Vibrasjonsmodellen (VSM) er spesielt egnet for identifisering av høydensitets modale former og lokaliseringsskader i broer. Før en modalfrekvens kan identifiseres for en bro, er det nødvendig å først fastslå den tilknyttede frekvensen. Når dette er på plass, kan den modale komponentresponsen for den spesifikke frekvensen av broen skilles ut fra kjøretøy- eller kontaktsignaler ved hjelp av bandpassfiltre eller modaldekomponeringsteknikker. Dette gir muligheten til å hente ut den øyeblikkelige amplituden fra den ekstrakterte modale komponentresponsen ved hjelp av teknikker som Hilbert-transformasjon (HT), STFT (korttids Fourier-transformasjon), WT (bølgelettransformasjon) og andre metoder. Etter dette kan den modale formen til broen rekonstrueres ved å transformere den øyeblikkelige amplituden fra tidsdomenet til det romlige domenet.

Imidlertid er den modale formen som gjenopprettes gjennom disse metodene absolutt, og den må justeres basert på ingeniørens vurdering og erfaring. En annen utfordring som oppstår under identifiseringen av modale former, er forvrengningene som oppstår som følge av broens demping. For å fjerne denne forvrengningen, finnes det flere metoder som kan benyttes.

Den første metoden innebærer å identifisere broens dempningsforhold først, og deretter bruke denne informasjonen til å korrigere de identifiserte modale formene. Selv om denne metoden er enkel, er den ikke omtalt i denne boken på grunn av prosessens kompleksitet og vanskeligheten med å oppnå en nøyaktig dempningsverdi. Den andre metoden bruker et bevegelig kjøretøy for å fange den globale modale responsen til broen når kjøretøyet krysser broen, mens et stasjonært kjøretøy gir en referanserespons på et fast punkt av broen, noe som bidrar til å fjerne dempingspåvirkningen. Den tredje metoden utnytter den romlige korrelasjonen mellom for- og bakhjulene på et toakslet testkjøretøy for å etablere den globale modale responsen til broen langs dens spennlengde på ulike tidspunkter under kjøretøyets ferdsel over broen. Denne metoden gir en rekursiv formel for å fjerne dempingens forvrengningseffekt på den øyeblikkelige amplituden av broens komponentrespons. Begge disse metodene krever ikke forhåndskunnskap om broens dempningsforhold, og detaljer om dette vil bli behandlet i kapitlene 10 og 11.

Når det gjelder identifisering av broens dempningsforhold, er dette et viktig aspekt som ikke har fått den oppmerksomheten det fortjener. Nøkkelen til å identifisere dempningsforholdet er å hente ut responsen på avdempingen fra den modale komponentresponsen til broen. Imidlertid, ettersom kjøretøyets posisjon endres mens det beveger seg over broen, er det ikke så lett å hente ut denne responsen. For å løse dette kan man bruke korrelasjonen mellom for- og bakhjulene på et toakslet testkjøretøy for å fastslå broens dempningsforhold. For å identifisere dempningsforholdet til en bestemt mode av broen, bør den tilknyttede frekvensen først være tilgjengelig. På samme måte som i forrige seksjon, kan den øyeblikkelige amplituden av den spesifikke modale komponentresponsen identifiseres ved hjelp av metoder som HT, STFT, og WT. På grunn av tidsforsinkelsen mellom for- og bakhjulene, vil den øyeblikkelige amplituden som identifiseres ved bakhjulet være mindre enn den som identifiseres ved forhjulene, på grunn av dempingsnedbrytningseffekten. Ved å utnytte nedbrytningsresponsene mellom de to hjulene kan broens dempningsforhold beregnes. Mer detaljer om dette vil bli gitt i kapitlene 8 og 9.

I studiene som ble gjennomført av Yang og medarbeidere fra 1990-tallet, ble begrepet “kjøretøy–bro interaksjon” introdusert for å understreke den gjensidige betydningen av både kjøretøyets og broens vibrasjoner i studier av broens dynamiske problemer. Den dynamiske adferden til testkjøretøyet (som kan sammenlignes med et barn) er i stor grad styrt av broens vibrasjoner (som kan sees på som moren i systemet). Bygget på denne ideen, foreslo Yang et al. (2004a) VSM-metoden, opprinnelig kjent som den indirekte metoden, for å hente ut brofrekvenser ved hjelp av et skannende testkjøretøy for første gang. På de siste to tiårene har det vært betydelige fremskritt innen ulike aspekter av VSM, spesielt takket være Yangs forskergruppe.

For å vurdere virkningen av de dynamiske parametrene til kjøretøy–bro-systemet på testkjøretøyets respons, ble det gjennomført en parametrisk studie som fokuserte på å forbedre identifiseringen av brofrekvenser fra kjøretøyets respons. Studien viste at suksessen til identifiseringen av brofrekvenser i stor grad avhenger av forholdet mellom den initielle akselerasjonen til kjøretøyet og broen, kjøretøyets hastighet og andre relevante parametere.

