Hvordan numerisk verifisere kontaktresponsene tilbakeberegnet fra kjøretøyets aksler

I simuleringen av kjøretøy-bro interaksjonen (VBI) benyttes flere elementer for å representere broen, hvor akslene på kjøretøyet påvirker broens elementer direkte. Testkjøretøyet beveger seg med en bestemt hastighet $v$ over en brobjelke, og har to aksler som direkte påvirker elementene $i$ og $j$ på broen. Kontaktpunktene mellom kjøretøyets aksler og brobjelken har en spesifikk ruhetsprofil som er beregnet ved hjelp av PSD-funksjonen i henhold til ISO 8608-standarden. Denne profilens påvirkning på de resulterende kontaktkreftene er en viktig faktor som må tas i betraktning ved simuleringene. Kjøretøyets bevegelser og broens deformasjon er derfor nært knyttet til denne kontaktkraften, og broens elementer må være i stand til å ta høyde for disse variablene under simuleringen.

Når kjøretøyet beveger seg over broen, kan de første tre brofrekvensene identifiseres klart i spektrene for både den vertikale akselerasjonen (figur 7.5) og den rotasjonsmessige akselerasjonen (figur 7.6). Den første brofrekvensen er lett gjenkjennelig, mens den andre brofrekvensen raskt reduserer amplituden, og den tredje blir nesten usynlig i den vertikale responsen, men synlig i den rotasjonsmessige responsen. Dette fenomenet skyldes i stor grad den "skyggeeffekten" som oppstår fra kjøretøyets egne frekvenser, som maskerer de høyere brofrekvensene i det numeriske spekteret.

En av de viktigste metodene for å få de brofrekvensene mer synlige i kjøretøyets spektrale respons er å bruke de tilbakeberegnede kontaktresponsene for kjøretøyets aksler. Disse responsene kan finnes ved å bruke analoge beregninger og ved å sammenligne de numeriske resultatene fra finite element-metoden (FEM) med de tilbakeberegnede dataene. Når disse kontaktresponsene sammenlignes med dataene fra broen, viser det seg at de tilbakeberegnede verdiene er svært nøyaktige, både i tids- og frekvensdomener.

I praksis er det utfordrende å måle de eksakte kontaktresponsene direkte på broen, men de numeriske resultatene som tilbakeberegnes fra kjøretøyets respons gir et pålitelig estimat. Dette er spesielt viktig når man vurderer hvordan kjøretøyets dynamikk kan brukes til å identifisere broens naturlige frekvenser, en prosess som kan være nyttig i diagnostisering og overvåking av broens tilstand.

Videre er det å merke seg at disse tilbakeberegnede kontaktresponsene kan benyttes til å identifisere broens egne frekvenser ved å isolere effektene som kommer fra kjøretøyets akselerasjoner. Når den vertikale akselerasjonen og rotasjonsakselerasjonen til kjøretøyet analyseres gjennom FFT-spekteret, kan man observere hvordan de ulike brofrekvensene trer frem, og hvordan kjøretøyets egne frekvenser interagerer med broens struktur.

En viktig detalj som bør vurderes, er at påvirkningen av veiens ruhet i analysen er en faktor som blir utelatt midlertidig i den nåværende delen av studien. Dette aspektet vil bli grundigere undersøkt i en senere seksjon, men det er viktig å forstå at veiens ruhet kan ha en vesentlig innvirkning på de tilbakeberegnede kontaktresponsene. Denne faktoren kan forårsake ytterligere kompleksitet i modellen og må behandles med forsiktighet når man utfører virkelige målinger.

I tillegg til den numeriske verifikasjonen av kontaktresponsene, er det viktig å vurdere hvordan disse responsene kan brukes til å undersøke broens tilstand og potensiell skade. Et mer nøyaktig bilde av broens frekvenser og resonansmønstre kan gi verdifulle innsikter i vedlikehold og reparasjonsbehov, og dermed bidra til bedre forvaltning av broinfrastrukturen.

