Simulación de vibraciones humanas inducida Basado en la calificó el comportamiento peatonal en el terreno

Resumen

Un protocolo se presenta para la caracterización del comportamiento de peatones de campo y la simulación de la respuesta estructural resultante. La validación de campo demuestran que la in situ identificado la frecuencia de estimulación y la frecuencia de sincronización entre los participantes constituyen un insumo esencial para la simulación y verificación de las cargas inducidas por el hombre.

Resumen

Para esbelta y estructuras ligeras, capacidad de servicio de la vibración es una cuestión de preocupación cada vez mayor, a menudo constituyen el requisito de diseño crítico. Con diseños según la evolución dinámica bajo las cargas inducidas por el hombre, existe una fuerte demanda para la verificación y el perfeccionamiento de los modelos de carga disponibles en la actualidad. La presente aportación utiliza una técnica de rastreo de movimiento inercial 3D para la caracterización del comportamiento de peatones en el campo. La técnica se probó por primera vez en experimentos de laboratorio con el registro simultáneo de las fuerzas de reacción del suelo correspondientes. Los experimentos incluyen a las personas que caminan, así como las actividades humanas rítmicos tales como saltar y meneo. Se muestra que el movimiento registrado permite la identificación del tipo de variante de la regulación del tiempo de la actividad. Junto con el peso de la persona y la aplicación de modelos fuerza generalizada disponibles en la literatura, la frecuencia de estimulación identificado variante en el tiempo permite a characterize las cargas inducidas por el hombre. Además, la sincronización de tiempo entre los rastreadores de movimiento inalámbricos permite identificar el tipo de sincronización entre los participantes. Posteriormente, la técnica se utiliza en una pasarela real, donde se registran tanto el movimiento de las personas y de las vibraciones estructurales inducidos. Se muestra cómo el comportamiento de peatones en campo caracterizado se puede aplicar para simular la respuesta estructural inducido. Se demuestra que la in situ identificado la frecuencia de estimulación y la frecuencia de sincronización constituyen un insumo esencial para la simulación y verificación de las cargas inducidas por el hombre. Las principales aplicaciones potenciales de la metodología propuesta son la estimación de la estructura humana fenómenos de interacción y el desarrollo de modelos adecuados para la correlación entre los peatones en condiciones reales de tráfico.

Introducción

Impulsada por la demanda económica de la eficiencia y la creciente fuerza de (nuevas) Materiales, arquitectos e ingenieros están empujando los límites para construir estructuras cada vez más largo, más alto y más ligeros. Por lo general, estructuras ligeras y delgadas tienen una o más frecuencias naturales que se encuentran dentro del espectro dominante de las actividades humanas comunes, tales como caminar, correr o saltar. Es probable que sea objeto de (cercano) de excitación resonante, que a menudo son excesivamente sensibles al movimiento humano, dando lugar a vibraciones perturbadoras o incluso perjudiciales ^1. Por estas estructuras delgadas y ligeras, la capacidad de servicio de la vibración es una cuestión de preocupación cada vez mayor, a menudo constituyen el requisito de diseño crítico.

El movimiento humano y las fuerzas de reacción del suelo resultantes (GRFS) generalmente se identifican de forma experimental en condiciones de laboratorio. En la actualidad, los diseñadores están obligados a confiar en - lo que se supone que es "conservador" - l equivalenteoad modelos escalados a partir de mediciones de fuerza de una sola persona. Con diseños según la evolución dinámica bajo altas densidades de multitudes, existe una fuerte demanda para la verificación y el perfeccionamiento de los modelos de carga disponibles en la actualidad.

El presente protocolo emplea una técnica de seguimiento de movimiento inercial 3D para la caracterización del movimiento natural de los peatones. Se muestra cómo esta información puede ser utilizada para definir la correlación entre los peatones así como las cargas inducidas correspondientes. En una etapa posterior, el comportamiento de peatones caracterizado se utiliza para simular numéricamente la respuesta estructural inducido. La comparación con la respuesta estructural registrado que permite cuantificar el efecto de los fenómenos de interacción de estructura humana no contabilizados, por ejemplo, la atenuación agregada debido a la presencia de los peatones. La metodología se ilustra para los experimentos a gran escala en una pasarela real, donde la respuesta estructural y el movimiento del parpartici- se registran simultáneamente.

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Protocolo

Todos los procedimientos fueron aprobados por el comité de ética del Hospital Universitario de la Universidad Católica de Lovaina y cada sujeto dieron un consentimiento informado por escrito antes de la participación.

