Теперь исследователи из Массачусетского технологического института разработали вычислительную модель, которая объясняет такие окружающие вибрации, выделяя в шуме ключевые особенности, которые указывают на устойчивость здания. Модель можно использовать для мониторинга здания с течением времени на предмет повреждений или механических нагрузок. Результаты команды опубликованы в Интернете в журнале «Механические системы и обработка сигналов».«Более широкое значение состоит в том, что после такого события, как землетрясение, мы сразу же увидим изменения этих характеристик, а также если и где произойдет повреждение в системе», — говорит Орал Буюкозтюрк, профессор факультета гражданского и экологического строительства Массачусетского технологического института ( ЦВЕ). «Это обеспечивает непрерывный мониторинг и базу данных, которая была бы похожа на книгу здоровья для здания, в зависимости от времени, во многом как изменение кровяного давления человека с возрастом».
Соавторы Buyukozturk Хао Сунь, постдок из Центральной и Восточной Европы, который был ведущим автором статьи; Аурелиен Мордрет, постдоктор Департамента земных, атмосферных и планетарных наук (EAPS); Герман Прието, доцент по развитию карьеры Сесила и Иды Грин в EAPS; и М. Нафи Токсоз, профессор EAPS.Принятие основных показателей жизнедеятельности
Команда протестировала свою вычислительную модель на Зеленом здании Массачусетского технологического института — 21-этажном исследовательском здании, полностью сделанном из железобетона. Здание было спроектировано в 1960-х годах архитектором и выпускником Массачусетского технологического института I.M. Pei ’40 и является самым высоким сооружением в Кембридже, штат Массачусетс.
В 2010 году Токсоз и другие сотрудники Массачусетского технологического института работали с Геологической службой США, чтобы оснастить Зеленое здание 36 акселерометрами, которые регистрируют вибрации и движения на выбранных этажах, от фундамента здания до его крыши.«Эти датчики представляют собой встроенную нервную систему», — говорит Бююкозтюрк. «Задача состоит в том, чтобы извлечь показатели жизнедеятельности из данных датчиков и связать их с характеристиками здоровья здания, что было проблемой для инженерного сообщества».Для этого команда сначала построила компьютерную симуляцию зеленого здания в форме модели из конечных элементов — численное моделирование, которое представляет большую физическую структуру и всю ее физику в виде набора более мелких и простых подразделений. . В случае «Зеленого здания» исследователи построили модель конечных элементов с высокой точностью, а затем включили в модель различные параметры, включая прочность и плотность бетонных стен, плит, балок и лестниц на каждом этаже.
По мере разработки модели исследователи должны иметь возможность ввести в симуляцию возбуждение — например, вибрацию, подобную грузовику, — и модель будет предсказывать, как здание и его различные элементы должны реагировать.«Но модель использует множество предположений о материале здания, его геометрии, толщине его элементов и так далее, которые могут не точно соответствовать конструкции», — отмечает Буюкозтюрк. «Поэтому мы обновляем модель, добавляя в нее фактические измерения, чтобы получить более точную информацию о том, что могло случиться со зданием».Майнинг для функцийЧтобы более точно предсказать реакцию здания на окружающие вибрации, группа исследовала данные акселерометров Green Building в поисках ключевых характеристик, которые напрямую соответствуют жесткости здания или другим показателям здоровья.
Чтобы сделать это эффективно, команда разработала новый метод с концепцией сейсмической интерферометрии, который описывает, как изменяется характер вибрации при ее перемещении от уровня земли к крыше.«Мы смотрим на уровень фундамента и видим, какие движения, например, вызвал там грузовик, а затем как эта вибрация распространяется вверх и горизонтально, по скорости и направлению», — объясняет Буюкозтюрк.Исследователи добавили это уравнение в свою модель зеленого здания и запускали модель несколько раз, каждый раз с набором измерений, сделанных акселерометрами в заданный момент времени. В целом, группа подключилась к измерениям вибрации модели, которые проводились непрерывно в течение двухнедельного периода в мае 2015 года.
«Мы постоянно делаем нашу вычислительную систему более интеллектуальной с течением времени, добавляя больше данных», — говорит Буюкозтюрк. «Мы уверены, что если в здании есть повреждение, оно проявится в нашей системе».Интеллектуальные зданияИтак, каково экологическое строительство с момента его постройки более 50 лет назад?
«Здание безопасное, но оно подвержено незначительной вибрации, особенно на верхних этажах», — говорит Буюкозтюрк. «Здание, построенное на мягком грунте, длинное в одном направлении и узкое в другом, с жесткими бетонными стенами на каждом конце. Поэтому оно проявляет крутильные движения и раскачивание, особенно в ветреные дни», — говорит он.Команда планирует проверить свою вычислительную модель с помощью экспериментов в лаборатории.
Исследователи построили 4-метровую копию строительной конструкции, которую они оснастят акселерометрами. Они изучат влияние окружающих вибраций, а также то, как конструкция реагирует на удары молота и другие сейсмические воздействия. Команда также возводит в Вобурне, штат Массачусетс, большую стальную конструкцию размером с башню сотового телефона и проведет аналогичные эксперименты, которые в конечном итоге помогут уточнить вычислительную модель исследователей.
«Я предполагаю, что в будущем такая система мониторинга будет оснащена всеми нашими зданиями в масштабах города», — говорит ведущий автор Хао Сунь. «Оснащенные датчиками и централизованными алгоритмами обработки, эти здания станут интеллектуальными и будут чувствовать свое здоровье в реальном времени и, возможно, будут устойчивы к экстремальным явлениям».