Cod proiect: PN-II-PT-PCCA-2013-4-1656, contractul de finanțare nr. 77 ⁄ 2014

Sursa de Finanțare

Proiectul este derulat prin programul Parteneriate în domenii prioritare – PN II, cu sprijinul Ministerului Educației Naționale (MEN) – Unitatea Executiva pentru Finanțarea Învățământului Superior, a Cercetării, Dezvoltării și Inovării (UEFISCDI).

uefiscdi

Descrierea Proiectului

Abstract:

Capacitatea structurilor de a rezista acțiunii seismice poate fi obținută prin:

  1. reducerea cerințelor seismice,
  2. creșterea amortizării structurii, și
  3. folosirea controlului structural activ sau semi-activ.

Proiectul de față abordează cea de-a treia strategie, concentrându-se pe sisteme semi-active. Caracteristicile unui dispozitiv semi-activ pot fi modificate în timp real. Aceste dispozitive pot fi alimentate si cu baterii, ceea ce reprezintă un avantaj în cazul unui cutremur, când liniile de curent electric poate fi afectate. Unele dintre cele mai promițătoare dispozitive care pot fi implementate într-o schemă de control semi-activ sunt amortizoarele magneto-reologice (MR), care reușesc să depășească multe dintre neajunsurile și dificultățile tehnice asociate altor tipuri de amortizoare semi-active. Răspunsul dispozitivelor magneto-reologice poate fi modificat prin variația câmpului magnetic prin diferite valori ale intensității curentului electric. În plus, față de consumul redus de energie, disipatorii MR pot genera forțe importante la viteze reduse. În prezent, există amortizoare magneto-reologice cu capacități de până la 200 kN, iar rezultatele cercetărilor indică posibilitatea realizării unor dispozitive cu capacități de până la 400-500 kN.

Proiectul de față își propune să aplice nano-micro fluide magnetizabile compozite (MRF) pentru utilizarea în dispozitive semi-active MR, fiind de așteptat o performanță corespunzătoare și ușor controlabilă în aplicații de protecție seismică. Experiența anterioară a partenerilor din consorțiu în utilizarea acestei tehnologii pentru producerea unor etanșări rotative de presiune înaltă constituie o bază de pornire solidă pentru aplicația de față. Posibilitatea unei ajustări fine a răspunsului magneto-reologic reprezintă o caracteristică atractivă a nano-micro fluidului compozit MR, care va fi exploatată și investigată pe deplin. Răspunsul magneto-reologic depinde de dimensiunea medie și fracțiunea în volum a particulelor ferromagnetice multi-domeniu, dar și de fracțiunea în volum a agentului magnetic nano-fluid. Parametrii compoziției asigură multiple mecanisme de control a comportării nano-micro fluidelor MR și acordarea fină a acestora la cerințele impuse de disipatorii MR folosiți pentru protecția seismică a structurilor la diferite caracteristici ale mișcării seismice. Va fi proiectat, fabricat și încercat experimental un disipator MR, la diverse condiții de solicitare (excitații triunghiulare, sinusoidale și aleatoare). Vor fi calibrate modele histeretice pe baza rezultatelor încercărilor pe disipator MR, permițând astfel modelarea răspunsului structural. Ținând cont de faptul că disipatorii vor fi montați pe contravântuiri, se vor efectua încercări experimentale atât asupra disipatorului individuali, cât și pe ansamblu contravântuire–disipator. Se vor efectua simulări numerice pe sisteme structurale echipate cu ansamble contravântuire-disipator folosind un controller simulat numeric, pentru a observa și caracteriza răspunsul acestora.

Obiective

Obiectivul general al proiectului este dezvoltarea unui sistem de protecție anti-seismica, care utilizează amortizoare pe baza de fluide MR, care sa acționeze într-un sistem de control structural semi-activ. Obiectivele specifice sunt următoarele:

  • Dezvoltarea nano-microfluide magneto-reologice care sa fie compatibile cu cerințele amortizoarelor anti-seismice;
  • Proiectarea și fabricarea unui amortizor MR prototip;
  • Efectuarea de încercări experimentale, ce vor avea ca referință EN 15129:2009: Dispozitive anti-seismice, în scopul validării, calibrării și modelarii aceste amortizoare;
  • Proiectarea, fabricarea și încercarea unui ansamblu contravântuire-disipator, în vederea validării integrării amortizorului și contravântuirii, inclusiv la nivel de îmbinări;
  • Proiectarea și testarea numerică a algoritmului de control pe un sistem cu singur grad de libertate dinamică.

