Hoe kan de voertuigscanmethode de structurele gezondheid van bruggen verbeteren?

Bruggen zijn essentiële infrastructuurelementen die de verbindingen tussen verschillende regio’s, steden en landen mogelijk maken, en ze vervullen cruciale functies in zowel economische als culturele activiteiten. Ondanks hun belang, worden bruggen vaak blootgesteld aan schade veroorzaakt door overbelasting door voertuigen, weersomstandigheden en natuurrampen. Dit kan leiden tot de afname van de structurele stijfheid en de sterkte van de gebruikte materialen. De gezondheid van een brug is nauw verbonden met de frequenties, dempingsverhoudingen en modes in structurele gezondheid monitoring (SHM), wat belangrijk is voor het tijdig detecteren van schade en het optimaliseren van onderhoud.

Vanwege de hoge kosten en het praktische ongemak van de directe methode is er behoefte aan goedkopere en efficiëntere technieken voor structurele monitoring van bruggen. In dit kader werd de indirecte methode geïntroduceerd, die later bekend werd als de voertuigscanmethode (VSM), voorgesteld door Yang et al. (2004). De VSM vereist slechts één of enkele sensoren die op een testvoertuig worden geïnstalleerd, waarbij het nodig is om geen sensoren op de brug zelf te plaatsen. Dit zorgt voor een mobiliteit, efficiëntie en kosteneffectiviteit die de traditionele directe methode overtreft. Sinds de eerste introductie van het concept heeft de VSM wereldwijd aanzienlijke aandacht gekregen en heeft onderzoek naar verschillende aspecten ervan een enorme groei doorgemaakt.

Wat betreft de identificatie van de frequenties, modes en dempingsverhoudingen van bruggen, zijn er verschillende benaderingen ontwikkeld, zowel op software- als hardwaregebied. Voor de software zijn technieken zoals de Empirical Mode Decomposition (EMD), Variational Mode Decomposition (VMD), GPSA en cross-spectrale densiteitsfuncties effectief gebleken in het extraheren van brugfrequenties. Aan de hardwarekant wordt gebruikgemaakt van voertuigen die als platform dienen voor het verzamelen van gegevens, bijvoorbeeld door het toevoegen van versterkers of het gebruik van parkeer- of rijdende voertuigen om de trillingen te meten.

Hoewel de studie van brugfrequenties en modes al goed is ontwikkeld, is het onderzoek naar dempingsverhoudingen, een cruciaal aspect van structurele gezondheid, minder uitgebreid geweest. In verschillende onderzoeken zijn nieuwe methoden voorgesteld om de dempingsverhoudingen van bruggen te extraheren, zoals het gebruik van een vrachtwagen-trailer-systeem, laserdetectie, en verschillende tijd-frequentiemethoden. Deze dempingsverhoudingen zijn essentieel omdat ze de mate van energieverlies in de brugstructuur aangeven, wat invloed heeft op de algehele stabiliteit en de levensduur van de brug.

Voor het effectief extraheren van deze modaliteiten wordt de Gabor-transformatie gebruikt om tijd-frequentie-responsen te genereren. In het geval van stijve dwarsdoorsneden kunnen de verticale en torsionale-structuren van de brug worden gescheiden van de contactresponsen van de wielen, zonder voorafgaande kennis van de respectieve vormen. Wat nieuw is in dit proces, is het gebruik van de ruimtelijke correlatie tussen de voor- en achterwielen van het voertuig om de dempingsverhoudingen en modevormen van de brug

Hoe worden de versnellingsresponsen van een voertuig gebruikt voor brugfrequentiedetectie?

Bij de detectie van brugfrequenties speelt het testvoertuig een cruciale rol, waarbij versnellingsmetingen van zowel verticale als schommelende bewegingen van het voertuig helpen om de dynamische eigenschappen van de brug te identificeren. Het is van belang om de versnelde bewegingen van het voertuig nauwkeurig te berekenen, aangezien deze direct de trillingen van de brug reflecteren. Voor dit doel wordt gebruik gemaakt van versnellingsdata die zijn opgenomen door sensoren die dicht bij de wielen van het voertuig zijn geplaatst, wat essentieel is voor de nauwkeurigheid van de frequentiebepaling.

