Simulador Sísmico Uniaxial Tele

Simulador Sísmico Uniaxial Tele-Operable para Modelos Estructurales de
Pequeña Escala
Horacio A. Coral*. John A. Sandoval.**. Esteban E. Rosero***
José M. Ramírez****. Daniel Gómez*****
*Universidad del Valle, Cali, Colombia
(e-mail: [email protected]).
**Universidad del Valle, Cali, Colombia
(e-mail: [email protected])
***Universidad del Valle, Cali, Colombia
(e-mail: [email protected])
****Universidad del Valle, Cali, Colombia
(e-mail: [email protected])
***** Universidad del Valle, Cali, Colombia
(e-mail: [email protected])}
Resumen: Este artículo presenta el diseño, construcción y validación de un simulador sísmico uniaxial
para modelos estructurales de pequeña escala, para un área de carga de 2500cm2 con capacidad de 20Kg,
con desplazamientos hasta 15cm y frecuencias hasta 20Hz. El simulador sísmico puede ser operado a
través de Internet mediante una interfaz de control remoto desarrollada en Java®, que le permite al
usuario definir las señales de excitación (armónicas, barridos, impulses, o sismos históricos), visualizar
los registros obtenidos de la prueba y observar el video en línea desde cualquier parte del mundo.
Palabras clave: Dinámica Estructural, Ingeniería Sísmica, Motor Lineal, Simulador Sísmico, Teleoperación.
1. INTRODUCCIÓN
En las últimas décadas, miles de personas han fallecido
debido al colapso de edificios, producto de grandes
terremotos como el ocurrido en 1995 en la ciudad Japonesa
de Kobe y sus alrededores, el terremoto de El Centro en el
Sur de California (USA) que dejó cerca del 80% de los
edificios con daños y cerca del 50% de ellos tuvieron que ser
demolidos, el Terremoto de San Francisco (USA) en 1989
causó cuantiosos daños en autopistas y edificios, y los
terremotos de Popayán en 1983 y Armenia en 1999 ambos en
Colombia que dejaron cantidad de muertes y semidestruidas
esas ciudades y sus alrededores.
Todos estos antecedentes sumados a los registros de la USGS
(U.S. Geological Survey) que indican que anualmente en el
mundo se registran en promedio 17 terremotos de magnitudes
entre 7.0 y 7.9, ("USGS Earthquake Hazards Program:
Earthquake Facts and Statistics", 2008), iniciaron y
fortalecieron una etapa en la ingeniería sísmica en la cual se
enfocaron los esfuerzos por probar, observar y analizar los
efectos de movimientos sísmicos en estructuras reales y a
escala, con el fin de mejorar los diseños sismorresistentes,
analizar el desempeño de algún dispositivo de control
estructural, analizar no linealidades de la estructura o para
conocer su capacidad última.
En la actualidad, las mesas vibratorias son la aproximación
más natural a los movimientos sísmicos, y la gran experiencia
adquirida por el uso de simuladores sísmicos en trabajos
investigativos hace que la Ingeniería sísmica y su evolución
se base fuertemente en la práctica (Sollogoub, 2007).
Los simuladores sísmicos se han desarrollado principalmente
en USA y Japón para evitar grandes desastres (Nobuyuki
Ogawa, 2001), Francia e Italia en programas de Investigación
y Desarrollo para analizar los efectos sísmicos en estructuras,
equipo nuclear y de defensa (Sollogoub, 2007). Como prueba
de lo anterior, en el mundo existen alrededor de 42
instalaciones con simuladores sísmicos de gran escala, de
entre las cuales las más relevantes son el simulador de la
ciudad de Miki en Japón inaugurado en enero de 2006 con
capacidad de 1200 Toneladas, área de carga de 300m2 y seis
grados de libertad; y el simulador de Tadotsu también
ubicado en Japón inaugurado en 1984, el simulador de más
capacidad durante 20 años, con capacidad de 1000 Toneladas
y dos grados de libertad (OECD/NEA, 2004).
