Simulação de vibrações induzidas por humanos com base no comportamento do pedestre no campo Caracterizada

Summary

Um protocolo é apresentada para a caracterização do comportamento de pedestres no campo e a simulação da resposta estrutural resultante. Testes de campo demonstram que o in situ identificados frequência de estimulação e taxa de sincronização entre os participantes constituem um contributo essencial para a simulação e verificação das cargas induzidas pelo homem.

Abstract

Para esguio e estruturas leves, vibração de manutenção é uma questão de crescente preocupação, muitas vezes constituindo a exigência de projeto crítico. Com desenhos governado pelo desempenho dinâmico sob cargas induzidas pelo homem, existe uma forte demanda para a verificação e refinamento de modelos de carga atualmente disponíveis. A presente contribuição usa uma técnica de rastreamento de movimento inercial 3D para a caracterização do comportamento de pedestres em campo. A técnica é primeiramente testado em experimentos de laboratório com registro simultâneo das forças de reação do solo correspondentes. As experiências incluem a pé pessoas, bem como rítmicos actividades humanas, como salto e balançando. Mostra-se que o movimento registada permite a identificação da taxa variante estimulação tempo da actividade. Juntamente com o peso da pessoa e da aplicação de modelos de força generalizadas disponíveis na literatura, a frequência de estimulação identificada variante no tempo permite para characterize as cargas induzidas por humanos. Além disso, a sincronização de tempo entre os rastreadores de movimento sem fio permite identificar a taxa de sincronização entre os participantes. Posteriormente, a técnica é usada em uma passarela real, onde tanto o movimento das pessoas e as vibrações estruturais induzidas são registrados. É mostrado como o comportamento de pedestres em campo caracterizado pode ser aplicado para simular a resposta estrutural induzido. Demonstrou-se que o in situ identificados frequência de estimulação e taxa de sincronização constituem um contributo essencial para a simulação e verificação das cargas induzidas pelo homem. As principais aplicações potenciais da metodologia proposta é a estimativa de fenômenos de interação-estrutura humana e para o desenvolvimento de modelos adequados para a correlação entre os pedestres em condições de tráfego reais.

Introduction

Motivados pela procura económico da eficiência eo aumento da força de (novos) materiais, arquitetos e engenheiros estão empurrando os limites para construir cada vez mais, as estruturas mais altas e mais leves. Normalmente, luz e estruturas esbeltas têm uma ou mais frequências naturais que se encontram dentro do espectro dominante das atividades humanas comuns, como caminhar, correr ou saltar. Susceptível de ser objecto de (quase-) excitação de ressonância, eles são muitas vezes indevidamente sensível ao movimento humano, resultando em vibrações perturbadoras ou mesmo prejudiciais ^1. Para essas estruturas finas e leves, a manutenção de vibração é uma questão de crescente preocupação, muitas vezes constituindo a exigência de projeto crítico.

O movimento humano e as forças de reação do solo resultantes (GRF) são normalmente identificados experimentalmente em condições de laboratório. Atualmente, os designers são forçados a confiar - que estão a ser assumida "conservador" - o equivalente lmodelos oad, com upscaling de medidas de força-única pessoa. Com desenhos governado pelo desempenho dinâmico sob altas densidades multidão, existe uma forte demanda para a verificação e refinamento dos modelos de carga atualmente disponíveis.

O presente protocolo emprega uma técnica de rastreamento de movimento inercial 3D para a caracterização do movimento natural de pedestres. É mostrado como esta informação pode ser usada para definir a correlação entre os peões, bem como as correspondentes cargas induzidas. Num passo subsequente, o comportamento de pedestres caracterizado é usado para simular a resposta numericamente estrutural induzida. A comparação com a resposta estrutural registada permite quantificar o efeito de fenómenos de interacção humano-estrutura desaparecidas, por exemplo, o agregado de amortecimento, devido à presença dos peões. A metodologia é ilustrada para experimentos em larga escala em uma passarela real onde a resposta estrutural e o movimento do participantes são registrados simultaneamente.

Protocol

Todos os procedimentos foram aprovados pelo comitê de ética do hospital universitário da KU Leuven e cada sujeito deu um consentimento informado por escrito antes da participação.

