P: Que tendências você notou no uso de mesas vibratórias para testes sísmicos?
Brad Thoen: A ideia por trás de uma mesa vibratória é gerar uma reprodução de alta fidelidade do movimento de terra; algo que uma estrutura sofreria em uma situação de terremoto no mundo real. Ao testar estruturas nestas mesas, os pesquisadores adquirem a percepção que precisam para torná-las mais resistentes a terremotos.
Hoje em dia, para gerar as reproduções mais significativas de terremotos, os pesquisadores se esforçam para colocar um corpo de prova o mais próximo possível da escala real sobre a mesa. A razão disto é que sempre que você desce uma estrutura física, nem tudo é escalado linearmente - vários componentes da estrutura escalam de forma diferente. Portanto, é necessário muito julgamento de engenharia para extrapolar como os resultados obtidos a partir de corpos de prova em pequena escala se relacionam com estruturas em escala real.
Por exemplo, no terremoto de Kobe em 1995, muitos edifícios que foram qualificados como sendo resistentes a terremotos entraram em colapso. Investigações posteriores sugeriram que isto poderia ser porque os padrões na época se baseavam em dados derivados de testes que empregavam modelos de teste em menor escala. É por isso que foi construída a grande mesa E-Defense do NIED, porque os engenheiros estruturais japoneses queriam testar corpos de prova em escala real e evitar a necessidade de fazer julgamentos de escala.
P: Que desafios únicos este uso de corpos de prova físicos em larga escala representa para a operação da mesa vibratória?
Thoen: Sim, o uso de corpos de prova estruturais civis em larga escala em mesas vibratórias nos apresenta desafios significativos de controle.
Estes corpos de prova são muito maciços e levemente úmidos. Uma vez que começam a se mover, eles continuam a se mover, interagindo significativamente com a mesa e afetando a resposta dela. Essa é a raiz do problema de controle: você está comandando a mesa para ir numa direção e o corpo de prova está empurrando fortemente na outra direção com força quase igual.
Além disso, estes corpos de prova tendem a ter frequências naturais muito baixas e são muitas vezes muito altos. Quando você excita a base de tal corpo de prova, ele quer tombar (um momento de viragem), o que introduz o arremesso e a rolagem.
Portanto, você tem duas coisas em andamento: o corpo de prova está resistindo ao movimento linear que você quer e está introduzindo movimentos de inclinação e rotação que você não quer - este é o tipo de coisa que invalida os testes.
P: Há alguma ferramenta ou técnica disponível para superar estes grandes desafios dos corpos de prova?
Thoen:Sim, existe o método atual e convencional de "Iteração", bem como um método MTS recentemente desenvolvido chamado "Compensação Dinâmica do Corpo de Prova (SDC)".
O método de iteração já existe há algum tempo e é usado em todos os lugares. Ele emprega um algoritmo de aprendizado que permite executar um teste em um nível baixo (para evitar danos à amostra), medir a resposta para ver onde ela é inadequada e depois modificar o sinal de acionamento e executar o teste novamente, esperando obter uma melhor resposta na segunda vez. Isto é feito repetidamente até que a resposta medida esteja suficientemente próxima à forma de onda sísmica que os pesquisadores estão tentando reproduzir. É esta forma de onda final que é usada no teste sísmico real de amplitude total.
Há muitas receitas por aí de como fazer iterações; cada pesquisador parece ter sua própria ideia de quantas iterações devem ser feitas, a que níveis devem ser feitas... é uma arte. Isto é definitivamente tecnologia de laboratório que não se aprende na escola.
Existe, no entanto, uma falha fundamental no método de iteração. Em primeiro lugar, os corpos de prova estruturais civis são muitas vezes muito não lineares e muito frágeis. Por serem frágeis, é preciso excitá-los em baixas amplitudes ao iterar. Mas quando se faz o teste de amplitude real e completa, o corpo de prova começa a ceder, transitando para fora da região elástica em vigor durante as iterações e para a região não linear, plástica.
Assim, à medida que o corpo de prova se torna plástico e cede, toda a sua dinâmica muda permanentemente. O movimento computado através da iteração é apropriado para quando o corpo de prova é elástico, mas não inteiramente apropriado quando é plástico.