Debido a que Colombia se encuentra ubicada en una de las
zonas sísmicamente más activas de la tierra, denominada el
Anillo Circumpacífico, gran parte de la población
Colombiana ha sido azotada por eventos destructivos
importantes como se evidencia en (Armando Espinosa
Baquero, 2004); ciudades como Bogotá, Armenia, Manizales,
Pereira, Cali, Popayán, Pasto, Neiva, Bucaramanga y
Villavicencio han sido clasificadas como de alta amenaza
sísmica (NSR-98, 1998). Por esta importante razón, sumada
al auge que vive actualmente la ingeniería sísmica en
Colombia, y la creciente motivación de la comunidad
científica por investigar los efectos sísmicos sobre las
estructuras en la búsqueda de nuevas ideas para minimizar
daños y pérdidas humanas, se inició el diseño, construcción y
validación de una mesa vibratoria que tiene una característica
especial y que la hace relevante en la era de las
telecomunicaciones que hoy vivimos, su tele-operabilidad.
Este especial simulador sísmico hace parte de El Laboratorio
Remoto de Ingeniería Sísmica y Dinámica Estructural de la
Universidad del Valle y sirve de apoyo a estudiantes de
pregrado y postgrado de diferentes partes del mundo (gracias
a su tele-operabilidad) en la investigación y complemento
práctico de áreas tan importantes de la ingeniería como La
Ingeniería de Control y La Ingeniería Sísmica y Dinámica
Estructural.
Los usuarios del Laboratorio Remoto pueden manipular o
seleccionar la señal a reproducir por el simulador sísmico
como lo deseen (amplitud, frecuencia, crear un sismo, etc.) y
con un simple botón ejecutan el experimento para observar en
línea los registros de las aceleraciones medidas en el
experimento y el respectivo video.
Fundamentalmente, el dispositivo que mueve la mesa
vibratoria es un motor lineal que está ajustado fuertemente al
área de carga de la mesa vibratoria (donde se instala una
estructura prototipo). El movimiento del motor es
monitoreado y controlado por un servocontrolador que
requiere, para su funcionamiento, una señal de referencia SP
(señal que representa cómo se quiere que se mueva la mesa
vibratoria: sismo, armónica o barrido frecuencial) y una señal
de realimentación (feedback), en este caso, proveniente del
encoder lineal que mide la velocidad y desplazamiento de la
mesa vibratoria. La señal de referencia es generada dentro de
un computador y enviada en forma de voltaje a través de la
tarjeta de adquisición y control de datos hacia el
servocontrolador. Adicionalmente, las aceleraciones medidas
provenientes de los sensores de aceleración ubicados en el
área de carga de la mesa vibratoria, y en el primer y segundo
piso de la estructura prototipo son acondicionadas y leídas
por la tarjeta de adquisición de datos para ser desplegadas al
usuario.
2. DISEÑO DEL SIMULADOR SÍSMICO
La base del diseño lo hacen las especificaciones deseadas del
simulador sísmico, estas varían para cada caso dependiendo
de la calidad y precisión de la reproducción del sismo, los
movimientos a realizar, la capacidad de carga y su
desplazamiento, velocidad y aceleración máximas. Las
características de la Tabla 2 permiten a este simulador
sísmico realizar ensayos de vibración libre, armónica y
aleatoria (sismos) a estructuras pequeñas:
Tabla 1. Especificaciones del simulador sísmico
Especificación
Dimensiones del Área de Carga
Dimensiones de la Base
Máxima Capacidad de Carga
Recorrido máximo
Frecuencia de operación máxima
Aceleración pico a plena carga
Valor
50x50x1.2
60x50x1.2
20
15
20
2,5
Unidades
cm
cm
Kg-f
cm
Hz
g’s
Generalmente, los simuladores se componen de una mesa
rígida donde se instalan los prototipos a excitar, un actuador,
una parte electrónica (driver del actuador), un sistema de
rodamiento y un dispositivo o computador para generar la
señal a reproducir por el simulador. Los actuadores pueden
ser hidráulicos o eléctricos, esto depende principalmente de la
capacidad de carga y aceleración máxima deseada. Los
actuadores eléctricos son usados para capacidades pequeñas,
bajos desplazamientos (3 pulgadas) y altas frecuencias; los
hidráulicos son para grandes capacidades (Toneladas),
grandes desplazamientos (más de 3 pulgadas) y frecuencias
moderadas (250Hz).
