Tavola Vibrante Per Test Sismici - Richiesta di aiuto per la realizzazione

[gstef82]

Salve, sono uno studente di Ingegneria Civile.

Io vorrei realizzare una tavola vibrante bidimensionale per effettuare test sismici su modelli di strutture.

Per quanto riguarda la parte meccanica non ho particolari difficoltà; i problemi (data la mia incompetenza in materia) sorgono per la parte di automazione e controllo.

Riporto qualche dettaglio in più del progetto in modo da essere il più chiaro possibile:

- piano mobile (50x50 cm di lato) in due direzioni ortogonali, corsa massima +5,-5 cm;

- accelerazione massima 2g (2*9,81 m/s2), intervallo di frequenza delle vibrazioni (0-100 Hz);

- necessità di dare gli input alla tavola vibrante tramite computer (in genere le componenti orizzontali ortogonali delle onde di terremoti reali, quindi non sono mai funzioni matematiche);

- ogni onda di terremoto reale è caratterizzata da decine di migliaia di valori (di accelerazione o velocità o spostamento) intervallati l'un l'altro da deltaT molto piccoli (es. di ordine di grandezza 0,00244 sec.);

- necessità di acquisizione tramite computer dei dati registrati da sensori quali accelerometri e micrometri.

Spero di essere stato abbastanza chiaro nell'esporvi il mio progetto. Ora, quello di cui ho bisogno sono tanti buoni consigli e delucidazioni sulla parte di automazione (interfaccia pc-attuatori, tipo di attuatori, parte elettronica,....).

Grazie

[luigi69]

ciao gstef

rispondo volentieri alla tua domanda

io lavoro per una multinazionale leader nella costruzione di servovalvole e sistemi oleo..non faccio il nome ne' l'ubicazione degli impianti cosi' di posso fornire dei dati senza ledere nessuno

sono qualche anno che costruiamo sistemi del genere, ovvero tavole vibranti su piu' assi per la simulazione di terremoti, o semplici vibrazioni

ti faccio un esempio

l'ultimo grande lavoro per una universita' italiana

due tavole 4m*4m sovrapposta a panino su un velo di olio ( velo si fa per dire )

peso complessivo una sessantina di ton

spostamento massimo + - 50 cm

vibrazione massima raggiunta facendo vibrare lo stabilimento.....non 100 hz ma ci siamo vicini, certno non con lo spostamento massimo

altri lavori piu' piccoli...tavole 2 m*2 1*1..............

dietro a questi lavori ci sono molti aspetti :

analisi di cosa si vuole riprodurre ( cioe' che tipo di vibrazioni....per una simulazione su carri ferrovia sono state strumentate motrici e vagoni e registrati i valori e le entita' delle sollecitazioni per poi riprodurli )

tipo di tavole dove verranno montate le cose da testare ( ammortizzatore moto, particolari ferroviari, appunto nel tuo caso semilavorati in cemento armato )

tipo della "matematica" che gestisce l'esperimento ( matlab lab view... )

sistema di movimentazione tavole ( cilindri oleodinamici controllati da servovalvole )

sistema lettura dati ( accelerometri montati sul campione in prova, misura della corsa dei cilindri di movimentazione tramite principio sonar o lvdt, gestione centrali oleodinamiche per fornire la potenza idraulica necessaria )

e via di seguito

ora, io non voglio spaventarti, ma case costruttrici che eseguono lavori di una certa importanza ( ti accennavo sopra dele maxi tavole da 4*4m ) in italia saranno forse due o tre

tu dici di non avere problemi sulla parte meccanica....ma anche quella ha la sua importanza, eccome

tu vuoi realizzare una tavola bidimensionale........ma hai presente i costi che comporta ?

decine di persone e mesi di lavoro

se vuoi vedere esperimanti simili dal vivo, a milano ad esempio ci sono centri di taratura sit per quello che riguarda le vibrazioni, ma perdonami il consiglio.......la vedo un po dura partire da solo avendo qualche consiglio................

io nei lavoi sopradescritti seguo la parte relativa agli azionamenti oleodinamici... ed in parte sulla meccanica .su quello posso darti tutte le delucidazioni che vuoi ( avendo un po di tempo....)

per il resto ( cioe' accelerometri ed acquisizione di segnali ) conosco alcuni principi ed il funzionamento ma non faccio in pratica queste cose

ciao e per quello che posso rimango a tua disposizione volentieri ( sempre tempo permettendo )

[gstef82]

luigi69 ti ringrazio per aver risposto.

