Hvordan kan hardware-baserte tilnærminger forbedre identifikasjonen av broens frekvenser?

En testkjøretøy ble foreslått av Yang et al. (2023a) som en viktig komponent for nøyaktig identifikasjon av nærtliggende moduser i broer. En prosedyre som kombinerer Wavelet Transform (WT) og Singular Value Decomposition (SVD) ble utviklet for dette formålet, og en slik hybrid tids-frekvens metode ble vellykket implementert i et feltforsøk på en tre-spenns bjelkebro i Xiamen, Kina. Denne metoden viser potensialet til å kombinere moderne signalbehandlingsmetoder med praktisk implementering, noe som gir et nytt perspektiv på effektiv broovervåkning.

En annen tilnærming som har blitt vurdert, er bruken av hardware-baserte systemer for å forbedre effektiviteten av Vehicle-based Structural Monitoring (VSM). En essensiell del av dette systemet er testkjøretøyet, som fungerer som hovedverktøyet for å hente ut nødvendige vibrasjonsdata fra broen. Tidligere ble en selvlaget tohjulstrailer brukt for å simulere et enkelt-frihetsgradssystem, som ble trukket av en firehjuls traktor over broen. Dette oppsettet sikret at det ikke ble overført uønskede bøyningsmomenter mellom traktor og trailer, og testene viste en vellykket utvinning av broens første frekvens fra kjøretøyresponsen.

I et senere eksperiment ble en håndtrekt vogn benyttet for å måle brofrekvenser, hvor fokus var på de elastiske egenskapene til vognens hjul og påliteligheten av de uttrukne frekvensene. Tre forskjellige hjultyper – oppblåsbare hjul, gummihjul og polyuretan (PU) hjul – ble vurdert, og resultatene viste at PU-hjulene ga best ytelse i å identifisere broens frekvenser. Videre ble det lagt stor vekt på å sikre stabilitet og manøvrerbarhet under kjøretøyets bevegelser, ved å plassere metallspon strategisk rundt akselen for å øke kjøretøyets vekt og stabilitet, særlig ved høyere hastigheter.

Utviklingen av dual-funksjonsforsterkere, som både fungerer som en demper for kjøretøyets egenfrekvens og forsterker brofrekvensen, har ytterligere forbedret VSM-metodens evne til å identifisere brofrekvenser. Ved å bruke slike forsterkere kan man oppnå høyere presisjon i å skille mellom signaler som stammer fra veibanens ujevnheter og de faktiske brovibrasjonene.

En annen teknikk som har fått økt oppmerksomhet er identifikasjon av broens modusformene. Tidligere forskning har vist at modusformene er svært sensitive for lokale skader og kan fange opp detaljer om tilstanden til broen på ulike steder. Yang et al. (2014) benyttet den hybride tidsfrekvensmetoden for å konstruere modusformene av en bro, og videre undersøkelser har vist at kontaktresponsen fra testkjøretøyet er mer effektiv enn kjøretøyets egen respons for å utvinne modusformene, spesielt for høyere ordens moduser. Ved hjelp av denne teknikken har det blitt mulig å identifisere broens moduser med høy presisjon, og den har blitt brukt både på enkelspenns- og fler-spennsbroer.

Bruken av Wavelet Transform (WT) for å analysere tid-frekvens-responsene og konstruere broens modusformene har blitt ansett som en effektiv metode. Denne teknikken muliggjør transformasjon av tid-domene responser til tid-frekvens-domenet, og gir verdifull informasjon om både tid og frekvens. I et nylig arbeid ble WT brukt til å utvinne vertikale og torsjonelle moduser fra en tynnveggsbro, og det ble utviklet metoder for å identifisere broens moduser uten behov for visuell inspeksjon.

I tillegg er det viktig å forstå at nøyaktigheten til VSM-metodene i stor grad er avhengig av det testkjøretøyet som benyttes, spesielt i forhold til kjøretøyets stabilitet og manøvrerbarhet. Dette krever nøye planlegging og justering for å minimere forstyrrelser og sikre at de nødvendige vibrasjonene overføres på riktig måte til måleutstyret. Det er også vesentlig å være oppmerksom på at selv små endringer i kjøretøyets design kan ha stor betydning for testresultatenes presisjon. For ytterligere forbedringer kan forskning på avanserte forsterkersystemer og justeringer av kjøretøyets strukturelle egenskaper gi enda mer presise og pålitelige målinger.

