Summary
Протокол представлен для характеристики пешеходного поведения в полевых условиях и при моделировании в результате реакции конструкции. Полевые тесты показывают , что на месте были определены частота стимуляции и скорость синхронизации среди участников составляют существенный вклад для моделирования и верификации антропогенных нагрузок.
Abstract
Для тонких и легких конструкций, вибрации удобство обслуживания является предметом растущей озабоченность, часто составляющих требование критического дизайна. С помощью конструкции определяется динамическими характеристиками при нагрузках, вызванных деятельностью человека, большой спрос существует для проверки и уточнения имеющихся в настоящее время моделей нагрузки. Настоящий вклад использует 3D-инерционный метод отслеживания движения для характеристики поведения пешеходов в полевых условиях. Методика впервые опробован в лабораторных экспериментах с одновременной регистрацией соответствующих сил реакции опоры. Эксперименты включают ходьбу лиц, а также ритмические деятельности человека, такие как прыжки и подпрыгивая. Показано, что зарегистрированное движение позволяет идентифицировать временной скорости вариант стимуляции активности. Вместе с весом человека и применение обобщенных моделей силовых имеющихся в литературе, частота стимуляции идентифицируется по времени вариант позволяет обугливаетсяacterize человеческих индуцированных нагрузок. Кроме того, синхронизация времени между беспроводными трекеров движения позволяет определить скорость синхронизации между участниками. Впоследствии методика используется на реальном пешеходного моста, где зарегистрированы как движение лиц и индуцированных структурных колебаний. Показано, каким образом характеризуется Полевое поведения пешеходов может быть применен для имитации индуцированную реакцию конструкции. Показано , что на месте идентифицированного частота стимуляции и скорость синхронизации составляют существенный вклад для моделирования и верификации антропогенных нагрузок. Основные возможности применения предлагаемой методики являются оценка человеческого-структуры явлений взаимодействия и разработка подходящих моделей для корреляции между пешеходов в реальных условиях дорожного движения.
Introduction
Ведомый экономическим требованием эффективности и увеличения прочности (новых) материалов, архитекторы и инженеры раздвигают границы, чтобы построить когда-либо больше, выше и более легкие конструкции. Как правило, легкие и тонкие структуры имеют один или несколько собственных частот, которые лежат в пределах доминирующего спектра общей деятельности человека, таких, как ходьба, бег или прыжки. Скорее всего, будет предметом (ближнее) резонансного возбуждения, они часто чрезмерно реагируют на движение человека, что приводит к тревожным или даже вредной вибрации 1. Для этих тонких и легких конструкций, вибрация ремонтопригодность является предметом растущей озабоченность, часто составляющих требование критического дизайна.
Человеческое движение и результирующие силы реакции грунта (ФГО), как правило, экспериментально определены в лабораторных условиях. В настоящее время конструкторы вынуждены полагаться на - то, что считаются «консервативными» - эквивалент лOad модели, визуализируются из измерений силы одного человека. С помощью конструкции определяется динамическими характеристиками при высокой плотности толпы, большой спрос существует для проверки и уточнения имеющихся в настоящее время моделей нагрузки.
Настоящий протокол использует 3D инерционный метод отслеживания движения для характеристики естественного движения пешеходов. Показано, как эта информация может быть использована для определения корреляции между пешеходами, а также соответствующих индуцированных нагрузок. На последующем этапе, то поведение пешехода отличающееся используется для численного моделирования, индуцированную реакцию конструкции. Сравнение с зарегистрированной структурной реакции позволяет количественно оценить влияние неучтенных явлений взаимодействия человека-структуры, например, дополнительное затухание из - за присутствия пешеходов. Методика иллюстрируется на натурных экспериментов на реальном пешеходного моста, где структурный отклик и движение парники регистрируются одновременно.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Все процедуры были одобрены комитетом по этике университетской больницы в KU Leuven и каждый субъект дал письменное информированное согласие до участия.
1. 3D Motion отслеживания: Конфигурация и сбора данных
- Убедитесь в том, что отдельные датчики полностью заряжен (Рис . 1А) Этот шаг занимает около 1 часа, но может быть выполнена на несколько дней до фактических измерений. Следуйте протоколу зарядки производителя.
- MT Manager - Сбор данных 2:
- Включить беспроводное соединение с датчиками и указать желаемую частоту дискретизации (Wireless Configuration> Включить все беспроводные мастера).
