P: ¿Qué tendencias ha observado en el uso de las mesas vibratorias para las pruebas sísmicas?
Brad Thoen: La idea detrás de una mesa vibratoria es generar una reproducción de alta fidelidad del movimiento del suelo; algo que experimentaría una estructura en una situación de terremoto en el mundo real. Al probar las estructuras en estas mesas, los investigadores obtienen la información que necesitan para hacerlas más resistentes a los terremotos.
Hoy en día, para generar las reproducciones de terremotos más significativas, los investigadores se esfuerzan por poner sobre la mesa lo más parecido a una probeta a escala real. La razón es que, cuando se reduce el tamaño de una estructura física, no todo se escala linealmente, sino que los distintos componentes de la estructura se escalan de forma diferente. Por lo tanto, se requiere mucho criterio de ingeniería para extrapolar la relación entre los resultados obtenidos de las muestras a pequeña escala y las estructuras a escala real.
Por ejemplo, en el terremoto de Kobe en 1995 se derrumbaron muchos edificios calificados como resistentes a los terremotos. Las investigaciones posteriores sugirieron que esto podría deberse a que los estándares en ese momento se basaban en datos derivados de pruebas que empleaban modelos de prueba a menor escala. Es por eso que se construyó la gran mesa NIED E-Defense, porque los ingenieros estructurales japoneses querían probar probetas a gran escala y evitar tener que hacer juicios de escala.
P: ¿Qué retos únicos plantea este uso de probetas físicas a gran escala para el funcionamiento de la mesa vibratoria?
Thoen:Sí, el uso de probetas estructurales civiles a gran escala en mesas vibratorias nos presenta importantes retos de control.
Estas probetas son muy macizas y están ligeramente humedecidas. Una vez que comienzan a moverse, continúan haciéndolo, interactuando y afectando significativamente la respuesta de la mesa. Esa es la raíz del problema de control: se está ordenando a la mesa que vaya en una dirección y la probeta está empujando con fuerza en la otra dirección casi con la misma fuerza.
Además, estas probetas tienden a tener frecuencias naturales muy bajas y, a menudo, son muy altas. Cuando se excita la base de una probeta de este tipo, ésta quiere volcarse (un momento de vuelco), lo que introduce el balanceo y el cabeceo.
Así que tienes dos cosas en marcha: la probeta está resistiendo el movimiento lineal que se desea y está introduciendo movimientos de cabeceo y balanceo que no se desean, este es el tipo de cosas que invalidan las pruebas.
P: ¿Existen herramientas o técnicas para superar estos retos de las probetas grandes?
Thoen: Sí, existe el método actual y convencional de “Iteración”, así como un método de MTS recientemente desarrollado llamado “Compensación de la dinámica de la probeta” (SDC).
El método de iteración existe desde hace tiempo y se utiliza en todas partes. Utiliza un algoritmo de aprendizaje que permite realizar una prueba a un nivel bajo (para evitar daños en la probeta), medir la respuesta para ver dónde es inadecuada y, después, modificar la señal de accionamiento y reproducir de nuevo la prueba, con la esperanza de obtener una mejor respuesta la segunda vez. Esto se hace una y otra vez hasta que la respuesta medida se acerca lo suficiente a la forma de onda sísmica que los investigadores intentan reproducir. Es esta forma de onda final la que se utiliza en la prueba sísmica real de amplitud completa.
Existen muchas recetas sobre cómo realizar iteraciones; cada investigador parece tener su propia idea de cuántas iteraciones se deben realizar, a qué niveles se deben aumentar... es un arte. Se trata de una tecnología de laboratorio que no se aprende en la escuela.
Sin embargo, existe una falla fundamental en el método de iteración. En primer lugar, las probetas de estructuras civiles suelen ser muy no lineales y muy frágiles. Debido a que son frágiles, se les debe excitar a amplitudes bajas al iterar. Pero cuando se ejecuta la prueba real, de amplitud completa, la probeta comienza a ceder, pasando de la región elástica existente durante las iteraciones a la región plástica no lineal.
Entonces, a medida que la probeta se vuelve plástica y cede, toda su dinámica cambia permanentemente. El movimiento que se ha calculado a través de la iteración es apropiado cuando la probeta es elástica, pero no es del todo apropiado cuando es plástica.
