ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΚΑΙΝΟΤΟΜΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΛΕΓΧΟΥ ΥΒΡΙ ΙΚΩΝ ΟΚΙΜΩΝ ΥΣΚΑΜΠΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΥΠΟ ΣΕΙΣΜΙΚΗ ΙΕΓΕΡΣΗ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΚΑΙΝΟΤΟΜΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΛΕΓΧΟΥ ΥΒΡΙ ΙΚΩΝ ΟΚΙΜΩΝ ΥΣΚΑΜΠΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΥΠΟ ΣΕΙΣΜΙΚΗ ΙΕΓΕΡΣΗ Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ ΞΕΝΟΦΩΝΤΑ Π. ΠΑΛΙΟΥ Πολιτικού Μηχανικού ΠΑΤΡΑ 212

2 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα διατριβή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Κατασκευών του Τµήµατος Πολιτικών Μηχανικών της Πολυτεχνικής σχολής του Πανεπιστηµίου Πατρών υπό την επίβλεψη του Αναπληρωτή Καθηγητή κ. Ευστάθιου Μπούσια. Ευχαριστώ θερµά τον Καθηγητή µου Ευστάθιο Μπούσια για την επιστηµονική καθοδήγηση και την πολύτιµη έµπρακτη βοήθειά του σε όλη τη διάρκεια εκπόνησής της. Πολύτιµη ήταν και η συνεισφορά του Καθηγητή κ. Μ. Φαρδή, ιευθυντή του Εργαστηρίου Κατασκευών. Ιδιαίτερες ευχαριστίες οφείλω και στα υπόλοιπα µέλη της Επταµελούς Επιτροπής κκ. Θ. Καραβασίλη,. Καράµπαλη, Χ. Μουζάκη, Αικ. Παπανικολάου και Φ. Περδικάρη, για τον χρόνο που αφιέρωσαν για την παρούσα ιατριβή. Μέρος της πειραµατικής έρευνας χρηµατοδοτήθηκε από τα παρακάτω ερευνητικά προγράµµατα: Πανεπιστήµιο Πατρών, Επιτροπή Ερευνών, Κ. Καραθεοδωρη 26. Οργανισµός Αντισεισµικού Σχεδιασµού και Προστασίας SERIES: Seismic Engineering Research Infrastructures for European Synergies (FP7/27-213, n o ) ACES: Advanced Centre of Excellence in Structural and Earthquake Engineering (FP7/27-213, n o 24697). Τέλος, ευχαριστώ θερµά τον συνάδελφο και φίλο Ηλία Στρεπέλια για τη συµβολή στην ολοκλήρωση των πειραµάτων και για την συµπαράσταση σε όλη τη διάρκεια αυτών των χρόνων. i

3 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Κατά τις υβριδικές δοκιµές δύσκαµπτων κατασκευών, παρουσιάζονται σηµαντικά προβλήµατα όταν αυτές διεξάγονται µε έλεγχο της µετακίνησης των υδραυλικών εµβόλων. Καθ ότι στις υβριδικές δοκιµές η δύναµη αντίδρασης σε κάθε βήµα χρησιµοποιείται για την εύρεση της µετακίνησης του επόµενου, το οιοδήποτε λάθος µέτρησής της (εγγενές στις δύσκαµπτες κατασκευές), δρα σωρευτικά οδηγώντας σε αµφιβόλου αξιοπιστίας αποτελέσµατα. Επιπροσθέτως, σε πολλές περιπτώσεις δοκιµών δύσκαµπτων κατασκευών παρουσιάζονται φαινόµενα αλληλεπίδρασης µεταξύ των εµβόλων που δυσχεραίνουν τη διεξαγωγή τους. Λύση στο πρόβληµα των δοκιµών δύσκαµπτων κατασκευών µπορεί να δοθεί εφόσον η διεξαγωγή τους γίνεται σε έλεγχο δύναµης αντί της µετακίνησης. Αυτό όµως προϋποθέτει την προγενέστερη γνώση των δυνάµεων που θα επιβληθούν από τα έµβολα σε κάθε βήµα. Οι επικρατέστερες προσεγγίσεις για την εύρεση των δυνάµεων κάθε βήµατος βασίζονται είτε στον προσδιορισµό του εφαπτοµενικού µητρώου δυσκαµψίας, ή σε διαδοχικές προσεγγίσεις. Στην παρούσα µελέτη παρουσιάζεται µία καινοτόµος προσέγγιση η οποία αποφεύγει τον προσδιορισµό του εφαπτοµενικού µητρώου δυσκαµψίας. Χρησιµοποιούνται δύο ελεγκτές PID (αντί για έναν όπως γίνεται συνήθως) για τον έλεγχο κάθε εµβόλου. Ο πρώτος µετατρέπει την στοχευόµενη µετακίνηση σε στοχευόµενη δύναµη, ενώ ο δεύτερος είναι υπεύθυνος για τον έλεγχο του εµβόλου µε βάση τη δύναµη που προέρχεται από τον πρώτο. Επίσης, µε την υιοθέτηση αυτής της στρατηγικής (στρατηγική διπλού τύπου ελεγκτή) σε συνδυασµό µε τη συνεχή ψευδοδυναµική µέθοδο αποφεύγονται οι διαδοχικές προσεγγίσεις που µπορούν να οδηγήσουν σε παρασιτικούς κύκλους φόρτισης αποφόρτισης. Η εγκυρότητα της στρατηγικής ελέγχθηκε µε υβριδικές δοκιµές σε δύσκαµπτο δοκίµιο οπλισµένου σκυροδέµατος µεγάλης κλίµακας. Το δοκίµιο χρησιµοποιήθηκε και για την αξιολόγηση της στρατηγικής για την εφαρµογή της σε απλές κυκλικές δοκιµές. Τέλος, παρουσιάζεται το σύστηµα τηλεπαρακολούθησης του Εργαστηρίου Κατασκευών, το οποίο αναβαθµίζει το σύστηµα ελέγχου δοκιµών και συνδράµει αφενός στη διασφάλιση της ποιότητας των δοκιµών και αφετέρου στη διάχυση των παραγόµενων αποτελεσµάτων στην επιστηµονική κοινότητα. ii

4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΓΕΝΙΚΑ ΟΡΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΟΣ ΠΡΟΓΕΝΕΣΤΕΡΗ ΕΡΕΥΝΑ ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΠΑΡΟΥΣΑΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΙΑΡΘΡΩΣΗ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΥΠΟΒΑΘΡΟ ΚΑΙ ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΨΕΥ Ο ΥΝΑΜΙΚΗ ΜΕΘΟ ΟΣ ΟΚΙΜΩΝ Κλασική ψευδοδυναµική µέθοδος Συνεχής ψευδοδυναµική µέθοδος ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΕΝΟΣ ΕΛΕΓΚΤΗ PID ΣΥΣΤΗΜΑ ΥΒΡΙ ΙΚΩΝ ΟΚΙΜΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟΥ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΚΑΙΝΟΤΟΜΟΣ ΜΕΘΟ ΟΣ ΕΛΕΓΧΟΥ ΟΚΙΜΩΝ ΑΝΑΠΤΥΞΗ AD-HOC ΕΛΕΓΚΤΗ ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΗ ΙΠΛΟΥ ΕΛΕΓΚΤΗ Περιγραφή της στρατηγικής Εφαρµογή του διπλού ελεγκτή σε έλεγχο µετακίνησης/µετακίνησης Εφαρµογή του διπλού τύπου ελεγκτή για έλεγχο µετακίνησης/δύναµης Ψευδοδυναµικές δοκιµές οκιµή ενός βαθµού ελευθερίας οκιµή δύο βαθµών ελευθερίας οκιµή τεσσάρων βαθµών ελευθερίας 95 iii

5 3.2.5 Πρόταση γενίκευσης της στρατηγικής διπλού τύπου ελεγκτή ΙΚΤΥΑΚΗ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗ / ΕΛΕΓΧΟΣ ΟΚΙΜΩΝ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΥΣΤΗΜΑ ΤΗΛΕΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗΣ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΕΡΕΥΝΑΣ 11 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 113 iv

6 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σχήµα 2.1 Σχηµατικό διάγραµµα λειτουργίας της ψευδοδυναµικής µεθόδου 14 Σχήµα 2.2 ιάγραµµα ροής της µεθόδου έµµεσης αριθµητικής ολοκλήρωσης α-operator Splitting 15 Σχήµα 2.3 ιάγραµµα ροής της µεθόδου άµεσης αριθµητικής ολοκλήρωσης κεντρικής διαφοράς 16 Σχήµα 2.4 Αλληλουχία διαδικασιών µέσα σε ένα βήµα της κλασικής ψευδοδυναµικής µεθόδου 18 Σχήµα 2.5 Αλληλουχία διαδικασιών µέσα σε ένα βήµα της συνεχούς ψευδοδυναµικής µεθόδου 19 Σχήµα 2.6 οµικό διάγραµµα ενός ελεγκτή PID 21 Σχήµα 2.7 οµή συστήµατος ελέγχου εµβόλων Εργαστηρίου Κατασκευών 22 Σχήµα 2.8 ιάγραµµα ροής συστήµατος ελέγχου εµβόλων Εργαστηρίου Κατασκευών 24 Σχήµα 2.9 Αρχιτεκτονική του λογισµικού του κεντρικού ελεγκτή 26 Σχήµα 3.1 οµικό διάγραµµα της προτεινόµενης στρατηγικής 34 Σχήµα 3.2 οµικό διάγραµµα µε είσοδο µετακίνηση και έλεγχο µετακίνησης 36 Σχήµα 3.3 Χρονοϊστορία επιβληθεισών µετακινήσεων 37 Σχήµα 3.4 ιάγραµµα µετακινήσεων για τιµές P=.12 και I=15 στον ελεγκτή 1 (πάνω) και λεπτοµέρεια (κάτω) 38 Σχήµα 3.5 ιάγραµµα του λάθους ελέγχου στον ελεγκτή 1 (πάνω) και 2 (κάτω) µε τιµές P=.12 και I=15 στον ελεγκτή 1 39 Σχήµα 3.6 ιάγραµµα µετακινήσεων για τιµές P=.12 και I=3 στον ελεγκτή 1 (πάνω) και λεπτοµέρεια (κάτω) 4 Σχήµα 3.7 ιάγραµµα του λάθους ελέγχου στον ελεγκτή 1 (πάνω) και 2 (κάτω) µε τιµές P=.12 και I=3 στον ελεγκτή 1 41 Σχήµα 3.8 ιάγραµµα της ταχύτητας του εµβόλου και της ταχύτητας που προκύπτει µε βάση τη χρονοϊστορία των µετακινήσεων συναρτήσει του λάθους του ελεγκτή 1 για P=.12, I=15 (πάνω) και P=.12, I=3 (κάτω) 42 Σχήµα 3.9 Σύγκριση θεωρητικού και πραγµατικού λάθους για P=.12, I=15 (πάνω) v

7 και λεπτοµέρεια (κάτω) 44 Σχήµα 3.1 Σύγκριση θεωρητικού και πραγµατικού λάθους για P=.12, I=3 (πάνω) και λεπτοµέρεια (κάτω) 45 Σχήµα 3.11 Επιβληθείσα χρονοϊστορία µε τροφοδότηση του λάθους (πάνω) και λεπτοµέρεια (κάτω) 46 Σχήµα 3.12 Λάθος ελέγχου εφαρµόζοντας τροφοδότηση του λάθους 47 Σχήµα 3.13 Επιβληθείσα χρονοϊστορία µε τροφοδότηση του λάθους και µέσο όρο 64 υποβηµάτων για τον υπολογισµό της ταχύτητας (πάνω) και λεπτοµέρεια (κάτω) 49 Σχήµα 3.14 Λάθος ελέγχου µε τροφοδότηση του λάθους και µέσο όρο 64 υποβηµάτων για τον υπολογισµό της ταχύτητας 49 Σχήµα 3.15 οµικό διάγραµµα µε είσοδο δεδοµένη µετακίνηση και το έµβολο σε έλεγχο δύναµης 51 Σχήµα 3.16 Χρονοϊστορία επιβληθεισών µετακινήσεων 52 Σχήµα 3.17 Χρονοϊστορία µετακινήσεων για διάφορες τιµές των παραµέτρων P, I στον ελεγκτή 1 55 Σχήµα 3.18 Μεγέθυνση της χρονοϊστορίας µετακινήσεων στον πιο γρήγορο κύκλο 56 Σχήµα 3.19 ιάγραµµα λάθους ελέγχου στον ελεγκτή 1 για διάφορες τιµές των παραµέτρων P, I 57 Σχήµα 3.2 Χρονοϊστορία µετακινήσεων µε τιµές P=.3 και I=3 (πάνω) και λεπτοµέρεια (κάτω) 58 Σχήµα 3.21 ιάγραµµα λάθους ελέγχου στον ελεγκτή 1 (πάνω) και 2 (κάτω) µε τιµές P=.3 και I=3 στον ελεγκτή 1 59 Σχήµα 3.22 Σήµα εισόδου στον ελεγκτή 2 µε τιµές P=.3 και I=3 στον ελεγκτή 1 6 Σχήµα 3.23 Βρόχος δύναµης µετακίνησης µε τιµές P=.3 και I=3 στον ελεγκτή 1 6 Σχήµα 3.24 Χρονοϊστορία µετακινήσεων µε τιµές P=.6 και I=2 (πάνω) και λεπτοµέρεια (κάτω) 61 Σχήµα 3.25 ιάγραµµα λάθους ελέγχου στον ελεγκτή 1(πάνω) και 2 (κάτω) µε τιµές P=.6 και I=2 στον ελεγκτή 1 62 Σχήµα 3.26 Σήµα εισόδου στον ελεγκτή 2 µε τιµές P=.6 και I=2 στον ελεγκτή 1 63 Σχήµα 3.27 Βρόχος δύναµης µετακίνησης µε τιµές P=.6 και I=2 στον ελεγκτή 1 64 vi

8 Σχήµα 3.28 οµικό διάγραµµα για την περίπτωση των ψευδοδυναµικών δοκιµών 65 Σχήµα 3.29 Πρωτότυπη ενισχυµένη κατασκευή σε φυσική κλίµακα 67 Σχήµα 3.3 Φορέας υπό κλίµακα ¾ 67 Σχήµα 3.31 Αναλυτική και πειραµατική υποκατασκευή 68 Σχήµα 3.32 Τρισδιάστατη απεικόνιση της πειραµατικής διάταξης 69 Σχήµα 3.33 Το φάσµα του επιταχυνσιογραφήµατος που χρησιµοποιήθηκε 71 Σχήµα 3.34 Το επιταχυνσιογράφηµα υπό κλίµακα που χρησιµοποιήθηκε 72 Σχήµα 3.35 Ιστορία µετακινήσεων για µέγιστη εδαφική επιτάχυνση.1g 73 Σχήµα 3.36 Ιστορία ταχυτήτων για µέγιστη εδαφική επιτάχυνση.1g 73 Σχήµα 3.37 Ιστορία επιταχύνσεων για µέγιστη εδαφική επιτάχυνση.1g 74 Σχήµα 3.38 Βρόχοι δύναµης-µετακίνησης για µέγιστη εδαφική επιτάχυνση.1g 74 Σχήµα 3.39 Σύγκριση µεταξύ στοχευόµενης µετακίνησης και πραγµατοποιηθείσας (πάνω) και λεπτοµέρεια (κάτω) 75 Σχήµα 3.4 Σύγκριση µεταξύ στοχευόµενης δύναµης και πραγµατοποιηθείσας (πάνω) και λεπτοµέρεια (κάτω) 76 Σχήµα 3.41 Πειραµατικό λάθος στον ελεγκτή 1 (πάνω) και τον ελεγκτή 2 (κάτω) 77 Σχήµα 3.42 Σύγκριση µεταξύ της ενέργειας που απορροφάται από το δοκίµιο και αυτής που οφείλεται στο πειραµατικό λάθος 79 Σχήµα 3.43 Ιστορία µετακινήσεων για µέγιστη εδαφική επιτάχυνση.5g 8 Σχήµα 3.44 Ιστορία ταχυτήτων για µέγιστη εδαφική επιτάχυνση.5g 8 Σχήµα 3.45 Ιστορία επιταχύνσεων για µέγιστη εδαφική επιτάχυνση.5g 81 Σχήµα 3.46 Βρόχοι δύναµης-µετακίνησης για µέγιστη εδαφική επιτάχυνση.5g 81 Σχήµα 3.47 Σύγκριση µεταξύ στοχευόµενης µετακίνησης και πραγµατοποιηθείσας (πάνω) και λεπτοµέρεια (κάτω) 82 Σχήµα 3.48 Σύγκριση µεταξύ δύναµης µετακίνησης και πραγµατοποιηθείσας (πάνω) και λεπτοµέρεια (κάτω) 83 Σχήµα 3.49 Πειραµατικό λάθος στον ελεγκτή 1 (πάνω) και τον ελεγκτή 2 (κάτω) 84 Σχήµα 3.5 Σύγκριση µεταξύ της ενέργειας που απορροφάται από το δοκίµιο και αυτής που οφείλεται στο πειραµατικό λάθος 85 Σχήµα 3.51 Ιστορία µετακινήσεων των δύο βαθµών ελευθερίας 87 Σχήµα 3.52 Ιστορία ταχυτήτων των δύο βαθµών ελευθερίας 88 vii

9 Σχήµα 3.53 Ιστορία επιταχύνσεων των δύο βαθµών ελευθερίας 88 Σχήµα 3.54 Βρόχοι δύναµης µετακίνησης των δύο βαθµών ελευθερίας 89 Σχήµα 3.55 Σύγκριση µεταξύ της στοχευόµενης µετακίνησης και της πραγµατικής για τον 1 ο βαθµό ελευθερίας (πάνω) και λεπτοµέρεια (κάτω) 9 Σχήµα 3.56 Σύγκριση µεταξύ της στοχευόµενης µετακίνησης και της πραγµατικής για τον 2 ο βαθµό ελευθερίας (πάνω) και λεπτοµέρεια (κάτω) 91 Σχήµα 3.57 Σύγκριση µεταξύ της στοχευόµενης δύναµης και της πραγµατικής για τον 1 ο βαθµό ελευθερίας (πάνω) και το 2 ο βαθµό ελευθερίας (κάτω) 92 Σχήµα 3.58 Πειραµατικό λάθος στον ελεγκτή που ελέγχει τη µετακίνηση (πάνω) και τη δύναµη (κάτω) του 1 ου βαθµού ελευθερίας 93 Σχήµα 3.59 Πειραµατικό λάθος στον ελεγκτή που ελέγχει τη µετακίνηση (πάνω) και τη δύναµη (κάτω) του 2 ου βαθµού ελευθερίας 94 Σχήµα 3.6 Σύγκριση µεταξύ της απορροφούµενης ενέργειας και αυτής που οφείλεται στο πειραµατικό λάθος 95 Σχήµα 3.61 οµικό διάγραµµα για την περίπτωση της σεισµικής τράπεζας 1 Σχήµα 4.1 Λειτουργία του RBNB 14 Σχήµα 4.2 οµή των δύο παράλληλων δικτύων 18 viii

10 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ Πίνακας 3.1 Περιπτώσεις τιµών P, I που παρουσιάζονται 53 ix

11 1 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1. ΓΕΝΙΚΑ Η προσπάθεια αντιμετώπισης των φυσικών φαινομένων και περιορισμού των δυσμενών συνεπειών που επιφέρουν στην κοινωνική ζωή και στις κατασκευές ανατρέχει στην απαρχή του ανθρώπινου πολιτισμού. Στις σύγχρονες ανεπτυγμένες κοινωνίες και ειδικά στο γνωστικό πεδίο του πολιτικού μηχανικού, η ανάγκη αυτή συμπυκνώνεται στην απαίτηση για ασφάλεια των δομικών έργων τόσο έναντι των φυσικών φαινομένων όσο και έναντι ανθρώπινων δράσεων είτε αυτές οφείλονται σε ανθρώπινο λάθος ή είναι ακόμα και εσκεμμένες που είναι δυνατόν να θέσουν σε κίνδυνο την ασφάλεια των κατασκευών και συνεπώς, την ανθρώπινη ακεραιότητα και την κοινωνική και οικονομική ζωή. Ένα από τα σημαντικότερα (από πλευράς συνεπειών) και πολυπλοκότερα φυσικά φαινόμενα που έχει να αντιμετωπίσει ο πολιτικός μηχανικός και τα οποία απειλούν τις κατασκευές και την ανθρώπινη ζωή, είναι οι σεισμοί. Μέχρι σήμερα έχει συντελεστεί σημαντική πρόοδος στον τομέα της ασφάλειας των κατασκευών και της αντισεισμικής μηχανικής, στην οποία έχουν συμβάλλει κατά τρόπο αποφασιστικό η εμπειρία, η εξέταση των συνεπειών των καταστροφικών γεγονότων και φυσικά, η επιστημονική έρευνα. Ειδικά όσον αφορά την επιστημονική έρευνα, βασικός πυλώνας της είναι το πείραμα. Η πολυπλοκότητα των φαινομένων και η πολυδιάστατη φύση των προβλημάτων που έχει να αντιμετωπίσει ο πολιτικός μηχανικός καθιστούν το πείραμα την ασφαλέστερη μέθοδο που έχει στη διάθεσή του, προκειμένου να αναπτύξει τα κατάλληλα αναλυτικά εργαλεία, τα οποία θα του επιτρέψουν να ανταποκριθεί στην κοινωνική απαίτηση για ασφάλεια των κατασκευών. Στον τομέα της αντισεισμικής μηχανικής, μπορούμε να διακρίνουμε τρεις κύριες κατηγορίες δοκιμών όσον αφορά την πειραματική έρευνα. Στατικές δοκιμές με δεδομένη ιστορία μετακινήσεων ή δυνάμεων Δοκιμές με χρήση σεισμικής τράπεζας Υβριδικές δοκιμές

12 2 Οι στατικές δοκιμές με δεδομένη (δηλαδή, προσδιορισμένη πριν από τη δοκιμή) ιστορία μετακινήσεων ή δυνάμεων είναι από τις πλέον διαδεδομένες δοκιμές. Οι δοκιμές αυτές είναι σχετικά απλές σε επίπεδο τεχνογνωσίας, ενώ δεν απαιτούν τη χρήση ιδιαίτερα ακριβού εξοπλισμού. Παρουσιάζουν όμως και κάποια μειονεκτήματα. Κατ αρχάς, οι δοκιμές αυτού του τύπου δεν αντιπροσωπεύουν την πραγματική σεισμική απόκριση της κατασκευής. Περαιτέρω, παρόλο που οι δοκιμές αυτές μας δίνουν μία πολύ καλή εικόνα έναντι της οριακής κατάστασης αστοχίας του δοκιμίου, δεν ανταποκρίνονται άμεσα στις σχετικά σύγχρονες αντιλήψεις γύρω από τον αντισεισμικό σχεδιασμό κατασκευών, που συνίστανται στο σχεδιασμό με βάση την επιτελεστικότητα. Οι δοκιμές με χρήση σεισμικής τράπεζας ήταν για πάρα πολλά χρόνια ο αντιπροσωπευτικότερος τύπος δοκιμών κατασκευών υπό σεισμική διέγερση. Βασικό μειονέκτημα των δοκιμών σεισμικής τράπεζας είναι το κόστος του εξοπλισμού που απαιτείται για τη διεξαγωγή των δοκιμών αυτών. Η διέγερση είναι δυναμική, γεγονός που θέτει υψηλές απαιτήσεις ως προς τα υδραυλικά έμβολα και τον εξοπλισμό που χρησιμοποιείται, ενώ προκειμένου να είναι πρακτικά απαραμόρφωτη η τράπεζα κατά τη δοκιμή, προκύπτει να έχει μία πολύ μεγάλη μάζα, κάτι που αυξάνει δραματικά τις απαιτήσεις του εργαστηριακού εξοπλισμού και συνεπώς, το κόστος. Η ανάγκη περιορισμού του κόστους επιβάλλει οι διαστάσεις της τράπεζας να είναι σχετικά μικρές. Έτσι, αναγκαζόμαστε να χρησιμοποιήσουμε δοκίμια υπό κλίμακα, γεγονός που οδηγεί, από πλευράς διαστατικής ανάλυσης, σε στρεβλά ομοιώματα, με αποτέλεσμα να δυσχεραίνεται η εξαγωγή αξιόπιστων συμπερασμάτων. Επιπλέον, με δεδομένο ότι η κίνηση των υδραυλικών εμβόλων γίνεται με έλεγχο της μετακίνησης (εντολή αναφοράς), αν αυτή προκύπτει από διπλή ολοκλήρωση της επιθυμητής επιτάχυνσης, υποεκτιμάται η συνεισφορά των υψηλών συχνοτήτων, ενώ με βάση και τα πιο σύγχρονα δεδομένα στα συστήματα αυτομάτου ελέγχου, είναι αδύνατον να επιβάλουμε την ακριβή χρονοϊστορία των μετακινήσεων που επιθυμούμε. Τέλος, λόγω του μικρού χρόνου διάρκειας της δοκιμής (όσο διαρκεί και το επιταχυνσιογράφημα), δυσχεραίνεται η οπτική παρακολούθηση της δοκιμής και της εξέλιξης της βλάβης, ενώ και οι αισθητήρες που χρησιμοποιούνται για την καταγραφή δεδομένων θα πρέπει να μπορούν να ανταποκριθούν στο δυναμικό χαρακτήρα των δοκιμών αυτών.

13 3 Οι υβριδικές δοκιμές είναι σχετικά νέος τύπος δοκιμών. Ο όρος «υβριδικές δοκιμές» αναφέρεται σε όλες εκείνες τις δοκιμές στις οποίες χρησιμοποιείται κάποιος αλγόριθμος προκειμένου να υπολογιστεί η στοχευόμενη μετακίνηση ή δύναμη σε κάθε χρονική στιγμή βάσει της εξίσωσης κίνησης. Οι υβριδικές δοκιμές βασίζονται στην ψευδοδυναμική μέθοδο δοκιμών, μία βηματική μέθοδο η οποία χρησιμοποιεί έναν αλγόριθμο αριθμητικής ολοκλήρωσης της εξίσωσης κίνησης. Ειδική αναφορά στη μέθοδο αυτή θα γίνει στη συνέχεια της παρούσας εργασίας. Μέσω της ψευδοδυναμικής μεθόδου δοκιμών μπορούμε να λάβουμε την απόκριση μίας κατασκευής λόγω σεισμικής διέγερσης, χωρίς, όμως, πράγματι να τη διεγείρουμε δυναμικά. Λόγω του ότι οι στοχευόμενες μετακινήσεις μπορούν να επιβληθούν με πάρα πολύ αργό ρυθμό, ο εξοπλισμός που χρησιμοποιείται δεν διαφέρει από αυτόν των στατικών δοκιμών και, συνεπώς, οι δοκιμές με χρήση της ψευδοδυναμικής μεθόδου είναι σχετικά μικρού κόστους. Άλλο θετικό της μεθόδου είναι ότι οι μόνες δεσμεύσεις που αφορούν το μέγεθος του δοκιμίου προέρχονται από το μέγεθος του ίδιου του εργαστηρίου (ισχυρό δάπεδο και τοίχοι αντίδρασης), με τις περισσότερες δοκιμές να γίνονται σε δοκίμια πλήρους κλίμακας. Τέλος, λόγω του ότι η σεισμική διέγερση επιβάλλεται με ρυθμό δεκάδες ή και εκατοντάδες φορές πιο αργά, είναι δυνατή η ακριβής παρακολούθηση της εξέλιξης των βλαβών, ενώ και ο συμπληρωματικός εξοπλισμός που απαιτείται (αισθητήρες, συστήματα καταγραφής κλπ) δεν είναι υψηλών απαιτήσεων δειγματοληψίας και κόστους. Εξέλιξη της ψευδοδυναμικής μεθόδου αποτελούν οι υβριδικές δοκιμές με υποκατασκευές. Στις δοκιμές αυτές, μέρος μόνον της κατασκευής δοκιμάζεται στο εργαστήριο. Ουσιαστικά η κατασκευή επιμερίζεται σε τμήματα, ορισμένα από τα οποία επιλέγεται να δοκιμάζονται στο εργαστήριο, ενώ η συνεισφορά των υπολοίπων στη συνολική απόκριση της κατασκευής προσδιορίζεται αναλυτικά. Κατ αυτό τον τρόπο, εκείνες οι υποκατασκευές για τις οποίες διαθέτουμε επαρκούς ακρίβειας αναλυτικά εργαλεία προσομοιώνονται αναλυτικά, ενώ πειραματικά δοκιμάζονται μόνον οι υποκατασκευές εκείνες για τις οποίες η απόκρισή τους έχει μεγαλύτερη σημασία και επιπτώσεις για την κατασκευή, και για τις οποίες δεν διαθέτουμε επαρκή αναλυτικά εργαλεία. Τούτο συνεπάγεται πολύ σημαντική μείωση του κόστους των δοκιμών και του απαιτούμενου εξοπλισμού.