Se va elabora un plan de implementare a amortizoarelor cu fluide MR în producția de serie la ROSEAL, precum și normele metodologice de aplicare a acestor dispozitive pentru structuri de mari dimensiuni (ce vor fi dezvoltate și testate într-un proiect ulterior).

Parteneriat

Coordonator (CO) Universitatea Politehnica Timișoara (UPT):
  • Centrul de Cercetare pentru Mecanica Materialelor și Siguranța Construcțiilor (CEMSIG)
  • Centrul de Cercetări în Ingineria Sistemelor cu Fluide Complexe (CCISFC)
Partener P1 S.C. ROSEAL S.A.
Partener P2 Institutul de Mecanica Solidelor al Academiei Române (IMS-AR)
Partener P3 Academia Română Filiala Timișoara (AR-FT):
  • Centrul de Cercetări Tehnice Fundamentale și Avansate (CCTFA)
Partener P4 S.C. TITAN S.A.

Perioada de desfășurare a proiectului:

01.07.2014 – 30.06.2016

Rezultate preconizate

  • Obținerea unor nano-micro fluide magneto-reologice compatibile cu amortizoarele anti-seismice studiate;
  • Soluția tehnică pentru un amortizor anti-seismic cu nano-micro fluide magneto-reologice (capacitate 10 tone);
  • Realizarea amortizorului (MRD) prototip;
  • Proiectarea, realizarea și testarea unui ansamblu contravântuire-amortizor;
  • Simularea numerică a aplicării acestui tip de amortizor hibrid într-o structură multietajată de control.

Rezultate obținute

Raport SEMNAL-MRD – Etapa I / 2014

Raport SEMNAL-MRD – Etapa II / 2015

Etapa I / 2014

Programul de cercetare al Etapei I / 2014 a avut ca obiect definirea capacității de răspuns a structurii în relație cu solicitarea seismică specifică în condițiile echipării cu dispozitive de disipare pasive și/sau active. În acest context, cercetările efectuate au vizat următoarele teme: (i) tipologii și caracteristici ale cutremurelor din Romania; (ii) direcții actuale în protecția seismică a structurilor; (iii) dispozitive disipative pasive și semi-active.

Activitățile desfășurate în această etapă sunt sintetizate în cadrul raportului ce poate fi descărcat prin link-ul de mai sus. Prima parte a raportului (Secțiunile 2.1, 2.2 și 2.3) cuprinde informații cu caracter monografic care reprezintă în bună măsură experiența și capabilitățile partenerilor în domeniul de cercetare al proiectului. În partea a doua (Secțiunea 2.4) se prezintă rezultatele cercetărilor realizate în cadrul proiectului pentru identificarea și definirea parametrilor funcționali ai unui amortizor MR care urmează să fie realizat în Etapa II / 2015.

În mod particular, s-a pus la punct procedura de calibrare a parametrilor funcționali pentru tema de proiectare a amortizorului și respectiv a fluidului magneto-reologic. Totodată s-a identificat nivelul de dependență a acestor parametrii în relație cu natura mișcării seismice. Au fost considerate două amplasamente, Timișoara cu un teren tare, și București cu un teren moale, pentru care au fost generate un set de câte 7 accelerograme artificiale scalate pe spectrul de răspuns elastic al amplasamentului.

Setul de 7 accelerograme artificiale generate pentru teren tare (Timișoara) și teren moale (București), respectiv comparația cu spectrul elastic al terenului

 

În figurile de mai jos se prezintă un amortizor cu fluide magneto-reologice (de capacitate redusă), o structură dotată cu amortizori dispuși în deschiderea centrală, și respectiv procedura de modelare a amortizorilor, în mod particular prin utilizarea elementelor de tip “link” la care au fost specificate relația foră-viteză.

