Simulation von Menschen verursachte Schwingungen Basierend auf dem Gekennzeichnet In-Bereich Fußgängerverhalten

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, die verfolgte Bewegung von Fußgängern zu nutzen, um menschlich verursachte Lasten zu charakterisieren und anschließend die induzierten strukturellen Schwingungen zu überprüfen. Diese Methode kann helfen, zentrale Fragen im Bereich der menschlich verursachten Schwingungen zu beantworten, wie beispielsweise die Charakterisierung des individuellen Gehverhaltens, die Identifizierung der Korrelation zwischen Fußgängern in einer Menschenmenge sowie die Quantifizierung von Mensch-Struktur-Wechselwirkungsphänomenen. Der Hauptvorteil dieser Technik liegt darin, dass sie vor Ort angewendet werden kann und es uns somit ermöglicht, reale Verkehrsbedingungen zu analysieren.

Feldbeobachtungen sind die einzige Möglichkeit, detaillierte und genaue Informationen über repräsentative Belastungsdaten zu erhalten. Daher sind sie unerlässlich für die Weiterentwicklung und Validierung der Lastmodelle, die für die Fußgängeranregung verwendet werden. Den Ablauf demonstrieren Klaus Lievens, Xinxin Wei und Krumka Kasapova, drei Doktoranden unserer Forschungsgruppe, sowie Bram Gezels, ein wissenschaftlicher Assistent.

Verwenden Sie drahtlose Bewegungssensoren, um die Bewegung von Fußgängern zu erfassen. Konfigurieren Sie die Sensoren mithilfe der MT-Manager-Software, um die drahtlose Verbindung herzustellen. Legen Sie die gewünschte Abtastrate fest, die mindestens 60 Hertz betragen sollte, um menschliche Bewegungen aufzuzeichnen.

Dann führen Sie langsame Bewegungen mit den Bewegungssensoren durch, bis diese verbunden sind, und setzen Sie den Vorgang fort, indem Sie den Messmodus aktivieren. Anschließend zeigen Sie die Trägheitsdaten aller aktiven Bewegungssensoren an. Befestigen Sie nun einen Bewegungssensor so nah wie möglich am Schwerpunkt jedes Teilnehmers.

Befestigen Sie den Bewegungssensor robust und fest am Probanden, sodass er eng und sicher sitzt. Nun können Daten nach Bedarf aufgezeichnet werden. Bei Messungen im Labor kann die Bewegung des menschlichen Probanden gleichzeitig mit den Bodenreaktionskräften verfolgt werden, die mit einer Kraftmessplatte gemessen werden.

Verwenden Sie zunächst die beiliegende Software, um die Einstellungen für die Kraftmessplatte und die Datenerfassung zu konfigurieren. Wählen Sie eine Verstärkung und Abtastrate entsprechend der gewünschten Genauigkeit und der Art der vorliegenden Belastung. Stellen Sie bei menschlich verursachten Lasten die Verstärkung für eine maximale Kraft von 4.879 Newton ein und setzen Sie die Abtastrate auf 200 Hertz.

Beginnen und beenden Sie eine Messung immer mit einer leeren Kraftmessplatte. Verwenden Sie die Tarafunktion oder die automatische Offset-Korrektur, um die Kraft zurückzusetzen, wenn die Platte leer ist. Sobald die Tara erfolgt ist, können Daten nach Bedarf aufgezeichnet werden.

Für vor Ort durchgeführte Messungen können strukturelle Vibrationen an relevanten Stellen, beispielsweise in der Feldmitte einer Fußgängerbrücke, gemessen werden. Verwenden Sie dazu Aufnehmer zur Erfassung von Verschiebung, Geschwindigkeit oder Beschleunigung. Konfigurieren Sie die Aufnehmer gemäß den Anweisungen des Herstellers.

Nachdem die Aufzeichnungsgeräte an den gewünschten Positionen platziert wurden, richten Sie sie gemäß einem globalen Bezugssystem aus. Im Labor starten Sie nach dem Aufbau der Bewegungssensoren und der Kraftmessplatte die Datenaufzeichnung. Bitten Sie anschließend den Probanden, auf die Kraftmessplatte zu treten und mindestens 30 Sekunden lang ruhig stehen zu bleiben.

Daher wiegen Sie die Versuchsperson. Starten Sie anschließend ein Metronom, um die grundlegende Erregerfrequenz vorzugeben. Bitten Sie dann die Versuchsperson, sich im Rhythmus des Metronomsignals zu bewegen, beispielsweise durch Gehen, Springen oder Wippen.

Notieren Sie diese Aktivität über eine ausreichende Anzahl von Zyklen; empfohlen werden 60 Zyklen. Sobald die Zyklen abgeschlossen sind, bitten Sie den Teilnehmer, von der Platte herunterzusteigen. Für vor Ort durchgeführte Experimente an einer relevanten zivilen Struktur richten Sie Bewegungssensoren und ein Netzwerk von Sensoren ein, die die strukturellen Vibrationen erfassen werden.

In einem Außenbereich kann ein Megaphon verwendet werden, um das Metronomsignal zu verstärken. Führen Sie den Test vor Ort mindestens dreimal, vorzugsweise viermal, durch, um die Wiederholbarkeit des Experiments zu überprüfen. In jeder Umgebung, in der mehrere Erfassungssysteme verwendet werden und kein Trigger oder gemeinsamer Kanal verfügbar ist, synchronisieren Sie die Geräte mithilfe eines einzelnen Ereignisses, das jedes System erfassen kann, beispielsweise eines starken Aufpralls.

