I numeriske simuleringer kan kjøretøyets vertikale akselerasjoner og vuggebevegelse lett beregnes ved hjelp av Finite Element Method (FEM). I feltforsøk kan de vertikale akselerasjonene og vuggebevegelsene til kjøretøyet beregnes ut fra akselerasjonsdataene (, ) som er registrert av venstre og høyre sensorer (Svl, Svr), slik det er illustrert i Figur 12.3. Beregningene av akselerasjonene for kjøretøyet, både vertikale og vuggebevegelser, kan gjøres ved følgende formler:
Ved starttiden og ved inngangspunktet , antas den vertikale kontaktakselerasjonen til broen å være null, dvs. . Deretter kan kontaktakselerasjonen utledes fra formelen:
Hvor er en funksjon av både de dynamiske egenskapene og akselerasjonsresponsene til kjøretøyet, og kan lett beregnes både i feltprøver og simuleringer.
For å håndtere den diskrete naturen til de registrerte eller beregnede dataene, bør de deriverte , , , og , som fremkommer i formlene, også uttrykkes i diskret form ved hjelp av finitte differensformler:
hvor representerer det -te prøvepunktet og er prøveintervallet.
Når det gjelder den laterale (radiale) bevegelsen, kan likningen for likevekt uttrykkes som:
Her er kjøretøyets laterale (radiale) forskyvning. Ved å ta den andre deriverte med hensyn til tid , får vi følgende uttrykk:
der avhenger av de dynamiske egenskapene og akselerasjonene til kjøretøyet. Det er påfallende at formlene for vertikale og radiale kontaktresponser har samme form, og blir derfor referert til som de "forenede formlene".
Når man håndterer den diskrete naturen til dataene, kan de forenede formlene også uttrykkes i diskret form som:
Dette viser at akselerasjonsdataene for kjøretøyet kan beregnes for vertikale og radiale kontaktrespons ved hjelp av de forenede formlene, som er universelle og gjelder for forskjellige typer broer, uavhengig av broens spesifikke egenskaper.
Videre vil kontaktresponsene dekomponeres ved hjelp av Variational Mode Decomposition (VMD), en teknikk som viser seg å være mer effektiv enn Empirical Mode Decomposition (EMD). VMD deles opp i komponenter med begrenset båndbredde, og kombineres med Stationary Wavelet Transform (SWT) for å konstruere vertikale og radiale modes for den buede broen. Denne kombinasjonen av bølgelettransformasjon og VMD-metoden muliggjør en detaljert tid-frekvensanalyse og gjør det mulig å rekonstruere broens moduser med høyere oppløsning.
SWT benyttes for å hente frekvenskomponentene for den buede broens vertikale og radiale akselerasjoner, og ved å bruke VMD, kan man beregne og analysere de relevante modene for broen.
I simuleringer eller feltprøver kan akselerasjonskomponentene for de vertikale og radiale responsene til den buede broen hentes ved hjelp av disse metodene, og analysene kan utføres for å identifisere hvordan kjøretøyets akselerasjoner samhandler med broens dynamikk.
Det er viktig å merke seg at de forenede formlene og VMD/SWT-metodene er svært nyttige for ingeniører og forskere som jobber med analyse og design av broer, spesielt når det gjelder simulering og testing under ulike kjøretøybelastninger. Ved å forstå de dynamiske egenskapene til kjøretøyet og broen, kan man forutsi hvordan de vil oppføre seg i virkelige forhold, og dermed utvikle mer effektive og sikre brodesign.
Hvordan forene kjøretøy- og brofrekvenser for nøyaktig analyse av kurvede broer
I numerisk simulering er både responsene til testkjøretøyet og den dempede kurvede broen tilgjengelige ved hjelp av Finite Element Method (FEM). På grunn av at responsene fra det fremre og bakre kjøretøyet er svært like, vil kun responsene fra det fremre kjøretøyet bli presentert her som illustrasjon. De vertikale, rullende og laterale (radiale) akselerasjonene til det fremre kjøretøyet, sammen med de tilsvarende spektrene, er vist i Figurene 13.5–13.7. For å lette lesningen er brofrekvenser angitt med rødt, mens kjøretøyfrekvenser er i svart i de følgende figurene.
