Validazione sperimentale e controllo qualità del sistema antisismico I-Pro 1 tramite Hardware-In-the-Loop

La difficoltà di testare sistemi antisismici innovativi solitamente risiede nella necessità di realizzare strutture in scala posizionate su tavole vibranti e successivamente analizzarne il danneggiamento progressivo con prove sismiche per poi demolirle, così facendo andando a gravare sui costi delle prove di laboratorio.

All’interno di questo articolo si vuole descrivere una metodologia di test innovativa che permetta di validare e verificare il funzionamento della tecnologia con un basso impatto ambientale e di tempo. Tale procedimento viene utilizzato da ISAAC su ogni sistema I-Pro 1 come controllo qualità, al fine di accertarne l’operatività.

Testare sperimentalmente tecnologie innovative, quali dispositivi antisismici e Active Mass Dampers (AMDs), nella loro completezza risulta essere difficile e dispendioso, infatti, solitamente vengono realizzate strutture in scala 1:2 o 1:3 in modo da mantenere la similitudine adimensionale delle resistenze, per poi analizzare il danneggiamento progressivo delle strutture con prove sismiche di intensità crescente.

Per ovviare al problema da anni sono stati sviluppati differenti metodi, come l’utilizzo di apposite presse per testare gli isolatori attraverso l’applicazione di carichi che simulano le condizioni di operatività per poi imporre spostamenti di vincolo e valutare il comportamento del sistema antisismico.

Similmente, esistono tecniche ibride che coniugano l’utilizzo di sistemi in scala reale con quelli modellati numericamente. I banchi prova Hardware-In-the-Loop (HIL) ne sono un esempio che possono risultare una valida alternativa ai tradizionali metodi di sperimentazione. Ciò è stato reso possibile dall’utilizzo di processori computazionali capaci di simulare in real-time modelli più o meno complessi degli edifici.

Che cosa è un Hardware-In-the-Loop?

L’Hardware-In-the-Loop è una tecnica utilizzata in molti ambienti accademici ed industriali che permette di testare componenti fisici in condizioni operative e di valutarne gli effetti sull’ambiente esterno tramite l’utilizzo di sensoristica. Generalmente i banchi prova HIL sono costituiti da due elementi: la tecnologia da testare in scala reale e un controllore real-time che simula la parte numerica.

Il setup di prova può cambiare in base alle caratteristiche del sistema da testare e dalla complessità dei test; nel qual caso sia presente un’interazione con il sistema simulato, solitamente si cerca di realizzare un elemento meccanico che vada a riprodurre fisicamente gli effetti.

Per l’elaborazione dei modelli numerici, tale approccio richiede l’utilizzo di PC con caratteristiche specifiche che gli permettono di acquisire, elaborare i segnali (i.e. forza, spostamento, accelerazione, …) e derivarne la risposta del sistema simulato, il tutto in tempo reale, ovvero restituendo a cadenza fissata nel tempo i dati numerici.

Da come si può intuire dal nome, questa metodologia consiste in un loop continuo, dove ad ogni iterazione avvengono i seguenti steps:

1. acquisizione (fisica o simulata) di dati che descrivano lo stato del sistema simulato;
2. tali dati vengono usati per azionare il sistema da testare;
3. acquisizione (fisica o simulata) di dati che descrivano lo stato del sistema in testing;
4. derivazione del nuovo stato del sistema simulato in base all’azione del sistema antisismico e/o di elementi di disturbo esterni.

Su questo schema si basano tutti i banchi prova HIL, apportando delle variazioni in base al contesto dell’applicazione.

In ambito antisismico, l’HIL può essere utilizzato per testare le diverse tecnologie e valutarne i benefici di un’applicazione sui diversi edifici. A tale scopo è possibile realizzare una tavola vibrante che simuli 1 o più gradi di libertà di un nodo del modello strutturale. Sopra di esso viene applicato il sistema antisismico e, attraverso la misurazione delle forze generate, si identifica gli effetti di interazione tra edificio e il sistema.

Banco prove Hardware-in-the-Loop ISAAC

Nel nostro contesto, il sistema antisismico da testare è I-Pro 1. Si tratta di un sistema di controllo attivo da installare sull’ultimo impalcato dell’edificio da migliorare sismicamente, al fine di “contrastare” l’azione sismica e ottenendo l’effetto utile di ridurre la domanda sismica agli elementi strutturali. Di conseguenza, il sistema stesso è soggetto agli spostamenti e alle accelerazioni del dell’edificio su cui è installato.

Per questo motivo è necessario valutare non solo l’effetto del sistema di controllo attivo della risposta sismica sul fabbricato, ma anche considerare l’influenza della struttura stessa sul sistema e quindi sui componenti meccanici ed idraulici di I-Pro 1.

Per questo motivo ISAAC ha progettato e realizzato la prima tavola vibrante a 1 grado di libertà capace di analizzare in tempo reale l’interazione tra struttura simulata e sistema antisismico in testing.

Figura 1 Schema di funzionamento del Banco prova Hardware-in-the-Loop ISAAC

La tavola vibrante consiste di due elementi: un telaio fisso, ancorato a terra su di un piano lavorato, e di un telaio mobile, grazie all’utilizzo di cuscinetti a sfera e di un attuatore idraulico. La movimentazione viene controllata tramite controllore Real Time dSpace in base al modello strutturale e le forze agenti su di esso.

