Настоящий технический отчет, составленный инж. Фабио Менардо стремится углубить функционирование АМДизайн, плагин коммерческого ПО SAP2000 ®, разработанный ISAAC Антисейсмический В сотрудничестве с CSI Италия, чтобы конструктор мог внедрить активные системы управления сейсмозащитой в рамках численных расчетных моделей для приложений в гражданском строительстве.
Что позволяет делать AMDdesign?
АМДизайн позволяет проектировать реальные активные инерционные демпферы (по-английски Active Mass Damper) для изучения динамического поведения конструкций, подверженных сейсмическому воздействию.
Кроме того, программное обеспечение позволяет исследовать механические характеристики системы, чтобы убедиться в ее правильном функционировании, как если бы она была установлена на реальной конструкции. Таким образом, можно не только оценить улучшения, внесенные активной системой в здание, но также можно отслеживать производительность AMD для оптимизации параметров управления.
AMDDesign гарантирует превосходную надежность с точки зрения пошагового динамического моделирования, будь то линейного или нелинейного, обеспечивая хорошую гибкость в определении задействованных параметров, обеспечивая при этом простую и интуитивно понятную среду расчета.
В рамках последнего необходимо создать численную модель конструкции, чтобы впоследствии иметь возможность проектировать активную систему управления через плагин АМДизайн.
Во входной структурной модели важно, чтобы наиболее важные характеристики конструкции были определены таким образом, чтобы выполнить проектирование AMD в рамках моделирования, отражающего реальное динамическое поведение рассматриваемого здания. Следовательно, необходимо создать файл .sdb, содержащий геометрию конструкции, используемые материалы, сечения элементов, соответствующие ограничения, действующие нагрузки, задействованные массы и другие аспекты, некоторые из которых будут рассмотрены далее в статье.
После создания шаблона вы можете запустить приложение AMDesign и загрузить файл .sdb.
На этом этапе приложение автоматически запустит экземпляр SAP2000®, который позволит пользователю взаимодействовать с программным обеспечением для расчета конструкций при использовании AMDDesign, чтобы обеспечить полное взаимодействие между двумя программами.
Панели, присутствующие в плагине, которые будут рассмотрены более подробно в оставшейся части статьи, перечислены и кратко описаны ниже:
- модальный анализ уметь проводить анализ собственных значений;
- конструкция активного управления уметь проектировать активную систему управления;
- показать архитектуру просматривать вновь спроектированную систему в модели;
- настройка анализа истории времени задать свойства анализов, которые необходимо выполнить;
- запустить анализ уметь проводить набор анализов;
- структура результатов просматривать полученные результаты на стороне структуры;
- контроль результатов просматривать полученные результаты на стороне системы управления;
- сохранить модель и экспортировать данные чтобы иметь возможность сохранять созданные загружения и выполнять анализ непосредственно из программного обеспечения SAP2000.
Как спроектировать активную систему управления с помощью AMDDesign?
Анализ собственных значений
Приложение AMDdesign позволяет выполнять в качестве первой операции и после выбора источника массы, ранее определенного в SAP2000®, анализ собственных значений для изучения линейного динамического поведения анализируемой конструкции.
Этот аспект важен, потому что он позволяет определить, в первую очередь, динамические характеристики конструкции, выделяя любую хрупкость, которую необходимо защитить на этапе проектирования системы.
Программа предоставляет результаты как в табличной форме, где показаны периоды и частоты первых форм колебаний конструкции, так и в графическом виде через панель, дающую возможность просмотра модальных форм.
Вы можете масштабировать диаграммы, вставив один Масштаб.
Проект активной системы управления
Эта панель представляет собой сердцевину приложения, так как позволяет спроектировать активную систему управления сейсмической защитой анализируемого сооружения.
На этой вкладке можно, прежде всего, определить тип активного демпфера массы, который будет использоваться в численном моделировании. Программа позволяет вам выбирать между двумя предустановленными решениями, относящимися к системам, которые Isaac Antisismica предлагает на рынке. Через команду Дополнительные параметры можно исследовать характеристики выбранной системы, включающие табличные данные самой системы. Эта информация кратко представлена ниже:
- номинальные данные системы;
- пиковые данные системы;
- данные, относящиеся к системе измерения, которая будет установлена, например, шум датчиков (параметр можно извлечь из паспорта производителя) и использование любых фильтров;
- передаточная функция, позволяющая определить реальную динамику системы;
- другие параметры, относящиеся к управлению, такие как, например, параметр, относящийся к порогу срабатывания, который определяет предельный уровень ускорения земли у основания конструкции, так что машины, установленные на поверхности крыши, начинают работать.
Эти параметры частично доступны для редактирования. На самом деле не разрешается изменять некоторые параметры, характерные для выбранной системы.
В любом случае, AMDDesign, чтобы обеспечить максимальную гибкость при внедрении систем, позволяет вам определить Active Mass Damper ad hoc, выбрав опцию в раскрывающемся меню. Будущий выпуск, что позволяет вам свободно изменять входные параметры систем, если вы хотите вставить настраиваемые системы.
