SHAKE  RATTLE & ROLL ?  SHAKE, RATTLE & ROLL ?  RESULTS OF A VIBRATION MEASUREMENT STUDY NEAR A LARGE  HEAVILY TRAVELED LARGE, HEAVILY‐TRAVELED FREEWAY

Mike GreeneICF Jones & Stokes, 1 Ada, Irvine, CA 92618  949 333‐6617 mgreene@jsanet.com

AcknowledgementsAcknowledgements

Th k  t  C lif i  D t t  f T t ti  Thanks to California Department of Transportation District 12 Environmental Group and Headquarters for providing the opportunity and funding  and for providing the opportunity and funding, and particularly to Mr. Wayne Chiou, Caltrans District 12 Environmental, for his assistance and permission to , ppresent the material.

Project Project 

R id t  l i d th t    ti l di ti it  Resident complained that a vertical discontinuity (from potholes) in the nearby freeway’s travel lanes caused heavy trucks to bounce at speed lanes caused heavy trucks to bounce at speed Resulting in readily perceptible damage‐inducing groundborne vibrationgroundborne vibrationA measurement survey conducted using guidance from California Department of guidance from California Department of Transportation’s  Transportation and Construction‐Induced Vibration Guidance Manual(June 2004)

MethodologygyCalibrated vibration‐monitoring equipment (Blastmate InstantelIII seismographs) for a one‐day study during a typical working weekweek

Vibration levels monitored in rear yard of resident complaining of high vibration levels, in the “worst case” location

Vibration levels monitored in rear yard during mid‐morning, late‐night, and early‐morning hours, when vehicle traffic was freely flowing 

Measurement units set to low “trigger” levels corresponding to a typical human response of slightly more than barely perceptible 

Even so  monitored rear‐yard vibration levels did not exceed Even so, monitored rear‐yard vibration levels did not exceed trigger threshold during the monitoring periods 

Therefore, vibration levels in rear yard found to be well below applicable thresholds for human annoyance and structural applicable thresholds for human annoyance and structural damage

THE END(not)

ThresholdsThresholds

Maximum PPV (in/sec)Continuous/Frequent

Criteria for Vibration Annoyance Potential

Human Response Transient Sourcesq

Intermittent SourcesBarely perceptible 0.04 0.01Distinctly perceptible 0.25 0.04Strongly perceptible 0.9 0.10Severe 2.0 0.4

Criteria for Vibration Damage Potential

Structure and Condition

Maximum PPV (in/sec)

Transient SourcesContinuous/Frequent Intermittent Sources

Extremely fragile historic buildings, ruins, ancient monuments

0.12 0.08

Fragile buildings 0.2 0.1Historic and some old buildings 0.5 0.25Older residential structures 0.5 0.3New residential structures 1.0 0.5Modern industrial/commercial buildings 2.0 0.5

Source: Transportation and Construction-Induced Vibration Guidance Manual, page 27.

More MethodologygyInitial planned approach:  focus on the residential (in‐yard) site because the crux of the issue was to what extent vibration levels exceeded relevant thresholds at the residence

H  b   ib ti  l l  i  th     d   l  However because vibration levels in the rear yard so low, vibration not perceptible; vibration monitors below the trigger level of 0.02 inches per second (ips)

Thereafter, measurements focused on monitoring at locations closer to freeway to guarantee a robust data tset

Strategy reformulated to include unattended long‐term late‐night / early morning measurementlate‐night / early morning measurement

Methodology cont’dMethodology cont d

Site conditions and relevant data from the monitoring at all locations noted on field data sheets and automatically stored by the monitoring  nits monitoring units 

A representative sample size and/or time period for each measurement site acquired, typically 10 measurement events or a minimum of 5 minutes  

Site photographs and written documentation

Methodology cont’dMethodology cont d

Additi ll   i l i ti   f th   id  Additionally, visual inspection of the residence conducted, with the resident pointing out several areas in the stucco of exterior walls with visible cracks

Cracks in Residence 

Methodology cont’dMethodology cont dInitial plan: to conduct simultaneous vibration measurements  i e  a reference vibration measurement measurements, i.e. a reference vibration measurement at a fixed location close to freeway concurrently with the second vibration monitor at various locations

Because of vibration monitor storage size, simultaneous measurements conducted at two locations only 

Remaining measurements not simultaneous

Stored vibration data records downloaded onto a computer for data reduction and comparison with relevant vibration criteria 

InstrumentationInstrumentation

Vibration monitoring instruments consisted of gtwo lab‐calibrated Instantel Blastmate III seismographs, with integral tri‐axial geophone 

d bland cable 

Geophone for each Blastmate III was pmechanically coupled to the local ground using either the supplied geophone anchor spikes or a 

db  d di     h  h d   f  h  sandbag, depending upon the hardness of the ground surface

Instantel Blastmate III

Measurement SitesMeasurement SitesMeasurement sites consisted of the following locations:

  R   d  f  id   b   ’ f  h   R  f d  1.  Rear yard of resident, about 4’ from house.  Rear façade approximately 180’ from the irregularities in the travel lanes and 130’ perpendicular distance to the nearest travel lane

2.  60’ from the irregularities (along an imaginary line from the resident’s rear yard to the surface irregularities in the freeway surface) 

3.  65’ from the irregularities, adjacent to the east corner of the drainage channel structure

4   75’ from the irregularities4.  75’ from the irregularities

5.  90’ from the irregularities

6   105’ from the irregularities6.  105  from the irregularities

Project Site/Measurement Locations

Cross‐SectionCross Section

Site PhotosSite Photos

View from Top of BermView from Top of Berm

MeasurementsAll measurements conducted with the following settings:

Monitoring Mode: ContinuousMonitoring Mode: Continuous

Measurement Trigger: 0.02 ips

Sensitivity Range: Sensitive (1.25 ips)

Sample Rate: Normal (1024 samples/second)

Measurement trigger set incrementally higher than the barely bl l l b b l d l bl l l fperceptible level, but below distinctly perceptible level of 0.04 ips 

and substantially lower than the damage threshold level for older residential structures of 0.3 ips

For daytime measurements, the measurement period was started manually; for nighttime measurement conducted at the resident’s property, programmed start at 10 P.M. and stop at 8 A.M. 