Reprezentare pentru amortizorul cu fluide magneto-reologice (de capacitate redusă) Structură dotată cu amortizori dispuși în deschiderea centrală

 

Caracteristicile forță-viteză pentru amortizori cu capacitatea de 10t și 20t Modelarea amortizorilor prin elemente de tip link

 

Din analizele dinamice “time-history” s-a obținut răspunsul structurilor, respectiv al amortizorilor. Astfel, figurile de mai jos prezintă răspunsul în termeni de curbă forță-deformație, și curbă forță-viteză pentru un amortizor de la nivelul 3 al structurii MRF+D I_T-A1 (analiză cu accelerograma Timișoara-1). În plus se arată efectul utilizării amortizorilor prin comparația dintre răspunsul structurii fără amortizori (MRF_T-A1) și răspunsul structurii cu amortizori (MRF+D II_T–A1). După cum se poate observa, structura dotată cu amortizori a înregistrat reduceri semnificative ale deplasărilor de la ultimul nivel.

Răspunsul în termeni de curbă forță-deformație, și curbă forță-viteză pentru un amortizor de la nivelul 3 al structurii MRF+D I_T-A1 (analiză dinamică cu accelerograma Timișoara-1)

 

Efectul utilizării amortizorilor: răspunsul structurii fără amortizori (MRF_T-A1) comparativ cu cel al structurii cu amortizori (MRF+D II_T–A1) ← analiza dinamică cu accelerograma Timișoara-1

Parametrii funcționali ai amortizorilor au fost determinați pe baza analizelor “time-history” considerând cele două tipuri de terenuri (tare și moale), și nivelul de amortizare (12.5% și 25% ← dat de numărul de amortizori, respectiv de capacitatea acestora). În mod particular s-au identificat valorile maxime ale deformației, forței și vitezei din amortizori pentru fiecare accelerogramă în parte.

 

Concluzii Etapa I/2014

Sinteza prezentată în Raportul Etapei I/2014 la Secțiunea 2.3 relevă experiența și calificarea partenerilor pentru realizarea obiectivelor Etapei II/2015 și Etapei III/2016. Astfel, colectivele partenerilor AR-FT și UPT vor face investigațiile magnetice, reologice și magneto-reologice în vederea optimizării caracteristicilor acestor fluide MR, pentru ca răspunsul MR în timp real să corespundă cerințelor dispozitivelor de protecție seismică. Partenerul ROSEAL S.A. dispune de tehnologia necesară producerii unor cantități importante de fluide MR pe bază de ferofluid, variind în limite largi parametrii de compoziție. Partenerul IMS-AR dispune de cunoștințele necesare proiectării amortizorului MR, iar TITAN S.A. dispune de tehnologia necesară fabricării amortizorului, respectiv de dotarea necesară pentru efectuarea testelor în fabrică asupra amortizorului pentru stabilirea parametrilor tehnici și constructivi. În plus, UPT dispune de experiența necesară pentru investigarea și validarea amortizorului, respectiv a sistemului hibrid contravântuire + amortizor, dar și pentru testarea numerică a sistemelor de amortizare cuplate în structură.

Etapa II / 2015

Programul de cercetare al Etapei II/2015 a avut ca și obiect – dezvoltarea unor nano-micro fluide magneto-reologice compatibile cu cerințele amortizoarelor anti-seismice, acordarea proprietăților acestor fluide și respectiv proiectarea amortizorului de 10t. Activitățile desfășurate în această etapă sunt sintetizate în cadrul raportului ce poate fi descărcat prin link-ul de mai sus. În mod particular, au fost realizate următoarele activități:

  • Activitatea II.1: Prepararea de nano-micro fluide MR compozite
  • Activitatea II.2: Caracterizarea structurală a FNM
  • Activitatea II.3: Analiză probelor la scară de laborator
  • Activitatea II.4: Măsurarea curbei de magnetizație a nano-fluidului
  • Activitatea II.5: Stabilirea preliminară a tehnologiei de preparare
  • Activitatea II.6: Evaluarea cerințelor seismice pentru structurile de referință
  • Activitatea II.7: Calculul parametrilor amortizorului magneto-reologic și elaborarea temei de proiectare a amortizorului
  • Activitatea II.8: Principii de calcul de bază și date de intrare pentru amortizor
  • Activitatea II.9: Proiectarea amortizorului
  • Activitatea II.10: Analiză probelor la scară micropilot
  • Activitatea II.11: Stabilirea finală a tehnologiei de preparare
  • Activitatea II.12: Modele experimentale
  • Activitatea II.13: Unitatea de control pentru reglarea amortizorului
  • Activitatea II.14: Specificații tehnice pentru fabricație și controlul calității