Mi rendo conto che il mio progetto è molto ambizioso (per le mie competenze) ma non pretendo assolutamente di realizzare una tavola vibrante ad alta precisione e dalle dimensioni di cui mi hai parlato.

Ciò che intendo realizzare è una "small shaking table", una tavola vibrante in miniatura utile più per dimostrazioni didattiche che per veri e propri test di laboratorio. I modelli da montare sulla tavola sono molto piccoli (scala 1:100) e i carichi sono estremamente ridotti (max 50 - 60 kg).....in pratica un giocattolino rispetto alle tavole vibranti da 4 mt di lato.

Io ho già lavorato con le small shaking table monodirezionali (dimensioni del piatto 30x50 cm) presso l'Università di Bristol dove ho trascorso un periodo di 3 mesi per ricerca di tesi e avendole viste, credo che dal punto di vista meccanico non siano un grosso problema. Quella che utilizzavo io era monodirezionale ed era azionata da un attuatore elettromagnetico (stesso principio di funzionamento dei subwoofer) ed inoltre potevo dare in input solo funzioni matematiche (sine wave, square wave,...) perchè l'attuatore era controllato da un generatore d'onda e non da un computer.

Io con il mio progettino vorrei fare qualche passo avanti:

- oscillazioni bidimensionali

- controllo da computer (input forma d'onda personalizzabile - utilizzo di matlab per la gestione)

In pratica i componenti meccanici fondamentali sono le guide con carrellini scorrevoli (si utilizzano anche per la parte meccanica delle macchine CNC) su cui montare il piatto della tavola (e per questo tipo di articoli ci sono diversi siti internet di aziende produttrici specializzate).

Per quanto riguarda gli attuatori, poi, ho visto su internet che ce ne sono diversi (pneumatici, oleodinamici, elettrici) e qui mi serve il consiglio di chi è molto più esperto di me. Quali sono quelli che hanno una risposta più veloce, come comandarli, come interfacciare i controller con il computer, come azionare eventuali servovalvole e regolatori di pressione,ecc.

Ovviamente senza esagerare nella pretesa di elevate prestazioni della tavola. Per quello che devo realizzare vanno bene anche approssimazioni abbastanza consistenti.

Attendo vostri consigli.

Grazie.

[Mario Maggi]

gstef82,

dato che ti serviranno forze di poche decine di libbre per spostamenti di meno di mezzo piede, ti consiglierei dei piccoli attuatori elettromagnetici lineari, per esempio di tipo tubolare.

P.S.: non sarebbe meglio partire usando le unita' di misura normalizzate, invece dei centimetri?

Ciao

Mario

[FANT]

Noi facciamo normalmente prove di vibrazioni sui sistemi e sulle schede che produciamo.

I due tavoli vibranti di cui disponiamo sopportano un peso massimo di circa 250 Kg, sono su velo d'olio ( con pompa oleodinamica da 200 bar ) eil sistema di movimentazione è effettivamente simile a quello di un subwoofer posto orizzontalmente.

un piccolissimo problema è rappresentato dal fatto che questo "altoparlante " è alimentato da un amplificatore da circa 10 KW di potenza audio e la bobina di magnetizzazione ne assorbe altrettanti.

Quindi credo che oltre ai problemi meccanici sia da affrontare anche la costruzione di un sistema elettrico non proprio semplice.

Il segnale di pilotaggio è fornito da un PC con A/D converter e il loop di controllo è chiuso tramite accelerometro posto sul banco o alternativamente sul pezzo da controllare.

Come detto prima vedi se riesci a trovare una ditta che abbia un banco vibrazionie vedrai che ad un esame approfondito dello stesso piccoli accorgimenti portano a risultati buoni o al fallimento del progetto.

