Simulation von Menschen verursachte Schwingungen Basierend auf dem Gekennzeichnet In-Bereich Fußgängerverhalten
Summary
Ein Protokoll ist für die Charakterisierung der in-field Fußgängerverhalten und die Simulation des resultierenden Strukturantwort dargestellt. Feldtests zeigen , dass die identifizierten in situ Stimulationsfrequenz und Synchronisationsrate unter den Teilnehmern bilden einen wesentlichen Input für die Simulation und Verifikation der vom Menschen verursachten Belastungen.
Abstract
Für schlanke und leichte Strukturen ist Schwingungstauglichkeit selbst Anliegen der wachsenden, oft die kritische Designanforderung darstellt. Wenn die Entwürfe von der Dynamik unter den Menschen verursachten Belastungen unterliegen, besteht eine starke Nachfrage nach der Überprüfung und Verfeinerung der derzeit verfügbaren Lastmodelle. Der vorliegende Beitrag verwendet eine 3D-Inertial Motion-Tracking-Technik zur Charakterisierung der in-Bereich Fußgängerverhalten. Die Technik wird zuerst in Laborexperimenten unter gleichzeitiger Erfassung der entsprechenden Bodenreaktionskräfte getestet. Die Experimente sind Personen sowie rhythmische menschliche Aktivitäten wie Springen und wippenden Fuß. Es wird gezeigt, dass die registrierte Bewegung für die Identifizierung der Zeitvariante Stimulationsfrequenz der Aktivität ermöglicht. Zusammen mit dem Gewicht der Person und der Anwendung der allgemeinen Kraftmodelle in der Literatur, ermöglicht die identifizierten zeitvarianten Stimulationsfrequenz auf characterize die vom Menschen verursachte Belastungen. Zudem Zeitsynchronisation zwischen den Funk-Bewegungsmelder-Tracker ermöglicht die Synchronisation Rate unter den Teilnehmern zu identifizieren. Anschließend wird die Technik auf einem realen Steg verwendet, wo sowohl die Bewegung der Personen und der induzierten strukturellen Schwingungen registriert. Es wird gezeigt, wie die dadurch im Feld kann Fußgängerverhalten die induzierte strukturelle Antwort auf simulieren angewendet werden. Es wird gezeigt , dass die in situ identifiziert Stimulationsfrequenz und Synchronisationsrate einen wesentlichen Input für die Simulation und Verifikation der vom Menschen verursachten Belastungen darstellen. Die wichtigsten Anwendungsmöglichkeiten der vorgeschlagenen Methodik sind die Schätzung der Mensch-Struktur-Interaktion Phänomene und die Entwicklung geeigneter Modelle für die Korrelation zwischen den Fußgängern in realen Verkehrsbedingungen.
Introduction
Angetrieben von der wirtschaftlichen Nachfrage der Effizienz und der zunehmenden Stärke der (neu) Materialien, Architekten und Ingenieure die Grenzen drängen immer mehr zu bauen, größer und leichter Strukturen. Typischerweise haben Licht und schlanke Strukturen eine oder mehrere natürliche Frequenzen, die innerhalb des dominanten Spektrum der gemeinsamen menschlichen Aktivitäten wie Wandern liegen, Laufen oder Springen. Wahrscheinlich unterliegen (nahezu) resonante Anregung zu sein, sind sie oft zu Unrecht als Reaktion auf Bewegungen des menschlichen Körpers, was zu stören oder sogar schädliche Schwingungen 1. Für diese schlanke und leichte Strukturen, ist die Vibration Tauglichkeit selbst Anliegen der wachsenden, oft die kritische Designanforderung darstellt.
Die menschliche Bewegung und die daraus resultierenden Bodenreaktionskräfte (GRFs) werden in der Regel experimentell unter Laborbedingungen ermittelt. Derzeit sind Designer, sich auf gezwungen – was angenommen werden "konservativ" zu sein – das entspricht lOAD Modelle, Upscaling von Ein-Personen-Kraftmessungen. Wenn die Entwürfe durch die dynamische Leistung unter hohem Masse Dichten regiert, besteht eine starke Nachfrage nach der Überprüfung und Verfeinerung der derzeit verfügbaren Lastmodelle.
Das vorliegende Protokoll verwendet eine 3D-Inertial Motion-Tracking-Technik zur Charakterisierung der natürlichen Bewegung von Fußgängern. Es wird gezeigt, wie diese Informationen können die Korrelation zwischen den Fußgängern, sowie die entsprechenden induzierten Belastungen zu definieren, verwendet werden. In einem nachfolgenden Schritt wird das gekennzeichnet Fußgängerverhalten die induzierte strukturelle Antwort auf numerisch simulieren. Vergleich mit dem registrierten Strukturantwort ermöglicht , die Wirkung von unaccounted human-Struktur Interaktion Phänomene quantifiziert, beispielsweise die aufgrund des Vorhandenseins der Fußgänger zusätzliche Dämpfung. Die Methodik ist auf einem echten Steg für Full-Scale-Experimente gezeigt, wo die strukturelle Antwort und die Bewegung des Parnehmern gleichzeitig registriert.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die menschliche Bewegung und die daraus resultierenden GRFs werden in der Regel durch die Anwendung von Kraftmessplatten, instrumentiert Tretmühlen sowie optische Motion – Capture – Technologie wie Vicon 18 und CODA 19 identifiziert. Die Anwendung dieser Verfahren ist jedoch auf die Laborumgebung beschränkt. Als Antwort auf diesen Nachteil, untersucht derzeit 20 wird das Potential an innovativen Techniken, die die Messung der "natürliche" Person Verhalten über viele wiederh…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Versuche gehen Individuen beteiligt sind , in Zusammenarbeit mit der Bewegung & Haltung Analysis Laboratory Leuven (MALL) 25 durchgeführt. Die Zusammenarbeit und die Unterstützung gedankt.