Astfel în cadrul proiectului au fost preparate la nivel de laborator un set de nano-fluide magnetice (NFM) cu diferite magnetizații de saturație. Nano-fluidele magnetice sunt materiale de bază pentru prepararea la nivel de laborator de nano-micro-fluide MR compozite cu o tensiune de prag mare, prin variația: (a) magnetizației de saturație a nano-fluidului de bază; (b) fracției volumice a particulelor feromagnetice (Fe) multi-domeniale moi; (c) dimensiunea medie a particulelor feromagnetice multi-domeniale.

Prepararea nano-fluidelor magnetice nepolare pentru amortizor s-a realizat în 2 etape: (1) sinteza nanoparticulelor magnetice acoperite cu monostrat de surfactant chemisorbit (acid oleic, OA) și, (2) dispersarea nanoparticulelor magnetice stabilizate în solventul organic nepolar cu presiune de vapori redusă (ulei de transformator, UTR).

Caracterizarea structurală a FNM a implicat investigații TEM și măsurători DLS, de unde s-a observat faptul că fluidele MR pe bază de fero-fluid au nano-particule ferimagnetice sub-domenice de ordinul 10 nm și, particule feromagnetice multi-domenice de Fe, au dimensiunea medie de cca. 10 micrometri (conform specificației producătorului (Merck)).

Imagine TEM cu comparație la 20 nm și la 50 nm

În cadrul Activității II.3 s-au realizat analize magneto-granulometrice și măsurători de magneto-reologie, de unde au rezultat următoarele concluzii: (i) compozitele bi-disperse analizate prezintă un efect magneto-reologic intens, dovendindu-se potențiali candidați pentru aplicațiile care necesită valori mari ale tensiunii de prag (amortizoarele de șocuri și vibrații seismice, frâne, ambreiaje, valve de control și articulații artificiale), (ii) efectul magneto-reologic este comparabil (chiar mai puternic) decât cel manifestat în fluidele magneto-reologice convenționale cu aceeași fracție volumică solidă, (iii) compozitele prezintă două avantaje: o stabilitate mai bună în absența c.m., precum și o redispersabilitate mai ușoară. Prin urmare, se recomandă utilizarea acestor compozite bidisperse în aplicațiile tehnice amintite.

 Magneto-reometrul MCR 300  Principiul și detaliile celulei magneto-reologice

 

Curbele de vâscozitate în absența și în prezența unui câmp magnetic extern – probele-mamă, F100, F500 și F1000 Curbele de vâscozitate în absența și în prezenta unui câmp magnetic extern – proba-mama F1000 () și proba F1000-4 ()

În baza concluziilor stabilite la Activitatea II.3, s-a stabilit procedura tehnologică de sinteză preliminară la scara micro-pilot a nano-fluidului de bază de înaltă magnetizație. Stabilirea preliminară a tehnologiei de preparare a nano-microfluide MR compozite a avut la bază sinteza la scară micro-pilot a nano-fluidelor magnetice, completată cu procedura de adăugare a fracției de Fe de dimensiuni micronice. Mai departe s-a stabilit tehnologia finală de preparare la scară micro-pilot.

Sinteza nano-fluidelor magnetice pe baza de ulei de transformator la scara micro-pilot

 

Procedura de adăugare a fracției volumice de Fe de dimensiuni micronice

 

Utilizând tehnologia de fabricație finală stabilită, s-a trecut la execuția nano-micro fluidelor MR cu proprietăți specifice dispozitivelor MR de amortizare, fluide dedicate modelelor experimentale.

Etape ale sintezei la scara micro-pilot a nano-micro-fluidelor

În cadrul Activității II.6 s-a investigat răspunsul unor structuri de referință în vederea evaluării cerințelor seismice. Aceste analize au permis identificarea modului de comportare al amortizorilor considerați în modelul structural și identificarea parametrilor funcționali în vederea elaborării temei de proiectare. În plus, a fost dezvoltat un model numeric pentru a demonstra funcționalitatea comportării “multi-stage” aferentă sistemului hybrid – ce presupune conectarea în serie a unui amortizor magneto-reologic (MRD) și a unei contravântuiri cu flambaj împiedecat (BRB).