De to første vertikale frekvensene (f_bvD,1 og f_bvD,2) for den kurvede broen kan tydelig identifiseres i spektrene for kjøretøyets vertikale og rullende responser, som vist i Figurene 13.5(b) og 13.6(b), mens den første radiale frekvensen (f_brD,1) fremgår i spektrumet for kjøretøyets radiale respons i Figur 13.7(b). Alle disse frekvensene samsvarer med de analytiske verdiene som er oppført i Tabell 13.2.
I tillegg til broens egne frekvenser, vises også kjøretøyenes egenfrekvenser i akselerasjonsspektrene. Dette er spesielt tydelig når kjøretøyets rullende og radiale frekvenser fremstår som fremtredende topper i de tilhørende spektrene vist i Figurene 13.6(b) og 13.7(b). Slike frekvenser kan maskere brofrekvenser, og det er derfor viktig å vurdere metoder for å effektivt eliminere disse kjøretøyfrekvensene for å bedre synliggjøre broens dynamiske parametere.
En mulig tilnærming for å fjerne kjøretøyfrekvenser fra kjøretøyets spektrum, samtidig som brofrekvenser blir lettere identifisert, er å bruke responser fra kjøretøy–bro kontaktpunkter (CP), i stedet for å stole på de originale kjøretøyresponsene. Dette gir mer presise resultater når broens dynamikk skal analyseres. For eksempel, i tilfelle av den radiale responsen til testkjøretøyet, som er betydelig mindre enn den vertikale responsen, må separate sensorer benyttes, og disse skal ikke behandles sammen i identifikasjonen av broens egenskaper.
En ekstra faktor å ta i betraktning er at for å oppnå maksimal overføring av signalet i den laterale retningen, bør forholdet mellom kjøretøyets og broens frekvenser (𝜔_b𝑛/𝜔) være mindre enn 2. Dette innebærer at en fjæringssystem med høyere lateralt stivhet, for eksempel en hjul-/dekkkombinasjon med høy stivhet, bør benyttes. For å ytterligere forbedre resultatene, kan man bruke metoder som tilfeldig trafikk eller ekstra shaker-systemer for å forsterke responser i praksis.
Den generelle kontaktformelen som er oppgitt i Eq. (12.59) er nyttig i denne analysen, ettersom den ikke påvirkes av kjøretøyfrekvenser, noe som gir en mer presis beregning av broens dynamiske egenskaper. Derfor er nøyaktigheten av kontaktresponsene beregnet ved hjelp av denne formelen verifisert ved sammenligning med analytiske løsninger og direkte FEM-resultater. Som et resultat kan man se at de vertikale og radiale kontaktresponsene beregnet ved hjelp av den generelle kontaktformelen gir en svært god samsvar med både analytiske og FEM-resultater, både i tids- og frekvensdomene.
Spesielt interessant er det at i Figur 13.8(a) kan man observere høye frekvenskomponenter i løpet av de første 0,5 sekundene, som kan tilskrives den andre og tredje vertikale frekvensen for broen, som er tydeligere synlige i kjøretøyets kontaktrespons enn i selve kjøretøyets vertikale og rullende respons. Disse høye frekvenskomponentene oppstår på grunn av de raske og successive kjøretøyene som entrer broen, og blir raskt dempet etter 0,5 sekunder. Den andre vertikale frekvensen for den kurvede broen, f_bvD,2, som knapt kan observeres i kjøretøyets vertikale og rullende responser, blir helt tydelig i kjøretøyets venstre kontaktpunkt, som vist i Figur 13.8(b).
