Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

סימולציה של Vibrations אדם הנגרם על סמך התנהגות הולכי רגל השדה המאופיין

Published: April 13, 2016 doi: 10.3791/53668
Automatic Translation
1, 1, 1, 2
1Department of Civil Engineering, KU Leuven, 2Department of Civil Engineering, KU Leuven, Technology Campus Ghent

Summary

פרוטוקול מוצג לגבי האפיון של התנהגות הולכי הרגל-שדה הסימולציה של התגובה המבנית שהתקבלה. שדה-בדיקות מראות כי באתרו המזוהה צעדת שיעור ושיעור סנכרון בין המשתתפים מהווים תשומה חיונית עבור הסימולציה והאימות של עומסי הנגרמת אדם.

Abstract

עבור דקים ומבנים קלים, שמישות רטט היא עניין של דאגה גוברת, לעתים קרובות המהווה את הדרישה לעיצוב הקריטית. עם עיצובים נשלטים על ידי הביצועים הדינמיים תחת עומסי אדם נגרם, דרישה חזקה קיימת עבור האימות והעידון של מודלי עומס זמינים כרגע. התרומה הנוכחית משתמשת בטכניקת הצעת מעקב 3D אינרציה לאפיון של התנהגות הולכי רגל השדה. הטכניקה נבחנת ראשונה בניסויי מעבדה עם רישום סימולטני של כוחות תגובת קרקע המקבילים. הניסויים כוללים אנשי הליכה וכן פעילות אנושית קצבית כמו קפיצות מתנפנפות. זה מוצג כי הבקשה הרשומה מאפשרת זיהוי של שיעור צעדת גרסת הזמן של הפעילות. יחד עם המשקל של האדם ואת היישום של מודלי כוח להכליל זמינים בספרות, זיהה את שיעור הצעדה-variant הזמן מאפשר להיחרךacterize עומסי הנגרמת אדם. בנוסף, סינכרון הזמן בין גששי התנועה האלחוטיים מאפשר זיהוי שיעור הסנכרון בין המשתתפים. בהמשך לכך, הטכניקה משמשת על גשר אמיתי שבו הן התנועה של אנשים ואת התנודות המבניות המושרות רשומות. הוא הראה כיצד התנהגות הולכי רגל השדה המאופיינת ניתן ליישם כדי לדמות את התגובה המבנית המושרית. זה הוכח כי באתרו המזוהה צעדת שיעור ושיעור סנכרון מהווים תשומה חיונית עבור הסימולציה והאימות של עומסי הנגרמת אדם. היישומים הפוטנציאליים העיקריים של המתודולוגיה המוצעת הם להערכת תופעות אינטראקציה אנושי מבנה ואת פיתוח המודלים מתאימים המתאם בין הולכי רגל בתנאי תנועה אמיתיים.

Introduction

מונע על ידי הביקוש של יעילות כלכלית ואת ההתעצמות (חדשים) חומרים, אדריכלים ומהנדסים מרחיבים את הגבולות לבנות אי פעם יותר, גבוהים יותר וקלים מבנים. בדרך כלל, אור ומבנים רזים יש אחד או יותר תדרים טבעיים המצויים בתוך הספקטרום הדומיננטי של פעילות אנושית נפוצה כגון הליכה, ריצה או קפיצה. צפוי להיות כפוף (הכמעט מוחלטת) עירור תהודה, לעתים קרובות הם מגיבים יתר על מידה כדי תנועה אנושית, וכתוצאה מכך תנודות מטרידות ואף מזיקה 1. עבור מבנים רזים וקלים משקל אלה, על שמישות הרטט היא עניין של דאגה גוברת, לעתים קרובות המהווה את הדרישה לעיצוב הקריטית.

התנועה האנושית ואת כוחות תגובת קרקע הגורם (GRFs) בדרך כלל מזוהים באופן ניסיוני בתנאי מעבדה. נכון לעכשיו, מעצבים נאלצים להסתמך על - מה הם הניחו להיות 'שמרניים' - l המקבילהמודלים oad, משודרג ממדידות כוח יחיד אדם. עם עיצובים נשלטים על ידי הביצועים הדינמיים תחת צפיפות גבוהה קהל, דרישה חזקה קיימת עבור האימות והעידון של מודלי העומס הזמינים כרגע.

הפרוטוקול הנוכחי מעסיק טכניקת הצעת מעקב 3D אינרציה לאפיון של התנועה הטבעית של הולכי רגל. הוא הראה כיצד מידע זה יכול לשמש כדי להגדיר את המתאם בין הולכי הרגל, כמו גם את עומסי מושרה המקבילים. בצעד בא, התנהגות הולכי הרגל המאופיינת משמשת כדי לדמות את התגובה המבנית המושרית מספרי. השוואה עם התגובה המבנית הרשומה מאפשרת לכמת את השפעת תופעות אינטראקציה אנושי מבנה נעדרות, למשל, הוסיפו דעיכה בשל נוכחותם של הולכי הרגל. המתודולוגיה מודגם עבור ניסויים בקנה מידה מלא על גשר אמיתי שבו התגובה המבנית את ההצעה של הנקובticipants רשום בו זמנית.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

כל ההליכים אושרו על ידי ועדת האתיקה של בית החולים האוניברסיטאי של לובן KU וכל נושא נתן הסכמה מדעת בכתב לפני ההשתתפות.

