Hoe werkt de voertuigscanmethode voor bruggen: een efficiënte aanpak voor structureel gezondheidsonderzoek

De voertuigscanmethode (VSM), oorspronkelijk bekend als de indirecte meetmethode voor bruggen, is een innovatieve en efficiënte techniek voor het monitoren van de gezondheid van bruggen. Deze methode maakt voornamelijk gebruik van de trillingsresponsen die door verplaatsende testvoertuigen worden verzameld. Het grote voordeel van deze benadering is de mobiliteit, efficiëntie en kosteneffectiviteit, aangezien slechts een beperkt aantal trillingssensoren op het testvoertuig nodig is, zonder dat er veel sensoren op de brug zelf geïnstalleerd hoeven te worden. Dit maakt de methode uitermate geschikt voor breed gebruik, zonder de hoge kosten en complexiteit die traditioneel verbonden zijn aan de conventionele, directe monitoringtechnieken.

Sinds de eerste voorstel van Yang et al. (2004a) heeft de VSM wereldwijd aanzienlijke aandacht gekregen van onderzoekers. Gedurende de afgelopen twee decennia zijn er grote vorderingen gemaakt op verschillende gebieden van deze technologie, waaronder de identificatie van brugfrequenties, vormmodi, dempingsratio’s, schade en oppervlaktestructuur. De toepassing van deze technologie is zich verder gaan uitbreiden naar spoorweginfrastructuur en andere vormen van transportinfrastructuur, wat haar potentieel voor een breed scala aan toepassingen onderstreept.

De traditionele, directe methode voor brugmonitoring omvat het installeren van een groot aantal trillingssensoren op de brug zelf, wat resulteert in een overvloed aan gegevens die moeilijk efficiënt te verwerken zijn. Deze sensoren vereisen vaak specifieke aanpassingen voor elke brug, wat leidt tot hoge installatie- en onderhoudskosten. Daarnaast is de levensduur van elektronische apparaten, zoals sensoren en dataloggers, vaak korter dan die van de brug zelf, waardoor de monitoring op lange termijn problematisch kan zijn.

Als antwoord op deze uitdagingen introduceerden Yang et al. (2004a) de voertuigscanmethode, waarbij een instrumenteel voertuig wordt ingezet om de trillingsfrequenties van een brug te meten. In een veldtest werd aangetoond dat deze methode in staat was om de frequenties van een eenvoudige balkbrug te extraheren op basis van de respons van het voertuig (Lin en Yang, 2005). Aanvankelijk werd deze techniek de indirecte methode genoemd, omdat er geen gegevens van de brug zelf werden verzameld. Later werd de benaming omgedoopt naar voertuigscanmethode om de precieze aard van de techniek beter weer te geven.

De voertuigscanmethode biedt aanzienlijke voordelen ten opzichte van de traditionele methoden. Ten eerste is de opzet veel eenvoudiger, aangezien alleen een klein aantal sensoren op het voertuig zelf vereist is. Hierdoor zijn zowel de installatie- als onderhoudskosten aanzienlijk lager. Bovendien kan het voertuig alle delen van de brug bereiken, waardoor gedetailleerde gegevens over de algehele en lokale trillingseigenschappen van de brug kunnen worden verzameld. Dit maakt het mogelijk om niet alleen de algemene toestand van de brug te beoordelen, maar ook om schade en onregelmatigheden op specifieke locaties te detecteren, wat leidt tot een hoge dichtheid van modusanalyse en schade-lokalisatie.

In de beginfase van het onderzoek lag de nadruk voornamelijk op het scannen van de eerste paar frequenties van de brug, met behulp van theoretische of experimentele methoden. Na verloop van tijd werd de techniek uitgebreid naar andere aspecten van brugmonitoring, zoals de identificatie van vormmodi (Yang et al., 2014), dempingsratio’s (González et al., 2012) en schadeanalyse (Bu et al., 2006). Dankzij de mobiliteit van het voertuig kunnen onderzoekers snel verschillende bruggen onderzoeken zonder dat langdurige installaties of complexe infrastructuur nodig zijn.

Wat is de basisconcept van VSM voor bruggen?