Det er viktig å merke seg at denne metodikken kan være særlig nyttig i situasjoner hvor broens dynamikk er vanskelig å observere på grunn av støyen fra kjøretøyenes egne frekvenser. For å forbedre nøyaktigheten i slike analyser, kan flere faktorer vurderes, som f.eks. valget av observasjonspunkt på broen eller forbedrede målemetoder for kjøretøyresponser.
Hvordan signalbehandling og maskinlæring kan forbedre skadeidentifikasjon på broer
Signalbehandlingsteknikker har blitt et effektivt verktøy for å oppdage og lokalisere skader på broer. Flere metoder har blitt utviklet for å analysere vibrasjoner og deformasjoner i brokonstruksjoner for å identifisere skader basert på responsen fra kjøretøy som passerer over broene. Denne tilnærmingen kombinerer både fysisk modellering og avanserte beregningsmetoder som bidrar til presis skadeidentifikasjon.
En tidlig metode, foreslått av Li og Au (2014), benytter en modalt basert energimetode sammen med en genetisk algoritme (GA) for å finne skadeplasseringer i broer. Ved å analysere endringer i vibrasjonsfrekvenser mellom en intakt og en skadet bro, kan man bruke en skadeindikator til å estimere skadepunktet. Denne tilnærmingen ble videreutviklet ved å benytte en styrt genetisk algoritme for å forbedre nøyaktigheten ved bruk på broer med grove overflater (Li og Au, 2015). Metoden viste seg å være effektiv for å identifisere skadepunktene numerisk.
I tillegg til den modale strain-energimetoden, har bølgelengdebaserte metoder (wavelet) også vist seg å være nyttige for skadeidentifikasjon. Hester og González (2017) undersøkte bølgelengdeanalyse for å oppdage lokaliserte tap av stivhet i en bro. Deres forskning viste at morbølgenes form, som er nærmere komponentene i skaden, gir best resultat for skadeoppdagelse. Videre har studier som Tan et al. (2020) brukt kontinuerlig bølgelengde-transformasjon (CWT) i kombinasjon med Shannon-entropi for å bestemme skadens lokalisering og omfang. Dette metodens følsomhet for skade var avhengig av hvilken bølgelengde som hadde lavest entropi ved forskjellige skalaer.
Bruk av bølgelengdeteknikker for å identifisere skader har også blitt utvidet til å inkludere forskjellige typer skader, som for eksempel skader forårsaket av erosjon under broene, som vist i arbeidet til Zhang et al. (2022). I tillegg har Lei et al. (2024) brukt bølgelengdeteknikken for å identifisere skader basert på singulariteter i residualkontaktdefleksjonene som kan beregnes gjennom en generalisert Kalman-filter under ukjente inngangsforhold.
Andre signalbehandlingsteknikker, som Empirical Mode Decomposition (EMD), har også blitt brukt for å analysere signaler fra kjøretøy som passerer over broer. O'Brien et al. (2017a) demonstrerte hvordan EMD kan dekomponere signalene fra kjøretøy og bruke de iboende modale komponentene (IMF) til å oppdage skader ved å sammenligne signaler fra en sunn og skadet bro. Denne metoden har blitt videreutviklet av Kildashti et al. (2020), som brukte IMF-forskjeller for å detektere kabelskader på broer. Gjennom numeriske undersøkelser viste det seg at kjøretøyets vibrasjonsrespons kan brukes til å oppdage skade, samt bestemme både skadeplassering og alvorlighetsgrad.
Videre har forskere som Krishnanunni og Rao (2021) utviklet en signalbehandlingsteknikk som integrerer Tikhonov-regularisering med signalgjennomsnittsteknikk. Dette hjelper til med å kvantifisere strukturell skade mer nøyaktig ved å bruke flere kjøretøyskjøringer over broen. Mokalled et al. (2022) benyttet en Bayesiansk estimatmetode for å utføre multilevel skadeklassifisering uten behov for grunnlagsdata, og viste at metoden er effektiv selv med støyende eksperimentelle data.
