Dieser von Eng. Fabio Menardo zielt darauf ab, das Funktionieren zu vertiefen AMDesign, Plug-in der kommerziellen Software SAP2000 ®, entwickelt von ISAAC Antiseismik in Zusammenarbeit mit CSI Italien, um dem Tragwerksplaner dies zu ermöglichen Aktive Steuerungssysteme für den seismischen Schutz einfügen innerhalb der numerischen Berechnungsmodelle für Anwendungen im Bauwesen.
Was erlaubt AMDesign?
AMDesign ermöglicht es Ihnen, echte aktive Trägheitsdämpfer (auf Englisch Active Mass Damper) zu entwerfen, um das dynamische Verhalten von Strukturen zu untersuchen, die seismischer Einwirkung ausgesetzt sind.
Darüber hinaus ermöglicht die Software die Untersuchung der mechanischen Eigenschaften des Systems, um seine korrekte Funktion zu überprüfen, als ob es auf einer realen Struktur installiert wäre. Auf diese Weise lässt sich nicht nur die Verbesserung des Gebäudes durch das aktive System bewerten, sondern auch die Leistung der AMDs verfolgen, um die Regelparameter zu optimieren.
AMDesign garantiert eine hervorragende Zuverlässigkeit in Bezug auf dynamische Simulationen im Gleichschritt, ob linear oder nichtlinear, und ermöglicht eine gute Flexibilität bei der Definition der beteiligten Parameter bei gleichzeitiger Bereitstellung einer einfachen und intuitiven Berechnungsumgebung.
Innerhalb dieser ist es notwendig, ein numerisches Modell der Struktur zu erstellen, um anschließend über das Plug-in die aktive Regelung auslegen zu können AMDesign.
In dem eingegebenen Strukturmodell ist es wichtig, dass die wichtigsten Eigenschaften der Struktur definiert werden, um den Entwurf der AMDs innerhalb einer Simulation durchzuführen, die das reale dynamische Verhalten des betreffenden Gebäudes widerspiegelt. Daher muss eine .sdb-Datei erstellt werden, die die Geometrie der Struktur, die verwendeten Materialien, die Querschnitte der Stäbe, die entsprechenden Beschränkungen, die wirkenden Lasten, die beteiligten Massen und andere Aspekte enthält, von denen einige sein werden weiter unten im Artikel untersucht.
Nachdem die Vorlage erstellt wurde, können Sie die Anwendung AMDesign starten und die .sdb-Datei laden.
In dieser Phase startet die Anwendung automatisch eine Instanz von SAP2000 ® , die es dem Benutzer ermöglicht, mit der Strukturberechnungssoftware zu interagieren, während er AMDesign verwendet, um eine vollständige Interoperabilität zwischen den beiden Programmen zu ermöglichen.
Die im Plug-in vorhandenen Panels, die im Rest des Artikels näher untersucht werden, sind im Folgenden aufgelistet und kurz beschrieben:
- Modalanalyse eine Eigenwertanalyse durchführen zu können;
- aktives Steuerungsdesign in der Lage zu sein, das aktive Steuersystem zu entwerfen;
- Architektur zeigen um das neu entworfene System innerhalb des Modells anzuzeigen;
- Einrichtung der Zeitverlaufsanalyse um die Eigenschaften der durchzuführenden Analysen einzustellen;
- Analyse ausführen um die eingerichteten Analysen durchführen zu können;
- Ergebnisstruktur um die auf der Strukturseite erhaltenen Ergebnisse anzuzeigen;
- Ergebniskontrolle um die Ergebnisse anzuzeigen, die auf der Seite des Steuerungssystems erhalten wurden;
- Modell speichern und Daten exportieren um die erstellten Lastfälle speichern zu können und die Analyse direkt aus der SAP2000-Software heraus durchführen zu können.
Wie entwirft man ein aktives Steuerungssystem mit AMDesign?
Eigenwertanalyse
Mit der Anwendung AMDesign können Sie als ersten Vorgang und nach Auswahl einer zuvor in SAP2000 ® definierten Massenquelle eine Eigenwertanalyse durchführen, um das lineare dynamische Verhalten der analysierten Struktur zu untersuchen.
