Värähtelymittausten hyödyntäminen sillan kunnon seurannassa
Jaakkola, Olli (2024-04-17)
O. Jaakkola
17.04.2024
© 2024 Olli Jaakkola. Ellei toisin mainita, uudelleenkäyttö on sallittu Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0) -lisenssillä (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Uudelleenkäyttö on sallittua edellyttäen, että lähde mainitaan asianmukaisesti ja mahdolliset muutokset merkitään. Sellaisten osien käyttö tai jäljentäminen, jotka eivät ole tekijän tai tekijöiden omaisuutta, saattaa edellyttää lupaa suoraan asianomaisilta oikeudenhaltijoilta.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-202404172799
https://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-202404172799
Tiivistelmä
Tässä diplomityössä tutkittiin värähtelymittausten hyödyntämistä sillan kunnon seurannassa. Värähtelymittauksilla voidaan selvittää sillan värähtelyominaisuudet: ominaistaajuudet ja -muodot, sekä vaimennuskertoimet käyttämällä moodianalyysiä. Työssä keskityttiin erityisesti värähtelyominaisuuksien selvittämiseen operatiivisella moodianalyysillä (OMA). OMA mahdollistaa sillan värähtelyominaisuuksien selvittämisen ilman, että sillan herätteitä tarvitsee tuntea. Värähtelyominaisuuksista on johdettavissa tietoa sillan käyttäytymisestä ja niiden muutoksista voidaan havaita sillan vaurioita. Vaurioiden havaitsemiseen värähtelyominaisuuksien muutoksista käytetään yleisesti koneoppimisen keinoja.
Työn kirjallisuuskatsauksessa vertailtiin eri moodianalyysimenetelmiä siltojen värähtelyarvojen selvittämisessä. Kirjallisuuskatsauksessa perehdyttiin lisäksi OMA:n teoriaan ja keskeisimpiin oletuksiin. Sillan vaurioiden havaitsemista värähtelyominaisuuksista ja rakenteiden kunnon seurantaa (Structural Health Monitoring, SHM) käsiteltiin kirjallisuuskatsauksessa esittelemällä tapaustutkimuksia aiheesta.
Työn kokeellisessa osassa tehtiin simuloidut värähtelymittaukset FEM-laskentamallin dynaamisella analyysillä. Värähtelytuloksista OMA:lla saatuja värähtelyarvoja verrattiin samasta laskentamallista ominaisarvotehtävän ratkaisuina saataviin värähtelyarvoihin. Tulokset vastasivat hyvin toisiaan. Kokeellisessa osassa tehtiin värähtelymittaukset Iijoen ratasillalle sen värähtelyarvojen selvittämiseksi. Silta koostuu kahdesta identtisestä siltalohkosta. Eri lohkoista saatuja värähtelyarvoja vertailemalla todettiin värähtelyarvojen lähes vastaavan toisiaan.
Mitatuissa ja laskentamallista saaduissa värähtelyarvoissa oli eroavaisuuksia. Eroja tutkittiin laskentamallin avulla. Laskentamallia päivitettiin vastaamaan paremmin mitattuja tuloksia. Mitatut värähtelyarvot viittaavat laskentamallin päivityksen perusteella sillan suurempaan jäykkyyteen pääsuunnan taivutuksessa ja sillan poikkikehien pienempään jäykkyyteen. Pääsuunnan taivutuksen suurempi jäykkyys voi olla lämpötilan tai laakerikitkan aiheuttamaa ja poikkikehien pienempi jäykkyys voi johtua niiden liitosten löystymisestä.
Värähtelymittaukset tehtiin ensimmäisissä mittauksissa esiintyneiden haasteiden takia kahteen kertaan. Ensimmäisissä mittauksissa käytettiin langallista ja toisissa mittauksissa langatonta järjestelmää. Järjestelmien ominaisuuksien vaikutusta mittaustuloksiin ja asennettavuuteen tutkittiin. Järjestelmät erosivat ominaisuuksiltaan toisistaan ja edelleen mittaustuloksissa oli eroja. Työssä tehdyissä lyhytaikaisissa mittauksissa langattoman järjestelmän nopeasta asennuksesta aiheutuvat edut korostuivat.
Työn tulokset ovat hyödynnettävissä katsauksena aihepiiriin: ”värähtelymittausten hyödyntäminen sillan kunnon seurannassa”. Tuloksia voi käyttää apuna värähtelymittausten suunnittelussa ja toteutuksessa, värähtelyarvojen selvittämisessä operatiivisen moodianalyysin avulla ja laskentamallin päivittämisessä.
Työn kirjallisuuskatsauksessa vertailtiin eri moodianalyysimenetelmiä siltojen värähtelyarvojen selvittämisessä. Kirjallisuuskatsauksessa perehdyttiin lisäksi OMA:n teoriaan ja keskeisimpiin oletuksiin. Sillan vaurioiden havaitsemista värähtelyominaisuuksista ja rakenteiden kunnon seurantaa (Structural Health Monitoring, SHM) käsiteltiin kirjallisuuskatsauksessa esittelemällä tapaustutkimuksia aiheesta.
Työn kokeellisessa osassa tehtiin simuloidut värähtelymittaukset FEM-laskentamallin dynaamisella analyysillä. Värähtelytuloksista OMA:lla saatuja värähtelyarvoja verrattiin samasta laskentamallista ominaisarvotehtävän ratkaisuina saataviin värähtelyarvoihin. Tulokset vastasivat hyvin toisiaan. Kokeellisessa osassa tehtiin värähtelymittaukset Iijoen ratasillalle sen värähtelyarvojen selvittämiseksi. Silta koostuu kahdesta identtisestä siltalohkosta. Eri lohkoista saatuja värähtelyarvoja vertailemalla todettiin värähtelyarvojen lähes vastaavan toisiaan.
Mitatuissa ja laskentamallista saaduissa värähtelyarvoissa oli eroavaisuuksia. Eroja tutkittiin laskentamallin avulla. Laskentamallia päivitettiin vastaamaan paremmin mitattuja tuloksia. Mitatut värähtelyarvot viittaavat laskentamallin päivityksen perusteella sillan suurempaan jäykkyyteen pääsuunnan taivutuksessa ja sillan poikkikehien pienempään jäykkyyteen. Pääsuunnan taivutuksen suurempi jäykkyys voi olla lämpötilan tai laakerikitkan aiheuttamaa ja poikkikehien pienempi jäykkyys voi johtua niiden liitosten löystymisestä.
Värähtelymittaukset tehtiin ensimmäisissä mittauksissa esiintyneiden haasteiden takia kahteen kertaan. Ensimmäisissä mittauksissa käytettiin langallista ja toisissa mittauksissa langatonta järjestelmää. Järjestelmien ominaisuuksien vaikutusta mittaustuloksiin ja asennettavuuteen tutkittiin. Järjestelmät erosivat ominaisuuksiltaan toisistaan ja edelleen mittaustuloksissa oli eroja. Työssä tehdyissä lyhytaikaisissa mittauksissa langattoman järjestelmän nopeasta asennuksesta aiheutuvat edut korostuivat.
Työn tulokset ovat hyödynnettävissä katsauksena aihepiiriin: ”värähtelymittausten hyödyntäminen sillan kunnon seurannassa”. Tuloksia voi käyttää apuna värähtelymittausten suunnittelussa ja toteutuksessa, värähtelyarvojen selvittämisessä operatiivisen moodianalyysin avulla ja laskentamallin päivittämisessä.
Kokoelmat
- Avoin saatavuus [37747]
Ellei muuten mainita, aineiston lisenssi on https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/