Moandi

[luigi69]

ok gstef certo io ti ho portato un esempio...certo, lo so che vuoi realizzare delle cose piu' piccole, ma hai presente il concetto di due assi ? tutto il discorso deve essere moltiplicato per due...

dunque e' domenica mattina, sono le 7 e 35.....sono in coma e reduce da una pizza....vabbe'..lo confesso, dovevo fare un paio di preventivi ma preferisco risponderti, poi li faccio dopo ( propongo allo staff di PLC Forum di farmi santo..... )

io imposto un discorso.....basato su una tavola comandata oleodinamicamente

il discorso puo' essere ampliato a piacere, e comunque scopro che esistono tavole comandate con il sistema descritto sopra elettromagnetico, non lo sapevo, si impara sempre.

Partiamo da un cilindro oleodinamico ok ? scusa se faccio esempi stupidi o magari spiego cose gia' dette.....non so quali sono le tue competenze

un cilindro a doppio effetto- camera del cilindro- piattello - stelo che fuoriesce

per convenzione immetti olio nella camera A ( lato culatta del cilindro ) e lo stelo fuoriesce

immetti olio nella camera B ( lato uscita stelo ) e lo stelo rientra

trascuriamo solo un attimo il fatto che se fai molto velocemente questa azione non sono trascurabili gli attriti derivati sia dalle guarnizioni di tenuta del piattello, sia dalle guarnizioni di tenuta da dove esce lo stelo, e per questo ci sono altre soluzioni ( tenute idrostatiche )

il cilindro e' collegato meccanicamente alla tavola che supporta il materiale da testare

che corsa deve avere il cilindro ? quale sezione deve avere il cilindro ?

la corsa deve essere quella che si vuole ottenere nelle prove, ovvero corsa della tavola +-50 mm il cilindro deve avere corsa 100 mm, sara' posizionato a meta' ( stelo meta' dentro e meta' fuori )

per ragioni pratiche, sopratutto con controller ti vecchio tipo, analogici, la corsa deve essere maggiore, in quanto se scappa qualche cosa al controlo eviti una battuta a fondo corsa del cilindro

la sezione del cilindro ? bene, l'olio entra ed agisce sul piattello spostandolo : la sezione del piattello ( e trascuriamo solo un attimo la differenza delle sezioni fra piattello lato fondo e piattello lato stelo )determina in proporzione alla pressione dell'olio idraulico la forza con il quale tu agisci sulla tavola

esempio...cilindro alesaggio 50 mm, cioè il diametro interno, superficie di spinta 19,6 cm2 ( superficie pigreca rquadro diametro 50 r =25 mm ) entri con una pressione di 210 bar ( noi li chiamiamo bar e gli americano PSI che equivalgono a 3000 psi ) ottieni una spinta massima di 19,6*210 = 4,116 tonnellate

questo e' un ragionamento che applichi prevalentemente ad applicazioni statiche, nel senso un cric idraulico che solleva una macchina nel caso della tavola tu applichi questa forza massima contando sul fatto che in realta' non arrivi a fondo corsa del cilindro oleo, in quanto raggiunto il limite impostato torni indietro e non fai battuta.....ecco che in proprozione determini la pressione di lavoro sopratutto per gli attriti e per dare l'accelerzione g richiesta ad una particolare massa che hai montato sulla tavola

quello che e' molto importante per questa applicazione e' la portata del sistema idraulico ovvero

se ci siamo capiti con il concetto del cilindro oleo, tu devi avere una linea idraulica alimentata da piu' pompe e tenuta "tranquilla e regolare" da alcuni accumulatori idraulici

facciamo il caso che tu sei completamente rientrato con il cilindro, e sei a corsa -50 mm e devi andare a corsa +50 mm

vuole dire che tu nel più breve tempo possibile devi riempire completmente la camera del cilindro di olio

volune di un cilindro superficie cm2 19,6 * 10 cm ( la corsa di 100 mm ) 196 cm3, circa 0,2 litri ho fatto i conti giusti ? si credo di si

se tu vuoi ottenere una frequenza di esempio 10 hz, vuole dire che 10 volte al secondo tu devi riempire e svuotare la camera del cilindro, quindi la portata della tua pompa deve essere tale appunto da garantire questo, opportunamente deviando la portata dell'olio sia nella camera a che nella camera b

come si fa questo ? tramite una servovalvola

principio delle valvole a casetto all'interno di una valvola oleo (o anche pneumatica), ti trovi in arrivo la tubazione della potenza cioè dell'olio indicata con P pressure la tubazione di ritorno al serbatoio T tank le tubazioni in arrivo dal cilindro A e B

per ottenere il movimento di cui sopra , quindi, alternativamente, metterai in collegamento A con P e B con T ( corsa in avanti) e P con B e A con T ( corsa indietro , rientro )