3D Motion מעקב 1.: תצורה קליטת נתונים

  1. ודא כי החיישנים הבודדים טעונים במלואה (איור 1 א). שלב זה לוקח בערך שעה 1 אבל יכול להתבצע על הימים לפני המדידות בפועל. פעל על פי פרוטוקול הטעינה של היצרן.
  2. מנהל MT - רכישת נתונים 2:
    1. הפעל את החיבור האלחוטי עם החיישנים לציין את קצב דגימה הרצוי (תצורה אלחוטית> אפשר את כל המאסטרים האלחוטיים).
      הערה: כדי לאפשר אפיון מדויק של התנהגות הולכי הרגל, קצב דגימה של רץ 60 לפחות מומלץ. ההאצה ליניארי פרט חיישני שיא 3D, מהירות הזוויתית (אדמה) שדה מגנטי ונתונים בלחץ אטמוספרי.
    2. הפעל את המצב המבצעי וליזום במצב המדידה: לעשות תנועות איטיות עם החיישנים עבור דקות על 1 (תצורה אלחוטית> התחל מדידה על כל המאסטרים האלחוטיים).
    3. הצגת נתוני אינרציה ומגנטיות של כל חיישנים פעילים (צפו התצוגה <> הנתונים אינרציאליות). ודא כי, בעוד נייח, הכיוון של החיישן אינו סיכוי.
      הערה: אורינטציה משתנית של החיישן הנייח תצביע סביבה מגנטית מופרעת, ובכך מידע אורינטציה מדויק.
  3. כיווני איפוס: החל אובייקט / כותרת איפוס (אובייקט / איפוס כותרת> איפוס אורינטציה) להגדיר את מערכת הייחוס העולמית של הניסויים (איור 1B) 2.
  4. מניח את החיישן הקרוב ככל האפשר למרכז הגוף של המוני (COM) ממוקם ברמה של החוליות החמישיות (התרשים 1C). הדק חיישן בודד בחוזקה וחסונה על כל משתתף עם יםpecially תוכנן לחץ-ברצועות גוף מלא (תרשים 1C).
  5. נתוני שיא כנדרשים.
  6. טען את הרשומות של עניין (קובץ פתוח), ציין את הגדרות הייצוא (כלים> העדפות> יצואנים) ולייצא את התאוצה (מטריצה ​​אוריינטציה) נתונים לניתוח שלאחר מכן 2 (קובץ> ייצוא).

2. פלייט חיל: הגדרה וקביעת תצורה

הערה: השלב הנוכחי דן ביישום של צלחת כוח לרשום את GRFs. במקרה שאדם הליכה / ריצה מעורב, סדרה של צלחות בכוח או הליכון מאובזר הוא לשמש כדי לרשום את טעינת מושרה על ידי הצעדים הבאים 3, הפרוטוקול עצמו משול.

  1. ודא כי הצליח הכח קבוע היטב לרצפת המעבדה (איור 2).
  2. קביעת גדרות המכשיר ורכישת 4 (לכיד להרחיב NDI> נתונים> הגדרות התקן> סטיםNGS). בחר את "קצב דגימה" הראוי "רווח" ו. להגדיר ולבדוק את גדרות טריגר החיצוניות, אם נדרש 4.
    1. בחר את שבח קצב דגימה בהתאם הדיוק הרצוי ואת סוג הטעינה המעורב. עבור היישום הנוכחי, להשתמש רווח של 128 (כוח מרבי 4,879 N) וכן רץ קצב דגימה 200.
  3. התחלה וסיום כל ניסוי עם צלחת כוח ריקה: טרה את צלחת הכח כאשר הוא ריק (לכיד להרחיב NDI> נתונים> מכשיר הגדרות> הגדרות> טרה).
  4. לשם אימות: מניחים משקל ידוע על גבי צלחת בכוח לפני ואחרי כל ניסוי.
    הערה: בבקשה הנוכחית מסה של 5 ק"ג משמש, לעומת זאת, השימוש ידועים עוד המוני נוקשה (> 2 ק"ג) יכול באותה מידה לשמש מבחן אימות זה.
  5. שיא ולשמור את הנתונים GRF כנדרש. יצאת את GRFs לניתוח 4 עוקב.

3. מדידה של מבני Acceleמנות

הערה: השלבים הנוכחיים שואפים לאסוף את התנודות המבניות במקומות אחד או יותר רלוונטי על המבנה. היישום הנוכחי מעסיק GeoSIG GMS חליליות (איור 3) לרשום את התאוצות המבניות. סוגי חיישנים אחרים בעלי מאפיינים נכונים עבור היישום המעורב, יכולים להיות מיושמים באופן שווה.

  1. ודא כי החיישנים הבודדים טעונים במלואה. שלב זה יכול להימשך מספר שעות, אך ניתן לבצע על הימים לפני המדידות בפועל. פעל על פי פרוטוקול הטעינה של היצרן.
  2. התקן את החיישנים על במקומות הרצויים של המבנה הראשוני: רמת החיישנים, ואם יש צורך, לספק קיבעון ראוי למבנה העיקרי (למשל, באמצעות מגנטים).
    הערה: בהתחשב המסה הגבוהה של הפרט GMS חליליות (> 6 קילו) ואת התנודות בתדירות נמוכה המעורבות (<6 הרץ), לא קיבעון נוסף היה הכרחי במקרה זה.
  3. עבור גיאוDAS נתוני רכישה 5: גדר ויפעיל את רשת GMS האלחוטית וחיבור עם החיישנים 5. בדוק את הגדרות זמן והגדרות סנכרון (במידת הצורך) (קליק ימני על החיישן> מידע נוסף).
  4. מקם את החיישנים על המיקום הרצוי ואת הרמה עצמן בהסכם עם הייחוס העולמי.
  5. לרכישת GeoDAS נתוני 5: יצא את הנתונים שנרשמו לניתוח שלאחר מכן (קליק ימני על החיישן <Control Instrument> שלח בקשת בקשה> משתמש> GETEVT 5).

