D: Quali tendenze ha notato nell'uso delle tavole a scuotimento per le prove sismiche?
Brad Thoen: L'idea alla base di una tavola a scuotimento è quella di generare una riproduzione ad alta fedeltà del movimento del suolo; cosa che una struttura subirebbe in una situazione di terremoto nel mondo reale. Testando le strutture su queste tavole, i ricercatori ottengono le informazioni necessarie per renderle più resistenti ai terremoti.
In questi giorni, per generare riproduzioni di terremoti significative, i ricercatori si sforzano di mettere sul tavolo un campione il più vicino possibile alla grandezza naturale. La ragione di ciò è che ogni volta che si ridimensiona una struttura fisica, non tutto si ridimensiona in modo lineare: i vari componenti della struttura si ridimensionano in modo diverso. Pertanto, è necessario molto giudizio ingegneristico per estrapolare come rapportare i risultati ottenuti da campioni su piccola scala a strutture di grandi dimensioni.
Ad esempio, nel terremoto di Kobe nel 1995 crollarono molti edifici che erano stati qualificati come resistenti ai terremoti. Indagini successive hanno suggerito che ciò potrebbe essere dovuto al fatto che gli standard dell'epoca si basavano su dati derivati da test che utilizzavano campioni di test su scala ridotta. Ecco perché è stata costruita la grande tavola NIED E-Defense, perché gli ingegneri strutturali giapponesi volevano testare campioni in scala reale ed evitare di dover esprimere giudizi in scala.
D: Quali sfide uniche pone questo uso di campioni fisici di grandi dimensioni per il funzionamento della tavola a scuotimento?
Thoen: Sì, l'uso di campioni strutturali civili di grandi dimensioni su tavole vibranti ci pone di fronte a significative sfide di controllo.
Questi esemplari sono molto massicci e leggermente smorzati. Una volta che iniziano a muoversi, continuano a muoversi, interagendo in modo significativo e influenzando la risposta della tavola. Questa è la radice del problema di controllo: stai ordinando alla tavola di andare in una direzione e il campione sta spingendo forte nell'altra direzione con una forza quasi uguale.
Inoltre, questi esemplari tendono ad avere frequenze naturali molto basse e sono spesso molto alti. Quando si eccita la base di un campione simile, questo vuole ribaltarsi (momento ribaltante), il che introduce beccheggio e rollio.
Quindi hai due fenomeni in corso: il campione resiste al movimento lineare che si desidera e introduce movimenti di beccheggio e rollio che non si desiderano. Questo è il genere di cose che invalida i test.
D: Sono disponibili strumenti o tecniche per superare queste sfide con campioni di grandi dimensioni?
Thoen: Sì, esiste l'attuale metodo convenzionale di "iterazione", nonché un metodo MTS di nuova concezione chiamato "Compensazione dinamica del campione (SDC)."
Il metodo di iterazione è in circolazione da un po' ed è utilizzato ovunque. Impiega un algoritmo di apprendimento che consente di eseguire un test a un livello basso (per evitare danni al campione), di misurare la risposta per vedere dove è inadeguata e quindi di modificare il segnale di azionamento e ripetere il test, sperando di ottenere una risposta migliore. Questo viene ripetuto più volte, fino a quando la risposta misurata non è abbastanza vicina alla forma d'onda sismica che i ricercatori stanno cercando di riprodurre. È questa la forma d'onda finale che viene utilizzata nel test sismico reale a piena ampiezza.
Esistono molte ricette su come eseguire le iterazioni; ogni ricercatore sembra avere la propria idea su quante iterazioni dovrebbero essere eseguite, a quali livelli dovrebbero essere aumentate... è un'arte. Questa è sicuramente roba tecnologica di laboratorio che non impari a scuola.
C'è, tuttavia, un difetto fondamentale nel metodo di iterazione. Innanzitutto, i campioni strutturali civili sono spesso piuttosto non lineari e molto fragili. Poiché sono fragili, devi eccitarli a basse ampiezze durante l'iterazione. Ma quando si esegue il test a piena ampiezza reale, il campione inizia a cedere, passando dalla regione elastica in vigore durante le iterazioni alla regione plastica non lineare.
Quindi, quando il campione diventa plastico e cede, tutte le sue dinamiche cambiano in modo permanente. Il movimento che è stato calcolato attraverso l'iterazione è appropriato per quando il campione è elastico, ma non del tutto appropriato quando è plastico.