Примечание: Для того, чтобы обеспечить точную характеристику поведения пешеходов, частота дискретизации, по меньшей мере, 60 Гц рекомендуется. Отдельные датчики записи 3D линейное ускорение, угловая скорость вращения (земля) магнитное поле и данные атмосферного давления. - Включите режим работы и инициировать режим измерения: делать медленные движения с датчиками в течение примерно 1 мин (Wireless Configuration> Начать измерение всех беспроводных мастеров).
- Дисплей и магнитные инерционные данные обо всех активных датчиков (View> Display> инерциальных данных). Убедитесь в том, что, в то время как стационарная, ориентация датчика не шанс.
Примечание: изменение ориентации стационарного датчика будет указывать на магнитно-нарушенный среды и, таким образом, неточные информация об ориентации.
- Включить беспроводное соединение с датчиками и указать желаемую частоту дискретизации (Wireless Configuration> Включить все беспроводные мастера).
- Сброс Ориентация: Применить объект / заголовок сброса (Объект / заголовок Сброс> Сбросить ориентацию) , чтобы определить глобальную систему отсчета экспериментов (рис 1В) 2.
- Установите датчик как можно ближе к центру тела массы (CoM) , расположенного на уровне пятого поясничных позвонков (рис 1C). Закрепить один датчик плотно и робастно на каждого участника с вторбенно разработаны щелчка в полной мере ремешками тела (рис 1C).
- Запись данных по мере необходимости.
- Загрузите записи интереса (открытого файла), задайте параметры экспорта (Инструменты> Настройки> экспортеры) и экспорт (ускорение и ориентация матрицы) данные для последующего анализа 2 (Файл> Экспорт).
2. Тарелка Force: Установка и настройка
Примечание: Данная стадия обсуждается применение силы пластины для регистрации ФГО. В случае, когда речь идет о лицах ходьба / работает человек, серия силовых пластин или инструментальными беговой дорожки будет использоваться для регистрации нагрузки , вызванной последующих шагов 3, сам протокол аналогичен.
- Убедитесь в том, что сила пластины надежно крепится к полу лаборатории (рисунок 2).
- Конфигурирование устройства и приобретения настроек 4 (NDI Open Capture> Данные> Настройки устройства> SettiNGS). Выберите правильный "усиления" и "частота дискретизации". Настройка и проверьте настройки внешнего триггера, если это требуется 4.
- Выберите усиление и частоту дискретизации в соответствии с желаемой точностью и пораженной типа нагрузки. Для настоящей заявки, используют коэффициент усиления 128 (максимальное усилие, 4,879 N) и частотой дискретизации 200 Гц.
- Начало и конец каждого суда с пустой силой пластины: Тарирование усилие пластины при пустой (NDI Open Capture> Данные> Настройки устройства> Настройки> Таре).
- Для целей проверки: Поместите известный вес в верхней части силовой пластины до и после каждого испытания.
Примечание: В настоящей заявке масса 5 кг используется, тем не менее, использование другого известного жесткой массы (> 2 кг), в равной степени могут служить этому верификацию. - Запись и сохранить данные GRF по мере необходимости. Экспорт ФГО для последующего анализа 4.
3. Измерение структурной Acceleпродовольствие
Примечание: Настоящие меры направлены на сбор структурных колебаний в одном или нескольких местах, соответствующих по структуре. Настоящая заявка использует GeoSIG GMS регистраторы (рисунок 3) для регистрации структурных ускорений. Другие типы датчиков с соответствующими характеристиками для пораженной применения, могут быть в равной степени применяться.
- Убедитесь в том, что отдельные датчики полностью заряжены. Этот шаг может занять несколько часов, но может быть выполнена на несколько дней до фактических измерений. Следуйте протоколу зарядки производителя.
- Установите датчики на нужных местах первичной структуры: уровень датчиков и, в случае необходимости, обеспечить надлежащую фиксацию к первичной структуре (например, с помощью магнитов).
Примечание: учитывая высокую массу отдельных GMS магнитофоны (> 6 кг) и задействованные низкочастотные колебания (<6 Гц), никакой дополнительной фиксации не было необходимости в этом случае. - Для GeoПриобретение данных DAS 5: Настройка и включить беспроводную сеть GMS и связь с датчиками 5. Проверьте настройки времени и параметров синхронизации (при необходимости) (щелкните правой кнопкой мыши на датчике> Дополнительная информация).
- Установите датчики на нужное место и выровнять их по согласованию с глобальной системе отсчета.
- Для приобретения GeoDAS Data 5: Экспорт записанных данных для последующего анализа (щелкните правой кнопкой мыши на датчике> Control прибор> Отправить запрос> запрос пользователя> GETEVT 5).
