processus et outils de développement, d'étalonnage, de validation et de
vérification. 42
Bibliographie . 48
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée
aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du
comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne
pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L'ISO 14837-1 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 108, Vibrations et chocs mécaniques,
sous-comité SC 2, Mesure et évaluation des vibrations et chocs mécaniques intéressant les machines, les
véhicules et les structures.
L'ISO 14837 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Vibrations mécaniques —
Vibrations et bruits initiés au sol dus à des lignes ferroviaires:
⎯ Partie 1: Directives générales
Les parties suivantes sont en cours d’élaboration:
⎯ Partie 2: Modèles prédictibles
⎯ Partie 3: Mesurage
⎯ Partie 4: Critères d'évaluation
⎯ Partie 5: Mesures d'atténuation
⎯ Partie 6: Gestion des actifs
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Introduction
De nombreux systèmes de transport terrestre, si ce n'est tous, peuvent donner lieu à des vibrations et à des
bruits transmis par le sol. Les chemins de fer sont de loin la source la plus commune et la plus significative,
du fait du roulement des roues en acier sur des rails en acier.
Tous les types de lignes ferroviaires génèrent des vibrations et/ou des bruits transmis par le sol, qui
(notamment dans les agglomérations) peuvent avoir des impacts environnementaux indésirables. Une
évaluation des vibrations probables transmises par le sol et de la réaction des structures à différentes
distances de la source, peut être nécessaire. Cette exigence peut résulter d'objectifs de planification lorsque
a) il est proposé de construire une nouvelle ligne ferroviaire ou d'étendre une ligne ferroviaire existante ou
encore de construire de nouveaux bâtiments ou de modifier les bâtiments existants,
b) il est proposé des modifications des caractéristiques dynamiques de la voie ou des trains,
c) il est proposé une modification de l'exploitation des trains (par exemple modification de la longueur totale,
de la vitesse, des horaires de service), ou
d) cela apporte une aide à l'évaluation des mesures d'atténuation des vibrations.
La prédiction correcte des vibrations et/ou des bruits transmis par le sol est la première des deux exigences
essentielles pour l'évaluation des effets des vibrations de lignes ferroviaires nouvelles ou modifiées sur des
bâtiments existants ou sur de nouveaux bâtiments à construire à proximité ou au-dessus des lignes
ferroviaires existantes. La seconde exigence pour toute évaluation est constituée par les critères (et/ou
valeurs limites) des vibrations et/ou des bruits transmis par le sol dans le bâtiment récepteur. Les critères et
les valeurs limites sont cependant couvertes par des Normes nationales ainsi que d'autres Normes
internationales.
La prédiction des vibrations et/ou des bruits transmis par le sol par des lignes ferroviaires est un domaine
technique complexe et en pleine évolution. La présente partie de l'ISO 14837 fournit des lignes directrices sur
les éléments essentiels à prendre en compte pour le développement de modèles prédictibles afin de s'assurer
de leur adéquation et de la cohérence de l'approche mise en œuvre.
Les directives portent sur l'étalonnage et la validation d'un modèle ainsi que sur la vérification de sa mise en
œuvre, étapes primordiales pour la quantification et l'amélioration de l’exactitude du modèle.
Le Tableau 1 présente les grandes lignes des étapes à suivre pour des lignes ferroviaires nouvelles ou
modifiées ainsi que pour des projets de construction à proximité de lignes ferroviaires. La présente partie de
l'ISO 14837 fournit une introduction et des directives générales. Les éléments détaillés seront traités dans les
futures parties dont les titres sont donnés dans l'Avant-propos.