В приложении реализован алгоритм управления Sky-Hook для имитации поведения AMD. Управляющая сила каждой i-й машины определяется как:
𝐹𝑐, 𝑖= −𝐺𝑆𝐻, 𝑖∙ ((𝑣𝑡, 𝑖−𝑣𝑏, 𝑖) = - 𝐺𝑆𝐻, 𝑖∙𝑣𝑟𝑒𝑙, 𝑖
Где:
- 𝑣𝑡, 𝑖 – скорость точки измерения, расположенной в соответствии с i-й машиной, на плоскости покрытия, вдоль направления приложения силы;
- 𝑣𝑏, 𝑖 – скорость первого этажа здания в точке, выровненной по вертикали с i-й машиной, всегда в направлении приложения силы самой машины;
- 𝐺𝑆𝐻, 𝑖 — усиление (также называемое усилением), установленное на i-й машине. Выигрыш 𝐺𝑆𝐻, 𝑖 определяет константу прямой пропорциональности между относительной скоростью крыши и приложенной управляющей силой. Отрицательный знак гарантирует, что машина создает силу, «противодействующую» действию землетрясения, и что она всегда имеет диссипативное поведение: фактически машина идеально действует как вязкий элемент, помещенный между основанием и верхом здания; единица измерения прибыли Нс / м.
Предопределенные машины в программе, как и настоящие машины, в основном подчиняются трем механическим ограничениям, которые определяют их потенциал: максимальное усилие, создаваемое приводом, скорость и максимальный ход подвижной массы:
- усилие привода для перемещения подвижной массы ограничено максимальным давлением 315 бар, которое может быть достигнуто гидросистемой машины; максимальное давление, в свою очередь, ограничивается сервоклапаном;
- с учетом поршневой части машин максимальное усилие, которое способна создать каждая из них, равно 220 кН;
- скорость, с которой возможно перемещение подвижной массы, ограничена максимальным расходом масла, который может пройти через сервоклапан; максимальная скорость 5 м/с;
- ход привода ограничен ± 500 мм (+100 мм на торможение).
Чтобы соблюдать эти технологические ограничения, необходимо ввести насыщения в числовую модель, чтобы эти ограничения выполнялись:
- насыщение по силе: | 𝐹𝑐𝑚б𝑥|= 220 𝑘𝑁;
- насыщение скорости: | 𝑣𝐴𝑀𝐷𝑚б𝑥|= 5 𝑚/𝑠;
- насыщенность в беге: | 𝑠𝐴𝑀𝐷𝑚б𝑥|= 0.5 𝑚.
Что касается предопределенных систем, пределы автоматически устанавливаются в AMDDesign и учитываются только для некоторых типов моделирования, которые будут объяснены далее в этом параграфе.
Описанные выше насыщенности определяют производительность системы. Обратите внимание, что на поведение машин влияют динамические свойства конструкции.
Фактически, если структура колеблется на низких частотах, движущаяся масса ВМД также будет колебаться на низких частотах. При колебаниях на низких частотах с той же силой смещение движущейся массы ВД намного больше, чем колебания того же на более жесткой конструкции. Управляющая сила каждой машины может быть выражена по модулю как:
𝐹𝑐= 𝑚𝐴𝑀𝐷∙га𝐴𝑀𝐷
Принудительно исправлено 𝐹𝑐, а значит и ускорение 𝑎𝐴𝑀𝐷, скорость и перемещение подвижной массы ВД (в упрощенном предположении, что машина реагирует только на первую собственную частоту конструкции) зависят от частоты его колебаний ω:
𝑣𝐴𝑀𝐷= 𝑎𝐴𝑀𝐷/ 𝜔
𝑠𝐴𝑀𝐷= 𝑎𝐴𝑀𝐷/ 𝜔2
С той же силой Fc (и, следовательно, ускорения 𝑎𝐴𝑀𝐷), если 𝜔 уменьшается, то смещение ВМД 𝑠𝐴𝑀𝐷 увеличивается пропорционально 1 / 𝜔2, а скорость AMD 𝑣𝐴𝑀𝐷 увеличивается пропорционально 1 / 𝜔. По этой причине система, действующая на особо гибкую конструкцию, где значение 𝜔 низкое, могла бы достичь насыщения по скорости и/или перемещению, потеряв свою эффективность в уменьшении колебаний конструкции, как это не сделала бы машина. иметь возможность выражать весь свой потенциал в терминах управляющей силы, сбрасываемой в крышу, действующей с ухудшенными характеристиками.
Этот аспект необходимо учитывать на этапе численного моделирования при проектировании системы и при оценке полученных результатов.
В приложении AMDdesign можно выполнять три разных типа моделирования, различающихся степенью детализации, с которой вы хотите смоделировать поведение активной системы:
- идеальная система;
- стесненная или стесненная система;
- реальная система.