4. Эксперименты в контролируемых лабораторных условиях
- Настройка / Настройка 3D отслеживания движения (как описано в разделе 1).
- Настройка / силовой установки пластины (как описано в разделе 2).
- Во время работы: визуально проверить в режиме реального времени измерения обоих беспроводных инерциальных датчиков и силовой пластины для проверки их рабочего режима.
- Спросите participмуравей ступить на силовой плите и стоять на месте в течение по крайней мере 30 секунд: это позволяет определить вес каждого индивидуума.
- Настройте метроном сигнал: выберите нужный ритм, т.е. фундаментальную принуждая частоту.
Примечание: Метроном сигнал может быть легко настроен с помощью бесплатных онлайн или смартфон приложений. - Начало записи данных как силовой пластины и беспроводными инерциальных датчиков.
- Попросите участника инициировать желаемой активности: ходьба, прыжки или подпрыгивая на целевой (шагового) скорости , как обозначено метронома сигнала (смотри рисунок 4).
- Запись выбранного количества циклов нагружения, например, шаги, прыжки или качающихся циклов. Попросите участников, чтобы получить от силы пластины.
Примечание: Для целей проверки рекомендуется рассмотреть дополнительное время записи в этих выгруженных условиях. В литературе нет четкого консенсуса относительно минимального циклов нагружения количество необходимых для Characterize цикла к циклу вариабельности 6. На основе опыта и работы , представленные в работе [6], исследование , представленное здесь рассматривает 60 последовательных циклов при этом первые и последние пять циклов нагружения исключены из дальнейшего анализа , чтобы исключить неровности в структуре погрузки в начале и в конце исследования.
5. Эксперименты In Situ
- Настройка / Настройка сети инерциальных датчиков 3D , которые позволяют отслеживать движение участников (смотрите раздел 2 и рисунок 5).
- Настройка / настроить GMS сеть беспроводных акселерометры, которые регистрируют структурных ускорений (смотри раздел 4).
- Во время работы: (визуально) контрольных измерений в режиме реального времени беспроводных инерциальных датчиков для проверки их рабочего режима.
- Определить четкий протокол, который позволяет синхронизировать задействованные системы измерения, если это необходимо.
Примечание: Этот шаг необходим, когда участиесистемы сбора данных не позволяют прямой синхронизации из-за отсутствия триггера или общего канала. Последнее имеет место для беспроводных измерительных систем , применяемых в экспериментов на месте (5.1 и 5.2). Поэтому четкий протокол был принят на сайте, что позволяет синхронизировать наборы данных в автономном режиме. В настоящей заявке, задействованные системы измерения синхронизируются посредством регистрации идентичного события, т.е. воздействие, в начале и в конце каждого испытания, зарегистрированной по меньшей мере одним датчиком каждой из задействованных измерительных систем. Правильно выровненные векторы время впоследствии получены с помощью автономного выравнивания этих событий. - Настройте метроном сигнал: на месте, использование мегафона для усиления требуется целевой удар.
- Собрать достаточное количество испытаний, чтобы проверить повторяемость эксперимента. Основываясь на опыте, авторы рекомендуют записывать по меньшей мере, 3 или 4, предпочтительно трМОГВ.
Анализ 6. Данные
- Предварительная обработка исходных данных привлеченного оборудования в соответствии с требованиями: Применить соответствующие фильтры для удаления нежелательных воздействий, таких как неуместные вклад высокочастотных и шума измерения, и сохранить соответствующее окно времени в соответствии с протоколом производителя.
Примечание: Фильтрующие характеристики должны быть выбраны в соответствии с приложением. В настоящем исследовании, MATLAB Signal Processing Toolbox 7 применяется для выполнения низкочастотная фильтрация с частотой среза при частоте 20 Гц для всех вовлеченных сигналов. - Для каждого участника: Подсчитать дискретного преобразования Фурье зарегистрированных ускорений СоМ с использованием MATLAB Signal Processing Toolbox 7 и определить среднюю частоту загрузки , как частота доминирующего пика основной гармоники в полученном спектре.
- Определить время между любыми двумя номинально идентичных событий цикла нагрузкис с помощью метода , подробно описанную в [3] или lc_timing инструмент на панели инструментов PediVib MATLAB 8
- Загрузите вектор данных (lc_timing> Load).
- Укажите частоту дискретизации и оценить среднюю частоту загрузки. Укажите соответствующее окно времени, если это необходимо. Сохранить идентифицированного сроки номинально идентичных событий, т.е. циклов нагрузки (lc_timing> Сохранить).
