XI. MAGYAR MECHANIKAI KONFERENCIA MaMeK, 2011 Mskolc, 2011. augusztus 29-31. Nagyméretű és Nagy értékű Objektumok Dnamka Vzsgálata Dr. Szűcs István, CsC Ügyvezető Igazgató GEOPARD Kft. Dr. Pápa Ferenc, PhD docens BME, ÉAÜLT Tanszék dr.szucsstvan@t-onlne.hu papa@modal.hu geopard@t-onlne.hu www.geopard.hu www.modal.hu www.modal.hu www.eagt.bme.hu 1
NAGYMÉRETŰ ÉS NAGY ÉRTÉKŰ OBJEKTUMOK Épület, Híd Daru Szélturbna épületcsoport Antenna oszlop, felsővezeték oszlop Gát F-16 Geológa réteg 2
MODÁLIS ELEMZÉS Modellek és módszerek osztályozása Kísérlet dnamka vzsgálat Kísérlet modáls elemzés Modáls elemzés MA Analtkus modellek Kísérlet Modáls elemzés EMA Kontnuum Véges szabadságfokú Output Only Klasszkus EMA Véges elemes Koncentrált paraméterű TOO OMA EMA: Expermental Modal Analyss, Kísérlet modáls elemzés Klasszkus EMA: Input Output mérések TOO: Tested Output Only. Szerkezet teszt körülmények között. Nagyméretű objektumoknál alkalmazott módszerek Impulzusgerjesztés, vagy egységugrás fv. OMA : Operatonal Modal Analyss, Szerkezet üzem körülmények között. Nem kontrollált, nem mért gerjesztés. Kényszergerjesztés, vagy fehérzaj. 3
KÍSÉRLETI MODÁLIS ELEMZÉS f(t) Kx Cx M x... K C M Z 2 ) ( n H T n T T 1 * * 1 * 1 2 1 1 1 1 1 ) ( ) ( ) ( y x y x y x Y Θ Λ E X Z H kl N kl kl kl l k kl R j P j P m j f j x j H m 1 * * 2 1 ) ( ) ( ) ( n 1 * * ) ( P P H Mérés Görbellesztés Rezduum mátrxok rekonstrukcója Sajátvektorok dekompozícója (Együttható mátrxok előállítása) Gerjesztett rezgés szmulácó Lengéskép megjelenítés Érzékenység analízs SDM Szerkezetek szntézse VEM modell valdácó Szerkezet dagnosztka, montorng Alkalmazás területek: Modellképzés Modellelemzés Modell Output-Only: A gerjesztés nem mért. 4 ) ( ), ( t f t x l k ) ( ), ( j f j x l k FFT
GERJESZTÉSI MÓDOK Klasszkus EMA Mért gerjesztő erő Impulzus kalapács Elektrodnamkus gerjesztő Ejtő tömeg Excenteres gerjesztő 5
GERJESZTÉSI MÓDOK Klasszkus EMA Mért gerjesztő erő Szervohdraulkus gerjesztő (híd függőleges gerjesztése) Szervohdraulkus gerjesztő (gát vízszntes gerjesztése) 6
OUTPUT-ONLY MÓDSZEREK Ha a gerjesztés fehérzaj jellegű (a gerjesztés ampltúdó-spektruma konstans) akkor a modáls modell képzése a teljesítménysűrűség spektrumok alapján lehetséges. x( j) H( j) f( j) Jobbról transzponált konjugáltjával szorozva H H x( j) x ( j) H( j) f ( j) f ( j) H Ha G XX ( j) G ( j) S G FF XX G konstans, akkor H ( j) H( j) SH ( j). FF ( j) H ( j) f( j) x( j) G FF G XX ( j) ( j) Gerjesztés Válasz Input teljesítménysűrűség mátrx Output teljesítménysűrűség mátrx (válaszspektrum mátrx *+) Igazolható, hogy szmmetrkus rendszerekre: G XX ( j) n 1 T d xx * * H d x x * [Parloo_1] Parloo, E.: Applcaton of Frequency-Doman System Identfcaton Technques n the feld of Operatonal Modal Analyss. Ph.D. Dssertaton Vrje Unverstet Brussel Facultet Toegepaste Wetenschappen Plenlaan 2, B-1050 Brussel (Belgum) pp: 1-290. A válaszspektrum mátrx előállítható a sajátvektorok dekompozícójával, részlettört alakban. o o Paraméterbecslésre ugyanazok az az eljárások alkalmazhatók, mnt a klasszkus EMA módszereknél. A d skalár szorzó matt skálázott modell nem képezhető. 7