P: ¿Puede describir la Compensación de la dinámica de las probetas (SDC)?
Thoen: La SDC es un compensador de retroalimentación que elimina eficazmente los efectos resonantes de las probetas no lineales que varían en el tiempo de la dinámica de movimiento de una mesa vibratoria en tiempo real, proporcionando una alternativa más segura, de mayor fidelidad y más eficiente que las técnicas de iteración convencionales.
Utilizando los sensores existentes en la mesa, la SDC determina en tiempo real cuánto empuja una probeta hacia atrás en la mesa durante una prueba de amplitud total. Luego determina cuánto flujo adicional de la servoválvula se requiere para que los actuadores generen precisamente la fuerza adicional necesaria para cancelar las fuerzas compensatorias de la probeta dinámica.
El hecho de que las señales de retroalimentación utilizadas por la SDC se deriven independientemente de la probeta es una gran ventaja. Como no se está modelando la probeta, puede ser variable en el tiempo y no lineal. Para la SDC es indiferente qué procesos físicos dan lugar a las fuerzas que empujan hacia atrás en la mesa; solo hay que detectarlos y anularlos.
P: Compare la técnica de iteración convencional con SDC.
Thoen: Para empezar, la SDC ofrece sistemáticamente mayor fidelidad en las pruebas que las técnicas de iteración. Lo he comprobado mediante un experimento con dos probetas típicas de una estructura civil: una viga de cemento armado y un cojinete de caucho de plomo. Ambas son muy poco lineales y típicas de lo que se puede ver en una estructura civil. En primer lugar, ejecuté un régimen de iteración típico en ellas, utilizando la receta desarrollada por Patrick Laplace en la Universidad de Nevada, Reno. Entonces simplemente apliqué SDC; sin preparación, solo la ejecuté en un 100 %, que es lo que esperaríamos que hicieran los clientes. Medí los errores de ambas probetas para dos terremotos y luego los clasifiqué por el error más bajo. Comprobé que, en todos los casos, la SDC daba lugar al menor error. La iteración, en algunos casos, registró errores respetablemente bajos (y errores ridículamente altos en otros), pero un error aún mayor que la SDC.
En términos de eficiencia de tiempo y costo, la SDC es superior a la iteración, sin duda. El proceso de SDC es simple: simplemente se monta la probeta y se presiona un botón. Por el contrario, identificar la respuesta de frecuencia del sistema y ejecutar múltiples iteraciones requiere un tiempo y recursos considerables, y la naturaleza subjetiva del proceso brinda una amplia oportunidad para cometer errores. Realmente no hay comparación en lo que respecta al ahorro de tiempo.
Otra de las principales ventajas de la SCD es la facilidad de ajuste. Cuando se ajusta una mesa utilizando la SDC, básicamente se puede configurar como una mesa desnuda y no importa qué probeta se coloque, se sigue obteniendo la misma respuesta de movimiento. Sin necesidad de una probeta, se puede dedicar todo el tiempo que se desee a conseguir una bonita respuesta en frecuencia (armonizada para todas las frecuencias), y una vez que se consigue, se termina. Puede poner la muestra que desee sobre la mesa y la SDC la devuelve a ese estado original.
P: Háblenos de los orígenes de la técnica de SDC: ¿quién la desarrolló, cuándo y cómo?
Thoen: El creador y titular de la patente de la idea básica es Al Clark, que trabajó en MTS durante décadas y se jubiló hace pocos años. En 1990, la técnica se probó en un diseño de mesa vibratoria, en aquel entonces innovador, que iba a contar con una nueva electrónica, un nuevo sistema hidráulico y nuevos algoritmos de control. Por desgracia, la complejidad del proyecto en su conjunto (y el hecho de que utilizáramos controles analógicos supervisados digitalmente) impidió el uso de la novedosa técnica y no llegó a ninguna parte en ese momento. Durante un tiempo, no tuvo continuidad. Luego, hace unos ocho años, después de hablar con Al, decidí que deberíamos intentarlo de nuevo. Observé lo que había hecho y, después de concluir que el concepto básico era muy sólido, me puse a trabajar en algunos ajustes críticos. Estos ajustes, junto con el uso de procesadores mucho más rápidos, finalmente nos permitieron probar el concepto y revivir la técnica.