P: Descreva a Compensação da Dinâmica dos Corpos de Prova (SDC).
Thoen:O SDC é um compensador de feedback que remove efetivamente os efeitos ressonantes de amostras de teste não lineares de variação temporal da dinâmica de movimento de uma mesa vibratória em tempo real, proporcionando uma alternativa mais segura, de maior fidelidade e eficiente às técnicas convencionais de iteração.
Usando sensores de mesa existentes, a SDC determina em tempo real o quanto um corpo de prova está sendo empurrado para trás sobre uma mesa durante um teste de amplitude total. Em seguida, determina quanto fluxo adicional de servoválvulas é necessário para que os atuadores gerem precisamente a força adicional necessária para cancelar as forças compensatórias do corpo de prova dinâmico.
O fato de que os sinais de feedback utilizados pela SDC são derivados independentemente do corpo de prova é de tremenda vantagem. Como você não está modelando o corpo de prova, ele pode ser variável no tempo e não-linear. Não faz diferença para a SDC quais os processos físicos dão origem às forças que se empurram para trás na mesa; eles só precisam ser detectados e cancelados.
P: Contrastar a técnica convencional de iteração com a SDC.
Thoen: Para começar, a SDC fornece consistentemente uma fidelidade de teste mais alta do que as técnicas de iteração. Eu provei isto através de uma experiência utilizando dois corpos de prova civis típicos: uma viga de concreto armado, e um rolamento de borracha frontal. Ambos são muito não-lineares e típicos do que você pode ver em uma estrutura civil. Em primeiro lugar, eu fiz um regime típico de iteração sobre eles, usando a receita desenvolvida por Patrick Laplace na Universidade de Nevada, Reno. Então eu simplesmente apliquei o SDC; sem preparação, apenas o executei a 100%, que é o que esperaríamos que os clientes fizessem. Medi os erros de ambos os corpos de prova para dois terremotos e em seguida os classifiquei pelo erro mais baixo. Descobri que, em todos os casos, o SDC resultou no menor erro. A Iteração, em alguns casos, registrou erros respeitavelmente baixos (e erros ridiculamente altos em outros), mas ainda assim erros mais altos do que o SDC.
Em termos de eficiência de tempo e custo, o SDC é, inquestionavelmente, superior à iteração. O processo SDC é simples: basta montar o corpo de prova e apertar um botão. Em contraste, identificar a resposta de frequência do sistema e executar múltiplas iterações requer tempo e recursos consideráveis, e a natureza subjetiva do processo oferece ampla oportunidade de cometer erros. Realmente não há comparação no que diz respeito à economia de tempo.
Outro benefício fundamental do SDC é o ajuste simples e simplificado. Quando você ajusta uma mesa usando o SDC, você é basicamente capaz de montá-la como uma mesa vazia e não importa o corpo de prova que você coloque, você ainda obtém a mesma resposta de movimento. Sem a necessidade de um corpo de prova, você pode gastar todo o tempo que quiser para obter uma bela resposta de frequência (harmonizada para todas as frequências), e uma vez terminado, realmente terminou. Você pode colocar o corpo de prova que quiser na mesa e o SDC o devolve a esse estado original.
P: Fale sobre as origens da técnica SDC; quem a desenvolveu, quando, como?
Thoen:O originador e detentor da patente da ideia básica é Al Clark, que trabalhou na MTS por décadas, tendo se aposentado há apenas alguns anos. Em 1990, a técnica foi experimentada em um projeto então inovador de mesa vibratória que deveria apresentar novos componentes eletrônicos, novos sistemas hidráulicos e novos algoritmos de controle. Infelizmente, a complexidade do projeto global (e o fato de estarmos usando controles analógicos supervisionados digitalmente) impediu o uso da nova técnica e ela simplesmente não foi a lugar algum naquele momento. Por um tempo, ela se enfraqueceu. Então, há cerca de oito anos, depois de conversar com Al, decidi que deveríamos tentar de novo. Olhei para o que ele havia feito e, depois de concluir que o conceito básico era muito sólido, comecei a trabalhar em alguns ajustes críticos. Estes ajustes aliados ao uso de processadores muito mais rápidos nos permitiram finalmente provar o conceito e reavivar a técnica.
