Unik prestanda – unika vibrationskrav
Transcription
Unik prestanda – unika vibrationskrav
GRUNDLÄGGNINGSDAGEN Synkrotronljusanläggningen MAX IV: Unik prestanda – unika vibrationskrav När den nya synkrotronljusanläggningen MAX IV öppnar i 2015, kommer den att ha världsunik prestanda. Men anläggningen är också väldigt känslig för vibrationer, och det går en europaväg med tungtransport i närheten. Stränga stabilitetskrav är därför fastlagda och en statik/dynamikgrupp är nedsatt för att lösa den del av problemställningen som handlar om byggnadsteknik och jorddynamik. I maj 2011 påbörjades byggningen av synkrotronljusanläggningen MAX IV i Brunnshög i Lund. Med synkrotronljus kan man studera hur materien är uppbyggd. På MAX IV öppnar de unika tekniska egenskaperna nya möjligheter. Anläggningens konstruktion gör att olika processer kan studeras med en betydligt högre noggrannhet än vad som tidigare varit möjligt. Forskarna kommer också att kunna studera reaktioner med mycket korta tidsförlopp. Max IV består bland annat av en linear-accelerator, en stor och en liten lagringsring och ett antal strålrör. Den stora lagringsringen (3 GeV) kommer att ha en omkrets om 528 meter – att jämföras med Colosseum i Rom vars omkrets är på 527 meter. Anläggningen byggs på en fast finkornig moränavsättning från sista istid, och det är 1520 meter ner till fast berg. Vibrationer ger oskarpa bilder Enligt planen kommer MAX IV vara den synkrotronljusanläggningen som har det mest intensiva/kvalitativa strålknippet i världen inom det levererade våglängdsområde. Det ger möjlighet att fokusera ljusstrålen till en väldigt liten ljusfläck och en enormt bra upplösning, men medför samtidigt att anläggningen blir 8 Karin NorénCosgriff, avdelingsledare för Computational Geomechanics på NGI känslig för vibrationer som kan störa ljuskällan d.v.s. elektronstrålen. Det är därför fastlagt stränga vibrationskrav i projektet. Statik/ dynamikgruppen med experter både från privat näringsliv och från Lunds Universitet och MaxLab har arbetat med att mäta upp nuvarande vibrationsnivåer i marken, prediktera framtida vibrationsnivåer i anläggningen genom beräkningar och finna kostnadseffektiva åtgärder för att minimera vibrations nivåerna. Många olika källor Som en utgångspunkt för designen och ett konservativt vibrationsmål som projektet hoppas kunna uppnå i samverkan är därför maximal til�låten förskjutning satt till RMS = 20-30 nm i frekvensområdet från 5 Hz till 100 Hz. Målet gäller för lagringsringarna och strålrören. 2030 nm motsvarar ungefär storleken på ett virus och är ca 4000 gånger mindre än bredden på ett genomsnittligt mänskligt hårstrå. Vibrationer i anläggningen kan komma från många olika källor. Aktuella källor har identifierats och samlats i en matris. De som bedöms ha störst påverkan på anläggningen och vara mest komplicerade och dyra att åtgärda i eftertid är utvalda för vidare analys: • Lastbilar och annan tungtransport på E22, som passerar anläggningen ca 100 m nord-öst om linear-acceleratorn • Vind, som kan påverka byggnaden både direkt mot fasaden och indirekt genom eventuella träd och lyktstolpar i området • Gående människor inne i eller runt anläggningen • Andra interna laster (som fläktar, pumpar etc) Modellera först, bygg efteråt Det är relativt vanlig i dag att beräkna stora konstruktioner med Elementmetoden (Finite Element Method – FEM), som delar upp konstruktionen i ett stort antal elementer och använder datamaskiner till att beräkna hur krafter påverkar varje enkelt del. En sådan statisk analys är nödvändig för att kunna dimensionera de bärande elementen i konstruktionen. I fallet MAX IV är