Hvordan kan kjøretøybidrag til brofrekvenser brukes til skadeidentifisering i broer?

Metoder for overvåkning av broers helsetilstand har utviklet seg betydelig de siste årene, spesielt med fokus på hvordan bevegelige kjøretøy kan bidra til å avdekke potensielle skader og svekkelser. Tradisjonelle inspeksjonsmetoder er tidkrevende og ofte dyre, og derfor har indirekte teknikker basert på vibrasjonsmålinger fra passerende kjøretøy fått økt oppmerksomhet. Bruken av kjøretøys respons for å identifisere broens dynamiske egenskaper, som naturlige frekvenser og vibrasjonsmodi, har vist seg å være effektiv for både diagnostikk og overvåkning.

En av de mest lovende tilnærmingene for å oppdage skader i broer er ved hjelp av endringer i broens frekvensrespons under passering av et kjøretøy. Når et kjøretøy passerer over en bro, vil det introdusere dynamiske laster som får broen til å vibrere. Disse vibrasjonene kan analyseres for å få informasjon om broens helsetilstand. Skader i strukturen, for eksempel sprekker eller svekkelse av materialet, kan føre til en merkbar endring i broens naturlige frekvenser. I tillegg kan typen kjøretøy og dets egenskaper (som lastekapasitet og akselavstand) påvirke hvordan broen responderer på de dynamiske påkjenningene.

Flere studier har dokumentert hvordan disse endringene kan fanges opp og analyseres for å identifisere strukturelle problemer. For eksempel har Abuodeh og Redmond (2023) utviklet en autonom metode som benytter kjøretøybaserte vibrasjonsmålinger for å estimere brofrekvenser med høy presisjon. Andre forskere har brukt statistiske og maskinlæringsmetoder for å forbedre nøyaktigheten av skadeidentifisering, og dette har åpnet nye muligheter for rask og kostnadseffektiv broinspeksjon.

Frekvensbasert skadeidentifisering er spesielt nyttig i tilfeller der tradisjonelle metoder, som visuell inspeksjon eller destruktive tester, ikke er praktiske. For eksempel, under ekstreme værforhold eller i tilfeller hvor tilgangen til broen er begrenset, kan kjøretøybaserte metoder tilby en mobil og ikke-invasiv løsning. Metoder som bruker data fra akselerometre og andre sensorer installert på kjøretøyets akselbokser, har vist seg å være svært effektive for å fange opp frekvensvariasjoner som indikerer skade.

En viktig utfordring i disse metodene er å skille mellom naturlige variasjoner som skyldes kjøretøyets hastighet, last eller suspensjonsegenskaper, og de endringene som faktisk stammer fra skader på broen. Dette krever sofistikerte modeller som kan håndtere slike støyfaktorer og skille ut relevant informasjon. Błachowski et al. (2020) foreslo en tilnærming der sensorplasseringer optimaliseres for å redusere effekten av slike variasjoner, og dette har vist seg å forbedre nøyaktigheten ved skadeidentifikasjon.

En annen betydelig utfordring er å analysere dataene i sanntid. Mange moderne metoder benytter maskinlæring og kunstig intelligens for å bearbeide og analysere store datamengder raskt, og gi sanntidsvarsler om potensielle skader. Dette kan bidra til tidlig varsling og forebygging av alvorlige strukturelle sammenbrudd.

Hvordan identifisere skader på broer gjennom kjøretøyrespons og dynamiske målinger

Forskning på bruk av kjøretøyrespons og dynamiske sensorer for å vurdere broers helsetilstand har vist seg å være en lovende metode for tidlig skadeidentifikasjon. Gjennom avanserte teknikker som VBI (Vehicle-Bridge Interaction) og numeriske metoder kan vi analysere interaksjonskrefter mellom kjøretøy og bro for å oppdage lokale skader. Dette gir en presis tilnærming for raskt å vurdere broens tilstand og nødvendigheten av vedlikehold.

