A professora Carol Shield, Ph.D., e seus colegas do Multi-Axial Subassemblage Testing (MAST) Lab, da Universidade de Minnesota, estão realizando simulações sísmicas do mundo real em estruturas civis em escala real para verificar códigos de projeto, e explorar novos materiais e sistemas para otimizar a segurança e a relação custo-benefício de projetos civis. Para alcançar as cargas e cursos extremamente grandes necessários para estas simulações multiaxiais, eles se associaram à MTS para desenvolver o sistema de teste mecânico 6DOF de maior capacidade do mundo.
DESAFIO DO CLIENTE
Os códigos de projeto impulsionam o mundo da engenharia estrutural. Embora baseados em pesquisas empíricas, os procedimentos de teste usados para definir estes códigos têm sido historicamente limitados a corpos de prova em pequena escala e atuação uniaxial. Em outras palavras, estes testes foram realizados no que a professora Carol Shield, Ph.D., chama de "uma maneira bastante irrealista."
A Dra. Shield é diretora do Multi-Axial Subassemblage Testing (MAST) Lab, da Universidade de Minnesota, em Minneapolis. O laboratório faz parte da George E. Brown, Jr., Network for Earthquake Engineering Simulation (NEES), que conecta 14 instalações de pesquisa nos Estados Unidos para promover a ciência da engenharia sísmica. Como parte do NEES, o laboratório procura submeter grandes estruturas e componentes a forças e movimentos do mundo real, a fim de verificar códigos de projeto, bem como explorar novos materiais e sistemas para otimizar a segurança de projetos civis e a relação custo-benefício.
No início, o principal desafio para o laboratório era o tamanho dos artigos de teste. Para garantir testes realistas, o laboratório precisava executar uma carga sísmica simulada em corpos de prova quase em escala real com acionamento de vários graus de liberdade. Os tamanhos, cargas e traçados necessários eram extremamente grandes. Tão grande, de fato, que nenhum laboratório de testes no mundo ainda os tinha alcançado.
"Procuramos ser a primeira instalação capaz de realizar testes altamente precisos em amostras estruturais civis em escala real, incluindo a capacidade de aplicar cargas de forma realista em múltiplos eixos", disse a Dra. Shield. "Sabíamos que seria uma tarefa formidável testar corpos de prova tão grandes". "Por isso é que optamos por trabalhar com a MTS".
SOLUÇÃO DA MTS
Projetada pela MTS, a solução de teste personalizada no University of Minnesota Multi-Axial Subassemblage Testing Lab incorpora um servo-hidráulico MTS de alto desempenho e um avançado sistema de controle de seis graus de liberdade (6DOF).
A solução permite aos pesquisadores realizar testes cíclicos multieixos, quasi-estáticos, testes pseudodinâmicos quasi-estáticos e testes pseudodinâmicos contínuos em corpos de prova em larga escala, incluindo sistemas de estrutura de vigas-colunas, paredes, pilares de pontes, pilares e outras estruturas e componentes. Ela pode aplicar 1,32 milhão de libras (5.900 kN) de força vertical e 880.000 libras (3.900 kN) em qualquer direção lateral. Os golpes laterais se movem até 16 polegadas (406 mm).
"Tomamos essencialmente um sistema de teste de material padrão e o superdimensionamos", disse Shield. "Sua enorme capacidade de força nos permite testar corpos de prova muito grandes até que eles falhem". Estamos testando estruturas de maneiras que ninguém poderia fazer antes. Que eu saiba, nenhum outro sistema de teste sísmico opera em tão grande escala"
O tamanho e a funcionalidade do sistema permitem testes que são muito mais realistas do que os métodos anteriores. Ele permitirá que a Universidade de Minnesota e outros pesquisadores da rede NEES gerem dados acionáveis para melhorar os códigos de projeto e ajudar a desenvolver uma nova geração de estruturas mais seguras e mais duráveis. Em última análise, esta pesquisa experimental ajudará grandes estruturas a resistir melhor a terremotos, furacões e outros eventos catastróficos.
A solução já é extremamente popular entre outros pesquisadores do NEES. Como parte do NEES, o laboratório da Universidade de Minnesota oferece uso compartilhado para outras equipes que conduzem pesquisas sísmicas experimentais. Equipes de todo o mundo podem visitar o laboratório para realizar testes, ou trabalhar com a equipe do laboratório remotamente através de streaming de vídeo e sensor de dados ao vivo. Recentemente, a Shield observou engenheiros na Nova Zelândia, no outro lado do mundo, assumindo o controle em tempo real da travessa do sistema de teste.
"Nosso laboratório é muito procurado, porque outros pesquisadores de engenharia sísmica veem claramente o benefício dos testes multieixos em larga escala", explica Shield. "Desde que abrimos, tivemos talvez um mês em que o sistema de teste não estava funcionando em sua capacidade máxima"
BENEFÍCIOS PARA O CLIENTE
O Dr. Shield e sua equipe já descobriram dados valiosos de desempenho que certamente provocarão mudanças no código de projeto e esperam avançar tanto na engenharia estrutural quanto na segurança pública com sua solução multiaxial de testes estruturais civis em larga escala.
"Descobrimos que os códigos de projeto para as conexões de placas com colunas em concreto exageram o desempenho estrutural sob carga sísmica realista", disse ela. "Testes utilizando nosso sistema revelaram que os testes originais não forneciam condições de contorno e carregamento precisos, o que põe em questão a adequação dos códigos atuais. Agora podemos atualizá-los para tornar as estruturas mais confiáveis. Não teríamos visto esta falha com um sistema de teste convencional."
O laboratório também está examinando como colunas de concreto projetadas antes da introdução de códigos sísmicos podem se sustentar ou eventualmente desabar sob grandes cargas. Este trabalho ajudará a identificar estruturas que estão em risco de colapso progressivo catastrófico durante um terremoto e, em última instância, fornecerá uma chave para a remediação. Outras áreas de investigação incluem o teste de paredes de concreto não retangulares em escala quase real, o que nunca foi feito de forma bidirecional e o teste de novos projetos de estruturas de escoras que pode oferecer uma alternativa mais segura e econômica para as atuais estruturas de momento em edifícios de aço.
Apoiar toda essa pesquisa é uma forte relação de trabalho com a MTS.
"Este foi o maior projeto que já fiz com a MTS, e foi uma alegria", comemora a Dra. Shield. "Confiamos muito na experiência da MTS em todas as fases de projeto e instalação do sistema hidráulico, sistema de atuadores, giros e controles. Não poderíamos ter pedido um parceiro melhor"
Como um dos nove laboratórios NEES em um contrato de manutenção centralizada com a MTS, o laboratório recebe inspeção regular do sistema, limpeza, cuidado com fluidos hidráulicos e calibração e alinhamento profissionais dos técnicos da MTS. Estas medidas preventivas ajudam a reduzir os custos operacionais e maximizar o tempo de funcionamento do sistema, de modo que este sistema de teste único esteja sempre disponível para engenheiros de teste em toda a rede NEES.
"Com a capacidade de compartilhar nossas capacidades únicas de testes com a comunidade maior de pesquisadores sísmicos, estamos entrando numa nova era empolgante no desenvolvimento estrutural civil", acrescentou Shield. "Nossa pesquisa coletiva está criando uma imagem muito mais clara de como edifícios, pontes e outras estruturas críticas podem ser projetados para resistir às forças sísmicas do mundo real"