Modelul conceptual de funcționare a sistemului hibrid (amortizor + contravântuire cu flambaj împiedecat) Formarea articulațiilor plastice pentru cadrul CBF fără amortizori (stadiul de prevenire al colapsului) Formarea articulațiilor plastice pentru cadrul CBF cu amortizori (stadiul de prevenire al colapsului)

 

În cadrul Activității II.7 au fost întreprinse un set de activități pentru calculul parametrilor amortizorului magneto-reologic și elaborarea temei de proiectare a amortizorului. Astfel, s-au realizat încercări experimentale asupra unui model de amortizor încărcat cu fluid magneto-reologic produs de LORD, și respectiv fluide magneto-reologice preparate de către P1 – ROSEAL.

Etape de încărcare a modelului de amortizor

 

Standul de ridicare a caracteristicilor de lucru Forță–Deplasare Sistemul analogic de comandă

 

Tipuri de amortizor utilizate:
original – LORD modificat - IMSAR

 

Pe baza investigațiilor efectuate asupra modelului de amortizor, și respectiv a parametrilor funcționali s-a elaborat tema de proiectare a amortizorului magneto-reologic de 10t capacitate. Mai departe s-a trecut la proiectarea amortizorului. Soluția propusă implică un amortizor hidraulic comandat/reglat de două dispozitive cu fluid magneto-reologic. Avantajul soluției constă în reducerea volumului de fluid magneto-reologic folosit. Schema conceptuală de funcționare, precum și o secțiune prin amortizorul hidraulic (vedere 3D) sunt ilustrate mai jos. În plus, soluția propusă permite blocarea pistonului principal (din cadrul amortizorului hidraulic).

Schema conceptuală de funcționare a amortizorului hidraulic cu comandă magneto-reologică secțiune prin amortizorul hidraulic (vedere 3D)

Planșele de execuție (pentru amortizorul hidraulic) au fost realizate și transmise către P4 – TITAN, iar planșele pentru dispozitivul de comandă magneto-reologică sunt în curs de finalizare. În cadrul ședinței de lucru din Noiembrie 2015, partenerul P4 – TITAN a reafirmat capabilitatea tehnico-economică de realizare a prototipului de amortizor și pe baza informațiilor transmise s-a trecut la achiziționarea materialelor necesare fabricării amortizorului.

Concluzii Etapa II/2015

În cadrul Etapei II/2015 au fost realizate un set de activități care au avut ca obiect dezvoltarea  nano-micro fluidelor magneto-reologice compatibile cu cerințele amortizoarelor anti-seismice, acordarea proprietăților acestor fluide, și respectiv proiectarea amortizorului de 10t.

În Secțiunea 2 a raportuluise prezintă sinteza activităților din cadrul Etapei II/2015. Au fost întreprinse ample activități pentru prepararea fluidelor magneto-reologice, caracterizarea structurală a fluidelor, analiza probelor la scară de laborator / micro-pilot, măsurarea curbei de magnetizație, stabilirea tehnologiei de preparare. În plus, au fost stabilite principii de calcul de bază și date de intrare pentru amortizor. Pentru proiectarea amortizorului, au fost realizate în prealabil un set de activități premergătoare: (i) umplerea modelului de amortizor cu fluide preparat la ROSEAL, efectuarea încercărilor experimentale asupra modelului de amortizor magneto-reologic și evaluarea răspunsului, elaborarea temei de proiectarea, respectiv pregătirea în vederea fabricării. Alte activități au fost legate de unitatea de control pentru reglarea amortizorului și specificații tehnice pentru fabricație și controlul calității. Secțiunea 2 relevă experiența și calificarea partenerilor pentru realizarea obiectivelor Etapei II/2015, respectiv a Etapei III/2016. Partenerul ROSEAL S.A. dispune de tehnologia necesară producerii unor cantități importante de fluide MR pe bază de ferofluid, variind în limite largi parametrii de compoziție. Partenerul IMS-AR dispune de cunoștințele necesare proiectării amortizorului MR, iar TITAN S.A. dispune de tehnologia necesară fabricării amortizorului, respectiv de dotarea necesară pentru efectuarea testelor în fabrică asupra amortizorului pentru stabilirea parametrilor tehnici și constructivi. În plus, UPT dispune de experiența necesară pentru investigarea și validarea amortizorului, respectiv a sistemului hibrid contravântuire + amortizor, dar și pentru testarea numerică a sistemelor de amortizare cuplate în structură.