De berekeningen voor de verticale en schommelende bewegingen van het voertuig, aangeduid als ÿv(t) en 𝜃̈v(t), kunnen worden verkregen uit de versnellingsgegevens van de sensoren die aan de linker- en rechterwielen van het voertuig zijn bevestigd. De gegevens die door de wielsensoren worden verzameld, zijn echter discreet, en daarom moeten de afgeleiden van deze gegevens worden benaderd met behulp van verschilformules. Deze benadering helpt bij het berekenen van de benodigde dynamische reacties, die vervolgens worden gebruikt om de respons van de brug te modelleren.

Bijvoorbeeld, de acceleraties ÿvl(t) en ÿvr(t), gemeten door de sensoren, kunnen worden geanalyseerd met behulp van de formules (3.8a) en (3.8b). Door de discrete aard van de gegevens kunnen de afgeleiden van deze acceleraties worden benaderd via de verschilformules zoals weergegeven in de vergelijkingen (3.9a), (3.9b), (3.10a), en (3.10b). Deze formules zijn cruciaal voor de nauwkeurigheid van de modellering van het dynamisch gedrag van het voertuig en de brug.

Naast de versnellingsgegevens van het voertuig zijn er andere parameters die bijdragen aan de verfijning van de berekeningen. Zo speelt de dempingscoëfficiënt van het voertuig een belangrijke rol in de interpretatie van de respons. Wanneer de demping wordt verwaarloosd (d.w.z. wanneer cvj gelijk is aan nul), kan de L'Hôpital-regel worden toegepast om de vereenvoudigde uitdrukking van de versnellingsrespons van het voertuig te verkrijgen. Deze benaderingen helpen de berekeningen te vereenvoudigen, maar behouden tegelijkertijd de nauwkeurigheid die nodig is voor de detectie van de brugfrequenties.

De testprocedure zoals beschreven is toepasbaar voor verschillende soorten bruggen, aangezien deze is gebaseerd op de dynamische responsen van het testvoertuig, die in elke situatie kunnen worden verzameld. Dit maakt de methode flexibel en breed inzetbaar voor diverse testomgevingen.

De verkregen versnellingsspectra worden geanalyseerd om de brugfrequenties te bepalen. Dit gebeurt door middel van een spectrale analyse die ruis, veroorzaakt door omgevingsfactoren zoals wegoppervlakte-ruwheid, filtert. In het geval van de brugtest werden bijvoorbeeld frequenties onder 0,5 Hz gefilterd, omdat deze voornamelijk door dergelijke omgevingsfactoren werden veroorzaakt en geen relevante informatie over de brugfrequenties gaven. De geïdentificeerde pieken in het spectrumspectrum van de brugfrequenties, zoals f b,1 = 3.08 Hz en f b,2 = 4.49 Hz, geven de kritische resonantiefrequenties van de brug aan. Het is van belang dat deze frequenties correct worden geïdentificeerd om structurele gezondheid en dynamisch gedrag van de brug in de tijd te volgen.

In de verdere uitvoering van het experiment werden de dynamische reacties van de brug, afgeleid van de versnellingsmetingen van het voertuig, vergeleken met die van directe metingen door middel van sensoren op de brug zelf. Dit biedt een nauwkeurige benadering voor het identificeren van brugfrequenties, met name wanneer een bewegend voertuig wordt gebruikt als sensorplatform. De implementatie van deze benadering in de praktijk kan resulteren in een kostenefficiënte en betrouwbare methode voor bruginspectie, die minder afhankelijk is van de permanente infrastructuur van een brugmonitoringssysteem.

De afstemming van de vering en demping van het voertuig is ook essentieel voor het verkrijgen van de juiste meetwaarden. Een te stijve ophangingsstructuur kan ervoor zorgen dat het voertuig slecht contact maakt met het wegdek, wat leidt tot onnauwkeurige metingen. Anderzijds kan een te slappe ophangingsstructuur de transmissie van trillingen verstoren, wat ook de kwaliteit van de gemeten frequenties zou verminderen.

Wat zijn de dynamische reacties van voertuigen en bruggen bij interactie?

In de studie van voertuig-bruginteractie (VBI) is het essentieel om de juiste modellen te kiezen voor de voertuigbewegingen, vooral wanneer het gaat om voertuigen met één as. Terwijl het klassieke éénmassamodel vaak wordt gebruikt, blijkt uit recente ontwikkelingen dat het tweemassamodel voor voertuigen veel effectiever is voor het beschrijven van realistische dynamische reacties, vooral bij het testvoertuig op een brug. Dit model maakt het mogelijk om de complexiteit van de voertuigbeweging beter te begrijpen, omdat het zowel de veerbelastingen van de ophangingssystemen als de massa van de voertuigen omvat.

