كليدواژه :
آزمايش ديناميكي , ارتعاش محيطي , فركانس طبيعي , تجزيه متعامد بهينه , كاهش تصادفي و نويز
چكيده فارسي :
يكي از موضوعات مهم در روش هاي آزمايشگاهي استخراج اطلاعات مودال سازه ها، نوع بار وارده بر سازه مي باشد. بطور كلي بارهاي اعمالي به يك سازه جهت انجام تست ديناميكي، به دو دسته تحريكات مصنوعي و بارهاي محيطي تقسيم مي شود. اعمال بارهاي مصنوعي به سازه هاي بزرگ نظير پل ها و ساختمان هاي بلند مشكل، پرهزينه و در برخي موارد غير ممكن مي باشد. به همين دليل جهت استخراج اطلاعات مودال چنين سازه هايي عموما از روش هاي مبتني بر تحريك محيطي آنها استفاده مي شود. با اين وجود اين روش ها شامل مشكلاتي نظير بزرگي دامنه نويز نسبت به دامنه پاسخ اندازه گيري شده مي باشند. اين موضوع باعث ايجاد خطاهايي در نتايج و در برخي موارد منجر به بدست آمدن مودهاي غير واقعي مي گردد. به عنوان يك راه حل، جهت اطمينان از صحت نتايج بدست آمده مي توان اطلاعات مودال را از چند روش مختلف محاسبه نموده و نتايج را با يكديگر مقايسه نمود. در اين مقاله يك روش جديد جهت استخراج فركانس هاي طبيعي سازه ها تحت اثر ارتعاش محيطي آنها ارايه شده است. بدين منظور از تركيب دو تكنيك رياضي كاهش تصادفي(RD) و تجزيه متعامد بهينه(POD) بهره گرفته شده است. علت انتخاب اين دو روش توانايي بسيار بالاي آنها در حذف نويز از داده هاي آزمايشگاهي مي باشد. الگوريتم پيشنهادي شامل سه مرحله كلي است. در گام اول بعد از اندازه گيري پاسخ شتاب سازه در نقاط مناسب، با استفاده از روش كاهش تصادفي اثرات ارتعاش محيطي از پاسخ ها حذف و تنها خصوصيات ديناميكي سازه در شتابنگاشت باقي مي ماند. در مرحله دوم با استفاده از تكنيك تجزيه متعامد بهينه، شتابنگاشت ها به چندين مد سازه اي تفكيك مي گردند و بلاخره در گام آخر، پاسخ هاي بدست آمده از مرحله قبل توسط تبديل سريع فوريه به حوزه فركانسي تبديل مي شوند تا فركانس هاي طبيعي سازه استخراج گردند. نقطه قوت روش پيشنهادي، پايداري آن نسبت به استفاده از داده هاي نويزي با دامنه بسيار بالا است كه از چالش هاي موجود در آزمايش هاي ارتعاش محيطي به شمار مي رود. كارايي الگوريتم پيشنهادي با استفاده از مدل سازي عددي و تست آزمايشگاهي مورد ارزيابي قرار گرفت. نتايج اين تحقيق نشان داد كه از روش جديد مي توان به عنوان ابزاري مناسب جهت تعيين فركانس هاي طبيعي سازه ها و كنترل نتايج بدست آمده از روش هاي ديگر بهره جست.
چكيده لاتين :
The load type imposed on the structures is one of the important issues of the modal identification Experimental methods. Generally the loads applied to a structure for dynamic testing are divided into two categories: artificial stimulation and ambient loads. Applying artificial loads to large structures such as bridges and tall buildings is difficult, costly and in some cases impossible. For this reason, modal identification of such structures is generally done by ambient vibration tests. However this experimental methods, also include problems such as large noise amplitude relative to the measured responses that this causes errors in the results and in some cases leads to unrealistic modes. As a solution, modal information can be calculated from several different methods and compared with each other to ensure the accuracy of the results. In this paper, a new scheme for natural frequencies extraction of structures from their ambient vibration is presented. For this purpose, the combination of two mathematical techniques of random decrement (RD) and proper orthogonal decomposition (POD) methods were used. The reason for using these two methods, is their ability to reduce the noise effects. In other words, combining of these two methods can lead to a very powerful tool for extracting structural frequencies from its ambient vibration under high amplitude noise conditions. The proposed algorithm consists of three steps: In the first step, after measuring the acceleration response of the structure at the appropriate points, the effects of random vibration are eliminated from the response by RD method and only dynamic properties of the structure remain in the acceleration records. Secondly, the acceleration records are separated into several structural modes using the proper orthogonal decomposition technique and finally, at the last step, the proceeded responses are transformed by the fast Fourier transform into the frequency domain to extract the natural frequencies of the structure. The strength of the proposed method is its robustness to the use of very high amplitude noise data, which is one of the challenges in the ambient vibration experiments. The accuracy of the proposed algorithm was evaluated by numerical modeling and experimental study. To investigate the efficiency of the new method, the numerical and experimental results were compared with the frequencies obtained from commonly modal identification methods such as extended frequency domain decomposition (EFDD) and stochastic subspace identification (SSI). A very good agreement was observed between the results of methods. Furthermore, Studying the effect of noise on the new algorithm results shows that increasing the ratio of noise to acceleration amplitude up to 250, did not affect the results precision and the main frequencies of the structure can be obtained with good accuracy. In this study, the effect of the number of sensors used in the ambient vibration test also was investigated on the accuracy of the new algorithm results. It was concluded that the minimum number of sensors (even one number) and repetition of the experiment can be used to extract structural frequencies from its ambient vibration with high accuracy. The results of this study showed that the new method can be used as a suitable tool to determine the natural frequencies of structures from its ambient vibration under severe noise conditions and to control the results obtained from other methods.
