SISTEMA DI CONTROLLO, SIMULAZIONE E MISURA PER LA

SISTEMA DI CONTROLLO, SIMULAZIONE E MISURA PER LA CARATTERIZZAZIONE SISMICA
DEL GIUNTO DI DILATAZIONE PER LA PISTA DELL’AEROPORTO DI TOKYO
Daniele Bonetti
Ezio Benigni
Trio Sistemi e Misure S.r.l.
LA SFIDA
Esecuzione di prove di caratterizzazione sismica e di fatica su un prototipo di giunto di espansione per la
nuova pista dell’aeroporto internazionale Haneda di Tokio. Il giunto realizzato dalla Società ALGA S.p.A.
di Milano deve permettere l’atterraggio in piena sicurezza di un aeromobile anche in concomitanza con un
evento sismico rilevante.
La nuova pista è realizzata solo in parte su terraferma ed è raccordata mediante il giunto di dilatazione con
la parte rimanente realizzata su palafitte.
Il prototipo soggetto a caratterizzazione e collaudo e’ costituito da un segmento di lunghezza totale 3 metri,
in scala naturale.
Le sollecitazioni sono state applicate mediante due servoattuatori oleodinamici da 200 kN con corsa di 1300
mm, ciascuno alimentato da una servovalvola a tre stadi con portata di 900 litri/minuto. Un terzo attuatore da
500 kN è stato impiegato per le prove di fatica.
Le esigenze principali per questa particolare applicazione si possono riassumere nelle seguenti tre parti:
A) controllare in anello chiuso i servoattuatori;
B) applicare fedelmente le sollecitazioni sismiche biassiali a partire da oscillogrammi di riferimento,
compensando automaticamente la funzione di trasferimento del sistema di prova;
C) caratterizzare il movimento nel piano del giunto di espansione durante le sollecitazioni sismiche.
LA SOLUZIONE
A) Controllo in anello chiuso dei servoattuatori:
Il controllo degli attuatori è stato eseguito mediante il sistema di controllo RT3 di Trio Sistemi e Misure
realizzato con LabView Real Time su piattaforma ETS e schede PCI.
Il sistema RT3 è costituito da computer embedded e da una o più schede di acquisizione e generazione che
vengono selezionate ed abbinate sulla base delle specifiche caratteristiche dell’applicazione finale. Il
controllore RT3 è gestito da un applicativo software che opera con sistema operativo LabView Real Time
ETS e si interfaccia tramite link di rete ethernet con un normale PC in ambiente Windows XP, dove risiede
un applicativo software sviluppato con Labview per la gestione del sistema, l’interfaccia utente ed il
salvataggio delle configurazioni e dei dati acquisiti.
Nel sistema RT3 sono inoltre integrati i moduli elettronici per il condizionamento dei trasduttori, il pilotaggio
delle servovalvole e la gestione delle apparecchiature idrauliche.
I servoattuatori sono controllati in anello chiuso con una frequenza di PID loop di 2 kHz; le misure sono
eseguite compensando in tempo reale le curve effettive di taratura delle catene di misura; per la particolare
applicazione sono stati impiegati anche algoritmi di compensazione della frequenza di risonanza della
colonna d’olio. Anche gli anelli di controllo di portata delle servovalvole a triplo stadio sono realizzati con
RT3. Mediante il personal computer di supervisione è possibile gestire la prova e memorizzare i dati acquisiti
per 30 canali con campionamento massimo di 2 kHz, trasferiti in modo continuo tramite la connessione
ethernet. Anche i segnali provenienti dai trasduttori installati sul campione in prova sono acquisiti con RT3.
Con potenza idraulica attivata è possibile commutare la modalità di controllo in modalità bumpless.
Per le prove di fatica la sollecitazione costituita da carico con funzione sinusoidale è stata applicata con
controllo automatico d’ampiezza e di fase, con visualizzazione grafica dei valori massimo e minimo di ogni
grandezza in funzione dei cicli eseguiti. Particolare attenzione è stata rivolta alla realizzazione delle funzioni
di sicurezza per la protezione degli operatori e per la salvaguardia del prototipo sottoposto a test.