Het tweemassysteem bestaat uit een ‘opgehangen’ massa, die de carrosserie van het voertuig vertegenwoordigt, en een ‘niet-opgehangen’ massa, die de wielen van het voertuig beschrijft. Tussen deze massa's is er een vering die de interactie met de brug mogelijk maakt. Wanneer een voertuig over een brug beweegt, heeft de contactkracht tussen het wiel en de brug invloed op de brugstructuur, wat kan leiden tot trillingen die de dynamische respons van de brug beïnvloeden. Dit effect is vaak moeilijk te scheiden van andere trillingen, vooral wanneer de voertuigfrequentie aanzienlijk hoger is dan de brugfrequentie.

De aanpak waarbij de ophangingssystemen van het voertuig worden meegenomen, levert meer flexibele formules op die breed toepasbaar zijn, vooral voor voertuigen met één as die als tweemassystemen worden gemodelleerd. Dit biedt een beter inzicht in de daadwerkelijke impact van de ophangingen, wat essentieel is bij het bestuderen van voertuigdynamica in complexe brugomgevingen. Bovendien is de nieuwe contactformule niet alleen effectief voor eenvoudige balkbruggen, maar ook voor andere types van balkbruggen, wat de toepasbaarheid van het model verder vergroot.

Bij de numerieke simulaties die zijn uitgevoerd, is gebleken dat de geavanceerde analytische formules zeer accuraat zijn. In de studie wordt de dynamische respons van de brug en het contactpunt geanalyseerd met behulp van gesloten-formuleringen van de bewegingsequaties van het systeem. Hierbij wordt een eenvoudige balkstructuur aangenomen, wat de complexiteit van de analytische afleiding vermindert. Het model kan echter eenvoudig worden uitgebreid naar bruggen met andere eigenschappen, zoals meerdelige balken of bruggen met verschillende ondersteuningsomstandigheden.

De dynamische reacties van de voertuiglichamen en wielen worden bepaald door de interactie tussen de massa’s en de ophangingssystemen. Door de massa- en stijfheidsparameters in een systeem van vergelijkingen te integreren, kan de frequentie van het voertuig worden berekend. Het gedrag van het voertuig wordt beschreven door een eigenfrequentieanalyse, die inzicht geeft in hoe de verschillende massa’s binnen het voertuig reageren op de krachten die door de brugstructuur worden uitgeoefend.

Naast de theoretische beschouwingen worden in de studie ook numerieke simulaties uitgevoerd om de invloed van verschillende factoren te beoordelen. Het effect van voertuigdemping, snelheid, omgevingsgeluid, wegdekreparaties en lopend verkeer worden in detail geanalyseerd. De resultaten laten zien hoe deze parameters de nauwkeurigheid van de methode kunnen beïnvloeden en bieden waardevolle inzichten voor de praktische toepassing van deze theorie in het ontwerpen van bruggen en het monitoren van de gezondheid van bruggen.

Het is belangrijk te begrijpen dat de keuze voor het tweemassysteem boven het éé massamodel van groot belang is voor de correctheid van de analyses en de nauwkeurigheid van de voorspellingen voor voertuig-bruginteractie. Het standaardmodel zonder demping in de brug of het voertuig maakt de theorie eenvoudiger, maar voor realistischere resultaten moeten dempingseffecten worden meegenomen, vooral wanneer het voertuig en de brug met hoge snelheid bewegen. In de praktijk zal deze aanpak niet alleen effectiever zijn voor het ontwerp van bruggen, maar ook bij het ontwikkelen van technieken voor het monitoren en testen van bruggen die door voertuigen worden belast.

Hoe beïnvloedt de voertuig/brug massa-verhouding de identificatie van dempingsratio's?

De identificatie van de modale parameters van bruggen kan worden beïnvloed door de massa-verhouding tussen het voertuig en de brug. Deze verhouding is van cruciaal belang voor het verkrijgen van nauwkeurige resultaten, vooral bij het identificeren van dempingsratio's van bruggen. In de theoretische analyse wordt gekeken naar verschillende massa-verhoudingen, waarbij de massa en stijfheid van het voertuig worden gevarieerd, maar de voertuigfrequenties gelijk blijven aan de waarden in tabel 9.2. Deze variaties zijn noodzakelijk om het effect van de massa-verhouding te evalueren.