Din perspectiva activităților de coordonare, raportare și diseminare – în cadrul Etapei II/2015 au fost organizate două ședințe de lucru în cadrul proiectului (în 6 Februarie la TITAN / București; în 13 Noiembrie la ROSEAL / Odorheiu Secuiesc), și o întâlnire la care s-au realizat încercări experimentale pe modelul de amortizor (în 06 Martie la IMSAR / București). În plus, au fost întreprinse activități pentru elaborarea raportului financiar și tehnic, și a fost actualizată pagina web dedicată proiectului (http://www.ct.upt.ro/centre/cemsig/semnal-mrd.htm). De asemenea, a fost prezentat proiectul (scop și obiective, parteneriat, activități de cercetare, și rezultate obținute) în cadrul ședinței de lucru a comisiei de inginerie seismică ECCS TC13 (Seismic Design) ce a avut loc în 29-30 Octombrie la Paris.

Diseminarea rezultatelor obținute în cadrul proiectului a fost realizată și prin intermediul unor articole care au fost publicate (sau sunt în curs de publicare) în jurnale internaționale aflate în circuitul ISI, respectiv în cadrul unor conferințe naționale și internaționale:

Mitu A.-M., Sireteanu T., Ghiță G., (2015 – publicat). Passive and semi-active bracing systems for seismic protection: a comparative study. Roumanian Journal of Acoustics and Vibration. Vol XII, pp. 49-56, ISSN 1584-7284.

Susan-Resiga D., Vekas L., (2015 – in evaluare). Ferrofluid based magnetorheological fluids: tuning the properties by varying the composition at two hierarchical levels. Rheologica Acta.

Filip-Văcărescu N., Vulcu C., Dubină D., (2015 – in evaluare). Numerical study of a hybrid damping system composed of a buckling restrained brace with a magneto rheological damper. Proceedings of the Romanian Academy – Series Mathemetics, Physics, Technical Science, Information Science.

Velescu C., Popa N., (2015 – publicat). Turbulent Motion of Liquids in Hydraulic Resistances with a Linear Cylindrical Slide-Valve. The Scientific World Journal / Hindawi. Article ID 649098. pp. 1-10 (649098). ISSN 1537-744X.

Mitu A.-M., Sireteanu T., Ghiță G., Passive and semi-active bracing systems for seismic protection: a comparative study. Multi-Conference on Systems & Structures (SysStruc '15), Resita, Romania, 24/09/2015 – 26/09/2015.

Filip-Văcărescu N., Stratan A., Dubină D., Evaluation of Dissipative Effectiveness of a Hybrid System Composed by a Buckling Restrained Brace with a Magneto Rheological Damper. 8th International Conference on Behavior of Steel Structures in Seismic Areas– STESSA2015. Shanghai, China, 01/07/2015 – 04/07/2015.

Vulcu C., Stratan A., Dubină D., Cadre multietajate echipate cu amortizori magneto-reologici. A 14-a Conferinta Nationala de Constructii Metalice, Cluj Napoca, Romania, 19/11/2015 – 20/11/2015.

 

În cadrul Etapei III/2016, activitățile vor avea următoarele rezultate principale:

  • Fabricare și testare amortizor
  • Caracterizare amortizor pentru modelare
  • Testare ansamblu contravântuire + amortizor în regim pasiv
  • Propunere program de investigare care să conducă la realizarea și testarea sistemului semi-activ (amortizor + contravântuire)
  • Definitivare proiect amortizor pentru intrarea in producție

Date de contact:

Prof.dr.ing. Dan Dubina

Universitatea Politehnica Timișoara

Facultatea de Construcții

Departamentul de Construcții Metalice și Mecanica Construcțiilor

Str. Ioan Curea 1, 300224 Timișoara, Romania

Tel: +40 256 403 920

Mail: