Hvordan skanne og identifisere broens modale egenskaper ved hjelp av kjøretøyrespons

Broer spiller en avgjørende rolle i transportinfrastrukturen ved å knytte sammen veier som er separert av naturlige eller kunstige barrierer. På grunn av deres betydning for transporteffektiviteten og regional økonomisk utvikling, er tilstanden til broene av stor interesse for både forskere og ingeniører. Broer kan imidlertid svekkes på grunn av aldring, overbelastning og naturkatastrofer som jordskjelv, tyfoner og oversvømmelser, noe som gjør det nødvendig med kontinuerlig overvåkning av deres helsetilstand. Tradisjonelt har vibrasjonsbaserte metoder vært brukt til strukturell helseovervåkning av broer, og disse metodene gir viktige referanser for administrasjon og beslutningstaking.

Tidligere har broens respons blitt målt direkte ved hjelp av vibrasjonssensorer installert på broen. Denne metoden har imidlertid sine ulemper, som høye kostnader og begrenset levetid for sensorene i forhold til broens levetid. Denne metoden har derfor primært blitt brukt for strategisk viktige eller strukturelt spesielle broer. Med raskere utvikling av kort- og mellomlangspennbroer har det blitt nødvendig å finne mer kostnadseffektive metoder for helseovervåkning.

En av de nyeste metodene som har fått oppmerksomhet er bruk av et kjøretøy utstyrt med akselerometre for å hente ut brofrekvenser. Denne metoden, kjent som den indirekte metoden eller Vehicle Scanning Method (VSM), bruker kjøretøyet som et "scanningsverktøy" for å samle inn data om broens dynamiske egenskaper uten direkte sensorer på broen. VSM har blitt betydelig forbedret de siste to tiårene, både når det gjelder programvare og maskinvare.

For å effektivt trekke ut de dynamiske egenskapene til broen, er det avgjørende å bruke kraftige signalbehandlingsmetoder. Teknologier som EMD (Empirical Mode Decomposition), VMD (Variational Mode Decomposition), og wavelet-transformasjon er blitt brukt for å skille og rekonstruere de vertikale og torsjonsfrekvensene av broen. Wavelet-transformasjonen er spesielt nyttig for å identifisere de respektive modeformene, selv i tilfelle av grovt underlag. Dette har vist seg å være effektivt i praksis, og gjør det mulig å analysere broens tilstand på en kostnadseffektiv måte, selv i utfordrende feltsituasjoner.

Kjøretøyets respons kan imidlertid føre til utfordringer i analysen, ettersom frekvensene fra kjøretøyet kan maskere brofrekvenser i det innsamlede datasettet. En metode for å håndtere dette problemet er å bruke kjøretøyets kontaktsignaler med broen i stedet for kjøretøyets egen respons. Dette eliminerer kjøretøyets påvirkning og lar forskerne lettere identifisere høyere modefrekvenser av broen, som er avgjørende for å vurdere broens tilstand.

En annen viktig utfordring når man bruker VSM, er å skille mellom de vertikale og torsjonale frekvensene, spesielt ettersom de ofte overlapper hverandre. Den foreslåtte tilnærmingen, som bruker både vertikale og rokkerende bevegelser fra kjøretøyets kontaktrespons, har vist seg å være effektiv i å separere disse frekvensene uten å måtte kjenne til de spesifikke modeformene på forhånd. Denne metoden gir en klarere forståelse av broens dynamiske egenskaper og gjør det mulig å identifisere potensielle skader og svekkelser.

For å forbedre presisjonen ytterligere, har flere avanserte signalbehandlingsmetoder blitt implementert, inkludert Kalman-filteret og partikelfilterteknikker. Disse metodene bidrar til å filtrere ut støy og forbedre nøyaktigheten av de identifiserte frekvensene. Ved å bruke slike metoder kan man oppnå mer pålitelige resultater, noe som er spesielt viktig når man jobber med broer som kan være utsatt for dynamiske belastninger og variasjoner i miljøforholdene.

I tillegg til frekvensanalyse er det også viktig å fokusere på broens modeformer, da disse gir informasjon om broens lokale tilstand og potensielle skader. For eksempel har endringer i modeformene blitt brukt til å identifisere skader ved å analysere forskjellene mellom intakte og skadde broer. Skader kan også detekteres ved hjelp av modifikasjoner i modeformenes krumning eller ved hjelp av spesifikke indekser, som for eksempel modeformens arealindeks. Dette gjør det mulig å få en detaljert vurdering av broens tilstand uten behov for omfattende og kostbare inspeksjoner.

Det er viktig å merke seg at selv om VSM-metoden tilbyr en kostnadseffektiv og ikke-invasiv tilnærming for broovervåkning, er den ikke uten utfordringer. Det er fortsatt tekniske barrierer som må overvinnes, for eksempel å håndtere støy i dataene og skille mellom ulike kilder til vibrasjoner. Likevel, ved å benytte avanserte signalbehandlingsteknikker og nøye kalibrerte testkjøretøy, kan VSM bidra til mer presise og pålitelige vurderinger av broers strukturelle helse.

