Hoe kunnen voertuigdynamica en contactformules helpen bij het identificeren van brugfrequenties?

Wanneer een voertuig over een gedempte gebogen brug rijdt, ontstaat er een complexe interactie tussen het voertuig en de brugstructuur. De identificatie van brugfrequenties via de reacties van het voertuig is dan ook geen triviale opgave. In de spectrale analyse van de verticale, slingerende en laterale versnellingen van het voorste testvoertuig worden zowel de eigenfrequenties van het voertuig als die van de brug zichtbaar. De eerste twee verticale brugfrequenties (fbvD,1 en fbvD,2) zijn duidelijk herkenbaar in de spectrale respons van het voertuig, evenals de eerste radiale brugfrequentie (fbrD,1). Dit bevestigt de overeenstemming tussen de numerieke resultaten en de analytische frequenties.

Een probleem ontstaat echter wanneer de eigenfrequenties van het voertuig interfereren met die van de brug. In het bijzonder manifesteren de slinger- en laterale voertuigfrequenties zich als dominante pieken in de spectra, wat de detecteerbaarheid van de brugfrequenties bemoeilijkt. De later besproken contactresponsen bieden hier een oplossing, doordat zij selectief voertuiginvloeden onderdrukken en brugfrequenties beter laten uitkomen.

De initiële oscillaties met hoge frequentie tijdens de eerste halve seconde van de contactversnelling wijzen op een snelle opeenvolging van voertuigtoetredingen tot de brug. Deze hoge frequentiecomponenten—toe te schrijven aan de tweede en derde verticale brugfrequenties—dempen snel uit, wat een typisch gedrag is van gedempte systemen onder plotselinge excitatie. De analyse bevestigt verder dat laterale voertuigresponsen, hoewel in amplitude kleiner dan de verticale, belangrijk blijven voor een volledige karakterisering van het voertuig-brugsysteem. Zij vereisen echter nauwkeurige sensorplaatsing en optimalisatie van de ophanging—een stijvere laterale ophanging bevordert transmissie van brugdynamica.

Het bereiken van maximale transmissie in de laterale richting vereist dat de verhouding van de brugfrequentie tot de voertuigfrequentie kleiner is dan twee. Dit impliceert dat voor een effectieve identificatie via laterale responsen, het voertuigsysteem ontworpen moet worden met voldoende hoge laterale stijfheid. In de praktijk kunnen aanvullende excitatiemiddelen zoals willekeurige verkeersstromen of externe trilsystemen worden gebruikt om responsen te versterken, wat de detecteerbaarheid van brugfrequenties verder verbetert.

Het uiteindelijke doel is om de brugkarakteristieken te extraheren uit gemeten responsen zonder directe toegang tot de brugstructuur zelf. De toepassing van Eq. (12.59) blijkt hierin cruciaal, aangezien de hiermee berekende contactversnellingen—zowel verticaal als radiaal—nauwkeurig overeenkomen met zowel analytische als numerieke referenties. Vooral de helderheid waarmee hogere brugfrequenties zichtbaar worden in de contactresponsen onderstreept de waarde van deze benadering in structurele identificatie.

Bij brugmonitoring is het essentieel om te begrijpen dat niet alleen de absolute amplitudes van belang zijn, maar vooral de relatieve zichtbaarheid van verschillende frequentiecomponenten in het spectrum. Een zuivere spectrumanalyse vereist het wegnemen van storende voertuigcomponenten, wat mogelijk wordt door over te schakelen van voertuig- naar contactresponsen. Dit principe is fundamenteel voor de toepassing van indirecte monitoringstechnieken bij civiele infrastructuur.

Hoe kan men de brugfrequenties verfijnen met een testvoertuig dat over een brug beweegt?

In de context van het meten van brugfrequenties door middel van voertuigen die over een brug rijden, is het essentieel om verschillende frequenties te onderscheiden die betrekking hebben op zowel de brug als het voertuig zelf. De frequenties die worden geregistreerd door sensoren op de wielen van het testvoertuig zijn vaak complex, aangezien zowel de verticale als de rotsende bewegingen van het voertuig invloed hebben op de geregistreerde gegevens.

Een belangrijke stap in dit proces is het gebruik van de zogenaamde contactresponsen van de wielen van het testvoertuig. Door de acceleratie van de contactpunten van de wielen te berekenen, zoals geïllustreerd in figuren 3.16(a) en (b), kunnen de verticale en rotsfrequenties van het voertuig effectief worden gefilterd. Dit resulteert in spectra die helderder de brugfrequenties onthullen, inclusief hogere modes van de brug, zoals de derde frequentie in het geval van scenario 1.