En viktig metode som har blitt utviklet for skadeidentifikasjon på broer er analysen av interaksjonskrefter som et resultat av kjøretøyets bevegelse over broen. Zhu et al. (2018) benyttet en numerisk tilnærming der de anvendte Newtons iterative metode for å analysere lokale anomalier i brostrukturer. Denne metoden har vist seg å være svært sensitiv for endringer i krefter langs kjøretøyets bane, noe som gjør det mulig å oppdage små skader på broens overflate. I en senere studie (Li et al., 2020a) ble metoden videreutviklet ved å bruke en to-trinns prosess for å estimere broens skade. Først ble det brukt en dynamisk responsanalyse av kjøretøyet for å estimere ruheten på broens overflate, og deretter ble broens skade identifisert ved hjelp av følsomhetsanalyse av interaksjonskreftene.

I et annet eksperiment undersøkte Kumar et al. (2021) muligheten for å bruke dynamisk dekktrykk som en indikator for broens helsetilstand. Ved å etablere et forhold mellom variasjoner i VBI-krefter og endringer i dekktrykk, var de i stand til å identifisere brobeskadigelser, selv i tilstedeværelsen av målefeil og usikkerheter. Dette åpner for en mer tilgjengelig metode for broovervåkning som kan implementeres i eksisterende kjøretøy.

Når det gjelder identifikasjon av ruhet på broens overflate, er det viktig å merke seg at brooverflater vanligvis har et annet mønster av ruhet sammenlignet med veiens overflate. Flere studier har vist at metodene for å identifisere ruhet på veier ikke kan overføres direkte til broer på grunn av VBI-effekten. Wang et al. (2017) foreslo en metode for å estimere broens ruhet ved hjelp av sensorer på et probe-kjøretøy. Denne metoden ble verifisert mot resultater fra et bærbart profileringsverktøy under feltforsøk. Den høyere presisjonen og følsomheten i denne tilnærmingen ble demonstrert gjennom flere kjøretøykjøringer på broen.

Videre har forskere som Zhan og Au (2019) benyttet flere kjøretøymodeller for å estimere ruhetsprofilen på broer. De testet forskjellige modeller, inkludert fjær-mass-modellen og halv-kjøretøy-modellen, og evalueringen ble utført ved hjelp av numeriske simuleringer av både en fritt støttet bro og en kontinuerlig bro. Disse studiene viste at det er mulig å bruke kjøretøyets dynamiske respons til å estimere både ruheten på broen og kjøretøyparametrene samtidig.

En nyere metode presentert av Feng et al. (2023) undersøkte hvordan akselakselerasjoner fra et to-akslet kjøretøy kan brukes til å kvantifisere rotasjonsstivheten til støttene på en bro og høyden på broens ruhet. Denne metoden viste seg å gi nøyaktige estimater av veibanens profil ved å sammenligne forskjellen mellom forskyvningen av broen under hver aksel og forskyvningen til et referansepunkt på broen.

Når det gjelder implementeringen av disse metodene, er det viktig å forstå at broens strukturelle egenskaper, som stivhet og materialkvalitet, kan påvirke nøyaktigheten til skaderapportene. I tillegg kan miljøfaktorer som temperatur, fuktighet og trafikkbelastning spille en rolle i hvordan kjøretøyresponsen blir påvirket. Dette understreker behovet for kontinuerlig overvåkning og en helhetlig tilnærming til skadeidentifikasjon.

Hvordan bruk av kjøretøyets kontaktsvar kan forbedre identifisering av brofrekvenser

I moderne prosjekter for inspeksjon og analyse av broer er det viktig å utvikle metoder som gjør det mulig å detektere broens naturlige frekvenser med høy presisjon. En av de utfordringene som ofte oppstår i slike analyser er at kjøretøyets egne vibrasjoner kan maskere broens frekvenser, noe som gjør det vanskelig å skille dem fra hverandre i dataene som samles inn. En tilnærming for å overvinne dette problemet er å benytte kontaktresponsene fra kjøretøyets hjul, som gir en klarere indikasjon på broens vibrasjoner uten at kjøretøyets egne frekvenser forstyrrer resultatene.