P: ¿Podría describir el proceso que permitió demostrar la eficacia de la SDC?
Thoen: Para demostrar la utilidad y eficacia de la SDC, realizamos tres pruebas de campo en equipos reales. La primera prueba de campo fue en 2011 en la Universidad de Nevada, Reno en su mesa vibratoria biaxial. Ejecutamos la SDC en este sistema, en uniaxial y biaxial, con un éxito razonable. La segunda prueba de campo, en 2013, también se realizó en Reno, utilizando su mesa vibratoria 6DOF. Esta prueba tenía como objetivo estudiar lo que sucede cuando se utiliza SDC en un sistema con grados de libertad de rotación; esta prueba también tuvo éxito. La tercera prueba de campo se realizó en enero de 2016 en la Universidad Estatal de Nueva York en Búfalo Aquí, simplemente queríamos probar la SDC en una mesa dinámica totalmente diferente para completar nuestra exploración: cuantos más sistemas pruebes, más cosas aprenderás. Al final, no encontramos nada diferente, la SDC hizo lo mismo. Uno de los beneficios de la experiencia de Búfalo fue el desarrollo de una interfaz de usuario simplificada de la SDC, por lo que ahora tenemos una interfaz de usuario experta y una interfaz de usuario simplificada para el cliente cotidiano.
P: ¿Cuándo y cómo accederán los investigadores a las capacidades de la SDC?
Thoen: La SDC ahora es una característica del paquete de software de control de la mesa vibratoria estándar de MTS, 469D Seismic Table Control Software.
También he desarrollado una receta para integrar la SDC en controladores sísmicos existentes, como parte de un paquete de actualización del sistema. Este paquete de actualización también incluirá opciones para la verificación del estado de la electrónica y del sistema hidráulico, así como la puesta a punto del sistema. Por supuesto, la capacitación en SDC también es un componente de la actualización; para obtener resultados óptimos, los clientes tendrán que suministrar una probeta para ello, algo así como una viga en voladizo con una gran masa.
Brad Thoen: La idea detrás de una mesa vibratoria es generar una reproducción de alta fidelidad del movimiento del suelo; algo que experimentaría una estructura en una situación de terremoto en el mundo real. Al probar las estructuras en estas mesas, los investigadores obtienen la información que necesitan para hacerlas más resistentes a los terremotos.
Hoy en día, para generar las reproducciones de terremotos más significativas, los investigadores se esfuerzan por poner sobre la mesa lo más parecido a una probeta a escala real. La razón es que, cuando se reduce el tamaño de una estructura física, no todo se escala linealmente, sino que los distintos componentes de la estructura se escalan de forma diferente. Por lo tanto, se requiere mucho criterio de ingeniería para extrapolar la relación entre los resultados obtenidos de las muestras a pequeña escala y las estructuras a escala real.
Por ejemplo, en el terremoto de Kobe en 1995 se derrumbaron muchos edificios calificados como resistentes a los terremotos. Las investigaciones posteriores sugirieron que esto podría deberse a que los estándares en ese momento se basaban en datos derivados de pruebas que empleaban modelos de prueba a menor escala. Es por eso que se construyó la gran mesa NIED E-Defense, porque los ingenieros estructurales japoneses querían probar probetas a gran escala y evitar tener que hacer juicios de escala.
P: ¿Qué retos únicos plantea este uso de probetas físicas a gran escala para el funcionamiento de la mesa vibratoria?
Thoen:Sí, el uso de probetas estructurales civiles a gran escala en mesas vibratorias nos presenta importantes retos de control.
Estas probetas son muy macizas y están ligeramente humedecidas. Una vez que comienzan a moverse, continúan haciéndolo, interactuando y afectando significativamente la respuesta de la mesa. Esa es la raíz del problema de control: se está ordenando a la mesa que vaya en una dirección y la probeta está empujando con fuerza en la otra dirección casi con la misma fuerza.
Además, estas probetas tienden a tener frecuencias naturales muy bajas y, a menudo, son muy altas. Cuando se excita la base de una probeta de este tipo, ésta quiere volcarse (un momento de vuelco), lo que introduce el balanceo y el cabeceo.