La Figura 1 presenta el diagrama esquemático del simulador
sísmico, donde fácilmente se pueden observar los
componentes de la mesa vibratoria y su funcionamiento
básico.
Fig 1. Diagrama esquemático de la mesa vibratoria.
El diseño de este simulador concluyó en la selección de un
par de rodamientos lineales de baja fricción para soportar
hasta 32000N de carga dinámica, un encoder lineal para
medir desplazamientos hasta 20cms y velocidades hasta
4m/s, un motor electromagnético lineal de 1200N de fuerza
nominal con aceleración máxima de 20g’s y un
servocontrolador de altas prestaciones para el control del
simulador.
3. CONSTRUCCIÓN DEL SIMULADOR SÍSMICO
Una vez diseñadas y seleccionadas todas las piezas y
componentes de la mesa vibratoria se procedió a ensamblar e
instalar cada pieza y parte con el fin de obtener un solo
equipo llamado mesa vibratoria o simulador sísmico.
A continuación en la Figura 2 se muestra una fotografía de la
mesa vibratoria construida.
Área de Carga
Base
Guía Lineal
Fig 2. Fotografía del simulador sísmico.
4. SISTEMA DE CONTROL
El control de la mesa vibratoria está a cargo del
servocontrolador que tiene embebido un sistema de control
de alta fidelidad con tres lazos de control en cascada, estos
son de adentro hacia afuera, corriente-velocidad-posición. La
Figura 3 muestra un diagrama de bloques detallado del
sistema de control (el sistema se configuró usando
SERVOSTAR MOTONLINK®); dentro de este se puede
observar que existen tres lazos de control, el más interno
controla la corriente que se le suministra al motor lineal –
lazo de corriente a 16KHz–, el siguiente controla la velocidad
del simulador sísmico – lazo de velocidad a 4KHz–, y el lazo
externo controla la posición del simulador sísmico – lazo de
posición a 2KHz –.
Fig 3. Sistema de Control del Simulador Sísmico.
La Figura 3 muestra la sintonización de los controladores
utilizados. En el lazo de velocidad se usaron dos filtros pasa
bajo con frecuencias de corte en 100Hz y 120Hz para reducir
la realimentación de ruido en los lazos de control. La Figura
4 detalla la respuesta en frecuencia experimental del lazo de
posición luego de la sintonización.
ancho de banda de casi 21Hz y sobrepaso inferior a 5% tal
como se observa en la Figura 4.
5. VALIDACIÓN
Una vez construida la mesa vibratoria y sintonizado su
sistema de control, se realizaron diferentes pruebas para
verificar su correcto funcionamiento. Entre las más relevantes
se presentan la simulación del sismo de Armenia del año
1999 y un barrido frecuencial.
Fig 5. Desplazamientos del simulador y sismo de Armenia.
Fig 6. Error de seguimiento del simulador en el sismo de
Armenia.
Fig 4. Sistema de control del simulador sísmico.
Los lazos de control se ajustaron de adentro hacia afuera,
iniciando con el lazo de velocidad y finalizando con el de
posición (el lazo de corriente es pre-sintonizado de fábrica
con un ancho de banda de 2,4KHz).
El lazo de velocidad se sintonizó principalmente para
aumentar el ancho de banda del sistema, de modo que se
ajustó un controlador P=1000 basado en el modelo
matemático del sistema obtenido con pruebas experimentales,
el cual otorgó al lazo un ancho de banda de 41Hz.
Para el ajuste del controlador de posición se consideró como
objetivos de desempeño un ancho de banda de 20Hz y
sobrepaso inferior a 10%. Este controlador se sintonizó en
base al modelo matemático del lazo de velocidad y por
ubicación de polos se halló un controlador PD que alcanzó un
Fig 7. Contenido frecuencial del sismo de Armenia y del
simulador.