Maskinlæring, spesielt dyp læring, har i senere år blitt et viktig verktøy for å forbedre skadeidentifikasjon på broer. I et arbeid av Chen et al. (2014) ble et semi-supervisert læringssystem utviklet for helsetilstandsovervåkning av broer. Denne metoden benyttet grafbasert filtrering for å tillate klassifisering av både merkede og umarkerte signaler, og dermed håndtere feilmerking i datainnsamling. Liu et al. (2019) videreutviklet en semi-supervisert algoritme for lokalisering og kvantifisering av skader ved hjelp av multitask-læring, og viste at deres metode kunne bevare de ikke-lineære egenskapene til vibrasjonssystemet i broer.
Maskinlæringsmetoder kan også brukes til å utvikle adaptiv modelloverføring, som vist i arbeidet til Liu et al. (2021). Deres HierMUD-rammeverk gjør det mulig å overføre et skade-diagnosesystem fra én bro til en annen uten behov for nye merkede data fra den nye broen. Malekjafarian et al. (2019) introduserte en to-trinns maskinlæringsmetode for skadeidentifikasjon som benyttet et kunstig nevralt nettverk (ANN) til å oppdage skader basert på kjøretøyrespons fra en strukturalt sunn bro. Denne metoden var også i stand til å identifisere skade i nærvær av veiens ujevnheter og støy i målingene.
Maskinlæring har også blitt benyttet for å håndtere temperaturpåvirkninger på broens helsetilstand. Corbally og Malekjafarian (2022a) utviklet en algoritme som kan håndtere temperatursvingninger effektivt, og dermed nøyaktig identifisere skade på broer til tross for varierende temperaturforhold. Denne typen fremgangsmåte er viktig for å oppnå robust skadeidentifikasjon gjennom et variert klima og tid på året.
Signalbehandling og maskinlæring er således to komplementære tilnærminger som kan gjøre det mulig å oppdage skade på broer med høy presisjon og i sanntid, uavhengig av støy eller unøyaktigheter i dataene. Kombinasjonen av signalbehandlingsteknikker og maskinlæring åpner nye muligheter for broovervåkning og kan bidra til å forlenge levetiden til infrastrukturen.
Hvordan kan et selvbygd testkjøretøy brukes til å måle brofrekvenser?
I eksperimentelle studier relatert til brofrekvenser, har det blitt vist at et testkjøretøy, spesielt utstyrt for å registrere vibrasjoner, kan være et effektivt verktøy for å identifisere brofrekvenser på en enkel og pålitelig måte. En viktig del av prosessen er å skille ut signalene fra kjøretøyets vibrasjoner og de naturlige frekvensene til broen. Dette krever nøyaktige målinger og en forståelse av hvordan kjøretøyets bevegelse påvirker resultatene. En grunnleggende utfordring er å kunne fjerne kjøretøyets egne frekvenser fra de målte signalene, slik at de faktiske brofrekvensene kan identifiseres tydelig.
I de eksperimentelle scenariene som er beskrevet, ble testkjøretøyet brukt til å bevege seg over broen og samle inn data om akselerasjonen. I scenario 1, hvor kjøretøyet beveger seg kontinuerlig, ble akselerasjonen og frekvensspekteret for kjøretøyet analysert. Figurene som viser resultatene fra disse testene, viser hvordan de forskjellige frekvensene i spekteret ble filtrert for å eliminere kjøretøyets egne frekvenser, samtidig som broens naturlige frekvenser ble tydeligere synlige.
Et annet interessant scenario, scenario 2, undersøker hvordan en kort stopp på broen kan påvirke resultatene. Testkjøretøyet ble tillatt å parkere midlertidig på broen i 30 sekunder. Denne stoppetiden gjør det mulig å samle mer presise data, ettersom det gir mulighet til å analysere responsen fra broen uten forstyrrelser fra kjøretøyets bevegelse. I de resulterende frekvensspekterene fra denne testen ble de første tre brofrekvensene mer tydelig identifisert, samtidig som kjøretøyets egne frekvenser ble eliminert.