Se smonti una comune elettrovalvola trovi all'interno un cilindro simile ad una matita ( nel senso diametro alcuni mm) opportunamente tornito in alcuni punti, che scorre fra le camere della valvola, appunto fra i cassetti, ottenendo il "collegamento" fra i vari punti A B P T

ma se vai a 10 hz o piu' ? usiamo le servovalvole cosa sono ? valvola particolari dove il movimento dello stelo e' sempre ottenuto tramite una bobina che genera un campo elettromagnetico, ma lo stelo in realta' e' un piccolo "spillo" ( lo spool ) che devia l'olio all'interno delle camere, quasi sempre assistito da una retroazione gestita elettronicamente nelle comuni valvole tu hai delle posizioni ben definite, che corrispondono ad aperto e chiuso nelle servo puoi ottenere infiniti "gradini"

tralascio altri particolari....se si possono chiamare particolari

esempio tu devi simulare una vibrazione partendo da un'onda quadra periodo tot.... il fronte di salita dell'onda e' ripido, praticamente verticale quindi la tua tavola deve spostarsi in tempo "zero" e rimanere in quella posizione per la durata "orizzontale" della forma d'onda.. poi ? poi la forma d'onda ha un andamento negativo, bene, a questo punto, sempre in tempo zero teorico il cilindro deve portarsi nella posizione opposta e rimanerci questo tipo di onda quadra, per esempio, e' utilizzata nelle sollecitazioni dove riproduci movimenti "bruschi"

se invece applichiamo una forma di comando della servovalvola di tipo triangolare o meglio sinusoidale, otteniamo un su e giu del cilindro quasi uniforme come se con la nostra macchina facessimo in continuazione dosso e cuneetta, dosso e cuneetta, dosso e.........

ed il controllo ? come agisce ?

immaginiamo un controllo ad anello chiuso, in genere ottenuto con schede ad oc o con applicazioni che poi ti dico dopo

onda quadra fronte di salita il controllo chiede alla servo massima portata "in avanti" la retroazione interna della servo controlla a sua volta che lo spillo si sia correttamente aperto sulla culatta del cilindro troviamo un trasduttore di posizione eventualmente poi vediamo il tipo

il trasduttore, misura i +50 mm ohhhhh ce nessuno al controllo ? ( tipo la particella di sodio )

si si sono il controllo dimmi.......senti il nostro stef quale misura ha impostato ? 50 mm ok ok allora fermati perche' li abbiamo raggiunti ( scusa, sono un po fuori ) bene dato che abbiamo una servovalvola, possiamo nel giro di pochi millisecondi, tornare a portata zero e quindi il cilindro si ferma

lo stesso ragionamento viene fatto per riprodurre la forma d'onda quando il suo fronte torna giu

abbiamo quindi un controllo in anello ( chiuso )di posizione

se invece dobbiamo provare a fatica esempio un ammortizzatore di una moto o di una macchina agiamo in controllo di forza cella di carico che legge la forza applicata e segnale di retroazione verso il controllo

ultima cosa ( di oggi ) altrimenti veramente non scrivo piu' i miei preventivi e qualcuno mi puo' accusare di manie da scrittore

e la tua tavola ? come fa ad andare avanti indietro cosi' velocemente con poco attrito ? altrimenti sono maggiori le forze di attrito che non quelle necessarie a sollecitare il nostro campione in prova........

se tu fai scorrere la tavola su una altra tavola vai incontro altre che ad un attrito radente a fenomeni di riscaldamento e comunque non controllabili ( se va dello sporco fra le due tavole, queste macinano e oltre a rovinarsi....aumentano gli atriti )

una tecnica che si usa e' il velo di olio ovvero

le tavole non sono propriamente con la faccia a contatto liscia ma lavorata in maniera da avere delle cave anche molto ampie

all'interno di queste cave ci sono degli ugelli che spruzzano olio ad una determinata pressione e con una determinata portata, che dipende dal peso da sostenere e da quanti ugelli ci sono

