Hoe kan voertuig-bruginteractie worden gebruikt voor de detectie van schade en de beoordeling van bruggen?

De interactie tussen voertuigen en bruggen speelt een essentiële rol in het analyseren en begrijpen van de dynamische respons van bruggen, vooral bij het identificeren van structurele schade. Dit proces is een integraal onderdeel van het verbeteren van de nauwkeurigheid van schade-detectie en het monitoren van de gezondheid van bruggen. Verschillende technieken zijn ontwikkeld die gebruikmaken van voertuigen die over bruggen rijden om belangrijke informatie te verkrijgen over de toestand van de infrastructuur.

Onderzoekers zoals Yang en zijn collega's (2024) hebben verder gewerkt aan het verbeteren van deze technieken door gebruik te maken van zowel bewegende als stationaire voertuigen om de modale eigenschappen van bruggen te verkrijgen. Het combineren van gegevens van verschillende voertuigen biedt de mogelijkheid om een gedetailleerder beeld te krijgen van de structurele toestand van een brug, vooral wanneer de brug wordt blootgesteld aan verschillende belastingen en rijomstandigheden.

De dynamische respons van een voertuig dat over een brug beweegt, wordt beïnvloed door de fysieke eigenschappen van zowel het voertuig als de brug. Dit maakt het mogelijk om niet alleen de frequenties van de brug te meten, maar ook om andere belangrijke parameters zoals de demping van de brug te analyseren. De demping van een brug speelt een cruciale rol bij het beoordelen van de structurele gezondheid, omdat een verhoogde demping vaak wijst op veroudering of beschadiging van de materialen van de brug.

Er zijn verschillende methoden om de frequenties van een brug te extraheren, waaronder het gebruik van een tractor-testvoertuig of een speciaal ontworpen meetvoertuig. Deze voertuigen zijn uitgerust met sensoren die de acceleraties en reacties van de brug registreren wanneer ze over de structuur bewegen. Deze gegevens kunnen vervolgens worden geanalyseerd om de resonantiefrequenties van de brug te bepalen. Bij dergelijke systemen wordt vaak gebruik gemaakt van een combinatie van tijd- en frequentiedomeinmethoden om de complexiteit van de metingen te beheersen.

In sommige gevallen, vooral bij bruggen met een ruwe oppervlaktetoestand, kunnen extra technieken zoals schudders of geavanceerde trillingsanalyse noodzakelijk zijn om de nauwkeurigheid van de frequentie-extractie te verbeteren. De oppervlaktetoestand van de weg heeft invloed op de dynamische interactie tussen het voertuig en de brug, wat kan leiden tot variaties in de gemeten frequenties. Daarom is het van belang om deze factoren in overweging te nemen bij het interpreteren van de resultaten.

Een ander belangrijk aspect van de voertuig-bruginteractie is de mogelijkheid om de effecten van verschillende voertuigtypes te onderzoeken. Het type voertuig, de snelheid en de belasting die het met zich meebrengt, kunnen de dynamische respons van de brug aanzienlijk beïnvloeden. Onderzoek heeft aangetoond dat de frequentievariaties van de brug verschillen afhankelijk van de belasting en de snelheden van de voertuigen die de brug passeren. Dit maakt het mogelijk om voertuigen te gebruiken als een soort "test" om de invloed van verschillende belastingstoestanden op de brug te simuleren, wat cruciaal is voor het ontwikkelen van preventieve onderhoudsstrategieën.

Het gebruik van voertuig-bruginteractie als diagnostisch hulpmiddel heeft ook voordelen op het gebied van kosten en efficiëntie. In plaats van dure en tijdrovende inspecties die vaak vereisen dat de brug tijdelijk buiten gebruik wordt gesteld, kunnen voertuig-gebaseerde technieken snel en met weinig verstoring van het verkeer worden uitgevoerd. Dit maakt ze bijzonder geschikt voor de periodieke beoordeling van bruggen in drukke gebieden, waar reguliere inspecties moeilijk te realiseren kunnen zijn.

