PREDYKCJA WYBRANYCH ODDZIAŁYWAŃ DYNAMICZNYCH W STREFIE WPŁYWU INFRASTRUKTURY TRANSPORTOWEJ

Transkrypt

1 Politechnia Warszawsa Wydział Transportu PREDYKCJA WYBRANYCH ODDZIAŁYWAŃ DYNAMICZNYCH W STREFIE WPŁYWU INFRASTRUKTURY TRANSPORTOWEJ Jarosław Korzeb Otwarte seminarium Instytutu Kolejnictwa Warszawa, r. 1

2 Zares wystąpienia Zares wystąpienia 1. Wstęp Istota problemu i geneza pracy. Przedmiot badań Transportowe źródła oddziaływań dynamicznych Stan badań 3. Postulaty, założenia i zares pracy Zdefiniowanie potrzeb Założenia do opracowanego SOTOD 4. Metodologia Charaterystya wyorzystywanych metod Autorsie definicje SOTOD metoda, główne moduły 5. Badania symulacyjne i wynii Warsztat i zaplecze badawcze, weryfiacja SOTOD nowe lasy wsaźniów, wynii badań Ocena proponowanej metody 6. Podsumowanie Wniosi Kieruni dalszych prac

3 A r /A 0 *100 [%] Problem propagacji drgań parasejsmicznych Obciążenie wiatrem D1 D D4 D5 100,00% 90,00% 80,00% 70,00% 60,00% 50,00% 40,00% 30,00% 0,00% 10,00% 0,00% Fale objętościowe (Wzdłużne-P i Poprzeczne-S) Fale powierzchniowe (Rayleigh-R, Love-L/Q) A ln A r r0 r Odległość, [m] p r r 0 D3 W warunach esploatowanych szlaów transportowych, dla olejnych (dysretnych) chwil czasu - Entropia stanu oddziaływań dynamicznych dla wybranego z otoczenia puntu jest wysoa, ponieważ niepewność występowania zdarzenia elementarnego polegającego na wzroście lub spadu wartości przyspieszenia drgań w wybranym paśmie tercjowym dla olejnej chwili czasu t jest również wysoa (JK-013). 3 3

4 Środi transportu w aglomeracjach Gałęzie transportu Transport olejowy Transport drogowy Miejsi transport szynowy Infrastrutura Suprastrutura Infrastrutura Suprastrutura Infrastrutura Suprastrutura szlai pojazdy tracyjne drogi i autostrady samochody osobowe tunele tramwaje stacje wagony osobowe ulice samochody dostawcze szlai pociągi metra węzły wagony towarowe mosty i wiaduty samochody ciężarowe mosty i wiaduty pojazdy specjalne wagony odryte tunele autobusy przystani platformy dworce trolejbusy pętle tramwajowe pojazdy specjalne przystani pojazdy specjalne stacje metra bazy autobusowe tory odstawcze zaplecza budów 4 4

5 Źródła oddziaływań dynamicznych 5 5

6 Stan badań w dziedzinie propagacji drgań Uład propagacji drgań rozważany jest w rozbiciu na podułady, stosowane są często odrębne i niespójne metody modelowania pozwalające jedynie na wymianę wyniów obliczeń cząstowych. Modelowanie środów transportu i ich onstrucji oraz dynamii Oprogramowanie: Adams, Ansys, Cosmos, MSC/Dytran, Matlab, MathCad, LabVIEW i inne Prace: Choromańsi W. (1999), Chudziiewicz A. (00), Droździel J. (004), Gupta S. (008), Degrande G. (008), Kaiser I. (1999), Kruse H. (1999), Lozia Z. (000), Meine P (1999), Popp K., (1999), Sowińsi B. (004), Tomaszewsi F. (1995), Uhl T. (1997), Wil A. (1996), Zboińsi K. (000), Żochowsi A. (198) i inni. Modelowanie obietów inżyniersich, ocena propagacji drgań w obietach i na styu grunt fundament Oprogramowanie: 3DEC, Abaqus, Algor, Diana, MSC/Dytran, EDISIS 000, Etabs, MSC/Fatigue, Flac, MSC/Nastran, Perform-3D, Robot, SAP000 i inne, Prace: Adebar P.(008), Alarcon G. (010), Anteci P. (007), Baran D. (196), Błaszczyńsi T. (003), Palacios I. (010), Cao T. (008), Chen Y. (008), Dulińsa J. (006), Hadenius P. (004), Kacprzy Z. (005), Kaweci J. (005), Korzeb J. (004-1), Kozyra Z. (006), Moehle J. (008), Mroze D. (010), Nader M. (004/10), Nyawao D. (010), Raowsi G. (005), Reynolds P. (010), Ruca M (008), Shahabpoor E (010), Stypuła K. (008), Sołtys A. (010), Szcześnia W. (004), Wilde K (008), Wdowica E., (006), Wdowici J. (006) i inni. 6