Dieser Aspekt ist wichtig, weil er es erlaubt, in erster Linie die dynamischen Eigenschaften der Konstruktion zu definieren und jede zu schützende Zerbrechlichkeit während der Entwurfsphase des Systems hervorzuheben.
Die Software liefert die Ergebnisse sowohl in tabellarischer Form, in der die Perioden und Frequenzen der ersten Schwingungsmoden der Struktur angezeigt werden, als auch in grafischer Form über ein Panel, das die Möglichkeit bietet, die modalen Formen anzuzeigen.
Sie können die Diagramme skalieren, indem Sie eines einfügen Skalierungsfaktor.
Design eines aktiven Steuerungssystems
Dieses Panel stellt das Herzstück der Anwendung dar, da es ermöglicht, das aktive Kontrollsystem für den seismischen Schutz der analysierten Struktur zu entwerfen.
In dieser Registerkarte ist es zunächst möglich, den Typ des aktiven Massendämpfers zu definieren, der in den numerischen Simulationen verwendet werden soll. Das Programm ermöglicht Ihnen, zwischen zwei voreingestellten Lösungen zu wählen, die sich auf die Systeme beziehen, die Isaac Antisismica auf dem Markt anbietet. Durch Befehl Erweiterte Optionen Es ist möglich, die Eigenschaften des ausgewählten Systems zu untersuchen, zu denen auch die Plattendaten des Systems selbst gehören. Diese Informationen sind im Folgenden kurz aufgelistet:
- Nenndaten des Systems;
- Spitzendaten des Systems;
- Daten über das zu installierende Messsystem, wie das Rauschen der Sensoren (Parameter dem Datenblatt des Herstellers entnehmbar) und die Verwendung von Filtern;
- Übertragungsfunktion, um die tatsächliche Dynamik des Systems definieren zu können;
- andere Parameter, die sich auf die Steuerung beziehen, wie zum Beispiel der Parameter, der sich auf die Aktivierungsschwelle bezieht, die das Beschleunigungsgrenzniveau des Bodens an der Basis der Struktur identifiziert, so dass die auf der Dachfläche installierten Maschinen in Betrieb gehen.
Diese Parameter sind teilweise editierbar. Tatsächlich ist die Änderung einiger Parameter, die für das gewählte System spezifisch sind, nicht erlaubt.
Um maximale Flexibilität bei der Einführung von Systemen zu gewährleisten, ermöglicht Ihnen AMDesign in jedem Fall, Active Mass Damper ad hoc zu definieren, indem Sie die Option aus dem Dropdown-Menü auswählen Zukünftige Version, sodass Sie die Eingabeparameter der Systeme frei ändern können, wenn Sie benutzerdefinierte Systeme einfügen möchten.
Ein Sky-Hook-Steuerungsalgorithmus ist in der Anwendung implementiert, um das Verhalten von AMDs zu simulieren. Die Steuerkraft jeder i-ten Maschine ist definiert als:
𝐹𝑐, 𝑖= -𝐺𝑆𝐻, 𝑖∙ ((𝑣𝑡, 𝑖−𝑣𝑏, 𝑖) = - 𝐺𝑆𝐻, 𝑖∙ 𝑣𝑟𝑒𝑙, 𝑖
Wo:
- 𝑣𝑡, 𝑖 ist die Geschwindigkeit des Messpunkts, der in Übereinstimmung mit der i-ten Maschine auf der Abdeckebene entlang der Richtung der Krafteinwirkung positioniert ist;
- 𝑣𝑏, 𝑖 ist die Geschwindigkeit des Erdgeschosses des Gebäudes an einem Punkt, der senkrecht zur i-ten Maschine ausgerichtet ist, immer in Richtung der Krafteinwirkung der Maschine selbst;
- 𝐺𝑆𝐻, 𝑖 ist die auf der i-ten Maschine eingestellte Verstärkung (auch Gain genannt). Der Gewinn 𝐺𝑆𝐻, 𝑖 definiert die Konstante der direkten Proportionalität zwischen der Relativgeschwindigkeit des Daches und der aufgebrachten Steuerkraft. Das negative Vorzeichen garantiert, dass die Maschine eine Kraft erzeugt, die der Wirkung des Erdbebens „entgegenwirkt“, und dass sie immer ein dissipatives Verhalten hat: Tatsächlich wirkt die Maschine idealerweise als viskoses Element, das zwischen der Basis und der Spitze des Gebäudes platziert ist; die Maßeinheit des Gewinns ist Ns / m.
