Professor Carol Shield, Ph.D., und ihre Kollegen im Labor für mehrachsige Prüfsysteme für Montageeinheiten (Multi-Axial Subassemblage Testing bzw. MAST) an der University of Minnesota führen reale seismische Simulationen an Bauwerken in Originalgröße durch, um Design-Codes zu überprüfen und neue Materialien und Systeme zu erforschen, um die Sicherheit und Kosteneffizienz von Bauvorhaben zu optimieren. Um die extrem großen Lasten und Hübe zu erreichen, die für diese mehrachsigen Simulationen erforderlich sind, wurde in Zusammenarbeit mit MTS das weltweit leistungsfähigste mechanische 6DOF-Prüfsystem entwickelt.
KUNDENHERAUSFORDERUNG
Konstruktionsvorschriften bestimmen die Welt des Bauwesens. Obwohl sie auf empirischer Forschung beruhen, waren die Testverfahren, die zur Definition dieser Codes verwendet wurden, historisch auf kleine Prüfkörper und einachsige Betätigung beschränkt. Mit anderen Worten, diese Tests wurden auf eine, wie Professor Carol Shield, Ph.D., es nennt, „ziemlich unrealistische Weise“ durchgeführt.
Dr. Shield ist der Direktor des Labor für mehrachsige Prüfsysteme für Montageeinheiten (Multi-Axial Subassemblage Testing bzw. MAST) an der University of Minnesota im US-amerikanischen Minneapolis. Das Labor ist Teil des George E. Brown, Jr., Network for Earthquake Engineering Simulation (NEES), das 14 Forschungseinrichtungen in den USA miteinander verbindet, um die Wissenschaft der Erdbebentechnik zu fördern. Als Teil von NEES ist das Labor bestrebt, große Strukturen und Komponenten realen Kräften und Bewegungen auszusetzen, um Design-Codes zu verifizieren, sowie neue Materialien und Systeme zu erforschen, um die Sicherheit und Kosteneffizienz von Bauprojekten zu optimieren.
Zu Beginn bestand die größte Herausforderung für das Labor in der schieren Größe der Prüfartikel. Um eine realistische Prüfung zu gewährleisten, musste das Labor eine simulierte seismische Belastung an nahezu maßstabsgetreuen Prüfkörpern mit mehreren Freiheitsgraden durchführen. Die benötigten Größen, Lasten und Hübe waren extrem groß. So groß, dass sie bisher von keinem Testlabor der Welt erreicht wurden.
„Wir wollten die erste Einrichtung sein, die in der Lage ist, hochpräzise Tests an Bauwerksprüfkörpern im Originalmaßstab durchzuführen, einschließlich der Möglichkeit, Lasten realistisch in mehreren Achsen aufzubringen“, sagt Dr. Shield. „Wir wussten, dass es eine gewaltige Aufgabe sein würde, solche riesigen Exemplare zu testen. Deshalb haben wir uns für die Zusammenarbeit mit MTS entschieden.“
MTS-LÖSUNG
Die von MTS entwickelte kundenspezifische Testlösung im Labor für mehrachsige Prüfsysteme für Montageeinheiten der University of Minnesota beinhaltet eine leistungsstarke Servohydraulik und ein fortschrittliches Steuerungssystem mit sechs Freiheitsgraden (6DOF) von MTS.
Die Lösung ermöglicht Forschern die Durchführung mehrachsiger, quasi-statischer zyklischer Prüfungen, quasi-statischer pseudodynamischer Prüfungen und kontinuierlicher pseudodynamischer Prüfungen an großflächigen Prüfkörpern, einschließlich Balken-Stützen-Rahmensystemen, Wänden, Brückenpfeilern, Widerlagern und anderen Strukturen und Komponenten. Sie kann eine vertikale Kraft von 5900 kN (1,32 Millionen Pfund) und eine seitliche Kraft von 3900 kN (880.000 Pfund) aufbringen. Die seitlichen Hübe bewegen sich bis zu 406 mm (16 Zoll).
„Wir haben im Wesentlichen ein Standard-Werkstoffprüfsystem genommen und es vergrößert“, erklärt Shield. „Seine massive Kraftkapazität erlaubt es uns, sehr große Prüfkörper bis zum Versagen zu testen. Wir testen Strukturen auf eine Art und Weise, wie es vorher niemand konnte. Meines Wissens gibt es kein anderes seismisches Prüfsystem, das in einem so großen Maßstab arbeitet.“
Die Größe und Funktionalität des Systems ermöglichen Tests, die wesentlich realistischer sind als bisherige Methoden. Es wird der University of Minnesota und anderen Forschern im NEES-Netzwerk ermöglichen, verwertbare Daten zu generieren, um Design-Codes zu verbessern und eine neue Generation von sichereren, haltbareren Strukturen zu entwickeln. Letztendlich wird diese experimentelle Forschung dazu beitragen, dass große Strukturen Erdbeben, Hurrikans und anderen katastrophalen Ereignissen besser standhalten.
Die Lösung ist bereits bei anderen NEES-Forschern äußerst beliebt. Als Teil von NEES bietet das Labor der University of Minnesota die gemeinsame Nutzung für andere Teams an, die experimentelle seismische Forschung betreiben. Teams aus der ganzen Welt können das Labor besuchen, um Tests durchzuführen, oder sie können per Live-Video und Datensensor-Streaming mit dem Team des Labors zusammenarbeiten. Shield beobachtete kürzlich, wie Ingenieure die Echtzeitsteuerung der Traverse des Prüfsystems von Neuseeland aus übernahmen.
„Unser Labor ist sehr gefragt, weil andere Forscher im Erdbebeningenieurwesen den Nutzen von groß angelegten mehrachsigen Tests klar erkennen“, so Shield. „Seit der Eröffnung hatten wir vielleicht einen Monat, in dem das Prüfsystem nicht mit voller Kapazität lief.“
KUNDENVORTEILE
Dr. Shield und ihr Team haben bereits wertvolle Leistungsdaten hervorgebracht, die sicher zu Änderungen der Konstruktionsvorschriften führen werden, und sie erwarten, dass sie mit ihrer multiaxialen Großversuchslösung für Baustrukturen sowohl die Bautechnik als auch die öffentliche Sicherheit voranbringen werden.
„Wir haben herausgefunden, dass die Bemessungsregeln für Platten-Stützen-Verbindungen auf Beton die strukturelle Leistung unter realistischer seismischer Belastung zu hoch vorhersagen“, sagt sie. „Tests mit unserem System haben gezeigt, dass die ursprünglichen Tests keine genauen Randbedingungen und Belastungen lieferten, was die Angemessenheit der aktuellen Codes in Frage stellt. Jetzt können wir sie aktualisieren, um die Strukturen zuverlässiger zu machen. Dieses Manko hätten wir mit einem herkömmlichen Prüfsystem nicht gesehen.“
Das Labor untersucht auch, wie Betonsäulen, die vor der Einführung von seismischen Codes entworfen wurden, unter großen Lasten standhalten oder eventuell zusammenbrechen. Diese Arbeit wird dazu beitragen, Bauwerke zu identifizieren, die bei einem Erdbeben vom katastrophalen progressiven Einsturz bedroht sind, und letztlich einen Schlüssel zur Sanierung liefern. Weitere Untersuchungsbereiche sind die Prüfung von nicht-rechteckigen Betonschrägwänden in nahezu vollem Maßstab, was noch nie bidirektional durchgeführt wurde, und die Prüfung neuer Stützrahmenkonstruktionen, die eine sicherere und wirtschaftlichere Alternative zu den derzeitigen Momentrahmen in Stahlgebäuden darstellen könnten.
All diese Forschungen werden durch eine enge Zusammenarbeit mit MTS unterstützt.
„Das war das größte Projekt, das ich je mit MTS gemacht habe, und es war eine Freude“, sagt Dr. Shield. „Wir haben uns in allen Phasen der Konstruktion und Installation des Hydrauliksystems, des Antriebssystems, der Drehgelenke und der Steuerungen auf das Know-How von MTS verlassen. Wir hätten uns keinen besseren Partner wünschen können.“
Als eines von neun NEES-Laboren, die einen zentralen Wartungsvertrag mit MTS abgeschlossen haben, erhält das Labor regelmäßige Systeminspektionen, Reinigung, Pflege der Hydraulikflüssigkeit und professionelle Kalibrierung und Ausrichtung durch Techniker von MTS. Diese vorbeugenden Maßnahmen tragen dazu bei, die Betriebskosten zu senken und die Betriebszeit des Systems zu maximieren, sodass dieses einzigartige Prüfsystem für die Testingenieure im gesamten NEES-Netzwerk jederzeit verfügbar ist.
„Mit der Möglichkeit, unsere einzigartigen Testmöglichkeiten mit der größeren Gemeinschaft der Erdbebenforscher zu teilen, treten wir in eine aufregende neue Ära der Baustrukturentwicklung ein“, fügt Shield hinzu. „Unsere kollektive Forschung schafft ein viel klareres Bild davon, wie Gebäude, Brücken und andere kritische Strukturen entworfen werden können, um realen seismischen Kräften zu widerstehen.“