I tillegg er det viktig å forstå hvordan disse metodene kan benyttes ikke bare til å analysere broens dynamiske respons, men også til å identifisere og overvåke strukturelle skader. Skader kan ofte føre til endringer i både modale former og dempningsforhold, noe som gjør det nødvendig med kontinuerlig overvåkning og evaluering av broens tilstand. Effektive teknikker for å fjerne dempingspåvirkningen og presist identifisere modale former gir grunnlaget for tidlig deteksjon av skadeområder, noe som kan forhindre alvorlige strukturelle svikt og forbedre vedlikeholdsplanleggingen.

Hvordan kan kjøretøy-bro-kontaktrespons brukes til å skanne brofrekvenser effektivt?

Broer spiller en uunnværlig rolle i utviklingen av både regionale og globale transportnettverk, og er essensielle for logistikken i enhver økonomi. Etter hvert som trafikkbelastningen øker og eksterne faktorer som naturkatastrofer forårsaker ytterligere slitasje, er broenes tilstand blitt et stadig mer kritisk tema. For å overvåke tilstanden til broer og sikre deres driftssikkerhet, har vibrasjonsbaserte helseovervåkningsmetoder fått økt popularitet. Disse metodene gir data som kan benyttes til å overvåke strukturell integritet. Tradisjonelt har direkte overvåkingsmetoder blitt brukt, der et stort antall vibrasjonssensorer installeres på broen for kontinuerlig å samle inn og analysere vibrasjonsdata. Denne tilnærmingen er imidlertid ressurskrevende, både i installasjon og vedlikehold. I tillegg genereres det store mengder data som kan være utfordrende å utnytte på en effektiv måte. Derfor har alternative metoder, som bruken av et kjøretøy til å skanne brofrekvenser, blitt foreslått som en løsning.

I teorien er det mulig å bruke et enkeltakslet testkjøretøy som et verktøy for å skanne brofrekvenser. Dette kjøretøyet kan modellere broens respons på en enklere måte enn mer komplekse systemer, og har vist seg å være effektivt i både eksperimentelle og teoretiske studier. Kjøretøyet, når det benyttes som en to-graders frihet (DOF)-modell, kan inkludere effekten av fjæringssystemet for å beskrive hvordan kjøretøyets hjul og karosseri reagerer på ulike frekvenser som påvirker broen. Denne tilnærmingen er spesielt nyttig for å identifisere frekvensene til en bro uten å måtte bruke flere sensorer direkte på selve strukturen. Gjennom analyse av kjøretøyets kropp, hjul og kontaktrespons kan man isolere brofrekvenser uten at kjøretøyets egne frekvenser blander seg med broens naturlige vibrasjoner.

I de fleste tilfeller er det ønskelig å kunne skille ut de spesifikke frekvensene som tilhører broen fra kjøretøyets egne frekvenser. Her kommer det foreslåtte kontaktresponsformelen til nytte. Den foreslåtte metoden for å modellere kontaktresponsen tar hensyn til både kjøretøyets fjæringssystem og hvordan de to massene i systemet—kjøretøyets hjul og karosseri—samhandler når de møter broens struktur. Ved å benytte denne tilnærmingen har det blitt funnet at kontaktresponsen gir bedre resultater for frekvenseksstraksjon enn tradisjonelle kjøretøyresponsmålinger, uavhengig av om det er inkludert demping i systemet. Dette har vist seg å være nyttig for å identifisere de første brofrekvensene i flere typer broer, ikke bare enkle bjelkebroer, men også mer komplekse bjelkebaserte strukturer.

En viktig fordel med denne tilnærmingen er at den kan implementeres via finitte elementsimuleringer, som gir rom for å fjerne flere forutsetninger som ble gjort i de lukkede formelene. Dette betyr at simuleringene kan tilby mer detaljerte og nøyaktige resultater, særlig når det gjelder broens spesifikke geometriske og materialmessige egenskaper. Parametriske studier av enkle bjelkebroer har også indikert at kontaktresponsen kan benyttes til å finne frem til broens frekvenser mer presist enn direkte målingene av kjøretøyet, og hjulresponsen er i de fleste tilfeller også nyttig, selv om den er mer følsom for ujevnheter i veibanen.

Kjøretøyets modell som et system med to masser og en aksel har blitt testet i både teoretiske og eksperimentelle sammenhenger og gir et konkret rammeverk for videre utvikling. En av de viktigste fordelene med dette systemet er at det ikke involverer den kompleksiteten som oppstår ved modeller med flere aksler, og dermed er lettere å tolke. I tillegg har det blitt funnet at fjæringssystemet spiller en viktig rolle i hvordan kjøretøyet interagerer med broen, og gir ytterligere innsikt i hvordan man kan forbedre systemet for å oppnå mer presise målinger.

I tillegg til de tekniske fordelene ved denne tilnærmingen er det viktig å merke seg at bruken av et kjøretøy for brofrekvensskanning kan være en økonomisk fordelaktig løsning, spesielt for broer som ikke har tilgang til omfattende infrastruktur for overvåkning. Ved å utnytte eksisterende transportmidler, kan frekvenser og tilstand overvåkes på en mer kostnadseffektiv måte, og dette kan være en spesielt viktig faktor for store mengder broer som finnes globalt.

