Hvordan fjerne maskeringseffekten fra kjøretøyfrekvenser ved broens frekvensidentifikasjon

Analytiske løsninger for broen som er påvirket av dempende effekter er viktige i forståelsen av hvordan kjøretøyets bevegelser kan påvirke broens respons, spesielt i forhold til å identifisere broens naturlige frekvenser. Modellen som er utviklet for å representere en bro med demping, inkluderer en toakslet testbil som beveger seg med en hastighet v over broen. Broen antas å være en Bernoulli–Euler-bjelke med en visse massetetthet m, bøyningsstivhet EI og dempningskoeffisient c. Selv om metoden er utviklet for en enkel bjelke, kan den likevel tilpasses til mer komplekse broer, som buede broer, broer med flere spenn eller broer med forskjellige støttekondisjoner.

For å analysere den vertikale forflytningen til bjelken under påvirkning av et kjøretøy, anvendes en formel for beregning av belastningen som kjøretøyet utsetter broen for. Denne belastningen kan representeres ved en sum av påvirkninger fra for- og bakakslene på kjøretøyet. Kjøretøyets vertikale bevegelse og rotasjon, samt responsen fra for- og bakhjulene, er modellert ved differensialligninger som beskriver de vertikale og rotasjonsbevegelsene. Ved å benytte modal superposisjonsteknikker kan den vertikale forflytningen til broen beregnes under forskjellige lastforhold.

For å løse dette problemet er det utviklet en tilnærming som fjerner denne maskeringseffekten ved å bruke kontaktresponsen mellom kjøretøyet og broen i stedet for kjøretøyets egen respons. Ved å analysere den vertikale kontakten mellom kjøretøyets hjul og broens overflate, kan de individuelle frekvensene til kjøretøyet filtreres ut. Dette gjøres ved hjelp av et differensialuttrykk som beskriver kontakten mellom kjøretøyet og broen, der frekvensene fra kjøretøyets aksler ikke lenger påvirker resultatene.

Ved hjelp av den resulterende kontaktresponsen, som er uttrykt som en funksjon av kjøretøyets og broens fysiske parametere, kan de vertikale akselerasjonene beregnes. Dette gjør det mulig å eliminere effekten av kjøretøyfrekvenser, slik at broens naturlige frekvenser kan identifiseres mer nøyaktig.

Når broens respons er hentet fra de rekursive formlene, kan påliteligheten av disse metodene verifiseres og sammenlignes. En parametrisk studie gir mulighet for å evaluere effekten av ulike parametre som kjøretøyets hastighet, kjøretøyets masse og broens lengde, samt hvordan disse parametrene påvirker identifikasjonen av broens naturlige frekvenser.

Det er avgjørende å forstå at selv om metoden som beskrives her er generelt anvendelig, er det fortsatt noen faktorer som kan påvirke nøyaktigheten av beregningene. For eksempel kan variabiliteten i kjøretøyets last, samt eventuelle uregelmessigheter i broens struktur, introdusere usikkerheter som kan kreve ytterligere analyse. I tillegg må man være oppmerksom på at metoden som brukes til å eliminere kjøretøyfrekvenser fra broens respons krever svært presise målinger og kan være følsom for små endringer i systemet, som for eksempel endringer i kjøretøyets hastighet eller broens materialegenskaper.

Hvordan overvåking av brostrukturer kan forbedres med avanserte vibrasjonsmålinger

Vibrasjonsmålinger har vist seg å være en viktig metode for å identifisere skader på brostrukturer, ettersom de gir verdifull informasjon om tilstanden til både broer og underliggende infrastrukturer. Det er imidlertid utfordringer knyttet til implementeringen av slike metoder i praktiske applikasjoner, da broers komplekse natur, varierende miljøforhold og variasjon i kjøretøy kan påvirke resultatene. For å forbedre nøyaktigheten og påliteligheten til vibrasjonsbaserte skadeidentifikasjoner, kreves det ytterligere forskning og utvikling av mer robuste metoder.