B) Riproduzione delle sollecitazioni sismiche biassiali
Nel caso di prove sismiche, la storia temporale da applicare può derivare da oscillogrammi reali registrati
oppure più frequentemente da spettri di inviluppo, calcolati sulla base delle caratteristiche specifiche della
zona dove il componente sarà installato. Con il sistema RTSA di Trio Sistemi e Misure è possibile calcolare
le storie temporali di riferimento a partire da spettri di risposta definiti, in funzione dello smorzamento e dei
punti per ottava. Una volta definito l’oscillogramma teorico, mediante una sollecitazione di tipo random si
misura la funzione di trasferimento del sistema meccanico di prova per compensare il comportamento
dinamico di tutti i componenti. Dopo il processo di convoluzione si calcola il segnale di comando da applicare
agli attuatori per ottenere la sollecitazione meccanica desiderata sul componente in prova. Nel corso dei test
è possibile eseguire delle correzioni iterative confrontando gli oscillogrammi e gli spettri di risposta ottenuti
con quelli di riferimento. Il sistema di simulazione RTSA è completamente sviluppato con LabView ed è
integrato nel sistema di controllo RT3.
C) Caratterizzazione del movimento nel piano del giunto di espansione
Nel corso delle prove è importante rilevare e caratterizzare il comportamento del giunto di dilatazione.
L’impiego di trasduttori classici di spostamento permette di eseguire misure che sono riferire ad un punto
fisso a terra rendendo estremamente complicata la ricostruzione dei moti di roto-traslazione del giunto.
Anche l’impiego di accelerometri renderebbe imprecisa la rilevazione degli esatti spostamenti, a causa degli
effetti di doppia integrazione dei segnali. Per questo motivo è stato impiegato il video estensometro VE5000
sviluppato da Trio Sistemi e Misure con schede NI e con LabView.
Il funzionamento di VE5000 si basa sulla tecnica di misura ottica attraverso l’analisi di immagini prodotte da
opportuni markers posizionati sul campione sottoposto a misura, che captate da videocamere a controllo
digitale vengono accuratamente analizzate ed elaborate con l’ausilio di sofisticati algoritmi di calcolo. Dopo
una fase di calibrazione automatica eseguita per mezzo di un reticolo di dimensioni note, il sistema rileva e
registra le coordinate nel piano X-Y dei markers adeguatamente posizionati. La rilevazione è condotta ad
intervalli regolari, in sincronia con altri strumenti di misura come celle di carico, trasduttori di spostamento,
estensimetri tradizionali ecc.
Con due telecamere è possibile rilevare contemporaneamente le coordinate di 40 markers, riducendo
drasticamente i tempi di preparazione della prova ed eliminando la necessità di installazione di un reticolo di
trasduttori tradizionali.
La precisione di misura è dipendente dalle dimensioni del campo inquadrato e pertanto con due
videocamere è possibile inquadrare un’area di misura doppia lasciando invariata la precisione.
Inoltre con due telecamere è possibile inquadrare due insiemi distinti di markers (20 massimo per ciascuna
videocamera). Un’altra importante caratteristica delle misure eseguite impiegando due distinte telecamere è
quella di poter concentrare le immagini su due gruppi di markers posizionati ad una distanza definita (base di
misura) in modo da eseguire misure di deformazione accurate su base di misura relativamente grande.
Questa modalità permette di ridurre il campo inquadrato da ciascuna singola videocamera alla zona intorno
al riferimento e quindi aumentare la risoluzione/precisione della misura di deformazione/spostamento. La
dimensione della base di misura (distanza fra i due riferimenti) può essere definita manualmente
dall’operatore oppure calcolata automaticamente mediante una procedura automatica durante la fase di
configurazione dei parametri di misura. Con due videocamere è possibile avere basi di misura che variano
da alcuni centimetri ad alcune decine di metri mantenendo una risoluzione molto spinta.
La precisione del sistema VE5000 è uguale al campo inquadrato diviso 24000 per markers costituiti da linee
e diviso 12000 per markers generici o codificati.
Sistema di simulazione sismica RTSA di Trio Sistemi e Misure S.r.l.
Video Estensometro VE5000 di Trio Sistemi e Misure
Vista dall’alto del giunto sottoposto a test
TRIO Sistemi e Misure S.r.l. a socio unico
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