4. ניסויים בסביבת מעבדה מבוקרת

  1. Configure / Setup 3D הצעת מעקב (כפי שפורט בסעיף 1).
  2. הגדר / צלחת כוח Setup (כפי שפורט בסעיף 2).
  3. במהלך מבצע: לבדוק חזותי את מדידות בזמן האמת של שני חיישנים האלחוטיים אינרציה ואת צלחת הכח לאמת המצב המבצעי שלהם.
  4. שאל את participנמלה לשלב לצלחת הכח לעמוד דום במשך 30 שניות לפחות: זה מאפשר לזהות את המשקל של כל אדם.
  5. הגדר את אות מטרונום: לבחור את הקצב הרצוי, כלומר, תדר מכריח יסוד.
    הערה: אות מטרונום ניתן להגדיר בקלות באמצעות יישומים מקוונים או טלפון חכם חינם.
  6. להתחיל להקליט את הנתונים של שתי הצלחת הכח וחיישני האינרציה האלחוטיים.
  7. שאל המשתתף ליזום לפעילות הרצויה: הליכה, קפיצה או קיצוץ בשיעור (הצעדה ממוקדת) כפי שצוין על ידי אות מטרונום (ראה איור 4).
  8. רשום את מספר הנבחר של מחזורי טעינה, למשל, צעדים, קופץ או מחזורים מתנדנדים. שאל המשתתף לרדת הצלחת הכח.
    הערה: לשם אימות מומלץ לשקול כמה זמן הקלטה נוסף בתנאים פרקו אלה. בספרות, אין הסכמה ברורה על מחזורי טעינה המספר המזערי הנדרש כדי גharacterize מחזור ל-מחזור variabilities 6. בהתבסס על ניסיון העבודה הציגה ב [6], המחקר המוצג כאן רואה 60 מחזורים רצופים לפיה מחזור טעינת החמש הראשונה ואחרון הם נכללים בניתוח הנוסף להוציא סדרי דפוס טעינת ההתחלה והסיום של הניסוי.

5. ניסויים באתרו

  1. הגדרת תצורה של / הרשת של חיישני אינרצית 3D, העוקבים אחר התנועה של המשתתפים (ראה סעיף 2 ו איור 5).
  2. גדר / הגדרת רשת GMS תאוצה אלחוטית לרשום את התאוצות המבניות (ראה סעיף 4).
  3. במהלך מבצע: (ויזואלית) לבדוק את המידות בזמן האמת של חיישני אינרציה האלחוטיים לאמת המצב המבצעי שלהם.
  4. גדר פרוטוקול ברור המאפשר לסנכרן את המערכות למדידה המעורבות, אם נדרש.
    הערה: שלב זה הוא הכרחי כאשר מעורביםרכישת מערכות נתונים אינן מאפשרות סנכרון ישיר בשל חוסר טריגר או ערוץ משותף. זו האחרונה הוא המקרה של מערכות מדידה האלחוטיות שיושמו בניסויים באתרו (5.1 ו -5.2). לכן, פרוטוקול ברור אומצה על אתר המאפשר לסנכרן את מחובר מערכי נתונים. ביישום הנוכחי, מערכות המדידה המעורבות מסונכרנות באמצעות רישום של אירוע זהה, כלומר, השפעה, על ההתחלה ואת הסוף של כל ניסוי, שנרשמו על-ידי לפחות חיישן אחד מכל סוג של מערכות מדידה המעורבות. כראוי וקטורי זמן מיושר מכן מתקבלים באמצעות יישור מקוון של אירועים אלה.
  5. הגדר את אות מטרונום: באתרו, שימוש מגפון כדי להגביר נדרש הקצב הממוקד.
  6. אסוף מספר מספיק של ניסויים כדי לבדוק את הדירות של הניסוי. בהתבסס על ניסיון, החוקרים ממליצים לרשום לפחות 3 או אפילו 4, TRials.

6. ניתוח נתונים

  1. תהליך קדם את הנתונים הגולמיים של הציוד המעורב כנדרשת: יישמו את המסננים הראויים להסיר השפעות בלתי רצויות כגון תרומות ורעש מדידה בתדירות גבוהה רלוונטיות, ולשמר את חלון הזמן הרלוונטי על פי הפרוטוקול של היצרן.
    הערה: מאפייני הסינון צריכים להיבחר בהתאם ליישום. במחקר הנוכחי, בארגז כלי עיבוד אותות MATLAB 7 מוחל לבצע נמוך לעבור סינון עם תדר חתוך ב 20 הרץ עבור כל האותות המעורבים.
  2. לכל משתתף: חשבתי את פורייה הדיסקרטית מרה של התאוצות הרשומות של com באמצעות MATLAB עיבוד אותות ארגז כלים 7 ולזהות את תדירות טעינת ממוצע ואת תדירות השיא הדומיננטי של הרמוניות יסוד בספקטרום המתקבל.
  3. לזהות בזמן בין כל שני אירועים זהים גודל של מחזור העומסs באמצעות השיטה המפורטת ב [3] או בכלי lc_timing של ארגז הכלים PediVib MATLAB 8
    1. טען את וקטור נתונים (lc_timing> Load).
    2. ציין את קצב הדגימה להעריך את תדירות טעינת הממוצע. ציין את חלון הזמן הרלוונטי, אם נדרש. שמור את העיתוי המזוהה של האירועים הנומינליים הזהים, כלומר, מחזורי טעינה (lc_timing> שמור).
  4. חשב את תדירות טעינת הממוצע כמו ההופכי של הזמן הממוצע בין מחזורי הטעינה העוקבים (כפי שהוגדר ב 6.3).
  5. עבור הניסויים במעבדה: החל הנוהל המפורט ב 6.3 הוא עבור כוחות תגובת קרקע גורמים ואת והאצות רשומות COM של כל אדם.
    הערה: שלב זה משמש אימות עבור ההליך שננקט גם עבור הניסויים באתר שבו GRFs לא ניתן למדוד ישירות. השיטה המפורטת [3] מראה כיצד שיעור צעדת גרסת הזמן שלהולך רגל יכול להיות מזוהה על ידי המאפיין את היחס בין התאוצות הרשומות ליד COM של הפרט לבין GRFs הסוגר.
  6. עבור הניסויים באתרו: החל הנוהל המפורט ב 6.3 של התאוצות הרשומות COM של כל אדם.

סימולציה 7. וניתוח של התגובה המבנית

הערה: השלבים הבאים מבוצעים באמצעות MATLAB 7. התגובה המבנית מחושבת באמצעות ארגז כלי PediVib, ארגז כלי MATLAB שפותח על ידי המחברים 8 (איור 6): הכוחות-induced האדם נקבעים באמצעות יישום של מודלי העומס הכלליים של שהוגדרו על ידי Li et al 9 (הליכה) ו בכמן. et al. 1 (קפיצות, ריצה ונדאל טעינה), ואת המודל המבני מנוסחת מודאלית קואורדינטות 10. המדריך המלווה כולל הדרכות כי ברור להמחיש אתביצוע שלבים.