Así que tienes dos cosas en marcha: la probeta está resistiendo el movimiento lineal que se desea y está introduciendo movimientos de cabeceo y balanceo que no se desean, este es el tipo de cosas que invalidan las pruebas.
P: ¿Existen herramientas o técnicas para superar estos retos de las probetas grandes?
Thoen: Sí, existe el método actual y convencional de “Iteración”, así como un método de MTS recientemente desarrollado llamado “Compensación de la dinámica de la probeta” (SDC).
El método de iteración existe desde hace tiempo y se utiliza en todas partes. Utiliza un algoritmo de aprendizaje que permite realizar una prueba a un nivel bajo (para evitar daños en la probeta), medir la respuesta para ver dónde es inadecuada y, después, modificar la señal de accionamiento y reproducir de nuevo la prueba, con la esperanza de obtener una mejor respuesta la segunda vez. Esto se hace una y otra vez hasta que la respuesta medida se acerca lo suficiente a la forma de onda sísmica que los investigadores intentan reproducir. Es esta forma de onda final la que se utiliza en la prueba sísmica real de amplitud completa.
Existen muchas recetas sobre cómo realizar iteraciones; cada investigador parece tener su propia idea de cuántas iteraciones se deben realizar, a qué niveles se deben aumentar... es un arte. Se trata de una tecnología de laboratorio que no se aprende en la escuela.
Sin embargo, existe una falla fundamental en el método de iteración. En primer lugar, las probetas de estructuras civiles suelen ser muy no lineales y muy frágiles. Debido a que son frágiles, se les debe excitar a amplitudes bajas al iterar. Pero cuando se ejecuta la prueba real, de amplitud completa, la probeta comienza a ceder, pasando de la región elástica existente durante las iteraciones a la región plástica no lineal.
Entonces, a medida que la probeta se vuelve plástica y cede, toda su dinámica cambia permanentemente. El movimiento que se ha calculado a través de la iteración es apropiado cuando la probeta es elástica, pero no es del todo apropiado cuando es plástica.
P: ¿Puede describir la Compensación de la dinámica de las probetas (SDC)?
Thoen: La SDC es un compensador de retroalimentación que elimina eficazmente los efectos resonantes de las probetas no lineales que varían en el tiempo de la dinámica de movimiento de una mesa vibratoria en tiempo real, proporcionando una alternativa más segura, de mayor fidelidad y más eficiente que las técnicas de iteración convencionales.
Utilizando los sensores existentes en la mesa, la SDC determina en tiempo real cuánto empuja una probeta hacia atrás en la mesa durante una prueba de amplitud total. Luego determina cuánto flujo adicional de la servoválvula se requiere para que los actuadores generen precisamente la fuerza adicional necesaria para cancelar las fuerzas compensatorias de la probeta dinámica.
El hecho de que las señales de retroalimentación utilizadas por la SDC se deriven independientemente de la probeta es una gran ventaja. Como no se está modelando la probeta, puede ser variable en el tiempo y no lineal. Para la SDC es indiferente qué procesos físicos dan lugar a las fuerzas que empujan hacia atrás en la mesa; solo hay que detectarlos y anularlos.
P: Compare la técnica de iteración convencional con SDC.
Thoen: Para empezar, la SDC ofrece sistemáticamente mayor fidelidad en las pruebas que las técnicas de iteración. Lo he comprobado mediante un experimento con dos probetas típicas de una estructura civil: una viga de cemento armado y un cojinete de caucho de plomo. Ambas son muy poco lineales y típicas de lo que se puede ver en una estructura civil. En primer lugar, ejecuté un régimen de iteración típico en ellas, utilizando la receta desarrollada por Patrick Laplace en la Universidad de Nevada, Reno. Entonces simplemente apliqué SDC; sin preparación, solo la ejecuté en un 100 %, que es lo que esperaríamos que hicieran los clientes. Medí los errores de ambas probetas para dos terremotos y luego los clasifiqué por el error más bajo. Comprobé que, en todos los casos, la SDC daba lugar al menor error. La iteración, en algunos casos, registró errores respetablemente bajos (y errores ridículamente altos en otros), pero un error aún mayor que la SDC.