Een ander belangrijk aspect is de nauwkeurigheid van de dempingsratio-identificatie. Bij lagere massa-verhoudingen, zoals 0,1% tot 1%, blijven de resultaten vrij accuraat. Naarmate de massa-verhouding groter wordt, vooral bij 5% en 10%, neemt de nauwkeurigheid af. Dit suggereert dat het effect van een hogere massa-verhouding nadelig kan zijn voor de identificatie van dempingsratio's van de brug, wat weer invloed heeft op de betrouwbaarheid van de toegepaste meetmethoden.

Een voertuig met een kleinere massa vermindert de invloed van de voertuigmassa op de identificatie van de modale parameters van de brug. Dit kan zelfs nuttig zijn voor de metingen, aangezien een lichter voertuig de trillingen van de brug versterkt, wat de nauwkeurigheid van de metingen bevordert. Het is dus belangrijk om bij het ontwerp van testvoertuigen rekening te houden met de massa-verhouding, en bijvoorbeeld door het toevoegen van metalen platen boven de voertuigas de massa van het voertuig te variëren om verschillende testomstandigheden te simuleren.

Het is van belang te begrijpen dat de massa-verhouding van het voertuig ten opzichte van de brug een parameter is die niet over het hoofd gezien mag worden. Het beïnvloedt niet alleen de frequenties die worden geïdentificeerd, maar ook de algehele stabiliteit en betrouwbaarheid van de gemeten dempingsratio. In veel gevallen, vooral bij hoge massa-verhoudingen, kan de meting vertekend worden, wat de uitvoering van gedetailleerdere analyses bemoeilijkt. Het is essentieel dat deze relatie zorgvuldig in acht wordt genomen bij het uitvoeren van experimenten, om ervoor te zorgen dat de resultaten accuraat en consistent blijven.

Daarom kan men stellen dat hoewel de massa-verhouding van het voertuig/brug tot een zekere mate van verstoring kan leiden, de effectiviteit van de identificatiemethoden verbeterd kan worden door een goed afgestelde testopstelling, waarin de voertuigmassa nauwkeurig wordt gecontroleerd en aangepast. Deze afstemming zal niet alleen de betrouwbaarheid van de gemeten waarden verhogen, maar ook bijdragen aan de algehele kwaliteit van structurele evaluaties van bruggen en andere civiele constructies.

Hoe kan men brugvormen identificeren zonder het effect van brugdempend vermogen?

De demping van een brug beïnvloedt significant de modale vormen die uit de responsen van een rijdend testvoertuig worden afgeleid. Dit vormt een uitdaging bij het exact vaststellen van de dynamische eigenschappen van een brug, omdat de demping de verkregen modaliteitsvormen vervormt en daardoor onnauwkeurig maakt. Om dit probleem te omzeilen, wordt een innovatieve methode voorgesteld waarbij gebruik wordt gemaakt van zowel een bewegend als een stilstaand voertuig. Het bewegende voertuig genereert de globale modale respons van de brug in tijd-ruimte, terwijl het stilstaande voertuig een referentie-respons levert op een vaste locatie om het dempings-effect te elimineren.

Voor het stilstaande voertuig wordt op een vaste locatie een vergelijkbare componentrespons gemeten, waarvan de amplitudes eveneens afhangen van de modale vormen maar met dezelfde dempingsfactor. Door nu de instantane amplitude van de bewegende voertuigrespons te normaliseren met die van het stilstaande voertuig, kan men de demping volledig uitfilteren. Dit resulteert in een genormaliseerde formule die de brugvormen exact kan reconstrueren zonder dat kennis over de dempingsverhoudingen nodig is. Dit is een fundamenteel voordeel ten opzichte van eerdere methoden die de dempingseffecten niet compenseerden en daardoor onnauwkeurige modale vormen opleverden.

Deze methode biedt een krachtige en elegante oplossing voor het nauwkeurig vaststellen van brugvormen, essentieel voor de structurele gezondheid en veiligheid van bruggen. Het maakt niet alleen het elimineren van demping mogelijk zonder ingewikkelde schattingen, maar vergemakkelijkt ook de interpretatie van meetdata in situaties waar brugdemping aanzienlijk kan variëren.

Daarnaast is het essentieel te begrijpen dat deze methode een vereenvoudigd model van het testvoertuig gebruikt (single-DOF met ophangingscomponent). Complexere voertuigmodellen of brugstructuren kunnen aanvullende correcties vereisen. Toch vormt deze aanpak een fundamenteel kader voor toekomstige verbeteringen en bredere toepassingen in structurele monitoring en diagnose.