Tableau 1 — Grandes lignes des étapes et des parties correspondantes de l'ISO 14837
1. Approche dépendant de:
Nouvelle construction, rénovation ou développement adjacent (Partie 1)
Étape de conception (concept, préliminaire, détaillée) (Partie 1)
2. Critères d'évaluation
Utiliser les normes nationales et/ou la Partie 4
Définir le(s) lieu(x) d'évaluation et la/les grandeur(s) métrique(s)
3. Paramètres affectant la situation
Identifier les paramètres pertinents (vérifier la liste dans la Partie 1)
Collecter les valeurs des paramètres
4. Mesurages
Acquérir les informations spécifiques au site en utilisant la(les) grandeur(s) métrique(s) définie(s) par des critères
(Partie 3 et Partie 4)
Évaluer des paramètres du modèle
Développer et/ou valider un modèle prédictible
Évaluer les performances des mesures d'atténuation
5. Prédictions
Utiliser les grandeurs métriques mesurées définies par des critères (Partie 4)
Utiliser le modèle approprié au cours de l'étape de conception (Partie 1 et Partie 2)
Assurer la validation et définir l’exactitude (Partie 1)
6. Évaluation
Comparer les prédictions au vu des critères
Identifier la(les) raison(s) de dépassement des critères
7. Mesures d'atténuation
Identifier les options en matière d'atténuation (Partie 1, Partie 5 et Partie 6)
Évaluer si les options d'atténuation sont raisonnables et réalisables
Effectuer l'analyse coût/bénéfice
8. Solution
Élaborer la conception détaillée
Mettre en œuvre la solution
9. Gestion des actifs
Mettre en œuvre un programme de contrôle d'état et de maintenance pour observer les critères établis (Partie 5,
Partie 6)
vi © ISO 2005 – Tous droits réservés
NORME INTERNATIONALE ISO 14837-1:2005(F)
Vibrations mécaniques — Vibrations et bruits initiés au sol
dus à des lignes ferroviaires —
Partie 1:
Directives générales
1 Domaine d'application
La présente partie de l'ISO 14837 fournit des directives générales relatives aux vibrations transmises par le
sol dans les bâtiments et du bruit résultant dus à l'exploitation de lignes ferroviaires.
Elle énumère les facteurs et paramètres dont la prise en compte est nécessaire et propose des directives
pour des méthodes de prédiction convenant à diverses circonstances (par exemple la prise en charge de
l'évaluation des effets sur les occupants et les équipements sensibles ou leur fonctionnement dans les
bâtiments outre les prédictions nécessaires à l'évaluation du risque de dommage aux structures des
bâtiments).
La présente partie de l'ISO 14837 prête une attention particulière
⎯ aux caractéristiques de la source: émission (par exemple train, roue, rail, voie, infrastructure de soutien),
⎯ au chemin de propagation: transmission (par exemple état du sol, distance), et
⎯ aux structures réceptrices: immissions (par exemple fondations, type de construction du bâtiment).
Les directives couvrent tous les types de roues et de lignes ferroviaires, du métro léger aux trains à grande
vitesse et trains de marchandise. La présente partie de l'ISO 14837 fournit des orientations pour les lignes
ferroviaires de surface, sur des structures surélevées et dans les tunnels.
La présente partie de l'ISO 14837 ne traite pas des vibrations résultant de la construction et de la
maintenance de la ligne ferroviaire. Elle ne couvre pas le bruit aérien. Elle exclut également le bruit rayonné
par les structures en hauteur qui peuvent avoir un impact significatif sur l'environnement.
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent document. Pour les
références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du
document auquel il est fait référence s'applique (y compris les amendements).
ISO 2041, Vibrations et chocs — Vocabulaire
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l'ISO 2041 ainsi que les
suivants s'appliquent.
3.1
vibrations transmises par le sol
vibrations générées par le passage d'un véhicule sur rail, propagées par le sol ou la structure dans un
bâtiment récepteur
3.2
bruit transmis par le sol
bruit généré dans un bâtiment par des vibrations provenant du sol, dues au passage d'un véhicule circulant
sur rail
NOTE 1 Quelquefois le bruit transmis par le sol est également appelé bruit re-rayonné, bruit par conduction et bruit
solidien.
NOTE 2 Le bruit transmis par le sol exclut le bruit aérien direct.
3.3
paramètre de modèle
facteur ou fonction décrivant le comportement physique d'un élément mécanique (propriété) dans un modèle
mathématique
3.4
constituant d'un modèle
élément principal (fondamental) de l'ensemble du système physique
3.5
développement du modèle
élaboration d'un modèle de structure physique
NOTE Le développement d'un modèle est un processus itératif par lequel un paramètre, un constituant ou
l'ensemble du modèle est modifié pour assurer une meilleure concordance entre les valeurs prédites et les valeurs
mesurées.