1. 3D Motion seguimiento: Configuración y Adquisición de Datos

1. Asegúrese de que los sensores individuales están completamente cargadas (Figura 1A). Esta etapa dura aproximadamente 1 hora, pero se puede realizar en los días anteriores a las medidas reales. Siga el protocolo de carga del fabricante.
2. Administrador de MT - Adquisición de datos ^2:
   1. Activar la conexión inalámbrica con los sensores y especificar la frecuencia de muestreo deseada (Configuración inalámbrica> Habilitar todos los maestros inalámbricas).
      Nota: Para permitir una caracterización precisa de la conducta de peatones, se recomienda una velocidad de muestreo de al menos 60 Hz. El registro de los sensores de aceleración lineal individuo 3D, velocidad angular (tierra) del campo magnético y los datos de presión atmosférica.
   2. Activar el modo de operación e iniciar el modo de medición: hacer movimientos lentos con los sensores durante aproximadamente 1 min (Configuración inalámbrica> iniciar la medición en todos los maestros inalámbricas).
   3. Mostrar los datos inerciales y magnéticos de todos los sensores activos (Ver> Pantalla> inercial de datos). Asegúrese de que, mientras estacionario, la orientación del sensor no hace oportunidad.
      Nota: Un cambio de orientación del sensor estacionario indicaría un entorno magnéticamente perturbado y, de ese modo, la información de orientación incorrecto.
3. Reinicio Orientación: Aplicar un reset partida objeto / (Object / partida de reposición> Restablecer orientación) para definir el marco de referencia global de los experimentos (Figura 1 B) ^2.
4. Colocar el sensor tan cerca como sea posible del centro cuerpo de masa (COM) situado en el nivel de la quinta vértebra lumbar (Figura 1C). Fijar un único sensor de fuerza y ​​firmeza a cada participante con scialmente diseñado clic en correas de cuerpo completo (Figura 1C).
5. Registrar los datos según sea necesario.
6. Cargar los registros de interés (archivo abierto), especifique la configuración de exportación (Herramientas> Preferencias> Exportadores) y exportar el (y matriz de orientación) la aceleración de datos para su posterior análisis ² (Archivo> Exportar).

2. Placa Fuerza: Instalación y configuración

Nota: La presente etapa se analiza la aplicación de una plataforma de fuerza para registrar los GRFs. En el caso de que un / persona corriendo a pie está implicada, una serie de placas de fuerza o un tapiz rodante instrumentada es para ser utilizado para registrar la carga inducida por los pasos posteriores ^3, el protocolo en sí es análoga.

1. Asegúrese de que la placa de la fuerza está fijado de forma segura al suelo del laboratorio (Figura 2).
2. Configurar los ajustes del dispositivo de adquisición y ⁴ (NDI abierto Captura de Datos>> Configuración del dispositivo> SettiNGS). Seleccione la "ganancia" adecuada y "frecuencia de muestreo". Configurar y comprobar los ajustes de activación externa, si es necesario ^4.
   1. Elige la ganancia y la frecuencia de muestreo de acuerdo con la precisión deseada y el tipo de carga involucrados. Para la presente solicitud, utilice una ganancia de 128 (fuerza máxima de 4.879 N) y una muestra de 200 Hz tasa.
3. Iniciar y finalizar cada ensayo con una plataforma de fuerza vacío: Tara en la plataforma de fuerza cuando está vacío (NDI abierto Captura> Datos> Configuración de dispositivo> Configuración> Tara).
4. Con fines de verificación: Colocar un peso conocido en la parte superior de la plataforma de fuerza antes y después de cada ensayo.
   Nota: En la presente solicitud se utiliza una masa de 5 kg, sin embargo, el uso de otra masa rígida conocido (> 2 kg) puede servir igualmente esta prueba de verificación.
5. Grabar y guardar los datos de GRF según sea necesario. Exportar los GRFs ⁴ para su posterior análisis.

3. Medición de la Accele estructuralraciones

Nota: Los presentes pasos tienen como objetivo recoger las vibraciones estructurales en una o más ubicaciones correspondientes en la estructura. La presente solicitud se emplea Geosig GMS grabadoras (Figura 3) para registrar las aceleraciones estructurales. Otros tipos de sensores con características adecuadas para la aplicación involucrada, pueden aplicarse por igual.

