Τεκμηρίωση δυνατότητας μετρήσεων ταλαντώσεων δύσκαμπτων κατασκευών με GPS και ρομποτικό θεοδόλιχο (RTS) : πειραματική, αναλυτική προσέγγιση και εφαρμογές

• Main Author: Ψιμούλης, Παναγιώτης
• Other Authors: Στείρος, Ευστάθιος
• Language: gr
• Published: 2009
• Subjects: Καταγραφή ταλαντώσεων; Μετακινήσεις; Κατασκευές; Φίλτρα; 624.171; GPS; RTS; Oscillations; Structural monitoring; Analysis filter
• Online Access: http://nemertes.lis.upatras.gr/jspui/handle/10889/2111

Το βασικό αποτέλεσμα της παρούσας διατριβής η οποία εντάσσεται στην έρευνα που εκπονείται στο Εργαστήριο Γεωδαισίας και Γεωδαιτικών Εφαρμογών του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών είναι ότι το GPS και ο ρομποτικός θεοδόλιχος (RTS), και κυρίως ο συνδυασμός τους, έχουν τη δυνατότητα μέτρησης ταλαντώσεων όχι μόνο μέχρι 1 Hz, όπως τεκμηριώνεται βιβλιογραφικά, αλλά ενός πολύ μεγαλύτερου φάσματος (μέχρι και 4Hz), ως προς ανεξάρτητο σύστημα αναφοράς της μελετούμενης κατασκευής. Η δυνατότητα αυτή καλύπτει μια σημαντική ανάγκη της σύγχρονης μηχανικής στον τομέα του ελέγχου της δομικής ακεραιότητας (Structural Health Monitoring) των κατασκευών (A’ μέρος της Διατριβής). Τα συμπεράσματα αυτά προέκυψαν με βάση πειράματα και αναλυτική επεξεργασία των δεδομένων των πειραμάτων (B μέρος της Διατριβής) και εφαρμογή της τεχνικής σε δύο δύσκαμπτες μεταλλικές γέφυρες (Γ και Δ μέρη της Διατριβής). Ειδικότερα, με βάση μεγάλο (>350) αριθμό πειραμάτων σε συσκευή προκαθορισμένων γραμμικών ταλαντώσεων, έγινε ταυτόχρονη καταγραφή ταλαντώσεων γνωστού εύρους και συχνότητας από γεωδαιτικούς δέκτες GPS και RTS, με το τελευταίο να έχει αναβαθμιστεί για λεπτομερέστερη χρονική ανάλυση των καταγραφών. Εν συνεχεία συγκρίθηκαν οι εκτιμήσεις εύρους και συχνότητας που προέκυψαν από την ανάλυση των καταγραφών των GPS, RTS με τα πραγματικά προκαθορισμένα μεγέθη των ταλαντώσεων. Η επεξεργασία και αξιολόγηση των δεδομένων επέτρεψε να εκτιμηθούν τα όρια εφαρμογής κάθε οργάνου GPS/RTS και η απόδοσή τους. Η ανάλυση βασίστηκε σε στατιστικές μεθόδους (φίλτρα) και ειδικές φασματικές μεθόδους ανάλυσης στο πεδίο συχνοτήτων και χρόνου που επιτρέπουν επεξεργασία χρονικά ανισαπέχοντων και περιορισμένων σε πλήθος δεδομένων (σε αντίθεση με την FFT), αλλά και υπέρβαση των περιορισμών των οργάνων, όπως αστάθεια ρυθμού δειγματοληψίας (‘jitter’) και απώλεια κύκλων ταλάντωσης (“clipping”) του RTS. Διαπιστώθηκε ότι κυρίως σε υψίσυχνες ταλαντώσεις το GPS προσδιορίζει την κυματομορφή και τη συχνότητα των ταλαντώσεων ενώ το RTS προσδιορίζει με μεγαλύτερη ακρίβεια το εύρος ταλάντωσης. Ο συνδυασμός των δύο οργάνων επιφέρει το πλήρη προσδιορισμό των χαρακτηριστικών (εύρος και συχνότητα) της ταλάντωσης. Η όλη τεχνική εφαρμόστηκε σε δύο σχετικά δύσκαμπτες γέφυρες. Πρώτον, μεταλλική πεζογέφυρα μήκους ~60m στη Λεωφ. Κηφισού στην Αθήνα με προβλεπόμενο εύρος μετακίνησης <30mm και ιδιοσυχνότητα >3Hz. Με χρήση υπερστατικού καταγραφικού δικτύου GPS, RTS κατεγράφησαν οι μετακινήσεις του μέσου του ανοίγματος λόγω περιοδικής διέγερσης από ομάδα ανθρώπων. Από την ανάλυση των καταγραφών των οργάνων και το συνδυασμό των αποτελεσμάτων τους προέκυψε ότι η απόκριση της