Summary
Un protocolo se presenta para la caracterización del comportamiento de peatones de campo y la simulación de la respuesta estructural resultante. La validación de campo demuestran que la in situ identificado la frecuencia de estimulación y la frecuencia de sincronización entre los participantes constituyen un insumo esencial para la simulación y verificación de las cargas inducidas por el hombre.
Abstract
Para esbelta y estructuras ligeras, capacidad de servicio de la vibración es una cuestión de preocupación cada vez mayor, a menudo constituyen el requisito de diseño crítico. Con diseños según la evolución dinámica bajo las cargas inducidas por el hombre, existe una fuerte demanda para la verificación y el perfeccionamiento de los modelos de carga disponibles en la actualidad. La presente aportación utiliza una técnica de rastreo de movimiento inercial 3D para la caracterización del comportamiento de peatones en el campo. La técnica se probó por primera vez en experimentos de laboratorio con el registro simultáneo de las fuerzas de reacción del suelo correspondientes. Los experimentos incluyen a las personas que caminan, así como las actividades humanas rítmicos tales como saltar y meneo. Se muestra que el movimiento registrado permite la identificación del tipo de variante de la regulación del tiempo de la actividad. Junto con el peso de la persona y la aplicación de modelos fuerza generalizada disponibles en la literatura, la frecuencia de estimulación identificado variante en el tiempo permite a characterize las cargas inducidas por el hombre. Además, la sincronización de tiempo entre los rastreadores de movimiento inalámbricos permite identificar el tipo de sincronización entre los participantes. Posteriormente, la técnica se utiliza en una pasarela real, donde se registran tanto el movimiento de las personas y de las vibraciones estructurales inducidos. Se muestra cómo el comportamiento de peatones en campo caracterizado se puede aplicar para simular la respuesta estructural inducido. Se demuestra que la in situ identificado la frecuencia de estimulación y la frecuencia de sincronización constituyen un insumo esencial para la simulación y verificación de las cargas inducidas por el hombre. Las principales aplicaciones potenciales de la metodología propuesta son la estimación de la estructura humana fenómenos de interacción y el desarrollo de modelos adecuados para la correlación entre los peatones en condiciones reales de tráfico.
Introduction
Impulsada por la demanda económica de la eficiencia y la creciente fuerza de (nuevas) Materiales, arquitectos e ingenieros están empujando los límites para construir estructuras cada vez más largo, más alto y más ligeros. Por lo general, estructuras ligeras y delgadas tienen una o más frecuencias naturales que se encuentran dentro del espectro dominante de las actividades humanas comunes, tales como caminar, correr o saltar. Es probable que sea objeto de (cercano) de excitación resonante, que a menudo son excesivamente sensibles al movimiento humano, dando lugar a vibraciones perturbadoras o incluso perjudiciales 1. Por estas estructuras delgadas y ligeras, la capacidad de servicio de la vibración es una cuestión de preocupación cada vez mayor, a menudo constituyen el requisito de diseño crítico.
El movimiento humano y las fuerzas de reacción del suelo resultantes (GRFS) generalmente se identifican de forma experimental en condiciones de laboratorio. En la actualidad, los diseñadores están obligados a confiar en - lo que se supone que es "conservador" - l equivalenteoad modelos escalados a partir de mediciones de fuerza de una sola persona. Con diseños según la evolución dinámica bajo altas densidades de multitudes, existe una fuerte demanda para la verificación y el perfeccionamiento de los modelos de carga disponibles en la actualidad.
El presente protocolo emplea una técnica de seguimiento de movimiento inercial 3D para la caracterización del movimiento natural de los peatones. Se muestra cómo esta información puede ser utilizada para definir la correlación entre los peatones así como las cargas inducidas correspondientes. En una etapa posterior, el comportamiento de peatones caracterizado se utiliza para simular numéricamente la respuesta estructural inducido. La comparación con la respuesta estructural registrado que permite cuantificar el efecto de los fenómenos de interacción de estructura humana no contabilizados, por ejemplo, la atenuación agregada debido a la presencia de los peatones. La metodología se ilustra para los experimentos a gran escala en una pasarela real, donde la respuesta estructural y el movimiento del parpartici- se registran simultáneamente.
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Protocol
Todos los procedimientos fueron aprobados por el comité de ética del Hospital Universitario de la Universidad Católica de Lovaina y cada sujeto dieron un consentimiento informado por escrito antes de la participación.
1. 3D Motion seguimiento: Configuración y Adquisición de Datos
- Asegúrese de que los sensores individuales están completamente cargadas (Figura 1A). Esta etapa dura aproximadamente 1 hora, pero se puede realizar en los días anteriores a las medidas reales. Siga el protocolo de carga del fabricante.