det dock också nödvändigt med dynamiska analyser för att kunna beräkna vibrations nivåerna i byggnaden. Elementmetoden fungerar utmärkt för konstruktioner med avgränsad storlek. I en dynamisk analys är det dock också nödvändigt att få med samverkan mellan konstruktionen och den omkringliggande jorden. Speciellt när man S A M HÄ L L S B Y G G A R E N • 1 • 2012 Illustration: Lunds universitet. GRUNDLÄGGNINGSDAGEN Bild 1. Den nya synkrotronljusanläggningen MAX IV ska tas i bruk 2015. Arkitektfirmorna Snøhetta (Oslo) och Fojab (Malmö) har designat exteriören gemensamt. räknar på låga frekvenser, som har långa våglängder, medför det att man måste lägga stora arealer omkring konstruktionen in i modellen. För MAX IV där det var nödvändigt att beräkna vibrationer med frekvenser helt ned mot 1 Hz hade det medfört en enormt stor modell, som det knappast finns en datamaskin i världen som hade kunnat hantera innanför en rimlig tidsram. Därför var det uppenbart att det behövdes en bättre metod för att modellera MAX IV. MaxLab IV: Vibration Issues – Cultural Vibration: f > 1Hz (4Hz) Internal vibration: •Human activity – operators Close in vibration: •Local transportation •Goods delivery •The laboratory device itself •Utility: Pumps, compressors etc. •Lifts, cranes etc. •Ventilation •Acoustically induced •Coherent/ correlated •Measured...–NGI/LU "Green-field" vibration: •General background vibration •Road and rail traffic •Industry, mining etc. •Sound induced – air traffic •Construction •Agriculture •General human activity •Natural: Rivers, animals etc. •Non-coherent/ uncorrelated •Measured...–NGI/LU Illustration: NGI Bild 2. MAX IV kan påverkas av vibrationer från flera källor t.ex.: Lastbilar och annan tungtransport på E22, vind som påverkar byggnaden både direkt mot fasaden och indirekt via eventuella träd och lyktstolpar i området, gående människor inne i eller runt anläggningen, och andra interna laster som fläktar, pumpar. SAMHÄLLSBYG GAR EN • 1 • 2 0 1 2 Analysteknik utvecklat vid NGI NGI (Norges Geotekniske Institutt) har varit med på projekteringen av andra anläggningar med väldigt stränga krav till vibrationer, som t.ex. det norske Justervesenets laboratorium på Kjeller utanför Oslo, NTNU Nanolab i Trondheim, och Schlumbergers laboratorium i Asker nära Oslo. Under arbetet med dessa projekt har NGI utvecklat en analysteknik som gör det möjligt att modellera bara konstruktionen och den ytan där konstruktionen möter omgivningen, istället för att modellera också stora delar av omgivningen. Denna tekniken har kommit väl till bruk och vidareutvecklats i MAX IV-projektet. Snabba beräkningar, goda resultat Det unika med NGI-metoden är at man kan ersätta all jord omkring konstruktionen med styvhetsmatriser som beskriver jordens dynamiska egenskaper. För MAX IV blev resultatet av detta att varje beräkning bara tar några få timmar, men fortfarande har lika god precision som om de hade utförts med den traditionella FE-metoden. 9 Metoden innebär att marken modelleras som ett horisontellt lagrat (skiktat) medium. Lagrens tjocklek och dynamiska parametrar bestäms från geotekniska undersökningar och geodynamiska mätningar på platsen. De dynamiska egenskaperna för markens lager beräknas genom en komplett lösning av vågekvationerna i varje marklager. Resultatet är en komplex frekvensberoende styvhetsmatris för alla nodpunkter i kopplingsytan mellan mark och konstruktion. Själva konstruktionen modelleras detaljerat i ett FE-program. En del av den omliggande jorden modelleras tillsammans med strukturen för att få en enkel rektangulär begränsningsyta och för att enkelt kunna pröva ut åtgärder i