En términos de eficiencia de tiempo y costo, la SDC es superior a la iteración, sin duda. El proceso de SDC es simple: simplemente se monta la probeta y se presiona un botón. Por el contrario, identificar la respuesta de frecuencia del sistema y ejecutar múltiples iteraciones requiere un tiempo y recursos considerables, y la naturaleza subjetiva del proceso brinda una amplia oportunidad para cometer errores. Realmente no hay comparación en lo que respecta al ahorro de tiempo.
Otra de las principales ventajas de la SCD es la facilidad de ajuste. Cuando se ajusta una mesa utilizando la SDC, básicamente se puede configurar como una mesa desnuda y no importa qué probeta se coloque, se sigue obteniendo la misma respuesta de movimiento. Sin necesidad de una probeta, se puede dedicar todo el tiempo que se desee a conseguir una bonita respuesta en frecuencia (armonizada para todas las frecuencias), y una vez que se consigue, se termina. Puede poner la muestra que desee sobre la mesa y la SDC la devuelve a ese estado original.
P: Háblenos de los orígenes de la técnica de SDC: ¿quién la desarrolló, cuándo y cómo?
Thoen: El creador y titular de la patente de la idea básica es Al Clark, que trabajó en MTS durante décadas y se jubiló hace pocos años. En 1990, la técnica se probó en un diseño de mesa vibratoria, en aquel entonces innovador, que iba a contar con una nueva electrónica, un nuevo sistema hidráulico y nuevos algoritmos de control. Por desgracia, la complejidad del proyecto en su conjunto (y el hecho de que utilizáramos controles analógicos supervisados digitalmente) impidió el uso de la novedosa técnica y no llegó a ninguna parte en ese momento. Durante un tiempo, no tuvo continuidad. Luego, hace unos ocho años, después de hablar con Al, decidí que deberíamos intentarlo de nuevo. Observé lo que había hecho y, después de concluir que el concepto básico era muy sólido, me puse a trabajar en algunos ajustes críticos. Estos ajustes, junto con el uso de procesadores mucho más rápidos, finalmente nos permitieron probar el concepto y revivir la técnica.
P: ¿Podría describir el proceso que permitió demostrar la eficacia de la SDC?
Thoen: Para demostrar la utilidad y eficacia de la SDC, realizamos tres pruebas de campo en equipos reales. La primera prueba de campo fue en 2011 en la Universidad de Nevada, Reno en su mesa vibratoria biaxial. Ejecutamos la SDC en este sistema, en uniaxial y biaxial, con un éxito razonable. La segunda prueba de campo, en 2013, también se realizó en Reno, utilizando su mesa vibratoria 6DOF. Esta prueba tenía como objetivo estudiar lo que sucede cuando se utiliza SDC en un sistema con grados de libertad de rotación; esta prueba también tuvo éxito. La tercera prueba de campo se realizó en enero de 2016 en la Universidad Estatal de Nueva York en Búfalo Aquí, simplemente queríamos probar la SDC en una mesa dinámica totalmente diferente para completar nuestra exploración: cuantos más sistemas pruebes, más cosas aprenderás. Al final, no encontramos nada diferente, la SDC hizo lo mismo. Uno de los beneficios de la experiencia de Búfalo fue el desarrollo de una interfaz de usuario simplificada de la SDC, por lo que ahora tenemos una interfaz de usuario experta y una interfaz de usuario simplificada para el cliente cotidiano.
P: ¿Cuándo y cómo accederán los investigadores a las capacidades de la SDC?
Thoen: La SDC ahora es una característica del paquete de software de control de la mesa vibratoria estándar de MTS, 469D Seismic Table Control Software.
También he desarrollado una receta para integrar la SDC en controladores sísmicos existentes, como parte de un paquete de actualización del sistema. Este paquete de actualización también incluirá opciones para la verificación del estado de la electrónica y del sistema hidráulico, así como la puesta a punto del sistema. Por supuesto, la capacitación en SDC también es un componente de la actualización; para obtener resultados óptimos, los clientes tendrán que suministrar una probeta para ello, algo así como una viga en voladizo con una gran masa.