Die vordefinierten Maschinen innerhalb des Programms unterliegen wie echte Maschinen hauptsächlich drei mechanischen Einschränkungen, die ihr Potenzial definieren: die vom Aktuator erzeugte maximale Kraft, die Geschwindigkeit und der maximale Hub der beweglichen Masse:
- die Kraft des Aktuators zum Bewegen der beweglichen Masse ist durch den maximalen Druck von 315 bar begrenzt, der vom Hydrauliksystem der Maschine erreicht werden kann; der maximale Druck wiederum wird durch das Servoventil begrenzt;
- Unter Berücksichtigung des Kolbenquerschnitts der Maschinen beträgt die maximale Kraft, die jede von ihnen erzeugen kann, 220 kN;
- die Geschwindigkeit, mit der die bewegliche Masse bewegt werden kann, wird durch den maximalen Öldurchsatz begrenzt, der durch das Servoventil fließen kann; die Höchstgeschwindigkeit beträgt 5 m / s;
- Der Hub des Aktuators ist auf ± 500 mm (+100 mm zum Bremsen) begrenzt.
Um diese technologischen Grenzen zu respektieren, ist es notwendig, Sättigungen in das numerische Modell einzuführen, damit diese Einschränkungen erfüllt werden:
- Sättigung an Stärke: | 𝐹𝑐𝑚б𝑥| = 220 𝑘𝑁;
- Geschwindigkeitssättigung: | 𝑣𝐴𝑀𝐷𝑚б𝑥| = 5 𝑚 / 𝑠;
- Sättigung beim Laufen: | 𝑠𝐴𝑀𝐷𝑚б𝑥| = 0.5 𝑚.
Bei den vordefinierten Systemen werden die Grenzen automatisch in AMDesign festgelegt und nur für einige Simulationsarten berücksichtigt, die später in diesem Abschnitt erläutert werden.
Die oben beschriebenen Sättigungen bestimmen die Leistung des Systems. Beachten Sie, dass das Verhalten der Maschinen von den dynamischen Eigenschaften der Struktur beeinflusst wird.
Wenn die Struktur bei niedrigen Frequenzen schwingt, schwingt die bewegte Masse des AMD tatsächlich auch bei niedrigen Frequenzen. Beim Schwingen bei niedrigen Frequenzen ist bei gleicher Kraft die Verschiebung der bewegten Masse des AMD viel größer als die Schwingung derselben bei einer starreren Konstruktion. Die Steuerkraft jeder Maschine kann als absoluter Wert ausgedrückt werden als:
𝐹𝑐= 𝑚𝐴𝑀𝐷∙ 𝑎𝐴𝑀𝐷
Kraft behoben 𝐹𝑐, und damit die Beschleunigung 𝑎𝐴𝑀𝐷, die Geschwindigkeit und Verschiebung der beweglichen Masse der AMD (in der vereinfachten Hypothese, dass die Maschine nur auf die erste Eigenfrequenz der Struktur anspricht) von ihrer Schwingungsfrequenz ω ab:
𝑣𝐴𝑀𝐷= 𝑎𝐴𝑀𝐷/ 𝜔
𝑠𝐴𝑀𝐷= 𝑎𝐴𝑀𝐷/ 𝜔2
Bei gleicher Stärke Fc (und damit der Beschleunigung 𝑎𝐴𝑀𝐷), wenn 𝜔 abnimmt, die Verschiebung der AMD 𝑠𝐴𝑀𝐷 steigt proportional auf 1 / 𝜔2, während die Geschwindigkeit des AMD 𝑣𝐴𝑀𝐷 steigt proportional auf 1 / 𝜔. Aus diesem Grund könnte das System, das auf eine besonders flexible Struktur einwirkt, bei der der Wert von 𝜔 niedrig ist, die Sättigung in Geschwindigkeit und / oder Verdrängung erreichen und seine Wirksamkeit bei der Reduzierung der Schwingungen der Konstruktion verlieren, wie dies bei der Maschine nicht der Fall wäre in der Lage sein, sein ganzes Potenzial in Bezug auf die auf das Dach abgegebene Steuerkraft auszudrücken, die mit verminderter Leistung wirkt.