14 4 Τα τελευταία χρόνια, η ταχεία εξέλιξη στις εφαρμογές και τις ταχύτητες του διαδικτύου επέτρεψε την ανάπτυξη των γεωγραφικά κατανεμημένων υβριδικών δοκιμών. Στις δοκιμές αυτού του τύπου, οι πειραματικές και αναλυτικές υποκατασκευές μπορούν να βρίσκονται σε διαφορετικά εργαστήρια και η δοκιμή να εξελίσσεται σε «πραγματικό» χρόνο με ανταλλαγή των δεδομένων μεταξύ των εργαστηρίων. Ένα λογισμικό έχει το ρόλο του «συντονιστή» και αναλαμβάνει σε κάθε χρονικό βήμα να συγκεντρώνει τα δεδομένα των μετρήσεων κάθε εργαστηρίου και, αφού υπολογίσει τις μετακινήσεις του επόμενου βήματος της κάθε υποκατασκευής, τις στέλνει στα εμπλεκόμενα εργαστήρια μέσω διαδικτύου. Κατ αυτό τον τρόπο, οι συνδυασμένες δυνατότητες των εμπλεκομένων εργαστηρίων επιτρέπουν τη διενέργεια δοκιμών σε κατασκευές, οι οποίες λόγω μεγέθους δεν θα μπορούσαν να δοκιμαστούν σε ένα μεμονωμένο εργαστήριο. Από όλα τα παραπάνω γίνεται αντιληπτός ο λόγος για τον οποίο οι υβριδικές δοκιμές κερδίζουν όλο και περισσότερο έδαφος στον τομέα της αντισεισμικής πειραματικής μηχανικής. Πλέον, με σχετικά πολύ μικρό κόστος (συγκρινόμενο με τις δοκιμές σε σεισμική τράπεζα), ακόμα και μικρά εργαστήρια μπορούν να πραγματοποιήσουν δοκιμές και να συμβάλουν στην προαγωγή της γνώσης. Το μειονέκτημα των υβριδικών δοκιμών είναι ότι δεν μπορούν να εφαρμοστούν σε συστήματα κατανεμημένης μάζας, ενώ έχουν ιδιαίτερα υψηλές απαιτήσεις τόσο σε επίπεδο αλγορίθμων όσο και σε επίπεδο τεχνογνωσίας του εμπλεκόμενου επιστημονικού προσωπικού ΟΡΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΟΣ Λόγω του ότι οι υβριδικές δοκιμές βασίζονται στην ψευδοδυναμική μέθοδο που είναι μία βηματική μέθοδος, τα πειραματικά λάθη (συστηματικά ή τυχαία) δρουν σωρευτικά και καθίστανται κρίσιμα για την ποιότητα των δοκιμών. Έτσι, ακόμα και ένα σχετικά μικρό πειραματικό λάθος σε κάθε βήμα επηρεάζει τον υπολογισμό των παραμέτρων του επόμενου βήματος και τελικά μπορεί να οδηγήσει σε αποτελέσματα που θα απέχουν πολύ από την πραγματική απόκριση του δοκιμίου. Το γεγονός αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό αν τα λάθη είναι συστηματικά (Thewalt and Roman,1994). Τέτοια ζητήματα είχαν περιγραφεί ήδη από τα πρώτα στάδια ανάπτυξης των δοκιμών αυτών (Shing and Mahin, 1983, 1984). Στις υβριδικές δοκιμές διακρίνονται τρεις πηγές σφαλμάτων.

15 5 Πρώτη πηγή σφάλματος είναι η διακριτοποίηση της κατασκευής ως ένα σύστημα συγκεντρωμένων μαζών. Αυτό σημαίνει ότι η μάζα συγκεντρώνεται στις στάθμες των ορόφων ή σε κόμβους που ελέγχονται με τα υδραυλικά έμβολα κάτι που συνιστά παραδοχή σε σχέση με την πραγματική κατάσταση. Αν και αυτή η πηγή σφάλματος δεν μπορεί να αντιμετωπιστεί, γενικά δεν αποτελεί σοβαρό μειονέκτημα της μεθόδου. Δεύτερη πηγή σφάλματος είναι ο αλγόριθμος αριθμητικής ολοκλήρωσης που χρησιμοποιείται για την επίλυση της εξίσωσης κίνησης. Το ζήτημα αυτό έχει μελετηθεί συστηματικά και έχουν προταθεί αρκετοί αλγόριθμοι αριθμητικής ολοκλήρωσης άμεσοι και έμμεσοι για την αντιμετώπιση συγκεκριμένων προβλημάτων. Σήμερα, και εξαιρώντας τις κατηγορίες υβριδικών δοκιμών πραγματικού χρόνου, τις γεωγραφικά κατανεμημένες υβριδικές δοκιμές, καθώς και κάποιες άλλες υβριδικές δοκιμές ειδικού τύπου, όπου η έρευνα είναι σε εξέλιξη, στις συνήθεις υβριδικές δοκιμές το ζήτημα θεωρείται ότι έχει αντιμετωπιστεί αποτελεσματικά. Η συνεισφορά αυτής της πηγής σφάλματος μπορεί πλέον να θεωρηθεί αμελητέα. Η τρίτη και σοβαρότερη πηγή σφάλματος προέρχεται από την ίδια την πειραματική διάταξη (Thewalt and Mahin, 1987). Πειραματικά λάθη τα οποία σχετίζονται με τη μέτρηση της δύναμης αντίδρασης ή την ποιότητα του ελέγχου του εμβόλου μπορεί να έχουν σημαντική επίδραση στην ποιότητα των αποτελεσμάτων. Πειραματικά λάθη στη μέτρηση της δύναμης μπορεί να υπάρξουν αφενός αν η βαθμονόμηση των δυναμοκυψελών δεν είναι σωστή, και αφετέρου κατά τη διάρκεια της περιόδου αναμονής κάθε βήματος στην κλασική ψευδοδυναμική μέθοδο, λόγω φαινομένων χαλάρωσης. Έτσι, η υψηλή ποιότητα, η συντήρηση και η καλή λειτουργία του εξοπλισμού είναι κρίσιμα στοιχεία, ενώ με τη συνεχή ψευδοδυναμική μέθοδο αποφεύγονται προβλήματα χαλάρωσης λόγω της συνεχούς κίνησης των εμβόλων. Το πειραματικό λάθος κατά τον έλεγχο της μετακίνησης οδηγεί στο να μετράται μία τιμή της δύναμης αντίδρασης η οποία δεν ανταποκρίνεται στη στοχευόμενη μετακίνηση, αλλά σε μία άλλη, ελαφρώς διαφορετική. Η ύπαρξη πειραματικού λάθους είναι ιδιαίτερα σημαντική στην περίπτωση των δύσκαμπτων κατασκευών. Τότε, λόγω της μεγάλης δυσκαμψίας, ένα μικρού μεγέθους λάθος κατά τον έλεγχο της μετακίνησης, οδηγεί σε ένα δυσανάλογα μεγάλο λάθος στη μετρούμενη δύναμη αντίδρασης. Επιπλέον, σε δύσκαμπτα

16 6 δοκίμια ο έλεγχος των εμβόλων είναι αποτελεσματικότερος όταν γίνεται με βάση τη δύναμη, παρά όταν αυτός γίνεται με βάση τη μετακίνηση, καθώς μία μεγάλη διαφορά μεταξύ στοχευόμενης και υλοποιούμενης δύναμης αντίδρασης αντιστοιχεί σε μία πολύ μικρή διαφορά στη μετακίνηση. Τούτο σημαίνει ότι στα δύσκαμπτα δοκίμια το σήμα του λάθους είναι, στην περίπτωση του ελέγχου της δύναμης, ενισχυμένο σε σχέση με την περίπτωση του ελέγχου της μετακίνησης. Επιπροσθέτως, στην περίπτωση δύσκαμπτων κατασκευών με πάνω από ένα βαθμό ελευθερίας μπορεί να εμφανίζονται φαινόμενα αλληλεπίδρασης μεταξύ των εμβόλων. Ενώ, δηλαδή, κάθε έμβολο μπορεί να ακολουθεί τη στοχευόμενη μετακίνηση με ένα μικρό πειραματικό λάθος, εμφανίζονται λόγω της μεγάλης δυσκαμψίας του δοκιμίου μεγάλες δυνάμεις λόγω της αλληλεπίδρασης των εμβόλων. Για να γίνει κατανοητό το πρόβλημα αυτό, ας ληφθεί μία εξαιρετικά δύσκαμπτη μάζα (π.χ. ένας βράχος) στην οποία προσαρμόζεται ένας αριθμός εμβόλων. Δεδομένου ότι για κάθε έμβολο ο αντίστοιχος ελεγκτής παράγει συνεχώς σήμα διόρθωσης ώστε να διατηρήσει το έμβολο σε συγκεκριμένη θέση, οι μικρομετακινήσεις του εμβόλου γίνονται άμεσα αντιληπτές από τα άλλα έμβολα, λόγω της διασύνδεσής τους μέσω της δύσκαμπτης μάζας. Οι ελεγκτές των υπολοίπων εμβόλων δημιουργούν διορθωτικά σήματα ώστε να αποτρέψουν τη μετακίνηση των εμβόλων αυτών και τελικά τα έμβολα αντιμάχονται το ένα τις μετακινήσεις του άλλου. Το σημαντικό δε είναι ότι λόγω της δυσκαμψίας της κατασκευής αυτό γίνεται με την ανάπτυξη δυνάμεων εξαιρετικά μεγάλου μεγέθους παρά το ότι οι μετακινήσεις τους μπορεί να είναι της τάξης 1-6 m. Το φαινόμενο αυτό θα μπορούσε να αποφευχθεί αν τα έμβολα βρίσκονταν σε έλεγχο δύναμης αντί για έλεγχο μετακίνησης. Το πρόβλημα που εμφανίζεται όμως στην περίπτωση που είναι επιθυμητό η υβριδική δοκιμή να διεξαχθεί σε έλεγχο δύναμης αντί της μετακίνησης, είναι ότι οι δυνάμεις αυτές που πρέπει να επιβληθούν από τα έμβολα, είναι εν γένει άγνωστες. Ο αλγόριθμος αριθμητικής ολοκλήρωσης παράγει στοχευόμενες μετακινήσεις και δεν υπάρχει κάποιος προφανής τρόπος από αυτές να προκύψουν οι στοχευόμενες δυνάμεις, από τη στιγμή που το εφαπτωμενικό μητρώο δυσκαμψίας της κατασκευής είναι άγνωστο.

17 7 1.3 ΠΡΟΓΕΝΕΣΤΕΡΗ ΕΡΕΥΝΑ Έλεγχος της μετακίνησης στις υβριδικές δοκιμές σημαίνει ότι το σύστημα ελέγχου επιβάλλει μετακινήσεις στη φυσική υποκατασκευή μέσω των εμβόλων και ουσιαστικά αναφέρεται στην παράμετρο που ελέγχεται από το σύστημα (μετακίνησης εν προκειμένω). Αυτός ο τρόπος ελέγχου είναι σταθερός και χωρίς προβλήματα και είναι ο συνήθως χρησιμοποιούμενος στις υβριδικές δοκιμές, αφενός γιατί τα περισσότερα λογισμικά ανάλυσης βασίζονται στις μετακινήσεις (οπότε οι προς εφαρμογή μετακινήσεις είναι γνωστές), και αφετέρου διότι τα συστήματα ελέγχου σχεδιάζονται συνήθως για λειτουργία με βάση τη μετακίνηση ως σήμα εντολής ενώ στο υπολογιστικό τμήμα επιστρέφει η μετρούμενη δύναμη. Στην περίπτωση ελέγχου με βάση τη δύναμη, ως φυσική παράμετρος που ελέγχεται από το σύστημα επιλέγεται η εφαρμοζόμενη δύναμη και στο υπολογιστικό τμήμα επιστρέφει η μετακίνηση της υποκατασκευής. Η εκτέλεση υβριδικών δοκιμών με έλεγχο δύναμης παρουσιάζει δύο προβλήματα. Το πρώτο σχετίζεται με το γεγονός ότι στην πλειονότητά τους τα προγράμματα ανάλυσης βασίζονται στην εφαρμογή δοκιμαστικών μετακινήσεων σε κάθε βήμα και υπολογισμό των αντίστοιχων δυνάμεων. Επομένως οι δυνάμεις που καλείται να επιβάλει το σύστημα ελέγχου δεν είναι γνωστές. Το δεύτερο πρόβλημα σχετίζεται με το ίδιο το σύστημα φόρτισης και ελέγχου, αφού τα περισσότερα συστήματα σχεδιάζονται ώστε να έχουν ικανοποιητική απόκριση σε όρους μετακινήσεων. Ο λόγος που κρύβεται πίσω από αυτή την προτίμηση είναι πως η δυσκαμψία του συστήματος φόρτισης και εκείνη του δοκιμίου επηρεάζουν την τιμή του συντελεστή αναλογικού κέρδους (K p ) του συστήματος ελέγχου. Έτσι, για πολύ δύσκαμπτες κατασκευές απαιτείται μικρός συντελεστής K p με αποτέλεσμα μειωμένης ποιότητας έλεγχο (οι δυνάμεις στόχος δε συμπίπτουν με τις μετρούμενες δυνάμεις ανάδρασης). Από την άλλη πλευρά αύξηση του συντελεστή K p μπορεί να οδηγήσει το σύστημα σε αστάθεια. Ήδη από το 1987 οι Thewalt and Mahin κατά τη θεμελίωση της ψευδοδυναμικής μεθόδου, είχαν προτείνει (θεωρητικά, χωρίς να προχωρήσουν σε πειραματική τεκμηρίωση) μία επέκταση της, ώστε να μπορούν να πραγματοποιούνται υβριδικές δοκιμές και να επιλύονται οι εξισώσεις κίνησης, εν μέρει σε ψηφιακή και εν μέρει σε αναλογική μορφή με τα έμβολα σε έλεγχο της δύναμης αντί της μετακίνησης. Στη μέθοδο που προτείνουν, για τον υπολογισμό των στοχευόμενων δυνάμεων του επόμενου βήματος που πρέπει να επιβάλουν τα

18 8 έμβολα, χρησιμοποιείται η μετακίνηση του βήματος αυτού, η οποία είναι άγνωστη. Έτσι, η εφαρμογή της μεθόδου προϋποθέτει τη γνώση του εφαπτομενικού μητρώου δυσκαμψίας. Οι Seible et al (1996) χρησιμοποίησαν μία διαφορετική προσέγγιση προκειμένου να εκτελέσουν τη δοκιμή ενός πενταώροφου κτιρίου πλήρους κλίμακας από οπλισμένο σκυρόδεμα, το οποίο διέθετε μεγάλη δυσκαμψία. Για την αποφυγή προβλημάτων μεγάλου πειραματικού λάθους κατά τον έλεγχο των εμβόλων (σε έλεγχο μετακίνησης) και προβλημάτων αλληλεπίδρασης μεταξύ των εμβόλων τους λόγω της δυσκαμψίας του δοκιμίου, πρότειναν μία μέθοδο «εύκαμπτης σύζευξης» (soft-coupling), η οποία βασίζονταν στην τοποθέτηση εύκαμπτων στοιχείων μεταξύ των εμβόλων και του δοκιμίου. Πιο συγκεκριμένα, μεταξύ εμβόλων και δοκιμίου παρεμβάλλονταν σύνδεσμοι από ελαστομερές, με σκοπό τη σημαντική πτώση της δυσκαμψίας που γίνεται αντιληπτή από τα έμβολα και τη βελτίωση της ακρίβειας κατά τον έλεγχο της μετακίνησης. Πρακτικά η μέθοδος υλοποιείται με τα έμβολα να επιβάλλουν ως μετακίνηση το άθροισμα της στοχευόμενης μετακίνησης (μικρού μεγέθους) και της μετακίνησης λόγω παραμόρφωσης του ελαστομερούς (υπολογιζόμενης με βάση την ελαστική δυσκαμψία τους). Η ενδιαφέρουσα αυτή προσέγγιση βασίζεται στην υπόθεση πλήρως γραμμικής ελαστικής συμπεριφοράς του ελαστομερούς υλικού, η οποία όμως δεν ισχύει πάντα: οι ελαστομερείς σύνδεσμοι σε μεγάλες παραμορφώσεις παρουσιάζουν ανελαστική συμπεριφορά με αποτέλεσμα τη μείωση της ποιότητας ελέγχου της δοκιμής. Επιπλέον δεν ενδείκνυται για εκείνους τους βαθμούς ελευθερίας ενός συστήματος οι οποίοι παρουσιάζουν κατά τη φόρτισή τους μικτή απόκριση, μεταπίπτοντας από δύσκαμπτη σε εύκαμπτη απόκριση (και το αντίστροφο) ή για βαθμούς ελευθερίας που αποκρίνονται δύσκαμπτα σε μια διεύθυνση και εύκαμπτα σε κάποια άλλη. Προσπάθειες προς αυτήν την κατεύθυνση έχουν γίνει και τα τελευταία χρόνια, με παρεμβολή εύκαμπτων ελατηρίων μεταξύ εμβόλων και δοκιμίου. Το πρόβλημα πάντως παραμένει, λόγω του ότι σε μεγάλα φορτία η δυσκαμψία των ελατηρίων δεν είναι σταθερή. Οι ερευνητικές προσπάθειες στην περιοχή των υβριδικών δοκιμών με έλεγχο δύναμης επικεντρώνονται στο πως θα υπολογιστούν οι δοκιμαστικές τιμές δύναμης για να σταλούν στον ελεγκτή του συστήματος, με βάση τις μετακινήσεις που παράγουν συνήθως τα υπολογιστικά εργαλεία που διαθέτουμε. Στην κατεύθυνση αυτή κυριαρχούν δύο προσεγγίσεις του προβλήματος.

19 9 Η πρώτη επικεντρώνεται στην αναγωγή των υπολογιζόμενων μετακινήσεων σε αντίστοιχες δυνάμεις τις οποίες θα επιβάλλει το σύστημα ελέγχου στην κατασκευή. Ένας τρόπος αναγωγής είναι με χρήση του εφαπτομενικού μητρώου δυσκαμψίας ( ) το οποίο είναι η Ιακωβιανή του διανύσματος των δυνάμεων αντίστασης της κατασκευής, R u. Η δοκιμαστική τιμή δύναμης (στο σύστημα αναφοράς του εμβόλου) τη χρονική στιγμή, υπολογίζεται από την υπολογιζόμενη αύξηση μετακίνησης ως (1.1) Παρά τις προσπάθειες (Igarashi 1993, Carrion and Spencer 23, Klie and Wheeler 26, Ahmadizadeh and Mosqueda 28, Hung and Tawil 28) το μητρώο είναι δύσκολο να προσδιοριστεί πειραματικά κατά τη διάρκεια της δοκιμής και επιπλέον στις περισσότερες των περιπτώσεων προκύπτει μη συμμετρικό λόγω πειραματικών αβεβαιοτήτων και λαθών. Τα τελευταία μπορεί επίσης να εισάγουν παρασιτικές ανανεώσεις (updating) του μητρώου οδηγώντας έτσι σε μείωση της αξιοπιστίας των αποτελεσμάτων της δοκιμής, ενώ οι δυσκολίες αυξάνονται γεωμετρικά με την αύξηση των βαθμών ελευθερίας του δοκιμίου. Για τη μείωση του λάθους διακριτότητας και θορύβου της δυναμοκυψέλης έχει δοκιμασθεί και η λύση να λαμβάνεται ως εφαπτομενική δυσκαμψία ο μέσος όρος ενός αριθμού (π.χ. 1) μετρούμενων τιμών ανά κύκλο προσέγγισης, αλλά το υπολογιζόμενο μητρώο δυσκαμψίας παρουσιάζει διαφοροποιήσεις από το εφαπτομενικό ειδικά στην περίπτωση έντονης μη γραμμικής συμπεριφοράς. Ανάλογη προσπάθεια, αλλά αποφεύγοντας τον άμεσο υπολογισμό του, έγινε στα πλαίσια της παρούσας διατριβής μέσω ενός λογικού (ad hoc) ελεγκτή που κατασκευάστηκε για το σκοπό αυτό (βλ. Κεφ. 3). Ένας δεύτερος τρόπος προσδιορισμού των δυνάμεων που ζητείται να επιβληθούν από τα έμβολα στο δοκίμιο ώστε να επιτευχθούν δεδομένες μετακινήσεις, είναι μέσω των υποχώρων Krylov (Scott and Fenves 26). Για την εφαρμογή της μεθόδου δεν απαιτείται η γνώση του εφαπτομενικού μητρώου δυσκαμψίας ενώ η εύρεση των δυνάμεων που θα επιβληθούν από τα έμβολα πραγματοποιείται με τη βοήθεια του αρχικού μητρώου δυσκαμψίας (το οποίο μπορεί να προσδιοριστεί πειραματικά με σχετική ακρίβεια και ευκολία

20 1 πριν την έναρξη της δοκιμής). Η μέθοδος όμως απαιτεί διαδοχικές προσεγγίσεις, ο αριθμός των οποίων αυξάνεται με την αύξηση των βαθμών ελευθερίας και της μη γραμμικότητας του δοκιμίου. Απάντηση στο πρόβλημα των δύσκαμπτων κατασκευών θα μπορούσε να δώσει η μέθοδος ενεργού δύναμης (Effective Force Method). Σύμφωνα με αυτήν τη μέθοδο, από τη στιγμή που είναι γνωστή η τιμή της επιτάχυνσης του εδάφους και το μητρώο μάζας, η διέγερση (δυνάμεις) λόγω σεισμού είναι επίσης γνωστή. Έτσι, αρκεί τα έμβολα να επιβάλουν σε πραγματικό χρόνο τις σεισμικές δυνάμεις στους δυναμικούς βαθμούς ελευθερίας, ενόσω η κατασκευή είναι πακτωμένη στο ισχυρό δάπεδο του εργαστηρίου. Η μέθοδος αυτή, αν και έχει στέρεη θεωρητική βάση δε στερείται μειονεκτημάτων, και με βάση τα σημερινά δεδομένα ως προς τα συστήματα αυτομάτου ελέγχου είναι ανεφάρμοστη. Η εφαρμογή της μεθόδου αφενός εμποδίζεται από τις σημερινές δυνατότητες των εμβόλων (το έμβολο δεν μπορεί να κινηθεί σε έλεγχο δύναμης στις συχνότητες που απαιτούνται ακόμα και για σύστημα ενός βαθμού ελευθερίας, Dimig et al 1999), και αφετέρου από το γεγονός ότι οι υπολογιζόμενες προς εφαρμογή ενεργές δυνάμεις εκφράζονται στο γενικό σύστημα συντεταγμένων του διακριτοποιημένου συστήματος και είναι άγνωστο για την περίπτωση δοκιμών με υποκατασκευές το ποσοστό κάθε επικόμβιας δύναμης που πρέπει να εφαρμοστεί στη φυσική υποκατασκευή. Η παραπάνω επισκόπηση δείχνει ότι δεν υπάρχει μέχρι σήμερα κάποια μέθοδος η οποία να επιτρέπει με αξιόπιστο τρόπο τη διενέργεια υβριδικών δοκιμών με τον πλέον επιθυμητό τρόπο ελέγχου, δηλαδή με έλεγχο δύναμης. 1.4 ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΠΑΡΟΥΣΑΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Όταν το δοκίμιο το οποίο πρόκειται να δοκιμασθεί μέσω υβριδικής δοκιμής είναι πολύ δύσκαμπτο, η εκτέλεση της δοκιμής ελέγχοντας τα υδραυλικά έμβολα με βάση τη μετακίνηση, παρουσιάζει πολλές δυσκολίες που μπορούν να είναι κρίσιμες για την ποιότητα και την αξιοπιστία των πειραματικών αποτελεσμάτων που λαμβάνουμε μέσω των δοκιμών αυτών. Με το έμβολο σε έλεγχο μετακίνησης, οι τιμές της μετακίνησης αναφοράς εφαρμοζόμενες σε συστήματα με υψηλή δυσκαμψία, έχουν πολύ μικρό μέγεθος συγκρινόμενες με τη διακριτότητα των αισθητήρων μέτρησης, απειλώντας την ακρίβεια και

21 11 ευστάθεια των αλγορίθμων αριθμητικής ολοκλήρωσης. Το πρόβλημα θα μπορούσε να ξεπεραστεί εάν η δοκιμή εκτελούνταν έχοντας τα έμβολα σε έλεγχο δύναμης. Στην περίπτωση αυτή δεδομένο μέγεθος αύξησης της μετακίνησης σε ένα βήμα, αντιστοιχεί σε δυνάμεις με σημαντικό μέγεθος, λόγω της υψηλής δυσκαμψίας του δοκιμίου ή της απόκρισης του δοκιμίου στη συγκεκριμένη φάση της δοκιμής. Από τη σκοπιά του ελέγχου του συστήματος, αυτές οι δυνάμεις θα μπορούν να εφαρμοσθούν και να ελεγχθούν με σημαντικά μεγαλύτερη ακρίβεια από τις αντίστοιχες μετακινήσεις. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι να συνεισφέρει στην αντιμετώπιση του προβλήματος δοκιμής δύσκαμπτων κατασκευών μέσω της ανάπτυξης μίας μεθόδου υβριδικού τύπου η οποία να επιτρέπει τον έλεγχο των υδραυλικών εμβόλων με βάση τη δύναμη αντί της μετατόπισης. Μία τέτοια μεθοδολογία θα πρέπει να απαντά στις αυξημένες ανάγκες που εμφανίζουν οι υβριδικές δοκιμές λόγω της πολυπλοκότητας τους. Η μέθοδος δεν θα πρέπει να υπολείπεται σε ακρίβεια σε σχέση με την περίπτωση των υβριδικών δοκιμών στις οποίες ο έλεγχος των υδραυλικών εμβόλων πραγματοποιείται με βάση τη μετακίνηση, ενώ παράλληλα θα πρέπει να αντιμετωπίζεται αποτελεσματικά το ζήτημα των ασταθειών. Άλλο επιθυμητό χαρακτηριστικό είναι η μέθοδος αυτή να βασίζεται στη συνεχή ψευδοδυναμική μέθοδο, το οποίο σημαίνει ότι δε θα απαιτούνται επαναλήψεις για την εύρεση της στοχευόμενης δύναμης. Υπενθυμίζεται ότι η ανά βήμα επίλυση της εξίσωσης κίνησης παράγει δεδομένες μετακινήσεις που πρέπει να εφαρμοστούν στο δοκίμιο, αφού προηγουμένως και χωρίς γνώση του εφαπτομενικού μητρώου δυσκαμψίας μετατραπούν σε αντίστοιχες δυνάμεις. Έτσι η κίνηση των εμβόλων θα είναι ομαλή, μειώνοντας το πειραματικό λάθος ελέγχου, ενώ παράλληλα δεν υπεισέρχονται ζητήματα χαλάρωσης τα οποία, επίσης αυξάνουν το πειραματικό λάθος. Τέλος, θα πρέπει η μέθοδος να είναι γενική θα πρέπει, δηλαδή, να μην περιορίζεται σε συγκεκριμένους τύπους κατασκευών, να χαρακτηρίζεται από απλότητα και να δίνει αξιόπιστη λύση ανεξάρτητα του αριθμού των βαθμών ελευθερίας του δοκιμίου. 1.5 ΔΙΑΡΘΡΩΣΗ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Στο πρώτο κεφάλαιο της παρούσας εργασίας, γίνεται η περιγραφή των προβλημάτων που εμφανίζονται κατά τις υβριδικές δοκιμές δύσκαμπτων κατασκευών. Ακολουθεί η

