DESAFIO DO CLIENTE
A Universidade de Tongji, em Xangai, uma das mais antigas e prestigiadas universidades da China, é uma líder em novos métodos de teste para ajudar os engenheiros civis a melhorar seus projetos. A Faculdade de Engenharia Civil da Universidade de Tongji abriga tanto o Departamento de Engenharia de Pontes quanto o State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering. Aqui, o Dr. Cheng Yu Yang é um professor fundamental na divisão de pesquisa para o projeto sísmico de pontes, conduzindo testes que ajudam a reduzir os efeitos de terremotos devastadores em pontes, edifícios, túneis e muitas outras estruturas.
Entre os maiores desafios de seu laboratório está a enorme massa e tamanho da estrutura civil corpos de prova. Muitas vezes é impraticável conduzir testes de mesa vibratória com estruturas civis completas em um ambiente de laboratório, portanto os pesquisadores devem conduzir simulações sísmicas em modelos físicos em escala muito menor, muitas vezes em escala 1:100 ou mesmo 1:200. O problema com essa abordagem é que quanto menor o modelo, menos significativos são os resultados dos testes. Os modelos menores simplesmente não reagem a entradas sísmicas dinâmicas da mesma forma que modelos maiores ou estruturas em escala real, tornando difícil extrapolar e aplicar dados de teste ao mundo real.
Uma solução inovadora para este problema é a realização de testes de mesa vibratória combinados com atuadores estruturais de grande escala, estruturas físicas parciais e empregar técnicas de simulação híbridas para simular o restante da estrutura e/ou massa numericamente. Embora o conceito não seja novo, ele só tinha sido tentado em escalas muito pequenas para uma simulação sísmica significativa em estruturas civis muito grandes
Em 2014, o Dr. Yang juntou-se a seus colegas da Universidade da Califórnia - Berkeley e à MTS Systems Corporation para transformar a ideia de acoplar mesas vibratórias com atuadores estruturais para simulação híbrida em tempo real do conceito à aplicação prática.
SOLUÇÃO DA MTS
Provar que o conceito poderia ser aplicado praticamente em grande escala requeria uma colaboração estreita , e risco compartilhado, entre as três organizações: A Universidade de Tongji forneceu o financiamento necessário, instalações de laboratório e equipamento de teste físico; a Universidade da Califórnia - Berkeley forneceu ampla experiência em pesquisa e modelagem; e a MTS forneceu experiência em testes mecânicos, consultoria e conhecimento e tecnologia em controles avançados.
O essencial para alcançar o sucesso foi superar os numerosos desafios de controle associados à integração e sincronização de um atuador estrutural dinâmico com um sistema de simulação híbrido de três graus de liberdade (3DOF). Segundo o Dr. Shawn You, Engenheiro de Integração de Sistemas da MTS, estes desafios foram resolvidos através do emprego de técnicas inovadoras de ajuste de sistemas, bem como cálculos de controle necessários para compensar o amortecimento negativo em cascata, ou amplificado - uma tarefa muito complexa que exigiu os esforços e recursos combinados dos pesquisadores e engenheiros da Universidade da Califórnia - Berkeley e da MTS.
Para testar sua solução, a equipe montou um teste sísmico de um componente de rolamento de ponte nas instalações da Universidade de Tongji. A configuração de teste compreendeu uma seção de ponte de escala 1:4 com uma massa de deck muito reduzida montada em cima de um grande simulador sísmico 3DOF (mesa vibratória) e fixada a um atuador estrutural dinâmico montado em uma parede forte adjacente. Este sistema físico foi impulsionado por um sistema de simulação híbrido em tempo real, apresentando um poderoso controlador MTS FlexTest®, um controlador 469D e modelos de estrutura virtual e solo/rocha, todos interligados por memória reflexiva sobre uma estrutura de comunicação OpenFresco. Conforme a simulação se desenrolou, uma análise atenta dos resultados provou que o sistema havia empregado efetivamente o atuador extra para aplicar corretamente a massa em falta no deck da ponte, resultando em uma simulação sísmica precisa de toda a estrutura.
O Dr. Andreas Schellenberg, Engenheiro de Pesquisa da Universidade da Califórnia - Berkeley e Diretor da ASES-Advanced Structural Engineering Solutions, que forneceu a modelagem virtual e a experiência da OpenFresco, elogiou o sucesso do projeto,
"Até agora, conseguir um controle tão preciso e simultâneo de uma mesa vibratória híbrida combinada com um acionamento estrutural adicional tinha sido feito apenas em uma escala relativamente pequena. Esta, no entanto, é a primeira vez que ela foi realizada em uma escala tão grande. Este desenvolvimento apresenta aos pesquisadores uma nova e valiosa ferramenta para realizar simulações sísmicas de alta fidelidade em estruturas maiores, produzindo dados muito melhores e mais realistas. As aplicações possíveis desta técnica de teste são muito emocionantes, de grande alcance e fomentarão a colaboração de pesquisadores em muitos campos"
BENEFÍCIOS PARA O CLIENTE
Agradado com os resultados da colaboração e da simulação bem sucedida, o Dr. Yang sente que os novos métodos são uma grande promessa para o futuro da simulação sísmica de estruturas civis . "Agora podemos testar em maior escala exemplares para capturar dados de simulação mais realistas , e não precisaremos mais construir e testar modelos físicos completos de edifícios - apenas alguns andares ou subestruturas são agora suficientes para simular o desempenho vibratório da parte mais crítica de todo o edifício com precisão A implementação deste novo método tem a possibilidade de reduzir muito os custos de teste, economizar muito tempo e aumentar a eficiência operacional do nosso laboratório."
A promessa de integrar mesas agitadoras e atuadores estruturais em tempo real simulação híbrida vai além da aplicação de massa estrutural calculada. Além disso, múltiplos atuadores também poderiam ser usados para aplicar as entradas de vento e/ou ondas calculadas. As simulações também poderiam ser distribuídas em várias mesas vibratórias, permitindo ainda mais aumentos na escala de amostras para alcançar maior precisão na simulação. Como afirma o Dr. Yang , "Este desenvolvimento poderia representar uma nova era na simulação civil híbrida"
