SFIDA DEL CLIENTE
Tongji, una delle università più antiche e prestigiose della Cina, è all'avanguardia in questo campo, e utilizza nuovi metodi di test per aiutare gli ingegneri a migliorare i propri progetti. Il College of Civil Engineering della Tongji University ospita sia il Dipartimento di Bridge Engineering sia lo State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering. Qui, il dott. Chengyu Yang è un professore chiave nella divisione di ricerca per la progettazione sismica dei ponti e conduce test che aiutano a ridurre gli effetti di terremoti devastanti su ponti, edifici, tunnel e molte altre strutture civili.
Tra le maggiori sfide del suo laboratorio c'è l'enorme massa e dimensione dei campioni di strutture civili. Spesso è poco pratico condurre prove su tavola a scuotimento con strutture civili complete in un ambiente di laboratorio, quindi i ricercatori devono condurre simulazioni sismiche su modelli fisici in scala molto più piccola, spesso 1:100 o anche 1:200 scala. Il problema con questo approccio è che più piccolo è il modello, meno utili saranno i risultati. I modelli più piccoli semplicemente non reagiscono agli stimoli sismici allo stesso modo dei modelli più grandi o di strutture in scala reale, rendendo difficile l'estrapolazione e l'applicazione dei dati di test sulle strutture vere e proprie.
Una soluzione innovativa a questo problema è condurre test su tavola a scuotimento combinati con attuatori strutturali di grandi dimensioni, strutture fisiche parziali e impiegare tecniche ibride di simulazione da applicare numericamente al resto della struttura e/o della massa . Sebbene il concetto non sia nuovo, è stato perseguito solo su scale troppo piccole per simulazioni sismiche significative su strutture civili molto grandi.
Nel 2014, il dott. Yang ha collaborato con i suoi colleghi dell'Università della California - Berkeley e MTS Systems Corporation per trasformare l'idea di accoppiare tavole a scuotimento con attuatori strutturali per la simulazione ibrida in tempo reale dal concetto all'applicazione pratica.
SOLUZIONE MTS
Dimostrare che il concetto poteva essere applicato praticamente su larga scala richiedeva una stretta collaborazione e un rischio condiviso tra le tre organizzazioni: La Tongji University ha fornito i finanziamenti necessari, le strutture di laboratorio e le apparecchiature per i test fisici; l' Università della California – Berkeley ha fornito una vasta esperienza di ricerca e modellazione; e MTS ha fornito competenza nei test meccanici, consulenza e conoscenza e tecnologia su controlli avanzati.
Per raggiungere il successo è stato fondamentale superare le numerose sfide di controllo associate all'integrazione e alla sincronizzazione di un attuatore strutturale dinamico con una tavola di scuotimento a tre gradi di libertà (3DOF)/sistema di simulazione ibrido in tempo reale. Secondo il dott. Shawn You, System Integration Engineer di MTS, queste sfide sono state risolte mediante l'impiego di tecniche innovative di ottimizzazione del sistema e calcoli di controllo necessari per compensare lo smorzamento negativo a cascata o amplificato, un compito molto complesso che ha richiesto gli sforzi e le risorse combinati dei ricercatori e degli ingegneri dell'Università della California – Berkeley e di MTS.
Per testare la loro soluzione, il team ha organizzato un test sismico di un componente portante di un ponte presso la struttura della Tongji University. La configurazione di prova comprendeva una sezione del ponte in scala 1:4 con una massa dell'impalcato notevolmente ridotta montata su un grande simulatore sismico 3DOF (tavola a scuotimento) e collegata a un attuatore strutturale dinamico montato su una parete resistente adiacente. Questo sistema fisico era guidato da un sistema di simulazione ibrido in tempo reale, con un potente controller MTS FlexTest®, un controller 469D e una struttura virtuale e modelli terreno/roccia, tutti collegati tra loro da una memoria riflettente su un framework di comunicazione OpenFresco. Durante la simulazione, un'attenta analisi dei risultati ha dimostrato che il sistema aveva effettivamente impiegato l'attuatore aggiuntivo per applicare correttamente la massa mancante dell'impalcato del ponte, ottenendo un'accurata simulazione sismica dell'intera struttura.
Il dott. Andreas Schellenberg, ingegnere di ricerca presso l'Università della California – Berkeley e preside di ASES-Advanced Structural Engineering Solutions, che ha fornito la modellazione virtuale e le competenze di OpenFresco, ha lodato il successo del progetto.
"Finora, un controllo così preciso e simultaneo di una tavola a scuotimento ibrida combinata a un'attivazione strutturale aggiuntiva era stato ottenuto solo su scala relativamente piccola. Questa, tuttavia, è la prima volta che viene realizzato su una scala così ampia. Questo sviluppo offre ai ricercatori un nuovo prezioso strumento per eseguire simulazioni sismiche ad alta fedeltà su strutture più grandi, ottenendo dati di gran lunga migliori e più realistici. Le potenziali applicazioni di questa tecnica di test sono molto entusiasmanti, di vasta portata e favoriranno la collaborazione di ricercatori in molti campi."
VANTAGGI PER IL CLIENTE
Soddisfatto dei risultati della collaborazione e della simulazione di successo, il dott. Yang ritiene che i nuovi metodi siano molto promettenti per il futuro della simulazione sismica sulle strutture civili. "Ora possiamo testare campioni su scala più ampia per acquisire dati di simulazione più realistici e non avremo più bisogno di costruire e testare modelli fisici completi di edifici: ora bastano pochi piani o sottostrutture per simulare in modo accurato le prestazioni vibrazionali della parte più critica dell'intero edificio. L' implementazione di questo nuovo metodo ha il potenziale di ridurre notevolmente i costi dei test, di risparmiare molto tempo e di aumentare l'efficienza operativa del nostro laboratorio."
La promessa di integrare le tavole a scuotimento e gli attuatori strutturali nella simulazione ibrida in tempo reale va oltre l'applicazione della massa strutturale calcolata. Inoltre, è possibile utilizzare più attuatori per applicare gli input calcolati del vento e/o degli ingressi d'onda. Le simulazioni potrebbero anche essere distribuite su più tavole a scuotimento, consentendo ulteriori incrementi della scala del campione per ottenere una maggiore precisione della simulazione. Come afferma il dott. Yang: "Questo sviluppo potrebbe rappresentare una nuova era nella simulazione ibrida in ambito civile".