D: Descriva la compensazione dinamica del campione?
Thoen: La SDC è un compensatore di feedback che rimuove in tempo reale ed efficacemente gli effetti di risonanza dei campioni non lineari variabili nel tempo dalle dinamiche di movimento di una tavola a scuotimento, fornendo un'alternativa più sicura, più fedele ed efficiente rispetto alle tecniche di iterazione convenzionali.
Utilizzando i sensori esistenti della tavola, la SDC determina in tempo reale quanto un campione sta reagendo su una tavola durante un test a piena ampiezza. Quindi determina la quantità di flusso aggiuntivo della servovalvola necessario, in modo che gli attuatori generino con precisione la forza aggiuntiva necessaria per annullare le forze di compensazione del campione dinamico.
Il fatto che i segnali di feedback utilizzati dalla SDC siano ricavati indipendentemente dal campione è di enorme vantaggio. Poiché non stai modellando il campione, può essere variato nel tempo e non lineare. Non fa differenza per la SDC quali processi fisici danno origine alle forze che reagiscono sulla tavola; hanno solo bisogno di essere percepiti e rimossi.
D: Contrasta la tecnica di iterazione convenzionale con la SDC.
Thoen: Per cominciare, la SDC offre una fedeltà di test costantemente superiore rispetto alle tecniche di iterazione. L'ho dimostrato attraverso un esperimento utilizzando due tipici campioni civili: una trave in cemento armato e un cuscinetto in gomma piombo. Entrambi sono molto non lineari e tipici di ciò che si potrebbe trovare in una struttura civile. Per prima cosa, ho eseguito su di essi un tipico regime di iterazione, utilizzando la ricetta sviluppata da Patrick Laplace dell'Università del Nevada, a Reno. Poi ho semplicemente applicato la SDC; nessuna preparazione, l'ho solo eseguita al 100%, che è ciò che ci aspetteremmo dai clienti. Ho misurato gli errori per entrambi i campioni per due terremoti, quindi li ho classificati in base all'errore più basso. Ho scoperto che, in tutti i casi, la SDC ha prodotto l'errore più basso. L'iterazione, in alcuni casi, registrava errori rispettabilmente bassi (ed errori ridicolmente alti in altri), ma comunque errori più elevati rispetto alla SDC.
In termini di efficienza di tempo e di costi, la SDC è indiscutibilmente superiore all'iterazione. Il processo della SDC è semplice: basta montare il campione e premere un pulsante. Al contrario, identificare la risposta in frequenza del sistema ed eseguire più iterazioni richiede tempo e risorse considerevoli e la natura soggettiva del processo offre ampie opportunità di commettere errori. Non c'è davvero confronto per quanto riguarda il risparmio di tempo.
Un altro vantaggio chiave della SDC è la messa a punto semplice e ottimizzata. Quando si regola una tavola usando la SDC, si è fondamentalmente in grado di configurarla come una tavola nuda e, indipendentemente dal campione che si colloca sopra la tavola, si ottiene comunque la stessa risposta al movimento. Senza bisogno di un campione, si può dedicare tutto il tempo che si vuole a ottenere una bella risposta in frequenza (armonizzata per tutte le frequenze) e una volta finito, il gioco è fatto. Si potrebbe mettere qualsiasi campione si voglia sulla tavola e la SDC lo riporterà allo stato originale.
D: Ci parli delle origini della tecnica SDC; chi l'ha sviluppata, quando, come?
Thoen: L'ideatore e titolare del brevetto dell'idea di base è Al Clark, che ha lavorato in MTS per decenni ed è andato in pensione solo pochi anni fa. Nel 1990, la tecnica è stata provata su un design allora innovativo di tavola a scuotimento che doveva presentare nuova elettronica, nuova idraulica e nuovi algoritmi di controllo. Sfortunatamente, la complessità del progetto in toto (e il fatto che stavamo usando controlli analogici supervisionati digitalmente) ha precluso l'uso di questa nuova tecnica, che in quel periodo non è stata approfondita. Per un po', è praticamente languita. Poi circa otto anni fa, dopo aver parlato con Al, ho deciso che avremmo dovuto fare un altro tentativo. Ho guardato quello che aveva fatto e dopo aver concluso che il concetto di base era molto valido, mi sono messo al lavoro su alcuni perfezionamenti critici. Questi perfezionamenti, uniti all'uso di processori molto più veloci, ci hanno finalmente permesso di provare il concetto e rilanciare la tecnica.