- Administrador de MT - Adquisición de datos 2:
- Activar la conexión inalámbrica con los sensores y especificar la frecuencia de muestreo deseada (Configuración inalámbrica> Habilitar todos los maestros inalámbricas).
Nota: Para permitir una caracterización precisa de la conducta de peatones, se recomienda una velocidad de muestreo de al menos 60 Hz. El registro de los sensores de aceleración lineal individuo 3D, velocidad angular (tierra) del campo magnético y los datos de presión atmosférica. - Activar el modo de operación e iniciar el modo de medición: hacer movimientos lentos con los sensores durante aproximadamente 1 min (Configuración inalámbrica> iniciar la medición en todos los maestros inalámbricas).
- Mostrar los datos inerciales y magnéticos de todos los sensores activos (Ver> Pantalla> inercial de datos). Asegúrese de que, mientras estacionario, la orientación del sensor no hace oportunidad.
Nota: Un cambio de orientación del sensor estacionario indicaría un entorno magnéticamente perturbado y, de ese modo, la información de orientación incorrecto.
- Activar la conexión inalámbrica con los sensores y especificar la frecuencia de muestreo deseada (Configuración inalámbrica> Habilitar todos los maestros inalámbricas).
- Reinicio Orientación: Aplicar un reset partida objeto / (Object / partida de reposición> Restablecer orientación) para definir el marco de referencia global de los experimentos (Figura 1 B) 2.
- Colocar el sensor tan cerca como sea posible del centro cuerpo de masa (COM) situado en el nivel de la quinta vértebra lumbar (Figura 1C). Fijar un único sensor de fuerza y firmeza a cada participante con scialmente diseñado clic en correas de cuerpo completo (Figura 1C).
- Registrar los datos según sea necesario.
- Cargar los registros de interés (archivo abierto), especifique la configuración de exportación (Herramientas> Preferencias> Exportadores) y exportar el (y matriz de orientación) la aceleración de datos para su posterior análisis 2 (Archivo> Exportar).
2. Placa Fuerza: Instalación y configuración
Nota: La presente etapa se analiza la aplicación de una plataforma de fuerza para registrar los GRFs. En el caso de que un / persona corriendo a pie está implicada, una serie de placas de fuerza o un tapiz rodante instrumentada es para ser utilizado para registrar la carga inducida por los pasos posteriores 3, el protocolo en sí es análoga.
- Asegúrese de que la placa de la fuerza está fijado de forma segura al suelo del laboratorio (Figura 2).
- Configurar los ajustes del dispositivo de adquisición y 4 (NDI abierto Captura de Datos>> Configuración del dispositivo> SettiNGS). Seleccione la "ganancia" adecuada y "frecuencia de muestreo". Configurar y comprobar los ajustes de activación externa, si es necesario 4.
- Elige la ganancia y la frecuencia de muestreo de acuerdo con la precisión deseada y el tipo de carga involucrados. Para la presente solicitud, utilice una ganancia de 128 (fuerza máxima de 4.879 N) y una muestra de 200 Hz tasa.
- Iniciar y finalizar cada ensayo con una plataforma de fuerza vacío: Tara en la plataforma de fuerza cuando está vacío (NDI abierto Captura> Datos> Configuración de dispositivo> Configuración> Tara).
- Con fines de verificación: Colocar un peso conocido en la parte superior de la plataforma de fuerza antes y después de cada ensayo.
Nota: En la presente solicitud se utiliza una masa de 5 kg, sin embargo, el uso de otra masa rígida conocido (> 2 kg) puede servir igualmente esta prueba de verificación. - Grabar y guardar los datos de GRF según sea necesario. Exportar los GRFs 4 para su posterior análisis.
3. Medición de la Accele estructuralraciones
Nota: Los presentes pasos tienen como objetivo recoger las vibraciones estructurales en una o más ubicaciones correspondientes en la estructura. La presente solicitud se emplea Geosig GMS grabadoras (Figura 3) para registrar las aceleraciones estructurales. Otros tipos de sensores con características adecuadas para la aplicación involucrada, pueden aplicarse por igual.
- Asegúrese de que los sensores individuales están completamente cargadas. Este paso puede tardar varias horas, pero se puede realizar en los días anteriores a las medidas reales. Siga el protocolo de carga del fabricante.
- Instalar los sensores en los lugares deseados de la estructura primaria: Nivel de los sensores y, si es necesario, proporcionar una fijación adecuada a la estructura primaria (por ejemplo, mediante el uso de imanes).