De toepassing van voertuig-gebaseerde metingen (VSM) voor brugmonitoring heeft de afgelopen jaren steeds meer aandacht getrokken door de voordelen die het biedt bij het verkrijgen van dynamische eigenschappen van bruggen. Deze technologie maakt gebruik van een voertuig dat over de brug beweegt, waarbij sensoren op het voertuig de trillingen en dynamische reacties van de brug vastleggen. Het blijkt dat, dankzij de mogelijkheden van geavanceerde signaalverwerkingstechnieken, VSM zowel effectief als kostenefficiënt is voor het monitoren van de gezondheid van bruggen.

De basisprincipes van VSM voor bruggen zijn gebaseerd op de interactie tussen een rijdend voertuig en de brug. Wanneer het voertuig over de brug rijdt, worden de gravitatie- en inertiekrachten van het voertuig via het contactpunt naar de brug overgedragen, wat resulteert in trillingen van de brug. Deze trillingen worden op hun beurt weer overgedragen aan het voertuig. Door deze dynamische interactie kunnen de frequenties, dempingsverhoudingen en modevormen van de brug worden geïdentificeerd met behulp van sensoren die op het voertuig zijn geïnstalleerd. Dit stelt onderzoekers in staat om belangrijke informatie over de conditie van de brug te verkrijgen zonder direct in contact te komen met de brug zelf, wat anders kostbaar en tijdrovend zou zijn.

Brugfrequentie-identificatie

Het belangrijkste probleem bij het identificeren van brugfrequenties is dat de voertuigfrequenties vaak de brugfrequenties kunnen maskeren. Om dit te verhelpen, wordt vaak voorgesteld om de reactie van het contactpunt tussen het voertuig en de brug te gebruiken in plaats van de voertuigsensorrespons zelf. Door gebruik te maken van de juiste wiskundige formules, kunnen onderzoekers de brugfrequenties, inclusief hogere modes, gemakkelijker extraheren uit de contactrespons.

Brugmode-vormidentificatie

Hoewel brugfrequenties belangrijk zijn, hebben ze bewezen niet altijd even gevoelig te zijn voor schade. Om deze reden wordt veel gebruik gemaakt van de mode-vormen van de brug. Mode-vormen zijn bijzonder waardevol omdat ze gevoeliger zijn voor lokale schade aan de brug. Een brug kan, afhankelijk van de aard van de schade, anders trillen in verschillende delen van de structuur. Het vaststellen van de mode-vormen van een brug via traditionele methoden kan echter kostbaar en arbeidsintensief zijn, omdat specifieke meetpunten moeten worden geselecteerd om geen belangrijke gegevens te missen.

VSM biedt hier een aanzienlijk voordeel. Aangezien het voertuig dat de brug oversteekt de gehele lengte van de brug ‘scant’, kunnen de trillingen in verschillende secties van de brug tegelijkertijd worden geanalyseerd. Dit maakt het mogelijk om zowel globale als lokale informatie over de trillingen van de brug te verzamelen zonder de brug fysiek te hoeven monteren met complexe sensoren. De VSM-technologie heeft dus het potentieel om niet alleen efficiënter te zijn, maar ook om gedetailleerdere gegevens te leveren, omdat de hele brug in zijn geheel wordt gemeten, in plaats van alleen op vooraf bepaalde punten.

Identificatie van schade en ruwheid van het wegdek

Een ander belangrijk aspect van VSM is de mogelijkheid om schade aan de brug of het wegdek te identificeren. Schade kan zich uiten in de vorm van scheuren, deformaties of andere structurele defecten, die vaak gepaard gaan met veranderingen in de vibratiepatronen van de brug. In dit geval kunnen de geïdentificeerde mode-vormen worden geanalyseerd om tekenen van schade te detecteren. Vaak wordt hierbij de vergelijking van de gemeten gegevens met historische referentiewaarden of simulaties gebruikt om afwijkingen te identificeren die wijzen op mogelijke schade.

