31 Августа 2017

Скоро здания смогут «ощущать» внутренний ущерб.

Исследователи из Массачусетского технологического института разработали вычислительную модель, которая учитывает внешние вибрации, выделяя ключевые особенности шума, которые указывают на стабильность здания. Модель может использоваться для мониторинга здания с течением времени для признаков повреждения или механического напряжения. Результаты команды публикуются онлайн в журнале Mechanical Systems and Signal Processing.

 

«После такого события, как землетрясение, мы сразу увидим изменения этих функций, а также размер ущерба в системе», - говорит Орал Буюкозтурк, профессор Департамента гражданской и экологической инженерии Массачусетского технологического института (MIT) CEE). «Это обеспечивает непрерывный мониторинг и базу данных, которая будет напоминать книгу здоровья для здания.

 

Команда проверила свою вычислительную модель на Green Building - это 21-этажное исследовательское здание, полностью выполненное из железобетона. Здание было спроектировано в 1960-х годах и является самой высокой конструкцией в Кембридже.

«Задача состоит в том, чтобы извлечь жизненно важные признаки из данных датчиков и связать их с характеристиками здоровья здания, что было проблемой в инженерном сообществе».

 

Для этого команда сначала построила компьютерную копию Green Building в виде модели с конечным элементом - численное моделирование, которое представляет собой большую физическую структуру и всю ее основную физику, как набор меньших, более простых подразделений , в случае Green Building исследователи построили высококачественную модель конечных элементов, а затем подключили к модели различные параметры, включая прочность и плотность бетонных стен, плит, балок и лестниц на каждом этаже.

 

По мере разработки модели исследователи должны иметь возможность вводить возбуждение в симуляцию - например, вибрацию, подобную грузовику, - и модель будет предсказывать, как реагирует здание и его различные элементы.

 

«Но модель использует множество предположений о материале здания, его геометрии, толщине его элементов и т.д., Которые могут не соответствовать именно структуре, - отмечает Буюкозтурк. «Таким образом, мы обновляем модель с фактическими измерениями, чтобы иметь возможность дать лучшую информацию о том, что могло произойти с зданием».

 

Чтобы более точно предсказать реакцию здания на колебания окружающей среды, группа добыла данные из акселерометров Green Building, ища ключевые функции, которые непосредственно соответствуют жесткости здания или другим показателям.

Дабы сделать это эффективно, команда разработала новый метод с концепцией сейсмической интерферометрии, в котором описывается изменение структуры вибрации при ее перемещении с уровня земли на крышу.

 

«Мы смотрим на уровень фундамента и видим, какие движения, например, вызвал грузовик, а затем, как эта вибрация движется вверх и горизонтально, со скоростью и направлением, - объясняет Буюкоцтурк.

 

Исследователи добавили это уравнение к своей модели «Зеленого здания» и несколько раз запускали модель, каждый раз с помощью набора измерений, проводимых акселерометрами в данный момент времени. В целом, группа подключилась к измерениям вибрации модели, которые проводились непрерывно в течение двух недель в мае 2015 года.

 

Итак, какого же состояние «Green Building» с момента его строительства более 50 лет назад?

 

«Здание безопасное, но оно подвержено довольно большой вибрации, особенно на верхних этажах», - говорит Буюкозтурк. «Здание, построенное на мягкой почве, поэтому оно проявляет крутильные движения и качание, особенно в ветреные дни», - говорит он.

 

Команда планирует проверить свою вычислительную модель с экспериментами в лаборатории. Исследователи построили 4-метровую копию строительной конструкции, которую они будут оснащать акселерометрами. Они будут изучать эффекты внешних вибраций, а также то, как структура реагирует на удары молота и другие сейсмические стимулы. Команда также возводит большую стальную конструкцию в Воберне, штат Массачусетс, размером с башню сотового телефона и будет проводить аналогичные эксперименты, которые в конечном итоге помогут уточнить вычислительную модель исследователей.

 

«Я предвидел бы, что в будущем такая система мониторинга будет использоваться во всех наших зданиях по всему городу», - говорит ведущий исследователь Хао Сан. «Настроенные с помощью датчиков и алгоритмов центральной обработки, эти здания станут разумными и будут чувствовать свое собственное здоровье в реальном времени и, возможно, быть устойчивыми к экстремальным условиям».