Nota: dada la gran masa del individuo GMS grabadoras (> 6 kg) y las oscilaciones de baja frecuencia que se trate (<6 Hz), sin fijación adicional era necesario en este caso. - para GeoAdquisición de datos DAS 5: Configurar y habilitar la red inalámbrica GSM y la conexión con los sensores 5. Compruebe los ajustes de tiempo y la configuración de sincronización (si es necesario) (clic derecho sobre el sensor> Más información).
- Coloque los sensores en el lugar deseado y los de nivel de acuerdo con el marco de referencia global.
- Para la adquisición de datos GEODAS 5: exportar los datos grabados para su posterior análisis (clic derecho sobre el sensor> Control de Instrumentos> Enviar una solicitud> Solicitud de usuario> GETEVT 5).
4. Los experimentos en un ambiente controlado de laboratorio
- Configurar / Configuración 3D seguimiento del movimiento (como se discutió en la sección 1).
- Configurar una plataforma de fuerza / configuración (como se discutió en la sección 2).
- Durante el funcionamiento: comprobar visualmente el tiempo real las mediciones tanto de los sensores inerciales inalámbricos y la placa de la fuerza para verificar su modo de funcionamiento.
- Pedir a la participhormiga al paso sobre la plataforma de fuerza y estar quieto durante al menos 30 segundos: esto permite identificar el peso de cada individuo.
- Configurar la señal de metrónomo: seleccionar el ritmo deseado, es decir, frecuencia de fuerza fundamental.
Nota: La señal del metrónomo se puede configurar fácilmente con aplicaciones en línea de teléfonos inteligentes o libres. - Iniciar la grabación de los datos tanto de la plataforma de fuerza y los sensores inerciales inalámbricas.
- Pedir al participante para iniciar la actividad deseada: caminar, saltar o moviéndose a la velocidad (estimulación dirigida) como indica la señal del metrónomo (ver Figura 4).
- Registre el número seleccionado de ciclos de carga, por ejemplo, pasos, saltos o ciclos flotando. Pedir al participante que bajar la plataforma de fuerza.
Nota: Para fines de validación, se aconseja considerar un tiempo de grabación adicional en estas condiciones sin carga. En la literatura, no existe un claro consenso acerca de los ciclos de carga número mínimo necesario para characterize el ciclo-a-ciclo variabilidades 6. Con base en la experiencia y el trabajo presentado en [6], el estudio que aquí se presenta considera 60 ciclos consecutivos por el que los primeros y los últimos cinco ciclos de carga están excluidos del análisis para excluir a las irregularidades en el patrón de carga al inicio y al final del ensayo.
5. Experimentos In Situ
- Configurar / Configuración de la red de sensores inerciales en 3D que hacen un seguimiento del movimiento de los participantes (véase la sección 2 y la Figura 5).
- Configurar / Configuración de la red GMS de acelerómetros inalámbricos que registran las aceleraciones estructurales (ver sección 4).
- Durante la operación: (visualmente) comprobar las mediciones en tiempo real de los sensores inerciales inalámbricos para verificar su modo de funcionamiento.
- Definir un protocolo claro que permite sincronizar los sistemas de medición involucrados, si es necesario.
Nota: Este paso es necesario cuando el implicadosistemas de adquisición de datos no permiten para la sincronización directa debido a la falta de un disparador o canal común. Este último es el caso de los sistemas de medición inalámbricas aplicadas en el experimentos in situ (5.1 y 5.2). Por lo tanto, un protocolo claro ha sido adoptada en el sitio que permite sincronizar las bases de datos fuera de línea. En la presente solicitud, los sistemas de medición involucradas se sincronizan a través del registro de un evento idéntico, es decir, el impacto, al principio y al final de cada ensayo, registrada por al menos un sensor de cada uno de los sistemas de medición involucradas. vectores de tiempo correctamente alineados se obtienen posteriormente a través de línea de alineación de estos eventos. - Configurar la señal de metrónomo: in situ, el uso de un megáfono para amplificar se requiere que el ritmo objetivo.
- Reunir un número suficiente de ensayos para comprobar la repetibilidad del experimento. Con base en la experiencia, los autores recomiendan para grabar al menos 3, 4 o preferiblemente, trmate-.
Análisis 6. Datos
- Pre-proceso de los datos en bruto de los equipos involucrados como sea necesario: Aplicar los filtros adecuados para eliminar las influencias no deseadas tales como las contribuciones de alta frecuencia irrelevantes y ruido de medición, y retener la ventana de tiempo correspondiente de acuerdo con el protocolo del fabricante.
