Hvordan Demping, Fart, Eccentrisitet og Veiens Ruhet Påvirker Identifiseringen av Modusformer på Bruer

I studien som er utført, ble effektene av ulike parametere på identifikasjonen av modusformer for en bro undersøkt. Fokus ble lagt på kjøretøyets demping, lateral posisjon (eccentrisitet), hastighet, og veiens ruhet. Alle disse faktorene kan i stor grad påvirke nøyaktigheten av den identifiserte modusformen til broen. Det ble observert at nøyaktigheten av identifikasjonen, målt ved Modal Assurance Criterion (MAC), varierer med endringer i disse parametrene.

Eccentrisiteten til kjøretøyet, eller den laterale posisjonen på broen, ble også vurdert. Det ble gjennomført simuleringer der kjøretøyet beveget seg i tre forskjellige posisjoner på veien, som representerte forskjellige laterale avstander til broens sentrum. Uavhengig av hvor kjøretøyet befant seg på broen, viste det seg at de vertikale og torsjonelle modusene var svært like, og MAC-verdiene viste at identifikasjonen var presis på tross av kjøretøyets laterale posisjon. Dette er en viktig observasjon, da det indikerer at broens respons på vibrasjonene fra kjøretøyet er relativt uavhengig av hvor på broen kjøretøyet kjører. Imidlertid ble det også observert at når kjøretøyet er nærmere broens kant, øker amplituden på torsjonale og fleksible vibrasjoner, og derfor anbefales det å utføre modusanalyse med kjøretøyet nærmere kanten for å få en klarere vurdering av torsjonelle modusformer.

En annen faktor som påvirker kvaliteten på modusidentifikasjonen, er veiens ruhet. Ruheten i veibanen introduserer støy i dataene som kan forvrenge resultatene. Ruheten på veien ble simulert ved hjelp av PSD-funksjonen i henhold til ISO 8608-standarden for veiens profil, og resultatene viste at det finnes en betydelig innvirkning på kvaliteten på den innhentede dataen. Selv om veien har en viss ruhet, kan eksisterende trafikk bidra til å forsterke den vibrasjonen som overføres til broen, og dermed forbedre identifikasjonen av modusformer. Det anbefales imidlertid å være oppmerksom på hvordan denne ruheten kan påvirke resultatene, spesielt når det er snakk om svært ujevn vei.

Hvordan kan man identifisere vibrasjonsmoduser for broer ved hjelp av kjøretøy?

Bruk av kjøretøy som sensorer for å overvåke broers tilstand og dynamiske egenskaper har fått økt oppmerksomhet i forskningen på siste årene. Flere studier har vist at kjøretøy, som passerer over broer, kan fange opp relevante vibrasjonsdata som kan brukes til å identifisere broens dynamiske parametere, som frekvenser og moduser. Dette gir en effektiv måte å gjennomføre brotilstandsovervåking uten behov for tradisjonelle sensorer som er fast installert på broene.

En av de primære metodene for å identifisere broens vibrasjonsmoduser er gjennom analysen av dataene som samles inn fra kjøretøy som passerer over broen. Dette kan innebære bruk av akselakselerasjon eller responsen på kontaktpunktene mellom kjøretøyet og broen. Slike metoder er ofte basert på såkalt “drive-by” overvåkning, der kjøretøyets bevegelser og vibrasjoner brukes til å utlede informasjon om broens tilstand. En viktig utfordring i dette området er hvordan man håndterer effektene av forskjellige kjøretøybevegelser og miljøfaktorer som kan påvirke resultatene.

I en rekke studier, som de utført av Liu et al. (2023), har forskere utviklet prosedyrer for å hente ut broens vibrasjonsmoduser basert på responser fra kjøretøy i bevegelse. Disse metodene kan bruke både dynamiske responser fra kjøretøyets aksel og eventuelle trykkforskjeller som kan oppstå mellom kjøretøyets dekk og broens overflate. Slike prosesser krever avanserte signalbehandlingsteknikker for å kunne separere effektene av kjøretøyet fra de faktiske vibrasjonene i broen.

En annen viktig tilnærming som har blitt utforsket, involverer identifikasjon av broens resonansfrekvenser gjennom data samlet fra kjøretøy i forskjellige hastigheter. Ved å analysere de såkalte kryss-spektre mellom kjøretøyets vibrasjoner og broens respons, kan forskere identifisere karakteristiske frekvenser for broens vibrasjonsmoduser. Dette gjør det mulig å vurdere broens dynamiske egenskaper under reelle forhold, uten å måtte installere spesifikke overvåkingssystemer på selve broen. Slike metoder er både kostnadseffektive og fleksible, ettersom de kan brukes på eksisterende infrastruktur og kjøretøy.