22 12 βιβλιογραφική ανασκόπηση όπου παρουσιάζονται οι προσπάθειες που έχουν γίνει έως σήμερα για την αντιμετώπιση των προβλημάτων αυτών και αναπτύσσεται ο σκοπός της παρούσας εργασίας. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται περιληπτικά το θεωρητικό υπόβαθρο και βασικές έννοιες οι οποίες θα φανούν χρήσιμες σε επόμενα κεφάλαια. Περιγράφεται η ψευδοδυναμική μέθοδος δοκιμών και γίνεται η διάκριση μεταξύ της κλασικής και της συνεχούς ψευδοδυναμικής μεθόδου. Στη συνέχεια γίνεται αναφορά στην αρχή λειτουργίας του ελεγκτή PID ο οποίος χρησιμοποιείται στα συστήματα ελέγχου υδραυλικών εμβόλων και περιγράφεται το σύστημα ελέγχου του Εργαστηρίου Κατασκευών. Το τρίτο κεφάλαιο που αποτελεί και τον κορμό της παρούσας εργασίας περιλαμβάνει τις προσπάθειες που έγιναν για την αντιμετώπιση των προβλημάτων που εμφανίζονται στις υβριδικές δοκιμές δύσκαμπτων κατασκευών. Αρχικά αναπτύσσεται ένας ad-hoc ελεγκτής και παρουσιάζονται τα προβλήματα που εμφανίστηκαν κατά τη λειτουργία του. Εξέλιξη του ελεγκτή αυτού αποτελεί η στρατηγική του διπλού τύπου ελεγκτή. Αφού γίνει η περιγραφή της αρχής λειτουργίας του, διερευνάται πειραματικά η αποτελεσματικότητά του για δύο περιπτώσεις ελέγχου των εμβόλων. Στην πρώτη περίπτωση το έμβολο είναι σε έλεγχο μετακίνησης, ενώ στη δεύτερη το έμβολο είναι σε έλεγχο δύναμης. Στη συνέχεια η στρατηγική του διπλού τύπου ελεγκτή εφαρμόζεται πειραματικά για την περίπτωση των υβριδικών δοκιμών. Πραγματοποιούνται δοκιμές για την περίπτωση συστήματος ενός και δύο βαθμών ελευθερίας. Τέλος, η στρατηγική που αναπτύχθηκε γενικεύεται, ώστε να καταδειχθούν οι δυνατότητες και τα πλεονεκτήματα που παρουσιάζει. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται το σύστημα δικτυακής παρακολούθησης που αναπτύχθηκε στο Εργαστήριο Κατασκευών. Ένα σύστημα το οποίο στοχεύει στον έλεγχο των δοκιμών και τη διάχυση των παραγόμενων αποτελεσμάτων. Τέλος στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα συμπεράσματα που προκύπτουν από την παρούσα εργασία.

23 13 2. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΥΠΟΒΑΘΡΟ ΚΑΙ ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ 2.1. ΨΕΥΔΟΔΥΝΑΜΙΚΗ ΜΕΘΟΔΟΣ ΔΟΚΙΜΩΝ Η πρώτη εφαρμογή της ψευδοδυναμικής μεθόδου δοκιμών έγινε το 1969, όταν οι Hakuna et al συνέλαβαν την ιδέα των δοκιμών αυτών, αναλύοντας ένα σύστημα ενός βαθμού ελευθερίας και χρησιμοποιώντας ένα ηλεκτρομαγνητικό έμβολο, το οποίο ελέγχονταν από αναλογικό υπολογιστή. Οι Takanashi et al (1975), όμως, είναι οι πρώτοι που κατάφεραν να έχουν ικανοποιητικά αποτελέσματα χρησιμοποιώντας τη μέθοδο αυτή. Η ψευδοδυναμική μέθοδος, όπως αναφέρθηκε, είναι μία βηματική μέθοδος, κατά την οποία η κατασκευή διακριτοποιείται σε δυναμικούς βαθμούς ελευθερίας, όπου κάθε ένας από αυτούς ελέγχεται από ένα υδραυλικό έμβολο. Η εξίσωση κίνησης ενός διακριτού συστήματος οσωνδήποτε βαθμών ελευθερίας υπό σεισμική διέγερση περιγράφεται κάθε χρονική στιγμή από την εξ. (2.1). (2.1) όπου είναι το μητρώο των μαζών, το μητρώο της ισοδύναμης ιξώδους απόσβεσης, το μητρώο δυσκαμψίας, η επιτάχυνση του εδάφους και,,, τα διανύσματα της μετακίνησης, της ταχύτητας και της επιτάχυνσης των βαθμών ελευθερίας αντίστοιχα. Όταν η κατασκευή εισέλθει στη μη γραμμική περιοχή, το μητρώο δυσκαμψίας μεταβάλλεται με άγνωστο κάθε φορά τρόπο. Η ιδιαιτερότητα της μεθόδου, έγκειται στο γεγονός ότι σε κάθε χρονικό βήμα ο όρος (το γινόμενο της δυσκαμψίας επί τη μετατόπιση) ισούται με το διάνυσμα των μετρήσεων της δύναμης από τις δυναμοκυψέλες των εμβόλων (δυνάμεις αντίδρασης). Έτσι, η εξ. (1.1) μπορεί να γραφεί με τη μορφή της εξ. (2.2). (2.2) Ο τρόπος λειτουργίας της ψευδοδυναμικής μεθόδου απεικονίζεται στο Σχ Τα μητρώα μάζας και απόσβεσης θεωρούνται γνωστά και σταθερά κατά τη διάρκεια της φόρτισης. Η

24 14 επιτάχυνση του εδάφους είναι επίσης γνωστή. Έτσι, αν για αρχικές συνθήκες θεωρηθεί ότι οι μετατοπίσεις, ταχύτητες και επιταχύνσεις των βαθμών ελευθερίας είναι ίσες με μηδέν και το μητρώο δυσκαμψίας είναι ίσο με την ελαστική δυσκαμψία της κατασκευής, μπορούν να υπολογιστούν με αριθμητική ολοκλήρωση οι μετακινήσεις του επόμενου βήματος. Οι τελευταίες επιβάλλονται στην κατασκευή με τη βοήθεια των εμβόλων που είναι προσαρμοσμένα σε θέσεις που συμπίπτουν με τους βαθμούς ελευθερίας της κατασκευής (στατικά), ενώ με τις δυναμοκυψέλες τους μετρώνται οι δυνάμεις επαναφοράς, οι οποίες χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό των μετατοπίσεων που θα επιβληθούν στο επόμενο βήμα. Σχήμα 2.1 Σχηματικό διάγραμμα λειτουργίας της ψευδοδυναμικής μεθόδου Για την αριθμητική ολοκλήρωση που χρησιμοποιείται στις ψευδοδυναμικές δοκιμές, έχουν προταθεί και χρησιμοποιούνται πλήθος αλγόριθμοι. Στο πλαίσιο της παρούσας εργασίας θα χρησιμοποιήσουμε δύο μεθόδους αριθμητικής ολοκλήρωσης, την α-operator Splitting (η οποία είναι μέθοδος έμμεσης ολοκλήρωσης αλλά πάντα ευσταθής) και τη μέθοδο

25 15 κεντρικής διαφοράς (μέθοδος άμεσης ολοκλήρωσης αλλά ευσταθή υπό τη συνθήκη ). Το διάγραμμα ροής της κάθε μεθόδου φαίνεται στα Σχ. 2.2 και 2.3. Υπολογισμός αρχικού μητρώου δυσκαμψίας Υπολογισμός μητρώου ψευδο-μάζας Στην αρχή του βήματος (i+1) γνωρίζουμε: Εξωτερική δύναμη Απόκριση στο βήμα i Υπολογισμός προβλέψεων Επιβάλουμε στο δοκίμιο και μετράμε Υπολογισμός διανύσματος ψευδο-δύναμης Υπολογισμός επιταχύνσεων Υπολογισμός διόρθωσης Σχήμα 2.2 Διάγραμμα ροής της μεθόδου έμμεσης αριθμητικής ολοκλήρωσης α-operator Splitting

26 16 Υπολογισμός στοχευόμενης μετακίνησης Επιβολή μετακίνησης και μέτρηση δύναμης αντίδρασης Υπολογισμός επιτάχυνσης και ταχύτητας Σχήμα 2.3 Διάγραμμα ροής της μεθόδου άμεσης αριθμητικής ολοκλήρωσης κεντρικής διαφοράς Κλασική ψευδοδυναμική μέθοδος Κατά την κλασική ψευδοδυναμική μέθοδο το χρονικό βήμα επιλέγεται να είναι τόσο μικρό ώστε να ικανοποιούνται τα ενδεχόμενα κριτήρια ευστάθειας του αλγόριθμου αριθμητικής ολοκλήρωσης που χρησιμοποιούμε. Το επιταχυνσιογράφημα διακριτοποιείται με βάση αυτό το χρονικό βήμα. Όσο μικρότερο είναι το χρονικό βήμα τόσο μεγαλύτερος θα είναι ο αριθμός των βημάτων που απαιτούνται για να καλυφθεί η διάρκεια του επιταχυνσιογραφήματος. Για την ολοκλήρωση του κάθε βήματος απαιτείται πραγματικός χρόνος λίγων δευτερολέπτων. Μάλιστα, ο χρόνος που απαιτείται για την ολοκλήρωση ενός βήματος μπορεί να χωριστεί σε τέσσερις περιόδους: Πρώτη περίοδος: Περίοδος σταθεροποίησης της κίνησης του συστήματος που είχε προηγηθεί, τυπικής διάρκειας 1-2ms. Στην πράξη, αυτό το διάστημα επιτρέπει στο δοκίμιο να φτάσει και να σταθεροποιηθεί στη στοχευόμενη μετακίνηση. Αν η τελευταία δεν έχει επιτευχθεί με ακρίβεια, η μέτρηση της δύναμης δεν θα αντιστοιχεί στην υπολογιζόμενη μετακίνηση.

27 17 Δεύτερη περίοδος: Περίοδος μετρήσεων, τυπικής διάρκειας 4-12ms. Η περίοδος αυτή επιτρέπει τη μείωση του θορύβου στο σήμα των δυναμοκυψελών των εμβόλων, μέσω υπολογισμού ενός μέσου όρου των μετρήσεων. Τρίτη περίοδος: Περίοδος υπολογισμών των μετακινήσεων του επόμενου βήματος, τυπικής διάρκειας 4-8ms. Η περίοδος αυτή περιλαμβάνει και το χρόνο μετάδοσης των δεδομένων, όταν η επίλυση της εξίσωσης κίνησης γίνεται σε έναν υπολογιστή διαφορετικό από τον κεντρικό ελεγκτή των εμβόλων. Τέταρτη περίοδος: Περίοδος επιβολής της νέας στοχευόμενης μετακίνησης. Η επιβολή αυτή γίνεται μέσω μίας ράμπας με ένα προκαθορισμένο ρυθμό. Σημειώνεται ότι στις τρεις προηγούμενες περιόδους ο ελεγκτής του υδραυλικού εμβόλου το διατηρεί το έμβολο σε σταθερή θέση. Όπως προκύπτει από τα ανωτέρω, με την κλασική ψευδοδυναμική μέθοδο ο παράγοντας χρονικής διαστολής λ, που ορίζεται ως το πηλίκο του χρόνου της πειραματικής δοκιμής ως προς το χρόνο του επιταχυνσιογραφήματος, δεν είναι σταθερός κατά τη διάρκεια της δοκιμής. Αυτό ενδεχομένως να δημιουργεί προβλήματα (όπως για παράδειγμα στην ταχύτητα σύγκλισης, στην ανταλλαγή δεδομένων, κλπ) και ειδικά στην περίπτωση των υβριδικών δοκιμών, όπου μπορεί να υπάρχει μια αναλυτική υποκατασκευή σε υπολογιστή διαφορετικό από τον κεντρικό ελεγκτή των εμβόλων ή παράλληλα μια άλλη πειραματική υποκατασκευή σε ένα άλλο εργαστήριο. Επιπροσθέτως, η κίνηση του εμβόλου δεν είναι σταθερή, αλλά αποτελείται από διαδοχικές παύσεις με αποτέλεσμα να υπεισέρχονται φαινόμενα χαλάρωσης, τα οποία μπορεί να μειώσουν την αξιοπιστία των αποτελεσμάτων λόγω διαφοροποίησης της τρέχουσας τιμής της δύναμης από την τιμή που χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό της μετακίνησης. Στο Σχ. 2.4 παρουσιάζεται ένα βήμα της κλασικής ψευδοδυναμικής μεθόδου.

28 18 Σχήμα 2.4 Αλληλουχία διαδικασιών μέσα σε ένα βήμα της κλασικής ψευδοδυναμικής μεθόδου Συνεχής ψευδοδυναμική μέθοδος Εξέλιξη της κλασικής ψευδοδυναμικής μεθόδου είναι η συνεχής ψευδοδυναμική μέθοδος, η οποία παρουσιάστηκε από τους Magonette et al, 1998 (Σχ. 2.5). Κατά τη συνεχή ψευδοδυναμική μέθοδο η κίνηση των εμβόλων δεν διακόπτεται σε κάθε βήμα, αλλά αντιθέτως ο ελεγκτής κινεί το έμβολο με συνέχεια, οπότε το δοκίμιο ακολουθεί με πολύ μεγάλη ακρίβεια τις στοχευόμενες μετακινήσεις, λόγω απουσίας ασυνέχειας στην κίνηση. Η εκτέλεση κάθε βήματος αριθμητικής ολοκλήρωσης διαρκεί όσο και η περίοδος λειτουργίας του ψηφιακού ελεγκτή (για το σύστημα ελέγχου του Εργαστηρίου Κατασκευών αυτό σημαίνει 2ms). Σε κάθε περίοδο λειτουργίας μετρώνται οι δυνάμεις αντίδρασης, γίνεται η αριθμητική ολοκλήρωση, υπολογίζονται οι στοχευόμενες μετακινήσεις και η κίνηση των εμβόλων γίνεται χωρίς καμία διακοπή. Ουσιαστικά, αυτό που συμβαίνει είναι ότι το υδραυλικό σύστημα δεν μπορεί να ανταποκριθεί σε συχνότητες τόσο μεγάλες όσο του ελεγκτή (στην περίπτωσή μας 5Hz), με αποτέλεσμα να μην χρειάζονται καν οι

29 19 περίοδοι σταθεροποίησης και επιβολής των μετακινήσεων μέσω ράμπας που είχαμε στην κλασική ψευδοδυναμική μέθοδο. Σχήμα 2.5 Αλληλουχία διαδικασιών μέσα σε ένα βήμα της συνεχούς ψευδοδυναμικής μεθόδου Στην πράξη, μεταξύ δύο διαδοχικών σημείων του επιταχυνσιογραφήματος υπολογίζονται τιμές επιτάχυνσης, μέσω γραμμικής παρεμβολής. Έτσι, μεταξύ δύο τιμών του αρχικού επιταχυνσιογραφήματος, πραγματοποιούνται υπο-βήματα με διάρκεια καθενός, όση είναι και η περίοδος του ελεγκτή. Ο παράγοντας χρονικής διαστολής δίνεται από την εξ (2.3) Η ταχύτητα εκτέλεσης μιας συνεχούς ψευδοδυναμικής δοκιμής καθορίζεται από το αποδεκτό μέγεθος του πειραματικού λάθους. Μία δοκιμή μπορεί να πραγματοποιηθεί με όποια ταχύτητα επιλεγεί (δηλαδή όσο μικρότερη τιμή του λ επιλεγεί), αρκεί το πειραματικό λάθος να διατηρείται εντός ορίων που κρίνονται αποδεκτά.

30 2 Με τη συνεχή ψευδοδυναμική μέθοδο, λόγω της συνεχούς και ομαλής κίνησης των εμβόλων, δεν εμφανίζονται φαινόμενα χαλάρωσης, ενώ αυξάνεται και ο λόγος σήματος προς το θόρυβο, δεδομένου ότι πολύ μεγαλύτερος αριθμός μετρήσεων υπεισέρχεται στον αλγόριθμο ολοκλήρωσης, συντελώντας έτσι στη βελτίωση της ποιότητας των δοκιμών ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΕΝΟΣ ΕΛΕΓΚΤΗ PID Οι ελεγκτές με αναλογική ολοκληρωτική και διαφορική δράση ελέγχου (PID Proportional Integral Derivative) είναι οι πιο διαδεδομένοι ελεγκτές που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία και σε συστήματα δοκιμών για τον έλεγχο υδραυλικών εμβόλων. Οι ελεγκτές αυτοί δέχονται ως είσοδο μία στοχευόμενη μετακίνηση ή δύναμη που ζητείται να επιβληθεί στο δοκίμιο και αφού τη συγκρίνουν με το σήμα ανάδρασης που προέρχεται από ένα μετρητή δύναμης ή μετακίνησης αντίστοιχα, δημιουργούν μία ηλεκτρική εντολή που στέλνεται προς τη σερβοβαλβίδα (τάση ή ένταση ηλεκτρικού ρεύματος, ανάλογα με τον τύπο της σερβοβαλβίδας), κατά τρόπο ώστε η διαφορά μεταξύ της στοχευόμενης δύναμης ή μετακίνησης και της πραγματικής που προέρχεται από το μετρητή δύναμης ή μετακίνησης, να είναι θεωρητικά μηδενική. Αυτό γίνεται με την εφαρμογή της εξ. (2.4). (2.4) Στην παραπάνω σχέση, είναι το σήμα του ελεγκτή προς τη σερβοβαλβίδα,, και είναι οι παράμετροι PID που ορίζονται από το χρήστη του συστήματος, ώστε να επιτευχθεί ο καλύτερος έλεγχος του υδραυλικού εμβόλου και είναι το σήμα του λάθους το οποίο προκύπτει ως η διαφορά της στοχευόμενης μετακίνησης ή δύναμης και της πραγματικής που μετράται από το μετρητή μετακίνησης ή δύναμης που έχει οριστεί ως σήμα ανάδρασης, εξ. (2.5). ή (2.5) όπου και η μετακίνηση ή δύναμη, αντίστοιχα. Το δομικό διάγραμμα ενός ελεγκτή PID φαίνεται στο Σχ. 2.6.

31 21 Είσοδος Ελεγκτής PID Έξοδος Σήμα ανάδρασης Σχήμα 2.6 Δομικό διάγραμμα ενός ελεγκτή PID Η ανάγκη για καλύτερο έλεγχο των εμβόλων, ειδικά όταν αυτά είναι εφοδιασμένα με σερβοβαλβίδες τριών σταδίων (three-stage servovalves) με μεγάλη δυνατότητα παροχής λαδιού (δυναμικά έμβολα), οδήγησε στην προσθήκη και άλλων όρων στην εξ. (2.4), ώστε να λαμβάνεται υπ όψη η ταχύτητα μεταβολής της στοχευόμενης μετακίνησης ή δύναμης και η διαφορά της πίεσης μεταξύ των δύο θαλάμων του εμβόλου. Δημιουργείται έτσι ένας ελεγκτής PIDFFDP (Proportional Integral Derivative Feed-Forward Differential Pressure), ο οποίος λειτουργεί βάσει της εξ. (2.6). (2.6) όπου είναι η ταχύτητα μεταβολής της στοχευόμενης μετακίνησης και είναι η διαφορά πίεσης μεταξύ των δύο θαλάμων του εμβόλου, όπως μετράται κάθε χρονική στιγμή από αισθητήρες πίεσης. Ειδικά για το σύστημα δοκιμών που είναι εγκατεστημένο στο Εργαστήριο Κατασκευών του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών, η σχέση που διέπει τους ελεγκτές των εμβόλων δίνεται από την εξ. (2.7). (2.7) Τέλος, για λόγους πληρότητας αναφέρεται ότι η παράμετρος, η οποία συνεκτιμά την παράγωγο του λάθους, σπάνια χρησιμοποιείται στην πράξη γιατί μπορεί να οδηγήσει το

32 22 σύστημα σε αστάθεια (σε όλες τις δοκιμές της παρούσας εργασία δεν χρησιμοποιείται και λαμβάνεται ίση με μηδέν) ΣΥΣΤΗΜΑ ΥΒΡΙΔΙΚΩΝ ΔΟΚΙΜΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟΥ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ Το σύστημα ελέγχου των εμβόλων του Εργαστηρίου Κατασκευών, αναπτύχθηκε στο εργαστήριο ELSA (European Laboratory for Structural Assessment), στο ερευνητικό κέντρο JRC (Joint Research Center) της Ευρωπαϊκής Επιτροπής. Το σύστημα αυτό αποτελείται από έναν κεντρικό ελεγκτή (Master), ο οποίος επικοινωνεί με τέσσερις εξαρτώμενους ελεγκτές (Slaves). Κάθε εξαρτώμενος ελεγκτής ελέγχει από ένα υδραυλικό έμβολο, όπως φαίνεται στο Σχ MASTER S L A V E S L A V E S L A V E S L A V E Σχήμα 2.7 Δομή συστήματος ελέγχου εμβόλων Εργαστηρίου Κατασκευών

33 23 Ο κεντρικός ελεγκτής είναι αυτός που «τρέχει» τον αλγόριθμο των ψευδοδυναμικών δοκιμών και στέλνει τις στοχευόμενες μετακινήσεις στους τέσσερις εξαρτώμενους ελεγκτές των εμβόλων. Οι εξαρτώμενοι ελεγκτές είναι αυτοί που έχουν την πλήρη ευθύνη για τον έλεγχο των εμβόλων. Η επικοινωνία των εξαρτώμενων ελεγκτών με τα έμβολα γίνεται μέσω μονάδας εισόδου εξόδου (I/O module). Πρόκειται για μία κάρτα, με την οποία τα σήματα των μετρητών του εμβόλου μετατρέπονται από αναλογικά σε ψηφιακά και παράγεται η υπολογιζόμενη από τον ελεγκτή εντολή της σερβοβαλβίδας. Όταν οι εξαρτώμενοι ελεγκτές λαμβάνουν νέα στοχευόμενη μετακίνηση από τον κεντρικό ελεγκτή, την εκτελούν, ενώ σε διαφορετική περίπτωση, διατηρούν τη θέση των εμβόλων σταθερή. Ο έλεγχος των εμβόλων γίνεται μέσω ενός αναλογικού ολοκληρωτικού διαφορικού αλγόριθμου ελέγχου (PID) στον οποίο θα γίνει αναφορά παρακάτω. Ακόμα, οι εξαρτώμενοι ελεγκτές λαμβάνουν μετρήσεις από τους μετρητές δύναμης και μετακίνησης του εμβόλου και τις μεταβιβάζουν στον κεντρικό ελεγκτή. Η επικοινωνία μεταξύ των εξαρτώμενων ελεγκτών και του κεντρικού ελεγκτή γίνεται μέσω κάρτας μνήμης διπλής προσπέλασης (Dual RAM), την οποία διαθέτει κάθε ελεγκτής. Κατ αυτόν τον τρόπο, από τη στιγμή που μία μέτρηση φτάσει σε έναν εξαρτώμενο ελεγκτή, αυτή είναι αυτομάτως προσβάσιμη και από τον κεντρικό ελεγκτή. Ένα σύστημα ελέγχου εμβόλων όπως αυτό που περιγράφουμε, χρησιμοποιεί λειτουργικό σύστημα πραγματικού χρόνου (Real Time). Η διαφορά του με τα λειτουργικά συστήματα που χρησιμοποιούν οι συνήθεις ηλεκτρονικοί υπολογιστές έγκειται στο ότι ένα λειτουργικό σύστημα πραγματικού χρόνου θα πρέπει να εκτελέσει κατά προτεραιότητα συγκεκριμένες λειτουργίες μέσα σε ένα πολύ μικρό χρονικό διάστημα, που είναι η περίοδος λειτουργίας του συστήματος (στην περίπτωσή μας, 2ms). Από τη στιγμή που οι λειτουργίες αυτές αφορούν τον έλεγχο εμβόλων που ασκούν μεγάλες δυνάμεις, τυχόν καθυστερήσεις δεν μπορούν να γίνουν αποδεκτές. Ανάλογα με τη σημασία των διαφόρων εφαρμογών και λειτουργιών που «τρέχουν» στον κεντρικό και τους εξαρτώμενους ελεγκτές, μπορούμε να τις διακρίνουμε σε εκείνες που τρέχουν στο «παρασκήνιο» και σε εκείνες που τρέχουν στο «προσκήνιο». Εφαρμογές του «παρασκηνίου» ονομάζονται οι εφαρμογές που δεν είναι απαραίτητες, με την αυστηρή έννοια

34 24 του όρου, για τον έλεγχο των εμβόλων. Τέτοιες εφαρμογές είναι, για παράδειγμα, η ανανέωση των γραφημάτων, οι εντολές του χρήστη μέσω του πληκτρολογίου, οι συνδέσεις δικτύου και γενικά, κάθε εφαρμογή χαμηλής προτεραιότητας. Αντιθέτως, οι εφαρμογές που εκτελούνται στο «προσκήνιο», είναι εφαρμογές υψηλής προτεραιότητας, οι οποίες είναι κρίσιμες για τον έλεγχο των εμβόλων. Στο Σχ. 2.8 παρουσιάζεται το διάγραμμα ροής των εφαρμογών του προσκηνίου και η αλληλουχία τους σε σχέση με τις εφαρμογές του παρασκηνίου. Με κίτρινα βέλη συμβολίζεται η επικοινωνία με τα υδραυλικά έμβολα. MASTER SLAVE Εφαρμογές παρασκηνίου Εφαρμογές παρασκηνίου όχι Εξωτερική διακοπή? ναι Εξωτερική διακοπή? όχι Αναμονή του SLAVE DUAL RAM ναι Αλγόριθμος αριθμητικής ολοκλήρωσης Ανάγνωση τιμών Καταγραφή τιμών Ανάγνωση από μονάδα I/O Αναμονή του MASTER Καταγραφή δεδομένων και αποτελεσμάτων αλγορίθμου αριθμητικής ολοκλήρωσης Καταγραφή τιμών Ανάγνωση τιμών Αλγόριθμος ελέγχου (PID) Καταγραφή στη μονάδα I/O Σχήμα 2.8 Διάγραμμα ροής συστήματος ελέγχου εμβόλων Εργαστηρίου Κατασκευών

35 25 Για να κατανοηθεί καλύτερα η αλληλουχία των εφαρμογών του προσκηνίου, εξετάζεται κατωτέρω αναλυτικά η αλληλουχία ενεργειών μέσα σε χρονικό διάστημα 2ms, που είναι η περίοδος λειτουργίας του συστήματος: 1. Όταν υπάρχει μία εξωτερική διακοπή (interrupt) από το ψηφιακό ρολόι του συστήματος (κάθε 2ms), η οποία συμβαίνει ταυτόχρονα τόσο για τον κεντρικό ελεγκτή όσο και για τους εξαρτώμενους ελεγκτές, οι εξαρτώμενοι ελεγκτές εκκινούν τη διαδικασία προσκηνίου. 2. Ο κεντρικός ελεγκτής αναμένει την ολοκλήρωση των διαδικασιών των εξαρτώμενων ελεγκτών. 3. Ο κάθε εξαρτώμενος ελεγκτής διαβάζει τις μετρήσεις από τη μονάδα εισόδου - εξόδου και τις καταγράφει στη μνήμη διπλής προσπέλασης. 4. Ο κεντρικός ελεγκτής διαβάζει τις τιμές από τη μνήμη διπλής προσπέλασης. 5. Ο κεντρικός ελεγκτής υπολογίζει, με βάση τον αλγόριθμο αριθμητικής ολοκλήρωσης, τις στοχευόμενες μετακινήσεις του κάθε εμβόλου για το επόμενο βήμα. Για τον υπολογισμό των στοχευόμενων μετακινήσεων του επόμενου βήματος χρησιμοποιούνται οι δυνάμεις αντίδρασης που ανέκτησε ο ελεγκτής από τη μνήμη διπλής προσπέλασης. 6. Ο κεντρικός ελεγκτής καταγράφει τις στοχευόμενες μετακινήσεις στη μνήμη διπλής προσπέλασης. 7. Ο κάθε εξαρτώμενος ελεγκτής διαβάζει τη στοχευόμενη μετακίνηση από τη μνήμη διπλής προσπέλασης. 8. Ο εξαρτώμενος ελεγκτής εκτελεί τον αλγόριθμο ελέγχου (PID). 9. Ο εξαρτώμενος ελεγκτής διαβιβάζει στη μονάδα εισόδου εξόδου την τιμή της σερβοβαλβίδας και επιστρέφει στις διαδικασίες παρασκηνίου. Η μονάδα εισόδου εξόδου μετατρέπει την τιμή της σερβοβαλβίδας σε εντολή (±1V για σερβοβαλβίδες που δουλεύουν με τάση και ±5mA για σερβοβαλβίδες που δουλεύουν με ένταση ηλεκτρικού ρεύματος) και τη στέλνει σε αυτή.