D: Descriva il processo per dimostrare l'efficacia della SDC.
Thoen: Per dimostrare l'utilità e l'efficacia della SDC, abbiamo condotto una serie di tre test sul campo su apparecchiature reali. Il primo test sul campo è stato nel 2011 presso l'Università del Nevada, a Reno, sulla loro tavola a scuotimento biassiale. Abbiamo eseguito la SDC su questo sistema in uniassiale e biassiale con un successo ragionevole. Anche il secondo test sul campo, nel 2013, è stato a Reno, e abbiamo utilizzato la loro tavola a scuotimento a 6DOF. Questo test aveva lo scopo di esplorare cosa succede quando la SDC viene impiegata su un sistema con gradi di libertà rotazionali; anche questa prova ha avuto successo. Il terzo test sul campo è stato condotto nel gennaio 2016 presso il SUNY Buffalo. Qui, volevamo semplicemente provare la SDC su una tavola a scuotimento diversa per completare la nostra esplorazione: più sono i sistemi su cui si testa, più sono le cose che si imparano. Alla fine, non abbiamo trovato nulla di diverso, la SDC si è comportata allo stesso modo. Uno dei vantaggi dell'esperienza a Buffalo è stato lo sviluppo di un'interfaccia utente SDC semplificata, quindi ora abbiamo un'interfaccia utente per esperti e un'interfaccia utente semplificata per il cliente quotidiano.
D: Quando e come i ricercatori avranno accesso alle capacità della SDC?
Thoen: La SDC è ora una caratteristica del pacchetto software standard di controllo della tavola a scuotimento di MTS, il software di controllo della tavola sismica 469D.
Ho anche sviluppato una ricetta per l'integrazione della SDC dei controller sismici esistenti, come parte di un pacchetto di aggiornamento del sistema. Questo pacchetto di aggiornamento includerà anche opzioni per i controlli sanitari dell'elettronica e dell'idraulica del sistema, nonché la risintonizzazione del sistema. Naturalmente, anche la formazione della SDC è una componente dell'aggiornamento; per risultati ottimali, i clienti dovranno fornire un campione di prova per questo, ad esempio una trave a sbalzo con una grande massa.
Brad Thoen: L'idea alla base di una tavola a scuotimento è quella di generare una riproduzione ad alta fedeltà del movimento del suolo; cosa che una struttura subirebbe in una situazione di terremoto nel mondo reale. Testando le strutture su queste tavole, i ricercatori ottengono le informazioni necessarie per renderle più resistenti ai terremoti.
In questi giorni, per generare riproduzioni di terremoti significative, i ricercatori si sforzano di mettere sul tavolo un campione il più vicino possibile alla grandezza naturale. La ragione di ciò è che ogni volta che si ridimensiona una struttura fisica, non tutto si ridimensiona in modo lineare: i vari componenti della struttura si ridimensionano in modo diverso. Pertanto, è necessario molto giudizio ingegneristico per estrapolare come rapportare i risultati ottenuti da campioni su piccola scala a strutture di grandi dimensioni.
Ad esempio, nel terremoto di Kobe nel 1995 crollarono molti edifici che erano stati qualificati come resistenti ai terremoti. Indagini successive hanno suggerito che ciò potrebbe essere dovuto al fatto che gli standard dell'epoca si basavano su dati derivati da test che utilizzavano campioni di test su scala ridotta. Ecco perché è stata costruita la grande tavola NIED E-Defense, perché gli ingegneri strutturali giapponesi volevano testare campioni in scala reale ed evitare di dover esprimere giudizi in scala.
D: Quali sfide uniche pone questo uso di campioni fisici di grandi dimensioni per il funzionamento della tavola a scuotimento?
Thoen: Sì, l'uso di campioni strutturali civili di grandi dimensioni su tavole vibranti ci pone di fronte a significative sfide di controllo.
Questi esemplari sono molto massicci e leggermente smorzati. Una volta che iniziano a muoversi, continuano a muoversi, interagendo in modo significativo e influenzando la risposta della tavola. Questa è la radice del problema di controllo: stai ordinando alla tavola di andare in una direzione e il campione sta spingendo forte nell'altra direzione con una forza quasi uguale.
Inoltre, questi esemplari tendono ad avere frequenze naturali molto basse e sono spesso molto alti. Quando si eccita la base di un campione simile, questo vuole ribaltarsi (momento ribaltante), il che introduce beccheggio e rollio.