3.6
étalonnage du modèle
fonction(s) d'étalonnage évaluée(s) pour assurer la concordance entre les résultats en sortie du modèle et les
données mesurées
3.7
validation du modèle
comparaison entre les résultats en sortie du modèle étalonné et les données mesurées indépendamment du
jeu de données utilisé pour l'étalonnage
3.8
vérification du modèle
confirmation que les éléments mathématiques du modèle se comportent comme prévu
3.9
grandeur métrique
grandeur utilisée pour exprimer un critère et une valeur mesurée ou prédite
3.10
gain apporté
rapport entre la valeur avec et sans modification du système
2 © ISO 2005 – Tous droits réservés
NOTE 1 Une réduction de la valeur d'une grandeur métrique est représentée par un signe négatif lorsque le gain est
exprimé en décibels.
NOTE 2 Bien que «gain apporté» est le terme préférentiel, le terme «perte de gain» est également utilisé. Une
réduction de la valeur d'une grandeur métrique est représentée par un signe positif lorsque la perte de gain est exprimée
en décibels.
3.11
masse non suspendue
masse de l’ensemble des éléments tels que les roues, les essieux et le cas échéant, les disques de freins, le
moteur monté sur l’essieu, les boîtes de vitesses, etc. qui pèsent sur le rail avant la suspension du véhicule
4 Aperçu général des vibrations et du bruit transmis par le sol
4.1 Cas intéressants
Les vibrations et/ou bruits transmis par le sol peuvent avoir des effets sur les occupants des bâtiments. Des
équipements très sensibles ou leur fonctionnement peuvent également être affectés de manière préjudiciable.
Dans des cas extrêmes, les vibrations provenant du sol peuvent être telles qu'il existe des risques de
dommages aux bâtiments et autres structures.
La présente partie de l'ISO 14837 fournit des directives utiles pour les modèles prédictibles nécessaires à
l'évaluation des effets des vibrations sur les êtres humains (et non sur les animaux) ainsi que sur les
équipements très sensibles dans et sur les bâtiments proprement dits.
Les vibrations seront perçues différemment par les personnes en fonction de la gamme de fréquences, telles
que les vibrations mécaniques du corps humain (gamme de fréquences pertinente de 1 Hz à 80 Hz) et/ou tel
que le son, le bruit transmis par le sol émis par les parties du bâtiment entrant en vibration, c’est-à-dire les
murs, le plancher, le plafond (gamme de fréquences pertinente de 16 Hz à 250 Hz).
NOTE 1 Les vibrations sont perçues de manière différente, soit comme des vibrations globales du corps humain
(1 Hz à 80 Hz) soit comme vibrations perçues par le toucher et elles ont dans ce cas une gamme de fréquences plus
élevées.
NOTE 2 Dans des circonstances inhabituelles, des fréquences aussi basses que 16 Hz, ou aussi hautes que 500 Hz
peuvent être dues à des vibrations transmises par le sol.
NOTE 3 Les effets secondaires comprennent le bruit de plus haute fréquence émis par le cliquetis d'éléments tels que
des verres, des assiettes, des vitres, des plafonds, des luminaires et certains meubles. Il n'est pas fourni de directives
pour la prédiction de bruit généré par ce mécanisme car il est difficile à quantifier, même s'il peut s'agir d'une source de
perturbation significative.
Les vibrations dans les bâtiments peuvent perturber les équipements techniques, c'est-à-dire des appareils de
mesure sensibles ou des processus de fabrication. La gamme de fréquences correspondante dépend de
l'équipement particulier et peut atteindre 200 Hertz.
NOTE 4 En général, les fréquences dominantes sont inférieures à 100 Hz parce qu'elles représentent la réponse des
éléments de bâtiment.
La gamme de fréquences pertinente pour une évaluation du risque de dommage induit par les vibrations sur
les structures des bâtiments est de 1 Hz à 500 Hz, bien que les sollicitations élevées correspondant à des
risques de dommages supérieurs sont associées aux basses fréquences. La plupart des dommages au
bâtiment dus à des sources artificielles apparaissent dans une gamme de fréquences de 1 Hz à 150 Hz.