7 Stan badań w dziedzinie propagacji drgań Modelowanie dynamii gruntu Oprogramowanie: Comsol, GeoGraphix, GeoSonic/Vibra-Tech Vibra-Map, EQRISK, IDARC, Plaxis, SeisWors, TrapTester, ZSoil i inne Prace: Barańsi M. (007), Brząała W. (1994), Binder. K. (005), Cudny M. (005), Dane T. (009), Leśnia A(009), Modrzejewsa S. (004), Pięta A. (009), Pisarczy S. (005), Srublov M. (010), Szczepańsi T. (007) i inni Modelowanie człowiea i wpływu drgań na człowiea Oprogramowanie: najczęściej autorsie rozwiązania wyorzystujące modelowanie dysretne, lub rozwiązania omplesowe oparte o MES lub Matlab Prace: Burton M. (009), Cempel C.(1998), Dobry M. (004), Griffin M. (000), Hitchcoc P. (009), Korzeb J. ( ), Kwo K. (009), Nader M. (001) i inni Modelowanie i ocena oddziaływań dynamicznych Oprogramowanie: najczęściej autorsie rozwiązania wyorzystujące modelowanie dysretne, lub rozwiązania omplesowe oparte o MES lub Matlab Prace: Adamczy J. (003), Bin Xu (010), Bogacz R. (005), Boggs D. (006), Diong De-yun (010), Cempel C. (1989), Ciesielsi R. (1990), Frischmut K. (005), Meng M (011), Niemas M.(005), Korzeb J. (004-1), Różowicz J. (008), Tagosz J. (007), Uhl T. (1990) i inni Analiza i ocena sygnałów pomiarowych Orogramowanie: Matlab, Sci Lab, Octave, LabView, Prosig, Noise & Vibration Wor, DS i inne Prace: Bato W. (00), Białasiewicz (004), Hasiewicz Z. (005), Kasprzy J. (00), Lyons R. (1999), Osowsi S. (007), Ozime E. (1985), Soderstrom T (1997), Stoica P. (1997), Śliwińsi P. (005), Zielińsi T (009) oraz wymienieni wcześniej 7. 7

8 Zdefiniowanie obszaru badawczego Problemy zidentyfiowane podczas analizy bibliografii (004-01) i prac n-b: dooreślanie rzeczywistego obszaru oddziaływań dynamicznych, potrzeba zwięszenia efetywności modelowania, bra szybiej metody oceny oddziaływań - monitoring, bra zintegrowanych ocen w sali maro szczegółowe obliczenia dają odpowiedź w sali miro, bra szybiej metody oceny modyfiacji stabilnego stanu oddziaływań, bra gotowych rozwiązań apliacyjnych dla oceny propagacji drgań w strefie oddziaływania, bra szczegółowych wytycznych w postaci znormalizowanego podejścia do analizy postępowanie zgodne z wizją nauowca prowadzącego badania, bra metody oreślania szodliwości oddziaływań środów transportu lub szlaów omuniacyjnych na najbliższe otoczenie, bra wielości jednoznacznie walidującej oceniany stan oddziaływań dynamicznych, onieczność jednoznacznej i przejrzystej oceny wyniów badań. 8 8

9 Metodologia wybór metod Klasy modeli w prognozowaniu i ocenie propagacji drgań Parametryczne Modele dysretne Metoda Elementów Sończonych (FEM) Metoda Elementów Brzegowych (BEM) Metoda Elementów Spetralnych (SEM) Pozostałe Hybrydowe Analiza Spetrum Odpowiedzi Analiza Modalna Empirycze Model Jednostronny Model Wielostronny Sieci Neuronowe (NN) Falowe (WN) Identyfiacja Systemów (SI) Identyfiacja Parametryczna Metoda Różnic Granicznych (FDM) 9