Las Figuras 5, 6 y 7 presentan los resultados de la prueba de
simulación del sismo de Armenia del año 1999 orientación
Este-Oeste. En esta prueba se instrumentó la base del
simulador con un acelerómetro y se instaló una estructura de
20Kgs para probar el simulador en su máxima capacidad. La
Figura 5 muestra los desplazamientos del simulador y del
sismo de Armenia, la Figura 6 muestra el error de
seguimiento, y la Figura 7 muestra el contenido frecuencial
del sismo de Armenia (contenido frecuencial deseado) y el
contenido frecuencial de la señal de aceleración generada por
el simulador.
Fig 8. Prueba de barrido frecuencial sobre una estructura
2GDL.
La Figura 8 muestra los resultados obtenidos luego de
realizar una prueba de barrido frecuencial con el simulador
hasta 10Hz, excitando una estructura prototipo de dos niveles
con peso total de 20Kgs. En este caso, se instrumentó cada
nivel de la estructura y el área de carga del simulador. Se
observa que el simulador alcanzó aceleraciones de 5g’s.
De estos resultados se puede decir que el simulador sísmico
funciona de forma adecuada, tiene un error de seguimiento
muy bajo a plena carga (IAE=137.8397 para prueba 1,
IAE=31.25318 para prueba 2) y logra generar aceleraciones
con contenido frecuencial muy similar al deseado (en el caso
del sismo de Armenia).
6. SOFTWARE DE CONTROL REMOTO POR INTERNET
-
Servidor Central: Este servidor se encarga de almacenar
las páginas de acceso de los usuarios, la interfaz de
administración del entorno, los programas de gestión de
usuarios y la única base de datos de los Laboratorios.
Dispone de servidor web Apache HTTP server,
preprocesador PHP (PHP, 2008) y motor de base de datos
MySQL.
Fig 9. Esquema de interconexión de los equipos de los
Laboratorios Remotos
Esta topología propuesta y los roles definidos para los
equipos que conforman el entorno y una serie de programas
desarrollados de gestión y tele-operación, permite que se
puedan realizar experimentos de manera simultánea. Para
realizar pruebas de control remoto, puede decirse que deben
realizarse los siguientes pasos:
6.1 Topología de red, software empleado y procedimiento
para acceso a los experimentos en los Laboratorios Remotos
El Simulador Sísmico se encuentra integrado al entorno de
Laboratorios Remotos de Estructuras e Ingeniería Sísmica y
Dinámica Estructural de la Escuela de Ingeniería Civil y
Geomática de la Universidad del Valle. La Figura 9 muestra
la estructura de interconexión de los Laboratorios Remotos.
Puede observarse que los servidores y terminales se conectan
por medio de un switch.
En la Figura 9, pueden notarse dos categorías de servidores,
los cuales son:
-
Terminal de experimentación: Equipo servidor que se
encuentra conectado al módulo experimental y que
procesa las peticiones relacionadas con el control remoto
del proceso. Cuenta con servidor web Apache HTTP
Server (Fundation, 2008a), contenedor de servlets Apache
TOMCAT
(Fundation,
2008b),
MatlabR2007b
(Mathworks, 2008) y servidor de cámara web Dorgem
(Dorgem, 2008), funcionando con sistema operativo
Windows XP-SP2. Solo será accesible en el momento de
la experimentación y por el(los) usuario(s) autorizado(s)
para tal fin.
Fig 10. Página principal de la interfaz de administración de
los Laboratorios Remotos
- Los administradores, por medio de la interfaz
administrativa (ver Figura 10) desarrollada para el
entorno, configuran los experimentos (horarios de uso,
cantidad de sensores y actuadores, rangos de variables,
estrategias de control, entre otras), al igual que la
asignación de recursos para los usuarios, de acuerdo al
perfil de éste y/o las asignaturas que tengan inscritas en su
semestre de estudios. Estas acciones se reflejan en la
configuración de las variables en cliente y servidor
durante la experimentación remota y en las páginas de
acceso de los usuarios a los Laboratorios Remotos (ver
Figura 11).