  1. סימולציה של התגובה המבנית
    1. הגדר את הפרמטרים מודאלית של מבנה המבחן: תדרים טבעיים, יחסי דעיכה מודאלית, התקות מודאלית-מנורמל המוניות, הקואורדינטות של צומת המקבילים (PediVib> פרמטרים מבניים> החדשה). ראייה לבדוק את המידע קלט מודאלית (PediVib> פרמטרים מבניים> צפה).
    2. הגדר את המאפיינים של הולכי הרגל ואת עומסי מושרה המתאימים: סוג עומס, משקל, הליכה בנתיב / מיקום, שיעור צעדה ממוצע, תחילת כל מחזור עומס (PediVib> הולך רגל יחידה> חדשה). הפעל ולשמור התגובה המבנית מדומה עבור המשתתפים המעורבים. ראייה לבדוק את התוצאות (PediVib> הולך רגל יחידה> צפה).
  2. חשב את התגובה המבנית סכה באמצעות סופרפוזיציה של התגובות הבודדות, כלומר, בסיכומו של הווקטורים המתאימים, ולהשוות את התוצאה עם התגובה המבנית נמדדת,למשל, על ידי יצירת דמות אשר מציגה את התגובה המבנית המדודה מדומה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

ראשית, הוא הראה כיצד האצות הרשומות ליד COM של אנשים שניתן להשתמש בם כדי לאפיין את GRFs הסוגר. התוצאות נידונות כאן עבור אדם הליכה 3. לגמרי דומות תצפיות נעשות כאשר פעילות אדם קצבית, כלומר, קפיצות ו מתנדנד, נחשבים. איור 7 א ו 7 ב מראה כי הספקטרום משרעת של כוחות הרגל האנכיים הרציפים ואת רמות האצה המתאימות הרשומות ליד COM של הולכי הרגל הם איכותיים מאוד דומים , כלומר, בכושר ותדירות. שיעור הצעדה הממוצע של הפעילות ניתן לזהות את התדר של השיא הדומיננטי הראשון בספקטרום אלה. ניתוח של GRFs רשום והאצות של com מראה שיעור זהה צעדה הממוצע הוא בדרך זו מזוהה עד ± 0.1%. בהמשך לכך, התזמון של האירועים נומינליים זהים מזוהה frאום את GRFs ואת והאצות ליד com, בהתאמה. הליך זה מתואר באיור 8 שבו GRFs ואת התאוצות של COM הם מנורמלים למשקל של האדם וכוח הכבידה של כדור הארץ (g = 9.81 מ '/ sec²), בהתאמה. ניתוח של הניסויים השונים מראה כי בדרך זו, בתקופה של כל מחזור, ולכן שיעור הצעדה-variant הזמן של הפעילות, ניתן לזהות מתוך האצות של COM האדם עם מרווח ביטחון של 95% כי הוא נמוך יותר מאשר 3% בהשוואה לזו כפי שזוהו מן GRFs רשום (ראו טבלה 1) 3. חשבונאות בנוסף בפעם תחילת מחזור הטעינה הראשונית, מאפשר לחשב את התחלתה של כל מחזורי טעינה.

לאחר מכן, מידע זה מוחל על מנת לדמות את GRFs באמצעות ארגז כלי PediVib 8. איור 9 מדמיין הבדלים כמותיים ואיכותיים קטנים בין הנמדד מדומהכוחות בשלב יחיד רגל אנכיים. השוני הקטן האלה הם התוצאה של החלת מודל עומס בשלב יחיד כללי כהגדרתו בספרות 9 ויכולים להיות ממוזער על ידי יישום כוח הרגל בשלב יחיד אנכי ממוצעים של האדם הנחשב עבור מהירות ההליכה המקבילה. עם זאת, מדידות כוח ישירות הן בדרך כלל אינן זמינות עבור האנשים מעורבים בניסויים באתרו. בנוסף, בהשוואת וריאציות קלות בשער הצעדה, הרגישות של תגובה המבנית המושרה וריאציות קטנות משרעת כוח או זמן מגע יכולה להיחשב neglegible 3,11. איור 9 מראה גם כי עיתוי הצעדים, ולכן , את גרסת הזמן להתהלך שיעור, מזוהית במדויק מהתנועה הרשומה של הולכי הרגל. איור 10 מציג את ספקטרום האמפליטודה של GRFs המדומה ומדוד. בניגוד לכוחות התקופתיים לחלוטין כי הם אך ורק composed של ההרמוניות של תדר הצעד, הווריאציות הקטנות שיעור צעדה לגרום לתוך חלוקת הכוחות סביב ההרמוניות הדומיננטיות 12,13. על ידי לקיחת בחשבון את שיעור צעדה משתנה זיהו כוחות הפס הצר אלה נוכחים גם כוחות מדומה (איור 10). שתי כמויות סקלר מכן משמשות לייצוג הדמיון בין הספקטרום משרעת של נמדדת משוואה 1 ואת הכוחות המדומים משוואה 2 : (1) בדרגה או קשר לינארי משוואה 3 [-] אשר משתנה בין 0 ל -1 ואשר 1 משקף מתאם מושלם, ו- (2) 2-נורמה [%] המנורמלת:
משוואה 4

ספקטרום משרעת מושווים ב frequency מגוון רלוונטי למבנים אזרחיים בתדירות נמוכה (0-10 הרץ). איור 10 מראה כי מקדם מתאם גבוה של יותר מ 0.96 נמצא. בהנחת התנהגות ההליכה להיות מושלם תקופתית, תוצאות תוך קשר לינארי של פחות מ -0.5. 2-הנורמה המנורמלת היא כ -20%, כאשר הפער הנותר הזה הוא בעיקר התוצאה של החלת מודל עומס בשלב יחיד כללי. למטרות הפניה יצוין כי כאשר GRFs הם מדומים עם עומס ההליכה בשלב יחיד הממוצע המזוהה, המתאם מגדיל עד 0.99 ואת 2-הנורמה המקבילה ביחס לכוחות הרשומים בפועל יורדת פחות מ -8 אחוזים. בדרך זו, ניתוח של הניסויים השונים מראה כי סימולציות בהתאם לדגמי עומס הכלליים ושיעור צעדת הזמן-variant המזוהה, לאפשר קירוב טוב של GRFs האמיתי המושלם מושרה על ידי התנועה האנושית.