Kombinasjonen av moderne signalbehandlingsteknikker og tilgjengeligheten av mobile sensorer, som smarttelefoner, har åpnet nye muligheter for broovervåking. Flere studier har undersøkt bruken av smarttelefoner som dynamiske sensorer for å fange opp vibrasjoner og spenninger som oppstår under kjøring. Matarazzo et al. (2022) har for eksempel demonstrert hvordan smartphone-basert crowdsensing kan brukes til å samle inn vibrasjonsdata fra et stort antall kjøretøy og bruke disse dataene til å overvåke broers tilstand.

Det finnes flere utfordringer i utviklingen av pålitelige og presise metoder for broovervåking ved hjelp av kjøretøy. En av de største utfordringene er hvordan man kan skille mellom broens naturlige vibrasjoner og andre støyfaktorer, som for eksempel kjøretøyets egen vibrasjon eller eksterne miljøpåvirkninger. Moderne teknikker som maskinlæring og Bayesiansk estimering har blitt brukt for å håndtere disse problemene, og flere forskere, som Mokalled et al. (2022), har foreslått metoder for å klassifisere og detektere skader på broer ved hjelp av data fra kjøretøy som passerer.

Det er også viktig å merke seg at teknologiske fremskritt innenfor IoT (Internet of Things) og sensornettverk har muliggjort en mer desentralisert tilnærming til broovervåking. Gjennom bruk av mobile sensorer og tilkoblede enheter kan man samle inn data på en kontinuerlig basis fra kjøretøy som krysser broer, og på den måten bygge et detaljert bilde av broens tilstand over tid.

For leseren som ønsker å forstå potensialet i denne teknologien, er det viktig å ha en klar forståelse av hvordan de forskjellige komponentene – fra signalbehandling og dataanalyse til den praktiske implementeringen av mobile sensorer – fungerer sammen for å gi nøyaktige resultater. Samtidig er det essensielt å være klar over de metodiske utfordringene som fortsatt eksisterer, særlig når det gjelder å skille mellom data fra broens vibrasjoner og støy fra kjøretøyet eller miljøet. Teknologiske forbedringer på disse områdene vil kunne gi enda mer pålitelige og effektive metoder for broovervåking i fremtiden.

Hvordan kjøretøy påvirker broers dynamiske atferd og modal identifikasjon

Det er veldokumentert at kjøretøy og broer påvirker hverandre dynamisk når et kjøretøy krysser broen. Denne samspillet mellom kjøretøy og bro, kjent som kjøretøy-bro interaksjon, har vært gjenstand for omfattende forskning. Flere studier har undersøkt hvordan bevegelser og frekvenser relatert til kjøretøy påvirker broens strukturelle respons, og hvordan disse effektene kan benyttes til å evaluere og overvåke broers tilstand. Den dynamiske samspillet mellom kjøretøy og bro har direkte innvirkning på broens vibrasjonsmønstre og frekvenser, som kan gi informasjon om broens helse og stabilitet.

Når et kjøretøy beveger seg over broen, induseres et sett med vibrasjoner i broen, og de resulterende responsene kan brukes til å analysere broens dynamiske egenskaper. Denne teknikken er særlig nyttig i forbindelse med broinspeksjoner, hvor det kan være vanskelig å få tilgang til broens underliggende strukturer uten å utføre omfattende fysiske tester. I stedet kan kjøretøyene fungere som et diagnostisk verktøy ved å registrere og analysere de dynamiske responsene som oppstår under deres ferdsel.

For å kunne utføre denne typen analyser effektivt, er det viktig å forstå hvordan frekvensene og vibrasjonene av kjøretøyet er relatert til de strukturelle egenskapene til broen. Gjennom studier som involverer kjøretøy og broer, har man utviklet metoder for å identifisere broens modalparametre, inkludert frekvenser og moduser, ved å analysere hvordan kjøretøyets dynamiske respons påvirker broens vibrasjoner. Slike analyser har blitt brukt til å oppdage potensielle skader eller degradering i broen, som kan være vanskelig å oppdage gjennom tradisjonelle inspeksjonsmetoder.

Frekvensene som genereres under kjøretøyets ferdsel, avhenger i stor grad av både kjøretøyets hastighet og broens geometriske og materialegenskaper. Endringer i broens tilstand, for eksempel på grunn av skade eller forringelse, kan føre til endringer i de dynamiske frekvensene som kan observeres når kjøretøyet krysser broen. Dette har ført til utviklingen av metoder for å estimere broens tilstand ved hjelp av kjøretøyets respons, en teknikk som kan være både kostnadseffektiv og ikke-invasiv.

