W przypadku identyfikacji częstotliwości mostów poddanych działaniu wibracji pojazdów, kluczową rolę odgrywają techniki przetwarzania sygnałów oraz odpowiednie modele teoretyczne, które pozwalają na skuteczne oddzielenie wpływu pojazdu od drgań samego mostu. Technika VMD z zastosowaniem BPF, opracowana przez Yang et al. (2021), została przyjęta jako bardziej efektywna do generowania wewnętrznych modów drgań (IMFs), co znacznie ułatwia identyfikację charakterystycznych częstotliwości mostu w obecności wibracji pojazdu.

W literaturze naukowej dostępne są różne metody, które mogą być zastosowane do analizy drgań mostów i pojazdów. Do tradycyjnych technik przetwarzania danych należy SSA (Singular Spectrum Analysis), GPSA (Generalized Particle Spectrum Analysis) oraz SSI (Stochastic Subspace Identification), które zostały szeroko opracowane przez różnych badaczy (Yang et al. 2013a; Li et al. 2019a; Yang i Chen 2016). Jednym z głównych problemów w tym kontekście jest zjawisko, w którym częstotliwość własna pojazdu dominuje nad częstotliwościami mostu, co utrudnia wykrycie tych ostatnich. W odpowiedzi na ten problem, zaproponowane zostały metody bazujące na SSA, które pozwalają na eliminację częstotliwości własnej pojazdu (Yang et al. 2013a). Inne techniki, takie jak filtracja cząsteczkowa, pozwalają na wyizolowanie sygnałów zawierających jedynie częstotliwości mostu (Wang et al. 2018).

Dodatkowo, aby wyeliminować wpływ zawieszenia pojazdu na wyniki pomiarów, zastosowano metodę EEMD (Ensemble Empirical Mode Decomposition) wraz z funkcją odpowiedzi częstotliwościowej pojazdu (Eshkevari et al. 2020a). Równocześnie z propozycjami matematycznymi, zaproponowano także nową metodę identyfikacji częstotliwości mostu, polegającą na wykorzystaniu odpowiedzi kontaktu pojazdu z mostem, obliczanej wstecznie na podstawie odpowiedzi pojazdu, a nie samego pojazdu. Zastosowanie tej metody pozwala na całkowite wyeliminowanie wpływu częstotliwości własnej pojazdu, co umożliwia dokładniejsze wydobycie częstotliwości mostu (Yang et al. 2018a; Xu et al. 2021).

Wszystkie te metody i techniki mają na celu poprawienie precyzji identyfikacji częstotliwości mostu, co jest szczególnie istotne w badaniach wytrzymałościowych i diagnostyce konstrukcji mostów. Jednym z nowych podejść, które zdobyło uwagę badaczy, jest zastosowanie tzw. "punktów wirtualnych" mostu, które są rekonstruowane przy użyciu metod uzupełniania macierzy. Dzięki temu możliwe jest przeprowadzanie identyfikacji modalnej mostów przy użyciu danych zebranych przez pojazdy poruszające się po moście (Eshkevari i Pakzad 2020; Mei et al. 2021).

W kontekście wykorzystania pojazdu testowego, wczesne badania wykorzystywały przyczepę jednoosiową ciągniętą przez traktor, której model doskonale pasował do jednoosiowego układu swobodnego (DOF). Tego rodzaju pojazd zapewniał wystarczającą prostotę, a także pozwalał na łatwiejsze zrozumienie mechanizmu interakcji pomiędzy pojazdem a mostem. Chociaż taki model jest prosty, umożliwia on dogłębną analizę dynamiki pojazdu w kontekście mostu. W kolejnych latach badacze rozszerzyli ten model o pojazd dwuosiowy, co pozwala na lepsze modelowanie i uwzględnienie efektu drgań pojazdu oraz interakcji pomiędzy przednią i tylną osią (Yang et al. 2012a; Yang et al. 2022f).

Istnieje również możliwość zastosowania wibratora (shakera), który może zostać zamontowany na moście, aby zwiększyć jego drgania i zredukować wpływ nierówności nawierzchni. Taki shaker, odpowiednio dostosowany do mostu, może w znacznym stopniu poprawić jakość pomiarów w czasie testów, zwłaszcza w przypadkach mostów o dużej sztywności, które nie reagują wystarczająco na drgania pojazdu. W przypadku takich mostów, zastosowanie shakera jako dodatkowego źródła ekscytacji może stanowić skuteczne rozwiązanie (Lin i Yang 2005; Xu et al. 2021).

Oprócz samych technik identyfikacji częstotliwości, należy także zwrócić uwagę na odpowiednie dobranie parametrów pojazdu testowego. Aby pojazd nie wpływał na dynamikę mostu podczas testu, nie powinien być zbyt ciężki. Jednak w przypadku bardzo sztywnych mostów, gdzie naturalne drgania mostu są zbyt słabe, aby je wykryć, odpowiednio dobrany pojazd testowy oraz wibratory mogą pomóc w uzyskaniu bardziej precyzyjnych wyników. Właściwe dobranie pojazdu i parametrów eksperymentu jest kluczowe dla uzyskania wiarygodnych wyników.

Zastosowanie nowoczesnych metod matematycznych oraz sprzętu testowego pozwala na znaczne ulepszenie jakości pomiarów drgań mostów i precyzyjne identyfikowanie ich charakterystycznych częstotliwości. Odpowiednia analiza drgań mostów jest niezbędna nie tylko do celów diagnostycznych, ale także w kontekście projektowania nowych konstrukcji mostów, które będą bardziej odporne na dynamiczne obciążenia.