10 10 ) ( Im ) ( Re ) ( dt e t a dt e t a f a ft j ft j s g s d f f f f 10 Klasyczne podejście do analizy sygnału Charaterystya wyorzystanych metod

11 Charaterystya wyorzystanych metod Identyfiacja parametryczna procesu model przenoszenia drgań SI-SO/MO u(t) Modelowana ścieża propagacji y(t) Predycja procesu u(t) Model systemu ARX/ARMAX y(t) e(t) t WB( q) u( t) WC( q) e( ) WA( q) y t A( q) 1 a1q B( q) b1 bq C( q) 1 c1q 1 a q 1 1 c q b q 3... a... b... c na nc nb q q na q nb1 11 nc 11

12 Charaterystya wyorzystanych metod Badania symulacyjne modelowanie otoczenia szlaów transportowych (MES) 1 1

13 Baza wymuszeń dynamicznych KONDYCJONOWANIE SYGNAŁU ODSZUMIANIE Wzorzec sygnału BAZA WYMUSZEŃ BAZA WYMUSZEŃ Zapytanie Acelerometr Wzorzec sygnału *.wav *.bin *.txt j1 u ( t) a ( ) d ( ) J J, J j Etapy przed zapisem sygnału do bazy wymuszeń: 1. Odszumienie sygnału (transformata falowa, deompozycja i synteza sygnału). Wybór wzorca po transformacie 3. Filtrowanie w pasmach tercjowych z diadyczną zmianą próbi sygnału i fp (filtry Cauera lub Buterwortha) 13 13

14 Założenia i postulaty SOTOD Założenia SOTOD: SOTOD jest zestawem usystematyzowanych procedur wyorzystanych do oceny drgań transportowych (gotowa metodologia prowadzenia badań), SOTOD ma budowę warstwową, ażda warstwa zawiera grupę modułów realizujących zamnięte zestawy zadań lub współpracujących z warstwami sąsiednimi lub otoczeniem, SOTOD ma charater apliacyjny możliwość przygotowania oprogramowania, Efetem działania SOTOD jest analiza i wielowymiarowa ocena - czytelna dla użytowniów niezwiązanych branżowo z terminologią i zagadnieniami, Prezentacja wyniów generowanych przez SOTOD odbywa się na 4 poziomach uszczegółowienia: sala miro, maro, loalna i globalna. VLF f F t f F t f F t f F t D np npp eo D np npp eo D np npp eo D np npp eo VLF VLF VLF VLF f f f f eo, npp, np, eo, npp, np, eo, npp, np, eo, npp, np, sala miro sala maro sala loalna sala globalna 14 14

15 Definicje autorsie * Klimat drganiowy istniejący stan oddziaływań dynamicznych o charaterze parasejsmicznym, występujących w strefie wpływu infrastrutury transportowej, oceniany na podstawie pomiarów wartości przyspieszeń, prędości lub przemieszczeń jao parametrów charaterystycznych dla drgań mechanicznych zbadanych w puntach referencyjnych. (def. J.K. 009). * Potencjał szodliwości oddziaływań wielość ilościowo charateryzująca oceniany stan propagowanych do otoczenia oddziaływań dynamicznych generowanych przez środi transportu, świadcząca o sali tych oddziaływań, poprzez ich odpowiednią walidację uwzględniającą odniesienie do wartości dopuszczalnych przez aty normatywne. (def. J.K. 010). PSO f F f F f F t t t f F t eo npp eo np npp eo max max max max PSO npp np PSO max max PSO np f f max max max max PSO eo npp np eo, npp, np, f f eo, npp, np, eo, npp, np, miro sala maro eo, npp, np, sala loalna sala sala globalna PSO ST 0 VLF [ db] VLF [ db] L LA VLF [ db] A PSO ST olor interpretacja 0 zielony poziom dozwolony 1 żółty stan ostrzegawczy czerwony stan niedopuszczalny 15