1. Rastreamento de movimento 3D: Configuração e Aquisição de Dados

1. Garantir que os sensores individuais são totalmente carregada (Figura 1A). Esta etapa leva cerca de 1 hora, mas pode ser realizada nos dias antes das medições reais. Siga o protocolo de carregamento do fabricante.
2. Gerente de MT - A aquisição de dados ^2:
   1. Habilite a conexão sem fio com os sensores e especificar a taxa de amostragem desejada (Configuração Wireless> Ativar todos os mestres sem fio).
      Nota: Para permitir uma caracterização precisa do comportamento de pedestres, uma taxa de amostragem de, pelo menos, 60 Hz é aconselhável. A aceleração linear 3D indivíduo registro sensores, velocidade angular (terra) campo magnético e dados de pressão atmosférica.
   2. Ative o modo operacional e iniciar o modo de medição: fazer movimentos lentos com os sensores durante cerca de 1 min (Configuração Wireless> Inicie a medição em todos os mestres sem fio).
   3. Exibir dados inerciais e magnéticos de todos os sensores ativos (Exibir> Exibição> Inertial de Dados). Certifique-se de que, quando estacionário, a orientação do sensor não acaso.
      Nota: Uma orientação de mudança do sensor estacionário indicaria um ambiente magneticamente perturbado e, deste modo, informação de orientação impreciso.
3. Redefinição Orientação: Aplicar uma redefinição de objeto / heading (Object / heading Redefinir> Redefinir orientação) para definir o quadro de referência mundial dos experimentos (Figura 1B) ^2.
4. Colocar o sensor mais próximo possível do centro do corpo de massa (CM) localizado ao nível da quinta vértebra lombar (Figura 1C). Fixar um único sensor firmemente e de forma robusta para cada participante com scialmente concebido clique em tiras de corpo inteiro (Figura 1C).
5. Gravar dados, conforme necessário.
6. Carregar os registros de interesse (arquivo aberto), especifique as configurações de exportação (Ferramentas> Preferências> Exportadores) e exportar a aceleração (e matriz de orientação) de dados para análise posterior ² (File> Export).

2. Força Plate: instalação e configuração

Nota: A presente etapa discute a aplicação de uma plataforma de força para registrar os GRFs. No caso em que a / pessoa correndo a pé está envolvido, uma série de placas de força ou um tapete rolante instrumentado deve ser utilizado para registar a carga induzida por etapas subseqüentes ^3, o próprio protocolo é análogo.

1. Certifique-se de que a placa de força está firmemente fixo ao chão do laboratório (Figura 2).
2. Configurar as definições do dispositivo e aquisição ⁴ (NDI Abrir Captura> Dados> Configurações do dispositivo> SettiNGS). Selecione o "ganho" adequada e "taxa de amostragem". Configurar e verificar as definições de disparo externas, se necessário ^4.
   1. Escolha o ganho e taxa de amostragem de acordo com a precisão desejada eo tipo de carga envolvido. Para a presente aplicação, utilizar um ganho de 128 (Força Máxima N 4879) e uma taxa de amostragem de 200 Hz.
3. Comece e termine cada ensaio com uma placa de força vazio: Tara a plataforma de força quando vazio (NDI Abrir Captura> dados> Configurações do dispositivo> Configurações> Tare).
4. Para fins de verificação: Coloque um peso conhecido na parte superior da placa de força antes e depois de cada ensaio.
   Nota: No presente pedido, uma massa de 5 kg é utilizado, no entanto, a utilização de outra massa rígida bem-conhecidas (> 2 kg) pode igualmente servir este teste de verificação.
5. Gravar e salvar os dados FRS, conforme necessário. Exportar os GRFs para posterior análise ^4.

3. Medição da Accele estruturalrações

Nota: O presente objectivo etapas para recolher as vibrações estruturais em uma ou mais localizações relevantes sobre a estrutura. O presente pedido emprega GeoSIG GMS gravadores (Figura 3) para registrar as acelerações estruturais. Outros tipos de sensores com características adequadas para a aplicação envolvidos, podem ser igualmente aplicadas.

1. Certifique-se de que os sensores individuais estão completamente carregadas. Este passo pode levar várias horas, mas pode ser realizada nos dias antes das medições reais. Siga o protocolo de carregamento do fabricante.
2. Instalar os sensores nas localizações desejadas da estrutura primária: os sensores de nível e, se necessário, proporcionar adequada fixação à estrutura primária (por exemplo, por utilização de imãs).
   Nota: dada a elevada massa do indivíduo GMS gravadores (> 6 kg) e as oscilações de baixa frequência envolvidas (<6 Hz), sem fixação adicional era necessária neste caso.
3. para GeoAquisição DAS Dados ^5: Configurar e ativar a rede GMS sem fio e conexão com os sensores ^5. Verifique as configurações de tempo e configurações de sincronização (se necessário) (clique direito no sensor> Mais informações).
4. Posicione os sensores no local desejado e nivelar-los de acordo com o quadro de referência global.
5. Para a aquisição de dados geodas ^5: Exportar os dados gravados para posterior análise (clique direito no sensor> Controle de Instrumentos> Enviar um pedido> solicitação do usuário> GETEVT ^5).

