基于该特征场行人行为人类引起的振动模拟

Summary

的协议，提出了在现场行人行为的特征和所产生的结构响应的模拟。现场试验表明， 在确定原地踱步参与者之间的速率和同步率构成了人类引起的负荷的仿真和验证的必要投入。

Abstract

对于纤细轻巧的结构，振动舒适度是越来越多的关注，往往构成重要的设计要求的问题。随着设计的人类活动引起的载荷作用下管辖的动态性能，强大的需求存在的现有负荷模型验证和完善。本贡献使用的内场行人行为的表征三维惯性运动跟踪技术。该技术是在实验室的实验第一次测试与相应的地面反作用力的同时注册。实验包括散步的人，以及有节奏的人类活动，如跳跃和上下摆动。它表明，在登记的运动允许活动的时变起搏率的识别。与人的重量，并在文献中可获得的广义的力模型的应用一起，所识别的时间变起搏率允许为characterize人类造成的负荷。此外，无线运动跟踪器之间的时间同步允许识别所述参与者之间的同步速率。接着，该技术被用在其中的人和感应结构振动的两者的运动被登记一个真实天桥。它示出了其特征场行人行为如何可以适用于模拟的感应结构响应。它表明， 在确定原地踱步率和同步率构成了人类引起的负荷的仿真和验证的必要投入。拟议的方法的主要潜在应用是人类与结构相互作用现象的估计和合适的模型对实际交通状况行人之间的相关性的发展。

Introduction

通过效率的经济需求和（新）材料，建筑师和工程师正在推动的界限越来越长建，更高，更轻的结构，实力的不断增强推动。通常情况下，重量轻，修长的结构具有说谎的人类共同的活动，如散步，跑步或跳跃的主导频谱中的一个或多个自然频率。可能是受到（近）共振激发，他们往往过分响应人体运动，造成¹令人不安的，甚至有害的振动。这些细长和轻型结构，振动适用性日益受到关注，经常构成重要的设计要求的问题。

人体运动，将所得地面反作用力（GRFS）通常实验在实验室条件下确定的。目前，设计人员不得不依赖 - 假设什么是"保守" - 当量的1-OAD模型，从单人的测力放大的。随着设计通过在高密度人群的动态性能的约束，强大的需求存在当前可用负荷模型的验证和完善。

本协议采用了行人的自然运动的特征三维惯性运动跟踪技术。它示出该信息如何可以被用来定义行人以及相应的感应负载之间的相关性。在随后的步骤中，其特征行人行为用于数值模拟的感应结构响应。与登记的结构响应比较允许量化的不明人-结构交互的现象， 例如 ，效果，所添加的阻尼因行人的存在。该方法是用于说明全尺度试验一个真正的人行桥，其中结构响应和面值的议案ticipants同时注册。

Protocol

所有的程序是由鲁汶大学附属医院的伦理委员会批准，每个受试者参与前发表了书面知情同意书。

1. 3D运动跟踪:配置和数据采集

1. 确保各个传感器完全充电（ 图1A）。此步骤需要约1小时，但可以在之前的实际测量的日子进行。按照制造商的计费协议。
2. MT管理器-数据采集^2:
   1. 启用与传感器的无线连接，并指定所需的采样率（无线配置>启用所有无线大师）。
      注意:为了允许行人行为的精确表征，至少60赫兹的采样率被劝告。各个传感器记录的3D线性加速度，角速度（大地）磁场和大气压力的数据。
   2. 激活操作模式并开始测量模式:使与传感器动作迟缓约1分钟（无线配置>上的所有无线大师开始测量）。
   3. 显示所有有源传感器（视图>显示>惯性数据）的惯性与磁性数据。确保，而静止的，传感器的取向不机会。
      注意:固定传感器的改变方向将指示磁干扰的环境，并且由此不准确的定向信息。
3. 方向复位:应用对象/航向复位（对象/航向复位>复位方位）来定义实验（ 图^1B）2的全球参考框架。
4. 放置在尽可能靠近到位于第五腰椎（ 图1C）的水平质体中心（COM）的传感器。紧紧地和稳健拧紧单个传感器上带有S每个参与者pecially设计的点击式全身吊带（ 图1C）。
5. 按要求记录的数据。
6. 负载的利息（打开文件）的记录，指定导出设置（工具>首选项>出口商），并导出加速度（和方向矩阵）的数据进行后续分析^2（文件>导出）。

2.力板:安装和配置

注意:本步骤讨论的力板的应用程序注册的GRFS。在该行走/跑步者参与的情况下，一系列的力板或仪表跑步机将被用于注册由后续步骤^3中感生的装载，协议本身是类似的。

1. 确保力板牢固地固定在试验室地上（ 图2）。
2. 配置设备和采集设置^4（NDI打开捕捉>数据>设备设置> SettiNGS）。选择适当的"增益"和"采样率"。配置和检查外部触发设置，如果需要的话^4。
   1. 选择在根据所希望的精度和所涉及的加载类型的增益和采样率。用于本申请中，使用128（最大挤压力4,879 N）和采样率200Hz的增益。
3. 启动和结束与空力盘每次试验:去皮力板时，空（NDI打开捕捉>数据>设备设置>设置>去皮）。
4. 为了验证目的:将一个已知重量之前测力板的顶部，每次试验后。
   注意:在本申请5kg的质量被使用，但是，使用另一个公知的硬质的质量（> 2的千克）可以同等服务于这个验证测试。
5. 按要求记录并保存数据GRF。导出GRFS供后续分析^4。

3.结构Accele的测量口粮

注意:本步骤的目的是在结构上的一个或多个相关位置以收集结构振动。本申请使用GeoSIG GMS录像机（ 图3）以注册结构加速度。其他类型的传感器与所涉及的应用适当的特点，可同样适用。

1. 确保各个传感器完全充电。此步骤可能需要几个小时，但可以在之前的实际测量的日子进行。按照制造商的计费协议。
2. 安装在主结构的所希望的位置的传感器:水平传感器和，如果需要的话，提供适当的固定到主结构（ 例如，通过利用磁铁）。
   注意:给定个体的高质量GMS录像机（> 6千克）和所涉及的低频振荡（<6赫兹），没有额外的固定在此情况下是必要的。
3. 对于地理DAS数据采集^5:配置并启用GMS无线网络和连接与传感器^5。检查时间设置和同步设置（如有必要）（右键点击传感器>更多信息）。
4. 上的所需位置的传感器定位和在与全球基准帧协议他们的水平。
5. 对于GeoDAS数据采集^5:导出记录的数据供后续分析（右键点击传感器>仪器控制>发送一个请求>用户请求> GETEVT ^5）。

4.实验受控的实验室环境

1. 配置/设置3D运动跟踪（在第1节讨论）。
2. 配置/设置力板（在第2节讨论）。
3. 在操作过程中:目视检查实时两个无线惯性传感器和力板的测量，以验证他们的操作模式。
4. 问particip蚂蚁跨上力板和静置至少30秒:这允许识别每个单独的重量。
5. 配置节拍器信号:选择想要的节奏， 也就是说，根本迫使频率。
   注:节拍器信号可以使用免费在线或智能手机应用程序可轻松配置。
6. 开始记录的力板和无线惯性传感器两者的数据。
7. 请参与者以启动所需的活动:行走，跳跃或于节拍器信号指示的（目标起搏）率上下摆动（ 见图4）。
8. 记录加载循环， 例如，步骤，跳跃或摆动周期所选择的数量。请参与者下车力板。
   注意:为了验证目的，建议考虑在这些条件下卸载一些额外的录制时间。在文献中，有关于要求为C的最小数量加载循环没有明确的共识haracterize周期到周期变率^6。根据经验和在提出的工作^[6]，这里提出的研究认为，连续的60个周期，由此在第一和最后五个加载循环被排除在进一步的分析中排除在试验的开始和结束的装载模式的不规则性。

5.实验原位

1. 配置/安装跟踪参与者的运动3D惯性传感器网络（见第2和图5）。
2. 配置/安装程序在注册结构加速度无线加速度计的大湄公河次区域网络（见第4节）。
3. 在操作过程中:（目视）检查无线惯性传感器的实时测量，以验证他们的操作模式。
4. 定义明确的协议，它允许如果需要的话所涉及的测量系统同步。
   注:这一步是必要的时候介入数据采集​​系统不允许直接同步由于缺少一个触发器或公共信道的。后者是用于现场试验（5.1和5.2）在所施加的所述无线测量系统的情况。因此，一个明确的协议已经通过了网站，允许对数据集离线同步。在本申请中，所涉及的测量系统通过一个相同的事件的登记， 也就是说，冲击同步，在开始和每次试验结束时，由每个所涉及测量系统中的至少一个传感器记录。正确对齐时间向量通过这些事件的离线对准随后获得。
5. 配置节拍器信号: 在原位 ，使用扩音器的扩增是必需的目标节拍。
6. 收集足够数量的试验，以检查试验的可重复性。根据经验，作者建议记录至少3个，或优选4，TRIALS。

6.数据分析

1. 预处理的要求所涉及的设备的原始数据:应用适当的过滤器，以除去不需要的影响，例如不相关的高频贡献和测量噪声，并根据制造商的协议保留有关的时间窗口。
   注意:滤波特性应根据应用来选择。在本研究中，在MATLAB信号处理工具箱⁷被施加到以20Hz进行的低通带的截止频率滤波对于所有涉及的信号。
2. 每个参与者:计算离散傅立叶利用MATLAB信号处理工具箱⁷ Com的注册加速度的变换，并确定平均载荷的频率在所获得的频谱中的基波的主峰的频率。
3. 识别时间的负载周期中的任何两个名义上相同的事件之间S使用^[3]或PediVib MATLAB工具箱⁸ lc_timing工具的详细方法
   1. 加载数据载体（lc_timing>加载）。
   2. 指定的采样率和估算的平均加载频率。指定相关的时间窗，如果需要的话。保存标称相同事件的确定时间， 即负载周期（lc_timing>保存）。
4. 计算平均加载频率作为在随后的负载循环之间的平均时间（如在6.3标识）的倒数。
5. 在实验室的实验中:应用在6.3为所得地面反作用力和在每个单独的COM注册的加速度详述的方法。
   注意:此步骤可作为验证的程序适用于其中GRFS不能直接测得的原位实验。中详述的方法^[3]展示了如何的时变起搏频率行人可以通过表征个体的COM附近注册的加速度和随之而来的GRFS之间的关系来确定。
6. 原位实验:应用在6.3在每个单独的COM注册的加速度详述的方法。