Data ReductionData Reduction

P k V t  S  (th   ti   f th  X  Y   d Peak Vector Sum (the summation of the X, Y, and Z peak particle velocity data) from each vibration event copied into an Excel spreadsheet for data event copied into an Excel spreadsheet for data reduction

P k  t    d t   l t d t  it  Peak vector sum data correlated to its appropriate measurement location, and resultant data points charted as X‐Y scatter plots resultant data points charted as X Y scatter plots in various formats  

Vibration Measurement Data

Measurement Results and Data Analysis; Comparison with Criteria

L ti  Location 1

Measured vibration levels in rear yard did not exceed threshold of 0.02 ips that would have triggered the measurement of a vibration event, with the exception of “test stomps” with the exception of  test stomps  

Similarly, the continuous nighttime/early morning vibration monitoring session resulted in no vibration monitoring session resulted in no recorded vibration events

Measurement Results and Data Analysis; Comparison with Criteria  cont’dComparison with Criteria, cont’d

Locations 2 through 6Locations 2 through 6

Measured vibration events from truck pass‐bys processed as described above  

Highest vibration level recorded was 0.0446 ips, at Location 2 (nearest location to the rough pavement, approximately 60’ away)away)

Mean (average) level at Location 2 was 0.0286 ips.  Location 2 exhibited the widest variation in measured vibration events, with a standard deviation of 0.0055 ips.  This could be because more event data was recorded at Location 2 than at the other locations.  

Measurement Results and Data Analysis; Comparison with Criteria, cont’d

Locations 2 through 6, cont’d

Following figure shows that vibration levels trend downward as distance from the travel lanes is increased at Locations 2, 3, and 4.  

At Locations 5 and 6  vibration levels increase slightly in general –At Locations 5 and 6, vibration levels increase slightly in general –probably due to variations in soil characteristics and resulting propagation levels

Maximum vibration level throughout the measurement study ‐ just Maximum vibration level throughout the measurement study  just under 0.045 ips at the nearest location ‐ classified as distinctly perceptible on the range of vibration annoyance criteria

Potential for damage to structures:  measured vibration levels were all Potential for damage to structures:  measured vibration levels were all lower than the criteria for vibration damage potential, as listed in the prior table

Simultaneous Measurement Data

Following figure shows results for portion of the  i   hi h  i l   ib i  d  measurements in which simultaneous vibration data 

(Locations 2 and 3) was collected, corresponding to a distance of approximately 60 and 65 feetpp y

Table 2 and figure 3 present the simultaneous, time‐synced data as matched pairs.  As shown, each of the 13 pairs of data demonstrate a decrease in vibration level with distance.  The average decrease in peak particle velocity at 60 feet versus 65 feet is 0 005 inches per velocity at 60 feet versus 65 feet is 0.005 inches per second.  

Comparison with Theoryp yPer Department Handbook and FTA:

PPVEquipment = PPVRef (25/D)n (in/sec)Where:

PPVRef = reference PPV at 25 ft.

D = distance from equipment to the receiver in ft.

n = the value related to the attenuation rate through ground – Assume 1 1  per Department  a slightly n = the value related to the attenuation rate through ground – Assume 1.1  per Department, a slightly more conservative approach than 1.5 used in FTA Transit Noise and Vibration Impact Assessment manual, 2006

Assuming PPV of  0 076 in/sec for a heavily loaded truck (FTA  manual)Assuming PPVRef of  0.076 in/sec for a heavily loaded truck (FTA  manual),

Resultant PPV at 60’:  0.029 in/sec

Resultant PPV at 65’:  0.027 in/sec

(An  n‐value of 1.5 and PPVRef of 0.076 results in a prediction of 0.020 in/sec and 0.018 in/sec)Ref p

Actual Paired Data:

Mean PPV at 60’:  0.031 in/sec 

Mean PPV at 65’: 0.026 in/sec 

Comparison with Theoryp y

Figure 4 – Theoretical vs. actual measured drop-off rates0.080

0 060

0.070

0.080

Theoretical Dropoff Vs. Actual Measured Dropoff R

0.050

0.060Theoretical PPV (n=1.1)

(in/s

ec)

0.030

0.040 Theoretical PPV (n=1.5)

Actual

PPV

0.010

0.020Actual (Mean) PPV

0.000

25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

105

110

115

120

125

130

135

140

145

150

155

160

165

170

175

180

185

190

195

200

Feet

Conclusions and Recommendations

Measured vibration levels in the residential areas adjacent to the freeway found to be well below Department criteria for vibration freeway found to be well below Department criteria for vibration annoyance to humans and damage to structures.  No traffic‐related vibration levels above 0.02 ips detected in rear yard

Al h h    f    ffi i  l l     hi h l l   f  db  Although not of a sufficient level to cause high levels of groundborne vibration, surface irregularities in travel lanes of freeway in the area observed to be a source of considerable airborne vibration (i.e., noise)  which is probably the real cause of annoyancenoise), which is probably the real cause of annoyance

Recommendation: repair of deteriorating surface in the outside travel lanes would reduce annoyance from heavy truck noise at y ynearby residences and thus would provide a substantial benefit

Questions ?Questions ?