36 26 Το λογισμικό που χρησιμοποιείται από τον κεντρικό ελεγκτή (Master.exe) έχει δημιουργηθεί σε γλώσσα προγραμματισμού C++. Το λογισμικό αυτό αποτελείται από διάφορες μονάδες, οι οποίες παρουσιάζουν τη δομή που φαίνεται στο Σχ AcqCtrlKernel Γενική βιβλιοθήκη (παράθυρα, εσωτερική βάση δεδομένων κλπ) AcqCtrlUtil Η βάση της εφαρμογής που χρησιμοποιείται από τον κεντρικό ελεγκτή Master Πρότυπο κύριας εφαρμογής Acquisition Τελική εφαρμογή χρήστη για την καταγραφή MasterXXX Τελική εφαρμογή χρήστη (MasterPID, MasterIFF κλπ) MasterDLL Τελική εφαρμογή χρήστη που χρησιμοποιεί ένα DLL όπου εφαρμόζεται ο αλγόριθμος UserAlgorithm DLL όπου εφαρμόζεται ο αλγόριθμος Σχήμα 2.9 Αρχιτεκτονική του λογισμικού του κεντρικού ελεγκτή Η αρχιτεκτονική του λογισμικού είναι δομημένη με τέτοιον τρόπο ώστε αν ο χρήστης του συστήματος, επιθυμεί να προβεί σε οποιαδήποτε αλλαγή στον αλγόριθμο της ψευδοδυναμικής δοκιμής, να μη χρειάζεται να επέμβει σε ολόκληρη την αρχιτεκτονική του λογισμικού. Το μόνο που χρειάζεται είναι να δημιουργήσει ένα αρχείο DLL (Dynamic Link Library), στο οποίο θα έχει υλοποιήσει τη μορφή του αλγορίθμου που επιθυμεί. Έτσι, με σχετικά διαφανή τρόπο, κάθε χρήστης μπορεί να προγραμματίσει σε γλώσσα C++ τον επιθυμητό αλγόριθμο, αρκεί να χρησιμοποιήσει τις κυψέλες μνήμης (memory blocks) που είναι κοινές για όλο το σύστημα (οι κυψέλες μνήμης περιέχουν όλες τις μεταβλητές που

37 27 χρησιμοποιούνται από το σύστημα ελέγχου των εμβόλων, διασυνδεδεμένες με τις σχέσεις ιεραρχίας που έχουν μεταξύ τους). Στην Εικ. 2.1 μπορούμε να δούμε μία φωτογραφία του συστήματος ελέγχου του Εργαστηρίου Κατασκευών. Όπως φαίνεται, το σύστημα ελέγχου αποτελείται από πέντε οθόνες, με αντίστοιχα πληκτρολόγια. Η κεντρική οθόνη αφορά τον κεντρικό ελεγκτή εκεί, ο χρήστης του συστήματος μπορεί να παρακολουθήσει παραμέτρους σχετιζόμενες με την ψευδοδυναμική μέθοδο και να επέμβει σε ορισμένες από αυτές, όπως για παράδειγμα στην ταχύτητα εκτέλεσης της δοκιμής. Οι υπόλοιπες οθόνες αφορούν τους εξαρτώμενους ελεγκτές εκεί, ο χρήστης μπορεί να παρακολουθήσει παραμέτρους σχετιζόμενες με το υδραυλικό έμβολο που καθένας ελέγχει και να επέμβει σε ορισμένες από αυτές, όπως για παράδειγμα στις παραμέτρους αναλογικού ολοκληρωτικού διαφορικού ελέγχου (PID). Οθόνη κεντρικού ελεγκτή Οθόνες εξαρτώμενων ελεγκτών Εικόνα 2.1 Άποψη του συστήματος ελέγχου του Εργαστηρίου Κατασκευών

38 28 3. ΚΑΙΝΟΤΟΜΟΣ ΜΕΘΟΔΟΣ ΕΛΕΓΧΟΥ ΔΟΚΙΜΩΝ Στο κεφάλαιο αυτό περιγράφονται αναλυτικά δύο προσεγγίσεις στο πρόβλημα δοκιμής δύσκαμπτων κατασκευών. Η πρώτη βασίζεται σε μια ad-hoc μέθοδο με τον έλεγχο των εμβόλων σε δύναμη, χωρίς χρήση του εφαπτομενικού μητρώου δυσκαμψίας, μέσω της ανάπτυξης ενός λογικού ελεγκτή. Η εφαρμογή της μεθόδου κατέδειξε τις σοβαρές αδυναμίες της και την έλλειψη γενικότητας στην αντιμετώπιση του προβλήματος. Οριστική λύση δίνεται με τη δεύτερη μέθοδο του διπλού ελεγκτή, η οποία επίσης δεν κάνει χρήση του εφαπτομενικού μητρώου δυσκαμψίας. Όπως προέκυψε από τις δοκιμές η υιοθέτηση της στρατηγικής του διπλού ελεγκτή, δεν απαντά μόνο στις υβριδικές δοκιμές δύσκαμπτων κατασκευών, αλλά είναι εφαρμόσιμη και σε άλλες περιπτώσεις δοκιμών κατασκευών. 3.1 ΑΝΑΠΤΥΞΗ AD-HOC ΕΛΕΓΚΤΗ Όπως κατεδείχθη στη βιβλιογραφική ανασκόπηση, η εύρεση του εφαπτομενικού μητρώου δυσκαμψίας σε κάθε βήμα της δοκιμής παρουσιάζει αντικειμενικές δυσκολίες και αποτελεί πηγή πειραματικού σφάλματος. Έτσι, ως μια πρώτη προσέγγιση, αποφασίστηκε να διερευνηθεί η δυνατότητα επιβολής των στοχευόμενων δυνάμεων χωρίς τη χρήση του εφαπτομενικού μητρώου δυσκαμψίας. Οι στοχευόμενες δυνάμεις που πρέπει να ασκήσουν τα έμβολα σε κάθε βήμα, προκύπτουν με βάση τις στοχευόμενες μετακινήσεις, όπως αυτές υπολογίζονται από ένα αλγόριθμο αριθμητικής ολοκλήρωσης, το αρχικό μητρώο δυσκαμψίας και τον προγραμματισμό ενός λογικού ελεγκτή (χρησιμοποιώντας δηλαδή λογικούς τελεστές). Για να γίνει αυτό καλύτερα αντιληπτό, ας θεωρήσουμε το παράδειγμα ενός συστήματος με ένα βαθμό ελευθερίας και ας δούμε αναλυτικά την αλληλουχία των βημάτων. Με βάση τον αλγόριθμο αριθμητικής ολοκλήρωσης υπολογίζεται η στοχευόμενη μετακίνηση του επόμενου βήματος.

39 29 Στο έμβολο (το οποίο είναι σε έλεγχο δύναμης), αποστέλλεται ως στοχευόμενη δύναμη ένα ποσοστό του γινομένου της μετακίνησης που υπολογίστηκε από την αριθμητική ολοκλήρωση επί την αρχική δυσκαμψία. Η επιλογή εφαρμογής ενός ποσοστού της υπολογιζόμενης δύναμης γίνεται για να εξασφαλισθεί ότι αν η δυσκαμψία του δοκιμίου έχει μειωθεί σημαντικά, δεν θα ξεπερασθεί η στοχευόμενη μετακίνηση. Στην τελευταία αυτή περίπτωση θα είχαμε κύκλους φόρτισηςαποφόρτισης οι οποίοι δεν ανταποκρίνονται στην απόκριση του δοκιμίου και εισάγουν πειραματικό λάθος. Μετράται η μετακίνηση που προκύπτει λόγω της επιβληθείσας δύναμης. Αν αυτή είναι μικρότερη της στοχευόμενης, εφαρμόζεται ένα μεγαλύτερο ποσοστό της υπολογισθείσας δύναμης, ενώ αν είναι μεγαλύτερη, εφαρμόζεται ένα μικρότερο ποσοστό αυτής. Η διαδικασία σύγκλισης επαναλαμβάνεται μέχρι να επιτευχθεί η στοχευόμενη μετακίνηση με ένα περιθώριο λάθους το οποίο θα θεωρηθεί αποδεκτό. Εφόσον επιτευχθεί η στοχευόμενη μετακίνηση, καταγράφονται οι τιμές της δύναμης και της μετακίνησης και η διαδικασία προχωρά στο επόμενο χρονικό βήμα. Είναι προφανές ότι, από τη στιγμή που για την εύρεση εκείνων των στοχευόμενων δυνάμεων που θα αντιστοιχούν σε μετακινήσεις ίσες με αυτές που υπολογίστηκαν από την αριθμητική ολοκλήρωση, απαιτούνται διαδοχικές προσεγγίσεις, η χρήση της κλασικής ψευδοδυναμικής μεθόδου είναι επιβεβλημένη. Για την εφαρμογή της προτεινόμενης διαδικασίας, αποφασίστηκε η αριθμητική ολοκλήρωση και ο προγραμματισμός του λογικού ελεγκτή να μη γίνουν στον κεντρικό ελεγκτή, αλλά σε έναν εξωτερικό υπολογιστή που θα επικοινωνεί με τον κεντρικό ελεγκτή μέσω διαδικτύου. Αυτό έγινε διότι ο προγραμματισμός ενός τέτοιου αλγορίθμου είναι αρκετά περίπλοκος και είναι αρκετά πιο εύκολο αυτός να γίνει χρησιμοποιώντας έναν εξωτερικό ηλεκτρονικό υπολογιστή σε γλώσσα προγραμματισμού MATLAB, από το να προγραμματιστεί ο αλγόριθμος στον κεντρικό ελεγκτή σε γλώσσα προγραμματισμού C++. Επιπροσθέτως, αν ο προγραμματισμός γίνει απ ευθείας στον κεντρικό ελεγκτή και διαπιστωθούν δυσλειτουργίες του αλγορίθμου, με δεδομένο ότι ο κεντρικός ελεγκτής

40 3 χρησιμοποιεί λειτουργικό σύστημα πραγματικού χρόνου, δεν είναι εύκολο να γίνει αποσφαλμάτωση (debugging) για να εντοπιστούν τυχούσες δυσλειτουργίες. Η επικοινωνία μεταξύ του κεντρικού ελεγκτή και του εξωτερικού υπολογιστή γίνεται χρησιμοποιώντας το διαδικτυακό πρωτόκολλο επικοινωνίας DCOM (Distributed Communication, Microsoft). Ο κεντρικός ελεγκτής ενεργοποιεί ένα αρχείο τύπου DLL (Dynamic Link Library), (Σχ. 2.9) που εκτελεί τις παρακάτω λειτουργίες: Κατ αρχάς, πριν την εκκίνηση της δοκιμής δημιουργεί, μέσω μιας θύρας, μια ασφαλή σύνδεση με τον εξωτερικό υπολογιστή, μέσω της οποίας του στέλνει τις στοχευόμενες δυνάμεις. Αναμένει νέες στοχευόμενες δυνάμεις, διατηρώντας τη στοχευόμενη δύναμη των εμβόλων σταθερή. Οι στοχευόμενες δυνάμεις συνοδεύονται και από το χρονικό διάστημα (ramp time), εντός του οποίου ο κεντρικός ελεγκτής πρέπει να τις επιβάλει στο δοκίμιο μέσω μιας ράμπας. Αυτό γίνεται για να εξασφαλιστεί ότι ο ρυθμός επιβολής της δύναμης δεν θα ξεπεράσει κάποιο όριο που μπορεί να οδηγήσει τα έμβολα να βγουν εκτός ελέγχου. Όταν ο κεντρικός ελεγκτής λάβει τις στοχευόμενες δυνάμεις, εκτελεί την εντολή βάσει της διαδικασίας που περιγράφηκε στο Σχ Γίνεται καταγραφή των μετρήσεων δύναμης και μετακίνησης. Oι μετρήσεις στέλνονται στον εξωτερικό υπολογιστή και ο κεντρικός ελεγκτής περνάει σε κατάσταση αναμονής, διατηρώντας τη δύναμη των εμβόλων σταθερή. Ο αλγόριθμος του εξωτερικού υπολογιστή, (ο οποίος δημιουργήθηκε σε γλώσσα προγραμματισμού MATLAB), εκτελεί τις κάτωθι λειτουργίες: Κατ αρχάς, πριν την εκκίνηση της δοκιμής δημιουργεί μία ασφαλή σύνδεση με τον κεντρικό ελεγκτή μέσω της διαθέσιμης θύρας. Με τη βοήθεια ενός αλγόριθμου αριθμητικής ολοκλήρωσης υπολογίζει τις μετακινήσεις του επόμενου βήματος. Το κάθε βήμα ολοκλήρωσης έχει διάρκεια όσο

41 31 το βήμα του επιταχυνσιογραφήματος. Για την εφαρμογή που περιγράφεται εδώ, χρησιμοποιήθηκε ο έμμεσος αλγόριθμος α-operator Splitting (Σχ. 2.2), ο οποίος είναι ευσταθής και διαθέτει καλή ακρίβεια. Υπολογίζει τις στοχευόμενες δυνάμεις, οι οποίες ισούνται με το γινόμενο του αρχικού μητρώου δυσκαμψίας (έχει υπολογιστεί πειραματικά πριν την εκκίνηση της δοκιμής) επί τις μετακινήσεις που προέκυψαν από την αριθμητική ολοκλήρωση, πολλαπλασιασμένο με ένα συντελεστή μικρότερο της μονάδας. Καθορίζεται το χρονικό διάστημα μέσα στο οποίο θα πρέπει να επιβληθεί από το έμβολο η δύναμη βάσει ενός προκαθορισμένου ρυθμού επιβολής της δύναμης. Στέλνονται στον κεντρικό ελεγκτή οι στοχευόμενες δυνάμεις μαζί με το χρονικό διάστημα επιβολής. Το σύστημα περνάει σε κατάσταση αναμονής μέχρι ο κεντρικός ελεγκτής να ολοκληρώσει την επιβολή των δυνάμεων και τη λήψη των σχετικών μετρήσεων. Λαμβάνει τις τιμές των μετρήσεων δύναμης και μετακίνησης. Αν η μετακίνηση του δοκιμίου είναι ίση (με ένα περιθώριο λάθους) με την επιθυμητή προχωράει στο επόμενο βήμα, διαφορετικά μπαίνει σε ένα βρόχο υποβημάτων με την αποστολή νέων εντολών δύναμης ανάλογα με το αν επιθυμείται μεγαλύτερη ή μικρότερη μετακίνηση μέχρι την επίτευξη σύγκλισης. Το τελευταίο βήμα περιγράφει την ουσία του λογικού ελεγκτή. Μέσω λογικών τελεστών και κατάλληλων συνθηκών μπορεί να καθορισθεί ο τρόπος μεταβολής της δύναμης, ώστε να επιτευχθεί η σύγκλιση μεταξύ της επιδιωκόμενης μετακίνησης και αυτής που τελικά επιτυγχάνεται μέσω της ασκούμενης δύναμης. Στην ουσία, δηλαδή, ο χρήστης ελέγχει τη δύναμη του εμβόλου, αλλά με τέτοιον τρόπο, ώστε να επιτυγχάνεται η επιθυμητή μετακίνηση. Αν και ο ελεγκτής που δημιουργήθηκε, λειτουργεί (τουλάχιστον για πολύ απλά συστήματα), έχει πολλά αδύνατα σημεία. Κατ αρχάς, στη γενική περίπτωση περισσότερων του ενός βαθμών ελευθερίας και με πεπλεγμένο μητρώο δυσκαμψίας, απαιτείται μεγάλος αριθμός υποβημάτων για να επέλθει σύγκλιση σε όλους τους βαθμούς ελευθερίας. Μάλιστα, όσο περισσότεροι είναι οι βαθμοί ελευθερίας του δοκιμίου τόσο μεγαλώνει και ο αριθμός των

42 32 υποβημάτων που απαιτούνται. Αν ληφθεί υπ όψη και το ότι για την ολοκλήρωση κάθε υποβήματος χρειάζεται χρόνος περίπου 2sec, γίνεται κατανοητό ότι η διάρκεια της δοκιμής επιμηκύνεται και σε περίπτωση πολυβάθμιων συστημάτων η διαδικασία καθίσταται απαγορευτική. Επιπροσθέτως, λόγω της χρήσης της κλασικής ψευδοδυναμικής μεθόδου και του μεγάλου αριθμού των υποβημάτων, τα φαινόμενα χαλάρωσης θα ήταν σημαντικά, με συνέπεια τη μείωση της αξιοπιστίας της δοκιμής. Τέλος, δεν θα μπορούσε να αποφευχθεί σε κάποιες περιπτώσεις, να υπάρχουν κατά την προσπάθεια σύγκλισης, παρασιτικοί κύκλοι αποφόρτισης-επαναφόρτισης, οι οποίοι επιδρούν αρνητικά στην αξιοπιστία των αποτελεσμάτων. 3.2 ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΗ ΔΙΠΛΟΥ ΕΛΕΓΚΤΗ Περιγραφή της στρατηγικής Αν κανείς θέσει προσωρινά στο περιθώριο τις αδυναμίες που παρουσίαζε η παραπάνω υλοποίηση, η διαφοροποίησή της σε σχέση με την περίπτωση της δοκιμής με έλεγχο της μετακίνησης, είναι η παρεμβολή ενός επιπλέον ελεγκτή (του «λογικού» ελεγκτή που δημιουργήθηκε). Σε επίπεδο ελέγχου, ο «λογικός» ελεγκτής είχε ως είσοδο τη μετακίνηση που προέκυπτε από την αριθμητική ολοκλήρωση της εξίσωσης κίνησης, ως σήμα ανάδρασης τη μετακίνηση του εμβόλου όπως μετρούνταν από μετρητή μετακίνησης και ως έξοδο τη δύναμη που έπρεπε να επιβάλει το έμβολο στο δοκίμιο. Στη συνέχεια, αυτή η δύναμη αποτελούσε το σήμα εισόδου για τον εξαρτώμενο ελεγκτή του κεντρικού ελεγκτή (ελεγκτής PID), που είχε ως σήμα ανάδρασης τη δύναμη, όπως αυτή μετριόταν από τη δυναμοκυψέλη του εμβόλου και ως έξοδο την εντολή προς τη σερβοβαλβίδα του εμβόλου. Αν, όμως, το πρόβλημα της διενέργειας μιας υβριδικής δοκιμής με έλεγχο της δύναμης μπορεί τελικά να αντιμετωπιστεί με την παρεμβολή ενός επιπλέον ελεγκτή, γεννάται το ερώτημα για ποιο λόγο να μη χρησιμοποιηθεί ένας αλγόριθμος ελέγχου PID ο οποίος θα είναι και αποτελεσματικότερος από τον παραπάνω ad-hoc «λογικό». Από τα ανωτέρω αναδεικνύεται η κεντρική ιδέα της πρωτότυπης στρατηγικής που προτείνεται με την παρούσα διατριβή: ο έλεγχος του εμβόλου ανατίθεται σε δύο εν σειρά αλγορίθμους τύπου PID.

43 33 Όπως αναφέρθηκε και στο κεφάλαιο 2.3, το σύστημα ελέγχου του Εργαστηρίου Κατασκευών διαθέτει τέσσερις εξαρτώμενους ελεγκτές, ο κάθε ένας εκ των οποίων χρησιμοποιεί έναν αλγόριθμο PID. Επομένως, αντί να δημιουργηθεί δεύτερος αλγόριθμος PID σε κάθε εξαρτώμενο ελεγκτή, χρησιμοποιούνται ταυτοχρόνως δύο εξαρτώμενοι ελεγκτές για τον έλεγχο κάθε εμβόλου. Η εφαρμογή της προτεινόμενης στρατηγικής δεν περιορίζεται μόνο στην περίπτωση των υβριδικών δοκιμών. Η χρήση δύο ελεγκτών εν σειρά μπορεί να βρει ευρεία εφαρμογή σε διάφορους τύπους δοκιμών, όπως για παράδειγμα στις στατικές δοκιμές. Η γενική μορφή της στρατηγικής παρουσιάζεται μέσω του δομικού διαγράμματος του Σχ Ως είσοδος θεωρείται η χρονοϊστορία που ζητείται να επιβληθεί η οποία μπορεί να αναφέρεται σε μετακινήσεις ή δυνάμεις, ανάλογα με το τι παράγεται από τον αλγόριθμο. Το σήμα εισόδου, συγκρινόμενο με το σήμα ανάδρασης 1, δημιουργεί το σήμα του λάθους το οποίο στη συνέχεια οδηγείται στον ελεγκτή 1. Το σήμα εξόδου από τον ελεγκτή 1, το οποίο υπό κανονικές συνθήκες (ένας ελεγκτής ανά έμβολο) θα ήταν το σήμα που θα οδηγούσε τη σερβοβαλβίδα του εμβόλου, αποτελεί τώρα, αφού ενισχυθεί, το σήμα εισόδου για τον ελεγκτή 2 και συγκρινόμενο με το σήμα ανάδρασης 2, το οποίο είναι δύναμη ή μετακίνηση ανάλογα με το αν το υδραυλικό έμβολο βρίσκεται σε έλεγχο δύναμης ή μετακίνησης, δίνει το σήμα του λάθους. Το σήμα αυτό οδηγείται στον ελεγκτή 2, οπότε προκύπτει το σήμα εξόδου (έξοδος 2 στο σχήμα) που οδηγείται στη σερβοβαλβίδα του εμβόλου (στο εύρος ±1V ή ±5mA, ανάλογα με το αν η σερβοβαλβίδα λειτουργεί με τάση ή με ένταση ηλεκτρικού ρεύματος). Ο λόγος της ενίσχυσης του σήματος πριν οδηγηθεί στον ελεγκτή 2, οφείλεται στο γεγονός ότι στην παρούσα υλοποίηση οι ελεγκτές 1 και 2 είναι οι εξαρτώμενοι ελεγκτές που προορίζονται να ελέγχουν τα έμβολα μέσω σερβοβαλβίδων, και έχουν ως σήμα εξόδου του αλγόριθμου PID τιμές με εύρος ±1 (η τιμή αυτή μετατρέπεται στη συνέχεια από μία γεννήτρια ηλεκτρικού σήματος που διαθέτει ο εξαρτώμενος ελεγκτής σε σήμα ±1V ή ±5mA ανάλογα με τον αν η χρησιμοποιούμενη σερβοβαλβίδα λειτουργεί με τάση ή με ένταση ηλεκτρικού ρεύματος). Το σήμα εξόδου από τον ελεγκτή 1 πρέπει να ενισχυθεί, ούτως ώστε να αντιστοιχεί στο πλήρες εύρος της δύναμης ή μετακίνησης του υδραυλικού εμβόλου, ανάλογα με το αν αυτό βρίσκεται σε έλεγχο δύναμης ή μετακίνησης (αν για παράδειγμα το

44 34 έμβολο είναι σε έλεγχο δύναμης και έχει δυνατότητα επιβολής μέγιστης δύναμης ±5 kn, το σήμα θα πρέπει να πολλαπλασιαστεί επί 5 για να καλύπτει το πλήρες εύρος του εμβόλου). Η αξιοπιστία, αποτελεσματικότητα και γενικότητα της προτεινόμενης μεθόδου DCM (Dual Control Mode), ελέγχθηκαν βάσει δοκιμών δύο επιπέδων: με το έμβολο εν κενώ (χωρίς φορτίο) και με το έμβολο αγκυρωμένο σε μια πολύ δύσκαμπτη κατασκευή. Είσοδος Ελεγκτής 1 PID ενίσχυση Έξοδος 1 Ελεγκτής 2 PID Έξοδος 2 Σήμα ανάδρασης 2 Σήμα ανάδρασης 1 Σχήμα 3.1 Δομικό διάγραμμα της προτεινόμενης στρατηγικής Εφαρμογή του διπλού ελεγκτή σε έλεγχο μετακίνησης/μετακίνησης Κατά την πρώτη φάση πιστοποίησης της προτεινόμενης στρατηγικής, αποφασίστηκε η διενέργεια στατικών δοκιμών. Επιλέχθηκε το υδραυλικό έμβολο να είναι σε έλεγχο της μετακίνησης, με το σήμα ανάδρασης να προέρχεται από τον εσωτερικό μετρητή μετακίνησης του εμβόλου, ενώ το σήμα εισόδου που είναι μία ιστορία μετακινήσεων, να ελέγχεται με βάση έναν εξωτερικό μετρητή μετακίνησης τύπου Temposonic. Ο εξωτερικός μετρητής μετακίνησης είναι προσαρμοσμένος στο σώμα του υδραυλικού εμβόλου, ενώ η κεφαλή του είναι προσαρμοσμένη στο άκρο του κινούμενου τμήματος του εμβόλου, όπως φαίνεται και στην Εικ. 3.1 (σε περίγραμμα ο εξωτερικός μετρητής μετακινήσεων).

