Simulatie van de mens veroorzaakte Trillingen Op basis van de kenmerk-veld Voetganger Behavior

Summary

Een protocol wordt voor de karakterisering van het in het veld voetgangersgedrag en de simulatie van het resulterende structurele respons. Field-tests blijkt dat het in situ geïdentificeerd stimulatiefrequentie en synchronisatie tarief onder de deelnemers een essentiële voorwaarde voor de simulatie en verificatie van de door de mens veroorzaakte belastingen opleveren.

Abstract

Voor slanke en lichtgewicht constructies, trillingen onderhoud is een kwestie van groeiende bezorgdheid, vaak vormen de kritische ontwerp eis. Met ontwerpen van de dynamische prestaties geregeld door de mens veroorzaakte belastingen, bestaat er een sterke vraag naar de controle en verfijning van de momenteel beschikbare belasting modellen. De huidige bijdrage maakt gebruik van een 3D-inertie motion tracking techniek voor de karakterisering van de in het veld het gedrag van voetgangers. De techniek wordt eerst getest in het laboratorium experimenten met gelijktijdige registratie van de desbetreffende grondreactiekrachten. De experimenten zijn onder andere wandelen personen met ritmische menselijke activiteiten zoals springen en dobberen. Er wordt aangetoond dat de geregistreerde beweging zorgt voor de identificatie van de tijd variant stimulatiefrequentie van de activiteit. Samen met het gewicht van de persoon en de toepassing van de algemene kracht modellen beschikbaar in de literatuur, de vastgestelde tijd-variant stimulatiefrequentie maakt het mogelijk om characterize de mens veroorzaakte belastingen. Bovendien, tijd synchronisatie tussen de draadloze motion trackers maakt het identificeren van de synchronisatie snelheid onder de deelnemers. Vervolgens wordt de techniek toegepast op een echte loopbrug waarbij zowel de beweging van de personen en de geïnduceerde structurele trillingen worden geregistreerd. Er wordt getoond hoe het kenmerk veld voetgangersgedrag kunnen worden toegepast op de geïnduceerde structurele respons te simuleren. Het is aangetoond dat de in situ geïdentificeerd stimulatiefrequentie en synchronisatie snelheid een essentiële voorwaarde voor de simulatie en verificatie van de door de mens veroorzaakte belastingen opleveren. De voornaamste mogelijke toepassingen van de voorgestelde werkwijze is de schatting van mens-structuur interactie verschijnselen en de ontwikkeling van geschikte modellen voor de correlatie tussen voetgangers in reële verkeersomstandigheden.

Introduction

Onder invloed van de economische vraag van de efficiëntie en de toenemende kracht van (nieuwe) materialen, architecten en ingenieurs zijn verlegging van de grenzen steeds meer op te bouwen, groter en lichtere constructies. Typisch, licht en slanke constructies hebben één of meer natuurlijke frequenties die binnen de dominante spectrum van menselijke activiteiten, zoals wandelen, hardlopen of springen liggen. Waarschijnlijk worden onderworpen aan (bijna-) resonantie excitatie, zijn ze vaak ten onrechte reageren op menselijke beweging, wat resulteert in storend of zelfs schadelijk ¹ trillingen. Voor deze slanke en lichtgewicht constructies, de trilling onderhoud is een kwestie van groeiende bezorgdheid, vaak vormen de kritische ontwerp eis.

De menselijke beweging en de resulterende grondreactiekrachten (GRFs) worden meestal experimenteel geïdentificeerd in laboratoriumomstandigheden. Momenteel worden ontwerpers gedwongen te vertrouwen op - wat wordt verondersteld 'conservatief' te zijn - gelijk load modellen, opgeschaald van alleenstaanden krachtmetingen. Met ontwerpen beheerst door de dynamische prestaties onder hoge dichtheden menigte, bestaat er een sterke vraag naar de controle en verfijning van de momenteel beschikbare belasting modellen.