- Вычислить среднюю частоту загрузки в качестве обратного среднего времени между ними последующих циклов нагрузки (как это определено в 6.3).
- Для проведения экспериментов в лаборатории: Применить процедуру, описанную в 6.3 для обеих результирующих сил реакции опоры и ускорений, зарегистрированных на СоМ каждого человека.
Примечание: Этот шаг служит для проверки процедуры применительно для in - situ экспериментов , в которых ФГО нельзя измерить непосредственно. Подробно описано в способе [3] показывает , как время , скорость вариант шаганиепешеход может быть идентифицирован, характеризующий соотношение между ускорений, зарегистрированных вблизи СоМ индивида и последующие ФГО. - Для экспериментов на месте: Применить процедуру , описанную в 6.3 для ускорений , зарегистрированных на СоМ каждого человека.
7. Моделирование и анализ структурных ответ
Примечание: Последующие шаги выполняются с использованием MATLAB 7. Конструктивный ответ вычисляется с использованием инструментария PediVib, набора инструментальных средств MATLAB разработанный авторами 8 (рисунок 6): в антропогенные силы определяются путем применения обобщенных моделей нагрузки от определяется Li и др 9 (ходьба) и Бахманн. и др. 1 (прыжки, бег и антивандальная нагрузки), а также структурная модель формулируется в модальных координатах 10. Сопровождающий пособие включает учебные пособия, которые наглядно иллюстрируютследующие шаги.
- Моделирование структурных ответ
- Определение модальных параметров тестовой структуры: Собственные частоты, модальные коэффициенты затухания, массовые нормализованы модальные перемещения, координаты соответствующих узлов (PediVib> Структурные параметры> New). Визуально проверьте модальный ввода информации (PediVib> Структурные параметры> Просмотр).
- Определить характеристики пешехода и соответствующие индуцированные нагрузки: тип нагрузки, вес, ходьба путь / местоположение, среднюю частоту стимуляции, начало каждого цикла нагрузки (PediVib> Один пешеход> Новый). Запуск и сохранить имитацию структурный ответ для вовлеченных участников. Визуально проверьте результаты (PediVib> Один пешеход> View).
- Подсчитать общую структурную реакцию путем наложения отдельных ответов, т.е. суммирования соответствующих векторов, и сравнить результат с измеренным структурного ответа,например, путем создания фигуру , которая отображает измеренный и имитацию структурный ответ.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Во-первых, показано, как ускорений зарегистрированные вблизи СоМ особей могут быть использованы, чтобы охарактеризовать последующие ФГО. Результаты обсуждаются здесь для ходьбы человека 3. Полностью сопоставимые наблюдения проводятся при ритмические деятельности человека, то есть, прыжки и подпрыгивая, рассматриваются. 7А и 7В показывают , что амплитуда спектра непрерывных вертикальных футовых сил и соответствующие уровни ускорения зарегистрированные вблизи СоМ пешехода качественно очень похожи , то есть, по форме и частоте. Средняя частота стимуляции активности может быть идентифицирована как частота первого доминантного пика в этих спектрах. Анализ зарегистрированных ФГО и ускорений СоМ показывает, что та же средняя частота стимуляции таким образом, идентифицированные до ± 0,1%. Впоследствии, сроки номинально идентичных событий идентифицируется фром ФГО и ускорений вблизи СоМ соответственно. Эта процедура показана на рисунке 8 , где ФГО и ускорений СоМ нормированы на вес человека и тяжести Земли (г = 9,81 м / sec²), соответственно. Анализ различных исследований показывает, что таким образом, период каждого цикла и, таким образом, по времени вариант частота стимуляции активности, могут быть идентифицированы из ускорений СоМ человека с доверительным интервалом 95%, что ниже, чем 3% по сравнению с той , как это определено от зарегистрированного ФГО (смотри таблицу 1) 3. Учет в дополнение к времени начала исходного цикла загрузки, позволяет вычислить начало всех циклов нагружения.