45 35 Εικ. 3.1 Φωτογραφία του εμβόλου με τον εξωτερικό αισθητήρα Ένα τέτοιο σχήμα βρίσκει πρακτική εφαρμογή στην περίπτωση στατικής δοκιμής όπου επιδιώκεται ο έλεγχος της μετακίνησης του υδραυλικού εμβόλου μέσω του εσωτερικού μετρητή μετακίνησης, ώστε να αποφεύγονται τα προβλήματα που προκαλούν ενδεχόμενες μηχανικές ανοχές («τζόγοι») και να επιτυγχάνεται ο βέλτιστος δυνατός έλεγχος του εμβόλου. Ταυτόχρονα η ιστορία των μετακινήσεων ελέγχεται με έναν εξωτερικό μετρητή μετακίνησης που είναι προσαρμοσμένος στο δοκίμιο. Μάλιστα, ο εξωτερικός μετρητής μετακινήσεων θα μπορεί να βρίσκεται, ενδεχομένως, υπό γωνία σε σχέση με τη διεύθυνση κίνησης του υδραυλικού εμβόλου. Για το λόγο αυτό, ο εξωτερικός μετρητής μετακινήσεων σκοπίμως δεν είναι παράλληλος στον άξονα του υδραυλικού εμβόλου, ούτως ώστε οι δύο μετρητές μετακινήσεων (εσωτερικός και εξωτερικός) να μην καταγράφουν την ίδια μετακίνηση. Σημειώνεται ότι η τρέχουσα πρακτική για την αντιμετώπιση της διαφοράς μεταξύ της διεύθυνσης της μετρούμενης μετακίνησης και της διεύθυνσης της στοχευόμενης μετακίνησης (ή της μετακίνησης που προκύπτει από τον αλγόριθμο, προκειμένου για τις υβριδικές δοκιμές) απαιτεί κατάλληλους γεωμετρικούς μετασχηματισμούς σε κάθε βήμα. Το δομικό διάγραμμα της περίπτωσης που εξετάζεται παρουσιάζεται στο Σχ. 3.2.

46 36 Είσοδος μετακίνηση Ελεγκτής 1 PID ενίσχυση Έξοδος 1 Ελεγκτής 2 PID Έξοδος 2 Εσωτερ. μετρητής μετακίνησης Εξωτερ. μετρητής μετακίνησης Σχήμα 3.2 Δομικό διάγραμμα με είσοδο μετακίνηση και έλεγχο μετακίνησης Ως ιστορία μετακινήσεων επιλέχθηκε ένα κυκλικό, ημιτονοειδές σήμα μεταβλητού εύρους και περιόδου, αποτελούμενου από 218 σημεία. Στην αρχή υπάρχουν 1 σημεία με μηδενική μετακίνηση για λόγους σταθεροποίησης του συστήματος. Ακολουθεί 1/4 ημιτονοειδούς κύκλου μέχρι τα -2mm που είναι και η ουσιαστική εκκίνηση της χρονοϊστορίας που θέλουμε να επιβάλουμε. Αυτό επιλέγεται ώστε να ξεκινάει το έμβολο με μηδενική ταχύτητα. Αν η χρονοϊστορία των ημιτονοειδών κύκλων ξεκινούσε από το μηδέν, αυτό θα σήμαινε ότι το έμβολο θα εκκινούσε με τη μέγιστη ταχύτητα και θα εμφανίζονταν μεγάλο σφάλμα που θα αλλοίωνε τα αποτελέσματα (η εκκίνηση με τη μέγιστη ταχύτητα αντιστοιχεί σε μια συνάρτηση βήματος που είναι η πλέον απαιτητική δοκιμή στην οποία μπορούμε να υποβάλουμε ένα σύστημα υδραυλικών εμβόλων). Για τη διερεύνηση της επιρροής του εύρους κίνησης του εμβόλου οι τρεις πρώτοι κύκλοι είναι αυξανόμενου εύρους ±2, 4 και 6mm και αντίστοιχα αυξανόμενης περιόδου. Ο τελευταίος κύκλος συνεχίζει για 1/4 του κύκλου επιπλέον (για να γίνει η αλλαγή της περιόδου σε σημείο μηδενικής ταχύτητας) και στη συνέχεια, ακολουθούν 2 κύκλοι ίδιου εύρους με περίοδο 2/3 και 1/3 αυτού, για τη διερεύνηση της επιρροής της ταχύτητας κίνησης του εμβόλου. Τα παραπάνω παρουσιάζονται στο Σχ. 3.3 όπου η επιθυμητή χρονοϊστορία είναι μεταξύ των κόκκινων γραμμών, ενώ με πράσινες γραμμές διαχωρίζονται οι επιμέρους κύκλοι.

47 displacement (mm) Ανάπτυξη καινοτόμου συστήματος ελέγχου υβριδικών δοκιμών δύσκαμπτων κατασκευών υπό σεισμική διέγερση points Σχήμα 3.3 Χρονοϊστορία επιβληθεισών μετακινήσεων Πραγματοποιήθηκε μεγάλος αριθμός δοκιμών για την εκτίμηση των παραγόντων P,I που βελτιστοποιούν την απόκριση του συστήματος. Για τον ελεγκτή 2 ο οποίος είναι υπεύθυνος για τον έλεγχο του εμβόλου, η επιλογή των παραγόντων P,I γίνεται όπως θα γίνονταν σε οποιαδήποτε δοκιμή. Πρόκειται για εκείνους τους παράγοντες που ελαχιστοποιούν το λάθος, ενώ ταυτόχρονα δεν οδηγούν σε αστάθεια το σύστημα. Σε όλες τις δοκιμές που πραγματοποιήθηκαν με έλεγχο μετακίνησης χρησιμοποιήθηκαν οι τιμές P=.8 και I=15 για τον ελεγκτή 2. Έτσι, αυτό που πρέπει να εκτιμηθεί είναι οι παράγοντες P,I του ελεγκτή 1. Πρόκειται για τον ελεγκτή ο οποίος τροποποιεί το σήμα εισόδου, δηλαδή τη στοχευόμενη μετακίνηση του εμβόλου, ώστε το σύστημα να ανταποκρίνεται καλύτερα στην επιθυμητή χρονοϊστορία. Στο Σχ. 3.4 παρουσιάζεται η απόκριση του συστήματος για P=.12 και I=15 στον ελεγκτή 1. Με πράσινο χρώμα είναι η επιθυμητή χρονοϊστορία μετακινήσεων, ενώ με κόκκινο χρώμα είναι η πραγματική μετακίνηση του εμβόλου, όπως μετράται από τον αισθητήρα μετακίνησης (που είναι και το σήμα ανάδρασης για τον ελεγκτή 1). Το διάγραμμα στα δεξιά είναι μεγέθυνση του αριστερού διαγράμματος στο γρηγορότερο κύκλο.

48 displacement (mm) displacement (mm) Ανάπτυξη καινοτόμου συστήματος ελέγχου υβριδικών δοκιμών δύσκαμπτων κατασκευών υπό σεισμική διέγερση 38 6 tempo1 target tempo1 target Σχήμα 3.4 Διάγραμμα μετακινήσεων για τιμές P=.12 και I=15 στον ελεγκτή 1 (πάνω) και λεπτομέρεια (κάτω) Αυτό που έχει ενδιαφέρον είναι η μεταβολή του λάθους ελέγχου στους δύο ελεγκτές του συστήματός. Αυτό παρουσιάζεται στο Σχ Όπως φαίνεται λοιπόν στο κάτω διάγραμμα, ο έλεγχος του εμβόλου είναι εξαιρετικός, καθώς το λάθος κινείται στα όρια ανάλυσης του αισθητήρα μετακίνησης (±2μm). Ουσιαστικά, όλο το πειραματικό λάθος του

49 error2 (mm) error1 (mm) Ανάπτυξη καινοτόμου συστήματος ελέγχου υβριδικών δοκιμών δύσκαμπτων κατασκευών υπό σεισμική διέγερση 39 συστήματος, που συνίσταται στο άθροισμα του λάθους των δύο ελεγκτών, οφείλεται στον ελεγκτή 1 και στις παραμέτρους P,I που αυτός έχει x Σχήμα 3.5 Διάγραμμα του λάθους ελέγχου στον ελεγκτή 1 (πάνω) και 2 (κάτω) με τιμές P=.12 και I=15 στον ελεγκτή 1 Στο Σχ. 3.6 παρουσιάζεται η απόκριση του συστήματος στην ίδια χρονοϊστορία μετακινήσεων με παραμέτρους, P=.12 και I=3 για τον ελεγκτή 1. Είναι εμφανές ότι, πλέον, η απόκριση του συστήματος βελτιώνεται αισθητά. Αυτό φαίνεται από τη σύγκριση του

50 displacement (mm) displacement (mm) Ανάπτυξη καινοτόμου συστήματος ελέγχου υβριδικών δοκιμών δύσκαμπτων κατασκευών υπό σεισμική διέγερση 4 Σχ. 3.7, όπου παρουσιάζεται το λάθος που καταγράφεται στους δύο ελεγκτές, με το Σχ Αυτή η βελτίωση στην απόκριση του συστήματος οφείλεται αποκλειστικά στην αλλαγή της παραμέτρου I μεταξύ των δύο αυτών δοκιμών. Είναι φανερό ότι με κατάλληλες δοκιμές θα μπορούσαμε να εκτιμήσουμε τιμές για τα P,I, οι οποίες θα βελτιστοποιούν την απόκριση του συστήματος. 8 6 tempo1 target tempo1 target Σχήμα 3.6 Διάγραμμα μετακινήσεων για τιμές P=.12 και I=3 στον ελεγκτή 1 (πάνω) και λεπτομέρεια (κάτω)

51 error2 (mm) error1 (mm) Ανάπτυξη καινοτόμου συστήματος ελέγχου υβριδικών δοκιμών δύσκαμπτων κατασκευών υπό σεισμική διέγερση x Σχήμα 3.7 Διάγραμμα του λάθους ελέγχου στον ελεγκτή 1 (πάνω) και 2 (κάτω) με τιμές P=.12 και I=3 στον ελεγκτή 1 Από τα Σχ. 3.5 και Σχ. 3.7 γίνεται αντιληπτό ότι η απόκριση του συστήματος δεν επηρεάζεται από το εύρος της κίνησης του εμβόλου, αλλά από την ταχύτητα μεταβολής της χρονοϊστορίας (στους κύκλους αυξανόμενου εύρους αλλά σταθερής ταχύτητας το λάθος ελέγχου διατηρείται σταθερό, ενώ αυξάνεται στους γρηγορότερους κύκλους). Αυτό φαίνεται πιο καθαρά στο Σχ. 3.8, όπου υπολογίζεται η ταχύτητα του εμβόλου και η ταχύτητα που

52 velocity (mm/sec) velocity (mm/sec) Ανάπτυξη καινοτόμου συστήματος ελέγχου υβριδικών δοκιμών δύσκαμπτων κατασκευών υπό σεισμική διέγερση 42 προκύπτει με βάση τη χρονοϊστορία των μετακινήσεων και παρουσιάζονται συναρτήσει του λάθους του ελεγκτή 1. Το πάνω διάγραμμα είναι για P=.12 και I=15, ενώ το κάτω διάγραμμα είναι για P=.12 και I= actuator velocity pattern velocity error1 (mm).8.6 actuator velocity pattern velocity error1 (mm) Σχήμα 3.8 Διάγραμμα της ταχύτητας του εμβόλου και της ταχύτητας που προκύπτει με βάση τη χρονοϊστορία των μετακινήσεων συναρτήσει του λάθους του ελεγκτή 1 για P=.12, I=15 (πάνω) και P=.12, I=3 (κάτω)

53 error1 (mm) Ανάπτυξη καινοτόμου συστήματος ελέγχου υβριδικών δοκιμών δύσκαμπτων κατασκευών υπό σεισμική διέγερση 43 Προκύπτει δηλαδή ότι, ανεξάρτητα της ποιότητας ελέγχου στον ελεγκτή 1, το λάθος σχετίζεται σε πολύ καλή προσέγγιση γραμμικά με την ταχύτητα κίνησης του υδραυλικού εμβόλου. Συνεπώς, αν υπολογισθεί η κλίση του διαγράμματος ταχύτητας του υδραυλικού εμβόλου συναρτήσει του λάθους για συγκεκριμένα P,I του ελεγκτή 1, το λάθος του ελεγκτή 1 με τα ίδια P,I θα μπορεί να υπολογισθεί σε οποιοδήποτε σημείο, οποιασδήποτε επιβαλλόμενης χρονοϊστορίας μετακινήσεων. Κατ αυτόν τον τρόπο, με βάση την κλίση της ταχύτητας του εμβόλου συναρτήσει του λάθους, υπολογίζεται το αναμενόμενο θεωρητικό λάθος και συγκρίνεται με το πραγματικό λάθος, όπως αυτό καταγράφηκε κατά τη δοκιμή. Η σύγκριση αυτή παρουσιάζεται στο Σχ. 3.9, για P=.12 και I=15, και στο Σχ. 3.1, για P=.12 και Ι=3. Το κάτω διάγραμμα συνιστά μεγέθυνση του αντίστοιχου πάνω διαγράμματος στον πιο γρήγορο κύκλο measured velocity derived

54 error1 (mm) Ανάπτυξη καινοτόμου συστήματος ελέγχου υβριδικών δοκιμών δύσκαμπτων κατασκευών υπό σεισμική διέγερση 44 1 measured velocity derived Σχήμα 3.9 Σύγκριση θεωρητικού και πραγματικού λάθους για P=.12, I=15 (πάνω) και λεπτομέρεια (κάτω) Επομένως, σκεπτόμενοι αντίστροφα, αντί της πραγματοποίησης ενός μεγάλου αριθμού δοκιμών για να βρεθούν οι παράγοντες P,I του ελεγκτή 1 προκειμένου να βελτιστοποιηθεί ο έλεγχος του συστήματος, είναι δυνατόν, εφόσον είναι γνωστή η σχέση μεταβολής του λάθους συναρτήσει της ταχύτητας (μέσω μιας δοκιμής χαρακτηρισμού), να εφαρμοστεί μια διαδικασία γνωστή στις πειραματικές μεθόδους (Elkhoraibi and Mosalam 27), δηλαδή, να τροφοδοτείται ο ελεγκτής σε κάθε χρονική στιγμή με το λάθος που θα προκύψει. Με άλλα λόγια, κάθε χρονική στιγμή της δοκιμής υπολογίζεται η ταχύτητα κίνησης του υδραυλικού εμβόλου και το προκύπτον (υπολογιζόμενο) λάθος προστίθεται στην επιθυμητή χρονοϊστορία μετακινήσεων του εμβόλου μας και στη συνέχεια οδηγείται ως σήμα εισόδου στον ελεγκτή 1.

55 error1 (mm) error1 (mm) Ανάπτυξη καινοτόμου συστήματος ελέγχου υβριδικών δοκιμών δύσκαμπτων κατασκευών υπό σεισμική διέγερση measured velocity derived measured velocity derived Σχήμα 3.1 Σύγκριση θεωρητικού και πραγματικού λάθους για P=.12, I=3 (πάνω) και λεπτομέρεια (κάτω) Η διαδικασία που περιγράφηκε ανωτέρω προγραμματίστηκε μέσω C++ απευθείας στο λογισμικό του κεντρικού ελεγκτή (υλοποίηση που βελτιώνει την ταχύτητα ελέγχου και επιτρέπει εκτέλεση συνεχούς ψευδοδυναμικής δοκιμής) και πραγματοποιήθηκε νέα δοκιμή για την πιστοποίηση της εν λόγω διαδικασίας. Στο Σχ με πράσινη γραμμή παρουσιάζεται η επιθυμητή χρονοϊστορία μετακίνησης του υδραυλικού εμβόλου, με μπλε γραμμή το σήμα εισόδου που στέλνεται στον ελεγκτή 1 και με κόκκινη γραμμή αυτό που τελικά κάνει το έμβολο με βάση τον εξωτερικό μετρητή μετακίνησης.

56 displacement (mm) displacement (mm) Ανάπτυξη καινοτόμου συστήματος ελέγχου υβριδικών δοκιμών δύσκαμπτων κατασκευών υπό σεισμική διέγερση 46 Όπως φαίνεται από το διάγραμμα κάτω (μεγέθυνση του πάνω διαγράμματος στον πιο γρήγορο κύκλο), υπάρχει πολύ καλή συμφωνία της επιθυμητής χρονοϊστορίας (πράσινη γραμμή) με την πραγματοποιούμενη μετακίνηση του εμβόλου (κόκκινη γραμμή). 8 6 tempo1 pattern target tempo1 pattern target Σχήμα 3.11 Επιβληθείσα χρονοϊστορία με τροφοδότηση του λάθους (πάνω) και λεπτομέρεια (κάτω)

57 error (mm) Ανάπτυξη καινοτόμου συστήματος ελέγχου υβριδικών δοκιμών δύσκαμπτων κατασκευών υπό σεισμική διέγερση 47 Το λάθος ελέγχου, ως διαφορά μεταξύ της επιθυμητής χρονοϊστορίας και της κίνησης που πραγματοποιεί το έμβολο παρουσιάζεται στο Σχ Όπως φαίνεται, ακόμα και στους πλέον γρήγορους κύκλους, το λάθος κινείται σε τιμές κάτω των 3μm, μέγεθος το οποίο στην πειραματική μηχανική κατασκευών θεωρείται πλήρως αποδεκτό Σχήμα 3.12 Λάθος ελέγχου εφαρμόζοντας τροφοδότηση του λάθους Στη συνέχεια, διερευνήθηκε η δυνατότητα περαιτέρω βελτίωσης της προτεινόμενης στρατηγικής, όχι μέσω καλύτερης βαθμονόμησης των παραγόντων P, I, αλλά μέσω ακριβέστερου υπολογισμού της τιμής της ταχύτητας που χρησιμοποιείται για τη διόρθωση του λάθους. Υπενθυμίζεται ότι για τη διόρθωση της μετακίνησης σε κάθε υποβήμα, λαμβάνεται υπόψη η μέση ταχύτητα στο σύνολο των υποβημάτων του προηγούμενου βήματος. Αν για παράδειγμα, ο αριθμός των υποβημάτων μειωθεί σημαντικά, η ταχύτητα που υπολογίζεται είναι πιο κοντά στην εφαπτομενική. Ο πιο ακριβής υπολογισμός της ταχύτητας μπορεί να επιδράσει σημαντικά στη μείωση του λάθους. Στην προηγούμενη δοκιμή, στην οποία κάθε βήμα υποδιαιρούνταν σε 128 υποβήματα, η διόρθωση του λάθους σε κάθε ένα από αυτά, προέκυπτε από το μέσο όρο των

58 displacement (mm) Ανάπτυξη καινοτόμου συστήματος ελέγχου υβριδικών δοκιμών δύσκαμπτων κατασκευών υπό σεισμική διέγερση 48 ταχυτήτων των 128 υποβημάτων του προηγούμενου βήματος. Εξετάστηκαν, επομένως, τα περιθώρια μείωσης του λάθους μέσω ακριβέστερου υπολογισμού της ταχύτητας που χρησιμοποιείται σε κάθε υποβήμα για τη διόρθωσή του. Πραγματοποιήθηκε νέα δοκιμή με διόρθωση του λάθους βάσει της ταχύτητας, αλλά με 64 υποβήματα αυτήν τη φορά (τα μισά σε σχέση με την προηγούμενη δοκιμή και συνεπώς μισή διάρκεια του κάθε βήματος σε σχέση με την προηγούμενη δοκιμή). Έτσι, η ταχύτητα που χρησιμοποιείται για τη διόρθωση του λάθους κάθε υποβήματος είναι πιο κοντά στην πραγματική ταχύτητα του τρέχοντος υποβήματος και αναμένεται μείωση του πειραματικού λάθους. Τα αποτελέσματα της δοκιμής αυτής παρουσιάζονται στο Σχ και Σχ tempo1 pattern target

59 error (mm) displacement (mm) Ανάπτυξη καινοτόμου συστήματος ελέγχου υβριδικών δοκιμών δύσκαμπτων κατασκευών υπό σεισμική διέγερση tempo1 pattern target Σχήμα 3.13 Επιβληθείσα χρονοϊστορία με τροφοδότηση του λάθους και μέσο όρο 64 υποβημάτων για τον υπολογισμό της ταχύτητας (πάνω) και λεπτομέρεια (κάτω) Σχήμα 3.14 Λάθος ελέγχου με τροφοδότηση του λάθους και μέσο όρο 64 υποβημάτων για τον υπολογισμό της ταχύτητας

60 5 Όπως φαίνεται από το ανωτέρω διάγραμμα, επετεύχθη μείωση του πειραματικού λάθους από τα 3 μm στα 2μm. Χρησιμοποιώντας ένα μέσο όρο μορφής κινούμενου παραθύρου για τον υπολογισμό της ταχύτητας κάθε υποβήματος που χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό του λάθους, είναι εφικτή περαιτέρω μείωση του πειραματικού λάθους. Μείωση του λάθους μπορεί επίσης να επιτευχθεί και με βελτιστοποίηση των παραγόντων P, I του ελεγκτή 1. Σε κάθε περίπτωση, όμως, το πειραματικό λάθος είναι ήδη κατά πολύ μικρότερο από αυτό που θεωρείται ως αποδεκτό στις πειραματικές δοκιμές Εφαρμογή του διπλού τύπου ελεγκτή για έλεγχο μετακίνησης/δύναμης Στην επόμενη φάση διερεύνησης της αξιοπιστίας της προτεινόμενης στρατηγικής εξετάστηκε ένα δεύτερο σενάριο. Στην περίπτωση αυτή το έμβολο είναι σε έλεγχο δύναμης (και όχι μετακίνησης, όπως στην προηγούμενη περίπτωση), ενώ απαιτείται από το έμβολο η επιβολή δεδομένης ιστορίας μετακινήσεων. Ένα τέτοιο σχήμα δοκιμής είναι ιδιαίτερα χρήσιμο στο πεδίο της πειραματικής μηχανικής. Όπως είναι γνωστό, όταν το δοκίμιο έχει σημαντική δυσκαμψία, τότε υπάρχει πολύ μικρότερο σφάλμα ελέγχου του εμβόλου όταν ο έλεγχος γίνεται με βάση τη δύναμη, παρά όταν γίνεται με βάση τη μετακίνηση. Έτσι, για την επιβολή δεδομένης ιστορίας μετακινήσεων στο δοκίμιο, τα έμβολα τίθενται σε έλεγχο δύναμης, μειώνοντας με αυτόν τον τρόπο το πειραματικό λάθος. Επίσης, το σχήμα αυτό δίνει λύση και στο πρόβλημα της αλληλεπίδρασης μεταξύ των εμβόλων σε δύσκαμπτες κατασκευές. Στην περίπτωση για παράδειγμα πολυώροφης δύσκαμπτης κατασκευής στην οποία επιδιώκεται να επιβληθεί συγκεκριμένο προφίλ μετακινήσεων (για παράδειγμα, μιας ιδιομορφής σε περίπτωση δοκιμής ανάλογης της μη γραμμικής στατικής ανάλυσης), η πραγματοποίηση της δοκιμής με επιβεβλημένες μετακινήσεις καθίσταται αδύνατη εάν εμφανίζεται αλληλεπίδραση μεταξύ των εμβόλων. Με τη στρατηγική DCM που προτείνεται, τα έμβολα τίθενται σε έλεγχο δύναμης, εξαλείφοντας έτσι την αλληλεπίδραση μεταξύ των εμβόλων και μειώνοντας το πειραματικό λάθος σε αποδεκτά επίπεδα. Το δομικό διάγραμμα της διαδικασίας παρουσιάζεται στο Σχ

61 51 Είσοδος μετακίνηση Ελεγκτής 1 PID ενίσχυση Έξοδος 1 Ελεγκτής 2 PID Έξοδος 2 Δυναμοκυψέλη εμβόλου Εξωτερ. μετρητής μετακίνησης Σχήμα 3.15 Δομικό διάγραμμα με είσοδο δεδομένη μετακίνηση και το έμβολο σε έλεγχο δύναμης Για να δοκιμαστεί η συγκεκριμένη μέθοδος χρειάζεται ένα δύσκαμπτο δοκίμιο, έτσι ώστε, καθώς το έμβολο επιβάλλει μετακινήσεις στο δοκίμιο, η δυναμοκυψέλη του εμβόλου να μετρά τη δύναμη επαναφοράς του δοκιμίου. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιήθηκε ένα τετραώροφο πλαίσιο εμφατνωμένο με οπλισμένο σκυρόδεμα, το οποίο είχε δοκιμασθεί πειραματικά στο Εργαστήριο Κατασκευών για τη διερεύνηση της απόκρισής του υπό σεισμική διέγερση. Αναλυτική περιγραφή του δοκιμίου γίνεται στην επόμενη ενότητα. Το υδραυλικό έμβολο προσαρμόστηκε στην κορυφή του πρώτου ορόφου, έτσι ώστε η δυσκαμψία του δοκιμίου να είναι μέγιστη, όπως παρουσιάζεται και στην Εικ Εντός του κόκκινου περιγράμματος φαίνεται ο εξωτερικός μετρητής μετακίνησης που χρησιμοποιήθηκε για τη λήψη του σήματος ανάδρασης (τύπου Heidenhain). Ως ιστορία μετακινήσεων επιλέχθηκε ένα κυκλικό ημιτονοειδές σήμα μεταβλητού εύρους και περιόδου, αποτελούμενου συνολικά από 24 σημεία. Στην αρχή της χρονοϊστορίας μετακινήσεων, υπάρχουν για λόγους σταθεροποίησης του συστήματος 5 σημεία με μηδενική μετακίνηση. Ακολουθεί ένας αργός ημιτονοειδής κύκλος με εύρος ±.2mm (για λόγους ελέγχου της ορθής λειτουργίας του συστήματος), ενώ ακολουθούν τρεις ημιτονοειδείς κύκλοι αυξανόμενου εύρους ±.4,.8 και 1.2 mm, αλλά σταθερής ταχύτητας μεταξύ τους. Ο τελευταίος κύκλος συνεχίζει για 1/4 του κύκλου επιπλέον (για να γίνει η αλλαγή της περιόδου σε σημείο μηδενικής ταχύτητας) και στη συνέχεια, ακολουθούν δύο κύκλοι ίδιου εύρους με περίοδο τα 2/3 και το 1/3 αυτού (για τη διερεύνηση της επιρροής της ταχύτητας κίνησης του εμβόλου). Τα παραπάνω παρουσιάζονται στο Σχ. 3.16, στο οποίο οι επιμέρους κύκλοι διαχωρίζονται με κατακόρυφες πράσινες γραμμές.