Daarnaast kan VSM ook nuttig zijn voor het beoordelen van de ruwheid van het wegdek. Het meten van de oppervlakteruwheid is van groot belang voor het onderhoud van bruggen, vooral als het gaat om de mate van slijtage of verslechtering van het asfalt. Door de ruwheid van het wegdek te koppelen aan de respons van het voertuig, kan men nauwkeuriger bepalen in welke mate het wegdek invloed heeft op de dynamische prestaties van de brug.

Toepassing van VSM op spoorwegen

Hoewel de meeste studies zich richten op het gebruik van VSM voor bruggen, is deze technologie ook van groot belang voor de spoorwegen. Net als bij bruggen kunnen spoorwegen worden gemonitord door een voertuig (bijvoorbeeld een trein) dat over de sporen beweegt en gegevens verzamelt over de dynamische reactie van de spoorweginfrastructuur. Dit kan helpen bij het vroegtijdig opsporen van beschadigde spoorsecties of zelfs bij het voorspellen van wanneer onderhoud nodig is.

In de toekomst zal de integratie van VSM met Internet of Things (IoT)-systemen en big data-technologieën de effectiviteit van deze technologie verder verbeteren. Door gebruik te maken van de enorme hoeveelheden gegevens die in real-time kunnen worden verzameld, kan men niet alleen de gezondheid van bruggen en spoorwegen beter monitoren, maar ook preventieve maatregelen nemen voordat er zich ernstige problemen voordoen.

Wat nog meer belangrijk is

Hoe versterkers kunnen worden gebruikt om brugfrequenties te extraheren en te verbeteren

De massa van de versterker die in dit gedeelte wordt gebruikt, is identiek aan die in Sectie 6.4. Eerst wordt de versterker afgesteld op een frequentie die dicht bij de tweede brugfrequentie ligt, d.w.z. $f_a = 1.1 f_{b,2}$ (door de stijfheid van de versterker in te stellen op $k_a = 41.49 \, \text{kN/m}$). De versnellingsreacties van het voertuig en de versterker, berekend met de FEM, worden weergegeven in Fig. 6.13(a) en (b). Zoals te zien is, zijn de voertuigreacties in beide gevallen, met en zonder versterker, vrijwel hetzelfde, wat betekent dat de voertuigrespons nauwelijks wordt beïnvloed door de aanwezigheid van de versterker (relatief klein effect). Echter, uit Fig. 6.14(b) blijkt dat de tweede brugfrequentie aanzienlijk versterkt is in de versterkerrespons in vergelijking met de voertuigrespons, wat aangeeft dat de versterker een beter apparaat is voor het extraheren van brugfrequenties dan het voertuig zelf.

In Sectie 6.6.3 worden twee versterkers gemonteerd op het testvoertuig, elk om respectievelijk de tweede en de derde brugfrequenties te versterken. Versterker 1 wordt afgestemd op een frequentie die dicht bij de tweede brugfrequentie ligt, d.w.z. $f_{a1} = 1.1 f_{b,2}$, en versterker 2 op een frequentie die dicht bij de derde brugfrequentie ligt, d.w.z. $f_{a2} = 1.1 f_{b,3}$. De versnellingsreacties van het voertuig en de twee versterkers, berekend met de FEM, worden weergegeven in Fig. 6.16. Zoals te zien is, is de tweede brugfrequentie aanzienlijk versterkt in de respons van versterker 1. Ook is er een zekere versterking van de derde brugfrequentie in de respons van versterker 2 in vergelijking met de oorspronkelijke voertuigrespons. De mate van versterking is echter niet vergelijkbaar met die van versterker 1. Deze studie leert ons dat de versterker enige vergroting van de brugfrequentie kan bieden, maar de effectiviteit neemt af naarmate de frequentieorde toeneemt. Theoretisch gezien kan elke brugfrequentie worden vergroot door de installatie van de versterker, maar er is een limiet aan de effectiviteit.