Forskning har også undersøkt hvordan kjøretøy med spesifikke egenskaper, som for eksempel akselavstand og massefordeling, påvirker de dynamiske responsene som registreres. En viktig faktor i denne analysen er hvordan kjøretøyet interagerer med broens fleksibilitet, og hvordan dette kan utnyttes til å identifisere strukturelle egenskaper som stivhet og dempingsforhold. Spesielt har studier som involverer bøyning og skjærkraft i broens bjelker gitt innsikt i hvordan man kan identifisere broens modalformer ved hjelp av kjøretøybaserte tester.

Videre har forskere utviklet metoder for å isolere og fjerne forstyrrende faktorer som kan påvirke de dynamiske signalene, som veibanens ujevnheter og kjøretøyets egen resonansfrekvenser. Dette har gjort det mulig å få mer presise målinger av broens modale frekvenser og dermed mer nøyaktige vurderinger av dens strukturelle tilstand. Nye teknikker som involverer flere kjøretøy som fungerer samtidig som sensorer, har også blitt introdusert for å gi en mer omfattende analyse av broens respons.

En annen viktig utvikling er bruken av støyreduksjonsteknikker og statistiske metoder for å bearbeide de innsamlede dataene. Teknikker som empiri-modus-dekomposisjon (EMD) og stokastisk subromidentifikasjon (SSI) er blitt brukt for å trekke ut de relevante modalparametrene fra kjøretøyets respons, samtidig som støy og andre forstyrrende faktorer blir fjernet. Denne tilnærmingen har vist seg å være effektiv i å forbedre nøyaktigheten av frekvensidentifikasjonen, særlig i tilfeller der broene er utsatt for komplekse vibrasjoner.

Det er viktig å merke seg at selv om kjøretøy-bro interaksjon gir verdifull informasjon om broens tilstand, er det flere faktorer som kan påvirke resultatene, inkludert kjøretøyets hastighet, akselavstand, og de spesifikke egenskapene til broens struktur. Derfor er det viktig å kombinere kjøretøybasert inspeksjon med andre metoder for å få en mer helhetlig forståelse av broens tilstand. Bruken av flere kjøretøy eller avanserte målesystemer kan også bidra til å øke nøyaktigheten og påliteligheten av resultatene.

Endtext

Hvordan forbedre vibrasjonsmåling for broer ved hjelp av kjøretøyets kontaktrespons

I lys av numeriske simuleringer og feltprøver, kan vi trekke følgende konklusjoner: (1) Den forbedrede prosedyren for kontaktrespons er pålitelig for å skanne de første brofrekvensene; (2) Ytelsen til kontaktresponsen er alltid bedre enn kjøretøyresponsen for alle studerte scenarier; og (3) Pågående trafikk har en positiv effekt som kan oppveie de negative effektene av overflatens ruhet.

Broer er en kritisk del av transportinfrastrukturen, og deres tilstand er avgjørende for å opprettholde normal funksjon i livslinjenettet. På grunn av aldring, overbelastning, samt naturkatastrofer som jordskjelv, tyfoner og flom, kan broens helsetilstand forverres på ulike måter i løpet av dens levetid. Dette kan inkludere materialforringelse, sprekker i tverrsnitt, løsnet eller ødelagt tilkobling, støtte-settelser, og erosjon i kolonnefundamenter. For å vurdere helsetilstanden til en bro er vibrasjonsbaserte overvåkingsmetoder mye brukt for å diagnostisere variasjoner i broens modale egenskaper, spesielt vibrasjonsfrekvenser.

For å omgå disse utfordringene ble den indirekte metoden, eller kjøretøy-scanningsmetoden (VSM), foreslått av Yang et al. (2004a) for å detektere broens modale egenskaper ved hjelp av et instrumentert kjøretøy. Denne teknikken har blitt eksperimentelt verifisert gjennom feltundersøkelser (Lin og Yang, 2005; Yang et al., 2013b, 2020f) og laboratorietester (Urushadze og Yau, 2017; Li et al., 2019b). Metoden krever ikke sensorer på selve broen, noe som gir den fordeler som mobilitet, effektivitet og økonomi. Ved hjelp av testkjøretøyet har man ikke bare vært i stand til å oppdage naturlige frekvenser, men også andre egenskaper ved broen, som modale former, dempingsforhold, og til og med skader.