Nota: Las características de filtrado deben ser elegidos de conformidad con la aplicación. En el presente estudio, el procesamiento de señales de MATLAB caja de herramientas 7 se aplica para realizar una filtrado de paso bajo con una frecuencia de corte a 20 Hz para todas las señales involucradas. - Para cada participante: Calcular la transformada discreta de Fourier de las aceleraciones registradas de la OCM usando MATLAB Procesamiento de Señal Caja de herramientas 7 e identificar la frecuencia media de carga como la frecuencia del pico dominante del armónico fundamental en el espectro obtenido.
- Identificar el tiempo entre dos eventos nominalmente idénticas de la ciclo de cargaS según el método detallado en [3] o la herramienta de la caja de herramientas lc_timing PediVib MATLAB 8
- Cargar el vector de datos (lc_timing> Cargar).
- Especificar la frecuencia de muestreo y estimar la frecuencia media de carga. Especificar el intervalo de tiempo relevante, si es necesario. Guardar el tiempo de los eventos identificados nominalmente idénticos, es decir, los ciclos de carga (lc_timing> Guardar).
- Calcule la frecuencia media de carga como la inversa del tiempo medio entre los ciclos de carga posteriores (como se identifica en 6.3).
- Para los experimentos en el laboratorio: Aplicar el procedimiento detallado en el apartado 6.3, tanto para las fuerzas de reacción resultantes y las aceleraciones registradas en el CdM de cada individuo.
Nota: Este paso sirve como validación para el procedimiento que se aplica para los experimentos in situ, donde los GRFs no se pueden medir directamente. El método detallado en [3] muestra cómo la tasa de variante de la regulación del tiempo de lapeatones se puede identificar mediante la caracterización de la relación entre las aceleraciones registradas cerca del CdM del individuo y las consiguientes GRFs. - Para los experimentos in situ: Aplicar el procedimiento detallado en el apartado 6.3 de las aceleraciones registradas en el CdM de cada individuo.
7. Simulación y Análisis de la respuesta estructural
Nota: Los pasos posteriores se realizaron utilizando MATLAB 7. La respuesta estructural se calcula utilizando la caja de herramientas PediVib, una caja de herramientas de MATLAB desarrollado por los autores 8 (Figura 6): las fuerzas inducidas por el hombre se determinan mediante la aplicación de los modelos de carga generalizadas de definido por Li et al 9 (a pie) y Bachmann. et al. 1 (saltar, correr y carga de vandalismo), y el modelo estructural se formula en las coordenadas modal 10. El manual que lo acompaña incluye tutoriales que ilustran claramente lasiguientes pasos.
- Simulación de la respuesta estructural
- Definir los parámetros modales de la estructura de la prueba: Las frecuencias naturales, relaciones de amortiguamiento modal, desplazamientos modales en serie normalizado, las coordenadas de los nodos correspondientes (PediVib> Parámetros estructurales> Nuevo). comprobar visualmente la información de entrada modal (PediVib> parámetros estructurales> Ver).
- Definir las características de los peatones y las cargas inducidas correspondientes: tipo de carga, peso, caminar ruta / ubicación, frecuencia de estimulación media, el inicio de cada ciclo de carga (PediVib> peatonal solo> Nuevo). Ejecutar y guardar la respuesta estructural simulado para los participantes involucrados. comprobar visualmente los resultados (PediVib> peatonal solo> Ver).
- Calcular la respuesta estructural total a través de la superposición de las respuestas individuales, es decir, la suma de los vectores correspondientes, y comparar el resultado con la respuesta estructural medido,por ejemplo, mediante la creación de una figura que muestra la respuesta estructural medido y simulado.
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Representative Results
En primer lugar, se muestra cómo las aceleraciones registrados cerca de la CoM de los individuos pueden ser utilizados para caracterizar los consiguientes GRFs. Los resultados se discuten aquí para una persona que caminaba 3. Totalmente se hacen observaciones comparables cuando las actividades humanas rítmicas, es decir, saltando y moviéndose, son considerados. Figura 7A y 7B muestran que el espectro de amplitud de las fuerzas continuas pies verticales y los correspondientes niveles de aceleración registrados cerca del CdM del peatón son cualitativamente muy similares , es decir, en forma y frecuencia. La frecuencia de estimulación media de la actividad puede ser identificada como la frecuencia del primer pico dominante en estos espectros. El análisis de los GRFs y aceleraciones de la OCM registrados muestra que la misma frecuencia de estimulación media es de este modo identificado hasta ± 0,1%. fr Posteriormente, el tiempo de los eventos nominalmente idénticos se identificaom los GRFs y las aceleraciones cerca de la COM, respectivamente. Este procedimiento se ilustra en la Figura 8, donde los GRFs y las aceleraciones de la OCM se normalizan para el peso de la persona y la gravedad de la Tierra (g = 9,81 m / s²), respectivamente. Análisis de los diferentes ensayos muestran que de esta manera, el periodo de cada ciclo y, por lo tanto, la frecuencia de estimulación variante en el tiempo de la actividad, se puede identificar a partir de las aceleraciones de CdM de la persona con un intervalo de confianza del 95% que es inferior a 3% en comparación con el que se identifica que los GRFs registrados (ver Tabla 1) 3. Contabilidad además de la hora de inicio del ciclo de carga inicial, permite calcular el inicio de todos los ciclos de carga.