Het huidige protocol maakt gebruik van een 3D-inertie motion tracking techniek voor de karakterisering van de natuurlijke beweging van voetgangers. Er wordt getoond hoe deze informatie kan worden gebruikt om de correlatie tussen de voetgangers en de bijbehorende geïnduceerde ladingen definieert. In een volgende stap wordt het kenmerk voetgangersgedrag gebruikt numeriek simuleren van de geïnduceerde structurele respons. Vergelijking met de geregistreerde structurele respons laat het effect van unaccounted humaan-structuur interactie verschijnselen, zoals kwantificeren, de toegevoegde demping door de aanwezigheid van de voetgangers. De methode wordt geïllustreerd voor full-scale experimenten op een echte loopbrug waar de structurele respons en de beweging van de parnemers worden tegelijkertijd geregistreerd.

Protocol

Alle procedures werden goedgekeurd door de ethische commissie van het universitair ziekenhuis van de KU Leuven en elk onderwerp gaf een schriftelijke toestemming voorafgaand aan deelname.

1. 3D Motion Tracking: Configuration and Data Acquisition

1. Zorg ervoor dat de individuele sensoren volledig zijn opgeladen (Figuur 1A). Deze stap duurt ongeveer 1 uur, maar kan worden uitgevoerd op de dag voorafgaand aan de feitelijke metingen. Volg de fabrikant opladen protocol.
2. MT Manager - Data acquisitie ^2:
   1. Schakel de draadloze verbinding met de sensoren en geef de gewenste sample rate (Wireless Configuration> Schakel alle draadloze masters).
      Opmerking: Met het oog op een nauwkeurige karakterisering van het gedrag van voetgangers, wordt een bemonsteringsfrequentie van ten minste 60 Hz geadviseerd. De individuele sensoren plaat 3D-lineaire versnelling, hoeksnelheid (aarde) magnetisch veld en atmosferische druk data.
   2. Activeer de operationele modus en start de meting modus: maak trage bewegingen met de sensoren voor ongeveer 1 min (Wireless Configuration> Start de meting op alle draadloze masters).
   3. Weergave inertie en magnetische gegevens van alle actieve sensoren (Beeld> Weergave> Inertial Data). Zorg ervoor dat, bij stilstand, de oriëntatie van de sensor niet toevallig.
      Opmerking: Een veranderende oriëntatie van de stationaire sensor zou een magnetisch verstoorde omgeving aangeeft en daardoor onjuiste oriëntatie-informatie.
3. Oriëntatie reset: Breng een object / post reset (Object / post reset> Reset oriëntatie) om de wereldwijde referentiekader van de experimenten (Figuur 1B) ² definiëren.
4. Plaats de sensor zo dicht mogelijk bij het ​​lichaamszwaartepunt (COM) zich ter hoogte van de vijfde lumbale wervels (figuur 1C). Bevestig een enkele sensor stevig en robuust op elke deelnemer met sVOORAL NIET ontworpen click-in full body banden (figuur 1C).
5. Registreren gegevens zoals vereist.
6. Laad de gegevens van belang (open file), geeft u de export instellingen (Extra> Voorkeuren> Exporteurs) en exporteer de versnelling (en oriëntatie matrix) gegevens voor latere analyse ² (Bestand> Exporteren).

2. Force Plate: Installatie en configuratie

Opmerking: De huidige stap bespreekt de toepassing van een kracht plaat om de GRFs te registreren. In het geval dat een wandel / ren persoon gaat, een reeks force plates of een geïnstrumenteerde loopband wordt gebruikt voor het laden geïnduceerd door daaropvolgende stappen ³ registreert het protocol zelf is analoog.

1. Controleer of de krachtplaat stevig is bevestigd aan het laboratorium vloer (figuur 2).
2. Configureren van het apparaat en de overname instellingen ⁴ (NDI Open Capture> Data> Device Settings> SettiNGS). Kies de juiste "winst" en "sample rate". Configureren en controleer de externe trigger instellingen, indien nodig ^4.
   1. Kies de winst en de sample rate in overeenstemming met de gewenste nauwkeurigheid en de betrokken laden type. Voor de onderhavige aanvraag, gebruik maken van een winst van 128 (Maximum Force 4879 N) en een sample rate van 200 Hz.
3. Beginnen en eindigen elke proef met een lege kracht plaat: tarreren de kracht plaat als deze leeg is (NDI Open Capture> Data> Device Settings> Instellingen> Tare).
4. Ter controle: Plaats een bekend gewicht op de top van de kracht plaat voor en na elke proef.
   Opmerking: In de onderhavige aanvrage een massa van 5 kg wordt gebruikt kan echter het gebruik van andere bekende stijve massa (> 2 kg) eveneens deze verificatie testen dienen.
5. Record en sla de GRF gegevens zoals vereist. Exporteer de GRFs voor verdere analyse ^4.