4.2 Source de vibrations et de bruit transmis par le sol
4.2.1 Généralités
Les lignes ferroviaires sont une source de vibrations. Les vibrations sont transmises et modifiées à travers la
voie, dans l'infrastructure puis, à travers le sol environnant dans les bâtiments avoisinants où elles peuvent
produire des vibrations perceptibles et/ou des bruits audibles. Ce système constitué par l'ensemble
source/chemin de propagation/récepteur est illustré sur le schéma de la Figure 1. Les vibrations trouvent leur
origine dans l'interaction entre le rail et la roue comme représenté à la Figure 2.
Légende
1 source
2 propagation:
2a) ondes volumiques (de compression, de cisaillement)
2b) ondes de surface (par exemple de Rayleigh, de Love)
2c) ondes d'interface (par exemple de Stoneley)
3 récepteur
4 surface de la nappe phréatique
NOTE Les constituants du système qui comprennent la source, la propagation et le récepteur sont interdépendants.
Figure 1 — Exemple de système source, propagation et récepteur
4 © ISO 2005 – Tous droits réservés
Légende
1 espacement des supports de rails
2 espacement entre essieux d'un même bogie
3 espacement entre essieux de bogies différents
4 espacement entre essieux d'un même véhicule
5 espacement entre essieux de véhicules différents
a
Pour ce détail, voir la Figure 2b).
a) Description de la source
Légende
1 vitesse du train, v 6 rugosité du rail
2 contribution de la masse de la voiture, m 7 impédance du rail
C
3 contribution de la masse du bogie, m 8 modèle indicatif de support de rail
B
4 masse non suspendue, m 9 modèle indicatif d’assise de la voie/tunnel
W
5 rugosité de la roue 10 impédance du sol
NOTE L'amortissement peut ne pas être visqueux.
b) Exemple de modèle de train/voie
Figure 2 — Description de la source
Légende
X fréquence, Hz 3 fréquence de passage des essieux de bogies différents
d'espacement à la Figure 2 a)
Y force d'interaction, dB
4 fréquence de passage des essieux d'un même véhicule
d'espacement à la Figure 2 a)
1 fréquence de passage sur le support de rail
d'espacement de à la Figure 2 a)
5 fréquence de passage des essieux de véhicules
différents d'espacement à la Figure 2 a)
2 fréquence de passage des essieux d'un même bogie
d'espacement de à la Figure 2 a)
6 rugosité de la roue et du rail
NOTE Les fréquences de passage sont données par f [Hz] = v [km/h]/(3,6 l [m]) où l est l'espacement considéré.
n n n
c) Sources d'excitation aux interfaces roue/rail d) Sources d'excitation aux interfaces roue/rail
à 80 km/h (à titre informatif) à 250 km/h (à titre informatif)
Légende
X fréquence en Hz (par exemple fréquence centrale des tiers d'octave)
Y gain apporté train/voie pour une voie de référence définie, dB
e) Exemple de gain apporté pour un modèle prédictible train/voie
Figure 2 (suite)
6 © ISO 2005 – Tous droits réservés
En matière de prédiction des vibrations et/ou bruits d’origine ferroviaire transmis par le sol, il convient de noter
que le système source, chemin de propagation et récepteur dépend de plusieurs facteurs (voir Annexe A),
certains étant plus importants que d'autres. Les paramètres doivent être déterminés sur la base de
l'expérience acquise, des données contenues dans des publications spécialisées, des avis d'experts ou au
moyen de mesurages effectués sur site.
L’exactitude espérée du modèle prédictible dépendra du but de la prédiction et sera limitée par la
connaissance et la compréhension des paramètres du système.
4.2.2 Mécanisme d'excitation
Les mécanismes d'excitation sont les suivants:
a) excitation due à des charges en mouvement (quasi statiques), c’est-à-dire le déplacement de la voie et
de son support est dû au déplacement de la charge du train en mouvement. En des emplacements fixes,
il s'agit d'une action dynamique liée au temps qui donne lieu à des ondes de flexion dans la voie et le sol.