Fügen Sie synchronisierende Ereignisse am Anfang und am Ende jedes Tests hinzu. Anhand dieser Ereignisse können die Daten der verschiedenen Systeme offline synchronisiert werden. Bei dynamischen Messungen mit mehr als einer Art von Sensoren ist die Synchronisation der Daten unerlässlich.

Daher versuchen wir entweder, ein einziges Datenerfassungssystem zu verwenden, oder sicherzustellen, dass die Systeme ein gemeinsames Signal aufzeichnen. Beginnen Sie damit, die Zeit zwischen den nominell identischen Ereignissen der Belastungszyklen zu bestimmen. Führen Sie diesen Schritt bei den Experimenten im Referenzlabor sowohl mit den Daten zur Fußgängerbewegung als auch mit den Daten der Kraftmessplatte durch.

Nach dem Laden der Daten geben Sie die Abtastrate an und schätzen Sie die durchschnittliche Belastungsfrequenz. Geben Sie außerdem gegebenenfalls das relevante Zeitfenster an. Der kritischste Schritt dieses Verfahrens besteht in der Identifizierung des Beginns jedes Lastzyklus aus der verfolgten Fußgängerbewegung.

Es sind diese Zeitinformationen, die es uns ermöglichen, die zeitlich variable Schrittfrequenz des Fußgängers zu berechnen. Für die Analyse der Experimente im Labor schließen Sie die ersten und letzten fünf Zyklen aus der Analyse aus und arbeiten Sie mit den verbleibenden 50. Stellen Sie sicher, dass Sie die Zeitinformationen visuell überprüfen, bevor Sie die Daten speichern.

Berechnen Sie nun die durchschnittliche grundlegende Belastungsfrequenz als den Kehrwert der durchschnittlichen Zeit zwischen den aufeinanderfolgenden Lastzyklen. Wenn mehrere Fußgänger beteiligt sind, können die ermittelten Zeitinformationen verwendet werden, um ihre Korrelation zu analysieren. Für die Auswertung der vor Ort durchgeführten Experimente besteht der nächste Schritt darin, die ermittelten Zeitinformationen zu nutzen, um die induzierte strukturelle Antwort zu simulieren.

Definieren Sie zunächst die Modalkenngrößen der Prüfstruktur. Dazu gehören die Eigenfrequenzen, die modularen Dämpfungsverhältnisse und die massennormierten Modalverschiebungen. Stellen Sie sicher, dass Sie die modularen Eingabedaten visuell überprüfen, bevor Sie fortfahren.

Zweitens definieren Sie die Eigenschaften der Fußgänger und der von ihnen verursachten Lasten. Dazu gehören die Lastart, das Gewicht, der Gehweg oder die Position, die durchschnittliche Schrittfrequenz sowie der Zeitpunkt der Lastzyklen. Legen Sie die Lösungsparameter fest, wie beispielsweise die Ausgabestellen, sowie die Zeitparameter.

Führen Sie anschließend die simulierte strukturelle Antwort für die beteiligten Teilnehmer aus und speichern Sie diese. Wie zuvor sollten die Ergebnisse visuell überprüft werden, bevor fortgefahren wird. Drittens berechnen Sie die gesamte strukturelle Antwort durch Überlagerung der einzelnen Antworten, indem Sie die entsprechenden Vektoren addieren.

Anschließend vergleichen Sie das Ergebnis mit der gemessenen strukturellen Antwort anhand einer grafischen Darstellung der Daten. Bei einem einzelnen im Labor getesteten Passanten wurde der Beginn jedes Lastzyklus identifiziert. Diese Daten werden verwendet, um die Gehkräfte, dargestellt in Blau, zu simulieren und mit den gemessenen Kräften, dargestellt in Schwarz, zu vergleichen.

Eine gute Näherung der tatsächlichen Gehkräfte wurde erzielt. Ebenso wurde das Gehverhalten von sechs Fußgängern auf einer Fußgängerbrücke analysiert. Auch hier wurde der Beginn jedes Lastzyklus aus der verfolgten Bewegung der Fußgänger ermittelt.

Diese Belastungszyklusinformationen wurden anschließend verwendet, um die durch Fußgänger verursachten Kräfte zu simulieren. Nach etwa 16 Sekunden gingen die Fußgänger im Takt, während nach 50 Sekunden ein deutlicher Verlust der Synchronisation beobachtet wurde. Durch den Vergleich der zeitlichen Abfolge der Belastungszyklen zwischen den Fußgängern zeigte sich, dass die Synchronisationsrate nach etwa 50 Sekunden auf 60 % abnahm.

Daraufhin wurde die strukturelle Antwort simuliert. Wenn angenommen wurde, dass die Schrittfrequenz der Fußgänger konstant war und mit dem in Grau dargestellten Metronomsignal übereinstimmte, überschätzte das Ergebnis die Messungen, die in Schwarz dargestellt sind, deutlich. Wenn die Simulation jedoch die ermittelte zeitvariable Schrittfrequenz berücksichtigte, die in Blau dargestellt ist, lag sie deutlich näher an der gemessenen Antwort.

Dieses Verfahren kann angewendet werden, um das natürliche Gehverhalten von Fußgängern zu analysieren. Auf diese Weise wird wesentliche Eingabedaten für die Entwicklung geeigneter Modelle zur Korrelation zwischen Fußgängern bereitgestellt. Außerdem ermöglicht der Vergleich zwischen der gemessenen und der simulierten strukturellen Antwort die Validierung und Kalibrierung der für die Fußgängeranregung verwendeten Lastmodelle.

Auf diese Weise kann auch die Wirkung von Mensch-Struktur-Wechselwirkungsphänomenen, wie z. B. zusätzliche Dämpfung, untersucht werden.