Symulacja drgań wywołanych przez człowieka w oparciu o scharakteryzowane zachowanie pieszych w terenie

Ogólnym celem niniejszej procedury jest wykorzystanie śledzonego ruchu pieszych do charakterystyki obciążeń wywołanych przez ludzi, a następnie weryfikacja indukowanych drgań konstrukcyjnych. Metoda ta może pomóc w odpowiedzi na kluczowe pytania z zakresu drgań wywołanych przez ludzi, takie jak charakterystyka indywidualnych zachowań podczas chodzenia, identyfikacja korelacji między pieszymi w tłumie, a także kwantyfikacja zjawisk oddziaływania człowiek-konstrukcja. Główną zaletą tej techniki jest możliwość jej zastosowania in-situ, co pozwala na analizę rzeczywistych warunków ruchu.

Obserwacje w warunkach terenowych są jedynym sposobem na uzyskanie szczegółowych i dokładnych informacji na temat reprezentatywnych danych dotyczących obciążeń. Są one zatem niezbędne do dalszego rozwoju i walidacji modeli obciążeń stosowanych w przypadku pobudzeń wywoływanych przez pieszych. Procedurę zaprezentują Klaus Lievens, Xinxin Wei i Krumka Kasapova, troje doktorantów z naszej grupy badawczej, oraz Bram Gezels, asystent naukowy.

Użyj bezprzewodowych trackerów ruchu do rejestracji ruchu pieszych. Aby skonfigurować czujniki, użyj oprogramowania MT manager w celu nawiązania połączenia bezprzewodowego. Określ pożądaną częstotliwość próbkowania, która powinna wynosić co najmniej 60 hertz, aby uchwycić ruch człowieka.

Następnie wykonuj powolne ruchy trackerami ruchu, aż zostaną one połączone, a potem kontynuuj, aktywując tryb pomiaru. Następnie wyświetl dane inercyjne wszystkich aktywnych trackerów ruchu. Teraz przymocuj tracker ruchu jak najbliżej środka masy każdego uczestnika.

Mocno przymocuj tracker ruchu do uczestnika, aby był on dopasowany i stabilny. Teraz można rejestrować dane zgodnie z potrzebami. Podczas pomiarów w laboratorium ruch badanego człowieka można śledzić jednocześnie z siłami reakcji podłoża mierzoną za pomocą platformy dynamometrycznej.

W pierwszej kolejności należy użyć dołączonego oprogramowania, aby skonfigurować płytę dynamometryczną oraz ustawienia akwizycji danych. Należy wybrać wzmocnienie i częstotliwość próbkowania zgodnie z wymaganą dokładnością i rodzajem przyłożonego obciążenia. W przypadku obciążeń wywołanych przez człowieka należy ustawić wzmocnienie dla maksymalnej siły 4, 879 newtons oraz częstotliwość próbkowania na 200 hertz.

Każdy pomiar należy zawsze rozpoczynać i kończyć przy pustej platformie dynamometrycznej. Należy użyć funkcji tary lub automatycznej korekcji przesunięcia (offset), aby zresetować siłę, gdy platforma jest pusta. Po wykonaniu tary dane można rejestrować zgodnie z potrzebami.

W przypadku pomiarów wykonywanych na miejscu, wibracje konstrukcyjne można mierzyć w odpowiednich punktach, np. w połowie rozpiętości kładki dla pieszych. W tym celu należy zastosować rejestratory przemieszczeń, prędkości lub przyspieszeń. Konfigurację rejestratorów należy przeprowadzić zgodnie z instrukcjami producenta.

Po umieszczeniu rejestratorów w wybranych lokalizacjach, należy je wypoziomować zgodnie z globalnym układem odniesienia. W laboratorium, po skonfigurowaniu trackerów ruchu i platformy dynamometrycznej, rozpocznij nagrywanie danych. Następnie poproś uczestnika o wejście na platformę dynamometryczną i pozostanie w bezruchu przez co najmniej 30 sekund.

Następnie zważ uczestnika. Potem uruchom metronom, aby wyznaczyć podstawową częstotliwość wymuszania. Następnie poproś uczestnika o poruszanie się w tempie sygnału metronomu, na przykład poprzez chodzenie, skakanie lub kołysanie się.

Rejestruj tę czynność przez wystarczającą liczbę cykli; zaleca się 60 cykli. Po zakończeniu cykli poproś uczestnika o zejście z platformy. W przypadku eksperymentów przeprowadzanych na miejscu na interesującej konstrukcji budowlanej, zainstaluj trackery ruchu oraz sieć czujników, które zarejestrują wibracje strukturalne.

W warunkach terenowych do wzmocnienia sygnału metronomu można użyć megafonu. Na miejscu powtórz test co najmniej trzy razy, a najlepiej cztery, aby sprawdzić powtarzalność eksperymentu. W każdym przypadku, gdy używanych jest wiele systemów akwizycji i nie ma dostępnego wyzwalacza ani wspólnego kanału, zsynchronizuj urządzenia za pomocą pojedynczego zdarzenia, które każdy system może zarejestrować, na przykład silnego uderzenia.