I scenarier der et kjøretøy beveger seg over en bro, kan de vertikale og rullende bevegelsene av kjøretøyet påvirke hvordan broen responderer på belastningen. For å forstå disse bevegelsene, er det nødvendig å analysere kjøretøyets vertikale akselerasjon, som kan beregnes ved å ta gjennomsnittet av vibrasjonsdataene fra venstre og høyre hjul. Dette gir et overordnet bilde av hvordan kjøretøyet interagerer med broen i vertikal retning, som vist i de akseptable spektrene som er utarbeidet i eksperimentene.

Når det gjelder rullende bevegelser, kan disse også påvirke hvordan broens frekvenser observeres. For å isolere rullende frekvenser fra de vertikale, kan man beregne forskjellen mellom responsen fra venstre og høyre hjul, og deretter bruke lengden mellom sensorene til å dele denne forskjellen. Dette gir et tydeligere bilde av kjøretøyets rullende frekvenser og gjør det mulig å identifisere spesifikke vibrasjoner som er relatert til kjøretøyets bevegelse, som er avgjørende for å forstå hvordan broen responderer på belastningen.

En annen viktig observasjon er at bruk av midlertidig stans av kjøretøyet på broen kan ha en positiv effekt på frekvensidentifikasjonen. Når kjøretøyet stopper på broen, blir de første brofrekvensene tydeligere i spektrene, ettersom effekten av kjøretøyets egne frekvenser reduseres. Denne metoden viser seg å være spesielt nyttig for å identifisere høyere moduser av broens vibrasjoner, som ellers kan være vanskelig å skille ut i dataene. I scenariene som ble undersøkt, ble det vist at en midlertidig stopp hjalp til med å forsterke toppene av brofrekvenser, og dermed gjorde det lettere å isolere broens naturlige frekvenser i spektrene.

En av de mest effektive metodene for å oppnå nøyaktig deteksjon av brofrekvenser er ved å kombinere kjøretøyets kontaktsvar med midlertidig stans. Når kjøretøyet stopper og kontaktsvarene benyttes, kan brofrekvenser som tidligere var skjult bak kjøretøyets egne frekvenser, som for eksempel andre eller tredje frekvenser, bli mer synlige. Dette gir en mer presis analyse av broens vibrasjoner og gjør det lettere å detektere frekvenser som kan være kritiske for broens strukturelle integritet.

Ved å analysere disse metodene kan vi konkludere med at kontaktsvarene fra hjulene gir en mer pålitelig og presis måte å detektere brofrekvenser på sammenlignet med de opprinnelige akselresponsene. Dette skyldes at kontaktsvarene er frie for kjøretøyets vertikale og rullende frekvenser, noe som gjør det lettere å identifisere broens vibrasjoner. Dette gir en betydelig fordel når man jobber med komplekse strukturer som broer, hvor det er nødvendig å forstå hvordan de reagerer på eksterne belastninger for å vurdere deres tilstand og sikkerhet.

En annen viktig faktor å merke seg er at metoden som benytter kontaktsvarene og midlertidig stans av kjøretøyet også kan bidra til å forbedre broinspeksjoner over tid. Ved å kontinuerlig anvende denne teknikken kan man få et mer detaljert bilde av hvordan broens frekvenser utvikler seg under belastning, og dermed oppdage eventuelle endringer eller forstyrrelser som kan indikere strukturelle problemer. Denne metoden kan derfor være et nyttig verktøy for ingeniører og forskere som arbeider med broanalyse og vedlikehold.

Det er også viktig å merke seg at kjøretøyets respons på ujevne veier spiller en vesentlig rolle i å forstå hvordan broen reagerer på belastninger. I motsetning til tradisjonelle en-masse modeller, som antar at begge hjulene på kjøretøyet beveger seg likt over en ujevn vei, gir en to-masse modell en mer realistisk beskrivelse av mekanismen bak hjul-bro-kontakten. Dette gjør at analysen kan ta høyde for hvordan ujevnheter i veien påvirker kjøretøyets vibrasjoner, og hvordan disse igjen påvirker broens respons.