Dieser Aspekt muss in der Phase der numerischen Simulation für die Auslegung des Systems und für die Bewertung der erzielten Ergebnisse berücksichtigt werden.
Innerhalb der Anwendung AMDesign können drei verschiedene Arten von Simulationen durchgeführt werden, die sich danach unterscheiden, mit welchem Detaillierungsgrad Sie das Verhalten des aktiven Systems simulieren möchten:
- ideales System;
- eingeschränktes oder eingeschränktes System;
- echtes System.
Das als Ideal simulierte System hat keine Begrenzung der oben gezeigten Sättigungen. Wenn Sie die Maschinen auf diese Weise simulieren, behandelt die Software die Maschine daher im Verlauf der Analysen als idealen viskosen Kühlkörper, der keinerlei Begrenzung hat.
Das eingeschränkte System hingegen stellt die Sättigungen in Kraft, Geschwindigkeit und Verschiebung dar, wie es in der Realität vorkommt. Aus diesem Grund wird die Simulation viel vollständiger sein als die ideale.
Die Simulationen mit dem realen System berücksichtigen zusätzlich zu den drei Sättigungen die Dynamik des Systems durch die Definition einer bestimmten Übertragungsfunktion. Für die voreingestellten Maschinen wurde die Standardübertragungsfunktion durch geeignete experimentelle Tests definiert.
Die Abbildung zeigt den AMDesign-Bildschirm in Bezug auf die Platine Aktives Steuerungsdesign.
Panel "Active Control Design".
Während des Analyseprozesses ist es wichtig, den Parameter in Bezug auf die Steuerverstärkung, die ein grundlegender Parameter im Designprozess des AMD für die betreffende Struktur ist, richtig zu kalibrieren. Je höher der Wert, desto höher die Kraft, die von den installierten AMDs benötigt wird. Bei Simulationen, die von den idealen abweichen, wird der Gain-Wert von den oben gezeigten Sättigungsgrenzen beeinflusst.
Mit Hilfe der SAP2000 ® -Instanz zur Identifizierung der Knotenbezeichnungen ist es notwendig, die Knoten des Modells auszuwählen, wo Sie die Steuerkraft jeder einzelnen Maschineneinheit herunterladen möchten, die auf der Abdeckungsebene platziert ist. Es ist auch notwendig, einen Sensoranwendungsknoten in der Nähe des Daches und einen Knoten für den am Fuß des Gebäudes bereitgestellten kollinearen Sensor zu identifizieren, damit das Programm in der Analysephase die relative Geschwindigkeit berechnen kann.
An dieser Stelle ist das aktive Kontrollsystem für den seismischen Schutz des Bauwerks fertiggestellt.
Systemarchitektur
In diesem Panel ist es über einen interaktiven Spiegel möglich, die Positionierung der AMDs anzuzeigen, die auf der vorherigen Registerkarte entworfen wurden.
Es ist möglich, eine .png-Datei zu exportieren, die die Positionierung der AMDs und Sensoren darstellt und eine planimetrische Ansicht des zum Gebäude gehörenden Dachplans zeigt.
Einstellung der Analyse im Zeitverlauf
In dieser Registerkarte kann ein Lastfall eingestellt werden, um lineare und / oder nichtlineare dynamische Zeitverlaufsanalysen durchzuführen. Der Eingabeansatz ähnelt dem in der SAP2000 ® -Software.