Les mécanismes liés à ce phénomène ne sont pas encore bien compris (par exemple les effets des
conditions aux limites, les inhomogénéités de la voie et du sol qui favorisent les ondes de propagation).
Les trains à grande vitesse se déplaçant sur un sol mou peuvent dépasser la vitesse d'onde (de surface)
de Rayleigh du sol. Si ce phénomène n'est pas atténué, il pourrait donner lieu à des niveaux de vibration
importants de manière similaire au bang supersonique généré par les avions. Ses effets, en champ
proche, sur la stabilité de la voie sont plus significatifs. Cependant, ce problème est résolu en posant la
base de la voie sur un sol renforcé ou sur dalle en béton avec des fondations en pieux jusque dans les
couches sous-jacentes plus rigides. Dans les tunnels, le revêtement et le radier du tunnel assurent la
fondation rigide qui permet de réduire les niveaux de vibration dans le sol environnant;
b) excitation engendrée par la rugosité roue/rail, c’est-à-dire les irrégularités aléatoires de la surface de
contact rail roue donnent lieu à des excitations forcées du système (véhicule/voie). La rugosité existe dès
la fabrication. Il convient de tenir compte des variations de rugosité qui apparaissent une fois le train mis
en service. Ces irrégularités varieront dans le temps durant l’utilisation;
c) excitation paramétrique, pour les voies ferroviaires à support de rail discontinu (par exemple traverses sur
ballast, plate-forme résiliente sur dalle à distinguer des rails noyés), la roue voit une variation de raideur
le long du rail. Le déplacement de ces forces dynamiques excite le véhicule et la voie. La vitesse du
véhicule et l'espacement du support définissent la fréquence de passage sur les supports. De la même
manière, d'autres composantes harmoniques sont mises en jeu du fait de l'espacement des essieux et
des bogies. Lorsque ces fréquences coïncident avec la fréquence naturelle du véhicule et du système
véhicule sur voie, il peut en résulter une excitation considérable de la voie, du véhicule et de
l'environnement proche;
d) les défauts de roue/rail supplémentaires: Des formes plus sévères de rugosité des roues et des rails
peuvent apparaître dans certaines circonstances en conséquence de l'exploitation. Pour les rails, la
forme la plus sévère de rugosité est l'usure ondulatoire. Cette usure est constituée par des irrégularités
périodiques superposées de longueurs d'onde diverses. L'usure ondulatoire peut également apparaître
sur les roues, avec d'autres formes de «rugosité» sévère associées à des méplats (plats aux roues)
simples ou multiples, à l’ovalisation, au balourd et à l'excentricité. Ces irrégularités varieront en service
en fonction du temps. Des défauts peuvent également apparaître du fait d'un meulage insuffisant ou
inapproprié de l’usure ondulatoire de la voie;
e) les discontinuités de la voie, c’est-à-dire des lacunes au niveau des appareils de voie, au niveau des
joints ainsi que les rails affaissés, etc., peuvent générer des forces d'impact. Si la longueur des rails à
joints élastiques ou soudés devient égale à l'espacement entre les bogies des wagons, les niveaux de
vibration peuvent augmenter considérablement;
f) la suspension du wagon (y compris dans le cas d'une suspension verrouillée);
g) la dureté de l'acier, c’est-à-dire la variation aléatoire ou périodique de dureté des surfaces de roulement,
qui apparaît en cours de fabrication ou plus généralement en service;
h) les charges latérales dues notamment au guidage du wagon sur des rayons de faibles courbures et aux
changements de voie;
i) les conditions de conduite, c’est-à-dire l'accélération et la décélération en freinage du train engendrent
des forces dynamiques qui donnent lieu à des vibrations;
j) les conditions environnementales extrêmes par exemple, la température et l'humidité du champignon de
rail affectent l'usure et par conséquent les vibrations.
Les paramètres décrits de a) à j) ci-dessus, ne donnent lieu à des vibrations qu'en conséquence d'une
impédance finie au point d'application, observée à la surface de contact entre le champignon du rail et la
bande de roulement de la roue.
L'impédance observée au niveau du champignon de rail est en premier lieu déterminée par la conception de
la voie mais est également influencée par les infrastructures (par exemple le radier du tunnel, le tunnel) ainsi
que par le sol environnant.