A continuación, esta información se aplica para simular los GRFs utilizando la caja de herramientas PediVib 8. La figura 9 visualiza pequeñas diferencias cuantitativas y cualitativas entre la medida y simuladafuerzas del pie de un solo paso verticales. Estas pequeñas diferencias son el resultado de la aplicación de un modelo de carga de un solo paso generalizado como se define en la literatura 9 y podría ser minimizada mediante la aplicación de la fuerza del pie de un solo paso vertical de promediado de la persona considerada para la velocidad de la marcha correspondiente. Sin embargo, las medidas de fuerza directas en general, no están disponibles para las personas que participan en los experimentos in situ. Además, en comparación con pequeñas variaciones en la frecuencia de estimulación, la sensibilidad de la respuesta estructural inducida a pequeñas variaciones en la amplitud de la fuerza o el tiempo de contacto se puede considerar neglegible 3,11. La Figura 9 muestra también que el momento de los pasos, y por lo tanto , la variante en el tiempo la frecuencia de estimulación, se identifica con precisión a partir del movimiento registrado del peatón. la Figura 10 presenta el espectro de amplitud de los GRFs simulados y medidos. En contraste con las fuerzas perfectamente periódicas que son exclusivamente lososed de los armónicos de la frecuencia de paso, las pequeñas variaciones en la frecuencia de estimulación resultan en una distribución de fuerzas alrededor de los armónicos dominantes 12,13. Al tener en cuenta la frecuencia de estimulación variable identificada, estas fuerzas de banda estrecha también están presentes en las fuerzas simuladas (Figura 10). Dos cantidades escalares se utilizan posteriormente para representar la similitud entre el espectro de amplitud de la medida 
y las fuerzas simuladas 
: (1) el rango lineal o correlación 
[-] Que varía entre 0 y 1 y para el que 1 refleja una correlación perfecta, y (2) la normalizado 2-norma [%]: 
Los espectros de amplitud se comparan en la frgama ecuencia relevante para estructuras civiles de baja frecuencia (0-10 Hz). La figura 10 muestra que se encuentra un alto coeficiente de correlación de más de 0,96. Suponiendo el comportamiento a pie de ser perfectamente periódica, resulta en una correlación lineal de menos de 0,5. El normalizado 2-norma es de aproximadamente 20%, en donde esta discrepancia restante es principalmente el resultado de la aplicación de un modelo de carga de un solo paso generalizada. Para fines de referencia, se observa que cuando los GRFs son simuladas con la carga a pie de un solo paso promedio identificada, la correlación aumenta hasta 0,99 y la correspondiente 2-norma con respecto a las fuerzas reales registrados disminuye a menos del 8 por ciento. De esta manera, el análisis de los diferentes ensayos muestra que simulaciones basadas en los modelos de carga generalizadas y la frecuencia de estimulación variable en el tiempo identificado, permiten una buena aproximación de los GRFs reales imperfectos inducidas por el movimiento humano.
yon Además de la caracterización de las cargas individuales inducida, la sincronización de tiempo de los seguidores de movimiento inalámbricos permite analizar la tasa de sincronización entre los participantes. La tasa de sincronización 
[-] Se define como: 
donde T s [s] es el período de la actividad y Dt s [s] es el desplazamiento de tiempo entre los ciclos de los diferentes participantes. Este tipo de sincronización sólo es relevante cuando se trata de ciclos de carga comparables. El tiempo cambia Dt s, por tanto, se consideran únicamente a los ciclos que ocurren dentro de la ventana de tiempo correspondiente [t - ½t s <t <t + ½t s]. Como resultado, la tasa de sincronización puede variar entre cero y la unidad,por lo que el último representa la sincronización perfecta. Este procedimiento se ilustra por los experimentos que implican seis peatones para los que se impone la misma frecuencia paso utilizando un metrónomo (véase la Figura 5B). La Figura 11A representa el inicio identificado de cada ciclo de carga de cada participante por una única línea vertical. Coincidiendo líneas, como se observa durante la primera 40 seg, indican una alta tasa de sincronización. Líneas dispersas, como se observó entre 50 y 60 segundos del ensayo considerado, indican una tasa baja o pérdida de sincronización entre los participantes. Observaciones similares se pueden hacer de la Figura 11B presenta la tasa de sincronización y las figuras 11C y 11D correspondiente donde se aplica la frecuencia de estimulación variable en el tiempo identificado para simular las cargas verticales inducidos.