P: Descreva o processo de comprovação da eficácia da SDC.
Thoen:Para provar a utilidade e eficácia da SDC, realizamos uma série de três testes de campo em equipamentos reais. O primeiro teste de campo foi em 2011 na Universidade de Nevada, Reno, em sua mesa vibratória biaxial. Nós executamos o SDC neste sistema em uniaxial e biaxial obtendo um sucesso razoável. O segundo teste de campo, em 2013, também foi realizado em Reno, utilizando sua mesa vibratória 6DOF. Este teste tinha o objetivo de explorar o que acontece quando o SDC é empregado em um sistema com graus de liberdade rotacionais; este teste, também, teve sucesso. O terceiro teste de campo foi realizado em janeiro de 2016 na SUNY Buffalo. Aqui, nós simplesmente queríamos experimentar o SDC em uma mesa vibratória diferente inteiramente para completar nossa exploração - quanto mais sistemas você experimentar, mais coisas você aprende. Por fim, não encontramos nada diferente, o SDC realizou o mesmo. Um dos benefícios da experiência de Buffalo foi o desenvolvimento de uma interface de usuário SDC simplificada, portanto agora temos uma interface de usuário especializada e uma interface de usuário simplificada para o cliente do dia-a-dia.
P: Quando e como os pesquisadores terão acesso às capacidades da SDC?
Thoen: O SDC é agora um recursos do pacote de software de controle de mesa vibratória padrão da MTS, 469D Seismic Table Control Software.
Também desenvolvi uma receita para integrar o SDC nos controladores sísmicos existentes, como parte de um pacote de atualização do sistema. Este pacote de atualização também incluirá opções para exames de integridade da eletrônica e da hidráulica do sistema, bem como a readequação do sistema. Naturalmente, o treinamento do SDC também é um componente da atualização; para obter resultados ótimos, os clientes precisarão fornecer um corpo de prova de teste para isso, algo como uma viga de cantilever com uma grande massa.
Brad Thoen: A ideia por trás de uma mesa vibratória é gerar uma reprodução de alta fidelidade do movimento de terra; algo que uma estrutura sofreria em uma situação de terremoto no mundo real. Ao testar estruturas nestas mesas, os pesquisadores adquirem a percepção que precisam para torná-las mais resistentes a terremotos.
Hoje em dia, para gerar as reproduções mais significativas de terremotos, os pesquisadores se esforçam para colocar um corpo de prova o mais próximo possível da escala real sobre a mesa. A razão disto é que sempre que você desce uma estrutura física, nem tudo é escalado linearmente - vários componentes da estrutura escalam de forma diferente. Portanto, é necessário muito julgamento de engenharia para extrapolar como os resultados obtidos a partir de corpos de prova em pequena escala se relacionam com estruturas em escala real.
Por exemplo, no terremoto de Kobe em 1995, muitos edifícios que foram qualificados como sendo resistentes a terremotos entraram em colapso. Investigações posteriores sugeriram que isto poderia ser porque os padrões na época se baseavam em dados derivados de testes que empregavam modelos de teste em menor escala. É por isso que foi construída a grande mesa E-Defense do NIED, porque os engenheiros estruturais japoneses queriam testar corpos de prova em escala real e evitar a necessidade de fazer julgamentos de escala.
P: Que desafios únicos este uso de corpos de prova físicos em larga escala representa para a operação da mesa vibratória?
Thoen: Sim, o uso de corpos de prova estruturais civis em larga escala em mesas vibratórias nos apresenta desafios significativos de controle.
Estes corpos de prova são muito maciços e levemente úmidos. Uma vez que começam a se mover, eles continuam a se mover, interagindo significativamente com a mesa e afetando a resposta dela. Essa é a raiz do problema de controle: você está comandando a mesa para ir numa direção e o corpo de prova está empurrando fortemente na outra direção com força quase igual.
Além disso, estes corpos de prova tendem a ter frequências naturais muito baixas e são muitas vezes muito altos. Quando você excita a base de tal corpo de prova, ele quer tombar (um momento de viragem), o que introduz o arremesso e a rolagem.