3. Meting van de structuurfondsen Accelerantsoenen

Opmerking: Deze maatregelen hebben tot doel de structurele trillingen aan één of meer relevante locaties op de structuur verzamelen. De huidige applicatie maakt gebruik van GeoSIG GMS recorders (figuur 3) om de structurele versnellingen te registreren. Andere sensortypes met de juiste eigenschappen voor de betreffende toepassing, kunnen eveneens worden toegepast.

1. Zorg ervoor dat de individuele sensoren volledig zijn opgeladen. Deze stap kan enkele uren duren, maar kan worden uitgevoerd op de dag voorafgaand aan de feitelijke metingen. Volg de fabrikant opladen protocol.
2. Installeer de sensoren op hun plaats zetten van de primaire structuur: niveau sensoren en, indien nodig, goede bevestiging aan de primaire structuur (bijvoorbeeld door het gebruik magneten).
   Opmerking: gezien de grote massa van de afzonderlijke GMS recorders (> 6 kg) en de betrokken laagfrequente trillingen (<6 Hz), geen extra fixatie was in dit geval noodzakelijk.
3. voor GeoDAS Data acquisitie ^5: configureren en de Bluetooth-verbinding GMS netwerk en de verbinding met de sensoren ^5. Controleer de tijd instellingen en synchronisatie-instellingen (indien nodig) (klik rechts op de sensor> Meer informatie).
4. Plaats de sensoren op de gewenste locatie en het niveau van het dit in overeenstemming met de wereldwijde referentiekader.
5. Voor GeoDAS Data acquisitie ^5: Exporteer de geregistreerde gegevens voor verdere analyse (klik rechts op de sensor> Instrument Besturing> Stuur een verzoek> Gebruiksvraag> GETEVT ^5).

4. Experimenten in een gecontroleerde laboratoriumomgeving

1. Configure / Setup 3D motion tracking (zoals besproken in hoofdstuk 1).
2. Configureren / Setup force plate (zoals besproken in hoofdstuk 2).
3. Tijdens bedrijf: visuele controle van de real-time metingen van zowel de draadloze inertiesensoren en de kracht plaat om hun operationele modus te controleren.
4. Vraag het aan de participant te stappen op de krachtplaat en stilstaan ​​ten minste 30 sec: dit maakt het mogelijk om het gewicht van elk individu te identificeren.
5. Configureren van de metronoom signaal: selecteer de gewenste ritme, dat wil zeggen, de fundamentele dwingende frequentie.
   Opmerking: De metronoom signaal kan eenvoudig worden geconfigureerd met behulp van gratis online of smartphone applicaties.
6. Optekenen van de gegevens van zowel de kracht en de plaat draadloze inertiële sensoren.
7. Vraag de deelnemer om de gewenste activiteit te starten: het lopen, springen of dobberen op de (beoogde pacing) tarief zoals aangegeven door de metronoom signaal (zie figuur 4).
8. Noteer het gekozen aantal laadcycli, bijvoorbeeld, stappen, sprongen of dobberende cycli. Vraag de deelnemer om uit de kracht plaat.
   Opmerking: Voor validatie doeleinden wordt geadviseerd om wat extra opnametijd in deze gelost omstandigheden te overwegen. In literatuur bestaat geen duidelijke consensus omtrent het minimum aantal belastingscycli moeten characterize de cyclus-tot-cyclus variabiliteit ^6. Op basis van ervaringen en het werk dat in ^[6], de hier gepresenteerde onderzoek beschouwt 60 opeenvolgende cycli waarbij de eerste en de laatste vijf laadcycli zijn uitgesloten van de verdere analyse van onregelmatigheden in het laden patroon aan het begin en einde van de proef uit te sluiten.