La tavola ha la funzione di simulare fisicamente gli spostamenti e le accelerazioni dell’ultimo solaio dell’edificio simulato a seconda del modello strutturale implementato nel controllore real-time.

Figura 4 Banco prova Hardware-in-the-Loop ISAAC

Figura 5 Foto di una Macchina IP-D01 in fase di testing Vista.

I-Pro 1 viene fissato sopra il telaio mobile in modo da simulare il più fedelmente possibile le condizioni di utilizzo reale. Sullo stesso telaio è stato applicato un sensore accelerometrico MEMS, al fine di acquisire l’accelerazione della copertura, necessario per le logiche di azionamento del sistema di controllo.

Modello strutturale di riferimento

Per validare l’utilizzo del sistema di controllo qualità con banco prova Hardware-in-the-Loop si è optato per utilizzare il modello strutturale a elementi finiti degli edifici testati anche sperimentalmente presso i laboratori del Centro di Ricerca Sismica di Eucentre. I parametri caratteristici del modello sono stati estratti dai progetti esecutivi delle strutture e la validazione dei modelli è stata fatta tramite verifica dei parametri dinamici misurati anche in campo tramite indagini dinamiche e identificazione dei parametri modali.

Per descrivere il danneggiamento delle tamponature si è scelto di utilizzare le curve di Push-Over ricavate dall’analisi non lineare statica del fabbricato. Tramite queste è stato possibile determinare la rigidezza istantanea di ogni singolo piano, conoscendo lo spostamento relativo tra i diversi piani per poi ricavare il modello non lineare delle rigidezze equivalenti interpiano e poter quindi realizzare un modello a parametri concentrati non lineare.

Figura 8 Push-Over primo piano

Invece, per quanto riguarda lo smorzamento si è utilizzato il criterio di Rayleigh imponendo, sulla prima e terza frequenza naturale, uno smorzamento adimensionale del 2% ottenuto dalle prove di identificazione dinamica effettuate in campo sperimentalmente sulla struttura.

Risultati delle prove

Dopo aver calibrato il modello numerico sulla base delle indagini sperimentali ISAAC ha quindi effettuato i test di I-Pro 1 su tavola vibrante, utilizzando come sisma di riferimento quello dell’Irpinia del 1980 (6,9 di magnitudo e PGA pari a 0,32g).

Al fine di testare l’efficacia del sistema di controllo attivo della risposta sismica I-Pro 1 a diverse intensità di terremoto, i sismi utilizzati per le prove sono stati definiti moltiplicando la storia temporale del sisma di base per un coefficiente di scala tra il 10% e il 40% (limite imposto dall’attuatore idraulico che aziona la tavola vibrante).

Figura 5 Spostamento relativo alla base del piano 3: in blu l'edificio privo di I-Pro 1; in rosso l'edificio equipaggiato del sistema.

In Figura 5 è riportato a titolo di esempio il grafico di comparazione dello spostamento relativo alla base del terzo piano dell’edificio simulato, imponendo il sisma con PGA 0,128g. Durante questo test si è ottenuto una notevole riduzione di spostamenti, circa del 72% tra la simulazione della struttura priva del sistema di controllo (“NC” in Figura 5) e la struttura dotata del sistema di controllo (“C” in Figura 5), e conseguentemente una possibile riduzione dei danni sugli elementi strutturali e non strutturali.

Tramite il banco prova Hardware-In-the-Loop è stato possibile muovere il primo passo verso la validazione sperimentale del sistema di controllo attivo della risposta sismica I-Pro 1 e validare anche il sistema di controllo qualità ISAAC. Successivamente a queste prove, ISAAC ha avviato la campagna sperimentale #terremotoISAAC, dove si è testato sperimentalmente il sistema di controllo attivo I-Pro 1su due edifici in scala reale sottoposti ad eventi sismici di intensità crescente su tavola vibrante validando così definitivamente l’efficacia del sistema ed il miglioramento sismico apportato.

Per un approfondimento sulla campagna sperimentale si invita a leggere l’articolo e a scaricare il report.

Controllo Qualità

Il banco prova Hardware-in-the-Loop può essere utilizzato non solo per validare una tecnologia, ma anche per il controllo qualità di quest’ultima nel processo di produzione al fine di valutare ogni macchina prodotta in condizioni di normale operatività durante un evento sismico simulato. In questa ottica, ISAAC ha deciso di sottoporre il 100% dei propri sistemi di controllo attivo realizzati ai test su tavola vibrante, andando a caratterizzare il modello strutturale sull’edificio d’installazione e simulandone il comportamento su banco prova HIL, valutando così il miglioramento del comportamento strutturale e l’influenza dell’edificio sul sistema di controllo attivo I-Pro 1 stesso. Così facendo, si può validare e garantire il funzionamento di ogni I-Pro 1 nelle condizioni di operatività, il tutto mantenendo un basso impatto ambientale ed economico e garantendo la massima qualità raggiungibile sui sistemi prodotti e installati.

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