Pour les fréquences prises en compte, l'impédance au niveau de la bande de roulement est principalement
déterminée par la masse non suspendue du wagon. Cependant, la masse globale du wagon et sa charge utile
peuvent devenir importantes si la suspension devient effectivement rigide (par exemple à cause d'un manque
de maintenance ou du comportement des amortisseurs à fréquences élevées).
4.3 Propagation
Pour les lignes ferroviaires de surface et sur des structures surélevées, les vibrations dans le sol sont
principalement transmises par les ondes de surface.
Pour des lignes ferroviaires dans des tunnels, la propagation des vibrations dans le sol s'effectue par des
ondes de compression et de cisaillement. À une certaine distance du tunnel, en fonction de la profondeur du
tunnel, des ondes de surface peuvent être dominantes.
La gamme de fréquences d'intérêt pour les bruits et les vibrations transmis par le sol au niveau du récepteur
est d'environ 1 Hz à 250 Hz. Des fréquences plus élevées peuvent être reçues dans certaines conditions de
sol (par exemple rocailleux) ou si le bâtiment est directement en contact avec le tunnel ou la roche, ou s'il est
situé à une très courte distance du tunnel et du bâtiment ou encore si la couche de liaison entre les fondations
du bâtiment et les strates rocheuses est mince.
L'effet «filtre passe bas» du système train-voie atténue les fréquences dans la partie haute de la gamme de
fréquences considérée dans la présente partie de l'ISO 14837. Des effets tels que l'amortissement dans le sol
entraînent une modification de la forme du spectre de fréquence en fonction de la distance et, selon la nature
du matériau du sol, les basses fréquences peuvent prédominer sur de grandes distances.
Lorsque le bâtiment récepteur est en contact direct avec le tunnel (c'est-à-dire lorsque le tunnel fait partie des
fondations d'un bâtiment), le principal chemin de propagation passe par la structure du bâtiment et par
conséquent, il convient, dans le modèle prédictible, de tenir compte de la réponse dynamique de la structure
du bâtiment. La propagation s'effectuera non seulement par l'intermédiaire d'ondes de compression et de
cisaillement mais également par l'intermédiaire d'ondes de flexion.
Il convient de tenir compte des structures artificielles dans le sol telles que les tunnels, les voies de service,
les traitements du sol et/ou les consolidations ainsi que de leurs effets éventuels sur les caractéristiques de
propagation. Il peut également être nécessaire de tenir compte des effets de la nappe phréatique.
Il convient de considérer l'amortissement dans le sol avec soin. La saturation en eau des sols poreux peut
introduire un amortissement visqueux à des fréquences élevées. Cependant, il convient de ne pas trop
simplifier en supposant qu'à priori il y a généralement un amortissement visqueux car cela peut entraîner des
erreurs importantes des valeurs prédites, notamment aux hautes fréquences. A de faibles niveaux de
sollicitation, il est usuel de considérer le comportement du sol comme linéaire, bien que le comportement des
sols comporte implicitement une non-linéarité qui varie en fonction de la sollicitation. La nécessité de tenir
8 © ISO 2005 – Tous droits réservés
compte de ces problèmes et l'approche adoptée varieront en fonction du type de modèle utilisé. Des
informations supplémentaires sont fournies dans l'Article 9.
NOTE 1 La présence de couches différentes peut faire prévaloir certaines fréquences.
NOTE 2 Dans certaines situations, il peut être erroné de supposer qu'il y a des limites claires et nettes entre les
couches.
4.4 Récepteur
Pour les immissions (bruit et vibrations transmis par le sol), la gamme de fréquences d'intérêt au niveau du
récepteur est d'environ 1 Hz à 250 Hz. Des fréquences plus élevées peuvent être reçues dans certaines
conditions de sol (par exemple sol rocailleux) ou si le bâtiment est directement en contact avec le tunnel ou
très proche de lui.
Il convient que le modèle prédictible tienne compte de la fonction de transfert entre champ libre et fondation
du bâtiment. Il convient également qu'il tienne compte de la réponse des éléments du bâtiment (par exemple
le plancher) qui peut amplifier ou atténuer les vibrations entrantes, en fonction de la fréquence.