En av de viktigste utfordringene med vibrasjonsmåling for broovervåking er at kjøretøyets egne vibrasjonsfrekvenser kan påvirke dataene som samles inn. For å redusere effekten av disse, har forskere utviklet ulike signalbehandlingsmetoder, inkludert kontaktrespons-algoritmer, filtreringsteknikker og modal dekomponering. Metoder som Empirical Mode Decomposition (EMD) og Variational Mode Decomposition (VMD) har også blitt brukt for å forbedre kvaliteten på signalene og gjøre analysen mer presis. Dette gjør det mulig å isolere broens vibrasjonsfrekvenser fra kjøretøyets egenfrekvenser, og dermed forbedre skadeidentifikasjonens nøyaktighet.

I tillegg kan ujevnheter i kjørefeltet, som asfaltens ruhet, også ha en negativ innvirkning på kvaliteten på vibrasjonsmålingene. Tidligere arbeid har forsøkt å vurdere nivået av ruhet ved å analysere vibrasjonsresponsen fra testkjøretøyet, under hensyntagen til effekten av broens vibrasjon. Det er utviklet både maskinvarebaserte løsninger, som randomisert trafikk eller eksterne shaker-enheter, og programvarebaserte tilnærminger som residualresponsanalyse, filtreringsteknikker, støyreduksjon og maskinlæring, for å håndtere denne problematikken.

I tillegg har aksel- eller bogie-akselerasjoner blitt benyttet for å vurdere geometriske egenskaper ved jernbanelinjer, som uregelmessigheter i sporene, lett nedbøyning og kjørekomfort. Ved å integrere flere databehandlingsteknikker og -utstyr har man utviklet effektive metoder for å identifisere spormodul og oppdage potensielle sporfeil. Dette har ført til en bedre forståelse av hvordan signaler kan brukes til å overvåke jernbanens tilstand, på samme måte som for vei-broer.

Selv om VSM-teknikken har blitt brukt på både vei- og jernbanebroer, er det fortsatt en utfordrende oppgave for ingeniører og forskere å implementere den i stor skala. Det er flere faktorer som påvirker påliteligheten til strukturelle deteksjoner, for eksempel usikkerhet knyttet til overflate-ruhet, målefeil, miljøforhold og ikke-perfekte testkjøretøy. Disse faktorene kan endre broens vibrasjonsegenskaper eller forurense de innsamlede dataene, noe som kan hindre nøyaktig identifikasjon av skade eller broens modalparametere.

Broer, som store konstruksjoner, er komplekse både i materialer, strukturelle former og geologiske støtter. De er også utsatt for værpåvirkninger og aldring, noe som kan føre til små skader som ikke nødvendigvis resulterer i påvisbare endringer i vibrasjonsegenskapene. Derfor er videre forskning nødvendig for å utvikle metoder som kan oppdage slike små skader, som kan være kritiske for broens langsiktige helse.

Et annet aspekt som kan gjøre VSM-teknikken mer effektiv, er utviklingen av maskinlæring (ML) og dyp læring (DL), som har vist stort potensial i å forbedre nøyaktigheten og effektiviteten av skadeidentifikasjon. Disse teknologiene gir muligheten til å analysere store datasett, trekke ut viktige mønstre og lære fra nye data kontinuerlig. Likevel er det en utfordring at det mangler reelle data om strukturelle skader til treningsformål, ettersom de fleste studier er basert på laboratorie- eller numeriske data. Dette er et område som krever videre utforskning for å gjøre maskinlæring mer pålitelig i praktiske applikasjoner.

Det er også viktig å merke seg at spesifikke utfordringer knyttet til jernbanebroer kan skille seg betydelig fra veibroer. Jernbanetog er tungere enn kjøretøy som benyttes på veier, og sporene er i kontinuerlig bevegelse, noe som krever spesielle hensyn. Den tidsmessige variasjonen i sporens tilstand kan også være en faktor som påvirker strukturell helse, noe som ytterligere kompliserer analysen.

Framtiden for broovervåking ser ut til å være lovende med de raske fremskrittene innen elektriske kjøretøy og intelligente kjøreteknologier. Disse kjøretøyene er utstyrt med ulike sensorer, som kameraer, lidarer og ultrasoniske sensorer, som kan kombineres med IoT-teknologi, avansert kommunikasjonsteknologi og skybasert databehandling. Dette kan åpne for en ny æra innen broovervåkning, der effektiviteten og presisjonen av VSM-teknikkene blir betydelig forbedret.