I virkeligheten kan imidlertid demping ikke ignoreres, og effekten av kjøretøyets demping på VSM har blitt studert, spesielt hvordan det påvirker målingene av broens egenskaper. Tidligere har det blitt vist at kjøretøyets demping kan påvirke både kjøretøyfrekvensen og ujevnheter på veiens overflate, noe som kan komplisere målingen av broens frekvenser, særlig når det er en kombinasjon med ruhet på veibanen.

En utfordring med VSM er at kjøretøyets respons kan inkludere en kjøretøyfrekvens, som gjør det vanskelig å ekstrahere broens frekvenser i spektralanalysen. For å løse dette problemet har det blitt foreslått at kjøretøyets kontaktrespons (CP) med broen kan være en bedre parameter for å skanne broens egenskaper. Siden CP beveger seg på broen sammen med testkjøretøyet, kan det ikke måles direkte, men kan beregnes ved hjelp av en bakover-prosedyre. Fordelen med kontaktresponsen er at den er fri for kjøretøyets frekvens, noe som gjør det lettere å oppdage flere brofrekvenser.

Tidligere har det blitt demonstrert at kontaktrespons kan brukes til å identifisere brofrekvenser, modale former, dempingsforhold og til og med skader på broen. Denne studien representerer en forbedring av kontaktrespons-algoritmen i Yang et al. (2018a), hvor effekten av kjøretøyets demping er tatt med i betraktningen. Kontaktrespons-formelen som presenteres i denne studien er nå ansett som standarden og kan tilpasses ulike kjøretøy-modeller.

Endelig er det viktig å forstå at broens tilstand ikke bare er et resultat av teknologiske løsninger, men også hvordan disse løsningene tilpasses det virkelige miljøet. Dette inkluderer trafikkvolum, værforhold, og hvordan infrastrukturen påvirker de tekniske systemene over tid. Teknologien som brukes må derfor utvikles og tilpasses kontinuerlig for å møte de dynamiske utfordringene som broene står overfor i sitt daglige liv.

Hvordan forstå de tekniske parametrene i forbindelse med kjøretøy-bro interaksjon

Når vi analyserer interaksjonen mellom et kjøretøy og en bro, er det viktig å forstå ulike tekniske begreper og symboler som beskriver bevegelsene og kreftene som påvirker både kjøretøyet og broen. Denne interaksjonen kan være kompleks, ettersom den involverer både de strukturelle egenskapene til broen og dynamikken til kjøretøyet som beveger seg over den.

En annen viktig parameter er kontaktkreftene som oppstår mellom kjøretøyet og broen. Disse kreftene kan være forskjellige avhengig av om kjøretøyet er i bevegelse eller stillestående. $Fc$ refererer til den generelle kontaktkraften mellom kjøretøyet og broen, mens $Fcl$ og $Fcr$ beskriver spesifikke kontaktkrefter for venstre og høyre hjul på et enkeltdrevne kjøretøy i to-dimensjonale grader av frihet (DOF). Bevegelsen til kjøretøyet fører til krefter som ikke bare er vertikale, men også laterale og sentrifugale, som $Fcr1$ og $Fcr2$, som beskriver de sentrifugale kreftene som genereres av kjøretøyets bevegelse på en horisontal kurve.

Spenningen i systemet kan også beskrives ved hjelp av forskjellige stivhetsparametre, som $ks$, som representerer fjærstivheten til et stillestående kjøretøy, og $kv$, som beskriver stivheten til kjøretøyets hjul i forskjellige deler av kjøretøyet. Disse parametrene er viktige for å forstå hvordan kjøretøyets fjæring og vekten fordeles over broen, og hvordan broen vil deformeres under belastningen.

Det er viktig å merke seg at disse tekniske parameterne ikke opererer isolert. De er en del av et større system hvor hvert element påvirker de andre, og derfor må analysen omfatte både de strukturelle og dynamiske egenskapene til både kjøretøyet og broen. Hvordan kjøretøyet beveger seg, hvor raskt det går, og hvordan det fordeler kreftene på broen, har stor innvirkning på broens integritet og levetid. Samtidig kan broens egenskaper, som stivhet og resonansfrekvenser, påvirke hvordan kjøretøyet reagerer under bevegelse.

Endelig er det avgjørende å forstå at denne typen analyse er viktig for broens design og vedlikehold. Kunnskap om hvordan kjøretøy og bro samhandler, og hvordan forskjellige faktorer som eksentrisiteter, kontaktkrefter og frekvenser spiller sammen, kan bidra til å forutse potensielle problemer som kan oppstå over tid. Dette kan hjelpe til med å utvikle bedre vedlikeholdsstrategier, og optimalisere broens design for å minimere risikoen for skader som kan oppstå på grunn av dynamiske belastninger.