ارائه روشی جدید برای تعیین فرکانس های طبیعی سازه ها تحت اثر بارهای محیطی

یکی از موضوعات مهم در روش‌های آزمایشگاهی استخراج اطلاعات مودال سازه‌ها، نوع بار وارده بر سازه می‌باشد. بطور کلی بارهای اعمالی به یک سازه جهت انجام تست دینامیکی، به دو دسته تحریکات مصنوعی و بارهای محیطی تقسیم می‌شود. اعمال بارهای مصنوعی به سازه‌های بزرگ نظیر پل‌ها و ساختمان‌های بلند مشکل، پرهزینه و در برخی موارد غیر ممکن می‌باشد. به همین دلیل جهت استخراج اطلاعات مودال چنین سازه‌هایی عموما از روش‌های مبتنی بر تحریک محیطی آنها استفاده می‌شود. با این وجود این روش‌ها شامل مشکلاتی نظیر بزرگی دامنه نویز نسبت به دامنه پاسخ اندازه‌گیری شده می‌باشند. این موضوع باعث ایجاد خطاهایی در نتایج و در برخی موارد منجر به بدست آمدن مودهای غیر واقعی می‌گردد. به عنوان یک راه حل، جهت اطمینان از صحت نتایج بدست آمده می‌توان اطلاعات مودال را از چند روش مختلف محاسبه نموده و نتایج را با یکدیگر مقایسه نمود. در این مقاله یک روش جدید جهت استخراج فرکانس‌های طبیعی سازه‌ها تحت اثر ارتعاش محیطی آنها ارائه شده است. بدین منظور از ترکیب دو تکنیک ریاضی کاهش تصادفی(rd) و تجزیه متعامد بهینه(pod) بهره گرفته شده است. علت انتخاب این دو روش توانایی بسیار بالای آنها در حذف نویز از داده‌های آزمایشگاهی می‌باشد. الگوریتم پیشنهادی شامل سه مرحله کلی است. در گام اول بعد از اندازه‌گیری پاسخ شتاب سازه در نقاط مناسب، با استفاده از روش کاهش تصادفی اثرات ارتعاش محیطی از پاسخ‌ها حذف و تنها خصوصیات دینامیکی سازه در شتابنگاشت باقی می‌ماند. در مرحله دوم با استفاده از تکنیک تجزیه متعامد بهینه، شتابنگاشت‌ها به چندین مد سازه‌ای تفکیک می‌گردند و بلاخره در گام آخر، پاسخ‌های بدست آمده از مرحله قبل توسط تبدیل سریع فوریه به حوزه فرکانسی تبدیل می‌شوند تا فرکانس‌های طبیعی سازه استخراج گردند. نقطه قوت روش پیشنهادی، پایداری آن نسبت به استفاده از داده های نویزی با دامنه بسیار بالا است که از چالش‌های موجود در آزمایش‌های ارتعاش محیطی به شمار می‌رود. کارایی الگوریتم پیشنهادی با استفاده از مدل‌سازی عددی و تست آزمایشگاهی مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج این تحقیق نشان داد که از روش جدید می‌توان به عنوان ابزاری مناسب جهت تعیین فرکانس‌های طبیعی سازه ها و کنترل نتایج بدست آمده از روش‌های دیگر بهره جست.

a new method for determining the natural frequencies of structures from their ambient vibration

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.