Naast de technologische innovaties moet echter niet worden vergeten dat de effectiviteit van deze systemen sterk afhankelijk is van de kwaliteit van de verzamelde gegevens en de gebruikte analysemethoden. Het correct kalibreren van de sensoren en het kiezen van de juiste signaalverwerkingstechnieken zijn cruciaal voor het verkrijgen van betrouwbare resultaten. Daarom is voortdurende innovatie op het gebied van data-analyse en het ontwikkelen van betere voertuigsensoren essentieel voor het succes van deze technologieën.

Hoe beïnvloeden demping, snelheid en ruis de nauwkeurigheid van brugfrequentie-identificatie?

De contactrespons die direct van de brug wordt verkregen, kan als de meest exacte worden beschouwd, hoewel deze in de praktijk moeilijk meetbaar is. In tegenstelling daarmee blijkt uit analytisch en numeriek terugberekende data via de voertuigrespons, met gebruik van formule (2.28), dat deze methode bijzonder goed overeenkomt met de werkelijke brugrespons, zowel in het tijd- als frequentiedomein. In de spectrale weergave domineren de eerste brugmodi duidelijk de contactrespons, wat niet het geval is bij de spectrum van het voertuig zelf. Dit fenomeen is te verklaren met behulp van de frequentieresponsfuncties (FRF’s) bij de voorwaarde $f_b > 2f_v$, waaruit blijkt dat de voertuigfrequenties in de contactrespons worden onderdrukt. Dit heeft als gevolg dat de brugfrequenties zuiverder en beter zichtbaar naar voren komen, zonder de overschaduwing van voertuigmodi.

Bij het uitvoeren van een parametrische studie werd onderzocht hoe voertuigdemping, rijsnelheid en omgevingsruis de herkenning van brugfrequenties beïnvloeden. Wanneer de dempingsratio van het voertuig stijgt van 0.05 naar 0.2, blijkt uit de voertuigspectra dat enkel de eerste brugfrequentie nog herkenbaar blijft, en dat zelfs deze in amplitude afneemt met toenemende demping. De hogere brugfrequenties worden nauwelijks waargenomen. De invloed van voertuigfrequenties op de spectrumanalyse blijft dus aanzienlijk, vooral bij lage demping, wat in lijn ligt met de condities waarin $f_{b,1} < 2f_v$ geldt.

In tegenstelling hiermee tonen de via terugberekening verkregen contactresponsen dat alle drie de brugmodi (en zelfs hogere) duidelijk zichtbaar blijven voor alle beschouwde dempingswaarden. De amplitudevermindering is minimaal en verwaarloosbaar in de praktijk. Deze resultaten illustreren de robuustheid van de contactresponsmethode en bevestigen de superioriteit ervan in vergelijking met de directe voertuigmetingen. De hogere modi, die essentieel zijn voor structurele beoordeling, worden in de contactrespons veel nadrukkelijker weergegeven.

Wat betreft voertuigsnelheid blijkt dat met stijgende snelheid de amplitude van de voertuigrespons toeneemt, wat te wijten is aan grotere energieoverdracht. Echter, ondanks deze toename worden de hogere brugfrequenties nog steeds niet zichtbaar in de voertuigspectra, wat de inherente beperking van de voertuigmeting onderstreept. De contactrespons daarentegen toont bij alle snelheden duidelijke pieken voor alle brugmodi. Bovendien wordt het splitsingseffect van frequenties prominenter naarmate de snelheid toeneemt, met versterkte piekamplitudes voor alle modi.

Om de invloed van omgevingsruis te simuleren werd witte ruis met vier verschillende intensiteiten (2%, 5%, 10%, en 20%) toegevoegd aan het oorspronkelijke voertuigsignaal. Zelfs bij 20% ruis blijft de contactresponsmethode betrouwbaar en behoudt deze zijn vermogen tot correcte identificatie van de brugfrequenties. Het toevoegen van ruis vervaagt de voertuigspectra significant, wat bevestigt dat meting via voertuigsensoren sterk beïnvloedbaar is door omgevingscondities. De contactrespons toont zich dus niet alleen als gevoeligere maar ook als robuustere indicator.