结构响应的7模拟与分析

注意:用MATLAB ⁷被执行的随后的步骤。结构响应使用PediVib工具箱，由作者⁸开发的MATLAB工具箱（ 图6）计算:人类活动引起的力通过广义负荷模型的应用决定由李等人定义^9（步行）和巴赫曼。 等 ^1（跳跃，奔跑和防暴加载），和结构模型中的模态被配制坐标^10。随附的手册包括教程，清楚地表明了以下步骤。

1. 结构响应仿真
   1. 定义测试结构的模态参数:固有频率，模态阻尼比，质量标准化模式的位移，配合相应的节点（PediVib>结构参数>新建）。目视检查模式输入信息（PediVib>结构参数>查看）。
   2. 定义行人的特点和相应的感应负载:负载类型，重量，行走路径/位置，平均起搏频率，每个负载周期的开始（PediVib>单人行>新建）。运行并保存所涉及的参与者模拟结构响应。目视检查的结果（PediVib>单人行>查看）。
2. 计算通过各个响应的叠加， 也就是，相应的矢量求和的总结构响应，并将结果与实测结构响应比较，例如，通过创建其中显示测量和模拟结构响应的数字。

Results

首先，示出的个人的COM附近登记的加速度如何可以用来表征结果GRFS。其结果在这里讨论了行走个别^3。完全可比观测制成时有节奏的人类活动， 即，跳跃和上下摆动，被考虑。 图7A和7B示出了连续的垂直脚的力的振幅谱和步行的COM附近注册相应加速度水平定性高度相似即，在形状和频率。该活动的平均起搏速率可以被标识为在这些光谱的第一主峰的频率。在登记的GRFS和COM的加速度的分析表明，在同一平均起搏速率是这样确定的高达±0.1％。接着，标称相同的事件的定时被确定FROM分别GRFS，靠近COM的加速度。此过程在图8中 ，其中GRFS和COM的加速度分别是归一化到地球（G =9.81米/秒²）的人，并在重力的重量，示出。不同试验的分析表明，在这种方式中，每个循环的周期，因此，在活动的时变起搏速率，可以从人的COM的以95％的置信区间是低于加速度确定相比于如在登记GRFS识别的一个3％（ 见表^1）3。...

Discussion

人体运动和由此产生GRFS通常用测力板的应用识别，仪表跑步机以及光学动作捕捉技术，如维科¹⁸和¹⁹ CODA。这些技术的应用是，然而，限制在实验室环境。在回答这个缺点，那允许"自然"的人的行为测量过多次反复，不间断循环创新技术的潜力正在调查^20。替代技术包括使用压敏鞋垫系统²¹或仪表鞋^22。这些系统允许接触力的结构上直接测量，但一般只产生垂直分量，不要捕捉到全球性机构的行为， 例如，躯干运动^20。另一个走动技术采用复合磁惯性传感器， 也就是说，加速度计^20,23 。虽然这种无线技术也遇到了一些挑战（ 例如，软组织文物^24，连接等 ），它为个人，团体和群体行为的分析提供了人类引起的负荷的间接表征的巨大潜力，以及^23,24。在本研究中，对运动科学和娱乐行业开发出一种三维惯性运动跟踪技术进行检查和的方法被用于人体运动的内场表征和所得GRFS开发的。

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
MTw 开发套件 + MT Manager 软件	Xsens	MTW-38A70G20-1	开发套件，带有无线、高精度、小巧轻便的 3D 人体运动跟踪器和随附的卡入式全身带。
真脉冲动力学测量系统 + NDI Open Capture 数据采集和可视化系统	NDI Northern Digital Inc.	791028	TrueImpulse 测量人类在各种活动中施加的反作用力。
GMS-24	GeoSIG Ltd	Rev. 03.08.2010	（无线）加速度计，用于记录结构振动。
GeoDAS GeoSIG 数据采集系统	GeoSIG Ltd	Rev. 03.08.2010	在 Windows 9x/NT/2000 下运行的图形 MS Windows 应用程序，在用户和 GeoSIG 记录仪 GSR/GCR/GBV/GT 之间提供软件接口。
PediVib 工具箱	KU Leuven		软件界面/工具箱，用于模拟行人引起的结构振动。
节拍器			一种指示活动的目标起搏率的设备（可在线获得用于 PC/笔记本电脑/智能手机的免费应用程序）。