5. Experimenten In Situ

1. Configure / Setup het netwerk van 3D inertiële sensoren die de beweging van de deelnemers te volgen (zie rubriek 2 en figuur 5).
2. Configureren / Setup het GMS netwerk van draadloze versnellingsmeters dat de structurele versnellingen registreren (zie paragraaf 4).
3. Tijdens het gebruik: (visueel) controleren de real-time metingen van de draadloze inertiesensoren om hun operationele modus te controleren.
4. Definieer een duidelijk protocol waarmee de betrokken meetsystemen synchroniseren indien nodig.
   Opmerking: Deze stap is nodig wanneer de betrokkenmeetsystemen laten geen directe synchronisatie door het ontbreken van een trekker of een gemeenschappelijk kanaal. Dit laatste is het geval voor de systemen draadloze meting toegepast in de in situ experimenten (5,1 en 5,2). Daarom is een duidelijk protocol is op de site die het mogelijk maakt om de datasets offline synchroniseren aangenomen. In de onderhavige aanvrage worden de betrokken meetsystemen gesynchroniseerd door registratie van dezelfde gebeurtenis, dat wil zeggen, impact, aan het begin en einde van elke test door ten minste één sensor van elk van de betrokken meetsystemen geregistreerd. Goed uitgelijnd tijd vectoren worden vervolgens verkregen door middel van offline uitlijning van deze gebeurtenissen.
5. Configureren metronoomsignaal: in situ, het gebruik van een megafoon versterken de beoogde slag vereist.
6. Verzamel een voldoende aantal proeven om de herhaalbaarheid van het experiment te controleren. Op basis van ervaring, de auteurs bevelen aan ten minste 3, of bij voorkeur 4, opnemen trIALS.

6. Data Analysis

1. Pre-proces de ruwe data van de betrokken apparatuur zoals vereist: Breng de juiste filters om ongewenste invloeden zoals irrelevant hoogfrequente bijdragen en meting ruis te verwijderen, en het behouden van de relevante tijdvenster volgens het protocol van de fabrikant.
   Opmerking: De filtereigenschappen worden gekozen volgens de toepassing. In deze studie, het MATLAB Signal Processing Toolbox ⁷ wordt toegevoerd aan een laagdoorlaatfilter met een afsnijfrequentie presteren op 20 Hz voor alle betrokken signalen.
2. Voor elke deelnemer: Bereken de discrete Fourier transformatie van de geregistreerde versnellingen van de GMO gebruik MATLAB Signal Processing Toolbox ⁷ en identificeren Laad frequentie als de frequentie van de dominante piek van de fundamentele harmonische in het verkregen spectrum.
3. Identificeer de tijd tussen twee nominaal identieke gebeurtenissen van de lading cycluss volgens de methode beschreven in ^[3] of lc_timing gereedschap van de PediVib MATLAB toolbox ⁸
   1. Laad de data vector (lc_timing> Load).
   2. Geef de sampling rate en schat de gemiddelde belading frequentie. Vermeldt de betrokken tijdvenster, indien nodig. Sla de geïdentificeerde timing van het nominaal identieke gebeurtenissen, dat wil zeggen, de belasting cycli (lc_timing> Opslaan).
4. Bereken de gemiddelde belasting frequentie als het omgekeerde van de gemiddelde tijd tussen de opeenvolgende belastingscycli (zoals in 6.3).
5. Voor de experimenten in het laboratorium: Pas de procedure beschreven in 6.3 voor zowel de resulterende grondreactiekrachten en de versnellingen geregistreerd bij de CoM van elk individu.
   Opmerking: Deze stap dient als validatie van de procedure als toegepast voor de in situ experimenten waarbij de GRFs niet direct kan worden gemeten. De methode beschreven in ^[3] laat zien hoe de tijd variant stimulatiefrequentie van hetvoetgangers kunnen worden geïdentificeerd door het karakteriseren van de relatie tussen de geregistreerde in de buurt van de GMO van de individuele versnellingen en de daaruit voortvloeiende GRFs.
6. Voor de experimenten in situ: Pas de procedure beschreven in 6.3 voor de geregistreerde op het CoM van elke individuele versnellingen.