Quindi hai due fenomeni in corso: il campione resiste al movimento lineare che si desidera e introduce movimenti di beccheggio e rollio che non si desiderano. Questo è il genere di cose che invalida i test.
D: Sono disponibili strumenti o tecniche per superare queste sfide con campioni di grandi dimensioni?
Thoen: Sì, esiste l'attuale metodo convenzionale di "iterazione", nonché un metodo MTS di nuova concezione chiamato "Compensazione dinamica del campione (SDC)."
Il metodo di iterazione è in circolazione da un po' ed è utilizzato ovunque. Impiega un algoritmo di apprendimento che consente di eseguire un test a un livello basso (per evitare danni al campione), di misurare la risposta per vedere dove è inadeguata e quindi di modificare il segnale di azionamento e ripetere il test, sperando di ottenere una risposta migliore. Questo viene ripetuto più volte, fino a quando la risposta misurata non è abbastanza vicina alla forma d'onda sismica che i ricercatori stanno cercando di riprodurre. È questa la forma d'onda finale che viene utilizzata nel test sismico reale a piena ampiezza.
Esistono molte ricette su come eseguire le iterazioni; ogni ricercatore sembra avere la propria idea su quante iterazioni dovrebbero essere eseguite, a quali livelli dovrebbero essere aumentate... è un'arte. Questa è sicuramente roba tecnologica di laboratorio che non impari a scuola.
C'è, tuttavia, un difetto fondamentale nel metodo di iterazione. Innanzitutto, i campioni strutturali civili sono spesso piuttosto non lineari e molto fragili. Poiché sono fragili, devi eccitarli a basse ampiezze durante l'iterazione. Ma quando si esegue il test a piena ampiezza reale, il campione inizia a cedere, passando dalla regione elastica in vigore durante le iterazioni alla regione plastica non lineare.
Quindi, quando il campione diventa plastico e cede, tutte le sue dinamiche cambiano in modo permanente. Il movimento che è stato calcolato attraverso l'iterazione è appropriato per quando il campione è elastico, ma non del tutto appropriato quando è plastico.
D: Descriva la compensazione dinamica del campione?
Thoen: La SDC è un compensatore di feedback che rimuove in tempo reale ed efficacemente gli effetti di risonanza dei campioni non lineari variabili nel tempo dalle dinamiche di movimento di una tavola a scuotimento, fornendo un'alternativa più sicura, più fedele ed efficiente rispetto alle tecniche di iterazione convenzionali.
Utilizzando i sensori esistenti della tavola, la SDC determina in tempo reale quanto un campione sta reagendo su una tavola durante un test a piena ampiezza. Quindi determina la quantità di flusso aggiuntivo della servovalvola necessario, in modo che gli attuatori generino con precisione la forza aggiuntiva necessaria per annullare le forze di compensazione del campione dinamico.
Il fatto che i segnali di feedback utilizzati dalla SDC siano ricavati indipendentemente dal campione è di enorme vantaggio. Poiché non stai modellando il campione, può essere variato nel tempo e non lineare. Non fa differenza per la SDC quali processi fisici danno origine alle forze che reagiscono sulla tavola; hanno solo bisogno di essere percepiti e rimossi.
D: Contrasta la tecnica di iterazione convenzionale con la SDC.
Thoen: Per cominciare, la SDC offre una fedeltà di test costantemente superiore rispetto alle tecniche di iterazione. L'ho dimostrato attraverso un esperimento utilizzando due tipici campioni civili: una trave in cemento armato e un cuscinetto in gomma piombo. Entrambi sono molto non lineari e tipici di ciò che si potrebbe trovare in una struttura civile. Per prima cosa, ho eseguito su di essi un tipico regime di iterazione, utilizzando la ricetta sviluppata da Patrick Laplace dell'Università del Nevada, a Reno. Poi ho semplicemente applicato la SDC; nessuna preparazione, l'ho solo eseguita al 100%, che è ciò che ci aspetteremmo dai clienti. Ho misurato gli errori per entrambi i campioni per due terremoti, quindi li ho classificati in base all'errore più basso. Ho scoperto che, in tutti i casi, la SDC ha prodotto l'errore più basso. L'iterazione, in alcuni casi, registrava errori rispettabilmente bassi (ed errori ridicolmente alti in altri), ma comunque errori più elevati rispetto alla SDC.