Далее эта информация применяется для имитации ФГО , используя набор инструментов PediVib 8. Рисунок 9 визуализирует небольшие количественные и качественные различия между измеренным и моделироваливертикальные одноступенчатые ножные силы. Эти маленькие несходства являются результатом применения обобщенной модели нагрузки одноступенчатый , как это определено в литературе 9 и может быть сведено к минимуму путем применения усредненных по вертикали одношаговый ножной силу рассматриваемого лица для соответствующей скорости ходьбы. Однако измерения прямые силы , как правило , не доступны для лиц , участвующих в экспериментах in - situ. Кроме того, по сравнению с небольшими вариациями в скорости стимуляции, чувствительность индуцированной структурной ответ на небольшие вариации в амплитуде силы или времени контакта можно считать neglegible 3,11. Рисунок 9 также показывает , что сроки по следам, и , следовательно , , время-вариант скорости стимуляции, точно идентифицирован из зарегистрированного движения пешехода. Рисунок 10 представляет амплитудный спектр имитирующих и измеренных ФГО. В отличие от совершенно периодических сил, которые являются исключительно Composed гармоник шага частоты, небольшие изменения частоты стимуляции приводят в распределение сил вокруг доминирующих гармоник 12,13. Принимая во внимание определенную переменную частоту стимуляции, эти узкополосные силы также присутствуют в моделируемых сил (рисунок 10). Два скалярные величины впоследствии используются для представления сходства между амплитудой спектра измеренного 
и моделируемые силы 
: (1) линейный ранг или корреляция 
[-], Которое изменяется между 0 и 1, и для которых 1 отражает идеальное соотношение, и (2) нормализованная 2-норма [%]: 
Амплитудные спектры сравниваются в фрДиапазон equency значение для низкочастотных структур гражданского общества (0-10 Гц). На рисунке 10 показано , что обнаруживается высокий коэффициент корреляции более 0,96. Если предположить, что пешеходную поведение совершенно периодическим, приводит к линейной корреляции менее 0,5. Нормализованная 2-норма составляет около 20%, где это оставшееся расхождение в первую очередь результат применения обобщенной модели нагрузки одноступенчатый. Для справочных целей следует отметить, что, когда ФГО смоделированы с идентифицированным средней одношагового ходьбы нагрузки, соотношение увеличивается до 0,99, и соответствующий 2-норма относительно действительных зарегистрированных сил снижается до менее чем на 8 процентов. Таким образом, анализ различных исследований показывает, что моделирование на основе обобщенных моделей нагрузки и идентифицированной частоты стимуляции времени вариант, позволяют хорошее приближение несовершенных реальных ФГО, вызванных человеческим движением.
яп дополнение к характеристике индивидуальных индуцированных нагрузок, синхронизации по времени беспроводных трекеры движения позволяет анализировать частоту синхронизации среди участников. Скорость синхронизации 
[-] определяется как: 
где T s [сек] является период активности и & Delta ; t сек [сек] является временной сдвиг между циклами различных участников. Эта скорость синхронизации имеет значение только при сравнимых циклов нагружения участвуют. Временных сдвигов & Dgr ; t s поэтому рассматриваются только для циклов , происходящих в соответствующем временном окне [т - ½T s <т <т + ½T s]. В результате, скорость синхронизации может варьироваться от нуля до единицы,причем последняя изображает идеальную синхронизацию. Эта процедура показана для экспериментов с участием шести пешеходов , для которых тот же шаг частоты , наложенные с помощью метронома (см рисунок 5B). Рисунок 11A представляет собой идентифицированный начало каждого цикла нагружения каждого участника по одной вертикальной линии. Одновременные линии, как это наблюдалось в течение первых 40 сек, указывает на высокую скорость синхронизации. Разрозненные линии, как это наблюдается от 50 до 60 секунд рассматриваемого процесса, указывают на низкую скорость или потери синхронизации между участниками. Аналогичные выводы можно сделать из фиг.11В представления соответствующей скорости синхронизации и на фигурах 11С и 11D , где определены частота стимуляции во времени вариант применяется для имитации индуцированные вертикальные нагрузки.
И, наконец, протокол применяется для выполнения подробного анализаколебаний , вызванных деятельностью человека на пешеходный мост Eeklo (рисунок 5). На рисунке 12 представлены модальные характеристики первых шести режимов структуры. Эксперименты включают людей , идущих 3, прыжки и качаться со скоростью стимуляции , введенного метроном и целенаправленным на основной или второй собственной частоты. Реакция структуры регистрируется с помощью пяти трехосных датчиков (смотри рисунок 3 и 5В). Впоследствии, измеренный структурный ответ сравнивается с численным моделированием, на которые приходится калиброванного численной модели структуры, экспериментально определенных коэффициентов модального демпфирования и характеризуется в полевых условиях поведения пешеходов.