16 SOTOD algorytm działania START Klasa modeli - fenomenologiczne Range of investigation 1. Registry of EO. Registry of VS Exp. investigation 1. VS ref. points. Dyn. bacground FEM N If EO exist? N Simplified scale SWD-PL? Y Exp. investigation 1. MP choice. Prop. paths Y Exp. investigation 1. MC & MP choice. Prop. paths Model SI of ground auto ARX SISO 1. Max FIT. min FPE - Aaie Model SI of EO auto ARX/ARMAX SIMO 1. Max FIT. min FPE - Aaie Selection of impacts Simulation 1. Charac. a=f(f). VLF indicators 3. PSO evaluation Selection of impacts Results 1. Evaluation. Report STOP KAIC N ln ˆ sp p K FPE FIT 1 N ( p 1) ˆ sp N ( p 1) y y y e y

17 Strutura SOTOD 17 17

18 Strutura SOTOD warstwa pomiarowa MD T ( x, y, z) N 0 powietrze, MD T ( x, y, z) typźródła - VS, typpodłoża- GT, typpuntu pomiarowego - MP, typobietu inżyniersiego - EO. 1 Wavelet mexh (blue) and Center frequency based approximation 1 ( a, b) s( t) a - ~ S x, y, z _ rms CF = a a _max t b dt a Period: 4; Cent. Freq: 0.5 uy τ yt ut τdt 18

19 Lp. Zaplecze badawcze badania Adres Liczba Odległość [m] Analiza i badania LO K-N. K-P. P-P 3 MES-EL M T J K MES SOTOD Esp 1 Słowaciego 6/ ,0 6,0 37,0 - T T T Słowaciego 16/18 /b ,0 1,0 3,0 - T T T 3 Słowaciego 16/18 /s ,0 11,0 3,0 - T N T 4 Słowaciego 16/18 /h ,0 4,0 36,0 - T N T 5 Słowaciego ,0 1,0 1,0 - T T T 6 Słowaciego ,0 1,0 1,0 - T T T 7 Cieszowsiego ,0 1,0 1,0 - T T T 8 Cieszowsiego 1/ ,0 1,0 1,0 - T T T 9 Słowaciego 3/ ,0 1,0 1,0 - T T T 10 Toeplitza ,0 33,0 10,0 - T T T 11 Toeplitza od Sł. 4/ ,0 33,0 11,0 - T T T 1 Toeplitza od Kras. 4/ ,0 55,0 33,0 - T T T 13 Słowaciego 5/ ,0 30,0 14,0 - T T T 14 Słowaciego 5/13 gł ,0 57,0 44,0 - T T T 15 Słowaciego 1/ ,0 30,0 14,0 - T T T 16 Filareca - szoła ,0 89,0 73,0 - T T T 17 Filareca - sala ,0 69,0 53,0 - T T T 18 Filareca ,0 63,0 45,0 - T N T 19 Słowaciego 15/19 Sł ,0 30,0 16,0 - T T T 0 Słowaciego 15/19 K ,0 41,0 7,0 - T T T 1 Słowaciego 15/19 S ,0 41,0 7,0 - T T T Słowaciego 15/19 Si ,0 51,0 37,0 - T T T Wilsona 4 Sł ,0 8,0 16,0 - N T T 3 Wilsona 4 Plac ,0 1,0 16,0 - N T T 4 Wilsona 4 Mic ,0 5,0 10,0 - N T T 5 Wilsona 4 Mic ,0 5,0 10,0 - N T T 6 Miciewicza ,0 40,0 7,0 - N T T 7 Miciewicza ,0 50,0 7,0 - N T T 8 Stacja M Pl. Wilsona ,0 3,0n 3,0n - N T/N T 9 Targowa ,0 4,0 8,0 75,0 N T T 30 Cicha ,0-70,0 - N T T 31 Zajęcza , T T/N T/N 3 DK W-wa Gdańsa ,0w 80,0 3,0 N T T 33 Rembielińsa ,0 60,0 40,0 - N T T/N 34 Kondratowicza 9 1-7,0 80,0 35,0 - N T T/N 35 Płoca 7A ,0-6,0 - N T T 36 Płoca ,0-8,0 - N T T Razem dla 5 adresów:

