1. No category

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
karin.noren-cosgriff@ngi.no
S A M HÄ L L S B Y G G A R E N • 1 • 2012