Materials
| MTw Development Kit + MT Manager Software | Xsens | MTW-38A70G20-1 | Development kit with wireless, highly accurate, small and lightweight 3D human motion trackers and accompanying click-in full body straps. |
| True Impulse Kinetic Measurement System + NDI Open Capture Data Acquisition and Visualization System | NDI Northern Digital Inc. | 791028 | TrueImpulse measures reaction forces exerted by humans during a wide variety of activities. |
| GMS-24 | GeoSIG Ltd | Rev. 03.08.2010 | (Wireless) accelerometers to register the structural vibrations. |
| GeoDAS GeoSIG Data Acquisition System | GeoSIG Ltd | Rev. 03.08.2010 | Graphical MS Windows application running under Windows 9x/NT/2000, providing a software interface between users and GeoSIG recorders GSR/GCR/GBV/GT. |
| PediVib toolbox | KU Leuven | / | Software interface/toolbox to simulate the structural vibrations induced by pedestrians. |
| Metronome | / | / | A device to indicate the targetted pacing rate of the activity (free applications are available online for pc/laptop/smartphone). |
Referenzen
- Bachmann, H., Ammann, W. . Bachmann vibrations in structures : induced by man and machines. , (1987).
- . MTw User Manual Available from: https://www.xsens.com/download/usermanual/MTw_usermanual.pdf (2013)
- Van Nimmen, K., Lombaert, G., Jonkers, I., De Roeck, G., Vanden Broeck, P. Characterisation of walking loads by 3D inertial motion tracking. J. Sound Vib. 333 (20), 1-15 (2013).
- Northern Digital Inc. . TrueImpulse Kinetic Measurement System User Guide. , (2013).
- Racic, V., Pavic, A. Mathematical model to generate near-periodic human jumping force signals. Mech. Syst. Signal Process. 24 (1), 138-152 (2010).
- The MathWorks Inc. . MATLAB and Signal Processing Toolbox Release. , (2014).
- Van Nimmen, K., Van den Broeck, P. . PediVib 1.0 – A MATLAB toolbox for the simulation of human-induced vibrations. , (2015).
- Li, Q., Fan, J., Nie, J., Li, Q., Chen, Y. Crowd-induced random vibration of footbridge and vibration control using multiple tuned mass dampers. J. Sound Vib. 329 (19), 4068-4092 (2010).
- Van Nimmen, K. . Numerical and experimental study of human-induced vibrations of footbridges [dissertation]. , (2015).
- Middleton, C. . Dynamic performance of high frequency floors [dissertation]. , (2009).
- Ingòlfsson, E. T., Georgakis, C. T., Ricciardelli, F., Jönsson, J. Experimental identification of pedestrian-induced lateral forces on footbridges. J. Sound Vib. 330 (6), 1265-1284 (2011).
- Racic, V., Brownjohn, J. M. W. Mathematical modelling of random narrow band lateral excitation of footbridges due to pedestrians walking. Comput. Struct. 90-91 (1), 116-130 (2012).
- Reynders, E., Roeck, G. De Reference-based combined deterministic-stochastic subspace identification for experimental and operational modal analysis. Mech. Syst. Signal Process. 22 (3), 617-637 (2008).
- Bocian, M., Macdonald, J. H. G., Burn, J. F. Biomechanically inspired modeling of pedestrian-induced vertical self-excited forces. J. Bridg. Eng. 18 (12), 1336-1346 (2013).
- Živanović, S., Pavić, A., Ingòlfsson, E. T. Modeling spatially unrestricted pedestrian traffic on footbridges. Journal of Structural Engineering. 136 (10), 1296-1308 (2010).
- Agu, E., Kasperski, M. Influence of the random dynamic parameters of the human body on the dynamic characteristics of the coupled system of structurecrowd. J. Sound Vib. 330 (3), 431-444 (2011).
- . . Vicon Motion Systems Product Manuals. , (2012).
- . . CODAmotion Technical data sheet. , (2012).
- Meichtry, A., Romkes, J., Gobelet, C., Brunner, R., Müller, R. Criterion validity of 3D trunk accelerations to assess external work and power in able-bodied gait. Gait Posture. 25 (1), 25-32 (2007).
- Jung, Y., Jung, M., Lee, K., Koo, S. Ground reaction force estimation using an insole-type pressure mat and joint kinematics during walking. J. Biomech. 47 (11), 2693-2699 (2014).
- Liedtke, C., Fokkenrood, S. A., Menger, J. T., van der Kooij, H., Veltink, P. H. Evaluation of instrumented shoes for ambulatory assessment of ground reaction forces. Gait Posture. 26 (1), 39-47 (2007).
- Boutaayamou, M., Schwartz, C., et al. Validated extraction of gait events from 3D accelerometer recordings. , 6-9 (2012).
- Kavanagh, J. J., Menz, H. B. Accelerometry: A technique for quantifying movement patterns during walking. Gait Posture. 28 (1), 1-15 (2008).
- . MALL: Movement and posture Analysis Laboratory Leuven (Interdepartemental research laboratory at the Faculty of Kinisiology and Rehabilitation Sciences) Available from: https://faber.kuleuven.be/MALL/mall.php (2015)