4. Experimentos em um Laboratório de Ambientes Controlados

1. Configurar movimento / Configurar 3D rastreamento (como discutido na seção 1).
2. Configurar / placa de força de instalação (como discutido na seção 2).
3. Durante a operação: verificar visualmente o tempo real as medições de ambos os sensores inerciais sem fio e a plataforma de força para verificar o seu modo de funcionamento.
4. Pergunte ao participformiga para subir na plataforma de força e ficar parado por pelo menos 30 segundos: isso permite identificar o peso de cada indivíduo.
5. Configurar o sinal de metrônomo: selecionar o ritmo desejado, ou seja, a frequência forçando fundamental.
   Nota: O sinal metrônomo pode ser facilmente configurado usando aplicativos on-line ou smartphone livres.
6. Começar a gravar os dados tanto da placa de força e os sensores inerciais sem fio.
7. Peça ao participante para iniciar a atividade desejada: caminhar, saltar ou balançando a taxa (ritmo alvo), como indicado pelo sinal de metrônomo (veja a Figura 4).
8. Grave o número escolhido de ciclos de carga, por exemplo, os passos, saltos ou ciclos balançando. Peça ao participante para sair da plataforma de força.
   Nota: Para fins de validação, é aconselhável a considerar algum tempo de gravação adicional nessas condições descarregadas. Na literatura, não há um consenso claro sobre os ciclos de carga número mínimo exigido para characterize o ciclo-a-ciclo variabilidades ^6. Com base na experiência e no trabalho apresentado em ^[6], o estudo apresentado considera 60 ciclos consecutivos em que os primeiros e últimos cinco ciclos de carga são excluídos de uma análise mais aprofundada para excluir irregularidades no padrão de carga no início e no final do julgamento.

5. Experimentos In Situ

1. Configure / Setup a rede de sensores inerciais 3D que acompanham o movimento dos participantes (ver secção 2 e Figura 5).
2. Configurar / Configuração da rede GMS de acelerômetros sem fio que registram as acelerações estruturais (ver secção 4).
3. Durante a operação: (visualmente) verificar as medições em tempo real dos sensores inerciais sem fio para verificar o seu modo de funcionamento.
4. Definir um protocolo claro que permite sincronizar os sistemas de medição envolvidos, se necessário.
   Nota: Esta etapa é necessária quando o envolvidosistemas de aquisição de dados não permitem a sincronização direta, devido à falta de um gatilho ou canal comum. O último é o caso para os sistemas de medição sem fios aplicados nos experimentos in situ (5.1 e 5.2). Portanto, um protocolo claro foi adotado no local que permite sincronizar a conjuntos de dados offline. Na presente aplicação, os sistemas de medição envolvidos são sincronizados através do registo de um evento idênticos, ou seja, impacto, no início e no final de cada ensaio, registada por pelo menos um sensor de cada um dos sistemas de medição envolvidos. vetores de tempo corretamente alinhados são posteriormente obtido através do alinhamento off-line desses eventos.
5. Configurar o sinal metrônomo: in situ, à utilização de um megafone para amplificar o alvo é necessário batimento.
6. Recolher um número suficiente de ensaios para verificar a repetibilidade da experiência. Com base na experiência, os autores recomendam para gravar pelo menos 3, ou, de preferência 4, trIALS.

Análise 6. Os dados

1. Pré-processar os dados brutos dos equipamentos envolvidos conforme necessário: Aplicar os filtros adequados para remover influências indesejáveis, tais como contribuições de alta frequência irrelevantes e ruído de medição, e manter a janela de tempo relevante de acordo com o protocolo do fabricante.
   Nota: As características de filtragem deve ser escolhido de acordo com a aplicação. No presente estudo, o MATLAB Signal Processing Toolbox ⁷ é aplicada para realizar um passa-baixo de filtragem com uma frequência de corte de 20 Hz para todos os sinais envolvidos.
2. Para cada participante: Calcule a transformada de Fourier discreta das acelerações registadas do COM usando MATLAB Signal Processing Toolbox ⁷ e identificar a frequência de carga média, como a frequência do pico dominante da harmónica fundamental no espectro obtido.
3. Identificar o tempo entre quaisquer dois eventos nominalmente idênticas de o ciclo de cargas usando o método descrito em ^[3] ou o ferramenta lc_timing da caixa de ferramentas ⁸ PediVib MATLAB
   1. Carregar o vetor de dados (lc_timing> Load).
   2. Especificar a taxa de amostragem e estimar a frequência de carga média. Especificar a janela de tempo relevante, se necessário. Salve o momento identificados dos eventos nominalmente idênticas, ou seja, ciclos de carga (lc_timing> Salvar).
4. Calcular a frequência média de carga como o inverso da média de tempo entre os ciclos subsequentes de carga (tal como identificado no ponto 6.3).
5. Para os experimentos em laboratório: Aplicar o procedimento detalhado em 6.3 para ambas as forças de reação do solo resultantes e as acelerações registradas na CM de cada indivíduo.
   Nota: Esta etapa serve como validação para o procedimento que os aplicados aos experimentos in situ, onde os GRFs não podem ser medidos diretamente. O método descrito em ^[3] como mostra a taxa de variação do tempo de estimulaçãopedestres podem ser identificados por caracterizar a relação entre as acelerações registradas perto da CM do indivíduo e as consequentes GRFs.
6. Para os experimentos in situ: Aplicar o procedimento detalhado em 6.3 para as acelerações registradas na CM de cada indivíduo.