Во- первых, результаты обсуждаются для экспериментов с участием шести пешеходам которых частота шага выбирается так, чтобы соответствовать первому (F S = F 1 (F s = F 2/2 = 1,49 Гц) структуры. Пешеходы расположены асимметрично (все выстроились один за другим) или симметрично (два на два) по отношению к продольной оси конструкции , чтобы максимизировать возбуждение первого и второго режима, соответственно (см рисунок 12). Для того, чтобы проиллюстрировать влияние фактического несовершенной прогулки поведения участников, структурный ответ предсказана в предположении идеально периодические ходьбе силы. Во-вторых, внутри и между вариабельности человека принимаются во внимание при рассмотрении выявленного частоты стимуляции времени вариант и, таким образом, также истинную синхронизацию среди пешеходов.
Рисунок 13A представляет измеренных и смоделированных вертикальное ускорение в середине пролета для людей , идущих по двое, со скоростью стимуляции , направленной на F 2/2. Thэто фигура показывает, что, когда предполагается, что ходьба поведение быть совершенно периодическим, структурный ответ завышена более чем в четыре раза. Учет истинной несовершенной прогулки поведения улучшает согласие с измеренной ответ значительно, хотя предсказанные уровни вибрации в три раза больше.
Рисунок 13B представляет измеренных и смоделированных ускорение в середине пролета для людей , идущих по одной стороне моста, со скоростью стимуляции , направленной на F S = F 1. В этом случае, зарегистрированный и смоделированы боковой ответ на середине пролета представлена, то есть доминирующий компонент первого режима. На рисунке 13В показывает , что при перемещении модели прикладывается усилие и идеально периодической ходьбе поведение предполагается, пиковое значение ускорения ответ завышен в два раза. Уменьшение СМЭренные ускорение наблюдается примерно через 40 секунд из-за уменьшенной синхронизации пешеходов. Аналогичная тенденция также находит свое отражение в моделируемой реакции при учете определенных ставок стимуляции времени вариант. Последнее приводит к гораздо более выгодном качественном согласии с измеряемым ответом, который, однако, по-прежнему немного завышены.
На рисунках 14 и 15 представляют собой аналогичное сравнение измеренных и смоделированных структурного реагирования с участием прыжки и подпрыгивая, соответственно. Опять же, следует отметить, что структурная реакция сильно завышены, когда антропогенные нагрузки предполагаются совершенно периодическим. Учет выявленных частоты стимуляции времени вариант приводит к гораздо более качественное согласие с измеряемым ответом.
Оставшийся несоответствие измеренных и смоделированных structuRAL ответ может быть из-за ошибки в модели в отношении (а) структурного поведения и (б) пешеходную индуцированной нагрузкой. Привлечение структурной модели, основная неопределенность касается модальных коэффициентов затухания. Тем не менее, ковариация модальных параметров, полученного из SSI-соу 14 были низкими , и, кроме того, свободный распад анализы показывают , что модальные демпфирующие коэффициенты сильно зависят от амплитуды колебаний 3. Что касается пешеходов, возбуждение, идентифицированная частота стимуляции времени вариант является приближение реальной несовершенной прогулки поведения при котором небольшие различия могут возникать из-за применения обобщенной модели силы. Разница в амплитуде между прогнозируемым и измеренного отклика на фиг 13-15, поражает и просто не может быть результатом этих остающихся неопределенностей. Это, однако, может быть объяснено увеличение затухания, то есть, в связи с изменениями в динамических свойствах сопряженной человеческой структуры-SYстебель по сравнению с теми, пустой структуре. Однако учет привлеченных ставок ЭКС времени варианта позволяет количественно оценить оставшееся несоответствие, которое в связи с этим человеком-структура взаимодействия (HSI) эффектов 10,15-17. Таким образом, методология, представленная здесь дает существенный вклад для верификации антропогенными нагрузками и количественной оценки HSI-эффектов.
Рисунок 1. (A) Xsens - Комплект MTW комплекс , который состоит из множества беспроводных инерциальных блоков (MTW - х) 2, (B) , платформа , предназначенная для определения опорной ориентации кадра, и (С) специально разработанные защелкиванием полные ремешков тела 2. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 2. Сила пластина 4 применяется для регистрации ФГО во время прыжков / качаться. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 3. Беспроводной трехосевой Geosig датчики 5 применяется для регистрации структурных ускорений. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 4. < сильный> Настройка конфигурации для лабораторных экспериментов с ритмические эксперименты человека. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 5. (А) Eeklo пешеходный и (В) синхронизируются ходьба шести участников (эта цифра была изменена с [3]). Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 6. PediVib Toolbox 8 применяется для имитации человеческих индуцированных колебаний.= "Https://www.jove.com/files/ftp_upload/53668/53668fig6large.jpg" целевых = "_blank"> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 7. Линейный спектр (А) вертикальные ФГО (сумма левой и правой стопы) и соответствующие уровни ускорения вблизи СоМ (В) (эта цифра была изменена с [3]). Пожалуйста , нажмите здесь для просмотра большая версия этой фигуры.