Dodaj zdarzenia synchronizujące na początku i na końcu każdego testu. Na podstawie tych zdarzeń dane z różnych systemów mogą zostać zsynchronizowane w trybie offline. Podczas wykonywania pomiarów dynamicznych z użyciem więcej niż jednego rodzaju czujnika synchronizacja danych jest niezbędna.

Dlatego staramy się użyć jednego systemu akwizycji danych lub skonfigurować systemy tak, aby rejestrowały wspólny sygnał. Należy rozpocząć od określenia czasu pomiędzy nominalnie identycznymi zdarzeniami cykli obciążenia. W przypadku eksperymentów laboratoryjnych referencyjnych należy wykonać ten krok zarówno dla danych dotyczących ruchu pieszego, jak i dla danych z platformy dynamometrycznej.

Po załadowaniu danych należy określić częstotliwość próbkowania i oszacować średnią częstotliwość obciążenia. W razie potrzeby należy również wskazać odpowiednie okno czasowe. Najbardziej krytycznym etapem tej procedury jest identyfikacja momentu rozpoczęcia każdego cyklu obciążenia na podstawie śledzonego ruchu pieszego.

To właśnie te informacje o czasie pozwalają nam obliczyć zmienny w czasie rytm chodu pieszego. W analizie eksperymentów laboratoryjnych należy wykluczyć z analizy pierwsze i ostatnie pięć cykli i pracować z pozostałymi 50. Przed zapisaniem danych należy koniecznie wizualnie sprawdzić informacje o czasie.

Następnie oblicz średnią podstawową częstotliwość obciążenia jako odwrotność średniego czasu pomiędzy kolejnymi cyklami obciążenia. W przypadku udziału wielu pieszych, zidentyfikowane informacje o czasie mogą zostać wykorzystane do analizy ich korelacji. W analizie eksperymentów przeprowadzonych w terenie kolejnym krokiem jest wykorzystanie zidentyfikowanych informacji o czasie do symulacji wywołanej odpowiedzi strukturalnej.

W pierwszej kolejności należy zdefiniować parametry modalne badanej struktury. Obejmują one częstotliwości drgań własnych, współczynniki tłumienia modalnego oraz znormalizowane względem masy przemieszczenia modalne. Przed kontynuacją należy zweryfikować wizualnie wprowadzone informacje modalne.

Po drugie, należy zdefiniować charakterystykę pieszych oraz generowane przez nich obciążenia. Obejmują one rodzaj obciążenia, masę, ścieżkę przejścia lub lokalizację, średnie tempo chodu oraz czas trwania cykli obciążenia. Należy określić parametry rozwiązania, takie jak lokalizacje wyjściowe, a także parametry czasowe.

Następnie uruchom i zapisz symulację odpowiedzi strukturalnej dla zaangażowanych uczestników. Podobnie jak poprzednio, przed kontynuacją sprawdź wizualnie wyniki. Po trzecie, oblicz całkowitą odpowiedź strukturalną poprzez superpozycję poszczególnych odpowiedzi, sumując odpowiadające im wektory.

Następnie należy porównać wynik z pomiarem odpowiedzi strukturalnej za pomocą graficznej reprezentacji danych. Na podstawie badań jednego pieszego w laboratorium zidentyfikowano początek każdego cyklu obciążenia. Dane te wykorzystano do symulacji sił podczas chodzenia, przedstawionych kolorem niebieskim, i porównano je z siłami zmierzonymi, przedstawionymi kolorem czarnym.

Uzyskano dobre przybliżenie rzeczywistych sił podczas chodzenia. Podobnie przeanalizowano sposób poruszania się sześciu pieszych na kładce. Ponownie początek każdego cyklu obciążenia zidentyfikowano na podstawie śledzonego ruchu pieszych.

Informacje o cyklu obciążenia zostały następnie wykorzystane do symulacji sił wywoływanych przez pieszych. Po około 16 sekundach piesi szli w rytm, natomiast po 50 sekundach zaobserwowano znaczną utratę synchronizacji. Poprzez porównanie czasu trwania cykli obciążenia poszczególnych pieszych stwierdzono, że stopień synchronizacji spadł do 60% po około 50 sekundach.

Następnie przeprowadzono symulację odpowiedzi strukturalnej. Przy założeniu, że tempo kroku pieszych jest stałe i identyczne z sygnałem metronomu, zaznaczonym kolorem szarym, wynik znacząco zawyżał pomiary, zaznaczone kolorem czarnym. Gdy w symulacji uwzględniono zidentyfikowane zmienne w czasie tempo kroku, zaznaczone kolorem niebieskim, wynik był wyraźnie bliższy zmierzonej odpowiedzi.

Niniejsza procedura może zostać zastosowana do analizy naturalnych zachowań pieszych podczas chodzenia. W ten sposób dostarcza ona niezbędnych danych wejściowych do opracowania odpowiednich modeli korelacji między pieszymi. Ponadto porównanie zmierzonej i symulowanej odpowiedzi strukturalnej pozwala na walidację i kalibrację modeli obciążeń wykorzystywanych do analizy wzbudzeń wywołanych przez pieszych.

W ten sposób można również zbadać wpływ zjawisk oddziaływania między strukturą a człowiekiem, takich jak tłumienie dodatkowe.