KUNDENHERAUSFORDERUNG
Seit Jahrzehnten hat das Mark Huggins Structures Laboratory der Universität von Toronto einen bedeutenden globalen Einfluss auf dem Gebiet des Bauwesens. Die dort durchgeführten Forschungen zum Verhalten von Stahlbeton unter extremen Bedingungen bilden heute die theoretische Grundlage für kanadische und amerikanische Brücken- und Bauvorschriften zum Thema Scherung. Sie beeinflusst auch die neuen Modellcodes in Europa.
Die Prüfingenieure des Labors wenden seit langem eine einzigartige Kombination aus Experimenten und Analysen an. 1984 entwickelte Professor Michael P. Collins das Shell Element Test-System (SET) – ein sehr flexibles und leistungsfähiges Forschungswerkzeug – um das Verhalten von großen (1626 m × 1626 m) Stahlbetonelementen zu untersuchen, die Kräften in der Ebene und außerhalb der Ebene ausgesetzt sind. Die hierin getesteten Prüfkörper sollten von Anfang an Abschnitte von Brücken, nuklearen Sicherheitsbehältern, und Offshore-Ölplattformen modellieren. Das System würde auch als Mittel zur Validierung der im Labor entwickelten sogenannten „Modified Compression Theory“, der Theorie zur modifizierten Kompression, dienen
In jüngerer Zeit, als die Wissenschaft über Betonwerkstoffe erhebliche Fortschritte machte, begannen die Ingenieure des Labors, die Grenzen der Möglichkeiten des SET-Systems zu erkennen.
„Die praktisch verfügbaren Betonfestigkeiten sind in den letzten zwei Jahrzehnten um das Dreifache gestiegen, was es möglich gemacht hat, dass viel kleinere Stahlbetonbauteile höhere Lasten tragen können als früher“, erklärt Dr. Evan Bentz, Professor für Bauingenieurwesen an der Fakultät für Bauwesen der Universität. „Diese Fortschritte haben alle Arten von faszinierenden neuen Verhaltensweisen des Betonwerkstoffs eingeführt. Aber sie haben auch Schwachstellen des ursprünglichen SET-Systems aufgedeckt.“
Im Jahr 2007 erkannten Bentz und Collins, dass sie in der Lage sein mussten, Prüfkörper mit einem weitaus höheren Maß an Kontrolle und Präzision zu prüfen, um mit der Industrie Schritt halten zu können. Da Betonversagen typischerweise nichtlinear abläuft, müsste das Upgrade die Möglichkeit bieten, die erfassten Testdaten mit den genauen Lasten und Momenten zu korrelieren, die zu einem bestimmten Zeitpunkt wirken.
„Wir hatten ein umfassendes Wissen darüber, wie das ursprüngliche SET-System funktionierte, aber wir besaßen nicht das Fachwissen über fortschrittliche Steuerungstechnik und Systemintegration, das erforderlich war, um die von uns gewünschten Fähigkeiten zu erreichen“, erläutert Bentz.
Nachdem das Labor einen Zuschuss von der Canada Foundation for Innovation, einer staatlichen Forschungsagentur in Kanada, für die Aufrüstung des SET-Systems erhalten hatte, begann es mit der Annahme von Ausschreibungen. „Wir haben erwartet, dass zwei verschiedene Ressourcen benötigt werden, um unser Upgrade abzuschließen: Eine, die uns sagt, was möglich ist, und eine Zweite, die es tatsächlich macht“, so Bentz. „Wir waren erfreut zu entdecken, dass eine Ressource beides leisten kann. Darum haben wir uns für MTS entschieden.“
MTS-LÖSUNG
Das Anfang 2010 fertiggestellte Upgrade des SET-Systems verwandelte ein langlebiges, hochleistungsfähiges statisches Prüfsystem effektiv in ein langlebiges, leistungsfähigeres dynamisches Prüfsystem. Um dies zu erreichen, wurden alle 60 Aktuatoren des ursprünglichen Systems einzeln mit Servoreglern sowie Last- und Wegwandlern ausgestattet. Durch die Integration eines hochmodernen digitalen FlexTest®-Reglers Modell 200 und von Client-PCs, auf denen die fortschrittliche AeroPro™-Software läuft, wurde eine vollständige dynamische Steuerung eingerichtet. Als einziges Strukturtest-Anwendungspaket, das Steuerung und Datenerfassung vollständig integriert, erleichtert die AeroPro-Software die effiziente Verwaltung einer großen Anzahl von Steuerungs- und Datenerfassungskanälen, ermöglicht eine Testüberwachung in Echtzeit und liefert detaillierte Zeitverläufe für jeden Moment des Versagens eines Prüfkörpers.