GERJESZTÉSI MÓDOK Output - Only TOO Tested Output-Only OMA Lehúzó szerkezet koldó kar Daruhorog Koldó mechanzmus Lehúzó szerkezet (Statkus előfeszítés megszüntetése) 8
GERJESZTÉSI MÓDOK Output - Only TOO Tested Output-Only OMA Robbantógép Robbantássorozat vezérlője. Hullámszuperpozícó létrehozása / elkerülése. Robbantás (Kozloduj Atomerőmű, Bulgára) 9
GERJESZTÉSI MÓDOK Output - Only TOO OMA Operatonal Modal Analyss Környezet hatások, forgalom 10
GERJESZTÉSI MÓDOK Input-Output Modal Analyss Hdraulkus gerjesztő Gerjesztés spektruma Z24 Brdge, Koppgen-Utzenstorf, Swtzerland Válaszjel spektruma TOO Tested Output-Only Ejtő-tömeges (TOO módon) gerjesztés OMA Operatonal Modal Analyss Közút forgalom okozta gerjesztés Válaszjel dőfüggvénye Válaszjel spektruma [Peeters_1] Peeters, B. Maeck, J. - De Roeck, G.: Exctaton Sources and Dynamc System Identfcaton n Cvl Engneerng, Conference on System Identfcaton and Structural Health Montorng, Madrd, Span, June 2000. pp:341-350. 11
GERJESZTÉSI MÓDOK Összehasonlítás Nagyméretű szerkezetek gerjesztő forrásanak összehasonlítása Követelmény Gerjesztő (Shaker) Ejtő tömeg Környezet (forgalom) EMA EMA OMA Skálázott modáls alakok nyerhetők + + - Költségtakarékos - + + Alacsony frekvencás gerjesztés - + + Magas frekvencás gerjesztés + + - Ismert gerjesztés ampltúdó + + - Folytonos montorozás lehetősége - - + Időszakos vzsgálatokra alkalmas-e + + + +: gen -: nem [Cunha] Cunha, A. Caetano, E. Magalhaes, F. Moutnho, C: From Input-Output to Output-Only Modal Identfcaton of Cvl Engneerng Structures Faculty of Engneerng, Unversty of Porto (FEUP), Portugal SAMCO Fnal Report 2006 pp: 1-22 [Lee_2] Lee, L.S. Karbhar, V.M. Skorsky, C.: Investgaton of Integrty and Effectvenes of RC Brdge Deck Rehabltaton wth CFRP Compostes. STRUCTURAL SYSTEMS RESEARCH PROJECT, Department of Structural Engneerng Unversty of Calforna, San Dego, La Jolla, Calforna, June 2004, p:319, [Peeters_1] Peeters, B. Maeck, J. - De Roeck, G.: Exctaton Sources and Dynamc System Identfcaton n Cvl Engneerng, Conference on System Identfcaton and Structural Health Montorng, Madrd, Span, June 2000. pp:341-350 12
VIZSGÁLT OBJEKTUMOK Paks Atomerőmű épületegyüttese (Paks) Fejtés fedő (Pécs) Híddaru (BME) Vzsgálatok célja: Végeselemes modell valdálása Módszer: Kísérlet vzsgálatok (EMA) Kísérlet modáls modell képzése Végeselemes modell képzése (VEM) VEM modell korrekcója az EMA modell alapján Műszak probléma megoldása a korrgált VEM modell elemzésével 13
PAKSI ATOMERŐMŰ ÉPÜLETEGYÜTTESE http://www.atomeromu.hu/galera-fototar-vdeotar/ndex/offset/1 Projekt célja: Atomerőmű földrengésbztonságának vzsgálata Épületegyüttes végeselemes modelljének megalkotása 14