marken som t.ex. jordförstärkning. Också den utgrävda jorden modelleras och dess inverkan tas med i FE-beräkningarna. Styvhetsmatrisen för mark plus konstruktion minus den utgrävda jorden kopplas samman och löses för diskreta frekvenser. Reciprocitetsprincipen För att begränsa antalet beräkningar används reciprocitetsprincipen. Dvs för ett linjärt system är det likvärdigt att studera vibrationer som uppkommer i en punkt B som resultat av en kraft i punkt A, som att studera vibrationer som uppkommer i en punkt A som resultat av en kraft i punkt B. Beräkningstekniskt är det betydligt enklare att lägga på lasten i en punkt och läsa ut resulterande vibrationer i många punkter än omvänt. Reciprocitetsprincipen kan därför utnyttjas till att begränsa omfånget av beräkningarna genom att laster appliceras i konstruktionens känsliga delar och responsen beräknas överallt i konstruktionen samt i utvalda positioner på marken runt anläggningen, t.ex. längs vägar med trafikbelastning. FE-modeller har tagits fram för Linear-acceleratorn med tillhörande byggnader och för Stora ringen (betongstrukturen under 3 GeV lagringsringen och strålrören). Analyserna är genomförda genom att harmoniska enhetslaster (1 N) i X-, Y- Z-riktning har anbringats i utvalda punkter. Analyserna är utförda i frekvensområdet mellan 1 Hz och 30 Hz med 1 Hz upplösning. Beräknade vibrationsvärden För att kunna beräkna respons för trafik på E22 skalas beräkningarna 10 Illustration: NGI GRUNDLÄGGNINGSDAGEN Bild 3. Beräknade vibrationsvärden (förskjutning) RMS5-30Hz på 3 GeV lagringsringens betongplatta för lastfallet trafik på E22. Modell med 4 m jordstabilisering. av respons för enhetslaster med mätdata från platsen. Beräkningar har utförts för modeller med olika djup på jordstabiliseringen under 3 GeV lagringsringens betongplatta. Per idag är alternativet med 4 meter jordstabilisering vald i projektet. Beräkningarna visar att vibrationer från gångtrafik inne i anläggningen tillfredsställer vibrationsmålet. När det gäller vibrationer från trafik på E22, är frekvensområdet för vibrationsmålet fortfarande under diskussion. Om den nedre gränsen för vibrationsmålets frekvensområde ändras till 10 Hz tillfredsställs vibrationsmålet. NGI och Statik/dynamikgruppen för MAX IV NGIs engagemang med MAX IV började med att Lunds Universitet beställde en mätning av vibrationer på tomten 2009. På uppdrag från Sweco och Skanska utförde NGI också FE-beräkningar av vibrationer i samband med att kontraktet på projektering och utbyggning var ute på anbud. Kontrakten gick dock till PEAB, som engagerade NGI som rådgivare och medlem i statik/dynamikgruppen våren 2011. Statik/dynamikgruppen vid MAX IV-projektet har bestått av Per Hydbom, Nils Rydén, Ola Malmgren och Ingemar Jansson på Peab; Ann-Charlotte Thysell, Kenth Lindell och Bo Persson på Tyrens, Claes Fredö på Qring Technology; Peter Davidsson på Creo Dynamics; Karin Norén-Cosgriff och Christian Madshus på NGI; Brian Jensen på MaxLab, samt Göran Sandberg, Kent Persson, Peter Persson och Ola Flodén på LTH. I til�lägg har Joonsang Park och Tore Ingvald Bjørnarå på NGI arbetat med att vidareutveckla NGIs beräkningsmetodik och beräkna dynamiska jordstyvhetsmatriser. Tack till alla i statik/dynamikgruppen för gott samarbete och til MaxLab som låter oss publicera resultaten. Läs mer på Internet http://www.maxlab.lu.se/ http://sv.wikipedia.org/wiki/Maxlab http://www.ngi.no/no/Fagomrader/Numerisk-modellering/ http://www.ngi.no/no/Fagomrader/Geodynamikk-og-vibrasjoner/ http://www.forskning.no/artikler/2009/mai/220325 Författarens e-post [email protected] S A M HÄ L L S B Y G G A R E N • 1 • 2012