Por último, se aplica el protocolo para llevar a cabo un análisis detalladode las vibraciones inducidas por las actividades humanas en la pasarela Eeklo (ver Figura 5). La figura 12 presenta las características modales de los primeros seis modos de la estructura. Los experimentos involucran a personas caminando 3, saltando y moviéndose con una frecuencia de estimulación impuesta por un metrónomo y dirigido a la frecuencia natural fundamental o segundo. La respuesta de la estructura se registra utilizando cinco sensores triaxiales (véase la Figura 3 y 5B). Posteriormente, la respuesta estructural medida se compara con las simulaciones numéricas que representan el modelo numérico calibrado de la estructura, las relaciones de amortiguamiento modal experimental identificado y el comportamiento de peatones caracterizado en el campo.
En primer lugar, se analizan los resultados de los experimentos con seis peatones paso cuya frecuencia se elige para que coincida con el primero (f s = F 1 (f s = f 2/2 = 1,49 Hz) de la estructura. Los peatones están dispuestos asimétricamente (todos alineados uno a uno) o simétricamente (de dos en dos) con respecto al eje longitudinal de la estructura para maximizar la excitación de la primera y el segundo modo, respectivamente (véase la Figura 12). Para ilustrar el impacto del comportamiento caminar imperfecta real de los participantes, la respuesta estructural se predijo por primera vez asumiendo fuerzas perfectamente periódicas para caminar. En segundo lugar, intra e inter-persona variabilidades se tienen en cuenta al considerar la frecuencia de estimulación variante en el tiempo determinado y, por lo tanto, también la verdadera sincronización entre los peatones.
La Figura 13A presenta la aceleración vertical medido y simulado en el tramo medio para las personas que caminan de dos en dos, con una frecuencia de estimulación dirigida a f 2/2. Thes figura ilustra que cuando el comportamiento caminar se supone que es perfectamente periódica, la respuesta estructural se sobreestima en más de un factor de cuatro. Lo que representa el verdadero comportamiento de caminar imperfecta mejora el acuerdo con la respuesta medida significativa a pesar de los niveles de vibración previstos son tres veces más grandes.
La Figura 13B presenta la aceleración medida y simulada en el tramo medio para las personas que caminen sobre un lado del puente, con una frecuencia de estimulación dirigida a f s = f 1. En este caso, se presenta la respuesta lateral registrado y simulado en el tramo medio, es decir, el componente dominante de la primera modalidad. La Figura 13B muestra que cuando el modelo de fuerza motriz se aplica y perfectamente se supone un comportamiento periódico a pie, el valor de pico de la aceleración la respuesta se sobreestima en un factor de dos. Una disminución en el meaaceleración Sured se observa después de aproximadamente 40 segundos debido a una sincronización reducida de los peatones. Una tendencia similar se refleja también en la respuesta simulada en la contabilización de las frecuencias de estimulación varían en el tiempo identificados. Este último conduce a una mejor cualitativo acuerdo con la respuesta medida que es, sin embargo, todavía ligeramente sobreestimados.
Las figuras 14 y 15 presenta una comparación similar de la respuesta estructural medida y simulada que implica saltar y flotando, respectivamente. Una vez más, se observa que la respuesta estructural es muy sobreestimada cuando las cargas inducidas por el hombre se supone que son perfectamente periódica. La contabilización de la frecuencia de estimulación variante en el tiempo determinado conduce a un acuerdo mucho mejor cualitativa con la respuesta medida.
La discrepancia entre el restante structu medida y simuladarespuesta ral puede ser debido a errores en el modelo con respecto a (a) el comportamiento estructural y (b) la carga de peatones inducida. Que implica el modelo estructural, la incertidumbre principal se refiere a las relaciones de amortiguamiento modal. Sin embargo, la covarianza de los parámetros modales como se obtiene de la SSI-cov 14 eran bajos y, además, la descomposición libre de análisis muestran que los coeficientes de amortiguación modal el apenas dependen de las amplitudes de vibración 3. En cuanto a la excitación de peatones, la frecuencia de estimulación variable en el tiempo identificado es una aproximación del comportamiento caminar imperfecto verdadero mediante el cual pueden surgir pequeñas diferencias debido a la aplicación del modelo de fuerza generalizada. La diferencia de amplitud entre el predicho y la respuesta medida en las figuras 13-15 es sorprendente y no puede ser simplemente el resultado de estas incertidumbres restantes. Puede, sin embargo, se explica por un aumento de la amortiguación, es decir, debido a los cambios en las propiedades dinámicas de la acoplado sy-estructura humanamadre en comparación con las de la estructura vacía. Sin embargo, lo que representa las frecuencias de estimulación varían en el tiempo involucradas permite cuantificar la discrepancia restante que es debido a estos efectos la interacción humano-estructura (HSI) 10,15-17. De esta manera, la metodología presentada aquí proporciona información esencial para la verificación de las cargas inducidas por el hombre y la cuantificación de HSI-efectos.
