Ενόργανη Παρακολούθηση Ελεύθερης Ταλάντωσης Ράβδου με Μη Συμβατικές Τοπογραφικές Μεθόδους

Abstract

Το αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας εστιάζεται στην πειραματική διερεύνηση των δυνατοτήτων σύγχρονων, ετερογενών τοπογραφικών αισθητήρων με εφαρμογή στην παρακολούθηση των κινηματικών χαρακτηριστικών και τον υπολογισμό κρίσιμων παραμέτρων που περιγράφουν την δυναμική συμπεριφορά τεχνικών έργων. Ειδικότερα, η εργασία επικεντρώνεται σε φαινόμενα ταλαντώσεων και την παρακολούθησή τους μέσω ειδικά σχεδιασμένων πειραματικών σεναρίων τα οποία υλοποιούν προκαθορισμένες κινήσεις σε μία και δύο διαστάσεις. Η μελέτη αφορά την συγκριτική αξιολόγηση τριών τοπογραφικών μεθόδων – σύστημα δορυφορικού εντοπισμού GPS, σύστημα βιντεομετρίας και επίγειο σύστημα radar μικροκυματικής συμβολομετρίας. Η πειραματική διαδικασία διερεύνησης και αξιολόγησης των υπόψη μεθόδων περιλαμβάνει τον σχεδιασμό δύο ομάδων πειραμάτων. Η πρώτη ομάδα (Πείραμα Ι) αφορά στην ταυτόχρονη καταγραφή ελεγχόμενων κατακόρυφων μετακινήσεων τόσο στατικών όσο και δυναμικών σεναρίων. Η δεύτερη ομάδα (Πείραμα ΙΙ, Πείραμα ΙΙΙ) περιλαμβάνει την καταγραφή ελεύθερης ταλάντωσης κατακόρυφης, μεταλλικής ράβδου, πακτωμένης στο ένα άκρο. Οι επιμέρους δοκιμές περιλαμβάνουν σενάρια με ράβδο διαφορετικού υλικού (χάλυβας, αλουμίνιο), συγκεντρωμένη και κατανεμημένη μάζα, τόσο σε εργαστηριακό όσο και σε περιβάλλον ανοικτού χώρου. Τα πρωτογενή δεδομένα υπόκεινται σε προ-επεξεργασία που αφορά συγχρονισμό των μετρήσεων και στατιστική ανάλυση των βασικών τους χαρακτηριστικών. Αναφορικά με το Πείραμα Ι (υψομετρικός έλεγχος), προκύπτει η υπεροχή του συστήματος radar έναντι του συστήματος δορυφορικού εντοπισμού, ενώ διερευνάται η επίδραση των παραμέτρων (γεωμετρία δορυφορικού σχεδιασμού, τρόπος επίλυσης, κ.α.) που καθορίζουν την ποιότητα των μετρήσεων GPS σε δυναμικό υψομετρικό εντοπισμό. Η ανάλυση των δεδομένων των Πειραμάτων ΙΙ, ΙΙΙ (ελεύθερη ταλάντωση ράβδου) περιλαμβάνει υπολογισμό των παραμέτρων ταλάντωσης (εύρος, φάσμα συχνοτήτων, λόγος απόσβεσης, κ.α.) για τους τρεις αισθητήρες και για κάθε σενάριο υλοποίησης. Συνοπτικά, από τα αποτελέσματα που προέκυψαν συνάγεται ότι για το Πείραμα Ι, η ακρίβεια του συστήματος δορυφορικού εντοπισμού κυμαίνεται από 1 mm ως 5 mm λαμβάνοντας ως σημείο αναφοράς τις μετρήσεις του συστήματος radar. Η διακύμανση των καταγεγραμμένων τιμών GNSS και GMBI είναι από 0.5 cm ως 2 cm και από 0.02 mm ως 0.1 mm αντίστοιχα. Αναφορικά με τα Πειράματα ΙΙ και ΙΙΙ παρατηρούνται μικρές αποκλίσεις στον υπολογισμό της συχνότητας ταλάντωσης μεταξύ διαφορετικών μεθόδων που κατά μέσο όρο δεν ξεπερνούν το 0.13%, χωρίς εμφανή επίδραση του υλικού της ράβδου στα αποτελέσματα. Αντίθετα, παρατηρούνται αξιοσημείωτες διαφορές στον υπολογισμό του λόγου απόσβεσης, όπου για το αλουμίνιο ανέρχονται ως το 33.3% και για τον χάλυβα ως το 103.6%, και χρήζουν περαιτέρω διερεύνησης ως προς την επίδραση του υλικού της ράβδου αλλά και την μέθοδο υπολογισμού του.

The objective of this diploma thesis is to investigate the comparative capabilities and the potential of modern, heterogeneous, non-conventional topographical sensors for use in the broader field of structural monitoring. Particularly, the study is focused on oscillation phenomena through the design of experimental scenarios in which, the sensors are set to record controlled one- and two-dimensional displacements. The main goal of the experimental process examines three topographical monitoring methods; namely, the global navigation satellite system, videometry systems and ground-based microwave interferometry radar system. Two groups of experiments are designed for this purpose. The first group (Experiment I) aims at the simultaneous recording of controlled height motions in the static and dynamic regime. The second group (Experiment II, Experiment III) aims at monitoring the vibration movements of a vertical, metallic, cantilevered beam under free oscillation. Individual experimental scenarios include variations in measurement setup and process that relate to beam material and length, the use of concentrated or distributed mass and environmental conditions. Data processing includes raw measurement synchronization and statistical pre-analysis. Regarding Experiment-I (vertical displacements), as expected, the superiority of radar system compared to the GPS system is evident. Parameters like satellite geometry design or baseline processing methods are being investigated in order to evaluate the dynamic, altitudinal detection quality of satellite positioning methods. Data analysis of Experiment II and III (free bar oscillation) includes computing the oscillation parameters (range of displacement, frequency spectra, damping ratios, etc.) for each sensor and for each scenario realized. In brief and according to the results obtained for Experiment I can be concluded that the accuracy of GNSS system varies between 1 mm to 5 mm compared to the radar system measurements. The noise levels of the two systems vary from 3 mm to 5 mm for the GNSS and from 0.02 mm to 0.1 mm for the radar system respectively. Regarding Experiments II and III it can be concluded an exceptionally good agreement in frequency computation among the three sensors; with differences not exceeding 0.13% and minimal influence of bar material. However, more significant differences are observed for the computation of damping ratio. Maximum observed differences of 33.3% for the aluminum beam and a 103.6% for the steel beam deem further investigation.