De metodene som presenteres, støtter et skifte mot en mer praktisk og tilgjengelig tilnærming for brotilstandsovervåking, som kan bidra til bedre vedlikehold og tidlig oppdagelse av potensielle problemer i broers strukturelle integritet. Effektiv bruk av kjøretøy som et verktøy for skanning av brofrekvenser kan, med videre utvikling, være et avgjørende verktøy for å sikre at broer fortsetter å møte de økende kravene som stilles til transportinfrastrukturen globalt.

Hvordan ulike parametere påvirker brofrekvenser i kjøretøytester: En studie av dempingskoeffisienter, kjøretøyhastighet, miljøstøy og veiens ruhet

I tester som har som mål å identifisere brofrekvenser ved hjelp av et kjøretøy, er det flere faktorer som spiller inn, og som kan påvirke både nøyaktigheten og påliteligheten til de målingene som utføres. Kjøretøyets respons, som hjulenes akselerasjon, kjøretøyets kropp og kontaktpunktet mellom kjøretøyet og broen, er i stor grad påvirket av parametere som demping, kjørehastighet, miljøstøy og veiens ruhet.

Effekten av demping på brofrekvenser er tydelig identifisert i den eksisterende litteraturen. I studier av forskjellige dempingskoeffisienter, har det blitt funnet at økt demping i kjøretøyets fjæringssystemer fører til en svak reduksjon i amplituden av brofrekvenser. Likevel er denne effekten i praksis så liten at den kan ignoreres i de fleste tilfeller. Analysen viser at de matematiske formlene for null-demping, slik som presentert i Eq. (4.25) og Eq. (4.29), fungerer like bra for beregning av både hjul- og kontaktrespons som de for formelen med demping, spesielt i praktiske anvendelser.

Kjøretøyhastigheten spiller også en viktig rolle i hvordan brofrekvenser observeres under feltmålinger. Generelt vil høyere kjørehastigheter bidra til å forsterke vibrasjonene, spesielt for de høyere modene på broen. Høyere hastigheter kan føre til en økning i amplitudene for alle frekvenser i kjøretøyets respons, og skape et fenomen kjent som frekvenssplitting, der hver brofrekvens splittes i to grener. Dette kan føre til feiltolkninger av frekvensdataene. Videre reduserer høyere kjørehastigheter tiden for prøvetaking under testen, og kan også forsterke forstyrrelser fra veiens ruhet. Det anbefales derfor ikke å bruke for høye kjøretøyhastigheter under feltmålinger for å unngå effektene av frekvenssplitting, samtidig som man sikrer tilstrekkelig prøvetakingstid for nøyaktige målinger.

Miljøstøy, som kan forurense de målte akselerasjonene fra kjøretøyet, er en annen faktor som må tas i betraktning ved målingene. I studiene ble en støynivå på 5 % pålagt akselerasjonen av kjøretøyet for å simulere påvirkningen av miljøstøy. Denne støyen har en betydelig negativ innvirkning på nøyaktigheten av hjul- og kontaktresponsene, spesielt på høyere frekvenser som den tredje brofrekvensen, men har kun begrenset effekt på de første to frekvensene. For å motvirke effekten av miljøstøy er det viktig å bruke metoder som kan filtrere ut denne støyen for å få pålitelige resultater.

En annen viktig faktor som kan påvirke målingene er veiens ruhet. Veiens ruhet kan redusere effektiviteten til metoden som benyttes for å måle brofrekvenser, spesielt når det gjelder å identifisere de lavere frekvensene for broen. Denne ruheten kan forstyrre kjøretøyets respons og føre til høyere amplituder i kjøretøyets frekvensspekter. I praksis er det vanlig å simulere veiens ruhet ved hjelp av PSD-funksjonen fra ISO 8608, som gir et matematisk uttrykk for veiens ujevnheter. Disse funksjonene er imidlertid utarbeidet fra data hentet fra vanlige veier, og ikke nødvendigvis fra broer, noe som kan skape avvik i målingene dersom ikke spesifikke forhold på broen tas hensyn til.

Det er derfor viktig for den som gjennomfører slike tester å forstå hvordan disse ulike parametrene kan påvirke resultatene, og hvordan man kan tilpasse testmetodene for å sikre pålitelige og nøyaktige målinger. Det er nødvendig å optimalisere både hastigheten på kjøretøyet, dempingen i fjæringssystemet, samt forholdene rundt miljøstøy og veiens tilstand, for å oppnå de beste resultatene når brofrekvenser skal identifiseres ved hjelp av kjøretøytester.

Hvordan nanocellulose kan syntetiseres og brukes i moderne applikasjoner
Hvordan Internett og sosiale medier har endret medielandskapet: Fake news og tapte gatekeeping-barrierer
Hvordan implementere BFT-konsensusprotokoller på enheter med begrenset minne?