אניn בנוסף האפיון של עומסי מושרה הפרט, סינכרון הזמן של גששי התנועה האלחוטיים מאפשר לנתח את שיעור הסנכרון בין המשתתפים. שיעור הסנכרון משוואת 11 [-] מוגדר כ:
משוואה 6
שם T ים [sec] הוא תקופת הפעילות של Δt [sec] הוא את מרווח הזמן בין מחזורי משתתפים שונים. שיעור סנכרון זה רלוונטי רק כאשר מחזורי הטעינה השוואה מעורבים. שעת משמרות Δt ים ולכן הם נחשבים רק עבור המחזורים המתרחשים בתוך חלון הזמן הרלוונטי [t - ½T s <t <t + ½T s]. כתוצאה מכך, שיעור הסנכרון משוואת 11 יכול לנוע בין אפס ואחדות,לפיו האחרון מתאר סנכרון מושלם. הליך זה מומחש עבור הניסויים מעורבים שישה הולכי רגל עבורו באותה תדירות הצעד מוטלת באמצעות מטרונום (ראה איור 5 ב). איור 11 א מייצג את ההופעה המזוהית כל מחזור טעינה של כל משתתף על ידי קו אנכי יחיד. קווי בד בבד, כפי שנצפו במהלך 40 השניות הראשונות, מצביעים על שיעור גבוה של סנכרון. קווים פזורים, כפי שנצפו בין 50 ל -60 שניות של הניסוי הנחשב, מצביעים על שיעור נמוך או אובדן הסנכרון בין המשתתפים. ניתן לבצע תצפיות דומות מתרשים 11B הצגת 11C השיעור ומספרי סינכרון המתאים 11D שבה שיעור הצעדה המזוהה הזמן-variant מוחל כדי לדמות את לעומסים אנכיים המושרים.

לבסוף, הפרוטוקול מוחל לבצע ניתוח מפורטשל הרעידות המושרות על ידי פעילות אנושית על מעבר להולכי רגל Eeklo (ראה איור 5). איור 12 מציג את המאפיינים מודאלי של שישה מצבי הראשון של המבנה. הניסויים לערב אנשי הליכת 3, קופץ ומגיח עם שיעור צעדה שהטיל מטרונום וממוקדת בתדר הטבעי הבסיסי או שני. התגובה של המבנה רשום באמצעות חמישה חיישנים triaxial (ראה איור 3 ו 5 ב). בהמשך, התגובה המבנית נמדדת מושווה עם סימולציות נומריות המסבירות את המודל המספרי המכויל של המבנה, יחסי דעיכת מודאלית המזוהים באופן ניסיוני ואת התנהגות הולכי רגל השדה המאופיינת.

ראשית, התוצאות נדונות עבור הניסויים מעורבים שישה הולכי רגל אשר תדירות צעד הוא נבחר כדי להתאים את (f s = f 1 הראשון (f s = f 2/2 = 1.49 הרץ) של המבנה. הולכי הרגל מסודרות סימטרית (כל בשורה אחד אחרי השני) או באופן סימטרי (שניים שתיים) ביחס לציר האורך של המבנה על מנת למקסם את העירור של הראשון ואת המצב השני, בהתאמה (ראה איור 12). כדי להמחיש את ההשפעה של התנהגות ההליכה המושלמת בפועל של המשתתפים, התגובה המבנית הוא ניבא ראשון בהנחת כוחות הליכה תקופתיות בצורה מושלמת. שנית, תוך variabilities הבין-האדם נלקח בחשבון על ידי בהתחשב זיהה את שיעור הצעדה-variant זמן, ובכך, גם סנכרון הנכון בין הולכי הרגל.

13A איור מציג את האצה אנכית מדודה מדומה בבית midspan עבור אנשים ללכת, שתיים- שתיים, עם שיעור צעדה מכוון f 2/2. thנתון הוא ממחיש כי כאשר התנהגות הליכת הנחה הוא להיות תקופתי באופן מושלם, התגובה המבנית היא בהערכה על ידי יותר מגורם של ארבעה. טיפול חשבונאי התנהגות ההליכה המושלמת נכון משפר ההסכם עם התגובה המדודה באופן משמעותי למרות ורעידות החזה הם גדולים פי שלושה.

איור 13 ב מציג את האצת נמדד מדומה בבית midspan עבור אנשים הליכה בצד אחד של הגשר, עם שיעור צעדה מכוון f s = f 1. במקרה זה, התגובה לרוחב הרשומה מדומה בבית midspan מוצגת, כלומר, הרכיב הדומיננטי של המצב הראשון. איור 13 ב מראה כי כאשר מודל הכח המניע מוחל והתנהגות הליכה תקופתית לחלוטין הנחה היא, ערך השיא של האצה בתגובה היא בהערכה בפקטור של השני. קיטון meaאצת sured הוא ציין לאחר כ -40 שניות עקב סנכרון מופחת של הולכי הרגל. נטייה דומה משתקפת גם התגובה מדומה כאשר והיוו שיעורי צעדת הזמן-variant המזוהה. הלידים האחרון להסכם איכותי הרבה יותר טוב עם התגובה נמדד כי הוא, לעומת זאת, עדיין להפריז מעט.

איורי 14 ו -15, מוצגים השוואה דומה של התגובה המבנית נמדדה מדומה המעורבת קפיצות מנתרות ומרקד, בהתאמה. שוב, הוא ציין כי התגובה המבנית היא בהערכה מאוד כאשר נטען נגרמת האדם הם הניחו להיות תקופתיים בצורה מושלמת. טיפול חשבונאי שיעור צעדת הזמן-variant המזוהה מוביל הסכם איכותי הרבה יותר טוב עם התגובה המדודה.