Gerjesztés: VIZSGÁLATI ESZKÖZÖK Robbantás 500m, 4000m távolságban (TOO) Válasz mérés: Adatgyüjtő Lekérdező egység (mntavételzés sznkronzálása) (vezetéknélkül kapcsolat az adatgyüjtőkkel) Trax mérőfej Csatornaszám: 192; Mérés lokácók száma: 3*64; Trax mérőfejek 15
VIZSGÁLATI ESZKÖZÖK Gyorsulásérzékelő: Típus: LgA3 Low Frequency Accelerometer Pezoelektromos f=0.1 1000 Hz Acc. Mn= 0.0001 m/s2 Temp. Max=150 C Méret: ø 58 x 80mm Helyszín tesztek: 16
MÉRÉSES MODELLALKOTÁS Helyszín mérések: Jelfeldolgozás, modellképzés: 17
SDM Identfkácó A Szerkezet Modellképzés: Frekvenca átvtel függvény mérése Modáls paraméterek becslése Modell szntézs A Modell Dnamka tulajdonságok megegyeznek? Nem Érzékenység analízs Beavatkozás helyek kválasztása Beavatkozás paraméterek becslése Igen OK Szerkezetdnamka módosítás B Modell Új paraméter Sajátértékek, lengésképek számítása Megfelel? Igen OK Nem 18
JELFELDOLGOZÁS, MODÁLIS MODELLALKOTÁS Válaszspektrumok feldolgozása A gerjesztés magas frekvencás komponensenek rezgéshulláma a talaj felső rétegeben gyorsabban terjednek, mnt az alacsonyfrekvencásak (dszperzó), ezért az épületrészek válaszjele dőtartományban frekvencacsomagonként különböző dőpontokban jelentek meg. Tovább problémát jelentett, hogy a regsztrált hullámcsomagokban az alsóbb rétegekről vsszavert hullámok (reflexók) s megjelentek. Ezeket a hatásokat kküszöbölve a korrgált válaszjelek az épület környezetében ható mpulzusgerjesztés válaszspektrumanak teknthetők. A modáls modellt a korrgált spektrumadatok alapján építettük fel. Modellképzés A mérés adatok két (500m és 4.000m) különböző gerjesztés helyre vonatkozó válaszokat tartalmaztak, az Output-Only technkát alkalmazva (mult-patch módszer) a válaszspektrumokat egy közös referencaspektrumra normáltuk, a módusokat pedg az átlagolt teljesítményspektrum alapján detektáltuk. A lengésképeket a transmssblty függvények alapján állítottuk elő. Lengéskép megjelenítés Az épület rendszer nagy mérete és tagoltságának vzualzálására a mérés pontok válaszelmozdulásaból épületrészenként csoportokat képeztünk, és a közös csoportba tartozó mérés lokácók sajátvektor elemere módusonként térbel regresszós polnomot fektettünk. A térbel elmozdulás regresszós polnom helyettesítés értéke alapján, az épület olyan pontjaban s előállítható a sajátvektor komponens, mely pontban mérések nem történtek (Expanzós technka) 19
PAKSI ATOMERŐMŰ ÉPÜLETEGYÜTTESE Egyk prmerblokk drótvázmodellje Ábrázolás Pontok száma: 263 Egyenesek száma: 322 20
ÉPÜLET LENGÉSKÉPE 21
BÁNYABELI FEJTÉSI FEDŐ VIZSGÁLATA 22
BÁNYABELI FEJTÉSI FEDŐ VIZSGÁLATA Vzsgált szerkezet: 500m mélységben 30m vastag (150mx15m széles) homokkő réteg, mely alatt 2m vastag szénréteg. Vzsgálat célja: Gerjesztés mód: Szerkezet károsodás dentfkácója: A bányaművelés során gyengített alátámasztás matt a homokkő réteg megrepedt-e? Veszélyzónák meghatározása. Robbantás (TOO: Tested Output Only) Mérés: Mérés pontok száma: 14 Szenzorok: B&K 4370 Gyorsulásérzékelők (f=0,2-3500 Hz) Analóg jelrögzítés Mérésadat feldolgozás, modellképzés: FFT Analízs: B&K 2034 B&K STAR Modal Analyss Software 23