γέφυρας ήταν 4-6mm και οι συχνότητες που εμφανίστηκαν ήταν 1, 2.3 και 4.3 Hz (κύρια ιδιοσυχνότητα), συμφωνόντας και με καταγραφές επιταχυνσιογράφου που χρησιμοποιήθηκε κατά τη διάρκεια των πειραμάτων. Η δεύτερη περίπτωση εφαρμογής της μεθόδου αποτελεί η καταγραφή της κίνησης ενός από τα 7 ανοίγματα της σιδηροδρομικής γέφυρας του Γοργοποτάμου. Χρησιμοποιήθηκε υπερστατικό καταγραφικό δίκτυο GPS, RTS για την καταγραφή των μετακινήσεων του άκρου και μέσου ανοίγματος κατά τη διέλευση συρμών. Οι μετρήσεις του GPS επηρεάστηκαν από φαινόμενο πολυανάκλασης κατά τη διάρκεια της διέλευσης του τραίνου, οδηγώντας σε κυματομορφή η οποία χαρακτηρίζεται από σφάλμα κλίμακας το οποίο τεκμηριώθηκε από επεξεργασία των δεδομένων και πειράματα. Από τη συνολική ανάλυση των δεδομένων των δύο οργάνων και το συνδυασμό τους προέκυψε ότι η μετακίνηση της γέφυρας στη διέλευση του τραίνου ήταν ~6-7mm και η κύρια ιδιοσυχνότητα της ~3.1-3.2Hz. Επιπλέον, διαπιστώθηκε ότι η κυματομορφή της απόκρισης παρουσιάζει διακριτή μορφή που εκφράζει το πλήθος των βαγονιών του συρμού. Το τελικό συμπέρασμα της διατριβής (Μέρος Ε) είναι ότι η τεκμηρίωση των νέων ορίων εφαρμογής και ποιότητας των καταγραφών GPS, RTS (>5mm, <5Hz) δεν επιτρέπει τη χρήση τους μόνο σε εύκαμπτες κατασκευές (καλωδιωτές γέφυρες, κλπ.) όπως εκτιμάτο μέχρι πρόσφατα, αλλά και σε πιο δύσκαμπτες κατασκευές (δικτυωτές γέφυρες, κλπ.), κάνοντας αυτά πολύτιμο εργαλείο στον έλεγχο της δομικής ακεραιότητας (Structural Health Monitoring) ευρέως τύπου κατασκευών. Η όλη έρευνα στόχευσε σε όργανα, λογισμικά και τεχνικές προσιτές σε ευρύ φάσμα ερευνητών, ώστε η μέθοδος να μην περιορίζεται σε μερικούς ειδικούς, αλλά εκτιμάται ότι τυχόν χρήση βελτιωμένων λογισμικών, οργάνων εξελιγμένων προδιαγραφών και ειδικών υπολογιστικών τεχνικών θα επιτρέψει στο εγγύς μέλλον βελτίωση της απόδοσης των δύο γεωδαιτικών οργάνων. === The main topic of this dissertation is the assessment of the performance of GPS and RTS in monitoring movements of rigid structures, such as those with main modal frequencies higher than 2Hz. This study was based on experiments of computer-controlled oscillations which were recorded simultaneously by GPS and RTS. These experiments proved that GPS was accurate in definition of the waveform of the oscillation and its frequency, while RTS was more accurate in amplitude definition. The analysis of GPS, RTS data were based on adaptive filter and spectral analysis technique developed in the Geodesy Lab. of PAtras University, which make possible to overcome data problems such as the gaps of GPS data and the jitter and clipping effect of RTS data. In the second part of this study, GPS and RTS and the developed methodology are adopted for the definition of the dynamic characteristics of two rigid structures a steel pedestrian bridge and a steel train bridge. Based on the combination of the results of GPS and RTS data the main vertical movement and the main modal frequencies of the structures were defined, proving that the combination of these instruments and by using appropriate the definition of the dynamic characteristics even of rigid structures is possible