Portanto, você tem duas coisas em andamento: o corpo de prova está resistindo ao movimento linear que você quer e está introduzindo movimentos de inclinação e rotação que você não quer - este é o tipo de coisa que invalida os testes.
P: Há alguma ferramenta ou técnica disponível para superar estes grandes desafios dos corpos de prova?
Thoen:Sim, existe o método atual e convencional de "Iteração", bem como um método MTS recentemente desenvolvido chamado "Compensação Dinâmica do Corpo de Prova (SDC)".
O método de iteração já existe há algum tempo e é usado em todos os lugares. Ele emprega um algoritmo de aprendizado que permite executar um teste em um nível baixo (para evitar danos à amostra), medir a resposta para ver onde ela é inadequada e depois modificar o sinal de acionamento e executar o teste novamente, esperando obter uma melhor resposta na segunda vez. Isto é feito repetidamente até que a resposta medida esteja suficientemente próxima à forma de onda sísmica que os pesquisadores estão tentando reproduzir. É esta forma de onda final que é usada no teste sísmico real de amplitude total.
Há muitas receitas por aí de como fazer iterações; cada pesquisador parece ter sua própria ideia de quantas iterações devem ser feitas, a que níveis devem ser feitas... é uma arte. Isto é definitivamente tecnologia de laboratório que não se aprende na escola.
Existe, no entanto, uma falha fundamental no método de iteração. Em primeiro lugar, os corpos de prova estruturais civis são muitas vezes muito não lineares e muito frágeis. Por serem frágeis, é preciso excitá-los em baixas amplitudes ao iterar. Mas quando se faz o teste de amplitude real e completa, o corpo de prova começa a ceder, transitando para fora da região elástica em vigor durante as iterações e para a região não linear, plástica.
Assim, à medida que o corpo de prova se torna plástico e cede, toda a sua dinâmica muda permanentemente. O movimento computado através da iteração é apropriado para quando o corpo de prova é elástico, mas não inteiramente apropriado quando é plástico.
P: Descreva a Compensação da Dinâmica dos Corpos de Prova (SDC).
Thoen:O SDC é um compensador de feedback que remove efetivamente os efeitos ressonantes de amostras de teste não lineares de variação temporal da dinâmica de movimento de uma mesa vibratória em tempo real, proporcionando uma alternativa mais segura, de maior fidelidade e eficiente às técnicas convencionais de iteração.
Usando sensores de mesa existentes, a SDC determina em tempo real o quanto um corpo de prova está sendo empurrado para trás sobre uma mesa durante um teste de amplitude total. Em seguida, determina quanto fluxo adicional de servoválvulas é necessário para que os atuadores gerem precisamente a força adicional necessária para cancelar as forças compensatórias do corpo de prova dinâmico.
O fato de que os sinais de feedback utilizados pela SDC são derivados independentemente do corpo de prova é de tremenda vantagem. Como você não está modelando o corpo de prova, ele pode ser variável no tempo e não-linear. Não faz diferença para a SDC quais os processos físicos dão origem às forças que se empurram para trás na mesa; eles só precisam ser detectados e cancelados.
P: Contrastar a técnica convencional de iteração com a SDC.
Thoen: Para começar, a SDC fornece consistentemente uma fidelidade de teste mais alta do que as técnicas de iteração. Eu provei isto através de uma experiência utilizando dois corpos de prova civis típicos: uma viga de concreto armado, e um rolamento de borracha frontal. Ambos são muito não-lineares e típicos do que você pode ver em uma estrutura civil. Em primeiro lugar, eu fiz um regime típico de iteração sobre eles, usando a receita desenvolvida por Patrick Laplace na Universidade de Nevada, Reno. Então eu simplesmente apliquei o SDC; sem preparação, apenas o executei a 100%, que é o que esperaríamos que os clientes fizessem. Medi os erros de ambos os corpos de prova para dois terremotos e em seguida os classifiquei pelo erro mais baixo. Descobri que, em todos os casos, o SDC resultou no menor erro. A Iteração, em alguns casos, registrou erros respeitavelmente baixos (e erros ridiculamente altos em outros), mas ainda assim erros mais altos do que o SDC.