BÁNYABELI FEJTÉSI FEDŐ VIZSGÁLATA Szerkezet károsodás dentfkácó elv blokkvázlata Ép és károsodott szerkezet sajátfrekvencá Módus Sajátfrekvenca [Hz] Repedésmentes fedő Megrepedt fedő 1 26,4 5,8 2 26,7 12,4 3 27,9 14,9 4 28,8 19,2 5 30,0 20,7 24
BÁNYABELI FEJTÉSI FEDŐ VIZSGÁLATA Szerkezetdnamka analízs, veszélyzónák azonosítása Statkus feszültségkép (τ;σ): dnamka vzsgálatok f=0 Hz-re Veszélyzóna 25
HÍDDARU VIZSGÁLAT Vzsgálatok célja: Hátsó főtartó Output-Only módszerek tanulmányozása Járda oldal főtartó F Vzsgált objektum Terhelő szerkezet 9100 N A B C t Daru emelés cklus A: Teheremelés. B: Emelés tranzensek csllapodása. C: Mérés. 26
HÍDDARU VIZSGÁLAT Hátsó főtartó Járda oldal főtartó Fejgerenda 1 Fejgerenda 2 Híddaru drótváz-modellje Mérés pontok száma:54 Válaszmérés lokácók száma:116 Referenca pont: 1Z. 27
0.125 1.313 2.688 4.063 5.375 6.750 8.125 9.438 10.813 12.125 13.500 14.875 16.188 17.563 18.938 20.250 21.625 22.938 24.313 25.688 27.000 28.375 29.750 31.063 32.438 33.750 35.125 36.500 37.813 39.188 40.500 41.875 43.250 44.563 45.938 47.313 48.625 50.000 11 000 10 500 10 000 9 500 9 000 8 500 8 000 7 500 7 000 6 500 6 000 5 500 5 000 4 500 4 000 3 500 3 000 2 500 2 000 1 500 1 000 500 0-500 0.000 1.250 2.625 3.938 5.313 6.688 8.000 9.375 10.688 12.063 13.438 14.750 16.125 17.500 18.813 20.188 21.500 22.875 24.250 25.563 26.938 28.313 29.625 31.000 32.313 33.688 35.063 36.375 37.750 39.125 40.438 41.813 43.125 44.500 45.875 47.188 48.563 49.875 11 000 10 500 10 000 9 500 9 000 8 500 8 000 7 500 7 000 6 500 6 000 5 500 5 000 4 500 4 000 3 500 3 000 2 500 2 000 1 500 1 000 500 0-500 0.00 1.25 2.63 3.94 5.31 6.69 8.00 9.38 10.69 12.06 13.44 14.75 16.13 17.50 18.81 20.19 21.50 22.88 24.25 25.56 26.94 28.31 29.63 31.00 32.31 33.69 35.06 36.38 37.75 39.13 40.44 41.81 43.13 44.50 45.88 47.19 48.56 49.88 X X 8.0E+00 7.0E+00 6.0E+00 5.0E+00 4.0E+00 3.0E+00 2.0E+00 1.0E+00 Aggregátorfüggvények daru_3 Vízesés Cross spectrum HÍDDARU VIZSGÁLAT Válaszspektrumok vízesés dagramja Frekvenca [Hz] daru_3 Átlagolt Cross spectrum Válaszspektrumok átlaga daru_3 FRF 129 1 000 0-1 000-2 000-3 000-4 000 Z -5 000-6 000-7 000-8 000-9 000-10 000 Lengésképek (TRF) Járda oldal főtartó Hátsó főtartó 10 86 42 0 000 000Y 1.0E+00 Frequency: 8.00 [Hz] 8.0E+00 7.0E+00 6.0E+00 5.0E+00 4.0E+00 3.0E+00 2.0E+00 1.0E+00 0.0E+00 Frekvenca [Hz] daru_3 FDD Cross spectrum Válaszspektrum mátrx szngulárs érték szernt felbontása daru_3 FRF "mode" 2 000 1 000 0-1 000-2 000 Z -3 000-4 000-5 000-6 000-7 000-8 000-9 000 f1 8. 00 Hz Járda oldal főtartó Hátsó főtartó 10 86 42 0 000 000Y Frekvenca [Hz] Lengésképek meghatározása: Transmssblty függvények segítségével Frequency: 9.81 [Hz] f2 9. 81Hz 28
Köszönetnylvánítás GEOPARD Geotechnka, Környezetvédelm, Kutató-Fejlesztő és Szolgáltató Kft. BME Közlekedésmérnök és Járműmérnök Kar Építőgépek, Anyagmozgatógépek és Üzem Logsztka Tanszék 29