Een andere belangrijke overweging bij het gebruik van versterkers voor het verbeteren van de extractie van brugfrequenties is het effect van de afstemming van de versterkerfrequentie op de voertuigfrequentie. Het is bekend dat de zelffrequentie van het voertuig de brugfrequenties kan overschaduwen in de reactie van het voertuig. Zoals theoretisch werd aangetoond in Sectie 6.3.4, bereikt de DAFv,self voor de zelffrequentie van het voertuig zijn minimum wanneer $\beta_v,a$ dicht bij 1 is, d.w.z. wanneer $f_a = f_v$. Wanneer de versterker wordt afgestemd op de frequentie van het testvoertuig, fungeert deze als een TMD (Tuned Mass Damper) om de amplitude van de voertuigfrequentie te verminderen. TMD's worden veelvuldig gebruikt in trillingscontrole van gebouwen en bruggen, waarbij de optimale parameters in eerdere studies zijn onderzocht (Warburton 1982; Ghosh en Basu 2007; Hoang et al. 2008; Yahyai et al. 2019).

Wat zijn de belangrijke parameters voor de analyse van de trillingen van een brug onder invloed van voertuigen?

Bij het analyseren van trillingen en vervormingen van bruggen, veroorzaakt door de belasting van voertuigen, speelt het gebruik van verschillende modalcoëfficiënten en hun gerelateerde verplaatsingen een cruciale rol. Een brug, die vaak complexe geometrieën en variabele belastingstoestand vertoont, vertoont specifieke trillingsmodi die worden beïnvloed door zowel de structurele eigenschappen als de kenmerken van de passerende voertuigen.

De snelheid van het voertuig heeft een directe invloed op de dynamische respons van de brug. Parameters zoals $V$ (voertuigsnelheid) en $T$ (reistijd van het voertuig) moeten zorgvuldig worden geanalyseerd om de impact van de snelheid op de trillingskarakteristieken van de brug te begrijpen. Dit is van bijzonder belang wanneer voertuigen met een hoge snelheid over de brug rijden, omdat dit kan leiden tot resonantieverschijnselen, die de structurele integriteit van de brug kunnen beïnvloeden.

Voor de meer gedetailleerde analyse van de brugreactie moeten we ook rekening houden met het gebruik van wavelettransformaties, zoals $W$, die helpen bij het vastleggen van de tijd- en frequentiedomeinrespons van de brug. De toepassing van de Gabor-transformatie en de synchrosqueezed wavelet-transformatie maakt het mogelijk om frequentie-informatie van de brug- en voertuigdynamica te extraheren. Deze methoden zijn bijzonder nuttig bij het bestuderen van transiënten en niet-stationaire gedragspatronen.

Een ander cruciaal aspect is het effect van de torsionele trillingen, welke de stabiliteit van de brug kunnen beïnvloeden. De parameters $q_{\theta,n}$ en $u_{\theta,n}$ geven respectievelijk de modalcoëfficiënten voor torsionale verplaatsingen van de balk en de torsionele verplaatsing van een gebogen balk aan. Torsie is vaak het resultaat van ongelijke belasting over de lengte van de brug, en kan leiden tot onaangename dynamische effecten zoals scheefstand of schade aan de structurele componenten.

Naast de bovenstaande technische overwegingen is het belangrijk te begrijpen dat de meeste bruggen ontworpen zijn met een zekere mate van redundantie en veiligheidsmarges. Desondanks kan de gecombineerde impact van voertuigen met hoge snelheid, slecht wegdek of onverwachte belastingstoestanden de structurele veiligheid van een brug op de lange termijn beïnvloeden. Het regelmatig inspecteren van bruggen en het onderhouden van de integriteit van het wegdek zijn van cruciaal belang om ongewenste trillingsfrequenties en daaropvolgende schade te voorkomen.

Hoe kan de dempingsverhouding van een brug worden berekend met behulp van een tweenasvoertuig?

In de analyse van de respons van een brug onder invloed van een tweenasvoertuig, worden de componenten van de verplaatsing van de brug bij de voor- en achterwielcontacten vaak gedetailleerd onderzocht. De verplaatsingen en snelheden van de brug kunnen worden uitgedrukt als een reeks van verschillende frequenties en dempingscomponenten, waarbij de belangrijkste vereisten het juist identificeren van de modefrequenties van de brug en het bepalen van de dempingsverhouding zijn. In dit verband worden verscheidene formules voorgesteld voor het berekenen van de dempingsverhouding van de brug, waarbij de relaties tussen de reacties van het voertuig en de brug worden gebruikt.