Em termos de eficiência de tempo e custo, o SDC é, inquestionavelmente, superior à iteração. O processo SDC é simples: basta montar o corpo de prova e apertar um botão. Em contraste, identificar a resposta de frequência do sistema e executar múltiplas iterações requer tempo e recursos consideráveis, e a natureza subjetiva do processo oferece ampla oportunidade de cometer erros. Realmente não há comparação no que diz respeito à economia de tempo.
Outro benefício fundamental do SDC é o ajuste simples e simplificado. Quando você ajusta uma mesa usando o SDC, você é basicamente capaz de montá-la como uma mesa vazia e não importa o corpo de prova que você coloque, você ainda obtém a mesma resposta de movimento. Sem a necessidade de um corpo de prova, você pode gastar todo o tempo que quiser para obter uma bela resposta de frequência (harmonizada para todas as frequências), e uma vez terminado, realmente terminou. Você pode colocar o corpo de prova que quiser na mesa e o SDC o devolve a esse estado original.
P: Fale sobre as origens da técnica SDC; quem a desenvolveu, quando, como?
Thoen:O originador e detentor da patente da ideia básica é Al Clark, que trabalhou na MTS por décadas, tendo se aposentado há apenas alguns anos. Em 1990, a técnica foi experimentada em um projeto então inovador de mesa vibratória que deveria apresentar novos componentes eletrônicos, novos sistemas hidráulicos e novos algoritmos de controle. Infelizmente, a complexidade do projeto global (e o fato de estarmos usando controles analógicos supervisionados digitalmente) impediu o uso da nova técnica e ela simplesmente não foi a lugar algum naquele momento. Por um tempo, ela se enfraqueceu. Então, há cerca de oito anos, depois de conversar com Al, decidi que deveríamos tentar de novo. Olhei para o que ele havia feito e, depois de concluir que o conceito básico era muito sólido, comecei a trabalhar em alguns ajustes críticos. Estes ajustes aliados ao uso de processadores muito mais rápidos nos permitiram finalmente provar o conceito e reavivar a técnica.
P: Descreva o processo de comprovação da eficácia da SDC.
Thoen:Para provar a utilidade e eficácia da SDC, realizamos uma série de três testes de campo em equipamentos reais. O primeiro teste de campo foi em 2011 na Universidade de Nevada, Reno, em sua mesa vibratória biaxial. Nós executamos o SDC neste sistema em uniaxial e biaxial obtendo um sucesso razoável. O segundo teste de campo, em 2013, também foi realizado em Reno, utilizando sua mesa vibratória 6DOF. Este teste tinha o objetivo de explorar o que acontece quando o SDC é empregado em um sistema com graus de liberdade rotacionais; este teste, também, teve sucesso. O terceiro teste de campo foi realizado em janeiro de 2016 na SUNY Buffalo. Aqui, nós simplesmente queríamos experimentar o SDC em uma mesa vibratória diferente inteiramente para completar nossa exploração - quanto mais sistemas você experimentar, mais coisas você aprende. Por fim, não encontramos nada diferente, o SDC realizou o mesmo. Um dos benefícios da experiência de Buffalo foi o desenvolvimento de uma interface de usuário SDC simplificada, portanto agora temos uma interface de usuário especializada e uma interface de usuário simplificada para o cliente do dia-a-dia.
P: Quando e como os pesquisadores terão acesso às capacidades da SDC?
Thoen: O SDC é agora um recursos do pacote de software de controle de mesa vibratória padrão da MTS, 469D Seismic Table Control Software.
Também desenvolvi uma receita para integrar o SDC nos controladores sísmicos existentes, como parte de um pacote de atualização do sistema. Este pacote de atualização também incluirá opções para exames de integridade da eletrônica e da hidráulica do sistema, bem como a readequação do sistema. Naturalmente, o treinamento do SDC também é um componente da atualização; para obter resultados ótimos, os clientes precisarão fornecer um corpo de prova de teste para isso, algo como uma viga de cantilever com uma grande massa.