Hvordan en testbil kan forbedre målingene av brofrekvenser: En grundig analyse av Vibrasjonsmålingsteknikk (VSM)

I eksperimentelle studier på brofrekvenser er det viktig å forstå hvordan vibrasjoner fra broen kan overføres på en pålitelig måte til testbilen. Dette krever at testkjøretøyet er utstyrt med spesifikke teknologier og sensorer som muliggjør nøyaktige målinger av vibrasjoner, som deretter kan analyseres for å identifisere broens vibrasjonsfrekvenser. En viktig utfordring er å isolere kjøretøyets egne resonanser, slik at man kan fokusere på broens naturlige vibrasjoner uten forstyrrelser fra testkjøretøyets dynamikk.

For å isolere vibrasjonene fra traktoren og hindre at de overføres til testkjøretøyet, ble det brukt et par gummiputer mellom kjøretøyet og traktoren. Dette sørget for at vibrasjonene fra traktoren ikke forstyrret testresultatene. Konstruksjonen mellom testkjøretøyet og traktoren var semirigid, en type kobling som er ansett som tryggere i trafikkrelaterte sammenhenger. Denne koblingen ble utviklet for å simulere realistiske kjøreforhold, samtidig som den tillot nødvendige vibrasjonsmålinger fra broen.

Sensorene som ble plassert på testkjøretøyet og broens overflate, registrerte akselerasjonen under eksperimentet. Når et sett med mennesker hoppet på broen, ble både broens og kjøretøyets respons på denne eksitasjonen analysert. Dette ga et mål for hvordan broens vibrasjoner ble overført til kjøretøyet. Gjennom analysen av FFT (Fast Fourier Transform)-spektrumene fra begge sensorene ble broens karakteristiske frekvenser identifisert. Det ble observert at frekvensene fra broen ble overført til kjøretøyet på en klar og pålitelig måte, uten at kjøretøyets egen resonans forstyrret målingene.

I tillegg til de forventede frekvensene fra broen, ble det også identifisert en frekvens fra kjøretøyet selv. Dette er viktig å merke seg, da kjøretøyets resonans kan maskere broens vibrasjoner, noe som gjør det vanskelig å skille de to. I dette tilfellet ble kjøretøyets frekvens nøye analysert, og man fant at effekten av denne resonansen ble filtrert ut ved hjelp av spesifikke teknikker, slik at man kunne isolere broens vibrasjonsfrekvenser nøyaktig.

For å beregne bilens dempningsforhold, ble en vertikal forskyvning påført bilen, og ved å analysere den frie vibrasjonen som fulgte, ble dempningsforholdet beregnet til 4,84 %. Dette dempningsforholdet er viktig for å forstå hvordan kjøretøyets struktur reagerer på vibrasjoner.

En annen viktig observasjon var hvordan bilens respons på broens vibrasjoner kunne måles ved hjelp av en spesialdesignet kontaktresponsformel. Denne formelen gjorde det mulig å skille ut kjøretøyets frekvens og fjerne dens innvirkning på målingene, slik at de faktiske brofrekvensene kunne analyseres i detalj. Slik ble det mulig å identifisere ikke bare hovedfrekvensene, men også de høyere ordens resonansene i broen, som kan være vanskeligere å fange opp ved mer tradisjonelle målemetoder.

For å oppsummere, er det avgjørende at testkjøretøyet er nøye tilpasset både i form av stivhet og demping for å kunne gjennomføre nøyaktige vibrasjonsmålinger. Ved å bruke spesifikke teknikker for å isolere kjøretøyets frekvenser, kan man oppnå pålitelige data om broens vibrasjoner, som igjen kan brukes til å vurdere broens tilstand og integritet. Dette er spesielt viktig i sammenhenger der trafikkbelastning kan føre til betydelige påkjenninger på broens struktur over tid.

Hvordan beregne kontaktresponser ved hjelp av en to-akslet kjøretøy på broer

Broer og deres strukturelle integritet er fundamentale elementer i transportinfrastrukturen, og det finnes flere måter å vurdere deres tilstand på. En viktig metode for å analysere broens respons på kjøretøysbevegelser er å bruke teknikker som tillater oppdagelse av broens vibrasjonsmoduser og respons på belastninger. Denne teknikken innebærer detaljerte beregninger basert på teoretiske formler som kan beskrive hvordan broen reagerer på ulike påkjenninger fra et kjøretøy som krysser over den.