הפער הנותר בין structu נמדד מדומהבתגובה RAL יכול להיות בגלל טעויות במודל לגבי (א) התנהגות מבניים (ב) עומס הנגרמת להולכי רגל. עירוב המודל המבני, אי הוודאות העיקרית נוגעת יחסי דעיכת מודאלית. עם זאת, השונות המשותפת של פרמטרים מודאלית כפי שמתקבלות SSI-cov 14 היו נמוכים, בנוסף, הדעיכה חינם מנתח מראים כי יחסי דעיכת מודאלית בקושי תלויים אמפליטודות רטט 3. בדבר העירור להולכי הרגל, שיעור צעדת הזמן-variant המזוהה הוא קירוב של התנהגות ההליכה מושלמת האמיתית לפיה הבדלים קטנים עלולים להתעורר בשל היישום של מודל הכח הכללי. ההבדל משרעת בין החזה והתגובה נמדדת במספרים 13-15 מדהים ולא יכול לגרום פשוט מפני חוסר ודאות הנותר אלה. זה יכול, עם זאת, להיות מוסבר על ידי מוגבר דעיכה, קרי, עקב שינויי התכונות הדינמיות של סאי אדם-מבנה המצמידגזע בהשוואה לאלה של מבנה ריק. עם זאת, והיווה שיעורי צעדת הזמן-variant המעורבים מאפשר לכמת את הפער הנותר כי הוא עקב אינטראקציה אנושי מבנה אלה (HSI) תופעות 10,15-17. בדרך זו, המתודולוגיה המוצגת כאן קלט חיוני עבור אימות של עומסי הנגרמת אדם וכימות של תופעות HSI.

איור 1
איור 1. (א) Xsens - ערכת פיתוח MTW המורכב יחידות אינרציה אלחוטיות מרובות (MTW של) 2, (ב) פלטפורמה שנועדה להגדיר את מערכת ייחוס אוריינטציה, ו- (ג) לחץ-ב ומעוצבת רצועות גוף מלא 2. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 2
איור 2. כוח צלחת 4 ביקש לרשום את GRFs במהלך קופץ / מתנדנד. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3
איור 3. חיישני triaxial האלחוטי Geosig 5 בקשו לרשום את התאוצות המבניות. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 4
איור 4. < התקנת strong> תצורה עבור ניסויי המעבדה מעורבים ניסויים קצביים אדם. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 5
איור 5. (א) גשר Eeklo ו- (ב) הליכה מסונכרנת של עד שישה משתתפים (נתון זה יש הבדל בין [3]). נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 6
איור 6. PediVib Toolbox 8 להחיל לדמות את התנודות הנוצרות על-ידי האדם.= "Https://www.jove.com/files/ftp_upload/53668/53668fig6large.jpg" target = "_ blank"> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 7
איור 7. הספקטרום ליניארי של (א) GRFs האנכי (הסכום של רגל שמאל וימין) ו- (ב) רמות האצה המתאימות ליד COM (נתון זה יש הבדל בין [3]). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

הספרה 8
איור 8. מנורמל (AC) בצעד אחד אנכי (מקווקו) ורציף GRFs (מוצק) (BD) האצות של מנורמל ליד comו (AB) התזמון המזוהה של אירועים נומינליים זהים (קו אנכי) מן GRFs (מוצק) ואת והאצות ליד COM (מקווקו) (נתון זה יש הבדל בין [3]). נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של נתון זה.

איור 9
איור 9. נמדד מנורמל (מוצק) ו מקביל מדומה (מקווקו) GRFs האנכי בזמן הליכה (נתון זה יש הבדל בין [3]). נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 10
איור 10. g> הספקטרום משרעת של (שחור) נמדד מדומה (אפור) GRFs אנכי (נתון זה יש הבדל בין [3]). נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 11
איור 11. התנהגות ההליכה זיהתה שש הולכי רגל: (א) כל צעד של כל אדם הצביע על ידי קו אנכי יחיד (ב) שיעור סינכרון, ו (CD) מקבילות כוחות אנכיים מדומה המושרים על ידי שמאלה (אפורים) וימין (שחור רגל) (נתון זה יש הבדל בין [3]). נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

together.within-page = "1"> איור 12
איור 12. מזוהה פרמטרים מודאלית הניסיון של שישה מצבי הראשון של גשר Eeklo: התדר טבעי (f j), מודאלית דעיכת יחס (ξ j) וצורת מצב: (א) מצב 1 (ו 1 = 1.71 הרץ, ξ 1 = 2.3%); (ב) במצב 2 (ו 2 = 2.99 הרץ, ξ 2 = 0.2%); (ג) מצב 3 (ו 3 = 3.25 הרץ, ξ 3 = 1.5%); (ד) במצב 4 (ו 4 = 3.46 הרץ, ξ 4 = 3.0%); (ה) במצב 5 (ו 5 = 5.77 הרץ, ξ 5 = 0.2%); ו (F) במצב 6 (ו 6 = 5.82 הרץ, ξ 6 = 0.2%). נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

התוכן "FO: keep-together.within-page =" 1 "> איור 13
איור 13. תאוצות ב midspan עבור אנשים הליכה (א) שניים שניים בקצב צעדה מכוון f s = f 2/2 (ב) בקובץ יחיד בכל s f שיעור צעדה = f 1: נמדד (שחור) וחזה תגובה ללא (אפור) עם (הכחול) את באתרו המזוהה צעדת שיעור (נתון זה יש הבדל בין [3]). נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 14
איור 14. תאוצות ב midspan לאנשים לקפוץ בקצב צעדה מכוון (א) ו s = f 2/2 ( אונג> B) ו s = f 1:. הנמדד (שחור) וחזה תגובה ללא (אפור) עם (כחול) שיעור צעדה באתרו מזוהה אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 15
איור 15. תאוצות ב midspan עבור אנשים מתנדנד בקצב צעדה מכוון (א) ו s = f 2/2 (ב) ו s = f 1: נמדד (שחור) וחזה תגובה ללא (אפור) עם ( כחול) את באתרו המזוהה צעדת שיעור. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