Hvordan undersøke de dynamiske egenskapene til tynne bjelker med et firehjuls testkjøretøy

For å analysere de dynamiske egenskapene til tynne bjelker, spesielt med fokus på torsjons- og fleksuralmoduser, kan et effektivt verktøy være bruk av kjøretøy for scanning av broer. Denne metoden gir verdifull innsikt i hvordan broer reagerer på dynamiske krefter, og kan anvendes på flere typer broer, inkludert flerfeltsbroer og buede broer. I dette kapitlet beskrives en metode for samtidig å hente ut frekvenser, dempningsforhold og moduser for slike strukturer ved å benytte et testkjøretøy.

For det første er det viktig å forstå at et firehjuls testkjøretøy er en kompleks modell som gir mulighet til å analysere broer i flere dimensjoner samtidig. Denne modellen tar hensyn til kjøretøyets vertikale bevegelser, rullende bevegelser (rocking) og pitching (vridning), samt vertikale bevegelser av hvert av de fire hjulene. Kjøretøyet er koblet til broen via fjær-demper-enheter, og målingene av hjulenes bevegelser kan gi viktig informasjon om broens dynamikk.

En betydelig utfordring i denne typen analyser er behovet for å opprettholde nøyaktigheten til de dynamiske målingene. Demping i både broen og kjøretøyets fjæringssystem kan forvride de observerte resultatene. For å unngå dette benyttes en metode som baserer seg på forholdet mellom amplituden av modalpunktene på de forskjellige hjulene, som gir mulighet til å rekonstruere broens moduser uten forvrengning forårsaket av demping.

Ved hjelp av en numerisk studie, som validere teoriene, blir det mulig å teste påliteligheten til de foreslåtte metodene. Denne validiteten er avgjørende for å kunne stole på resultatene fra testen, spesielt når det gjelder beregningene av broens dempingsforhold og moduser. Videre kan de parametiske studiene bidra til å analysere hvordan forskjellige faktorer som kjøretøyets hastighet, broens demping, kjøretøyets eksentrisitet, og veiens ujevnheter påvirker resultatene. Denne informasjonen er viktig for å forstå hvordan disse faktorene kan påvirke de dynamiske responsene til både broen og kjøretøyet.

I tillegg til de grunnleggende teoretiske aspektene som er beskrevet, er det avgjørende å forstå at metoden kan utvides til å analysere broer under forskjellige forhold. For eksempel kan metoden tilpasses analyser av broer med varierende støtteforhold eller kurvede broer, som innebærer en annen type respons under belastning.

En viktig del av denne tilnærmingen er også det matematiske grunnlaget som benyttes til å beskrive broens og kjøretøyets bevegelser. Her benyttes avanserte differensialligninger som tar hensyn til både de vertikale og torsjonelle bevegelsene til både kjøretøyet og broen. Disse ligningene reflekterer de dynamiske interaksjonene mellom kjøretøyet og broen, og gir et detaljerte bilde av hvordan belastningene fordeles over strukturen. Når disse ligningene kombineres med numerisk simulering, kan de gi svært nøyaktige prediksjoner av hvordan broen vil reagere på ulike dynamiske påkjenninger.

En ytterligere viktig innsikt er hvordan metodeutviklingen for simultan skanning av broens modaliteter kan anvendes i praktiske scenarier. For eksempel kan denne teknologien brukes til å monitorere broens tilstand over tid, og dermed gi tidlige advarsler om strukturelle problemer som kan oppstå. Dette kan være spesielt nyttig for broer som er utsatt for hyppig trafikk eller andre belastninger som kan føre til gradvis svekkelse av strukturen.

Metodens robusthet kan også testes gjennom implementeringen i ulike typer broer, som kan gi en bedre forståelse av de spesifikke kravene og utfordringene forbundet med brokonstruksjon og vedlikehold. Dette kan inkludere broer med forskjellige støttebetingelser, variasjoner i broens form, og forskjeller i kjøretøybelastning og bevegelsesmønstre.

Hvordan brodemping påvirker modalskader og identifikasjon av skader

Broer, som viktige infrastrukturområder, er utsatt for ulike påvirkninger, inkludert dempingen som oppstår ved interaksjonen mellom brostrukturen og kjøretøyet. Denne dempingen, selv om den bidrar til stabiliteten og komforten for kjøretøyene, har en betydelig effekt på de modale formene til broen, spesielt når det gjelder hvordan vi analyserer og tolker disse formene.