1. Asegúrese de que los sensores individuales están completamente cargadas. Este paso puede tardar varias horas, pero se puede realizar en los días anteriores a las medidas reales. Siga el protocolo de carga del fabricante.
2. Instalar los sensores en los lugares deseados de la estructura primaria: Nivel de los sensores y, si es necesario, proporcionar una fijación adecuada a la estructura primaria (por ejemplo, mediante el uso de imanes).
   Nota: dada la gran masa del individuo GMS grabadoras (> 6 kg) y las oscilaciones de baja frecuencia que se trate (<6 Hz), sin fijación adicional era necesario en este caso.
3. para GeoAdquisición de datos DAS ^5: Configurar y habilitar la red inalámbrica GSM y la conexión con los sensores ^5. Compruebe los ajustes de tiempo y la configuración de sincronización (si es necesario) (clic derecho sobre el sensor> Más información).
4. Coloque los sensores en el lugar deseado y los de nivel de acuerdo con el marco de referencia global.
5. Para la adquisición de datos GEODAS ^5: exportar los datos grabados para su posterior análisis (clic derecho sobre el sensor> Control de Instrumentos> Enviar una solicitud> Solicitud de usuario> GETEVT ^5).

4. Los experimentos en un ambiente controlado de laboratorio

1. Configurar / Configuración 3D seguimiento del movimiento (como se discutió en la sección 1).
2. Configurar una plataforma de fuerza / configuración (como se discutió en la sección 2).
3. Durante el funcionamiento: comprobar visualmente el tiempo real las mediciones tanto de los sensores inerciales inalámbricos y la placa de la fuerza para verificar su modo de funcionamiento.
4. Pedir a la participhormiga al paso sobre la plataforma de fuerza y ​​estar quieto durante al menos 30 segundos: esto permite identificar el peso de cada individuo.
5. Configurar la señal de metrónomo: seleccionar el ritmo deseado, es decir, frecuencia de fuerza fundamental.
   Nota: La señal del metrónomo se puede configurar fácilmente con aplicaciones en línea de teléfonos inteligentes o libres.
6. Iniciar la grabación de los datos tanto de la plataforma de fuerza y ​​los sensores inerciales inalámbricas.
7. Pedir al participante para iniciar la actividad deseada: caminar, saltar o moviéndose a la velocidad (estimulación dirigida) como indica la señal del metrónomo (ver Figura 4).
8. Registre el número seleccionado de ciclos de carga, por ejemplo, pasos, saltos o ciclos flotando. Pedir al participante que bajar la plataforma de fuerza.
   Nota: Para fines de validación, se aconseja considerar un tiempo de grabación adicional en estas condiciones sin carga. En la literatura, no existe un claro consenso acerca de los ciclos de carga número mínimo necesario para characterize el ciclo-a-ciclo variabilidades ^6. Con base en la experiencia y el trabajo presentado en ^[6], el estudio que aquí se presenta considera 60 ciclos consecutivos por el que los primeros y los últimos cinco ciclos de carga están excluidos del análisis para excluir a las irregularidades en el patrón de carga al inicio y al final del ensayo.

5. Experimentos In Situ

1. Configurar / Configuración de la red de sensores inerciales en 3D que hacen un seguimiento del movimiento de los participantes (véase la sección 2 y la Figura 5).
2. Configurar / Configuración de la red GMS de acelerómetros inalámbricos que registran las aceleraciones estructurales (ver sección 4).
3. Durante la operación: (visualmente) comprobar las mediciones en tiempo real de los sensores inerciales inalámbricos para verificar su modo de funcionamiento.
4. Definir un protocolo claro que permite sincronizar los sistemas de medición involucrados, si es necesario.
   Nota: Este paso es necesario cuando el implicadosistemas de adquisición de datos no permiten para la sincronización directa debido a la falta de un disparador o canal común. Este último es el caso de los sistemas de medición inalámbricas aplicadas en el experimentos in situ (5.1 y 5.2). Por lo tanto, un protocolo claro ha sido adoptada en el sitio que permite sincronizar las bases de datos fuera de línea. En la presente solicitud, los sistemas de medición involucradas se sincronizan a través del registro de un evento idéntico, es decir, el impacto, al principio y al final de cada ensayo, registrada por al menos un sensor de cada uno de los sistemas de medición involucradas. vectores de tiempo correctamente alineados se obtienen posteriormente a través de línea de alineación de estos eventos.
5. Configurar la señal de metrónomo: in situ, el uso de un megáfono para amplificar se requiere que el ritmo objetivo.
6. Reunir un número suficiente de ensayos para comprobar la repetibilidad del experimento. Con base en la experiencia, los autores recomiendan para grabar al menos 3, 4 o preferiblemente, trmate-.