ה- i-next.within-page = "תמיד">
מהירות הליכה תדירות שלב צעדים # COM
[קילומטר / hr] [רץ] [-] 2σ [%]
3.0 1.55 166 2.8
3.5 1.68 178 2.3
4.0 1.75 1.82 2.1
4.5 1.85 182 2.0
5.0 1.92 193 2.1
5.5 2.00 215 2.0
6.0 2.06 217 2.1

1. טבלה כל ניסוי: את diffeלשכור מהירויות הליכה, תדירות הצעד הממוצעת, מספר צעדים רשומים ובעל 95% של התחילה המזוהית של כל שלב המבוסס על התנועה הרשומה ליד COM (בטבלה זו יש הבדל בין [3]).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

התנועה האנושית GRFs וכתוצאה מכך בדרך כלל מזוהות על ידי היישום של צלחות כוח, מאובזרת הליכונים וכן טכנולוגיית לכידה תנועה אופטית כגון Vicon 18 CODA 19. היישום של טכניקות אלו, לעומת זאת, מוגבל בסביבת המעבדה. בתשובת החסרון הזה, את הפוטנציאל של טכניקות חדשניות המאפשרות מדידת התנהגות אדם "טבעית" על רבי מחזורים חוזרים ובלתי פוסקים נחקר כיום 20. טכניקות חלופיות כוללות את השימוש במערכות מדרסים רגיש ללחץ 21 או נעליים מאובזרות 22. מערכות אלו מאפשרות המדידה הישירה של כוחות מגע על מבנים אבל בדרך כלל רק להניב הרכיב האנכי אינו ממצה את התנהגות הגוף העולמית, למשל, את תנועת מטען 20. טכניקה מתנועעת נוספת מעסיקה חיישנים מגנטיים-אינרציה משולבות, כלומר, accelerometry 20,23 (למשל, רקמות רכות חפצות 24, קישוריות, וכו '), היא מציעה פוטנציאל גדול עבור האפיון העקיף של טעינת אדם נגרם וכן לניתוח פרטני, קבוצתי התנהגות קהל 23,24. במחקר הנוכחי, טכניקת מעקב 3D אינרצית תנועה שפותחה עבור תעשיית המדעים ובידור תנועה נבחנת מתודולוגיה שפותחה על האפיון ב-שדה של התנועה האנושית ואת GRFs שהתקבל.

צעד חיוני ראשון השיטה המוצגת כאן כולל מחקר ניסיוני מקיף בתנאי מעבדה שבה התנועה האנושית ואת GRFs רשומים בו זמנית. מערך נתונים זה צריך מהווים קבוצה רלוונטית של צעדה שיעורי ויחידים עבור כל הפעילויות האנושיות בפוקוס. בהמשך לכך, בסיס הנתונים הזה יכול להיות מיושם כדי לזהות את הקשר בין רג'יסטהתנועה האדום של המשתתפים ואת GRFs שהתקבל. לאחר מכן, הליך ניתן לפתח עבור זיהוי של תזמון אירועים נומינליים זהים בכל מחזור טעינה משני התנועה הרשומה ואת GRFs המקביל. בדרך זו, מערכי נתונים אלה לא רק לשמש אימות עבור ההליך במטרה לאפיין את עומסי מושרה האדם, אך גם מאפשר לכמת את הדיוק המקביל.

שנית, הסנכרון בין מערכות מדידה המעורבות הוא בעל חשיבות גבוהה. אחרון מושגת רצויה על ידי השימוש במערכת רכישת נתונים יחידה או ערוץ הדק משותף 2. פרוטוקול היטב תוכנן ובוצע באופן עקבי (כפי שצוין קודם לכן) יכול לשמש אלטרנטיבה יעילה, במיוחד עבור יישום באתרו.

ההליך כפי שפורט בעבודה הנוכחית פועל בצורה מושלמת עד 10 או 12 משתתפים. עם זאת, ככל שמספר משתתפים נוספים increaSES, ולכן, כפי שמספר יחידות הצעת מעקב אלחוטיים, מערכת רכישת נתונים המתאימה מחייבת את קצב הדגימה כדי להפחית באופן משמעותי. למרות מסורבל, מערכת המדידה ניתן להרחיב על ידי תחנות איסוף נתונים מרובות Xsens עבורו, בתורו, הנתונים מסונכרנים דרך היישום של ערוץ הדק משותף. כאשר המטרה היא לפקח על התנהגותם של קבוצות גדולות וקהל, היישום של טכניקות חלופיות כגון עיבוד וידאו / תמונה יכול להיחקר.

בתצפיות באתרו הם מקור מידע בלבד כדי לקבל מידע מפורט ומדויק על טעינת נתונים תפעוליים נציג. מחקר נוסף ולכן יכלול מדידות בקנה מידה מלאה על גשרים אמיתיים המעורבים קבוצות וקהל גדולות. הטכניקה הנוכחית ניתן ליישם כדי לזהות את התנהגות ההליכה הרגילה של המשתתפים, ובכך לספק קלט חיוני לפיתוח מ מתאיםodels עבור המתאם בין הולכי רגל בתנאי תנועה אמיתיים. בנוסף, התנהגות ההליכה המזוהית, בשילוב עם מודלי עומס זמינים כרגע, יכולה להיות מיושמת כדי לדמות את התגובה המבנית המושרית. השוואה עם התנודות מבניות נמדדות המקבילות מאפשרת לאמת וכיול של מודלי עומס המופעלים, למשל, על ידי אומדן תופעות אינטראקציה אנושי מבנה הרלוונטית כגון דעיכה הוסיפה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

הניסויים המעורבים אנשי הליכה מבוצעים בשיתוף עם התנועה & יציבת ניתוח המעבדה Leuven (MALL) 25. שיתוף הפעולה והעזרה שלהם היא הודתה בהכרת תודה.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
MTw Development Kit + MT Manager Software Xsens MTW-38A70G20-1 Development kit with wireless, highly accurate, small and lightweight 3D human motion trackers and accompanying click-in full body straps.
True Impulse Kinetic Measurement System + NDI Open Capture Data Acquisition and Visualization System NDI Northern Digital Inc. 791028 TrueImpulse measures reaction forces exerted by humans during a wide variety of activities.
GMS-24 GeoSIG Ltd Rev. 03.08.2010 (Wireless) accelerometers to register the structural vibrations.
GeoDAS GeoSIG Data Acquisition System GeoSIG Ltd Rev. 03.08.2010 Graphical MS Windows application running under Windows 9x/NT/2000, providing a software interface between users and GeoSIG recorders GSR/GCR/GBV/GT.
PediVib toolbox KU Leuven Software interface/toolbox to simulate the structural vibrations induced by pedestrians.
Metronome A device to indicate the targetted pacing rate of the activity (free applications are available online for pc/laptop/smartphone).