Når det gjelder hvordan man kan trekke ut brofrekvenser med høy presisjon, er kontaktresponsen fra testkjøretøyet et viktig verktøy. Ved å bruke den bakover beregnede kontaktresponsen, som fjerner kjøretøyets egne frekvenser, ble broens frekvenser mer tydelig identifisert i testene. Det viste seg at kontaktresponsen var langt mer pålitelig for identifisering av brofrekvenser enn responsen fra kjøretøyets kropp, da den i mindre grad ble påvirket av kjøretøyets demping.
En annen viktig faktor som ble observert i eksperimentene, var effekten av pågående trafikk på brofrekvensene. Det ble funnet at trafikkens bevegelse kan hjelpe til med å forsterke brofrekvensene. Dette skyldes at trafikken tilfører ekstra energi til broen, og dermed kan bidra til en tydeligere identifikasjon av broens vibrasjoner. Denne dynamiske effekten er en fordel ved bruk av testkjøretøyet, da man ikke trenger å stenge trafikken på broen for å gjennomføre målingene. Trafikken kan faktisk ha en positiv effekt på identifikasjonen av brofrekvenser, noe som gjør metoden særlig nyttig for feltmålinger.
Selv om testkjøretøyet har vist seg å være effektivt i å måle brofrekvenser, er det viktig å være oppmerksom på at prestasjonen avhenger sterkt av kjøretøyets konstruksjon. Spesielt forbindelsen mellom traktoren og tilhengeren må være perfekt justert for å unngå eventuelle bevegelser som kan forstyrre resultatene. Eventuelle yaw-bevegelser kan føre til unøyaktigheter i målingene og forringe testens pålitelighet.
Resultatene fra testene indikerer at det er mulig å trekke ut de første tre brofrekvensene med høy nøyaktighet. Når kjøretøyet er i en statisk tilstand, har det vært lettere å oppdage disse frekvensene enn i en bevegelig tilstand. Dette gir verdifulle innsikter for hvordan man kan bruke testkjøretøyet i praktiske situasjoner, både i felt og i laboratoriebaserte tester.
Det er også viktig å merke seg at testkjøretøyet, i den statiske tilstanden, er i stand til å fange opp alle de relevante frekvensene, inkludert torsjonsfrekvenser som kan være vanskelige å identifisere på andre måter. Denne evnen gjør det til et kraftig verktøy for nøyaktige målinger av broens dynamikk.
I tillegg bør man være oppmerksom på at kjøretøyets demping har en signifikant innvirkning på testene. Dempingen bidrar til å redusere miljøstøyen og kan hjelpe til med å fremheve de naturlige frekvensene til broen ved å fjerne støy fra omgivelsene. Dette er en viktig detalj når man vurderer metodens nøyaktighet.
Testresultatene er svært lovende og viser at testkjøretøyet, med riktig kalibrering og riktig tilpasning, kan gi pålitelige og presise målinger av brofrekvenser. Den presenterte metoden er ikke bare effektiv for å analysere broens dynamikk, men også for å vurdere tilstanden til broen over tid, noe som kan være svært nyttig for vedlikehold og inspeksjon.
Hvordan måle og analysere vibrasjoner i broer ved hjelp av kjøretøy?
Vibrasjonsanalyse av broer er et viktig tema innen strukturhelseovervåkning og vedlikehold, spesielt når det gjelder metoder for deteksjon og identifikasjon av broer sine modaliteter. En av de mest interessante tilnærmingene er bruk av kjøretøysensorer for å skanne og analysere broens responser på kontaktpunktene som oppstår når et kjøretøy kjører over den. Denne metoden gir en effektiv måte å vurdere tilstanden til en bro uten behov for kompleks og kostbar infrastruktur, som faste sensorer.