Análisis 6. Datos

1. Pre-proceso de los datos en bruto de los equipos involucrados como sea necesario: Aplicar los filtros adecuados para eliminar las influencias no deseadas tales como las contribuciones de alta frecuencia irrelevantes y ruido de medición, y retener la ventana de tiempo correspondiente de acuerdo con el protocolo del fabricante.
   Nota: Las características de filtrado deben ser elegidos de conformidad con la aplicación. En el presente estudio, el procesamiento de señales de MATLAB caja de herramientas ⁷ se aplica para realizar una filtrado de paso bajo con una frecuencia de corte a 20 Hz para todas las señales involucradas.
2. Para cada participante: Calcular la transformada discreta de Fourier de las aceleraciones registradas de la OCM usando MATLAB Procesamiento de Señal Caja de herramientas ⁷ e identificar la frecuencia media de carga como la frecuencia del pico dominante del armónico fundamental en el espectro obtenido.
3. Identificar el tiempo entre dos eventos nominalmente idénticas de la ciclo de cargaS según el método detallado en ^[3] o la herramienta de la caja de herramientas lc_timing PediVib MATLAB ⁸
   1. Cargar el vector de datos (lc_timing> Cargar).
   2. Especificar la frecuencia de muestreo y estimar la frecuencia media de carga. Especificar el intervalo de tiempo relevante, si es necesario. Guardar el tiempo de los eventos identificados nominalmente idénticos, es decir, los ciclos de carga (lc_timing> Guardar).
4. Calcule la frecuencia media de carga como la inversa del tiempo medio entre los ciclos de carga posteriores (como se identifica en 6.3).
5. Para los experimentos en el laboratorio: Aplicar el procedimiento detallado en el apartado 6.3, tanto para las fuerzas de reacción resultantes y las aceleraciones registradas en el CdM de cada individuo.
   Nota: Este paso sirve como validación para el procedimiento que se aplica para los experimentos in situ, donde los GRFs no se pueden medir directamente. El método detallado en ^[3] muestra cómo la tasa de variante de la regulación del tiempo de lapeatones se puede identificar mediante la caracterización de la relación entre las aceleraciones registradas cerca del CdM del individuo y las consiguientes GRFs.
6. Para los experimentos in situ: Aplicar el procedimiento detallado en el apartado 6.3 de las aceleraciones registradas en el CdM de cada individuo.

7. Simulación y Análisis de la respuesta estructural

Nota: Los pasos posteriores se realizaron utilizando MATLAB ^7. La respuesta estructural se calcula utilizando la caja de herramientas PediVib, una caja de herramientas de MATLAB desarrollado por los autores ⁸ (Figura 6): las fuerzas inducidas por el hombre se determinan mediante la aplicación de los modelos de carga generalizadas de definido por Li et al ⁹ (a pie) y Bachmann. et al. ¹ (saltar, correr y carga de vandalismo), y el modelo estructural se formula en las coordenadas modal ^10. El manual que lo acompaña incluye tutoriales que ilustran claramente lasiguientes pasos.

1. Simulación de la respuesta estructural
   1. Definir los parámetros modales de la estructura de la prueba: Las frecuencias naturales, relaciones de amortiguamiento modal, desplazamientos modales en serie normalizado, las coordenadas de los nodos correspondientes (PediVib> Parámetros estructurales> Nuevo). comprobar visualmente la información de entrada modal (PediVib> parámetros estructurales> Ver).
   2. Definir las características de los peatones y las cargas inducidas correspondientes: tipo de carga, peso, caminar ruta / ubicación, frecuencia de estimulación media, el inicio de cada ciclo de carga (PediVib> peatonal solo> Nuevo). Ejecutar y guardar la respuesta estructural simulado para los participantes involucrados. comprobar visualmente los resultados (PediVib> peatonal solo> Ver).
2. Calcular la respuesta estructural total a través de la superposición de las respuestas individuales, es decir, la suma de los vectores correspondientes, y comparar el resultado con la respuesta estructural medido,por ejemplo, mediante la creación de una figura que muestra la respuesta estructural medido y simulado.

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Resultados

En primer lugar, se muestra cómo las aceleraciones registrados cerca de la CoM de los individuos pueden ser utilizados para caracterizar los consiguientes GRFs. Los resultados se discuten aquí para una persona que caminaba ^3. Totalmente se hacen observaciones comparables cuando las actividades humanas rítmicas, es decir, saltando y moviéndose, son considerados. Figura 7A y 7B muestran que el espectro de amplitud de las fuerzas con...

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Discusión

El movimiento humano y GRFs resultantes se identifican generalmente por la aplicación de placas de fuerza, cintas de correr, así como la tecnología de captura de movimiento óptico tal como Vicon ¹⁸ y ¹⁹ CODA instrumentados. La aplicación de estas técnicas es, sin embargo, restringida al entorno de laboratorio. En respuesta a este inconveniente, el potencial de técnicas innovadoras que permiten la medición del comportamiento "natural" persona durante muchos ciclos repetidos e inint...

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Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
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).