Het gebruik van contactresponsen biedt niet alleen een mogelijkheid om ruis van het voertuig zelf te verwijderen, maar het vergemakkelijkt ook de visibiliteit van de brugfrequenties. Dit betekent dat voor bruggen met hogere frequenties een meer gedetailleerde en nauwkeurige meting mogelijk wordt gemaakt. Het is echter belangrijk te realiseren dat dit proces geoptimaliseerd kan worden door het testvoertuig tijdelijk stil te laten staan op de brug, wat kan helpen om de vibraties van de brug beter te detecteren.

In scenario 2, waarin het voertuig een tijdelijke stop maakt op de brug, worden extra brugfrequenties zichtbaar doordat de invloed van ruwheid van het wegdek wordt geëlimineerd. Het voertuig beweegt zich over de brug met een snelheid van 0,35 m/s en stopt voor 30 seconden in het midden van de brug. Dit tijdelijke stilstandpunt verhoogt de effectiviteit van de voertuigmetingen door de amplitude van de brugvibraties te versterken. Het helpt ook om de spectrale pieken te verduidelijken, die anders moeilijk te onderscheiden zouden zijn.

Wat verder belangrijk is, is het herkennen van de trade-off tussen meetefficiëntie en nauwkeurigheid. Terwijl het tijdelijk stoppen van het voertuig bijdraagt aan het verbeteren van de zichtbaarheid van brugfrequenties, kan een te frequent stoppen de efficiëntie van de metingen verminderen, vooral bij lange bruggen. Dit zorgt ervoor dat er een balans moet worden gevonden tussen de nauwkeurigheid van de metingen en de benodigde tijd voor het uitvoeren van deze testen.

Bij het uitvoeren van dergelijke tests is het essentieel om te begrijpen dat de frequenties van zowel het voertuig als de brug overlappen en dat een zorgvuldige filtering en analyse van de data vereist is om betrouwbare resultaten te verkrijgen. Dit proces maakt het mogelijk om metingen van brugfrequenties nauwkeuriger te maken, waardoor de structurele integriteit van bruggen beter kan worden geëvalueerd en geanalyseerd.

Hoe het versterker-voertuig-brug interactie-element de nauwkeurigheid van analytische oplossingen verifieert

In dit deel wordt het versterker-voertuig-brug interactie-element besproken, dat wordt gebruikt om de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van de bovengenoemde analytische oplossingen te verifiëren. Het is belangrijk op te merken dat de eindige-elementenanalyse niet wordt beperkt door de meeste aannames die zijn gemaakt bij het afleiden van de analytische oplossingen, zoals (mv + ma)≪mL.

De volgende is de bewegingsvergelijking voor het versterker-VBI-element:

Het versterker-VBI-element van vergelijking (6.28) moet worden samengevoegd met andere balkelementen die vrij zijn van het voertuig om de globale vergelijkingen van het VBI-systeem te bouwen. De reacties van het VBI-systeem kunnen worden opgelost door de Newmark-$\beta$-methode (met $\beta = 0.25$ en $\gamma = 0.5$ voor onvoorwaardelijke stabiliteit) door het contactpunt en het globale VBI-systeem bij elke tijdstap bij te werken.

De betrouwbaarheid van de analytische oplossingen die in Sectie 6.2 zijn afgeleid, wordt geëvalueerd met behulp van de eindige-elementenmethode (FEM) voor een typisch voorbeeld. In dit geval wordt alleen één versterker in de FEM-simulatie beschouwd om overeen te komen met de analytische oplossing. De eigenschappen van de brug, het voertuig en de versterker die in de simulatie worden gebruikt, zijn opgesomd in Tabel 6.1. Deze waarden zijn eerder gebruikt in vergelijkbare studies om de nauwkeurigheid van de analytische oplossingen te verifiëren.

Het is belangrijk te begrijpen dat de nauwkeurigheid van analytische oplossingen altijd afhangt van de aannames die aan de basis ervan liggen. Bij gebruik van de FEM kunnen de resultaten verder worden verfijnd door rekening te houden met realistische ruwheden van het wegdek, variaties in voertuiggedrag en de interactie tussen verschillende componenten van het systeem. Dit benadrukt het belang van realistische modellering en het testen van de vooronderstellingen in echte scenario’s.