Des vibrations transmises par le sol peuvent dans certaines salles rayonner du bruit dont l’amplitude varie
spacialement et qui dépendra du facteur de rayonnement de la structure utilisé, celui-ci étant fonction de la
fréquence.
Il convient que la modélisation du récepteur prenne en considération la forme structurale et l'aménagement en
conséquence de l'utilisation (par exemple il peut être nécessaire d'utiliser des modèles différents pour des
salles dans un immeuble résidentiel de ceux utilisés pour de grandes salles telles que des auditoriums).
5 Effets des vibrations et du bruit transmis par le sol
5.1 Généralités
Le présent article fournit des directives sur les effets des vibrations et du bruit transmis par le sol sur les
bâtiments, leurs occupants et les équipements sensibles ainsi que la gamme de fréquences pertinente dans
chaque cas. Il place également dans son contexte les magnitudes de bruit et de vibrations transmis par le sol
dus à des lignes ferroviaires.
5.2 Perception des vibrations transmises par le sol (1 Hz à 80 Hz)
Des vibrations structurales dans les bâtiments peuvent être détectées par les occupants et les affecter de
diverses manières: elles peuvent réduire leur qualité de vie ainsi que leur efficacité au travail. Ces effets sont
examinés dans l'ISO 2631-2. Les niveaux de vibration générés à l'intérieur des bâtiments proches de lignes
ferroviaires sont tels que dans certaines situations, ils sont accompagnés (par ordre de grandeur) d'une gêne,
d'un inconfort, d'une perturbation de l'activité et à des niveaux extrêmes ils peuvent même affecter la santé.
L'ISO 2631-2 donne une courbe de pondération en fréquence correspondant aux réactions de personnes aux
vibrations du corps entier dans des bâtiments ainsi que des lignes directrices pour l'évaluation des
réclamations.
NOTE Les vibrations peuvent également être perçues visuellement (par exemple balancement d’un luminaire
suspendu, variation de la lumière sur des surfaces réfléchissantes). Ce mécanisme est plus susceptible de toucher les
lignes ferroviaires de surface que des lignes ferroviaires en tunnel.
5.3 Perception du bruit transmis par le sol (16 Hz à 250 Hz)
Le bruit transmis par le sol apparaît lorsque des niveaux souvent imperceptibles de vibrations transmises par
le sol entraînent une vibration des surfaces du bâtiment et une partie de cette vibration cause un
«grondement» audible généralement par transmission dans l’air des salles. Le bruit transmis par le sol est le
plus souvent associé aux lignes ferroviaires en tunnel par rapport aux voies ferrées de surface car le bâtiment
récepteur est complètement protégé de tout bruit aérien généré dans le tunnel. Cependant, le bruit transmis
par le sol pourrait poser un problème pour une ligne ferroviaire aérienne, lorsque la salle se trouve sur la
façade éloignée de la source.
Le bruit transmis par le sol peut donner lieu à une gêne ou à une perturbation de l'activité. Des niveaux plus
élevés de bruit peuvent également perturber le sommeil.
NOTE 1 La première perception du bruit transmis par le sol est aérienne bien que les personnes couchées sur un lit
peuvent également percevoir les bruits/vibrations de niveaux beaucoup plus faibles car ils se propagent à travers la
structure du lit (conduction osseuse).
NOTE 2 Des bruits de fréquence plus élevée peuvent être émis par le cliquetis de certains éléments (voir 4.1, Note 3).
5.4 Effet sur les bâtiments (1 Hz à 500 Hz)
Des niveaux extrêmement élevés de vibrations transmises par le sol ou un nombre important de cycles de
vibration de grande amplitude peuvent dans des circonstances inhabituelles provoquer des risques de
dommages aux structures des bâtiments, soit par sollicitation/contrainte directe sur les organes du bâtiment
soit par tassement induit de sols et de remblais manquant de cohésion. Les niveaux de vibration requis sont
de l'ordre de 10 à 100 fois ceux qui sont associés à la perception humaine et ainsi des niveaux de vibration
suffisamment élevés pour endommager un bâtiment, même superficiellement, seraient intolérables pour les
occupants. Pour plus d'information, voir l'ISO 4866 ainsi que les normes nationales applicables.