Figura 1. (A) El Xsens - Kit Mtw Desarrollo que consta de varias unidades inerciales inalámbricas (MTW de) 2, (B) la plataforma diseñada para definir el marco de referencia de la orientación, y (C) el encaje a presión en las correas de cuerpo completo 2 especialmente diseñado. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2. La fuerza de la placa 4 solicitó el registro de los GRFs durante el salto / meneo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3. Los sensores inalámbricos triaxial Geosig 5 aplican para registrar las aceleraciones estructurales. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4. < strong> Configuración para los experimentos de laboratorio con experimentos rítmicos humanos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5. (A) La pasarela Eeklo y (B) a pie sincronizada de seis participantes (esta cifra se ha modificado a partir de [3]). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6. La caja de herramientas 8 PediVib aplica para simular las vibraciones inducidas por el hombre.= "Https://www.jove.com/files/ftp_upload/53668/53668fig6large.jpg" target = "_ blank"> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 7. El espectro lineal de (A) los GRFs verticales (suma de los pies izquierdo y derecho) y (B) los correspondientes niveles de aceleración cerca de la COM (esta cifra se ha modificado a partir de [3]). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 8. Las normalizados (AC) solo escalón vertical (discontinua) y GRFS continuas (sólidas) (BD) las aceleraciones normalizados cerca del CdMy (AB) el calendario identificado de eventos nominalmente idénticos (línea vertical) de los GRFs (sólido) y las aceleraciones cerca de la COM (discontinua) (esta cifra se ha modificado a partir de [3]). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta cifra.
Figura 9. La normalizado medido (sólido) y simulados (trazos) GRFs vertical correspondiente al caminar (esta cifra se ha modificado a partir de [3]). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
La Figura 10.
Figura 11. El comportamiento de caminar identificado seis peatones: (a) cada paso de cada persona indicada por una única línea vertical (B) la velocidad de sincronización, y (CD) correspondiente simula las fuerzas verticales inducidos por la izquierda (gris) y derecha (negro ) pies (esta cifra se ha modificado a partir de [3]). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Figura 12. La experimentalmente identificado parámetros modales de los primeros seis modos de la pasarela Eeklo: frecuencia natural (f j), razón de amortiguamiento modal (ξ j) y el modo de forma: de modo (A) 1 (f1 = 1,71 Hz, 1 ξ = 2,3%); (B) Modo 2 (f 2 = 2,99 Hz, ξ 2 = 0,2%); (C) el modo 3 (f 3 = 3,25 Hz, 3 ξ = 1,5%); (D) Modo 4 (f 4 = 3,46 Hz, ξ 4 = 3,0%); (E) Modo 5 (f = 5,77 Hz 5, 5 ξ = 0,2%); y el modo (F) 6 (f 6 = 5,82 Hz, ξ 6 = 0,2%). Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 13. Las aceleraciones en el tramo medio de personas que caminan (A) de dos en dos a la frecuencia de estimulación dirigido a f s = f 2/2 y (B) en una sola fila en f = 1 una frecuencia de estimulación f s: medido (negro) y predice la respuesta sin (gris) y con (azul) in situ identificada frecuencia de estimulación (esta cifra se ha modificado a partir de [3]). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 14. Las aceleraciones en el tramo medio de personas que saltan a una frecuencia de estimulación específica en (A) f s = f 2/2 y (
Figura 15. Las aceleraciones en el tramo medio de personas flotando en una frecuencia de estimulación específica en (A) f s = f 2/2 y (B) f s = f 1: medida (negro) y sin respuesta predicha (gris) y con ( azul) in situ identificado la frecuencia de estimulación. por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
| la velocidad al caminar | frecuencia de paso | # pasos | CdM |
| [Km / h] | [Hz] | [-] | 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 |
Tabla 1. Para cada ensayo: la difealquilar velocidades de marcha, la frecuencia media etapa, el número de pasos registrados y el intervalo de confianza del 95% de la aparición identificada de cada paso basado en el movimiento registrado cerca de la COM (esta tabla se ha modificado a partir de [3]).