Jak wzmacniacze mogą poprawić wydajność metody skanowania pojazdu na mostach

Zastosowanie tłumika masy (TMD, z ang. Tuned Mass Damper) w metodzie skanowania pojazdów na mostach (VSM) rzadko bywa wykorzystywane w celu zwiększenia wydajności testowego pojazdu. Jednak eksperymenty, w których częstotliwość wzmacniacza jest dostosowana do częstotliwości własnej pojazdu, wykazują, że odpowiednia synchronizacja tych częstotliwości może znacząco poprawić tłumienie drgań pojazdu, co przyczynia się do lepszej identyfikowalności częstotliwości mostu.

W jednym z przeprowadzonych badań, częstotliwość wzmacniacza została ustawiona na wartość f_a = f_v = 6,16 Hz, czyli na częstotliwość własną pojazdu. Zmieniono masę wzmacniacza na cztery różne wartości: mv/500, mv/100, mv/50 oraz 0 (jako punkt odniesienia). Odpowiednio dostosowano sztywność wzmacniacza do wartości 3, 15 i 30 kN/m. Wykorzystując metodę elementów skończonych (FEM), obliczono odpowiedzi przyspieszenia pojazdu poruszającego się po moście o chropowatej nawierzchni, a wyniki przedstawiono na wykresie (Rysunek 6.18a). Odpowiedzi te zostały również zobrazowane w postaci widm (Rysunek 6.18b).

Pierwszym wnioskiem z analizy tych wyników jest to, że masa wzmacniacza skutecznie redukuje amplitudę częstotliwości pojazdu, co zostało potwierdzone w teorii rozdziału 6.3.4. Efekt tłumienia staje się bardziej wyraźny, gdy masa wzmacniacza wzrasta z mv/500 do mv/50. Innymi słowy, im większa masa wzmacniacza, tym lepszy efekt tłumienia częstotliwości pojazdu. Tego rodzaju interwencje mają na celu poprawę jakości pomiarów częstotliwości mostu, przy jednoczesnym minimalizowaniu wpływu drgań pojazdu na wyniki.

W kolejnym etapie badania zastosowano dwa wzmacniacze, każdy dostrojony do innej funkcji. Pierwszy z nich, służący do wzmacniania częstotliwości mostu, został dostrojony do częstotliwości mostu, a drugi wzmacniacz, pełniący funkcję tłumika masy dla pojazdu, został dostrojony do częstotliwości samego pojazdu. Zastosowanie dwóch wzmacniaczy pozwala na lepszą identyfikację częstotliwości mostu, a jednocześnie skuteczne tłumienie częstotliwości własnej pojazdu, co sprawia, że pomiar staje się bardziej precyzyjny.

Pomimo tych technologicznych zaawansowań, metodzie skanowania pojazdów na mostach towarzyszy kilka istotnych ograniczeń związanych z rzeczywistym ruchem drogowym. Na przykład, przy symulacji ruchu czterech różnych pojazdów, za pomocą generowanego losowo oprogramowania, okazało się, że najkrótszy czas, przez który pojazdy pozostają na moście, wynosi tylko 0,37 sekundy. Jest to czas zdecydowanie krótszy niż czas przejazdu testowego pojazdu. Choć w praktyce, masa mostu w rzeczywistości jest znacznie większa niż w modelu, a stosunek masy pojazdów do masy mostu jest mniejszy, to wciąż należy uwzględnić, że rzeczywista prędkość ruchu drogowego jest znacznie wyższa niż prędkość pojazdu testowego. Z tego powodu, w rzeczywistości, drgania mostu mogą być bardziej dominujące od wpływu pojedynczego pojazdu.

Eksperymenty wykazały również, że wzmacniacz dostrojony do częstotliwości mostu (w zakresie f_a = 11,25 Hz) jest w stanie skutecznie wzmacniać częstotliwości mostu, nawet w przypadku nierówności nawierzchni, co zostało zobrazowane na wykresach przyspieszenia (Rysunek 6.19a) oraz ich widmach (Rysunek 6.19b). Użycie wzmacniacza z TMD dla pojazdu umożliwia tłumienie drgań o częstotliwości własnej pojazdu, dzięki czemu częstotliwości mostu są łatwiej rozpoznawalne, co pozwala na dokładniejsze przeprowadzenie analizy dynamicznej mostu.

Przedstawione wyniki potwierdzają, że zastosowanie podwójnych wzmacniaczy – jeden do tłumienia częstotliwości pojazdu, a drugi do wzmacniania częstotliwości mostu – stanowi obiecującą metodę w analizie dynamicznej mostów. Poprzez dostrojenie wzmacniacza do częstotliwości mostu, można skutecznie zwiększyć identyfikowalność jego częstotliwości, co w praktyce ułatwia monitoring stanu technicznego mostu bez konieczności zatrzymywania ruchu drogowego.

Warto zauważyć, że w praktyce masa wzmacniacza ma niewielki wpływ na zmiany amplitudy częstotliwości mostu w odpowiedziach zarówno pojazdu, jak i wzmacniacza. Takie zmiany można uznać za nieistotne w kontekście rzeczywistego stosowania tej technologii.

Jak skutecznie zarządzać indeksami w MongoDB i poprawić wydajność zapytań w aplikacjach
Czy Ripple zrewolucjonizował świat kryptowalut bez górników?
Jak malować dynamiczne, słoneczne pejzaże akwarelą: techniki i porady
Jakie konsekwencje miała fascynacja Mussoliniego i jego sojusz z Niemcami dla Włoch i reszty świata?
Jak działa powiązanie parametrów w ASP.NET Core 8?
Czy Grecy stworzyli podwaliny współczesnej nauki i cywilizacji?
Jak Teoria Krytyczna pomaga zrozumieć populizm autorytarny?