ENGINEERINGNET - Civiele ingenieurs gebruiken complexe analytische en numerieke modellen om het gedrag van bruggen, gebouwen en andere structuren tijdens aardbevingen te voorspellen en om aardbevingsbestendige bouwwerken te ontwerpen.
Vanwege de grote schaal van de structuren en de enorme krachten die nodig zijn om een seismische gebeurtenis te simuleren, vormen het testen en valideren van deze modellen een aanzienlijke uitdaging.
Om deze uitdaging aan te kunnen en de nauwkeurigheid van aardbevingssimulaties te verbeteren, heeft Lehigh University in Bethlehem, Pennsylvania (VS) binnen het technische onderzoekscentrum van de universiteit een centrum opgericht voor aardbevingssimulaties.
In een voormalige staalfabriek
Het centrum werd ondergebracht in een voormalige staalfabriek en bevat nu een reactiewand en hydraulische actuatoren die uit drie richtingen kracht kunnen uitoefenen op een structuur. Met een vloeroppervlak van 30 bij 12 meter en een reactiewand van maximaal 15 meter hoog is het centrum een van de grootste in zijn soort. Het is al gebruikt om delen van scheepsrompen, brugdekken, verstijvingswanden (tegen afschuiving) en gebouwen met vier verdiepingen te testen.
Ouderejaars universiteitsstudenten en onderzoekers gebruiken simulatiesoftware (redactie: van Mathworks) om modellen van grootschalige structuren en de actuatorregeling te ontwikkelen die seismische activiteit kunnen repliceren.
Software-engineers gebruiken vaak HIL-simulaties (hardware-in-the-loop) om hun ontwerpen te verifiëren. Ze kunnen bijvoorbeeld een geïntegreerd systeem testen door het te verbinden met een simulatie van de rest van het ontwerp die in realtime wordt uitgevoerd.
Analoge benadering
Marullo gebruikt een analoge benadering voor zijn experimenten: "In ons geval verbinden we een fysiek onderdeel (deel van een gebouw of brug) met een simulatie van de rest van het gebouw of de brug. In veel van onze experimenten is dit onderdeel een schokdemper die een gebouw tijdens een aardbeving helpt stabiliseren door seismische energie te absorberen en weg te leiden."
Eenvoudige schokdempers zijn met rubber gevulde stalen buizen die zijn verbonden met de vloer van een gebouw. Geavanceerdere schokdempers gebruiken een magnetorheologisch (MR-) fluïdum dat viskeuzer wordt als het wordt blootgesteld aan een magnetisch veld.
In een typisch experiment karakteriseert de onderzoeker eerst de schokdemper en de reactie die deze geeft op toegepaste belastingen. De schokdemper wordt door actuatoren geëxciteerd en sensoren meten de temperatuur, belasting, spanning of verplaatsing.
De karakteriseringsgegevens worden geanalyseerd en de uitkomsten van deze analyse worden gebruikt om een eenvoudig model van de schokdemper te construeren.
Vervolgens bouwt het team een model van de hele structuur in de simulatiesoftware. Dit model gebruikt een hybride eindige-elementenmethode waarin het skelet van een structuur wordt vertegenwoordigd door knooppunten en de elementen waarmee die knooppunten zijn verbonden. We voeren simulaties uit in de simulatiesoftware om de basiswerking van het model te testen.
Controlemodel
Marullo: "Bij het uitvoeren van de hybride simulatie in realtime vervangen we hier in het centrum het eenvoudige schokdempermodel door de echte schokdemper en laten we het zogeheten analytische substructuurmodel intact. Ons controlemodel genereert met behulp van historische aardbevingsgegevens verplaatsingsopdrachten en stuurt ze naar het analytische substructuurmodel en naar het hydraulische regelsysteem dat het onderdeel exciteert."
De resultaten van de reacties van het analytische structuurmodel en het onderdeel op de verplaatsingsopdrachten worden weer teruggevoerd naar het controlemodel, waar ze worden geïntegreerd met de aardbevingsgegevens om de volgende set verplaatsingsopdrachten te berekenen.
De resultaten worden gebruikt om de stabiliteit van structuren te verbeteren bij daaropvolgende experimenten, en uiteindelijk in de praktijk, door schokdempers te verplaatsen en door het beste type schokdemper te identificeren voor een bepaalde structuur.
(foto's: Mathworks)
ACHTERGROND
Thomas M. Marullo is Research Scientist & NEES IT Manager bij het ATLSS Engineering Research Center, Lehigh University.