Die ersten Eingabedaten sind die Abtastzeit oder die Häufigkeit, mit der die Beschleunigungsdiagrammdaten abgetastet wurden. Um eine größere Flexibilität in der Analysephase zu ermöglichen und die Anforderungen der Technischen Vorschriften für das Bauwesen von 2018 unter §7.3.5 zu erfüllen, ermöglicht Ihnen AMDesign, zwei verschiedene Beschleunigungsverläufe für die beiden Richtungen zu definieren. Die Eingabedateien für die Akzelerogramme müssen, genau wie in der SAP-Umgebung, aufgebaut werden, indem eine einzelne Spalte gesetzt wird, in der nur die Beschleunigungsmessdaten vorhanden sind.
Dann ist es notwendig, die Konfiguration für die Durchführung der Analysen zu definieren, die Simulationsdauer und den Zeitschritt für das Lösen der Gleichungen einzustellen.
Falls erforderlich, kann auch eine Rayleigh-Strukturdämpfung definiert werden.
Bei nichtlinearen Analysen bietet das Programm die Möglichkeit, die Art der Lösung (direkte oder modale Integration), den möglichen Anfangslastfall (zur Berücksichtigung der statischen Gewichtslasten), den modalen Lastfall (nur für FNA ) und eventuelle geometrische Effekte zweiter Ordnung (nur für die Lösung, die die direkte Integration der Bewegungsgleichung vorsieht).
Sobald die Daten in diesem Panel eingegeben wurden, ist es möglich, mit der Analysephase fortzufahren.
Durchführung der Analysen
Dieses Blatt ermöglicht es Ihnen, ausgehend von den im Panel eingegebenen Daten zur Definition des dynamischen Lastfalls, die statischen Berechnungen für die bestückte Konstruktion des zuvor entworfenen aktiven Steuerungssystems durchzuführen.
Vor dem Ausführen der Simulationen ist es sinnvoll, die Korrektheit der Definition der Eingaben in den vorherigen Panels zu überprüfen. Dieser Vorgang ist einfach, da es ausreicht zu überprüfen, ob alle kreisförmigen Lichtsignale grün sind.
Die Analysen innerhalb von AMDesign werden durch einen komplexen Simulator durchgeführt, der die Interaktion zwischen der Software SAP2000 ® und Matlab ® ermöglicht. Die erste Software wird verwendet, um den zeitlichen Verlauf der Reaktion der Struktur sowohl auf die Bodenbewegung als auch auf die vom entworfenen seismischen Schutzsystem freigesetzte Kraft zu simulieren. Die zweite Software hingegen simuliert die Steuerlogik und das Verhalten der Maschinen bei der Bereitstellung der von der Steuerlogik selbst geforderten Kraft. Das Funktionsprinzip ist in Abbildung 2 dargestellt: Bei jedem Schritt wird der Zeitverlauf von der Finite-Elemente-Software verarbeitet; Die Ausgabe wird also vom Matlab ® -Code gelesen und der Steueralgorithmus berechnet, genau wie es in der Realität passieren würde, die Kräfte, die im nächsten Schritt von den Dachdeckermaschinen freigesetzt werden müssen, indem er die Bewegung der Struktur an den Stellen analysiert, an denen die Sensoren. Die berechneten Kräfte werden somit auf die Struktur ausgeübt und der Kreislauf wiederholt sich kontinuierlich. Es wird davon ausgegangen, dass die vom seismischen Schutzsystem gelieferten Kräfte für jede AMD an den in der Definitionsphase der Maschinen ausgewählten Punkten wirken.
Während des Analyseprozesses ermöglicht Ihnen die Anwendung, die hervorstechenden Informationen bezüglich der Struktur in Bezug auf die Verschiebung in der Abdeckung und der AMD in Bezug auf die Steuerkraft anzuzeigen. Diese Informationen ermöglichen es, den Beitrag des Systems zur Verbesserung der Struktur schnell zu bewerten und zu überprüfen, ob die Maschinen ordnungsgemäß funktionieren.
Die Graphen werden mit einem Frequenzwert aktualisiert, der vom Benutzer über den Befehl update plot festgelegt wurde.