I utgangspunktet kan broens vertikale bevegelse beskrives gjennom en differensialligning, hvor et system av parameterne definerer hvordan ulike krefter virker på strukturen. Den vertikale bevegelsen til en bjelke på broen kan skrives som:

I denne analysen antar man at kjøretøyets aksler forårsaker en serie belastninger som kan beskrives som en sum av Dirac-delta funksjoner, som representerer punktbelastninger på broen. Den kontaktkraften som oppstår på broen fra akslene kan uttrykkes ved en sum over akslenes masse og posisjon. Denne formelen er nyttig i videre beregninger av hvordan broen reagerer på spesifikke akselbelastninger.

Når det gjelder de dynamiske aspektene ved broens respons, kan den vertikale forskyvningen til en enkel bjelke, som broen kan modelleres som, uttrykkes ved modalsuperposisjon. Dette innebærer at bevegelsen kan brytes ned i en sum av vibrasjonsmoduser som er karakteristiske for bjelken. Modalene beskriver hvordan broen responderer på forskjellige frekvenser og påvirkes av både strukturelle og dynamiske egenskaper som stivhet og demping. Ved å bruke Galerkins metode kan man formulere et sett med modal ligninger som gir den nødvendige informasjonen for å forutsi broens respons på kjøretøyets påvirkninger.

Ved å analysere kjøretøyets respons kan man deretter finne en referanse for kontaktbevegelsen, som kan beregnes uten å inkludere kjøretøyets egne vibrasjonsfrekvenser. Denne teknikken gir en renere analyse av broens egenskaper ved å eliminere støy fra kjøretøyets frekvenser, som ofte kan maskere broens egenfrekvenser i spekteret. Den beregnede kontaktresponsen er derfor et mer presist mål for broens vibrasjonsmoduser og kan brukes i videre analyser.

For å forenkle målingene i praksis, installeres akselerometre på kjøretøyets karosseri over de to akslene, og ved å måle vibrasjonene ved disse punktene kan man rekonstruere broens respons. Dette gir en praktisk måte å hente ut strukturelle data fra virkelige forhold, uten behov for direkte målinger på selve broen. Videre, når kontaktresponser er tilbakeberegnet fra kjøretøyets respons, kan man eliminere kjøretøyets frekvenser og hente ut de høyere modale frekvensene til broen, som er nødvendige for videre evaluering av broens tilstand.

Dette tilbakeberegningsprosessen gjør det mulig å analysere de strukturelle egenskapene til broen med høy nøyaktighet og kan anvendes i forskjellige praktiske applikasjoner som for eksempel ved hjelp av Finite Element Method (FEM) simuleringer eller feltmålinger. Den store fordelen med denne metoden er at den fjerner påvirkningen fra kjøretøyets egne dynamikk og fokuserer på broens egen respons, noe som er avgjørende for å få en pålitelig vurdering av broens tilstand.

For å beregne kontaktresponsene for et to-akslet kjøretøy, må man også ta hensyn til effekten av kjøretøyets fjæringssystem. Kjøretøyets respons til bevegelse på broen kan nemlig påvirkes av hvordan fjæringen demper vibrasjonene. For å kunne trekke ut korrekte data fra målingene, er det nødvendig å inkludere en realistisk modellering av kjøretøyets fjæringssystem og andre relevante parametre. Dette gjør at de beregnede kontaktresponsene ikke bare blir mer nøyaktige, men også mer representative for de faktiske forholdene på broen.

I det virkelige liv er det ikke alltid mulig å få direkte tilgang til broens respons under passering av kjøretøy. Derfor blir kontaktresponser, som kan beregnes fra kjøretøyets kropp, en avgjørende parameter i den praktiske anvendelsen av strukturell helseovervåking. Denne metoden kan også brukes i forbindelse med forskjellige typer broer, for eksempel de med flerfoldige spenn og kompleksere geometriske former, som kan kreve mer avanserte simulerings- og beregningsmetoder.