I tillegg er det viktig å huske at slike metoder kan bidra til å forbedre eksisterende broinspeksjonssystemer. Ved å integrere teknologier som benytter kjøretøyets respons og midlertidige stopp, kan man utvikle mer effektive metoder for å overvåke broers helsetilstand. Dette kan være spesielt nyttig i områder hvor det er vanskelig å gjennomføre mer tradisjonelle inspeksjoner, som i tilfeller av broer som er utilgjengelige for større inspeksjonsutstyr eller i situasjoner hvor tid er en kritisk faktor.

Hvordan en shaker forbedrer brovibrasjoner i kjøretøytester

Ved analyse av kjøretøyets respons på brovibrasjoner er det viktig å forstå hvordan forskjellige frekvenser påvirker både kjøretøyet og broen. I slike tester benyttes en shaker for å forsterke brovibrasjonene, noe som gjør det lettere å identifisere frekvenser, inkludert de høyere modusene, i de registrerte responsene. Denne metoden gjør det også mulig å isolere brofrekvenser fra støy som kan komme fra kjøretøyets egen frekvens, spesielt i tilstedeværelse av ujevnheter på veiens overflate.

Den dynamiske forsterkningsfaktoren (DAF) er et viktig verktøy i denne prosessen. DAF defineres som forholdet mellom amplitudeverdiene for brofrekvenser i kjøretøy- eller kontaktresponsene, først når shaker er brukt, og deretter uten den. For kjøretøyresponsen er DAF beregnet ved å sammenligne amplitudene fra to forskjellige formler: én med shaker og én uten shaker. Det samme gjelder for kontaktresponsen, hvor DAF beregnes på en lignende måte.

Når shakeren brukes, kan den forsterke brofrekvensene i responsen fra kjøretøyet og kontaktelementene. Dette skjer ved å generere frekvenser som er "skiftede" i forhold til broens naturlige frekvenser. I eksempelet som er nevnt, er det kun én av de skiftede frekvensene, den venstre brofrekvensen, som blir analysert. Denne metoden er praktisk, da den gjør det lettere å utvinne brofrekvenser når kjøretøyet passerer over broen, og den faste shakeren på broen fanger opp disse resonansene.

Et interessant fenomen skjer når kjøretøyets egen frekvens dominerer i spekteret. Dette kan maskere brofrekvensene, og for å unngå dette brukes kontaktresponsen, som er fri for kjøretøyets egen frekvens. Kontaktresponsen kan ikke direkte måles, men den kan tilbakeberegnes fra kjøretøyets registrerte respons ved å bruke en likevektsligning. Denne metoden er mer effektiv når man ønsker å unngå støy fra kjøretøyets frekvenser og samtidig få mer nøyaktige resultater for broens vibrasjoner.

Når shakeren er i bruk, blir frekvenser som før var vanskelige å oppdage, mer synlige i de resulterende dataene. Shakerens hovedfunksjon er å forsterke vibrasjonene i broen, spesielt de høyere modene, som ellers kan være vanskelig å registrere på grunn av forstyrrelser fra kjøretøyets respons.

En viktig observasjon er at verdien av koeffisienten AD,n øker når lastforholdet mellom shaker og kjøretøyets lastevekt (ps/mvg) øker. Dette viser at større laster kan ha en økt forsterkningseffekt på vibrasjonene. Videre kan plasseringen av shakeren også påvirke forsterkningseffekten. Når shakeren er plassert på spesifikke punkter på broen, kan det oppstå resonans, som gir en ekstra forsterkning av frekvensene.

I tillegg, jo lavere kjøretøyets hastighet er, desto mer utpreget blir forsterkningen. Dette er fordi den energien som overføres fra kjøretøyet til broen, avtar med lavere hastighet, og shakerens bidrag til vibrasjonene blir mer dominerende.

Det er viktig å merke seg at shakerens plassering på broen og kjøretøyets hastighet spiller en stor rolle i den totale effekten som oppnås. For optimal ytelse må man nøye vurdere hvor shakeren skal plasseres, samt hvilke forhold som er nødvendige for å fremkalle de ønskede resonansfenomenene.

Endtext