62 displacement (mm) Ανάπτυξη καινοτόμου συστήματος ελέγχου υβριδικών δοκιμών δύσκαμπτων κατασκευών υπό σεισμική διέγερση 52 Εικ. 3.2 Φωτογραφία του δοκιμίου με το έμβολο συνδεδεμένο στον 1 ο όροφο points Σχήμα 3.16 Χρονοϊστορία επιβληθεισών μετακινήσεων

63 53 Λόγω του ότι για τις δοκιμές πιστοποίησης της προτεινόμενης μεθόδου χρησιμοποιείται ένα πραγματικό δοκίμιο στο οποίο έχει προσαρμοσθεί το έμβολο, η διαδικασία εύρεσης των παραμέτρων P, I του ελεγκτή 1 που βελτιστοποιεί την απόκριση του συνολικού συστήματος, πρέπει να γίνει με πιο συντηρητικό τρόπο, καθώς στην περίπτωση όπου το έμβολο τίθετο εκτός ελέγχου θα προκαλούσε τη βλάβη του δοκιμίου (το οποίο επιθυμούμε να διατηρήσει την υψηλή του δυσκαμψία για περεταίρω δοκιμές). Για αυτόν το λόγο, επιλέχθηκε να μη χρησιμοποιηθεί διόρθωση με βάση την ταχύτητα, αλλά να πραγματοποιηθεί μεγαλύτερος αριθμός δοκιμών για την εύρεση των παραμέτρων P, I του ελεγκτή 1 που βελτιστοποιούν την απόκριση του συστήματος. Από το σύνολο των δοκιμών που πραγματοποιήθηκαν, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα για πέντε ζεύγη τιμών του ελεγκτή 1 όπως φαίνεται στον Πίν Συγκρίνοντας την απόκριση του συστήματος και το πειραματικό λάθος για τις διάφορες τιμές των παραμέτρων P, I, μπορεί να διαφανεί και η επιρροή που ασκούν αυτοί στην ποιότητα ελέγχου του συστήματος. Σε όλες τις δοκιμές που πραγματοποιήθηκαν, για τον ελεγκτή 2 (σε έλεγχο δύναμης) ο οποίος είναι υπεύθυνος για τον έλεγχο του εμβόλου, χρησιμοποιήθηκαν οι παράμετροι P=.1 και I=1, οι οποίες είναι εξ εμπειρίας γνωστό ότι ανταποκρίνονται σε έναν πολύ καλό έλεγχο του εμβόλου. Πίνακας 3.1 Περιπτώσεις τιμών P, I που παρουσιάζονται Περίπτωση P I Στο Σχ παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των δοκιμών για τις πέντε περιπτώσεις τιμών P, Ι για τον ελεγκτή 1. Η επιθυμητή ιστορία μετακινήσεων του εμβόλου (μαύρη γραμμή), συγκρίνεται με τις μετακινήσεις του εμβόλου όπως καταγράφεται από τον εξωτερικό μετρητή μετακίνησης για τα πέντε ζεύγη τιμών του Πίν Το Σχ είναι μεγέθυνση του Σχ στον πιο γρήγορο κύκλο. Η διαφορά μεταξύ της επιθυμητής

64 54 χρονοϊστορίας και της πραγματοποιηθείσας από το έμβολο για τις πέντε περιπτώσεις αποτελεί το πειραματικό λάθος. Αυτό παρουσιάζεται στο Σχ Όπως είναι εμφανές, το πειραματικό λάθος είναι μεγάλο για τις τρεις πρώτες περιπτώσεις του Πίν. 3.1 και μόνο στην περίπτωση 4 και 5 κινείται σε αποδεκτά επίπεδα. Οι δύο τελευταίες περιπτώσεις που έχουν πειραματικό ενδιαφέρον παρουσιάζονται αναλυτικά στη συνέχεια. Στα Σχ. 3.2 Σχ παρουσιάζονται τα αποτελέσματα δοκιμής με παραμέτρους P=.3 και Ι=3. Στο πάνω διάγραμμα του Σχ. 3.2 παρουσιάζεται η σύγκριση της επιθυμητής ιστορίας μετακινήσεων (πράσινη γραμμή) με αυτή που πραγματοποίησε το έμβολο (κόκκινη γραμμή), ενώ το κάτω διάγραμμα του Σχ. 3.2 αποτελεί μεγέθυνση του πάνω στον πιο γρήγορο κύκλο. Όπως φαίνεται το έμβολο ακολουθεί την επιθυμητή ιστορία μετακινήσεων με πολύ καλή ακρίβεια. Αυτό γίνεται καλύτερα αντιληπτό και από το πάνω διάγραμμα του Σχ όπου παρουσιάζεται το πειραματικό λάθος που καταγράφεται στον ελεγκτή 1. Όπως φαίνεται αυτό κινείται στο επίπεδο των ±.1mm. Στο κάτω διάγραμμα του Σχ παρουσιάζεται το πειραματικό λάθος του ελεγκτή 2. Αυτό κινείται στο επίπεδο των ±.5kN που είναι στο όριο ακρίβειας της δυναμοκυψέλης του εμβόλου, γεγονός που δείχνει ότι ο έλεγχος του εμβόλου με βάση τη δύναμη είναι πολύ καλός και συνεπώς οι παράμετροι P, I που χρησιμοποιήθηκαν στον ελεγκτή 2 είναι ικανοποιητικοί. Τέλος στο Σχ παρουσιάζεται το σήμα εξόδου που παρήχθη από τον ελεγκτή 1 που είναι και το σήμα εισόδου για τον ελεγκτή 2, ενώ στο Σχ παρουσιάζονται οι βρόχοι δύναμης μετακίνησης του δοκιμίου για τη χρονοϊστορία που επιβλήθηκε.

65 displacement (mm) Σχήμα 3.17 Χρονοϊστορία μετακινήσεων για διάφορες τιμές των παραμέτρων P, I στον ελεγκτή 1 Ανάπτυξη καινοτόμου συστήματος ελέγχου υβριδικών δοκιμών δύσκαμπτων κατασκευών υπό σεισμική διέγερση P=.4 I=3 P=.6 I=2 P=.12 I=1 P=.3 I=3 P=.6 I=2 target

66 displacement (mm) Σχήμα 3.18 Μεγέθυνση της χρονοϊστορίας μετακινήσεων στον πιο γρήγορο κύκλο Ανάπτυξη καινοτόμου συστήματος ελέγχου υβριδικών δοκιμών δύσκαμπτων κατασκευών υπό σεισμική διέγερση P=.4 I=3 P=.6 I=2 P=.12 I=1 P=.3 I=3 P=.6 I=2 target

67 error1 (mm) Σχήμα 3.19 Διάγραμμα λάθους ελέγχου στον ελεγκτή 1 για διάφορες τιμές των παραμέτρων P, I Ανάπτυξη καινοτόμου συστήματος ελέγχου υβριδικών δοκιμών δύσκαμπτων κατασκευών υπό σεισμική διέγερση P=.4 I=3 P=.6 I=2 P=.12 I=1 P=.3 I=3 P=.6 I=

68 displacement (mm) displacement (mm) Ανάπτυξη καινοτόμου συστήματος ελέγχου υβριδικών δοκιμών δύσκαμπτων κατασκευών υπό σεισμική διέγερση heide1 target heide1 target Σχήμα 3.2 Χρονοϊστορία μετακινήσεων με τιμές P=.3 και I=3 (πάνω) και λεπτομέρεια (κάτω)

69 error2 (kn) error1 (mm) Ανάπτυξη καινοτόμου συστήματος ελέγχου υβριδικών δοκιμών δύσκαμπτων κατασκευών υπό σεισμική διέγερση Σχήμα 3.21 Διάγραμμα λάθους ελέγχου στον ελεγκτή 1 (πάνω) και 2 (κάτω) με τιμές P=.3 και I=3 στον ελεγκτή 1

70 force (kn) force (kn) Ανάπτυξη καινοτόμου συστήματος ελέγχου υβριδικών δοκιμών δύσκαμπτων κατασκευών υπό σεισμική διέγερση Σχήμα 3.22 Σήμα εισόδου στον ελεγκτή 2 με τιμές P=.3 και I=3 στον ελεγκτή displacement (mm) Σχήμα 3.23 Βρόχος δύναμης μετακίνησης με τιμές P=.3 και I=3 στον ελεγκτή 1 Στα Σχ Σχ παρουσιάζονται τα αποτελέσματα δοκιμής με παραμέτρους P=.6 και Ι=2. Στην περίπτωση αυτή το έμβολο ακολουθεί την επιθυμητή ιστορία

71 displacement (mm) displacement (mm) Ανάπτυξη καινοτόμου συστήματος ελέγχου υβριδικών δοκιμών δύσκαμπτων κατασκευών υπό σεισμική διέγερση 61 μετακινήσεων με πολύ μεγάλη ακρίβεια. Αυτό είναι ιδιαίτερα εμφανές στο πάνω διάγραμμα του Σχ που παρουσιάζει το πειραματικό λάθος στον ελεγκτή 1. Όπως φαίνεται το πειραματικό λάθος κινείται στο επίπεδο των ±4μm που είναι στο όριο της ανάλυσης του μετρητή μετακινήσεων heide1 target heide1 target Σχήμα 3.24 Χρονοϊστορία μετακινήσεων με τιμές P=.6 και I=2 (πάνω) και λεπτομέρεια (κάτω)

72 error2 (kn) error1 (mm) Ανάπτυξη καινοτόμου συστήματος ελέγχου υβριδικών δοκιμών δύσκαμπτων κατασκευών υπό σεισμική διέγερση 62 4 x Σχήμα 3.25 Διάγραμμα λάθους ελέγχου στον ελεγκτή 1 (πάνω) και 2 (κάτω) με τιμές P=.6 και I=2 στον ελεγκτή 1

73 force (kn) force (kn) Ανάπτυξη καινοτόμου συστήματος ελέγχου υβριδικών δοκιμών δύσκαμπτων κατασκευών υπό σεισμική διέγερση Σχήμα 3.26 Σήμα εισόδου στον ελεγκτή 2 με τιμές P=.6 και I=2 στον ελεγκτή displacement (mm) Σχήμα 3.27 Βρόχος δύναμης μετακίνησης με τιμές P=.6 και I=2 στον ελεγκτή 1 Από τα παραπάνω διαγράμματα γίνεται αντιληπτό ότι με κατάλληλη βαθμονόμηση των παραμέτρων P, I η επιθυμητή μετακίνηση μπορεί να επιβληθεί με το έμβολο σε έλεγχο

74 64 δύναμης, γεγονός πολύ σημαντικό σε περιπτώσεις δύσκαμπτων δοκιμίων που εμφανίζουν φαινόμενα αλληλεπίδρασης. Αξιοσημείωτο είναι, ότι με την προτεινόμενη διαδικασία, επιτυγχάνεται σε δύσκαμπτα δοκίμια ακρίβεια στο επίπεδο της μετακίνησης, που σε καμία περίπτωση δε θα μπορούσε να επιτευχθεί αν ο έλεγχος γίνονταν με βάση τη μετακίνηση Ψευδοδυναμικές δοκιμές Όπως αναφέρθηκε και ανωτέρω, στην περίπτωση των δύσκαμπτων κατασκευών εμφανίζεται το φαινόμενο της αλληλεπίδρασης μεταξύ των υδραυλικών εμβόλων. Αυτή η αλληλεπίδραση οδηγεί στο να έχουμε δυνάμεις επαναφοράς, οι οποίες είναι σημαντικά διαφορετικές σε σχέση με αυτές που θα είχαμε αν δεν υπήρχε αυτή η αλληλεπίδραση. Έτσι, η επίλυση της εξίσωσης κίνησης γίνεται σε κάθε βήμα με δυνάμεις επαναφοράς οι οποίες δεν αντιστοιχούν στη δυσκαμψία του δοκιμίου στο βήμα αυτό, επηρεάζοντας έτσι σημαντικά τη μεταγενέστερη απόκρισή του. Σε περιπτώσεις που η αλληλεπίδραση μεταξύ των εμβόλων δεν είναι τόσο έντονη, οι δυσμενείς συνέπειές της μπορούν μερικώς να περιοριστούν, αυξάνοντας κατά πολύ τον αριθμό των υποβημάτων που εμπεριέχονται σε κάθε χρονικό βήμα. Κατ αυτόν τον τρόπο, σε κάθε χρονικό βήμα περιλαμβάνονται αρκετοί κύκλοι αλληλεπίδρασης μεταξύ των εμβόλων και επομένως και ένας μεγάλος αριθμός δεδομένων δυνάμεων επαναφοράς για την ίδια ουσιαστικά μετακίνηση του δοκιμίου. Συνεπώς, ο μέσος όρος των μετρήσεων αυτών τείνει στην πραγματική δύναμη επαναφοράς του δοκιμίου και η απόκρισή του δεν επηρεάζεται έντονα. Ακόμα και έτσι όμως, το φαινόμενο της αλληλεπίδρασης μεταξύ των εμβόλων είναι έντονο, προκαλώντας σημαντικές τέμνουσες ορόφου, οι οποίες ενδεχομένως να οδηγήσουν σε βλάβη του δοκιμίου (και πτώση δυσκαμψίας), και αλλαγή της απόκρισής του. Ταυτόχρονα δεν πρέπει να υποβαθμίζεται το γεγονός ότι αυξάνοντας κατά πολύ τον αριθμό των υποβημάτων, αυξάνεται σημαντικά και ο χρόνος διεξαγωγής της δοκιμής. Επιπροσθέτως, στις δύσκαμπτες κατασκευές το να έχουμε ένα έμβολο σε έλεγχο μετακίνησης, παρουσιάζει σημαντικά μεγαλύτερο πειραματικό σφάλμα σε σχέση με την περίπτωση που το έμβολο είναι σε έλεγχο δύναμης.

75 65 Αυτοί οι λόγοι ωθούν στην κατεύθυνση διενέργειας των ψευδοδυναμικών δοκιμών δύσκαμπτων κατασκευών σε έλεγχο δύναμης. Όπως φάνηκε από τη βιβλιογραφική ανασκόπηση, ο αλγόριθμος της ψευδοδυναμικής μεθόδου, στη μορφή που υπολογίζει στοχευόμενες δυνάμεις αντί για μετακινήσεις, απαιτεί τον υπολογισμό του μητρώου δυσκαμψίας της κατασκευής. Ο ακριβής υπολογισμός, όμως, του μητρώου δυσκαμψίας με βάση τις μετακινήσεις και τις δυνάμεις επαναφοράς, ειδικά για την περίπτωση πολυβάθμιων συστημάτων, είναι πολύ δύσκολος και στην πράξη αποτελεί πηγή πειραματικών σφαλμάτων. Το πρόβλημα αυτό όπως και όλα τα παραπάνω μπορούν να ξεπεραστούν με τη χρήση της προτεινόμενης στρατηγικής. Η επίλυση της εξίσωσης κίνησης γίνεται με βάση τον αλγόριθμο στη μορφή που υπολογίζει στοχευόμενες μετακινήσεις, ενώ τελικά τα υδραυλικά έμβολα να είναι σε έλεγχο δύναμης. Κατ αυτόν τον τρόπο, ο έλεγχος των υδραυλικών εμβόλων είναι ο βέλτιστος για δύσκαμπτες κατασκευές, αποφεύγεται η αλληλεπίδραση μεταξύ των εμβόλων και δεν χρειάζεται να υπολογίζεται σε κάθε χρονικό βήμα το μητρώο δυσκαμψίας της κατασκευής το τελευταίο δε μπορεί να γίνει αξιόπιστα και με την απαιτούμενη ακρίβεια σήμερα. Το δομικό διάγραμμα της προτεινόμενης μεθόδου που ακολουθείται παρουσιάζεται στο Σχ Είσοδος Ελεγκτής 1 PID ενίσχυση Έξοδος 1 Ελεγκτής 2 PID Έξοδος 2 Δυναμοκυψέλη εμβόλου Εξωτερ. μετρητής μετακίνησης Αλγόριθμος επίλυσης δυναμικής εξίσωσης κίνησης Σχήμα 3.28 Δομικό διάγραμμα για την περίπτωση των ψευδοδυναμικών δοκιμών

76 66 Εφόσον τόσο ο ελεγκτής 1 όσο και ο ελεγκτής 2 έχουν κοινή συχνότητα λειτουργίας με αυτή του κεντρικού ελεγκτή (5Hz), η προτεινόμενη στρατηγική υλοποιήθηκε στον κεντρικό ελεγκτή. Χρησιμοποιήθηκε δηλαδή η συνεχής ψευδοδυναμική μέθοδο, δεδομένου ότι με την προτεινόμενη στρατηγική δεν απαιτείται επαναληπτική διαδικασία για την επίτευξη της σύγκλισης. Για την αριθμητική ολοκλήρωση της εξίσωσης κίνησης χρησιμοποιείται η μέθοδος της κεντρικής διαφοράς λόγω της απλότητάς της (Σχ. 2.3). Στη συνεχή ψευδοδυναμική μέθοδο, λόγω του γεγονότος ότι στο χρονικό διάστημα ενός βήματος του επιταχυνσιογραφήματος παρεμβάλλονται κάποιες εκατοντάδες σημεία αριθμητικής ολοκλήρωσης, το βήμα της αριθμητικής ολοκλήρωσης προκύπτει τόσο μικρό, ώστε δεν εμφανίζονται προβλήματα ευστάθειας ή ακρίβειας από τη χρήση μιας άμεσης μεθόδου ολοκλήρωσης. Με βάση τα ανωτέρω, παράχθηκε ένα αρχείο DLL για τον κεντρικό ελεγκτή (χρησιμοποιώντας τη γλώσσα προγραμματισμού C++), το οποίο ενσωματώνει την προτεινόμενη στρατηγική. Η εφαρμογή της προτεινόμενης στρατηγικής απαιτούσε την ύπαρξη ενός δύσκαμπτου δοκιμίου. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιήθηκε ένα τετραώροφο πλαίσιο εμφατνωμένο με οπλισμένο σκυρόδεμα. Το δοκίμιο αυτό είχε κατασκευαστεί στα πλαίσια των ερευνητικών δραστηριοτήτων του Εργαστηρίου Κατασκευών, όπου είχε προκύψει η ανάγκη πειραματικής διερεύνησης της απόκρισης εμφατνωμένων με οπλισμένο σκυρόδεμα πλαισίων υπό σεισμική διέγερση. Αντικείμενο του πειραματικού προγράμματος ήταν η διερεύνηση της εμφάτνωσης ως μέσω ενίσχυσης υφιστάμενων κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα. Για το λόγο αυτό στο μεσαίο φάτνωμα των ακραίων πλαισίων μιας τετραώροφης κατασκευής θα γινόταν εμφάτνωση με οπλισμένο σκυρόδεμα. Η πρωτότυπη κατασκευή παρουσιάζεται στο Σχ

77 67 Σχήμα 3.29 Πρωτότυπη ενισχυμένη κατασκευή σε φυσική κλίμακα Λόγω (γεωμετρικών) εργαστηριακών περιορισμών, αποφασίστηκε το δοκίμιο να είναι υπό γεωμετρική κλίμακα ¾ σε σχέση με το πρωτότυπο. Έτσι, οι διαστάσεις του φορέα υπό κλίμακα παρουσιάζονται στο Σχ Σχήμα 3.3 Φορέας υπό κλίμακα ¾

78 68 Λόγω του μεγάλου μεγέθους του δοκιμίου, χρησιμοποιήθηκε για την πειραματική διερεύνηση η υβριδική μέθοδος με υποκατασκευές, με θεώρηση γραμμικής συμπεριφοράς της αναλυτικής υποκατασκευής. Η κατασκευή διαιρέθηκε σε δύο τμήματα: το πρώτο το οποίο αποτελούσε την πειραματική υποκατασκευή ήταν ένα τετραώροφο εμφατνωμένο πλαίσιο, ενώ το δεύτερο περιελάμβανε την υπόλοιπη κατασκευή, η απόκριση της οποίας λαμβανόταν μέσω ενός γραμμικά ελαστικού προσομοιώματος. Στο Σχ παρουσιάζονται η πειραματική και η αναλυτική υποκατασκευή. Πειραματική υποκατασκευή Σχήμα 3.31 Αναλυτική και πειραματική υποκατασκευή Για πειραματικούς λόγους αποφασίστηκε το τετραώροφο εμφατνωμένο πλαίσιο να δοκιμαστεί σε οριζόντια θέση. Έτσι πακτώθηκε στον τοίχο αντίδρασης του εργαστηρίου, ενώ σε κάθε έναν από τους τέσσερις ορόφους του συνδέθηκε ένα υδραυλικό έμβολο, για την επιβολή των στοχευόμενων μετακινήσεων όπως αυτές προκύπτουν από την ψευδοδυναμική μέθοδο. Στο Σχ παρουσιάζεται μία τρισδιάστατη απεικόνιση της πειραματικής διάταξης.

79 69 Σχήμα 3.32 Τρισδιάστατη απεικόνιση της πειραματικής διάταξης Για την αποφυγή της κάμψης του δοκιμίου λόγω του ιδίου βάρους του, τοποθετήθηκαν δύο αμφιαρθρωτοί βραχίονες ανά όροφο στο ύψος κάθε δοκού, και οι οποίοι πακτώθηκαν στο ισχυρό δάπεδο του εργαστηρίου. Οι βραχίονες αυτοί επιτρέπουν στο δοκίμιο να κινείται ελεύθερα στην οριζόντια διεύθυνση (τουλάχιστον για το εύρος των μετακινήσεων που θα μπορούσαν να αναπτυχθούν σε κάθε όροφο), ενώ παρεμποδίζουν την κίνηση στην κατακόρυφη διεύθυνση. Το κοινό για όλους τους ορόφους αξονικό φορτίο, επιβαλλόταν στο δοκίμιο μέσω εξωτερικών ράβδων προέντασης. Τέλος, ο έλεγχος της κίνησης των εμβόλων γινόταν μέσω των μετρήσεων μετακίνησης που λαμβάνονταν από τέσσερις εξωτερικούς μετρητές οπτικού τύπου (Heidenhain). Κάθε οπτικός μετρητής τοποθετήθηκε στο μέσο της δοκού κάθε ορόφου, προκειμένου να αποφευχθεί η δημιουργία πειραματικού λάθους, λόγω παρασιτικών μετακινήσεων από τις μηχανικές ανοχές («τζόγοι») των διατάξεων πρόσδεσης των εμβόλων στο δοκίμιο και των αρθρώσεών τους. Εξ αιτίας της μικρής απόστασης μεταξύ των εμβόλων και του γεγονότος ότι το εμφατνωμένο πλαίσιο παρουσίαζε το ίδιο πολύ μεγάλη δυσκαμψία, παρατηρήθηκε ήδη από τις πρώτες προκαταρκτικές δοκιμές έντονη αλληλεπίδραση μεταξύ των εμβόλων γειτονικών ορόφων. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα, αφενός την υποβάθμιση της ποιότητας του ελέγχου της

80 7 μετακίνησης κάθε εμβόλου και αφετέρου, την εμφάνιση τεμνουσών δυνάμεων ορόφων μεγέθους έως και 3kN με το δοκίμιο να βρίσκεται στην αρχική του θέση. Το δεύτερο αυτό γεγονός οφείλονταν στην έντονη αλληλεπίδραση μεταξύ των εμβόλων και επειδή το σύστημα ήταν ασταθές, η δοκιμή διεκόπη. Για την περεταίρω διερεύνηση του προβλήματος επελέγη να διεξαχθούν οι δοκιμές θεωρώντας το σύστημα ως δύο βαθμών ελευθερίας αντί για τεσσάρων. Αποσυνδέθηκαν από το δοκίμιο τα έμβολα του πρώτου και τρίτου ορόφου, ενώ παράλληλα τροποποιήθηκαν κατάλληλα το μητρώο μάζας και το μητρώο δυσκαμψίας της αναλυτικής υποκατασκευής, ώστε να αντιστοιχούν στο προκύπτον σύστημα δύο βαθμών ελευθερίας. Λόγω της διπλάσιας απόστασης μεταξύ των εμβόλων, το φαινόμενο της αλληλεπίδρασής τους περιορίστηκε αισθητά και η δοκιμή ολοκληρώθηκε χωρίς προβλήματα. Στην Εικ. 3.3 φαίνεται το δοκίμιο με συνδεδεμένα μόνο τα έμβολα του 2 ου και του 4 ου ορόφου. Συνεπώς το δοκίμιο αυτό στο οποίο εμφανίζονταν έντονη αλληλεπίδραση μεταξύ των εμβόλων που ήταν συνδεδεμένα στους βαθμούς ελευθερίας του, αποτελούσε ιδανική περίπτωση για την εφαρμογή της προτεινόμενης στρατηγικής. Εικόνα 3.3 Φωτογραφία της πειραματικής διάταξης θεωρώντας το σύστημα, ως δύο βαθμών ελευθερίας

81 Sa/PGA Ανάπτυξη καινοτόμου συστήματος ελέγχου υβριδικών δοκιμών δύσκαμπτων κατασκευών υπό σεισμική διέγερση Δοκιμή ενός βαθμού ελευθερίας Για την περίπτωση του ενός βαθμού ελευθερίας χρησιμοποιήθηκε ένα έμβολο προσαρμοσμένο στον πρώτο όροφο του δοκιμίου ούτως ώστε η δυσκαμψία του να είναι η μέγιστη. Ως σεισμική διέγερση χρησιμοποιήθηκε το επιταχυνσιογράφημα ενός σεισμού στο Μαυροβούνιο το 1979, όπως καταγράφηκε από το σταθμό καταγραφής Hercegnovi, τροποποιημένο κατάλληλα ώστε να είναι συμβατό με το φάσμα του Ευρωκώδικα 8. Στο Σχ παρουσιάζεται το φάσμα του επιταχυνσιογραφήματος που χρησιμοποιήσαμε και η σύγκρισή του με το φάσμα του Ευρωκώδικα Period, T(s) Σχήμα 3.33 Το φάσμα του επιταχυνσιογραφήματος που χρησιμοποιήθηκε Η καταγραφή αποτελείται από 15 σημεία με χρονικό βήμα.1 sec. Λόγω του ότι η σχέση γεωμετρικής κλίμακας πρωτότυπης κατασκευής προς το δοκίμιό μας ήταν =4/3, από τη διαστατική ανάλυση προκύπτει ότι, για λόγους διαστατικής ομοιότητας, απαιτείται ο χρόνος του επιταχυνσιογραφήματος να πολλαπλασιαστεί σύμφωνα με την εξ. (3.1) με.866.

82 Accelaration (m/s 2 ) Ανάπτυξη καινοτόμου συστήματος ελέγχου υβριδικών δοκιμών δύσκαμπτων κατασκευών υπό σεισμική διέγερση 72 (3.1) Κατ αυτόν τον τρόπο, η διάρκεια του επιταχυνσιογραφήματος από 15sec θα γίνει 13sec. Στο Σχ παρουσιάζεται το τροποποιημένο ως προς το χρόνο επιταχυνσιογράφημα Σχήμα 3.34 Το επιταχυνσιογράφημα υπό κλίμακα που χρησιμοποιήθηκε Η μάζα που είναι συγκεντρωμένη σε αυτόν το βαθμό ελευθερίας είναι tn, ενώ πραγματοποιήθηκαν δύο δοκιμές. Η πρώτη έγινε με μέγιστη επιτάχυνση.1g και η δεύτερη με μέγιστη επιτάχυνση.5g. Και στις δύο δοκιμές ο συντελεστής χρονικής διαστολής ήταν λ=15. Η μικρή τιμή της μέγιστης επιτάχυνσης εδάφους που χρησιμοποιήθηκε οφείλεται στο γεγονός ότι το δοκίμιο είχε ήδη υποστεί βλάβη από προηγούμενες δοκιμές και σε μεγαλύτερη ένταση δε μπορούσε να αποκλεισθεί η πιθανότητα αστοχίας του, κάτι που δε θα επέτρεπε τη διεξαγωγή άλλων δοκιμών. Από τη στιγμή που και σε αυτές τις μικρές εντάσεις, το δοκίμιο παρουσίαζε έντονη μη γραμμική συμπεριφορά, για τη σκοπό της δοκιμής που είναι η πιστοποίηση ορθής λειτουργίας της προτεινόμενης μεθόδου, η εφαρμογή ισχυρότερης διέγερσης δε θα προσέφερε κάτι παραπάνω.