Система, смоделированная как идеал, не имеет предела насыщенности, показанной выше. Поэтому, моделируя машины таким образом, программа в ходе анализа будет рассматривать машину как идеальный вязкий радиатор, не имеющий никаких ограничений.
Ограниченная система, с другой стороны, представляет насыщения по силе, скорости и перемещению, как это происходит в реальности. По этой причине моделирование будет намного более полным, чем идеальное.
Моделирование с реальной системой учитывает, помимо трех насыщений, динамику системы посредством определения конкретной передаточной функции. Для предустановленных машин передаточная функция по умолчанию была определена с помощью подходящих экспериментальных тестов.
На рисунке показан экран AMDdesign, относящийся к плате. Схема активного управления.
Панель «Дизайн активного управления»
В процессе анализа будет важно правильно откалибровать параметр, относящийся к коэффициенту усиления управления, который является фундаментальным параметром в процессе проектирования AMD для рассматриваемой структуры. Чем выше значение, тем выше усилие, требуемое от установленных AMD. В случае симуляций, отличных от идеальных, на значение усиления будут влиять пределы насыщения, показанные выше.
С помощью экземпляра SAP2000® для определения меток узлов необходимо выбрать узлы модели, в которые требуется загрузить управляющую силу каждого отдельного узла машины, размещенного на плоскости покрытия. Также необходимо определить узел приложения датчика рядом с крышей и узел для коллинеарного датчика, предусмотренного в основании здания, чтобы позволить программе рассчитать относительную скорость на этапе анализа.
На данный момент система активного управления сейсмозащитой сооружения завершена.
Архитектура системы
На этой панели через интерактивное зеркало можно просмотреть расположение AMD, спроектированное на предыдущей вкладке.
Можно экспортировать файл .png, изображающий расположение AMD и датчиков, показывающий планиметрический вид плана крыши, принадлежащего зданию.
Настройка анализа во временной истории
На этой вкладке можно установить загружение для проведения линейного и/или нелинейного динамического анализа временной зависимости. Подход к вводу аналогичен тому, что используется в программном обеспечении SAP2000®.
Первые входные данные — это время выборки или частота, с которой производились выборки данных акселерограммы. Чтобы обеспечить большую гибкость на этапе анализа и выполнить требования Технического регламента строительства 2018 года в §7.3.5, AMDesign позволяет определить две разные истории ускорения для двух направлений. Входные файлы для акселерограмм, как и в среде SAP, должны быть созданы путем установки одного столбца, в котором присутствуют только акселерометрические данные.
Затем необходимо определить конфигурацию для проведения анализа, установив время продолжительности моделирования и временной шаг для решения решающих уравнений.
При необходимости также можно определить структурное демпфирование Рэлея.
В случае нелинейного расчета программа позволяет выбрать тип решения (прямое или модальное интегрирование), возможный начальный вариант нагружения (для учета статических гравитационных нагрузок), модальный вариант нагружения (только для FNA ) и любые геометрические эффекты второго порядка (только для решения, обеспечивающего прямое интегрирование уравнения движения).
После ввода данных в эту панель можно перейти к этапу анализа.
Проведение анализов
Этот лист позволяет выполнять структурный анализ для оборудованной конструкции ранее спроектированной системы активного управления, начиная с данных, введенных в панель, относящихся к определению случая динамической нагрузки.
Перед запуском моделирования полезно проверить правильность определения входных данных на предыдущих панелях. Эта операция проста, потому что достаточно будет проверить, чтобы все круговые световые сигналы были зелеными.
Анализы в AMDdesign выполняются с помощью сложного симулятора, который обеспечивает взаимодействие между программным обеспечением SAP2000® и Matlab®. Первое программное обеспечение используется для моделирования временной истории реакции конструкции, подверженной как перемещению грунта, так и силе, высвобождаемой спроектированной системой сейсмической защиты. Второе программное обеспечение, с другой стороны, моделирует логику управления и поведение машин при обеспечении усилия, требуемого самой логикой управления. Принцип работы показан на рисунке 2: на каждом шаге временная история обрабатывается программным обеспечением конечных элементов; Таким образом, результат считывается кодом Matlab®, и точно так же, как это происходит в реальности, алгоритм управления рассчитывает силы, которые должны быть высвобождены кровельными машинами на следующем этапе, анализируя движение конструкции в точках, где датчики. Таким образом, расчетные силы воздействуют на конструкцию, и цикл непрерывно повторяется. Считается, что силы, создаваемые системой сейсмической защиты, действуют для каждого AMD в точках, выбранных на этапе определения машины.
В процессе анализа приложение позволяет просматривать существенную информацию о структуре с точки зрения смещения в охвате и присущую AMD с точки зрения силы управления. Эта информация позволяет быстро оценить вклад системы с точки зрения улучшения структуры и позволяет проверить правильность работы машин.
Графики обновляются со значением частоты, установленным пользователем с помощью команды update plot.
