RETO DEL CLIENTE
La Facultad de Ingeniería Civil de la Universidad de Tongji alberga el Departamento de Ingeniería de Puentes y al Laboratorio Estatal Clave para la Reducción de Desastres en Ingeniería Civil. La Facultad de Ingeniería Civil de la Universidad de Tongji alberga el Departamento de Ingeniería de Puentes y el Laboratorio Estatal Clave para la Reducción de Desastres en Ingeniería Civil. Aquí, el Dr. Chengyu Yang es un profesor clave en la división de investigación para el diseño sísmico de puentes, donde realiza pruebas que ayudan a reducir los efectos de los devastadores terremotos en puentes, edificios, túneles y muchas otras estructuras civiles.
Uno de los mayores retos de su laboratorio es la enorme masa y tamaño de las probetas de estructuras civiles. A menudo es poco práctico realizar pruebas con mesas vibratorias con estructuras civiles completas en un entorno de laboratorio, por lo que los investigadores deben realizar simulaciones sísmicas en modelos físicos a escala mucho más pequeña, a menudo a escala 1:100 o incluso 1:200. El problema de este enfoque es que cuanto más pequeño sea el modelo, menos significativos serán los resultados de las pruebas. Los modelos más pequeños simplemente no reaccionan a las entradas sísmicas dinámicas de la misma manera que los modelos más grandes o las estructuras a escala real, lo que hace difícil extrapolar y aplicar los datos de las pruebas al mundo real.
Una solución innovadora a este problema consiste en realizar pruebas con mesas vibratorias combinadas con actuadores estructurales de estructuras físicas parciales a gran escala y utilizar técnicas de simulación híbridas para simular numéricamente el resto de la estructura y/o la masa . Aunque el concepto no es nuevo, solo se ha aplicado a escalas demasiado pequeñas para realizar una simulación sísmica significativa en estructuras civiles de gran tamaño.
En 2014, el Dr. Yang se asoció con sus compañeros de la Universidad de California - Berkeley y MTS Systems Corporation para transformar la idea de acoplar mesas vibratorias con actuadores estructurales para la simulación híbrida en tiempo real desde el concepto hasta la aplicación práctica.
SOLUCIÓN DE MTS
Demostrar que el concepto podía aplicarse prácticamente a gran escala requería una estrecha colaboración y un riesgo compartido entre las tres organizaciones: La Universidad de Tongji proporcionó los fondos necesarios, las instalaciones de laboratorio y el equipo de prueba físico; la Universidad de California - Berkeley proporcionó una amplia experiencia en investigación y modelado; y MTS proporció experiencia en pruebas mecánicas, consultoría y conocimientos y tecnología de controles avanzados.
Paralograr el éxito fue fundamental superar los numerosos retos de control asociados a la integración y sincronización de un actuador estructural dinámico con un sistema de simulación híbrido de tres grados de libertad (3DOF). Según el Dr. Shawn You, ingeniero de integración de sistemas de MTS, estos retos se resolvieron utilizando técnicas innovadoras de ajuste del sistema, así como los cálculos de control necesarios para compensar la amortiguación negativa en cascada, o amplificada, una tarea muy compleja que requirió los esfuerzos y recursos combinados de los investigadores e ingenieros de la Universidad de California - Berkeley y de MTS.
Para probar su solución, el equipo organizó una prueba sísmica de un componente de apoyo del puente en las instalaciones de la Universidad de Tongji. La configuración de la prueba comprendía una sección de puente a escala 1:4 con una masa de tablero muy reducida montada sobre un gran simulador sísmico 3DOF (mesa vibratoria) y unida a un actuador estructural dinámico montado en un muro resistente adyacente. Este sistema físico fue impulsado por un sistema de simulación híbrido en tiempo real, que incluía un potente controlador MTS FlexTest®, un controlador 469D y modelos virtuales de estructura y suelo/roca, todos ellos vinculados entre sí por una memoria reflexiva a través de un marco de comunicaciones OpenFresco. A medida que se desarrollaba la simulación, un análisis detallado de los resultados demostró que el sistema había utilizado con eficacia el actuador adicional para aplicar correctamente la masa faltante del tablero del puente, lo que resultó en una simulación sísmica precisa de la estructura completa.
El Dr. Andreas Schellenberg, ingeniero de investigación de la Universidad de California - Berkeley y director de ASES-Advanced Structural Engineering Solutions, quien proporcionó modelado virtual y experiencia en OpenFresco, elogió el éxito del proyecto.
“Hasta ahora, lograr un control tan preciso y simultáneo de una mesa vibradora híbrida combinado con una actuación estructural adicional se había logrado solo a una escala relativamente pequeña. Sin embargo, esta es la primera vez que se realiza a una escala tan grande. Este desarrollo ofrece a los investigadores una herramienta nueva y valiosa para realizar simulaciones sísmicas de alta fidelidad en estructuras más grandes, lo que permite obtener datos mucho mejores y más realistas. Las aplicaciones potenciales de esta técnica de prueba son muy emocionantes, de gran alcance y fomentarán la colaboración de los investigadores en muchos campos”.
BENEFICIOS PARA EL CLIENTE
Satisfecho con los resultados de la colaboración y la simulación exitosa, el Dr. Yang siente que los nuevos métodos son muy prometedores para el futuro de la simulación sísmica de estructuras civiles. “Ahora podemos probar muestras a mayor escala para capturar datos de simulación más realistas y ya no necesitaremos construir y probar modelos físicos completos de edificios: ahora basta con unas pocas plantas o subestructuras para simular con precisión el comportamiento vibratorio de la parte más crítica de todo el edificio. La aplicación de este nuevo método tiene el potencial de reducir en gran medida los costos de las pruebas, ahorrar mucho tiempo y aumentar la eficiencia operativa de nuestro laboratorio”.
La promesa de integrar mesas vibratorias y actuadores estructurales en la simulación híbrida en tiempo real va más allá de la aplicación de la masa estructural calculada. Además, se podrían utilizar múltiples actuadores para aplicar los aportes calculados del viento y/o del oleaje. Las simulaciones también se pueden distribuir en varias mesas vibratorias, lo que permite aumentar aún más la escala de las probetas para lograr una mayor precisión de la simulación. Como afirma el Dr. Yang , “este desarrollo podría representar una nueva era en la simulación híbrida civil”.
