Simulazione di vibrazioni indotte dall'uomo Sulla base della caratterizzato campo pedonale Comportamento
Summary
Un protocollo è presentato per la caratterizzazione del comportamento dei pedoni in campo e la simulazione della risposta strutturale risultante. Field-test dimostrano che in situ identificato frequenza di stimolazione e la velocità di sincronizzazione tra i partecipanti costituiscono una risorsa essenziale per la simulazione e la verifica dei carichi antropici.
Abstract
Per snella e strutture leggere, di manutenzione delle vibrazioni è una questione di crescente preoccupazione, spesso costituisce il requisito di progettazione critica. Con i disegni regolati dalla prestazioni dinamiche in presenza di carichi indotti dall'uomo, esiste una forte domanda per la verifica e la raffinatezza dei modelli di carico attualmente disponibili. Il presente contributo utilizza una tecnica di monitoraggio del movimento inerziale 3D per la caratterizzazione del comportamento dei pedoni in campo. La tecnica viene prima testato in esperimenti di laboratorio con la registrazione simultanea delle forze di reazione del terreno corrispondenti. Gli esperimenti sono persone che camminano così come le attività umane ritmiche come il salto e bobbing. Si dimostra che il movimento registrata consente l'identificazione della frequenza di stimolazione variante ora dell'attività. Insieme con il peso della persona e l'applicazione di modelli forza generalizzati disponibili in letteratura, la frequenza di stimolazione identificato tempo-variante permette di characterize i carichi indotti dall'uomo. Inoltre, la sincronizzazione temporale tra i tracciatori di movimento senza fili permette di identificare la frequenza di sincronizzazione tra i partecipanti. Successivamente, la tecnica è usata su una vera passerella dove sono registrati sia il movimento delle persone e delle vibrazioni strutturali indotte. Si è mostrato come il comportamento pedonale campo caratterizzato può essere applicato per simulare la risposta strutturale indotta. Si è dimostrato che in situ identificato frequenza di stimolazione e la velocità di sincronizzazione costituiscono una risorsa essenziale per la simulazione e la verifica dei carichi antropici. Le principali applicazioni potenziali della metodologia proposta sono la stima di fenomeni di interazione uomo-struttura e lo sviluppo di modelli per la correlazione tra i pedoni in condizioni di traffico reale.
Introduction
Condizionati dalla richiesta economica di efficienza e la crescente forza dei (nuovi) materiali, architetti e ingegneri stanno spingendo i limiti di costruire sempre più, le strutture più alte e più leggere. Tipicamente, la luce e strutture snelle hanno uno o più frequenze naturali che si trovano all'interno dello spettro dominante delle attività umane comuni come camminare, correre o saltare. Probabilità di essere soggetti a (Vicino-) di eccitazione di risonanza, sono spesso eccessivamente sensibile al movimento umano, con conseguente vibrazioni di disturbo o addirittura nocivi 1. Per queste strutture snelle e leggere, la manutenzione vibrazione è una questione di crescente preoccupazione, spesso costituisce il requisito di progettazione critica.
Il movimento umano e le forze di reazione del suolo derivanti (GRFS) sono di solito sperimentalmente identificate in condizioni di laboratorio. Attualmente, i progettisti sono costretti a fare affidamento su – ciò che si presume siano 'conservatori' – equivalente lmodelli in scala OAD, da misure di forza una sola persona. Con i disegni regolati dalla prestazioni dinamiche sotto alta densità di folla, esiste una forte domanda per la verifica e la raffinatezza dei modelli di carico attualmente disponibili.
Il presente protocollo si avvale di una tecnica di motion tracking 3D inerziale per la caratterizzazione del movimento naturale dei pedoni. Si è mostrato come queste informazioni possono essere utilizzate per definire la correlazione tra i pedoni e le corrispondenti carichi indotti. In una fase successiva, il comportamento pedonale caratterizzato viene utilizzato per simulare numericamente la risposta strutturale indotta. Il confronto con la risposta strutturale registrata consente di quantificare l'effetto di fenomeni di interazione uomo-struttura dispersi, ad esempio, l'ulteriore smorzamento a causa della presenza dei pedoni. La metodologia è illustrata per esperimenti in scala su una vera passerella in cui la risposta strutturale e il moto del parparte- sono registrati simultaneamente.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il movimento umano e GRF risultanti sono generalmente identificati mediante l'applicazione di piattaforme di forza, tapis roulant e tecnologia ottica motion capture come Vicon 18 e 19 CODA strumentati. L'applicazione di queste tecniche è, tuttavia, limitato al ambiente di laboratorio. In risposta a questo inconveniente, il potenziale di tecniche innovative che permettono la misurazione del comportamento persona 'naturale' nel corso di molti cicli ripetuti e senza interruzioni è at…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli esperimenti che coinvolgono gli individui a piedi sono eseguite in collaborazione con il Movimento e la postura Laboratorio di Analisi Leuven (MALL) 25. La loro collaborazione e il sostegno si ringraziano.
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). |
Referencias
- 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)