Den teknikken som brukes til å skille og oppdage vertikale og torsjonelle mode former av tynne bjelker, benytter bølgelettransformasjon for å analysere kjøretøyets kontaktrespons. Dette kan gi verdifulle data om tilstanden til en bro, som for eksempel dens frekvenser og dempingsforhold. Ved å bruke kjøretøy som beveger seg over broen, kan forskerne hente ut informasjon om hvordan broens strukturelle integritet oppfører seg under forskjellige lastforhold.
En nyere tilnærming innebærer et kjøretøy-scanningssystem for broer som er forsterket med doble forsterkere. Dette systemet forbedrer kvaliteten på målingene og kan gjøre det lettere å identifisere spesifikke egenskaper som påvirker broens tilstand. En annen viktig teknikk er bruk av et nytt formel for å bestemme dempingsforholdet på broen ved hjelp av et kjøretøy med to hjul som benytter bølgelettransformasjon for å hente ut nøyaktige data om dynamiske responser.
Ved hjelp av slike metoder kan forskere analysere broens modale egenskaper mer presist. For eksempel, ved å bruke to tilkoblede kjøretøy kan man identifisere både vertikale og radielle dempingsforhold på krummede broer. Dette er et betydelig fremskritt, da tidligere metoder ikke hadde evnen til å analysere broer med krumning på en like nøyaktig måte.
En annen viktig teknikk som har utviklet seg er bruken av Hilbert-transformasjonen for å fjerne effekten av demping og dermed forfine analysen av broens modale egenskaper. Dette kan være spesielt nyttig når man analyserer tynne bjelker eller andre strukturer som er utsatt for høyere nivåer av demping.
Bølgelettransformasjon er et kraftig verktøy som tillater forskere å dekode de komplekse signalene som oppstår fra kjøretøyets respons. Ved å bruke bølgelettransformasjon kan man skille ut ulike vibrasjonsmoduser og analysere broens oppførsel under forskjellige forhold, noe som gir en mer detaljert og presis forståelse av broens tilstand.
Når man arbeider med kjøretøy-bro kontaktdata, er det også viktig å ta hensyn til støy og feil som kan oppstå på grunn av veiens ruhet eller kjøretøyets egen respons. En teknikk for å fjerne disse unøyaktighetene er ved å bruke en metode som eliminerer veiens grovhet og kjøretøyets frekvenser, og gir et mer nøyaktig bilde av broens resonans.
En annen viktig utfordring når man bruker kjøretøy for scanning er hvordan man kan isolere den vertikale responsen fra den torsjonelle. Nye metoder tillater forskere å gjøre dette effektivt, slik at man kan få presise målinger av begge komponentene uavhengig av hverandre. Dette åpner opp for nye muligheter for analyser av broer som er mer komplekse, slik som de som har både vertikal og torsjonal vibrasjon.
For å oppsummere, er de teknikkene som beskrives her en betydelig utvikling i hvordan man kan bruke kjøretøy som skannere for broens modale egenskaper. Gjennom innovasjoner som bølgelettransformasjon, Hilbert-transformasjon, og nye formler for demping og frekvenser, kan man få en langt mer detaljert og pålitelig forståelse av broens helse. Dette er en viktig utvikling for brovedlikehold og sikkerhet, da det tillater mer presise vurderinger av strukturelle problemer uten behov for dyre og tidkrevende inspektjoner.
For leseren er det viktig å forstå at disse teknikkene ikke bare er et produkt av ny teknologi, men også et resultat av grundige teoretiske fremskritt. Det er gjennom den kontinuerlige utviklingen av beregningsmetoder, forbedring av instrumentering og dyptgående teoretisk arbeid at vi har kommet til et punkt hvor slike metoder kan benyttes effektivt i praksis. Det er derfor avgjørende å ikke bare forstå hvordan disse metodene fungerer, men også hvordan de kan integreres i eksisterende systemer for broovervåkning og vedlikehold for å sikre langvarig og effektiv infrastrukturforvaltning.

Deutsch
Francais
Nederlands
Svenska
Norsk
Dansk
Suomi
Espanol
Italiano
Portugues
Magyar
Polski
Cestina
Русский