7. Simulatie en analyse van de structurele Response

Opmerking: De volgende stappen worden uitgevoerd met MATLAB ^7. Voor de structurele reactie wordt berekend met behulp van de PediVib toolbox, een MATLAB toolbox ontwikkeld door de auteurs ⁸ (Figuur 6): de door de mens veroorzaakte krachten worden bepaald door toepassing van de gegeneraliseerde belasting modellen gedefinieerd door Li et al ⁹ (lopen) en Bachmann. et al. ¹ (springen, rennen en vandalisme laden), en de structurele model wordt geformuleerd in modale coördinaten ^10. De bijbehorende handleiding bevat tutorials die duidelijk devolgende stappen.

1. Simulatie van de structurele respons
   1. Definieer de modale parameters van de test structuur: Natuurlijke frequenties, modale demping ratio, massa-genormaliseerde modale verplaatsingen, coördinaten van de corresponderende nodes (PediVib> Structurele parameters> Nieuw). Controleer visueel de modale ingang informatie (PediVib> Structural parameters> View).
   2. Definieer de eigenschappen van het voetgangersgebied en de bijbehorende geïnduceerde belastingen: het type lading, gewicht, wandelpaden / location, average stimulatiefrequentie, het begin van elke lading cyclus (PediVib> Enkele voetgangers> Nieuw). Uitvoeren en sla de gesimuleerde structurele antwoord voor de betrokken deelnemers. Controleer visueel de resultaten (PediVib> Enkele voetgangers> View).
2. Bereken de totale structurele respons door middel van superpositie van de individuele respons, dat wil zeggen, de som van de corresponderende vectoren, en vergelijkt het resultaat met de structurele respons gemeten,bijvoorbeeld door een cijfer dat de gemeten en gesimuleerde structurele respons weergeeft.

Results

Ten eerste wordt getoond hoe de versnellingen geregistreerd bij de CoM van de individuen kunnen worden gebruikt om de daaruit voortvloeiende GRFs karakteriseren. De resultaten worden besproken voor een wandelvakantie individuele ^3. Volledig vergelijkbare waarnemingen gedaan bij ritmische menselijke activiteiten, dat wil zeggen, springen en dobbert, worden beschouwd. Figuur 7A en 7B tonen aan dat de amplitude spectrum van de continue v...

Discussion

De menselijke beweging en de resulterende GRFs worden meestal geïdentificeerd door de toepassing van geweld platen, geïnstrumenteerd loopbanden evenals optische motion capture technologie zoals Vicon ¹⁸ en CODA ^19. De toepassing van deze technieken is echter beperkt tot de laboratoriumomgeving. In antwoord op dit bezwaar, wordt het potentieel van innovatieve technieken die de meting van 'natuurlijke' persoon gedrag mogelijk te maken gedurende vele herhaalde en ononderbroken cycli momenteel ...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
MTw Development Kit + MT Manager Software	Xsens	MTW-38A70G20-1	Ontwikkelingskit met draadloze, zeer nauwkeurige, kleine en lichtgewicht 3D menselijke bewegingstrackers en bijbehorende click-in volledige lichaamsriemen.
True Impulse Kinetic Measurement System + NDI Open Capture Data Acquisition and Visualization System	NDI Northern Digital Inc.	791028	TrueImpulse meet reactiekrachten uitgeoefend door mensen tijdens een grote verscheidenheid aan activiteiten.
GMS-24	GeoSIG Ltd	Rev. 03.08.2010	(Draadloze) versnellingsmeters om de structurele trillingen te registreren.
GeoDAS GeoSIG Data Acquisition System	GeoSIG Ltd	Rev. 03.08.2010	Grafische MS Windows applicatie die draait onder Windows 9x/NT/2000 en een software-interface biedt tussen gebruikers en GeoSIG recorders GSR/GCR/GBV/GT.
PediVib toolbox	KU Leuven		Software-interface/toolbox om de structurele trillingen geïnduceerd door voetgangers te simuleren.
Metronome			Een apparaat om de beoogde tempo van de activiteit aan te geven (gratis applicaties zijn online beschikbaar voor pc/laptop/smartphone).