83 velocity (m/sec) displacement (m) Ανάπτυξη καινοτόμου συστήματος ελέγχου υβριδικών δοκιμών δύσκαμπτων κατασκευών υπό σεισμική διέγερση 73 Στα Σχ Σχ παρουσιάζονται οι ιστορίες μετακινήσεων, ταχυτήτων και επιταχύνσεων του δυναμικού βαθμού ελευθερίας για την πρώτη δοκιμή με μέγιστη επιτάχυνση εδάφους.1g, ενώ στο Σχ παρουσιάζεται ο βρόχος δύναμης-μετακίνησης. 1.5 x Σχήμα 3.35 Ιστορία μετακινήσεων για μέγιστη εδαφική επιτάχυνση.1g 4 x Σχήμα 3.36 Ιστορία ταχυτήτων για μέγιστη εδαφική επιτάχυνση.1g

84 force (kn) acceleration (m/sec 2 ) Ανάπτυξη καινοτόμου συστήματος ελέγχου υβριδικών δοκιμών δύσκαμπτων κατασκευών υπό σεισμική διέγερση Σχήμα 3.37 Ιστορία επιταχύνσεων για μέγιστη εδαφική επιτάχυνση.1g displacement (mm) Σχήμα 3.38 Βρόχοι δύναμης-μετακίνησης για μέγιστη εδαφική επιτάχυνση.1g

85 displacement (mm) displacement (mm) Ανάπτυξη καινοτόμου συστήματος ελέγχου υβριδικών δοκιμών δύσκαμπτων κατασκευών υπό σεισμική διέγερση 75 Στο Σχ παρουσιάζεται η σύγκριση μεταξύ του σήματος εισόδου, όπως προκύπτει από την αριθμητική επίλυση της δυναμικής εξίσωσης κίνησης (κόκκινη γραμμή) και του εξωτερικού μετρητή μετακίνησης του δυναμικού βαθμού ελευθερίας, που είναι τύπου Heidenhain (πράσινη γραμμή). Το κάτω διάγραμμα είναι μεγέθυνση του πάνω στο μέγιστο κύκλο heide1 target heide1 target Σχήμα 3.39 Σύγκριση μεταξύ στοχευόμενης μετακίνησης και πραγματοποιηθείσας (πάνω) και λεπτομέρεια (κάτω)

86 force (kn) force (kn) Ανάπτυξη καινοτόμου συστήματος ελέγχου υβριδικών δοκιμών δύσκαμπτων κατασκευών υπό σεισμική διέγερση 76 Στο Σχ. 3.4 παρουσιάζεται η σύγκριση μεταξύ του σήματος εισόδου του ελεγκτή 2, που είναι το σήμα εξόδου του ελεγκτή 1 (κόκκινη γραμμή) και της δυναμοκυψέλης του εμβόλου, που ελέγχει το δυναμικό βαθμό ελευθερίας (πράσινη γραμμή). 6 4 load cell2 target load cell2 target Σχήμα 3.4 Σύγκριση μεταξύ στοχευόμενης δύναμης και πραγματοποιηθείσας (πάνω) και λεπτομέρεια (κάτω)

87 error2 (kn) error1 (mm) Ανάπτυξη καινοτόμου συστήματος ελέγχου υβριδικών δοκιμών δύσκαμπτων κατασκευών υπό σεισμική διέγερση 77 Η διαφορά μεταξύ των καμπυλών στα Σχ και Σχ. 3.4 εκφράζει το λάθος που καταγράφεται στους ελεγκτές 1 και 2, το οποίο παρουσιάζεται ξεχωριστά στο Σχ Όπως φαίνεται, το πειραματικό λάθος του ελεγκτή 2 (κάτω διάγραμμα) κινείται σε αμελητέα επίπεδα πιστοποιώντας τον πολύ καλό έλεγχο του υδραυλικού εμβόλου, ενώ το αμελητέο πειραματικό λάθος που καταγράφεται στον ελεγκτή 1 (στα όρια ακρίβειας του αισθητήρα μέτρησης της μετακίνησης) δείχνει την ποιότητα ελέγχου που επιτυγχάνεται με την προτεινόμενη μέθοδο (πάνω διάγραμμα). 8 x x Σχήμα Πειραματικό λάθος στον ελεγκτή 1 (πάνω) και τον ελεγκτή 2 (κάτω)

88 78 Λόγω του γεγονότος ότι στις υβριδικές δοκιμές δεν είναι γνωστή πριν τη δοκιμή η ιστορία μετακινήσεων που θα ακολουθήσει το δοκίμιο, καθώς αυτή εξαρτάται από τις δυνάμεις επαναφοράς του (στην ουσία, από τη δυσκαμψία του), δεν είναι εύκολο να γνωρίζει κανείς αν η απόκριση του δοκιμίου που καταγράφηκε είναι αξιόπιστη. Ασφαλώς, το μέγεθος του πειραματικού λάθους που προκύπτει από τον έλεγχο των εμβόλων συνιστά μία καλή ένδειξη για την ποιότητα της δοκιμής, αλλά υπάρχουν περιπτώσεις (όταν για παράδειγμα το λάθος είναι συστηματικό), όπου αυτό δεν αρκεί. Η πλέον αποδεκτή μέθοδος για την εκτίμηση της ποιότητας μιας δοκιμής είναι η σύγκριση μεταξύ της ενέργειας που απορροφάται από το δοκίμιο λόγω της μη γραμμικής συμπεριφοράς του και αυτής που οφείλεται στο πειραματικό λάθος κατά τον έλεγχο. Η ενέργεια που απορροφάται από το δοκίμιο κατά τη διάρκεια της δοκιμής υπολογίζεται με βάση τις μετρούμενες δυνάμεις επαναφοράς, r, και μετακινήσεις,, από την εξ. (3.2). (3.2) Ομοίως, χρησιμοποιώντας τις μετακινήσεις που προκύπτουν από την αριθμητική ολοκλήρωση,, μπορεί να υπολογιστεί η ενέργεια αναφοράς,, βάσει της εξ. (3.3). (3.3) 3.4). Η ενέργεια που οφείλεται στο λάθος, μπορεί να υπολογιστεί ως η διαφορά τους (εξ. (3.4) Όσο μικρότερο ποσοστό της ενέργειας που απορροφά το δοκίμιο αντιπροσωπεύει η ενέργεια που οφείλεται στο λάθος, τόσο καλύτερης ποιότητας είναι η δοκιμή. Αν και δεν υπάρχει κάποιο αυστηρό όριο, γενικά θεωρείται πως ένα ποσοστό κάτω του 5% δίνει αξιόπιστα αποτελέσματα (Pegon 28).

89 energy (J) Ανάπτυξη καινοτόμου συστήματος ελέγχου υβριδικών δοκιμών δύσκαμπτων κατασκευών υπό σεισμική διέγερση 79 Ραγδαία αύξηση της ενέργειας του πειραματικού λάθους υποδηλώνει πρόβλημα στη δοκιμή και αυτό είναι πρακτικά το μόνο ποιοτικό στοιχείο που έχει στη διάθεσή του ο χρήστης κατά τη διάρκεια της υβριδικής δοκιμής για να γνωρίζει αν όλα πάνε καλά ή πρέπει αυτή να διακοπεί. Στο Σχ παρουσιάζεται η σύγκριση αυτή μεταξύ των ενεργειών absorbed error Σχήμα 3.42 Σύγκριση μεταξύ της ενέργειας που απορροφάται από το δοκίμιο και αυτής που οφείλεται στο πειραματικό λάθος Στη συνέχεια, στα Σχ Σχ παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των μετακινήσεων, ταχυτήτων και επιταχύνσεων του δυναμικού βαθμού ελευθερίας για τη δοκιμή με μέγιστη επιτάχυνση εδάφους.5g, ενώ στο Σχ παρουσιάζονται οι βρόχοι δύναμης μετακίνησης για την εν λόγω δοκιμή.

90 velocity (m/sec) displacement (m) Ανάπτυξη καινοτόμου συστήματος ελέγχου υβριδικών δοκιμών δύσκαμπτων κατασκευών υπό σεισμική διέγερση 8 2 x Σχήμα 3.43 Ιστορία μετακινήσεων για μέγιστη εδαφική επιτάχυνση.5g Σχήμα 3.44 Ιστορία ταχυτήτων για μέγιστη εδαφική επιτάχυνση.5g

91 force (kn) acceleration (m/sec 2 ) Ανάπτυξη καινοτόμου συστήματος ελέγχου υβριδικών δοκιμών δύσκαμπτων κατασκευών υπό σεισμική διέγερση Σχήμα 3.45 Ιστορία επιταχύνσεων για μέγιστη εδαφική επιτάχυνση.5g displacement (mm) Σχήμα 3.46 Βρόχοι δύναμης-μετακίνησης για μέγιστη εδαφική επιτάχυνση.5g Στο Σχ παρουσιάζεται η σύγκριση μεταξύ του σήματος εισόδου του ελεγκτή 1 (κόκκινη γραμμή) και της μετακίνησης που καταγράφεται από τον εξωτερικό αισθητήρα

92 displacement (mm) displacement (mm) Ανάπτυξη καινοτόμου συστήματος ελέγχου υβριδικών δοκιμών δύσκαμπτων κατασκευών υπό σεισμική διέγερση 82 μετακίνησης (πράσινη γραμμή). Το κάτω διάγραμμα είναι μεγέθυνση της απόκρισης (πάνω διάγραμμα) στο μέγιστο κύκλο. Στο Σχ παρουσιάζεται η σύγκριση μεταξύ του σήματος εισόδου του ελεγκτή 2 (κόκκινη γραμμή) και της δυναμοκυψέλης του εμβόλου (πράσινη γραμμή). Το κάτω διάγραμμα είναι μεγέθυνση του πάνω στο μέγιστο κύκλο heide1 target heide1 target Σχήμα 3.47 Σύγκριση μεταξύ στοχευόμενης μετακίνησης και πραγματοποιηθείσας (πάνω) και λεπτομέρεια (κάτω)

93 force (kn) force (kn) Ανάπτυξη καινοτόμου συστήματος ελέγχου υβριδικών δοκιμών δύσκαμπτων κατασκευών υπό σεισμική διέγερση load cell2 target load cell2 target Σχήμα 3.48 Σύγκριση μεταξύ δύναμης μετακίνησης και πραγματοποιηθείσας (πάνω) και λεπτομέρεια (κάτω) Στο Σχ παρουσιάζεται το πειραματικό λάθος, όπως καταγράφεται στον ελεγκτή 1 (πάνω διάγραμμα) και στον ελεγκτή 2 (κάτω διάγραμμα). Όπως είναι φανερό, το πειραματικό λάθος κινείται στα όρια ακρίβειας του αισθητήρα μετακίνησης και της δυναμοκυψέλης αντίστοιχα.

94 error2 (kn) error1 (mm) Ανάπτυξη καινοτόμου συστήματος ελέγχου υβριδικών δοκιμών δύσκαμπτων κατασκευών υπό σεισμική διέγερση 84 6 x Σχήμα 3.49 Πειραματικό λάθος στον ελεγκτή 1 (πάνω) και τον ελεγκτή 2 (κάτω) Τέλος, στο Σχ. 3.5 παρουσιάζεται η σύγκριση μεταξύ της απορροφούμενης ενέργειας και αυτής που οφείλεται στο πειραματικό λάθος.

95 energy (J) Ανάπτυξη καινοτόμου συστήματος ελέγχου υβριδικών δοκιμών δύσκαμπτων κατασκευών υπό σεισμική διέγερση absorbed error Σχήμα 3.5 Σύγκριση μεταξύ της ενέργειας που απορροφάται από το δοκίμιο και αυτής που οφείλεται στο πειραματικό λάθος Συμπερασματικά, από τα αποτελέσματα ψευδοδυναμικών δοκιμών για ένα βαθμό ελευθερίας που παρουσιάστηκαν παραπάνω, φαίνεται ότι η προτεινόμενη μέθοδος δίνει αξιόπιστα αποτελέσματα. Το πειραματικό λάθος διατηρείται σε πολύ χαμηλά επίπεδα, ενώ η ενέργεια που οφείλεται στο λάθος, συγκρινόμενη με την ενέργεια που απορροφάται από την κατασκευή, είναι πολύ μικρή Δοκιμή δύο βαθμών ελευθερίας Χρησιμοποιήθηκε το ίδιο δοκίμιο που είχε χρησιμοποιηθεί και για τον ένα βαθμό ελευθερίας και το ίδιο επιταχυνσιογράφημα, με τη διαφορά ότι χρησιμοποιούνται δύο υδραυλικά έμβολα, τα οποία είναι προσαρμοσμένα στον πρώτο και στο δεύτερο όροφο του τετραώροφου πλαισίου, ούτως ώστε να υπάρχει η μέγιστη δυνατή αλληλεπίδραση μεταξύ των εμβόλων. Έτσι, από τους τέσσερις εξαρτώμενους ελεγκτές που διαθέτει ο κεντρικός ελεγκτής, οι δύο χρησιμοποιήθηκαν για τον έλεγχο των δύο υδραυλικών εμβόλων (έλεγχος δύναμης) και οι άλλοι δύο για να στέλνουν σε αυτούς το κατάλληλο σήμα εισόδου.

96 86 Στη Εικ. 3.4 φαίνονται τα δύο υδραυλικά έμβολα, προσαρμοσμένα στους δύο πρώτους ορόφους του δοκιμίου. Εικ. 3.4 Φωτογραφία του δοκιμίου με τα δύο έμβολα συνδεδεμένα στον 1 ο και 2 ο όροφο του δοκιμίου Πραγματοποιήθηκε δοκιμή με μέγιστη επιτάχυνση εδάφους.2g και με συντελεστή χρονικής διαστολής λ=2 στην αρχή της δοκιμής, ενώ σε περιπτώσεις που παρατηρούνταν αύξηση του λάθους, αυξάνονταν ο παράγοντας λ (για το σύστημα δοκιμών του Εργαστηρίου Κατασκευών η διόγκωση του χρονικού βήματος μπορεί να γίνεται κατά τη διάρκεια της δοκιμής). Tο μητρώο θεωρητικής μάζας που χρησιμοποιήθηκε δίνεται στην εξ. (3.5). (3.5)

97 displacement (m) Ανάπτυξη καινοτόμου συστήματος ελέγχου υβριδικών δοκιμών δύσκαμπτων κατασκευών υπό σεισμική διέγερση 87 Για τους ελεγκτές που μετατρέπουν τη στοχευόμενη μετακίνηση σε στοχευόμενη δύναμη χρησιμοποιήθηκαν οι παράγοντες P=.4, I=5, ενώ για τους ελεγκτές που ελέγχουν τη δύναμη των εμβόλων των δύο βαθμών ελευθερίας, χρησιμοποιήθηκαν οι παράγοντες P=.1, I=1. Ειδικά για τον ελεγκτή που μετατρέπει τη στοχευόμενη μετακίνηση σε στοχευόμενη δύναμη του δεύτερου βαθμού ελευθερίας, μετά το τρίτο δευτερόλεπτο της δοκιμής χρησιμοποιήθηκαν οι παράγοντες P=.3, I=1, λόγω των μεγάλων κύκλων που «ενεργοποιούσαν» τη βλάβη από προγενέστερες δοκιμές που είχε συντελεστεί μεταξύ του πρώτου και του δεύτερου ορόφου. Στα Σχ Σχ παρουσιάζονται οι ιστορίες μετακινήσεων ταχυτήτων και επιταχύνσεων των δύο βαθμών ελευθερίας, ενώ στο Σχ παρουσιάζονται οι βρόχοι δύναμης μετακίνησης των δύο βαθμών ελευθερίας. 4 x st DoF 2nd DoF Σχήμα 3.51 Ιστορία μετακινήσεων των δύο βαθμών ελευθερίας

98 acceleration (m/sec 2 ) velocity (m/sec) Ανάπτυξη καινοτόμου συστήματος ελέγχου υβριδικών δοκιμών δύσκαμπτων κατασκευών υπό σεισμική διέγερση st DoF 2nd DoF Σχήμα 3.52 Ιστορία ταχυτήτων των δύο βαθμών ελευθερίας.4.3 1st DoF 2nd DoF Σχήμα 3.53 Ιστορία επιταχύνσεων των δύο βαθμών ελευθερίας

99 displacement (mm) force (kn) Ανάπτυξη καινοτόμου συστήματος ελέγχου υβριδικών δοκιμών δύσκαμπτων κατασκευών υπό σεισμική διέγερση st DoF 2nd DoF displacement (mm) Σχήμα 3.54 Βρόχοι δύναμης μετακίνησης των δύο βαθμών ελευθερίας Στα Σχ και Σχ παρουσιάζεται η σύγκριση μεταξύ της στοχευόμενης μετακίνησης, όπως προκύπτει από την αριθμητική ολοκλήρωση της διαφορικής εξίσωσης κίνησης και της πραγματικής, όπως αυτή καταγράφεται από τον εξωτερικό αισθητήρα μετακίνησης (τύπου Heidenhain) για τον πρώτο και δεύτερο βαθμό ελευθερίας αντίστοιχα. 1.5 heide1 target

100 displacement (mm) displacement (mm) Ανάπτυξη καινοτόμου συστήματος ελέγχου υβριδικών δοκιμών δύσκαμπτων κατασκευών υπό σεισμική διέγερση heide1 target Σχήμα 3.55 Σύγκριση μεταξύ της στοχευόμενης μετακίνησης και της πραγματικής για τον 1 ο βαθμό ελευθερίας (πάνω) και λεπτομέρεια (κάτω) 4 3 heide2 target

101 force (kn) displacement (mm) Ανάπτυξη καινοτόμου συστήματος ελέγχου υβριδικών δοκιμών δύσκαμπτων κατασκευών υπό σεισμική διέγερση heide2 target Σχήμα 3.56 Σύγκριση μεταξύ της στοχευόμενης μετακίνησης και της πραγματικής για τον 2 ο βαθμό ελευθερίας (πάνω) και λεπτομέρεια (κάτω) Στο Σχ παρουσιάζεται η σύγκριση μεταξύ της στοχευόμενης δύναμης, όπως προκύπτει από τον ελεγκτή που μετατρέπει τη στοχευόμενη μετακίνηση σε στοχευόμενη δύναμη και της δύναμης που επιβάλλει το έμβολο, όπως αυτή μετράται από τη δυναμοκυψέλη του για τον πρώτο βαθμό ελευθερίας (πάνω διάγραμμα) και για το δεύτερο βαθμό ελευθερίας (κάτω διάγραμμα) load cell1 target

102 force (kn) Ανάπτυξη καινοτόμου συστήματος ελέγχου υβριδικών δοκιμών δύσκαμπτων κατασκευών υπό σεισμική διέγερση load cell2 target Σχήμα 3.57 Σύγκριση μεταξύ της στοχευόμενης δύναμης και της πραγματικής για τον 1 ο βαθμό ελευθερίας (πάνω) και το 2 ο βαθμό ελευθερίας (κάτω) Η σύγκριση που παρουσιάζεται στα παραπάνω διαγράμματα φαίνεται καλύτερα στα Σχ και Σχ. 3.59, όπου παρουσιάζεται το πειραματικό λάθος, όπως αυτό καταγράφεται στους δύο ελεγκτές που ελέγχουν τη μετακίνηση και τη δύναμη σε κάθε βαθμό ελευθερίας. Όπως είναι εμφανές, το πειραματικό λάθος ειδικά για τη μετακίνηση του κάθε βαθμού ελευθερίας - που είναι και το κρίσιμο μέγεθος - είναι πάρα πολύ μικρό. Οι μικρού μεγέθους (για τα δεδομένα των δοκιμών) αιχμές του διαγράμματος μεταβολής του λάθους, οφείλονται στη βλάβη που έχει υποστεί το δοκίμιο από προηγούμενες δοκιμές. Έτσι, σε ορισμένες παραμορφώσεις παρατηρήθηκε απότομη πτώση κάποιων όρων του μητρώου δυσκαμψίας του δοκιμίου (η βλάβη από προγενέστερες δοκιμές ήταν συγκεντρωμένη μεταξύ 1 ου και 2 ου ορόφου). Ακριβώς όπως σε ένα δύσκαμπτο δοκίμιο υπάρχει καλύτερος έλεγχος όταν αυτός γίνεται με βάση τη δύναμη, έτσι και σε ένα εύκαμπτο δοκίμιο υπάρχει καλύτερος έλεγχο όταν αυτός γίνεται με βάση τη μετακίνηση. Συνεπώς, η απότομη πτώση της δυσκαμψίας στους μεγάλους κύκλους είχε ως αποτέλεσμα και τη διόγκωση του λάθους. Σε αυτά τα χρονικά διαστήματα γινόταν αύξηση του παράγοντα χρονικής διαστολής λ.

103 DoF1 error force (kn) DoF1 error displacement(mm) Ανάπτυξη καινοτόμου συστήματος ελέγχου υβριδικών δοκιμών δύσκαμπτων κατασκευών υπό σεισμική διέγερση 93 8 x x Σχήμα 3.58 Πειραματικό λάθος στον ελεγκτή που ελέγχει τη μετακίνηση (πάνω) και τη δύναμη (κάτω) του 1 ου βαθμού ελευθερίας

104 DoF2 error force (kn) DoF2 error displacement(mm) Ανάπτυξη καινοτόμου συστήματος ελέγχου υβριδικών δοκιμών δύσκαμπτων κατασκευών υπό σεισμική διέγερση Σχήμα 3.59 Πειραματικό λάθος στον ελεγκτή που ελέγχει τη μετακίνηση (πάνω) και τη δύναμη (κάτω) του 2 ου βαθμού ελευθερίας Τέλος, στο Σχ. 3.6 παρουσιάζεται η σύγκριση μεταξύ της απορροφούμενης ενέργειας και αυτής που οφείλεται στο πειραματικό λάθος.

105 energy (J) Ανάπτυξη καινοτόμου συστήματος ελέγχου υβριδικών δοκιμών δύσκαμπτων κατασκευών υπό σεισμική διέγερση absorbed error Σχήμα 3.6 Σύγκριση μεταξύ της απορροφούμενης ενέργειας και αυτής που οφείλεται στο πειραματικό λάθος Συμπερασματικά, από τα αποτελέσματα ψευδοδυναμικών δοκιμών για δύο βαθμούς ελευθερίας που παρουσιάστηκαν παραπάνω, φαίνεται ότι η προτεινόμενη μέθοδος δίνει επίσης αξιόπιστα αποτελέσματα. Το πειραματικό λάθος διατηρείται σε πολύ χαμηλά επίπεδα, ενώ η ενέργεια που οφείλεται στο λάθος, συγκρινόμενη με την ενέργεια που απορροφάται από την κατασκευή, είναι πολύ μικρή Ακόμα και στις μεγάλες παραμορφώσεις που εμφανιζόταν απότομη πτώση της δυσκαμψίας, το πειραματικό λάθος παρέμενε σε αποδεκτά επίπεδα Δοκιμή τεσσάρων βαθμών ελευθερίας Στη συνέχεια προγραμματίστηκε μία δοκιμή με τέσσερις βαθμούς ελευθερίας. Δηλαδή, τοποθετήθηκε ένα υδραυλικό έμβολο σε κάθε όροφο του τετραώροφου εμφατνωμένου πλαισίου που είχε χρησιμοποιηθεί και στις προηγούμενες δοκιμές. Στην Εικ. 3.5 φαίνεται το δοκίμιο με συνδεδεμένα τα τέσσερα υδραυλικά έμβολα που χρησιμοποιήθηκαν.

106 96 Εικ. 3.5 Φωτογραφία του δοκιμίου με τα 4 έμβολα συνδεδεμένα στους ορόφους του δοκιμίου Όπως προαναφέρθηκε, κάθε κεντρικός ελεγκτής διαθέτει τέσσερις ελεγκτές. Έτσι καθώς χρησιμοποιούνται δύο ελεγκτές για τον έλεγχο κάθε εμβόλου, χρειάστηκε να γίνει χρήση δύο κεντρικών ελεγκτών. Ο πρώτος από τους κεντρικούς ελεγκτές είναι υπεύθυνος για τον έλεγχο των εμβόλων των δύο πρώτων ορόφων, ενώ ο δεύτερος κεντρικός ελεγκτής είναι υπεύθυνος για τον έλεγχο των εμβόλων που ελέγχουν τον τρίτο και τον τέταρτο όροφο. Για να μπορούν να παραχθούν αξιόπιστα αποτελέσματα, θα πρέπει οι δύο αυτοί κεντρικοί ελεγκτές να είναι απόλυτα συγχρονισμένοι μεταξύ τους. Για το λόγο αυτό, στον ένα κεντρικό ελεγκτή απενεργοποιήθηκε το εσωτερικό του ρολόι και συνδέθηκε με το ρολόι του δεύτερου ελεγκτή. Ακόμα, προκειμένου να εξασφαλιστεί ότι και ο χρόνος εκκίνησης θα είναι κοινός για τους δύο ελεγκτές, συνδέθηκε σε ένα ψηφιακό κανάλι των δύο ελεγκτών ένας ηλεκτρικός διακόπτης, έτσι ώστε η εκκίνηση της δοκιμής να πραγματοποιείται με αυτόν τον

107 97 κοινό διακόπτη. Αυτός ο διακόπτης φαίνεται και στην Εικ. 3.6, εντός του κίτρινου περιγράμματος. Εικ. 3.6 Φωτογραφία των δύο κεντρικών ελεγκτών Λόγω του ότι ο δεύτερος κεντρικός ελεγκτής διέθετε ένα κουτί διασύνδεσης καναλιών λιγότερο (πρόκειται ουσιαστικά για ηλεκτρονική μονάδα, η οποία περιέχει τους ενισχυτές των διαφόρων αναλογικών σημάτων και τους μετατροπείς των ψηφιακών σημάτων), χρειάστηκε να χρησιμοποιηθεί ένα κουτί διασύνδεσης από έναν παλιό κεντρικό ελεγκτή. Επομένως, έπρεπε να πραγματοποιηθούν διάφορες τροποποιήσεις στις καλωδιώσεις και να χρησιμοποιηθούν και κάποια εξωτερικά τροφοδοτικά. Στις Εικ. 3.7 και Εικ. 3.8 φαίνονται εντός κίτρινων περιγραμμάτων κάποιες τροποποιήσεις που έγιναν στο παλιό κουτί διασύνδεσης και στο κουτί σημάτων του ενός υδραυλικού εμβόλου για την τροφοδοσία και τη μεταφορά του σήματος του εξωτερικού μετρητή μετακίνησης.