7. Simulação e Análise da resposta estrutural

Nota: Os passos subsequentes são realizados utilizando MATLAB ^7. A resposta estrutural é calculado usando a caixa de ferramentas PediVib, uma caixa de ferramentas MATLAB desenvolvido pelos autores ⁸ (Figura 6): as forças induzidas pelo homem são determinados através da aplicação dos modelos de carga generalizadas de definido por Li et al ⁹ (a pé) e Bachmann. et al. ¹ (saltar, correr e carregamento vandalismo), eo modelo estrutural é formulada em modais ^10. O manual que acompanha inclui tutoriais que ilustram claramente oseguindo os passos.

1. Simulação da resposta estrutural
   1. Definir os parâmetros modais da estrutura de teste: as frequências naturais, coeficientes de amortecimento modais, deslocamentos modais de massa normalizada, coordenadas dos nós correspondentes (PediVib> parâmetros estruturais> Novo). verificar visualmente a informação de entrada modal (PediVib> parâmetros estruturais> View).
   2. Definir as características do pedestre e os correspondentes cargas induzidas: tipo de carga, o peso, o caminho a pé / localização, frequência de estimulação média, o início de cada ciclo de carga (PediVib> pedestres único> New). Executar e salvar a resposta estrutural simulado para os participantes envolvidos. verificar visualmente os resultados (PediVib> Single pedestres> Ver).
2. Calcule a resposta estrutural total através da sobreposição das respostas individuais, ou seja, o somatório dos vetores correspondentes, e comparar o resultado com a resposta estrutural medida,por exemplo, através da criação de uma figura que exibe a resposta estrutural medido e simulado.

Results

Em primeiro lugar, ele é mostrado como as acelerações registradas perto da CdM dos indivíduos pode ser usado para caracterizar as consequentes GRFs. Os resultados são discutidos aqui para uma curta indivíduo ^3. Observações comparáveis ​​totalmente são feitas quando as atividades humanas rítmicas, ou seja, pulando e balançando, são considerados. Figura 7A e 7B mostram que o espectro de amplitude das forças pés verticais contínuos e os ...

Discussion

O movimento humano e GRFs resultantes são geralmente identificadas pela aplicação de placas de força, esteiras, bem como a tecnologia óptica de captura de movimento, tais como Vicon ¹⁸ e CODA ¹⁹ instrumentado. A aplicação destas técnicas é, no entanto, restrito ao ambiente do laboratório. Em resposta a esta desvantagem, o potencial de técnicas inovadoras que permitem a medição do comportamento pessoa "natural" ao longo de muitos ciclos repetidos e ininterrupta é atualmente investigados

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Kit de Desenvolvimento MTw + Software MT Manager	Xsens	MTW-38A70G20-1	Kit de desenvolvimento com rastreadores de movimento humano 3D sem fio, altamente precisos, pequenos e leves e alças de corpo inteiro que o acompanham.
Sistema de Medição Cinética de Impulso Verdadeiro + Sistema de Aquisição e Visualização de Dados de Captura Aberta NDI	Northern Digital Inc.	791028	TrueImpulse mede as forças de reação exercidas por humanos durante uma ampla variedade de atividades.
GMS-24	GeoSIG Ltd	Rev. 03.08.2010	(sem fio) acelerômetros para registrar as vibrações estruturais.
GeoDAS GeoSIG Data Acquisition System	GeoSIG Ltd	Rev. 03.08.2010	Aplicativo gráfico MS Windows em execução no Windows 9x/NT/2000, fornecendo uma interface de software entre usuários e gravadores GeoSIG GSR/GCR/GBV/GT.
Caixa de ferramentas PediVib	KU Leuven		Interface de software/caixa de ferramentas para simular as vibrações estruturais induzidas por pedestres.
Metrônomo			Um dispositivo para indicar a taxa de ritmo desejada da atividade (aplicativos gratuitos estão disponíveis online para pc/laptop/smartphone).