Thesis:

Robust adaptive compensation of force-based real-time hybrid simulation testing with uncertain compliance spring and force measurement noise

La simulación híbrida en tiempo real (RTHS, por sus siglas en inglés) es un método eficaz para estimar la respuesta dinámica de sistemas estructurales. Este marco ha demostrado funcionar muy bien en numerosas aplicaciones de investigación en ingeniería estructural. En un experimento RTHS, la estructura se divide en una parte numérica y una parte experimental (especimen), acopladas a través de un sistema de transferencia (actuador) que impone condiciones desde la estructura numérica hacia el espécimen. El marco típico implica imponer desplazamientos al espécimen. Sin embargo, esto se ve limitado cuando se impone desplazamiento sobre un espécimen de alta rigidez (por ejemplo, deformación axial de una columna o desplazamiento lateral de un muro estructural). Estos valores son de un orden de magnitud muy pequeño, lo que puede causar inestabilidad numérica en la simulación. La solución a este problema es utilizar un marco basado en fuerzas, donde se ordena aplicar fuerzas desde la estructura numérica hacia el actuador. Sin embargo, es bien sabido que el actuador está diseñado para operar en base a desplazamientos, ya que posee intrínsecamente una columna de aceite muy rígida y un comportamiento altamente no lineal. Esto hace que el control de fuerza sea muy sensible a los parámetros del controlador, lo que puede llevar a inestabilidad en la simulación. Este estudio propone un marco de simulación híbrida en tiempo real basado en fuerzas, con compensación robusta adaptativa basada en modelos. Agregar un resorte de cumplimiento entre el actuador de carga y un espécimen rígido es una alternativa para medir las fuerzas de restitución mediante celdas de carga con ruido significativo. Sin embargo, se consideran las propiedades del resorte de cumplimiento y de las celdas de carga como incertidumbres. Se utilizará compensación robusta adaptativa basada en modelos para superar errores en el seguimiento de fuerzas entre subestructuras. La metodología propuesta será verificada en un entorno virtual de RTHS, donde se realizarán estudios paramétricos para evaluar la robustez del sistema ante propiedades inciertas del resorte y del espécimen.

Real-time Hybrid Simulation (RTHS) is an effective method for estimating the dynamic response of structural systems. This framework has been demonstrated to work very well in many research applications of structural engineering. In an RTHS experiment, the structure is divided into a numerical part and an experimental part (specimen), coupled through a transfer system (actuator) that imposes conditions from the numerical structure onto the specimen. The typical framework involves imposing displacements on the specimen. However, it is limited when the displacement is imposed over a high-stiffness specimen (e.g., axial deformation of a column or lateral displacement of a shear wall). These values are of a very small order of magnitude, which can potentially cause numerical instability in the simulation. The solution to this issue is to employ a force-based framework, where forces are commanded from the numerical structure to the actuator. However, it is well-known that the actuator is designed to operate based on displacements since it intrinsically possesses a highly rigid oil column and highly nonlinear behavior. This makes force control very sensitive to controller parameters, leading to instability in the simulation.This study proposes a force-based real-time hybrid simulation (RTHS) framework with robust adaptive model-based compensation. Adding a compliance spring between the loading actuator and a rigid specimen is an alternative to measure restoring forces through load cells with significant noise. However, we considered compliance spring and load cell properties to be uncertainties. Robust adaptive model-based compensation will be employed to overcome force-tracking errors between substructures. The proposed methodology will be verified in a virtual RTHS environment, where parametric studies will be considered to check the system’s robustness over uncertain compliance and specimen properties.