-
Los usuarios pueden recorrer el sitio de laboratorios
remotos, accediendo a recursos informativos básicos.
Solo podrá acceder a material restringido (guía de
laboratorio, aplicación para la experimentación a
distancia) previo inicio de sesión e inscripción en el
experimento, según los privilegios asignados por el
administrador. Estas funciones son realizadas por los
programas de gestión en el Servidor Central. La figura 10
muestra una de las páginas de contenido del Laboratorio
Remoto de Ingeniería Sísmica y Dinámica Estructural.
el cliente no afectarán el desempeño del simulador cuando se
encuentra en funcionamiento.
El usuario accede al experimento y carga un applet
desarrollado en Easy Java Simulations (Esquembre, 2008),
herramienta que facilita el desarrollo de entornos virtuales
para su aplicación en la física y la automática, con la
posibilidad de integrar clases y programas diseñados en Java.
La aplicación le permite al cliente:
-
Iniciar, reiniciar o detener el experimento.
-
Configurar y previsualizar la señal de excitación del
simulador
-
Visualizar la información de datos adquiridos en
animaciones y gráficos.
-
Visualización de video en tiempo real del experimento.
La aplicación cliente contiene una serie de hilos que se
encargan en monitorear los eventos del servidor (inicio y
finalización del proceso de excitación de la mesa) y del
cliente (inicio, reinicio o finalización de la práctica), lo que
implica habilitar o deshabilitar mandos y enviar las órdenes
correctas al servidor.
Fig 11. Páginas de acceso a los Laboratorios Remotos.
Arriba: Página con contenidos. Abajo: Página de recursos de
experimentación
- El usuario inicia su experimento, accediendo directamente
al módulo experimental apropiado, después de que los
programas de gestión del servidor central comprueben
que está accediendo según la reserva realizada con
anterioridad.
-
El usuario dispone de una interfaz de control remoto
donde puede visualizar datos y video del proceso y podrá
manipular, en el caso del simulador sísmico, la señal de
excitación de la mesa vibratoria. Cuando termina su
práctica, regresa a las páginas web y podrá descargar los
datos obtenidos de su práctica.
6.2 Control remoto del simulador sísmico
Es importante aclarar que la tele-operación NO ALTERA la
calidad de la señal de excitación y los datos adquiridos de la
instrumentación. Por lo tanto, los elementos configurados por
Por su lado, el lado servidor tiene dos servidores activos, el
terminal de experimentación del Simulador sísmico y el
Servidor Central, donde se encuentra la base de datos. El
primero de ellos, ejecuta un programa de adquisición de datos
en Matlab®, que se puede ejecutar gracias al uso de una
interfaz java-Matlab, por la cual se pueden iniciar funciones
de la herramienta por medio de una conexión por sockets
(Whitehouse, 2008). Dado que este programa es bloqueante,
la comunicación de datos y eventos con el cliente se realiza
mediante algunas tablas dedicadas en la Base de Datos del
servidor central, usando el Database Toolbox de Matlab®.
Aparte del programa en Matlab®, se están ejecutando los
servlets que procesan las peticiones del cliente, provenientes
como mensajes HTTP, y las procesa de manera adecuada
(consulta de eventos e información adquirida por sensores
alojada en la base de datos y la orden de ejecución del
programa de control remoto).
El proceso de control remoto se resume en lo siguiente:
-
Cuando el usuario carga la interfaz, inicia un reloj que
verifica que el usuario use el recurso por el tiempo
asignado por el administrador, además de cargarse los
valores máximos y mínimos de las señales que podrá
configurar.
-
El usuario configura y previsualiza una señal de
excitación Posición Vs. Tiempo para la mesa vibratoria.
Si aprueba la señal, envía la orden de inicio con los
parámetros de configuración de la señal.
-
El programa en Matlab® se configura, leyendo la
cantidad, tipo y rangos de sus instrumentos. Procesa la
petición de la señal enviada por el cliente, crea un vector
de datos e inicia la excitación y adquisición de datos
respectiva. El cliente visualizará el video.