20 SOTOD nowa lasa wsaźniów Wsaźni obciążenia drganiami (ang. Vibration Load Factor - oznaczenie przyjęte i stosowane w ramach pracy ) x, y, z VLF aa = a a dop f f Amplitudowy wsaźni udziału obciążenia wywołanego nowo-wprowadzonym medium transportowym w całowitym prognozowanym obciążeniu dynamicznym obietu lub ludzi, dla najgorszej ombinacji wyniającej ze sorelowania źródeł oddziaływań nowego medium transportowego i istniejącego tła dynamicznego w obszarze strefy oddziaływań. x, y, z VLF aa nm = Amplitudowy wsaźni względnego przyrostu obciążenia dynamicznego dla ludzi lub obietów inżyniersich znajdujących się w strefie oddziaływań dynamicznych, powodowanych przejazdami nowego medium transportowego, w stosunu do istniejącej organizacji ruchu. a f nm VLFaa = 1 nmw a f x, y, z a nm a nm f _tlo f a _tlo f 0

21 SOTOD nowa lasa wsaźniów Logarytmiczny amplitudowy wsaźni obciążenia drganiami obliczany dla ażdego z ww. wsaźniów. VLF aal 0logVLF = 0logVLF 0logVLF aa aa nm aa nmw Sorygowany logarytmiczny wsaźni obciążenia drganiami dla sumy geometrycznej trzech ierunów. CVLF aal = 0log x a x a x _ p x ya yay y _ p zaz za z _ p 1

22 SOTOD nowa lasa wsaźniów Wsaźni oparty o wartość ważoną wyorzystaną w celu wyznaczenia logarytmicznego wsaźnia obciążenia energetyczną dawą drgań dla znanego przedziału czasu T i ierunu oddziaływania. a a w w n i 1 1 T T 0 a W a i w i t ( t) dt Logarytmiczny wsaźni obciążenia dawą drgań. VLF vdv VDV = 0log VDV dop 0log 4 4 T 0 T 0 n n i1 W a W a ( t) i1 i i _ dop i i ( t) 4 dt 4 dt

23 SOTOD nowa lasa wsaźniów Wsaźni charateryzujący obciążenie wyniające z energii drgań VLF e E = 10log m ( f ) x, y, z E ( f ) p Wsaźni uwzględniający moc drgań VLF p P = 10log m ( f ) x, y, z P ( f ) p 3 3

24 SOTOD nowa lasa wsaźniów Wprowadzenie do analiz wielości pochodnej przyspieszenia drgań względem czasu szarpnięcie lub prędość zmian przyspieszenia (ang. jer) oraz przemieszczeń. j j t i t dx dt Π f i a i xt xi T a 0 0 i T Π f i x ( t) dt dt Reacje austyczne Stal hipoteza Hubera, Beton - hipoteza Coulomba-Mohra. 4 4

25 SOTOD PSO w środowisu VRML 5 5

26 SOTOD ocena metody Ogólna ocena przydatności Systemu: Możliwe scenariusze postępowania dla różnych stopni zdefiniowania zagadnienia transportowych oddziaływań dynamicznych dla SOTOD bazującego jedynie na wyorzystaniu modułu SI. Lp. Stan istniejący Prognoza EO/L Ocena EO/L Stopień zdefiniowania Obiety Źródła zagadnienia transportowych SOTOD MES SOTOD MES inżyniersie oddziaływań oddziaływań dynamicznych 1 T T T/T T/T T/T T/T w pełni zdefiniowane T N T/T T/t T/T n/n częściowo zdefiniowane 3 N T n/t T/T n/t T/T częściowo zdefiniowane 4 N N n/t T/t n/t n/n niezdefiniowane 6 6

27 SOTOD ocena metody Efetywność modelowania: Czas niezbędny do otrzymania ońcowych wyniów badań symulacyjnych dla zwalidowanego i zweryfiowanego modelu N N gdzie T SOTOD T MES t wl t ewo t izd t pzd t psp T MWD t pmeo t ozn t wm T BS t wwo t pr t wl t ewo t izd m m j1 t pzd ( j) i1 ( i) T ( i) T t wl tewo tizd t pzd( j) t psp MWD TBS ( i) twwo( i) j1 i1 n n n t pmeo( i) tozn ( i) twm ( i) i1 i1 i1 tylo dla modelu MES MWD - wizja loalna obszaru objętego potencjalnym zaresem oddziaływań, - ewidencja infrastrutury transportowej i obietów inżyniersich, wraz z oceną stanu technicznego, - identyfiacja i ewidencja istniejących źródeł drgań, - pomiary źródeł drgań, - wytypowanie puntów charaterystycznych i pomiary drgań w wybranych puntach, - przygotowanie modeli prognozowanego stanu wymuszeń dynamicznych, - przygotowanie modelu obietu inżyniersiego (EO), - odtworzenie z natury modelu EO, - walidacja parametrów i dostrojenie modelu EO, - badania symulacyjne EO z wyorzystaniem prognozowanego stanu wymuszeń dynamicznych, - wybór wyniów badań symulacyjnych i ich ocena, - prezentacja wyniów, przygotowanie raportu. n n t psp i1 i1 i1 n n n TBS ( i) twwo ( i) t i1 i1 i1 ( i) 7 n n n pr t pr ( i) 7