Hvordan bestemme dempningsforholdet i broer ved hjelp av et to-akselfartøy

I ingeniørfaget er det essensielt å ha en presis forståelse av hvordan vibrasjoner og demping i broer påvirkes av kjøretøytrafikk. Når et kjøretøy krysser en bro, genereres kontaktresponser som kan brukes til å identifisere broens dempningsforhold, noe som er en kritisk faktor for å vurdere broens strukturelle integritet og levetid. I denne seksjonen analyseres metoder for å bestemme broens dempningsforhold ved hjelp av et to-akselfartøy og hvordan man kan håndtere utfordringer som ujevn veibane.

Den analoge metoden for å bestemme dempningsforholdet involverer å sammenligne målinger av akselerasjon og spektralanalyse ved forskjellige tidspunkter og plasseringer på broen. Bruken av kontaktresponsene fra både front- og bakaksel kan gi pålitelige estimater for broens dempningsforhold. Det første trinnet er å registrere de tidsmessige variasjonene i akselerasjonen ved de to kontaktpunktene. Dette kan føre til en beregning av broens dempningsforhold, som viser seg å være svært nøyaktig når sammenlignet med analytiske og FEM-beregninger.

Som et konkret eksempel, for en bro på 30 meter kan de innhentede kontaktresponsene brukes til å identifisere det første dempningsforholdet ved hjelp av korrelasjonen mellom de umiddelbare amplitudene ved de to kontaktpunktene. For en kjøretøyhastighet på 5 m/s ble en dempningsfaktor på 1.92 % identifisert, som var svært nær den teoretiske verdien på 2 %. Dette er et tegn på at metoden som benyttes er effektiv, men også at nøyaktigheten kan påvirkes av flere faktorer, som kjøretøyhastighet.

Videre viser eksperimentene at ved høyere kjøretøyhastigheter blir det identifiserte dempningsforholdet mer unøyaktig. For kjøretøyhastigheter på henholdsvis 2,5 m/s og 10 m/s ble de identifiserte dempningsforholdene 1,93 % og 2,38 %, men feilene var betydelige, henholdsvis 3,5 % og 19 %. Dette viser tydelig at kjøretøyhastigheten har en stor innvirkning på metodens pålitelighet. Derfor er det viktig å unngå for høye hastigheter når man skal identifisere dempningsforholdet nøyaktig.

En annen viktig faktor som kan påvirke kvaliteten på denne teknikken er veiens ujevnhet. Når broen er utsatt for betydelige ujevnheter i veibanen, kan disse påvirke den relative amplituden av vibrasjonene og dermed redusere effektiviteten i metodene som benyttes. I slike tilfeller kan man benytte seg av teknologiske forbedringer, som ekstra sjokkere for å simulere tilfeldig trafikk, eller programvareteknikker som filtrering og residualkontaktrespons. Slike forbedringer kan bidra til å øke signal-til-støy-forholdet og dermed gjøre metoden mer effektiv under vanskelige forhold.

I tillegg til de tekniske aspektene ved å identifisere dempningsforholdet, er det også viktig å vurdere bruken av tilfeldige trafikkdata for å simulere realistiske kjøretøymønstre. Ved å bruke data for fire biler som representerer tilfeldig trafikk, og variere parametrene som last, hastighet og innkjøringstid, kan man skape mer realistiske scenarioer som gir bedre innsikt i hvordan broen reagerer under ulike forhold. Slike simuleringer kan gi et mer helhetlig bilde av hvordan broens vibrasjoner og dempingsforhold varierer med kjøretøytrafikk.

I eksperimentet som ble utført, ble de to første frekvensene av broens respons ved frontkontakt identifisert som 2,67 Hz og 10,50 Hz. Disse frekvensene var konsekvente med de identifiserte dempningsforholdene, og det ble funnet at randomiserte trafikkforhold bidro til å forsterke broens vibrasjoner, noe som gjorde det lettere å skille mellom broens respons og de vibrasjonene som ble forårsaket av veibanens ujevnheter. Dette understreker viktigheten av å ta høyde for både veiens tilstand og trafikkforholdene når man benytter VSM-teknikken.