-
Cuando termina la excitación, se almacenan los datos en
la base de datos, se avisa al cliente que puede
visualizarlos y el podrá observar las curvas y la animación
de los datos adquiridos por el programa en el simulador.
-
Si lo desea, puede reconfigurar otro sismo y continuar
tomando datos, dado que se realiza un almacenamiento
autónomo y se entregarán al cliente uno o varios archivos
con las distintas excitaciones.
La Figura 12 muestra un esquema de cómo se realiza la
comunicación de los procesos en el control remoto.
La Figura 13 muestra cómo se configuró la interfaz cliente
para generar el barrido, la Figura 14 muestra qué observa el
usuario mientras ejecuta la práctica, mientras que la Figura
15 muestra los resultados de Aceleración Vs. Tiempo
obtenidos por el cliente. La Figura 16 y 17 compara los
resultados que son mostrados en el cliente con los obtenidos
por la instrumentación en Matlab®. Se aprecia cómo las
señales de salida son iguales y cómo la excitación no se ve
afectada por la tele-operación, confirmando la buena calidad
del experimento, gracias a la estrategia de control del
simulador como a la estrategia de comunicación descrita a lo
largo de esta sección. Por ejemplo, los datos son enviados
directamente por Matlab® a la base de datos y los únicos
errores que podrían presentarse se deben a la conversión del
formato de datos tanto del cliente como del programa de
adquisición al enviar y recibir información de la base de
datos, respectivamente.
Fig 12. Flujo de información cliente-servidor en el Control
remoto
6.3 Pruebas y Resultados obtenidos en tele-operación
Para las validaciones de tele-operación, se seleccionó un
barrido frecuencial para excitar el simulador, ya que se trata
de una señal que tiene valores precisos y definidos por una
ecuación en el tiempo, a diferencia de una señal sísmica que
es totalmente aleatoria. El barrido frecuencial tiene
frecuencia inicial de 1Hz, frecuencia final de 6Hz, retardo de
1seg, duración de 40seg y una amplitud de 3mm. Se acopló
un pórtico de un nivel y se instrumentó con acelerómetros
tanto la base como la losa del pórtico.
Fig 14. Visualización de video en el cliente mientras se excita
la base del simulador
Fig 15. Visualización de datos en el cliente, una vez ha
concluido la excitación del simulador
Fig 13. Configuración de la señal de excitación en el cliente.
construcción de simuladores sísmicos que puedan replicar
sismos en dos o tres direcciones, aumentando la calidad en
los experimentos y la cantidad de prácticas que se podrían
desarrollar con estos equipos.
AGRADECIMIENTOS
Los autores expresan su agradecimiento al Instituto
Colombiano para el Desarrollo de la Ciencia Francisco José
de Caldas COLCIENCIAS, entidad cofinanciadora del
Proyecto “Desarrollo Tecnológico de los Laboratorios
Remotos de Estructuras e Ingeniería Sísmica y Dinámica
Estructural” mediante el contrato No. 237-2005.
REFERENCIAS
Fig 16. Registros en la prueba antes de enviar al cliente
Fig 17. Resultados obtenidos en la prueba: señal configurada
(arriba) y señales adquiridas (abajo) en el cliente.
7. CONCLUSIONES
Se diseñó, construyó y validó un simulador sísmico para
estructuras con capacidad de 20Kgs, con ancho de banda de
20Hz, capaz de ser operado a través de Internet mediante una
interfaz de control remoto para El Laboratorio Remoto de
Ingeniería Sísmica y Dinámica Estructural de La Universidad
del Valle. Este sistema permitirá que personas con problemas
de desplazamiento o instituciones con recursos económicos
y/o logísticos insuficientes promuevan la capacidad
investigativa y eleven las habilidades prácticas desde
cualquier punto con acceso a Internet.
Por otro lado, el diseño uniaxial de este simulador lleva a
extender este proyecto, como futuros trabajos, al diseño y
Armando Espinosa Baquero, A. A. G. C., Elkin de Jesús
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