Während das ursprüngliche System nur die Drucksteuerung von Aktuatorgruppen ermöglichte, bietet das aktualisierte System die gleichzeitige Steuerung von Last und Weg jedes einzelnen Aktuators, was die Ausführung von anspruchsvolleren, realistischen Prüfprofilen und die Erfassung von Daten mit höherer Auflösung ermöglicht. „Das frühere System mit Bänken, die bei einem bestimmten Druck ausfahren, war recht funktional und einfach, aber um die Kontrolle zu geben, die wir für höherfesten, spröderen Beton benötigten, mussten wireinzelne Verschiebungen kontrollieren können“, erklärt Bentz. „Die Flexibilität der Steuerungsoptionen in der AeroPro-Software ist genau das, was wir brauchten, um so viele Kanäle auf elegante Weise zu steuern.“
Die Systemaufrüstung umfasste auch ein komplett neues Hydraulikverteilungssystem, bestehend aus zwei SilentFlo™-Hydraulikaggregaten, einem hydraulischen Serviceverteiler Modell 293 und einer integrierten Hartleitung.
„Mit unseren neuen Steuerungs-, Antriebs- und Software-Fähigkeiten schwebt der Betonprüfkörper im Grunde im Raum, und wir können jederzeit spezifische Lasten und Momente in jede Richtung aufbringen“, sagt Bentz. „Wir können Betonschalenelemente nun allen acht möglichen Kraftkomponenten aussetzen und dabei eine gute Kontrolle beibehalten.“
Die Lösung von MTS beinhaltete auch eine umfangreiche Benutzerschulung vor Ort, um sicherzustellen, dass die Prüfingenieure die Vorteile des SET-System-Upgrades voll ausnutzen.
KUNDENVORTEILE
Laut Dr. Bentz bringt das aufgerüstete SET-System das Mark Huggins Structures Laboratory deutlich näher an die Simulation der realen Betriebsbedingungen heutiger Stahlbetonstrukturen. Dazu gehört die Möglichkeit, die Auswirkungen von seismischen Ereignissen und sogar Explosionen genau zu untersuchen, sowie Versagensmechanismen, die sich erst über längere Zeiträume manifestieren.
„Unser ursprüngliches SET-System hat uns gute Dienste geleistet, aber es hat unsere Möglichkeiten eingeschränkt, weil es ein statisches System war“, so Bentz. „Jetzt, da wir mit einer hochpräzisen dynamischen Lösung ausgestattet sind, können wir uns ein detailliertes Bild davon machen, was genau während eines mechanischen Versagens vor sich geht, und zwar unter einer Vielzahl von Belastungsszenarien. Es müssen viel weniger Vermutungen angestellt werden.“
„Ich denke, wir sind dabei, hier eine interessante neue Wissenschaft zu entdecken“, sagt Bentz „Und wir sind zuversichtlicher denn je, dass wir in der Lage sind, genaue Vorhersagen darüber zu treffen, wie lange eine Brücke während des Betriebs halten wird.“
Bentz nennt das Fachwissen und die Professionalität von MTS als ausschlaggebend für den Erfolg der Aufrüstung des SET-Systems. „Die Kommunikation war sowohl während als auch nach der Implementierung hervorragend“, sagt er. „Wir haben festgestellt, dass die Mitarbeiter von MTS ausnahmslos professionell und fähig sowie immer bereit sind, in jeder Hinsicht zu helfen.“
„Der gesamte Aufbau funktioniert genau so, wie wir gehofft haben“, so Bentz. „Viel mehr konnten wir uns nicht wünschen.“