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Bachmann, H., Ammann, W. Bachmann vibrations in structures : induced by man and machines. , IABSE-AIPC-IVBH. (1987).
  2. Xsens Technologies B. V.. MTw User Manual. , Available from: https://www.xsens.com/download/usermanual/MTw_usermanual.pdf (2013).
  3. Van Nimmen, K., Lombaert, G., Jonkers, I., De Roeck, G., Vanden Broeck, P. Characterisation of walking loads by 3D inertial motion tracking. J. Sound Vib. 333 (20), 1-15 (2013).
  4. Northern Digital Inc. TrueImpulse Kinetic Measurement System User Guide. , (2013).
  5. Geosig Ltd. GeoSIG GMS 18-24 User Manual. , Available from: http://www.geosig.com/productfile2.html?productid=10319 (2012).
  6. Racic, V., Pavic, A. Mathematical model to generate near-periodic human jumping force signals. Mech. Syst. Signal Process. 24 (1), 138-152 (2010).
  7. The MathWorks Inc. MATLAB and Signal Processing Toolbox Release. , (2014).
  8. Van Nimmen, K., Van den Broeck, P. PediVib 1.0 - A MATLAB toolbox for the simulation of human-induced vibrations. , KU Leuven. (2015).
  9. Li, Q., Fan, J., Nie, J., Li, Q., Chen, Y. Crowd-induced random vibration of footbridge and vibration control using multiple tuned mass dampers. J. Sound Vib. 329 (19), 4068-4092 (2010).
  10. Van Nimmen, K. Numerical and experimental study of human-induced vibrations of footbridges [dissertation]. , KU Leuven. (2015).
  11. Middleton, C. Dynamic performance of high frequency floors [dissertation]. , University of Sheffield. (2009).
  12. Ingòlfsson, E. T., Georgakis, C. T., Ricciardelli, F., Jönsson, J. Experimental identification of pedestrian-induced lateral forces on footbridges. J. Sound Vib. 330 (6), 1265-1284 (2011).
  13. Racic, V., Brownjohn, J. M. W. Mathematical modelling of random narrow band lateral excitation of footbridges due to pedestrians walking. Comput. Struct. 90-91 (1), 116-130 (2012).
  14. Reynders, E., Roeck, G. De Reference-based combined deterministic-stochastic subspace identification for experimental and operational modal analysis. Mech. Syst. Signal Process. 22 (3), 617-637 (2008).
  15. Bocian, M., Macdonald, J. H. G., Burn, J. F. Biomechanically inspired modeling of pedestrian-induced vertical self-excited forces. J. Bridg. Eng. 18 (12), 1336-1346 (2013).
  16. Živanović, S., Pavić, A., Ingòlfsson, E. T. Modeling spatially unrestricted pedestrian traffic on footbridges. Journal of Structural Engineering. 136 (10), 1296-1308 (2010).
  17. Agu, E., Kasperski, M. Influence of the random dynamic parameters of the human body on the dynamic characteristics of the coupled system of structurecrowd. J. Sound Vib. 330 (3), 431-444 (2011).
  18. Vicon Motion Systems Product Manuals. , (2012).
  19. CODAmotion Technical data sheet. , (2012).
  20. Meichtry, A., Romkes, J., Gobelet, C., Brunner, R., Müller, R. Criterion validity of 3D trunk accelerations to assess external work and power in able-bodied gait. Gait Posture. 25 (1), 25-32 (2007).
  21. Jung, Y., Jung, M., Lee, K., Koo, S. Ground reaction force estimation using an insole-type pressure mat and joint kinematics during walking. J. Biomech. 47 (11), 2693-2699 (2014).
  22. Liedtke, C., Fokkenrood, S. A., Menger, J. T., van der Kooij, H., Veltink, P. H. Evaluation of instrumented shoes for ambulatory assessment of ground reaction forces. Gait Posture. 26 (1), 39-47 (2007).
  23. Boutaayamou, M., Schwartz, C., et al. Validated extraction of gait events from 3D accelerometer recordings. 3D Imaging (IC3D), 2012 International Conference on, , 6-9 (2012).
  24. Kavanagh, J. J., Menz, H. B. Accelerometry: A technique for quantifying movement patterns during walking. Gait Posture. 28 (1), 1-15 (2008).
  25. Duysens, J. L., Jonkers, I., Verschueren, S. L. MALL: Movement and posture Analysis Laboratory Leuven (Interdepartemental research laboratory at the Faculty of Kinisiology and Rehabilitation Sciences). , KU Leuven. Available from: https://faber.kuleuven.be/MALL/mall.php (2015).

Tags

הנדסה גיליון 110 טעינת אדם נגרם בדיקות בקנה מידה מלאה תנודות אדם נגרם הצעת מעקב 3D גשרים שמישות רטט
סימולציה של Vibrations אדם הנגרם על סמך התנהגות הולכי רגל השדה המאופיין
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Van Nimmen, K., Lombaert, G., De… More

Van Nimmen, K., Lombaert, G., De Roeck, G., Van den Broeck, P. Simulation of Human-induced Vibrations Based on the Characterized In-field Pedestrian Behavior. J. Vis. Exp. (110), e53668, doi:10.3791/53668 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter