Das Network for Earthquake Engineering Simulation (NEES) von George E. Brown, Jr. ist eine nationale, vernetzte seismische Simulationsressource, die ein geographisch verteiltes Netzwerk von experimentellen Forschungsstandorten bedient, darunter auch die University of Colorado (CU) im US-amerikanischen Boulder. NEES ist bestrebt, die Wissenschaft des Erdbebeningenieurwesens zu beschleunigen, mit dem letztendlichen Ziel, die Leistung von bautechnischen und mechanischen Infrastruktursystemen zu optimieren.
KUNDENHERAUSFORDERUNG
In der Vergangenheit waren Erdbebeningenieure gezwungen, zwischen zwei Methoden zu wählen, um das Verhalten eines strukturellen Systems unter Erdbebenlasten zu bewerten:
1. Einsatz eines großen seismischen Simulators oder eines Rütteltisches, um die
gesamte Struktur physisch zu erschüttern
2. Pseudodynamische Tests, bei denen mehrere Aktuatoren Kraft und Bewegung
auf bestimmte Teile einer Struktur aufbringen
Die Verwendung eines seismischen Simulators bietet eine realistische Ansprechrate für die Bewertung der Schwingungsdynamik. Viele Prüflabore halten jedoch die Montage einer kompletten Struktur auf einem Rütteltisch aufgrund des erheblichen Zeit- und Kostenaufwands für den Aufbau für zu kostspielig. Zudem sind die Strukturen, die getestet werden können, durch die Größe und die Nutzlastkapazitäten von der Testausrüstung begrenzt.
Pseudodynamische Tests hingegen kosten weniger und sind in der Lage, viel größere Strukturen zu testen als ein seismischer Simulator; aber sie wenden Kräfte und Bewegungen mit einer langsameren Rate auf, als sie bei einem tatsächlichen Erdbebenereignis auftreten würden. Tatsächlich ist die Rate der Belastung oft 100 Mal langsamer als die tatsächliche Echtzeit-Reaktionsrate der Struktur auf ein Erdbeben. Folglich ist die pseudodynamische Prüfung zwar ein gutes Werkzeug für die Messung der Festigkeit und Steifigkeit von Strukturen, kann aber die dynamischen Eigenschaften, die für die Beurteilung des seismischen Verhaltens einer Struktur wesentlich sind, nicht ausreichend bewerten. Bisher basieren die meisten hybriden Simulationssysteme auf pseudodynamischen Tests.
MTS-LÖSUNG
NEES an der CU-Boulder arbeitete eng mit MTS zusammen, um ein hochmodernes schnelles hybrides Prüfsystem (Fast Hybrid Testing System bzw. FHT) zu entwickeln, mit dem eine Unterstruktur physisch getestet werden kann, während Computermodelle den physischen Einfluss der umgebenden Struktur auf die Unterstruktur digital simulieren. Diese hybride Echtzeit-Simulationstechnologie kombiniert die Stärken von virtuellen und physischen Tests, um eine bisher unerreichte Geschwindigkeit, Genauigkeit und Kosteneffizienz zu erreichen.
Die modellierten und physischen Tests sind eng gekoppelt und arbeiten mit 1024 Hz, was neben der Festigkeits- und Steifigkeitsprüfung auch die genaue Auswertung der Schwingungsdynamik ermöglicht. Typische Themen für schnelle hybride Tests sind Strukturen wie Scherwände und Brückenpfeiler sowie Komponenten wie Basisisolierungssysteme und Geräte zur Reaktionsminderung.
Das FHT-System besteht vollständig aus Hardware und Software von MTS und verfügt über drei Hochgeschwindigkeitsantriebe mit hoher Kapazität, die von einem Regler von MTS gesteuert werden, der über eine Hochgeschwindigkeitsschnittstelle mit einer Echtzeit-Computersimulationsanwendung verbunden ist. Das System bietet auch Online-Zugriff auf eine Reihe von Datenmanagement- und Sharing-Tools, die es den seismischen Ingenieuren der CU-Boulder ermöglichen, mit anderen Forschern an entfernten NEES-Standorten zusammenzuarbeiten.
MTS half NEES auch bei der Entwicklung der notwendigen Algorithmen zur Unterstützung der hybriden Simulation in Echtzeit. „Die Aktuatoren können diese schnelle Reaktionsgeschwindigkeit nicht von selbst erreichen“, erklärt NEES-Standortleiter Tom Bowen. „Vielmehr muss man ihnen sagen, was sie tun sollen, und MTS war maßgeblich an der Entwicklung der notwendigen Rechenkapazitäten beteiligt, um diese Geschwindigkeit zu erreichen.“
„Echtzeit- oder schnelle hybride Simulationen werden durch die heutigen schnellen Computerverarbeitungsmöglichkeiten ermöglicht, welche die fortschrittlichen Algorithmen anwenden können, die notwendig sind, um physikalische Test- und virtuelle Modellierungsdaten in einer einzigen Simulation zusammenzuführen“, so Bowen. „Aber am wichtigsten ist, dass diese Tests mit einer Geschwindigkeit durchgeführt werden, die der Echtzeit-Reaktion einer Struktur unter tatsächlichen Erdbebenlasten nahe kommt. Das bedeutet, dass man die Kosteneffizienz von pseudodynamischen Tests erhält, zusammen mit einer sehr realistischen Ansprechrate, die früher nur mit einem Rütteltisch erreicht werden konnte.“
KUNDENVORTEILE
Laut Bowen entschied sich NEES für Hardware, Software und beratende Unterstützung für das Projekt von MTS aufgrund der führenden Rolle von MTS bei seismischen Tests, der Breite des Produktangebots und des Rufs für einen unübertroffenen Kundendienst.
„Wir haben uns gefragt, was an Ausrüstung und Fachwissen erforderlich wäre, um ein Echtzeit-Hybridsystem zu erstellen, und MTS hat sich wiederholt an die Spitze gesetzt“, so Bowen. „Das Angebot von MTS war etwas höher als andere, aber wir haben uns für die Zusammenarbeit mit ihnen entschieden, weil der Wert ihrer Lösung weit über den der anderen hinausging. Das ist ein hervorragendes Zeugnis, das von einer staatlichen Universität kommt, die in erster Linie vom Budget getrieben ist.“
Verbesserte seismische Tests für Labore in den USA
Forscher im ganzen Land haben über das NEES-Netzwerk Zugriff auf die FHT-Lösung der CU-Boulder. Die Tests können entweder vor Ort in Boulder oder über das Internet durchgeführt werden. Das FHT-System verbessert das seismische Testen erheblich, indem es die hohen Lasten und Echtzeit-Reaktionsraten eines realen Erdbebenereignisses einer breiteren Gemeinschaft von Prüflabors zur Verfügung stellt. Das System ist eine kostengünstige Alternative zu einem Rütteltisch, technologisch den traditionellen pseudodynamischen Tests überlegen und ermöglicht ein verbessertes Verständnis von komplexen gekoppelten Systemen.
Die mit dem FHT-System erstellten virtuellen Modelle sparen den Ingenieuren zudem wertvolle Zeit bei der Durchführung eigener Tests an Unterkonstruktionen und Komponenten.
„Das FHT-System liefert nicht nur robustere Testdaten“, so Bowen, „sondern ermöglicht es den seismischen Ingenieuren, mehr Zeit mit der Forschung zu verbringen und sich weniger Gedanken darüber zu machen, wie sie ihre Testinitiativen unterstützen können. Es ermöglicht den offenen Austausch von Informationen innerhalb der gesamten Community. Wir alle schöpfen aus einer kollektiven Expertise, die in keinem einzelnen Prüflabor vorhanden ist, und die gesamte Branche profitiert davon.“
Laut Bowen war die Partnerschaft mit MTS eine Schlüsselkomponente für den Erfolg des FHT-Programms. „Ich weiß, dass dieser Begriff überstrapaziert wird, aber MTS war für uns im wahrsten Sinne des Wortes ein Partner“, so Bowen. „Das Fachwissen und die Unterstützung von MTS waren grenzenlos.“