Рисунок 8. Нормированная (AC) вертикальной одну стадию (пунктир) и непрерывные (сплошные) ФГО (BD) нормированные ускорений вблизи СоМи (АВ) идентифицированный сроки номинально идентичных событий (вертикальная линия) от ФГО (сплошная линия ) и ускорений вблизи СоМ (пунктирная) (эта цифра была изменена с [3]). Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 9. нормализованы измеренное (сплошная линия ) и соответствующего имитационного (пунктир) вертикальных ФГО при ходьбе (эта цифра была изменена с [3]). Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 10.
Рисунок 11. Выявленная ходьбе поведение шести пешеходов: (А) каждый шаг каждого человека , обозначенное одной вертикальной линии (B) скорость синхронизации, и (CD) соответствующего имитационного вертикальные силы , вызываемые левой (серый) и правый (черный ) нога (эта цифра была изменена с [3]). Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
together.within-страница = "1"> 
Рисунок 12. Экспериментально определены модальные параметры первых шести режимов пешеходного моста Eeklo: собственная частота (F J), модальных демпфирование соотношение (ξ J) и форма режима: режим (А) 1 (F 1 = 1,71 Гц, ξ 1 = 2,3%); (B) Режим 2 (F 2 = 2,99 Гц, ξ 2 = 0,2%); (C) Режим 3 (F 3 = 3,25 Гц, ξ 3 = 1,5%); (D) Режим 4 (F 4 = 3,46 Гц, ξ 4 = 3,0%); (Е) Режим 5 (F 5 = 5,77 Гц, ξ 5 = 0,2%); и режим (F) 6 (е 6 = 5,82 Гц, ξ 6 = 0,2%). Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 13. Ускорения в середине пролета для людей , идущих (A) по два со скоростью стимуляции направлена на е s = е 2/2 и (В) в одном файле в точке а частота стимуляции F S = F 1: измеренная (черный) и предсказал ответ без (серый) и с (синий) на месте залегания были определены частоты стимуляции (эта цифра была изменена с [3]). Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 14. Ускорения в середине пролета для лиц , прыжки со скоростью стимуляции , направленной на (A) F s = F 2/2 и (
Рисунок 15. Ускорения в середине пролета для лиц , качающихся со скоростью стимуляции , направленной на (A) F s = F 2/2 и (В) е s = F 1: измеренное значение (черный) и прогнозируемой реакции без (серый) и с ( синий) на месте залегания определены частоты стимуляции. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
| скорость ходьбы | частота Шаг | # шага | CoM |
| [Км / ч] | [Гц] | [-] | 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 |
Таблица 1. Для каждого испытания: The раарендовать прогулочные скорость, средняя частота шага, количество зарегистрированных шагов и 95% доверительный интервал идентифицированного начала каждого шага на основе движения , зарегистрированного вблизи СоМ (эта таблица была изменена с [3]).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Человеческое движение , и в результате ФГО обычно определяются путем применения силы пластин, инструментальными третбаны, а также технологии захвата оптического движения , такие как Vicon 18 и CODA 19. Применение этих методов, однако, не ограничивается в лабораторных условиях. В ответ на этот недостаток, потенциал инновационных технологий , которые позволяют измерять «естественного» поведения человека в течение многих повторных циклов и непрерывных в настоящее время исследовано 20. Альтернативные методы включают в себя использование чувствительных к давлению стельки системы 21 или инструментальным обувь 22. Эти системы позволяют для прямого измерения контактных сил на структурах , но как правило , только дают вертикальную составляющую и не отражают глобальное поведение тела, например, движение по внешней линии 20. Другой метод амбулаторное использует комбинированные датчики магнитного инерционные, т.е. акселерометрии 20,23 (например, мягкие ткани артефактами 24, связность и т.д.), он предлагает большой потенциал для косвенной характеристики нагрузки , вызванного деятельностью человека, а также для анализа индивидуального, группового и поведения толпы 23,24. В настоящем исследовании, 3D инерционный метод отслеживания движения, разработанная для науки движения и индустрии развлечений рассматривается и методология разработана для характеристики в полевых условиях человеческого движения и в результате ФГО.