28 Współczynni FIT, [%] Współczynni Pearsona SOTOD ocena metody Weryfiacja otrzymanych wyniów modelowania: Rozład współczynnia orelacji liniowej Pearsona dla 40 obietów inżyniersich przebadanych z wyorzystaniem metody MES i SOTOD 1,00 0,95 0,90 0,85 0,80 0,75 0,70 0,65 0,60 0,55 0,50 Rozład współczynnia FIT dla modeli 60 obietów inżyniersich przebadanych z wyorzystaniem metody identyfiacji w SOTOD Numer obietu inżyniersiego (EO) Numer obietu inżyniersiego 8 (EO) 8

29 Podsumowanie - osiągnięcia Oryginalne osiągnięcia pracy: Opracowanie jednolitej metodologii prowadzenia szybiej i czytelnej oceny warunów dynamicznych. Stworzenie architetury SOTOD: uściślenie czynności badawczych oraz harmonogramu wyonywania prac badawczych, doonanie przejrzystej oceny, możliwość otrzymania pilotażowych wyniów, wyazanie ewentualnej onieczności prowadzenia badań w więszym stopniu uszczegółowienia. Wprowadzenie nowej definicji oraz walidacja i zastosowanie pratyczne potencjału szodliwości oddziaływań dynamicznych w odniesieniu do transportowych źródeł drgań. Wprowadzenie nowej definicji limatu drganiowego, w celu oreślenia zespołu zjawis dynamicznych, rozpatrywanego niezależnie od oceny limatu austycznego. Opracowanie wieloryterialnego systemu oceny zmian powodowanych modernizacją lub budową nowych szlaów lub elementów infrastrutury transportowej w aglomeracji miejsiej, Wprowadzenie autorsich wsaźniów do oceny - otrzymanie szeroiego spetrum rozwiązań, stanowiących przejrzyste źródło informacji o warunach propagacji drgań oraz jednoznaczne wyazanie występowanie sytuacji alarmowych lub rytycznych. 9 9

30 Podsumowanie ieruni dalszych prac Kieruni dalszych prac: Charater utylitarny pracy wdrożenie apliacyjne SOTOD, ze względu na bra rozwiązań omplesowych, zapewniających szybie prognozowanie, przydatne np. w sferze zagadnienia monitoringu inwestycji, lub tworzenie map oddziaływań dynamicznych terenu woół istniejących lub projetowanych szlaów omuniacyjnych. Rozbudowa aparatu matematycznego wyorzystanie sieci neuronowych, np. falowych pozwalających na identyfiację nieliniowych charaterysty przenoszenia drgań. Prace nad wdrożeniem sieci falowych do aparatu matematycznego są na tyle rozległym zadaniem, iż stanowić mogą przedmiot odrębnej rozprawy nauowej. Wyorzystanie nieoczywistych metod do oceny oddziaływań np. funcje Kopuł (Copula) - obietów matematycznych oferujących dużą elastyczność w budowaniu wielowymiarowych modeli stochastycznych oraz Teorii Katastrof (morfogeneza) pozwalającej na usystematyzowanie empirycznych rezultatów, gdy ciągła zmiana parametru prowadzi nagle do jaościowych zmian zachowania systemu (przejścia do innego stanu uładu, stabilnego w nowych warunach)

31 POLITECHNIKA POZNAŃSKA WYDZIAŁ Politechnia BUDOWY MASZYN Warszawsa I ZARZĄDZANIA INSTYTUT Wydział MECHANIKI Transportu STOSOWANEJ Dzięuję za uwagę Warszawa, r. 31