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Discussion
El movimiento humano y GRFs resultantes se identifican generalmente por la aplicación de placas de fuerza, cintas de correr, así como la tecnología de captura de movimiento óptico tal como Vicon 18 y 19 CODA instrumentados. La aplicación de estas técnicas es, sin embargo, restringida al entorno de laboratorio. En respuesta a este inconveniente, el potencial de técnicas innovadoras que permiten la medición del comportamiento "natural" persona durante muchos ciclos repetidos e ininterrumpidos Actualmente se está investigando 20. Técnicas alternativas incluyen el uso de los sistemas de la plantilla de presión sensible 21 o zapatos instrumentados 22. Estos sistemas permiten la medición directa de las fuerzas de contacto en las estructuras, pero en general, sólo producen el componente vertical y no reflejan el comportamiento corporal global, por ejemplo, el movimiento del tronco 20. Otra técnica ambulante emplea sensores inerciales magnética combinados, es decir, 20,23 acelerometría (por ejemplo, los tejidos blandos artefactos 24, conectividad, etc.), que ofrece un gran potencial para la caracterización indirecta de la carga inducida por el hombre, así como para el análisis de factores individuales, de grupo y comportamiento de las masas 23,24. En el presente estudio, una técnica de seguimiento de movimiento inercial 3D desarrollado para la industria de la ciencia del movimiento y el entretenimiento se examina y se desarrolla una metodología para la caracterización en el campo del movimiento humano y los GRFs resultantes.
Un primer paso esencial en el método que aquí se presenta consiste en un estudio experimental integral en condiciones de laboratorio en la que el movimiento humano y los GRFs se registran simultáneamente. Este conjunto de datos debe comprender un conjunto relevante de estimulación tarifas y particulares para cada una de las actividades humanas en el foco. Posteriormente, este conjunto de datos se puede aplicar para identificar la relación entre la empadronadosrojo moción de los participantes y los GRFs resultantes. A continuación, un procedimiento puede ser desarrollado para la identificación de la sincronización de los eventos nominalmente idénticos en cada ciclo de carga de tanto el movimiento registrado y los GRFs correspondientes. De esta manera, estos conjuntos de datos no sólo sirven como validación para el procedimiento con el objetivo de caracterizar las cargas inducidas por el hombre, pero, también permite cuantificar la exactitud correspondiente.
En segundo lugar, la sincronización entre los sistemas de medición involucrados es de gran importancia. Este último se realiza preferiblemente mediante el uso de un sistema de adquisición de datos única o un canal de disparo 2 compartida. Un protocolo bien diseñado y ejecutado consistentemente (como se discutió anteriormente) puede servir como una alternativa útil, especialmente para la aplicación in situ.
El procedimiento que se discute en el presente trabajo funciona perfectamente hasta 10 o 12 participantes. Sin embargo, como el número de participantes más aumenses y, por tanto, como el número de unidades de rastreo de movimiento inalámbrico aumenta, el sistema de adquisición de datos correspondiente requiere la velocidad de muestreo para reducir de manera significativa. Aunque engorroso, el sistema de medición se puede extender por múltiples estaciones de adquisición de datos Xsens para que, a su vez, los datos se sincronizan a través de la aplicación de un canal de disparo común. Cuando el objetivo es controlar el comportamiento de los grupos y las multitudes más grandes, la aplicación de técnicas alternativas, tales como procesamiento / imagen de vídeo se podría explorar.
En las observaciones in situ son la única fuente de información para obtener información detallada y precisa sobre la carga de datos operacionales representativas. Por lo tanto, una mayor investigación incluirá medidas a escala real en pasarelas reales que involucran grandes grupos y multitudes. La presente técnica se puede aplicar para identificar el comportamiento natural de caminar de los participantes y, por tanto, proporcionar información esencial para el desarrollo de m convenienteodelos para la correlación entre los peatones en condiciones reales de tráfico. Además, el comportamiento de caminar identificado, en combinación con modelos de carga actualmente disponibles, se puede aplicar para simular la respuesta estructural inducido. Comparación con las vibraciones estructurales medidos correspondientes permite verificar y calibrar los modelos de carga aplicados, por ejemplo, mediante la estimación de los de estructura humana fenómenos de interacción pertinentes, tales como la amortiguación añadida.
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Acknowledgments
Los experimentos con personas que caminan se llevan a cabo en cooperación con el movimiento y la postura Análisis de laboratorio Lovaina (centro comercial) 25. Su cooperación y apoyo se agradece.
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). |
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