Первым важным шагом в способе, представленном здесь заключается в комплексном экспериментальном исследовании в лабораторных условиях, в которых человеческое движение и ФГО регистрируются одновременно. Этот набор данных должен содержать соответствующий набор расхаживая ставок и отдельных лиц, для каждого из человеческой деятельности в фокусе. Впоследствии этот набор данных может быть применен для определения соотношения между Registeкрасное движение участников и в результате ФГО. Далее, процедура может быть разработана для определения сроков номинально идентичных событий в каждом цикле нагружения как от зарегистрированного движения и соответствующих ФГО. Таким образом, эти наборы данных служат не только в качестве проверки для процедуры с целью охарактеризовать антропогенные нагрузки, а также позволяет количественно определить соответствующую точность.
Во-вторых, синхронизация между участвующими системами измерения имеет большое значение. Последнее предпочтительно осуществляют путем использования единой системы сбора данных или совместно используемому каналу триггера 2. Хорошо продуманная и последовательно выполняется протокол (как описано выше) может служить в качестве полезной альтернативы, особенно для применения на месте.
Процедура, как описано в настоящей работе работает прекрасно до 10 или 12 участников. Тем не менее, как число участников дополнительно increaSES и, таким образом, как число беспроводных трекинга единиц увеличивается, то соответствующая система сбора данных требует частоты дискретизации, чтобы значительно уменьшить. Несмотря на то, громоздки, измерительная система может быть расширена с помощью нескольких сбора данных станций Xsens для которых, в свою очередь, данные синхронизируются посредством применения общего канала синхронизации. Когда цель состоит в том, чтобы следить за поведением больших групп и толпы, применение альтернативных методов, таких как обработка изображения / видео можно было бы изучить.
Натурные наблюдения являются единственным источником информации для получения подробной и точной информации о репрезентативных данных эксплуатационных нагрузок. Поэтому дальнейшие исследования будут включать в себя натурные измерения на реальных мостков с участием больших групп и толпы. Настоящий метод может быть применен для идентификации естественную ходьбу поведение участников и, тем самым, обеспечивают существенный вклад в разработку подходящих мodels для корреляции между пешеходов в реальных условиях дорожного движения. Кроме того, идентифицированный ходьба поведение, в сочетании с имеющимися в настоящее время моделей нагрузки, могут быть применены для имитации индуцированную реакцию конструкции. Сравнение с соответствующими измеренных структурных колебаний позволяет проверять и калибровать прикладные модели нагрузки, например, путем оценки соответствующих явлений взаимодействия человека-структуры , такие как добавил затухание.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
Эксперименты с участием ходьбе лиц осуществляются в сотрудничестве с движением и осанки Лабораторный анализ Левена (МОЛЛ) 25. Их сотрудничество и поддержка с благодарностью.
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). |
References
- Bachmann, H., Ammann, W. Bachmann vibrations in structures : induced by man and machines. , IABSE-AIPC-IVBH. (1987).
- Xsens Technologies B. V.. MTw User Manual. , Available from: https://www.xsens.com/download/usermanual/MTw_usermanual.pdf (2013).
- 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).
- Northern Digital Inc. TrueImpulse Kinetic Measurement System User Guide. , (2013).
- Geosig Ltd. GeoSIG GMS 18-24 User Manual. , Available from: http://www.geosig.com/productfile2.html?productid=10319 (2012).
- Racic, V., Pavic, A. Mathematical model to generate near-periodic human jumping force signals. Mech. Syst. Signal Process. 24 (1), 138-152 (2010).
- The MathWorks Inc. MATLAB and Signal Processing Toolbox Release. , (2014).
- Van Nimmen, K., Van den Broeck, P. PediVib 1.0 - A MATLAB toolbox for the simulation of human-induced vibrations. , KU Leuven. (2015).
- 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).
- Van Nimmen, K. Numerical and experimental study of human-induced vibrations of footbridges [dissertation]. , KU Leuven. (2015).
- Middleton, C. Dynamic performance of high frequency floors [dissertation]. , University of Sheffield. (2009).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Živanović, S., Pavić, A., Ingòlfsson, E. T. Modeling spatially unrestricted pedestrian traffic on footbridges. Journal of Structural Engineering. 136 (10), 1296-1308 (2010).
- 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).
- Vicon Motion Systems Product Manuals. , (2012).
- CODAmotion Technical data sheet. , (2012).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Kavanagh, J. J., Menz, H. B. Accelerometry: A technique for quantifying movement patterns during walking. Gait Posture. 28 (1), 1-15 (2008).
- 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).