De berekening van de dempingsverhouding kan eenvoudiger worden uitgevoerd door gebruik te maken van een vergelijking die de relatie tussen de instantane amplitudes van de responscomponenten van het voertuig bij de voor- en achterwielcontacten vastlegt. Dit wordt gedaan door de frequenties van de brug en het voertuig te combineren met behulp van de zogenaamde Hilbert-transformatie (HT), die de tijdsafhankelijke respons van de brug effectief scheidt in verschillende frequentiecomponenten.

De specifieke dempingsverhouding van een van de modale responsen van de brug kan worden berekend met behulp van de volgende eenvoudige formule:

waarbij $A_{cf}(t)$ en $A_{cr}(t + t_r)$ respectievelijk de amplitudes zijn van de voor- en achterwielresponsen van het voertuig, $\omega_{b,n}$ de brugfrequentie is, en $t_r$ de tijd is die de achteras van het voertuig nodig heeft om de brug te passeren. Deze formule maakt gebruik van logaritmische verhoudingen van de amplitudes, wat de effectiviteit van de demping bij het verlagen van de trillingen van de brug reflecteert.

De dempingsverhouding zelf is een essentieel kenmerk bij het evalueren van de brugrespons, aangezien het direct invloed heeft op de snelheid en de duur van de trillingen van de brug. Het identificeren van de juiste dempingsparameters is essentieel voor de ontwerp- en onderhoudsstrategieën van bruggen, aangezien een te lage demping kan leiden tot oncontroleerbare trillingen, terwijl te hoge demping de structurele integriteit van de brug kan aantasten door onbedoelde belasting op de structuren.

Naast de formules voor de berekening van de dempingsverhouding, moet bij het gebruik van een tweenasvoertuig voor deze analyses ook rekening worden gehouden met de specifieke kenmerken van het voertuig en de brug. In de numerieke simulaties die worden uitgevoerd, worden de eigenschappen van het voertuig zoals de massa, de dempingscoëfficiënten van de ophangingen, en de rotatiefrequenties van de assystemen gecombineerd met de dynamische respons van de brug. Het doel hiervan is om de impact van het voertuiggedrag op de trillingen van de brug te begrijpen en te voorspellen.

Een ander belangrijk aspect dat moet worden meegenomen in de berekeningen is het effect van multimodale bijdragen van verschillende frequenties. De respons van de brug wordt vaak gedomineerd door meerdere frequenties die gelijktijdig actief zijn, wat de complexiteit van de analyse vergroot. Bij het gebruik van de HT kan men echter de invloed van verschillende modale frequenties scheiden en hun respectieve bijdragen aan de totale respons van de brug beter begrijpen.

In dit type dynamische analyse worden ook de meetmethoden en de nauwkeurigheid van de verzamelde gegevens benadrukt. Het gebruik van frequentiespectra en acceleratiegegevens die via numerieke simulaties of experimenten worden verkregen, maakt het mogelijk om de werkelijke respons van de brug te verifiëren en te vergelijken met theoretische modellen. Hierdoor kunnen de resultaten worden gevalideerd en kunnen de gebruikte veronderstellingen worden getest.

In de praktijk kan de demping van de brug worden gemeten door direct de trillingen van de brug te observeren wanneer het voertuig over de brug rijdt. Deze metingen kunnen worden gebruikt om de werkelijke dempingsverhouding te berekenen door de eerder beschreven formules toe te passen. Het is belangrijk om te realiseren dat de dempingseffecten in een echte omgeving sterk kunnen variëren afhankelijk van de belasting van het voertuig, de toestand van de brug, en omgevingsfactoren zoals temperatuur of weersomstandigheden.

Bovendien, wanneer de dempingsverhouding eenmaal is berekend, kan deze waarde worden gebruikt om de structurele veiligheid van de brug te evalueren. Een te lage demping kan duiden op een verhoogd risico op resonantie, wat schadelijke trillingen kan veroorzaken die de structurele integriteit van de brug compromitteren. Daarom is het cruciaal om de dempingsverhouding regelmatig te controleren en in te schakelen bij het ontwerp en onderhoud van bruggen.