En annen utfordring ved å hente ut modale former fra broens dynamikk er den forvrengningen som kan oppstå på grunn av broens demping. For å adressere dette, utviklet Yang et al. (2024a) en normalisert formel som bruker responsen fra både et bevegelig og et stasjonært kjøretøy, uten behov for å vite broens dempingsforhold på forhånd. Det bevegelige kjøretøyet brukes til å kartlegge den globale modale responsen til broen, mens det stasjonære kjøretøyet skaper en referanserespons som kan benyttes til å fjerne effektene av dempingen. Ved å analysere komponentamplitudene som er hentet gjennom enten Hilbert Transform (HT) eller Wavelet Transform (WT), har Xu et al. (2024b) utviklet en rekursiv formel som bruker den romlige korrelasjonen mellom de fremre og bakre kontaktpunktene (CP) på et to-akslet kjøretøy for å beregne modale former.

Det har også blitt utviklet metoder for å identifisere skader på broer, et område av stor praktisk betydning for vedlikehold og operasjonell sikkerhet. Yau et al. (2017) foreslo en teknikk som bruker bølgelengdekarakteristikker for å oppdage skader i broens bjelker. Denne metoden benytter seg av informasjon om bølgelengden til bjelken, som kan beregnes indirekte gjennom den vertikale responsen fra et kjøretøy som beveger seg over broen. Slike teknikker har vist seg å være lovende for å oppdage både mindre og mer omfattende skader.

Zhang et al. (2018) gikk et skritt videre ved å utvikle et skadeindeks som kalles Instantaneous Amplitude Squared (IAS), som benyttes til å detektere skader ved hjelp av komponentanalyse og HT. Denne metoden viser seg å være sensitiv for skader selv under forhold med støy eller ujevnheter på veibanen, og har den fordelen at den ikke krever noen baseline målinger før skaden skjer.

I tillegg har metoder som involverer veibanereaksjoner og detektering av track modulus blitt utvidet til jernbanespor. Yang et al. (2020d) har vist hvordan man kan bruke responsen fra et bevegelig kjøretøy til å detektere stivheten i sporene ved hjelp av et mekanisk modell av en enkel bjelke som ligger på en elastisk grunn. Dette er spesielt relevant for detektering av stivhetsendringer i jernbanesporsystemer og har fått praktisk betydning i både bro- og spordiagnostikk.

Denne omfattende tilnærmingen til å identifisere demping, skader og modale former er ikke bare en teknisk nødvendighet, men en kritisk del av broens vedlikeholdsstrategi. Evnen til å nøyaktig kartlegge broens dynamiske respons og raskt oppdage skader kan redusere kostnader, forhindre ulykker og forbedre sikkerheten i infrastrukturen.

Hva er betydningen av modale koordinater og bevegelser i analysen av broer og kjøretøyinteraksjoner?

I studier som involverer dynamiske analyser av broer og kjøretøy, er begrepet "modale koordinater" essensielt for å forstå de komplekse interaksjonene som skjer under belastning. Modale koordinater refererer til de ulike uavhengige bevegelseskomponentene som beskriver vibrasjonene i et system. Dette begrepet er spesielt relevant når man undersøker hvordan kjøretøy påfører dynamiske krefter på broer og hvordan broens struktur responderer på disse kreftene.

Kjøretøyets interaksjon med broen kan også påvirkes av kontaktpunktene mellom kjøretøyet og broen. Hvert kontaktpunkt har sitt eget sett med modale koordinater. For eksempel kan forskyvningene for de fremre og bakre hjulene til et toakslet kjøretøy modelleres separat, som i $ywf$ for det vertikale forskyvningen til det fremre hjulet og $ywr$ for det bakre hjulet. Dette skiller seg fra den stasjonære forskyvningen av kjøretøyets kontaktpunkter som for eksempel $ys$, som refererer til den vertikale bevegelsen av kjøretøyets kropp.

Når det gjelder modelleringsaspektet, er det også viktig å vurdere hvordan bølgetransformasjoner, som for eksempel wavelet-transformasjonen, kan brukes til å analysere tidsvariasjonene i bevegelsene. Dette gir en mer detaljert fremstilling av hvordan responsen til systemet varierer over tid og gir mulighet for å identifisere spesifikke periodiske hendelser som kan føre til kritiske vibrasjoner.

I tillegg til de tekniske aspektene, er det også nødvendig å forstå de praktiske implikasjonene av disse analysene. Å ha en dyp forståelse for modale bevegelser og hvordan kjøretøyet påvirker broens strukturelle respons er avgjørende for design og vedlikehold av infrastrukturer, spesielt når det gjelder sikkerhet og levetid på broer. Når man utvikler modeller for simulerte interaksjoner, bør det tas hensyn til faktorer som kjøretøyets vekt, akselavstand, og de spesifikke lastforholdene for både stasjonære og bevegelige kjøretøy.

For leseren er det viktig å merke seg at selv om disse dynamiske analysene er avgjørende for sikkerhetsvurdering og broens strukturelle integritet, er de også et verktøy for å utvikle bedre forståelse av kjøretøy-bro interaksjoner. De gir mulighet for å designe broer som kan håndtere dynamiske belastninger mer effektivt, og de legger grunnlaget for utvikling av mer sofistikerte modeller som kan brukes i fremtidens infrastrukturprosjekter.