108 98 Εικ. 3.7 Τροποποιήσεις στο παλιό κουτί διασύνδεσης Εικ. 3.8 Τροποποιήσεις στο κουτί σημάτων του υδραυλικού εμβόλου

109 99 Δυστυχώς, παρ όλες τις τροποποιήσεις, διαπιστώθηκαν προβλήματα γείωσης στον ένα κεντρικό ελεγκτή, μεταξύ αυτού και των εξαρτώμενων ελεγκτών (διαρροή μέσω της motherboard μεταξύ της mastercard και των slavecards). Το γεγονός αυτό προκαλούσε τη μεταβολή των αναλογικών σημάτων και δημιουργία παρασιτικών μετακινήσεων και δυνάμεων καθιστώντας αδύνατη την πραγματοποίηση της δοκιμής Πρόταση γενίκευσης της στρατηγικής διπλού τύπου ελεγκτή Η στρατηγική διπλού τύπου ελεγκτή χρησιμοποιήθηκε ανωτέρω για τις δύο περιπτώσεις ελέγχου του υδραυλικού εμβόλου που μπορούν να πραγματοποιηθούν με βάση τα μέχρι σήμερα τεχνολογικά δεδομένα, δηλαδή, για έλεγχο του υδραυλικού εμβόλου με βάση τη μετακίνηση ή με βάση τη δύναμη. Και στις δύο περιπτώσεις όμως που εξετάστηκαν, το σήμα εισόδου ήταν η μετακίνηση. Αυτό που έγινε σαφές από τα ανωτέρω είναι ότι με τη στρατηγική διπλού τύπου ελεγκτή αποσυνδέεται το είδος του σήματος εισόδου σε ένα έμβολο από τον τύπο ελέγχου που χρησιμοποιείται για το έμβολο. Αυτή η προσέγγιση δημιουργεί μεγάλες προοπτικές στην εξέλιξη των συστημάτων αυτομάτου ελέγχου που χρησιμοποιούνται στην πειραματική μηχανική, και όχι μόνο. Πλέον, το σήμα εισόδου μπορεί να προέρχεται από οποιονδήποτε αισθητήρα επιθυμούμε να ελέγξουμε και όχι μόνον από ένα αισθητήρα μετακίνησης ή δύναμης, όπως γίνεται μέχρι σήμερα. Ως ένα παράδειγμα ενδεχόμενης χρήσης της στρατηγικής διπλού τύπου ελεγκτή, μπορεί να ληφθεί η περίπτωση των σεισμικών προσομοιωτών (σεισμικές τράπεζες). Τα υδραυλικά έμβολα που ελέγχουν τους σεισμικούς προσομοιωτές είναι υποχρεωτικά σε έλεγχο μετακίνησης. Αυτό συμβαίνει διότι, με βάση τα τεχνολογικά δεδομένα που ισχύουν σήμερα για την περίπτωση των δυναμικών εμβόλων, ο μόνος τρόπος ελέγχου ενός δυναμικού εμβόλου είναι με βάση τη μετακίνηση. Λόγω όμως του γεγονότος ότι ο σεισμικός προσομοιωτής πρέπει να εκτελέσει μία ιστορία επιταχύνσεων, είναι αναγκαίο να γίνει μία διπλή ολοκλήρωση του επιταχυνσιογραφήματος, προκειμένου να προκύψει η αντίστοιχη ιστορία μετακινήσεων (χάνοντας έτσι συχνότητες). Επιπροσθέτως για τη μείωση του πειραματικού λάθους πρέπει να διενεργηθεί ένας αριθμός προκαταρκτικών δοκιμών, ώστε να βρεθεί η αντίστοιχη ιστορία μετακινήσεων που, όταν εκτελεστεί από το υδραυλικό έμβολο,

110 1 θα δώσει ένα επιταχυνσιογράφημα, το οποίο θα έχει όσο το δυνατόν μικρότερη απόκλιση από το επιθυμητό. Χρησιμοποιώντας την προτεινόμενη στρατηγική, είναι δυνατόν να χρησιμοποιείται ως σήμα εισόδου απ ευθείας το επιταχυνσιογράφημα, και το σήμα ανάδρασης του ελεγκτή 1 να προέρχεται από ένα επιταχυνσιόμετρο τοποθετημένο στην τράπεζα, ενώ ο έλεγχος του υδραυλικού εμβόλου να γίνεται με βάση τον εσωτερικό του αισθητήρα μετακίνησης. Το δομικό διάγραμμα της προτεινόμενης μεθόδου παρουσιάζεται στο Σχ Κατ αυτόν τον τρόπο, μπορεί να αποφευχθεί η διπλή ολοκλήρωση του επιταχυνσιογραφήματος και ενδεχομένως και οι προκαταρκτικές δοκιμές που απαιτούνται, επιτυγχάνοντας έτσι σημαντική μείωση της απόκλισης που έχει το επιταχυνσιογράφημα που εκτελεί τελικά ο σεισμικός προσομοιωτής σε σχέση με το επιθυμητό. Η πιστοποίηση της δυνατότητας χρήσης της προτεινόμενης στρατηγικής για την περίπτωση της σεισμικής τράπεζας ή σε άλλα σχήματα υπερβαίνει τους σκοπούς της παρούσας εργασίας. Είσοδος Ελεγκτής PID ενίσχυση Έξοδος Ελεγκτής PID Έξοδος Εσωτερ. μετρητής Επιταχυνσιόμετρο Σχήμα 3.61 Δομικό διάγραμμα για την περίπτωση της σεισμικής τράπεζας

111 11 4. ΔΙΚΤΥΑΚΗ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗ / ΕΛΕΓΧΟΣ ΔΟΚΙΜΩΝ 4.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ένα πολύ σημαντικό ζήτημα στις πειραματικές δοκιμές κατασκευών είναι αυτό της διάχυσης των αποτελεσμάτων. Μέχρι πρόσφατα σε κάθε εργαστήριο πραγματοποιούνταν δοκιμές με βάση τις επιστημονικές ανάγκες, την υλικοτεχνική υποδομή και τη χρηματοδότηση που είχε τη δεδομένη στιγμή. Κατ αυτόν τον τρόπο τα αποτελέσματα των δοκιμών περιορίζονταν στο περιβάλλον του εκάστοτε εργαστηρίου και στο συνεργαζόμενο επιστημονικό προσωπικό. Έτσι, ενώ στη βιβλιογραφία μπορεί να υπάρχει πλήθος πειραματικών δοκιμών κατασκευών, αυτές δεν είναι ούτε εύκολα προσβάσιμες ούτε άμεσα εκμεταλλεύσιμες από το σύνολο της επιστημονικής κοινότητας. Ταυτόχρονα, η ανάγκη πραγματοποίησης των δοκιμών σε δοκίμια πλήρους κλίμακας, σε συνδυασμό με την πολυπλοκότητα των πειραμάτων αυτών και το αυξημένο κόστος που συνεπάγεται αυτή η πολυπλοκότητα, οδήγησε τα τελευταία χρόνια σε μία αλλαγή της νοοτροπίας γύρω από την εκτέλεση πειραματικών δοκιμών. Η αρχή έγινε στις Η.Π.Α. με την ίδρυση του δικτύου Nees (Network for Earthquake Engineering Simulation). Η νέα αυτή νοοτροπία υλοποιήθηκε με τη συνεργασία των κυριότερων εργαστηρίων της Αμερικής και τη συνένωσή τους κάτω από μία ενιαία πλατφόρμα, με ελεύθερη διάθεση των παραγόμενων αποτελεσμάτων. Πρώτος στόχος ήταν η δυνατότητα επικοινωνίας μεταξύ των γεωγραφικά απομακρυσμένων εργαστηρίων, αλλά και οποιουδήποτε επιστήμονα επιθυμεί να έλθει σε επαφή με τις δραστηριότητες ενός εργαστηρίου. Έτσι, κάποιος χρήστης θα μπορεί να παρακολουθήσει με εικόνα ή ακόμα και ήχο τις δραστηριότητες ενός εργαστηρίου και τις δοκιμές που διεξάγονται σε αυτό και να έχει πρόσβαση στα δεδομένα του πειράματος και τα αποτελέσματα που παράγονται τόσο σε πραγματικό χρόνο όσο και μετέπειτα. Αυτό προϋποθέτει επιπροσθέτως, μία κοινή μορφή δεδομένων, ώστε αυτά να είναι κατανοητά και χρησιμοποιήσιμα από όλους. Με το δίκτυο αυτό μπορεί να εκτελούνται και συνεργατικές δοκιμές μεταξύ των εργαστηρίων. Μία πειραματική υποκατασκευή μπορεί να βρίσκεται στο ένα εργαστήριο, μία δεύτερη σε ένα άλλο, ενώ μία τρίτη υποκατασκευή η οποία ενδεχομένως να είναι και αναλυτική σε ένα τρίτο. Αυτό προϋποθέτει ότι θα έπρεπε να διασυνδεθούν και τα κατά

112 12 τόπους συστήματα δοκιμών μεταξύ τους, ώστε να μπορούν να πραγματοποιήσουν γεωγραφικά κατανεμημένες δοκιμές σε πραγματικό χρόνο. Μάλιστα, όλα τα προγράμματα και οι εφαρμογές που έχουν αναπτυχθεί για το σκοπό αυτό είναι ελεύθερα προσβάσιμα στην επιστημονική κοινότητα και στην πλειονότητά τους είναι ανοιχτού κώδικα. Τα πλεονεκτήματα από αυτήν τη νέα στρατηγική είναι ιδιαίτερα σημαντικά: Κατ αρχάς αυξάνεται πολλαπλασιαστικά το όφελος από κάθε δοκιμή που διεξάγεται. Πλέον, αυτή αποτελεί κτήμα της παγκόσμιας επιστημονικής κοινότητας και δίδεται η δυνατότητα παραγωγής έρευνας σε ένα πολύ μεγαλύτερο αριθμό ερευνητών. Μπορεί να τοποθετηθεί κατάλληλος αριθμός αισθητήρων που να εξυπηρετεί πολλαπλούς ερευνητές και έτσι, να μειωθεί το φαινόμενο της διεξαγωγής πανομοιότυπων δοκιμών με μεγάλο οικονομικό κόστος. Αποφεύγεται η μετακίνηση επιστημόνων για την παρακολούθηση δοκιμών του ενδιαφέροντός τους που διεξάγονται σε χώρο άλλο από αυτόν στον οποίο δραστηριοποιούνται. Αποφεύγονται λάθη και παραλείψεις από τη στιγμή που περισσότεροι επιστήμονες εμπλέκονται σε κάθε δοκιμή. Παρέχεται εμπειρία στην επιστημονική κοινότητα. Ενισχύεται η εκπαιδευτική διαδικασία των πανεπιστημιακών ιδρυμάτων. Προσφέρεται στην κοινωνία η δυνατότητα κατανόησης του σκοπού και του οφέλους της επιστημονικής έρευνας. Ειδικά ως προς τις γεωγραφικά κατανεμημένες δοκιμές προκύπτουν εξίσου σημαντικά οφέλη: Πλέον μπορούν να δοκιμαστούν πειραματικά κατασκευές που λόγω μεγέθους δεν θα μπορούσαν να δοκιμαστούν σε κάποιο μεμονωμένο εργαστήριο. Ακόμα και μικρότερα εργαστήρια μπορούν μέσω συνεργασίας να πραγματοποιήσουν δοκιμές, τις οποίες δεν θα μπορούσαν να πραγματοποιήσουν αυτόνομα.

113 13 Δίνεται η δυνατότητα σε επί μέρους εργαστήρια να επιλέξουν διαφορετικές κατευθύνσεις και να χρησιμοποιήσουν τους πόρους τους κατά τρόπον ώστε, σε συνεργασία με άλλα εργαστήρια, να καλύπτουν μεγαλύτερο φάσμα πειραματικών αναγκών. Για όλους τους ανωτέρω λόγους στο Εργαστήριο Κατασκευών του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών Πανεπιστημίου Πατρών αναπτύχθηκε ένα σύστημα τηλεπαρακολούθησης πειραματικών δοκιμών, με δυνατότητα διεξαγωγής γεωγραφικά κατανεμημένων δοκιμών. Χρησιμοποιήθηκαν οι εφαρμογές που ήταν ελεύθερα διαθέσιμες από το Nees, ενώ σε επί μέρους σημεία έγιναν οι αναγκαίες τροποποιήσεις, ώστε να καλύπτονται οι επί μέρους ανάγκες του Εργαστηρίου Κατασκευών. 4.2 ΣΥΣΤΗΜΑ ΤΗΛΕΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗΣ Κατ αρχάς, χρειάστηκε να οργανωθεί η δομή του νέου συστήματος. Κεντρικό σημείο είναι ένας σταθμός που ονομάζεται Telepresence Server και επιτελεί τις ακόλουθες λειτουργίες: Συνδέεται μέσω δικτύου με τους κεντρικούς ελεγκτές που είναι υπεύθυνοι για τον έλεγχο της κίνησης των υδραυλικών εμβόλων. Συνδέεται μέσω δικτύου με τους σταθμούς καταγραφής (data acquisition) των αισθητήρων που είναι τοποθετημένοι στο δοκίμιο. Συνδέεται με τις δικτυακές κάμερες του εργαστηρίου, οι οποίες δίνουν τη γενική εικόνα του δοκιμίου και λεπτομερειών αυτού. Αποθηκεύει στο σκληρό δίσκο τα δεδομένα που παράγονται σε κάθε χρονική στιγμή. Ειδικά για την περίπτωση των γεωγραφικά κατανεμημένων δοκιμών, στέλνει μέσω διαδικτύου, σε κάθε χρονικό βήμα της δοκιμής, τα δεδομένα τα οποία παρήχθησαν στο τοπικό εργαστήριο, στο σταθμό εργασίας που έχει το λογισμικό για τον προσδιορισμό του υπολογιζόμενου τμήματος της απόκρισης της κατασκευής. Αφού συγκεντρωθούν όλα τα δεδομένα του χρονικού βήματος από όλα τα απομακρυσμένα εργαστήρια, υπολογίζονται οι στοχευόμενες μετακινήσεις για κάθε εργαστήριο για το

114 14 επόμενο χρονικό βήμα και αποστέλλονται στον Telepresence Server κάθε τοπικού εργαστηρίου. Αυτός με τη σειρά του, τις στέλνει στους κεντρικούς ελεγκτές του τοπικού εργαστηρίου. Λειτουργεί ως βάση δεδομένων, επιτρέποντας σε εξουσιοδοτημένους απομακρυσμένους χρήστες και στα υπόλοιπα εμπλεκόμενα εργαστήρια να έχουν πρόσβαση σε δεδομένα και εικόνα, τόσο σε πραγματικό χρόνο όσο και μετά το πέρας της δοκιμής. Όλες οι ανωτέρω διεργασίες εκτελούνται με βάση μια εφαρμογή και των διαδικασιών που διαθέτει, η οποία ονομάζεται RBNB (Ring Buffer Network Bus) και η οποία συνίσταται σε μία συνεχή δομή δεδομένων συγκεκριμένης χωρητικότητας. Πιο συγκεκριμένα, το RBNB που έχει φτιαχτεί σε γλώσσα προγραμματισμού Java, είναι ένα είδωλο (ένα αντίγραφο δηλαδή) των δεδομένων, τα οποία φτάνουν στον Telepresence Server και αποθηκεύονται στο σκληρό του δίσκο. Λόγω του συγκεκριμένου χώρου μνήμης που διατίθεται για την εφαρμογή αυτή, τα νεότερα δεδομένα συνεχώς αντικαθιστούν τα παλαιότερα δεδομένα και με αυτόν τον τρόπο ο απομακρυσμένος χρήστης ή οι απομακρυσμένες εφαρμογές μπορούν να έχουν γρήγορη πρόσβαση σε αυτά τα δεδομένα, χωρίς να επεμβαίνουν στο σκληρό δίσκο στον οποίο αποθηκεύονται πρωτογενώς τα δεδομένα. Η διαδικασία αυτή απεικονίζεται στο Σχ Σχήμα 4.1 Λειτουργία του RBNB

115 15 Η σύνδεση μεταξύ των κεντρικών ελεγκτών που ελέγχουν την κίνηση των εμβόλων, των σταθμών καταγραφής των σημάτων των αισθητήρων και του Telepresence Server γίνεται μέσω της διαδικασίας της εφαρμογής RBNB, που ονομάζεται DaqToRbnb. Πρόκειται για μία εφαρμογή σε γλώσσα προγραμματισμού Java, η οποία συλλέγει τις μετρήσεις από τους κεντρικούς ελεγκτές και τους σταθμούς καταγραφής και, αφού τους βάλει μία χρονική σφραγίδα ανάλογα με το χρόνο στον οποίο παράχθησαν, τα μετατρέπει από μορφή ASCII σε μία μορφή η οποία είναι κατανοητή από το RBNB. Οι εφαρμογές που αναφέρθηκαν ανωτέρω και πιο συγκεκριμένα, το DaqToRbnb και οι οποίες αναπτύχθηκαν από το Nees, δημιουργήθηκαν για να επικοινωνούν με το LabView, που είναι το κύριο πρόγραμμα που χρησιμοποιείται από τους κεντρικούς ελεγκτές και τους σταθμούς καταγραφής των εργαστηρίων των Η.Π.Α. Όπως αναφέρθηκε σε προηγούμενο κεφάλαιο της παρούσας εργασίας, οι κεντρικοί ελεγκτές και οι σταθμοί καταγραφής του Εργαστηρίου Κατασκευών είναι σχεδιασμένοι από το εργαστήριο ELSA του Joint Research Center της Ευρωπαϊκής Επιτροπής και χρησιμοποιούν διαφορετικά πρωτόκολλα επικοινωνίας, δουλεύουν με διαφορετικά λειτουργικά συστήματα, ενώ οι διάφορες εφαρμογές έχουν δημιουργηθεί με διαφορετικές γλώσσες προγραμματισμού (C++ αντί για Java). Επομένως, για να είναι δυνατή η επικοινωνία μεταξύ του DaqToRbnb των κεντρικών ελεγκτών και των σταθμών καταγραφής των σημάτων των αισθητήρων για την ανταλλαγή των δεδομένων, χρησιμοποιείται μία εφαρμογή σε γλώσσα προγραμματισμού C++ που ονομάζεται daq2rbnb, η οποία αναπτύχθηκε στο εργαστήριο ELSA. Η εφαρμογή αυτή δημιουργεί μία σύνδεση με τους κεντρικούς ελεγκτές και τους σταθμούς καταγραφής μέσω του πρωτόκολλου επικοινωνίας ActrlService DCOM, μετατρέπει τα δεδομένα που έρχονται από αυτούς σε μία μορφή κατανοητή από την εφαρμογή DaqToRbnb και τα στέλνει στην εφαρμογή DaqToRbnb. Τέλος, η σύνδεση μεταξύ των δικτυακών καμερών και του «Telepresence Server» γίνεται μέσω της εφαρμογής του RBNB, που ονομάζεται AxisSource. Πρόκειται για μία εφαρμογή σε γλώσσα προγραμματισμού Java, η οποία συλλέγει τα δεδομένα εικόνας από τις δικτυακές κάμερες του εργαστηρίου (Axis) και τα στέλνει στην εφαρμογή RBNB.

116 16 Ενδιάμεσα σε αυτήν την αλληλουχία διεργασιών και επικοινωνίας μεταξύ των επί μέρους συστημάτων, ανακύπτουν σοβαρά ζητήματα ασφάλειας. Από τη στιγμή που παρέχεται πρόσβαση σε οποιονδήποτε χρήστη του διαδικτύου σε δεδομένα υπολογιστών, όπως είναι αυτοί που ελέγχουν την κίνηση των εμβόλων ή την καταγραφή των αισθητήρων, θα πρέπει να εξασφαλίζεται η ασφάλεια τόσο των ίδιων των δεδομένων όσο και των συστημάτων και υπολογιστών που εμπλέκονται έναντι εσφαλμένων χειρισμών των απομακρυσμένων χρηστών ή και κακόβουλων χρηστών και λογισμικών. Για το λόγο αυτό αποφασίστηκε να υιοθετηθεί για το δίκτυο του Εργαστηρίου Κατασκευών μία δομή δύο παράλληλων δικτύων. Το πρώτο δίκτυο είναι ένα εικονικό δίκτυο, το οποίο δεν έχει τη δυνατότητα επικοινωνίας με το διαδίκτυο. Ένα εικονικό δίκτυο ορίζεται έχοντας μία διεύθυνσης IP της μορφής xxx και εφόσον οι υπολογιστές του εικονικού δικτύου αυτού βρίσκονται στον ίδιο κατανεμητή (switch). Σε αυτό το δίκτυο βρίσκονται όλοι οι υπολογιστές, οι οποίοι είναι υπεύθυνοι για τη διεξαγωγή των πειραματικών δοκιμών, η ασφάλεια των οποίων είναι κρίσιμη. Πιο συγκεκριμένα, οι υπολογιστές αυτοί είναι οι κεντρικοί ελεγκτές των υδραυλικών εμβόλων, οι σταθμοί που είναι υπεύθυνοι για την καταγραφή των σημάτων των αισθητήρων και πιθανώς και κάποιοι ηλεκτρονικοί υπολογιστές, οι οποίοι έχουν εφαρμογές σχετιζόμενες με την πειραματική δοκιμή. Το δεύτερο δίκτυο είναι το επιστημονικό δίκτυο του Εργαστηρίου Κατασκευών (Strulab), που χρησιμοποιείται από τα μέλη του εργαστηρίου για τη μεταξύ τους επικοινωνία και το οποίο, φυσικά έχει πρόσβαση στο διαδίκτυο. Στο δίκτυο αυτό βρίσκεται και ο σταθμός Telepresence Server, καθώς είναι αναγκαίο ο σταθμός αυτός να έχει πρόσβαση στο διαδίκτυο, αφού με αυτόν επικοινωνούν οι απομακρυσμένοι χρήστες ή άλλα εργαστήρια στην περίπτωση των γεωγραφικά κατανεμημένων δοκιμών. Για να είναι δυνατή η επικοινωνία μεταξύ των δύο δικτύων και ειδικότερα, μεταξύ του Telepresence Server, των κεντρικών ελεγκτών και των σταθμών καταγραφής, χρησιμοποιείται ένας ενδιάμεσος υπολογιστής ο οποίος ονομάζεται Data Collector. Ο υπολογιστής αυτός είναι εφοδιασμένος με δύο κάρτες δικτύου και έχει πρόσβαση τόσο στο εικονικό δίκτυο όσο και στο επιστημονικό δίκτυο. Πρόκειται ουσιαστικά για τη γέφυρα μεταξύ των δύο δικτύων. Για λόγους ασφαλείας δεν είναι δυνατή η πρόσβαση σε

117 17 οποιονδήποτε χρήστη ή εφαρμογή, ακόμα και αν βρίσκεται στο επιστημονικό δίκτυο μέσω του Data Collector να έχει πρόσβαση στο εικονικό δίκτυο. Στον Data Collector, ο οποίος φέρει λειτουργικό Windows, τρέχει η εφαρμογή daq2rbnb. Οι δικτυακές κάμερες βρίσκονται και αυτές στο επιστημονικό δίκτυο. Σε αυτές μπορεί να έχει πρόσβαση οποιοσδήποτε υπολογιστής βρίσκεται στο επιστημονικό δίκτυο, πλην όμως, δεν είναι δυνατή η πρόσβαση σε αυτές από το διαδίκτυο. Οι κάμερες αυτές επικοινωνούν απ ευθείας με τον Telepresence Server και του στέλνουν εικόνα από το δοκίμιο. Ο συγχρονισμός μεταξύ δεδομένων και εικόνας γίνεται βάσει μιας σφραγίδας χρόνου, με την οποία αυτά συνοδεύονται. Αυτό προϋποθέτει ακριβή συγχρονισμό μεταξύ όλων των σταθμών που συμμετέχουν σε μια δοκιμή, όλων των εργαστηρίων που συνεργάζονται. Όλοι οι σταθμοί πλην του Telepresence Server που λειτουργεί σε περιβάλλον Linux λειτουργούν σε περιβάλλον Windows. Ο συγχρονισμός υπολογιστών που έχουν λειτουργικό σύστημα Windows γίνεται με βάση το πρωτόκολλο SNTP (Simple Network Time Protocol). Στους υπολογιστές που λειτουργούν σε περιβάλλον Linux χρησιμοποιείται το NTP (Network Time Protocol). Η κύρια διαφορά μεταξύ των δύο έγκειται στο ότι όταν οι σταθμοί επικοινωνούν με έναν Time Server για να ενημερώσουν το εσωτερικό τους ρολόι, όσοι χρησιμοποιούν το SNTP επιβάλλουν τυχόν διαφοροποίηση από την επίσημη ώρα ακαριαία, κάτι που μπορεί να επηρεάσει τη διασύνδεση των δεδομένων της δοκιμής με την ώρα στην οποία παρήχθησαν. Για αυτόν το λόγο, επιλέχτηκε να αντικατασταθεί το SNTP για τους υπολογιστές που λειτουργούν σε περιβάλλον Windows με το NTP. Επιπροσθέτως, οι σταθμοί που είναι συνδεδεμένοι με το εικονικό δίκτυο, δεν μπορούν να συνδεθούν με εξωτερικούς Time Servers και να συγχρονιστούν. Για το σκοπό αυτό εγκαταστάθηκε στο Data Collector πρωτόκολλο για να λειτουργεί ως Time Server, αφού είναι ο μόνος σταθμός που έχει πρόσβαση τόσο στο εικονικό δίκτυο όσο και στο διαδίκτυο. Τέλος, ο απομακρυσμένος χρήστης μπορεί να παρακολουθήσει τη διεξαγωγή μιας δοκιμής μέσω διαδικτύου χρησιμοποιώντας μία εφαρμογή που ονομάζεται RDV (Real-time Data Viewer). Η εφαρμογή αυτή είναι ελεύθερη και ο χρήστης μπορεί να τη μεταφορτώσει από την ιστοσελίδα του Nees.

118 18 Η δομή των δύο παράλληλων δικτύων φαίνεται στο Σχ Σχήμα 4.2 Δομή των δύο παράλληλων δικτύων Σήμερα, το σύστημα τηλεπαρακολούθησης του Εργαστηρίου Κατασκευών περιλαμβάνει: Δύο κεντρικούς ελεγκτές με δυνατότητα ελέγχου μέχρι τεσσάρων υδραυλικών εμβόλων ο καθένας. Δύο συστήματα καταγραφής 64 καναλιών το καθένα. Μία δικτυακή κάμερα με δυνατότητα κίνησης μέσω υπολογιστή (Pan Tilt Zoom). Δώδεκα σταθερές δικτυακές κάμερες. Το σταθμό Data Collector. Το σταθμό Telepresence Server.

119 19 Το σύστημα τηλεπαρακολούθησης του Εργαστηρίου Κατασκευών, από τη στιγμή που εγκαταστάθηκε, χρησιμοποιείται ανελλιπώς σε όλες τις δοκιμές που διεξάγονται σε αυτό. Το σύστημα αυτό χρησιμοποιήθηκε και για τις δοκιμές που πραγματοποιήθηκαν στο πλαίσιο της παρούσας εργασίας. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκαν 12 σταθερές κάμερες για την παρακολούθηση λεπτομερειών του δοκιμίου σε σημεία ενδιαφέροντος (εμφάνιση βλάβης), καθώς και η δικτυακή κάμερα με δυνατότητα κίνησης για τη γενική άποψη του δοκιμίου. Στην Εικ. 4.1 φαίνεται ένα στιγμιότυπο της οθόνης του υπολογιστή του απομακρυσμένου χρήστη κατά τη διάρκεια μιας από τις δοκιμές. Ο απομακρυσμένος χρήστης, αφού συνδεθεί με τον Telepresence Server, μπορεί να ανοίγει σε παράθυρα και να βλέπει είτε την εικόνα από τις διάφορες κάμερες είτε και τα δεδομένα που επιθυμεί. Μπορεί ακόμα να συνδυάζει και κανάλια δεδομένων μεταξύ τους, κάνοντας αλγεβρικές πράξεις μεταξύ των καναλιών δεδομένων, να δημιουργεί σημειώσεις σε δεδομένες χρονικές στιγμές (π.χ. όταν συμβαίνει μία βλάβη σε κάποιο σημείο του δοκιμίου), ενώ τέλος μπορεί να κατεβάσει και να αποθηκεύσει τα δεδομένα και την εικόνα των καμερών στον υπολογιστή του. Εικόνα 4.1 Φωτογραφικό στιγμιότυπο του RDV