Τεκμηρίωση δυνατότητας μετρήσεων ταλαντώσεων δύσκαμπτων κατασκευών με GPS και Ρομποτικό Θεοδόλιχο (RTS): Πειραματική, αναλυτική προσέγγιση και εφαρμογές

Abstract

The present study focuses on the documentation of the high perfomance of GPS and RTS in monitoring of rigid structures, as those with main modal frequencies higher than 1Hz. The developed methodology was based on experimental assessment of the performance of GPS and RTS, on upgrade of the instruments and development of analytical techniques for the process of GPS and RTS time series. The experiments were based on an experimental device which produces pre-adjusted oscillations of known characteristics (of amplitude 0.5-3cm and frequency 0.05-4Hz), which were simultaneously recorded by GPS and RTS. Based on analysis of GPS and RTS records the time series of the oscillations derived. For the analysis of the oscillation time series techniques (i.e. Normperiod code for the spectral analysis) were developed in order to overpass problems of the instruments records (gaps of data, uncontinious data). Based on these techniques the amplitude and the frequency of the time series were estimated and in sequence were compared with the real, pre-adjusted values. From the comparison was proved that GPS can define accurately the oscillation frequency (deviation <0.05Hz for frequency up to 4Hz) and RTS can define accurately the oscillation amplitude (deviation <2mm for amplitude 5mm). RTS measurements were more accurate than GPS, but GPS records accurately the oscillation waveform due to the higher recording frequency. The instruments and the adopted methodology were for the monitoring of the response of two rigid structures: the Steel Railway Bridge of Gorgopotamos and a steel pedestrian bridge in Athens. In both bridges was proved that GPS data can define the waveform of the dynamic response of the bridges and their main modal frequencies (up to 5Hz), while RTS define accurately the amplitude of the dynamic (4-5mm) and semistatic (3-4mm) response of the bridges. Thus, the combination of the time series of GPS and RTS can define the kinematic response of a rigid structure and its main dynamic characteristics.

Η παρούσα διατριβή στοχεύει στη αξιολόγηση της απόδοσης του GPS και του ρομποτικού θεοδόλιχου (RTS) στην καταγραφή των ταλαντώσεων δύσκαμπτων κατασκευών, δηλαδή κατασκευών με κύριες ιδιοσυχνότητες μεγαλύτερες του 1Hz. Η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε για την αξιολόγηση αυτή στηρίχθηκε σε πειραματική διερεύνηση, αναβάθμιση των οργάνων και ανάπτυξη τεχνικών ανάλυσης δεδομένων. Τέλος η μεθοδολογία και τα όργανα εφαρμόστηκαν σε κατασκευές. Η πειραματική διερεύνηση έγινε με χρήση πειραματικής συσκευής ελεγχόμενων ταλαντώσεων γνωστών χαρακτηριστικών (εύρους 0.5-3cm και συχνότητας 0.05- 4Hz) οι οποίες κατεγράφησαν από το GPS και RTS ταυτόχρονα. Με ανάλυση των μετρήσεων των οργάνων προέκυψαν χρονοσειρές που περιέγραφαν τις ταλαντώσεις. Χρησιμοποιήθηκαν τεχνικές (π.χ. κώδικας Normperiod φασματικής ανάλυσης) για την ανάλυση των χρονοσειρών με τις οποίες ξεπεράστηκαν προβλήματα των καταγραφών (π.χ. κενά στις καταγραφές, ανισαπέχοντα δεδομένα). Με την χρήση των τεχνικών αυτών προσδιορίστηκαν το εύρος και η συχνότητα ταλάντωσης των καταγραφών και συσχετίστηκαν με τις πραγματικές τιμές. Από την συσχέτιση αυτή προέκυψε ότι με τις χρονοσειρές του GPS προσδιορίζεται αξιόπιστα κυρίως η συχνότητα ταλάντωσης (απόκλιση <0.05Hz ακόμα και για συχνότητα ταλάντωσης 4Hz) ενώ με τις χρονοσειρές του RTS προσδιορίζεται το εύρος ταλάνωσης (απόκλιση <2mm ακόμα και για εύρος 5mm). Αυτό οφείλεται στο ότι η κυματομορφή της ταλάντωσης καταγραφόταν πιο αξιόπιστα από το GPS, ενώ οι μετρήσεις του RTS είχαν μεγαλύτερη ακρίβεια όμως λόγω της μικρότερης συχνότητας δειγματοληψίας δεν καταγραφόταν εξίσου αξιόπιστα η κυματομορφή της ταλάντωσης. Τα όργανα και οι μεθοδολογία αυτή δοκιμάστηκαν σε δύο δύσκαμπτες κατασκευές: την Σιδηροδρομική Γέφυρα του Γοργοποτάμου και μία μεταλλική πεζογέφυρα στην Αθήνα. Και στις δύο γέφυρες διαπιστώθηκε ότι οι καταγραφές του GPS προσδιόρισαν την κυματομορφή της δυναμικής κίνησης της γέφυρας και τις ιδιοσυχνότητες της (μέχρι και 5Hz), ενώ οι καταγραφές του RTS προσδιόρισαν με ακρίβεια το εύρος των δυναμικών (έως και 4-5mm) και των ημιστατικών (έως και 3-4mm) μετακινήσεων. Ο συνδυασμός των χρονοσειρών των δύο οργάνων μας δίνει την πλήρη εικόνα της κινηματικής κατάστασης μίας δύσκαμπτης κατασκευής και των κύριων δυναμικών χαρακτηριστικών της.