dopo pochi secondi quindi, tutta la superficie fra le tavole, o fra la tavola fissa e quella mobile, sara' percosa da un velo sottilissimo di olio che fara' pasare il nostro attrito radente in un attrito piu' simile a quello viscoso

osservazione : ma se sulla mia tavola ci monto una simulazione di un grattacielo ( piu' alto che non la sezione della base ), non appena inizio ad oscillare il momento ribaltante da il giro al mio modellino, alla tavola....e a quello che ci sta attorno

come faccio a "vincolare" la tavola vibrante a quella ferma di sostegno non creando attriti ? be.......effetto ventosa, come capitan ventosa di canale cinque , striscia la notizia

se da alcune parti io metto olio in pressione, ad una certa distanza da questi punti io l'olio lo "risucchio" indietro tramite una depressione che puo' essere ottenuta in vari modi, a seconda delle forze in gioco

ecco che le mie tavole stanno "incollate" ma scorrono fra di loro

spero di esserti stato utile : ci sarebbero milioni di cosa da dire, adesso non ho il tempo...e non le so neanche tutte...

mi scuso per gli errori di ortografia, ho riletto un paio di volte quanto scritto ma scrivo veloce....e ogni tanto qualche cosa scappa

mi scuso anche se ho scritto cose che forse non capisci ( dicevi che sei un ingegnere civile ) o forse ho saltato ampie descrizioni...............

ho cercato di fare una panoramica del sistema di movimentazione , del controllo e delle tavole

buona domenica a tutti

[gstef82]

ciao a tutti,

vi ringrazio per avermi dato i vostri consigli, ringrazio soprattutto luigi69 che è stato molto chiaro e dettagliato.

Riflettendo bene sul progetto ho pensato che la soluzione oleodinamica sarebbe l'ideale, ma prima vorrei provare con qualcosa di meno impegnativo ma soprattutto meno costoso.

Ho pensato ad attuatori elettromagnetici, non proprio da 10 kW di potenza (non saprei cosa farmene) ma qualcosa più facilmente reperibile.

Come punto di partenza ho pensato ad una rudimentale (molto rudimentale direi) prova con un vero e proprio subwoofer (modificando il cono per creare la connessione meccanica tra la tavola e la bobbina) e un amplificatore senza filtri per le frequenze subsoniche (0-20 Hz). Mi basterebbe trasformare il segnale in un file audio (...e matlab questa operazione la fa) e la tavola potrebbe anche muoversi (ovviamente con tutte le approssimazioni che questo processo potrebbe comportare).

Dopo questa prova valuterò se è il caso di passare o meno ad attuatori elettromagnetici di tipo tubolare.

Un giorno poi, chissà, (nell'ipotesi di una buona disponibilità economica) realizzerò la mia tavola vibrante ad azione oleodinamica.

Per stasera è tutto, ci risentiremo presto.

Ciao

[Mario Maggi]

gstef82,

ho pensato ad una rudimentale (molto rudimentale direi) prova

se vuoi risparmiare tempo, fissa i valori massimi di funzionamento normale e calcola il sistema di azionamento necessario. Se ben calcolato, funzionera' al primo colpo e sara' subito utilizzabile.

Se invece vuoi divertirti a montare/smontare/trafficare, prova pure a collegare il subwoofer a quel carico.

Ma non aspettarti di vedere 60 kg che percorrono 100 mm a 100 Hz!

Per questa applicazione a 100 Hz ritengo che la soluzione oleodinamica non sia adatta.

Ciao

Mario

[FANT]

Avevamo provato anche noi a fare un tavolo per la prova di traballamento ( quello che succede a un rack posto su un camion in strada sterrata ) ma abbiamo dovuto arrenderci perchè anche con valvole proporzionali e pompa a 150 bar non si arrivava oltre i 5 - 6 Hz.

Il velo d'olio è generato da un apompa oleodinamica a 200 bar e l'olio usato è molto denso, assomiglia quasi a un grasso; si dispone tra il tavolo fisso ( inferiore ) e quello mobile ( superore ) e crea un velo che riduce gli attriti, con spessore al massimo di 1/10 mm.

Anche ipotizzando di avere un carico di pochi Kg la potenza dell'amplificatore dovrà essere supeiore al KW, al fine di vincere tutti gli attriti del sistema.

Il banco attuale va fino a 3 KHz, ma questo è usato solo per prove particolari.

Saluti