Guida all’utilizzo del plug-in AMDesign per SAP2000

AMDesign: cos'è e come funziona?

AMDesign è un’applicazione del software SAP2000^®. Per questo motivo è necessario creare un modello numerico della struttura all’interno di quest’ultimo per poter successivamente effettuare la progettazione del sistema di controllo attivo attraverso il plug-in AMDesign.

Nel modello strutturale di input è importante che siano definite le caratteristiche più importanti della struttura, in maniera tale da svolgere la progettazione degli AMD all’interno di una simulazione che rispecchi il comportamento dinamico reale della costruzione in esame. Quindi, sarà necessario creare un file .sdb che contenga la geometria della struttura, i materiali utilizzati, le sezioni delle membrature, i vincoli opportuni, i carichi agenti, le masse in gioco ed altri aspetti, alcuni dei quali verranno approfonditi nel seguito dell’articolo. Una volta creato il modello è possibile avviare l’applicazione AMDesign e caricare il file .sdb. 

In questa fase l’applicazione avvierà automaticamente un’istanza di SAP2000^® che permetterà all’utente di interagire con il software di calcolo strutturale durante l’utilizzo di AMDesign così da consentire un’interoperabilità completa tra i due programmi. I pannelli presenti all’interno del plug-in, che verranno indagati più approfonditamente nel prosieguo dell’articolo, sono elencati e brevemente descritti nel seguito: 

• modal analysis per poter svolgere un’analisi agli autovalori; 
• active control design per poter progettare il sistema di controllo attivo; 
• show architecture per visualizzare il sistema appena progettato all’interno del modello; 
• time history analysis setup per impostare le proprietà delle analisi da effettuare; 
• run analysis per poter svolgere le analisi impostate; 
• results structure per visualizzare i risultati ottenuti lato struttura; 
• results control per visualizzare i risultati ottenuti lato sistema di controllo; 
• save model and export data per poter salvare i casi di carico creati e permettere lo svolgimento delle analisi direttamente dal software SAP2000. 

Progettazione del sistema di controllo attivo attraverso AMDesign

Per effettuare una progettazione ottimale del sistema di controllo attivo all’interno dei modelli di calcolo è opportuna la compilazione e la presa in visione di tutte le schede presentate al Capitolo 2. Nel seguito si esaminano nel dettaglio le caratteristiche di ogni singola scheda sopra citata. 

Analisi agli autovalori

L’applicazione AMDesign permette di effettuare, come prima operazione e previa la selezione di una sorgente di massa precedentemente definita in SAP2000®, un’analisi agli autovalori per studiare il comportamento dinamico lineare della struttura analizzata. Questo aspetto è importante perché consente di definire, in prima battuta, le caratteristiche dinamiche della costruzione, mettendo in evidenza eventuali fragilità da proteggere in fase di progettazione del sistema. Il software fornisce i risultati sia in forma tabellare, dove vengono mostrati periodi e frequenze dei primi modi di vibrare della struttura, sia in forma grafica attraverso un pannello che dà la possibilità di visualizzare le forme modali. È possibile scalare i grafici attraverso l’inserimento di uno Scale Factor. 

Progettazione del sistema di controllo attivo

Il presente pannello costituisce il cuore dell’applicazione, in quanto permette di progettare il sistema di controllo attivo per la protezione sismica della struttura analizzata. In questa scheda è possibile, innanzitutto, definire la tipologia di Active Mass Damper che si vuole utilizzare all’interno delle simulazioni numeriche. Il programma permette di scegliere tra due soluzioni preimpostate, relative ai sistemi che Isaac Antisismica propone sul mercato. Attraverso il comando Advanced Options è possibile andare ad indagare le caratteristiche del sistema selezionato, le quali comprendono i dati di targa del sistema stesso. Queste informazioni sono brevemente elencate nel seguito: 

• dati nominali del sistema; 
• dati di picco del sistema; 
• dati relativi al sistema di misurazione che si andrà ad installare, come il rumore dei sensori (parametro estraibile dalla scheda tecnica del produttore), e l’utilizzo di eventuali filtri; 
• funzione di trasferimento per permettere di definire la dinamica reale del sistema; 
• altri parametri legati al controllo, come per esempio il parametro relativo alla soglia di attivazione che identifica il livello limite di accelerazione del terreno alla base della struttura, tale per cui le macchine installate sul piano di copertura entrano in funzione.