In termini di efficienza di tempo e di costi, la SDC è indiscutibilmente superiore all'iterazione. Il processo della SDC è semplice: basta montare il campione e premere un pulsante. Al contrario, identificare la risposta in frequenza del sistema ed eseguire più iterazioni richiede tempo e risorse considerevoli e la natura soggettiva del processo offre ampie opportunità di commettere errori. Non c'è davvero confronto per quanto riguarda il risparmio di tempo.
Un altro vantaggio chiave della SDC è la messa a punto semplice e ottimizzata. Quando si regola una tavola usando la SDC, si è fondamentalmente in grado di configurarla come una tavola nuda e, indipendentemente dal campione che si colloca sopra la tavola, si ottiene comunque la stessa risposta al movimento. Senza bisogno di un campione, si può dedicare tutto il tempo che si vuole a ottenere una bella risposta in frequenza (armonizzata per tutte le frequenze) e una volta finito, il gioco è fatto. Si potrebbe mettere qualsiasi campione si voglia sulla tavola e la SDC lo riporterà allo stato originale.
D: Ci parli delle origini della tecnica SDC; chi l'ha sviluppata, quando, come?
Thoen: L'ideatore e titolare del brevetto dell'idea di base è Al Clark, che ha lavorato in MTS per decenni ed è andato in pensione solo pochi anni fa. Nel 1990, la tecnica è stata provata su un design allora innovativo di tavola a scuotimento che doveva presentare nuova elettronica, nuova idraulica e nuovi algoritmi di controllo. Sfortunatamente, la complessità del progetto in toto (e il fatto che stavamo usando controlli analogici supervisionati digitalmente) ha precluso l'uso di questa nuova tecnica, che in quel periodo non è stata approfondita. Per un po', è praticamente languita. Poi circa otto anni fa, dopo aver parlato con Al, ho deciso che avremmo dovuto fare un altro tentativo. Ho guardato quello che aveva fatto e dopo aver concluso che il concetto di base era molto valido, mi sono messo al lavoro su alcuni perfezionamenti critici. Questi perfezionamenti, uniti all'uso di processori molto più veloci, ci hanno finalmente permesso di provare il concetto e rilanciare la tecnica.
D: Descriva il processo per dimostrare l'efficacia della SDC.
Thoen: Per dimostrare l'utilità e l'efficacia della SDC, abbiamo condotto una serie di tre test sul campo su apparecchiature reali. Il primo test sul campo è stato nel 2011 presso l'Università del Nevada, a Reno, sulla loro tavola a scuotimento biassiale. Abbiamo eseguito la SDC su questo sistema in uniassiale e biassiale con un successo ragionevole. Anche il secondo test sul campo, nel 2013, è stato a Reno, e abbiamo utilizzato la loro tavola a scuotimento a 6DOF. Questo test aveva lo scopo di esplorare cosa succede quando la SDC viene impiegata su un sistema con gradi di libertà rotazionali; anche questa prova ha avuto successo. Il terzo test sul campo è stato condotto nel gennaio 2016 presso il SUNY Buffalo. Qui, volevamo semplicemente provare la SDC su una tavola a scuotimento diversa per completare la nostra esplorazione: più sono i sistemi su cui si testa, più sono le cose che si imparano. Alla fine, non abbiamo trovato nulla di diverso, la SDC si è comportata allo stesso modo. Uno dei vantaggi dell'esperienza a Buffalo è stato lo sviluppo di un'interfaccia utente SDC semplificata, quindi ora abbiamo un'interfaccia utente per esperti e un'interfaccia utente semplificata per il cliente quotidiano.
D: Quando e come i ricercatori avranno accesso alle capacità della SDC?
Thoen: La SDC è ora una caratteristica del pacchetto software standard di controllo della tavola a scuotimento di MTS, il software di controllo della tavola sismica 469D.
Ho anche sviluppato una ricetta per l'integrazione della SDC dei controller sismici esistenti, come parte di un pacchetto di aggiornamento del sistema. Questo pacchetto di aggiornamento includerà anche opzioni per i controlli sanitari dell'elettronica e dell'idraulica del sistema, nonché la risintonizzazione del sistema. Naturalmente, anche la formazione della SDC è una componente dell'aggiornamento; per risultati ottimali, i clienti dovranno fornire un campione di prova per questo, ad esempio una trave a sbalzo con una grande massa.