Il convient que le risque de dommage au bâtiment induit par des vibrations associé à l'exploitation de voies
ferrées tienne compte du risque de dommage plus important dû aux travaux, créant un tassement tant
pendant qu'après la construction.
NOTE 1 Il peut être nécessaire de tenir compte des effets sur d'autres structures (par exemple des tunnels adjacents,
les réseaux de service d'utilité publique).
NOTE 2 La plupart des dommages subis par les bâtiments apparaissent dans la gamme de fréquences de 1 Hz à
150 Hz.
5.5 Effet sur des équipements très sensibles et tâches sensibles (environ 1 Hz à 200 Hz)
Les effets éventuels des vibrations sur les équipements et leur fonctionnement (matériel informatique tel que
disques durs et relais électriques) posent souvent des problèmes réels. L'ISO 8569 et l'ISO/TS 10811
fournissent des directives à cet effet. En général, dans la plupart des cas, ces équipements ne sont pas
affectés de manière préjudiciable par les niveaux de vibration induits par les lignes ferroviaires, notamment
dans les tunnels. Les niveaux de vibration et de choc qui touchent les installations informatiques dans leur
environnement normal de service (par exemple bruit de pas et de porte qui claque) sont de loin beaucoup
plus élevés que ceux qui résultent de sources environnementales.
Il existe cependant des équipements et des tâches particulières très sensibles aux vibrations comme la
fabrication de microprocesseurs pour ordinateurs, certains types de technologies laser, des équipements de
laboratoire sensibles et leur fonctionnement (par exemple microscopie et spectroscopie) et certaines formes
de chirurgies médicales.
Des niveaux très faibles de vibration, bien inférieurs au seuil de perception humaine, peuvent perturber ces
types d'équipements et leur fonctionnement. Les principales formes de perturbation sont les effets néfastes
sur la capacité de détection, de positionnement et de focalisation des équipements ainsi que sur les activités
des opérateurs pendant l'exécution de leurs tâches.
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Les vibrations de la voie ferrée peuvent en soi être à un niveau qui génère des perturbations ou apporter aux
niveaux de fond dans un bâtiment une contribution suffisante pour générer des perturbations.
Dans des applications très sensibles, de tels équipements seront nécessairement soumis à des contrôles de
vibration très poussés. Des niveaux de fond sont susceptibles d'être maîtrisés, par exemple en isolant les
équipements sensibles des planchers ou en utilisant des planchers anti-vibration, en utilisant des planchers
de masse importante et hautement rigides, des portes anti-claquement, en maîtrisant les bruits de pas
(revêtement de sol et chaussure) et en isolant les équipements d'alimentation et de service mécanique de la
structure des bâtiments et des salles réceptrices. La conception du plancher et l'isolation des équipements
peuvent également réduire les effets des vibrations ferroviaires. Il est utile de comparer les niveaux de
vibration sur les planchers d'un laboratoire induits par un nouveau contexte ferroviaire avec les vibrations
ambiantes existantes dues aux activités internes.
Il n'existe que peu de Normes internationales traitant spécifiquement les types d'équipements sensibles et/ou
de leur fonctionnement. En général, les limites d'aptitude à l'emploi sont établies par le fabricant ou par
l'utilisateur final qui définit les limites ou objectifs sur la base de spécifications ou de son expérience propre.
6 Grandeurs métriques
6.1 Généralités
La grandeur métrique et les conditions de mesure correspondantes utilisées pour quantifier les effets des
vibrations et/ou des bruits transmis par le sol sur les êtres humains, sur les bâtiments et sur les équipements
sensibles doivent être définies de manière détaillée.
Il convient que la(les) grandeurs(s) métrique(s) prédites soient cohérentes avec la(les) valeur(s) indicative(s)
adoptée(s), en tenant dûment compte de la variation des mesures en différents points d'une salle (par
exemple les niveaux de vibration à mi-hauteur sont de manière générale plus élevés qu'à proximité des
appuis ; les niveaux de bruit à proximité des murs ou dans les angles des salles sont plus élevés qu'en des
points situés à proximité du
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.
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