Tali parametri sono parzialmente editabili. Infatti, non è permessa la modifica di alcuni parametri che sono specifici per il sistema scelto. Ad ogni modo AMDesign, per garantire la massima flessibilità nell’introduzione dei sistemi, consente di definire Active Mass Damper ad hoc andando a selezionare dal menu a tendina l’opzione Future Release, permettendo così di modificare liberamente i parametri di input dei sistemi, qualora si volesse inserire sistemi personalizzati. All’interno dell’applicazione, per simulare il comportamento degli AMD, è implementato un algoritmo di controllo di tipo Sky-Hook. La forza di controllo di ciascuna macchina i-esima è definita come:

F_c=mAMD∙aAMD

Fissata la forza F_c, e quindi l’accelerazione aAMD, la velocità e lo spostamento della massa mobile dell’AMD (nell’ipotesi semplificativa che la macchina risponda solamente alla prima frequenza propria della struttura) dipendono dalla sua frequenza di oscillazione ω.

A parità di forza Fc (e quindi di accelerazione aAMD), se ω diminuisce, lo spostamento dell’AMD _sAMD aumenta proporzionalmente a 1/ω², mentre la velocità dell’AMD _vAMD aumenta proporzionalmente a 1/ω. Per questo motivo, il sistema che agisce su di una struttura particolarmente flessibile, dove il valore di ω è basso, potrebbe raggiungere le saturazioni in velocità e/o spostamento, andando a perdere di efficacia nel ridurre le oscillazioni della costruzione, in quanto la macchina non riuscirebbe ad esprimere tutte le sue potenzialità in termini di forza di controllo scaricata in copertura, agendo con performance degradate.

Questo aspetto è da prendere in considerazione in fase di simulazione numerica per la progettazione del sistema e per la valutazione dei risultati ottenuti. All’interno dell’applicazione AMDesign, è possibile svolgere tre tipologie differenti di simulazione, che si differenziano in funzione del grado di dettaglio con il quale si vuole simulare il comportamento del sistema attivo:

• sistema ideale; 
• sistema vincolato o constrained; 
• sistema reale. 

Il sistema simulato come ideale non ha alcun limite in merito alle saturazioni viste in precedenza. Quindi, simulando in questo modo le macchine, il software, nel corso delle analisi, tratterà la macchina come un dissipatore viscoso ideale che non presenta limite di alcun genere. 

Il sistema vincolato presenta, invece, le saturazioni in forza, velocità e spostamento, così come accade nella realtà. Per questo motivo, la simulazione sarà molto più completa rispetto a quella ideale. Le simulazioni con il sistema reale considerano, oltre alle tre saturazioni, la dinamica del sistema, attraverso la definizione di una funzione di trasferimento specifica. Per le macchine preimpostate, la funzione di trasferimento di default è stata definita attraverso opportune prove sperimentali. In Figura 1 si riporta la schermata di AMDesign relativa alla scheda Active control design.

SCOPRI COME FUNZIONA AMDESIGN DI SAP2000®

Attraverso il processo di analisi sarà fondamentale andare a tarare adeguatamente il parametro relativo al Control Gain che costituisce un parametro fondamentale nel processo di progettazione dell’AMD per la struttura in esame. Più il valore sarà alto e più alta sarà la forza richiesta agli AMD installati. Nel caso di simulazioni differenti da quelle ideali il valore del Gain sarà influenzato dai limiti in saturazione visti in precedenza. Con la coadiuvazione dell’istanza di SAP2000^® per individuare le etichette dei nodi, è necessario selezionare i nodi del modello in cui si vuole scaricare la forza di controllo di ogni singola unità macchina posta sul piano di copertura.

È inoltre necessario individuare un nodo di applicazione del sensore in prossimità del tetto e un nodo per il sensore collineare previsto alla base della costruzione, in maniera tale da consentire al programma di calcolare la velocità relativa in fase di analisi. A questo punto, il sistema di controllo attivo per la protezione sismica della struttura è completato. 

Vuoi scoprire come impostare le analisi di storia temporale? Come AMDesign svolge le analisi strutturali e quali sono i risultati ottenibili? Collegati qui e scarica la guida.