La professoressa Carol Shield, Ph.D., e i suoi colleghi del Laboratorio di test di subassemblaggio multiassiale (MAST) dell'Università del Minnesota stanno eseguendo simulazioni sismiche nel mondo reale su strutture civili a grandezza naturale per verificare i codici di progettazione ed esplorare nuovi materiali e sistemi per ottimizzare la sicurezza e la convenienza dei progetti civili. Per ottenere i carichi e le corse estremamente elevati richiesti per queste simulazioni multiassiali, hanno collaborato con MTS per sviluppare il sistema di test meccanico a 6DOF con la capacità più elevata al mondo.
SFIDA DEL CLIENTE
I codici di progettazione guidano il mondo dell'ingegneria strutturale. Sebbene basate su ricerche empiriche, le procedure di test utilizzate per definire questi codici sono state storicamente limitate a campioni su piccola scala e attuazione uniassiale. In altre parole, questi test sono stati condotti in quello che la professoressa Carol Shield, Ph.D., definisce "un modo abbastanza irrealistico".
La dott.ssa Shield è direttrice del laboratorio di test di subassemblaggio multiassiale (MAST) presso l'Università del Minnesota a Minneapolis. Il laboratorio fa parte del Network per la simulazione ingegneristica sismica George E. Brown, Jr. (NEES), che collega 14 strutture di ricerca negli Stati Uniti per promuovere la scienza dell'ingegneria sismica. Come parte del NEES, il laboratorio cerca di sottoporre grandi strutture e componenti a forze e movimenti del mondo reale, al fine di verificare i codici di progettazione, nonché esplorare nuovi materiali e sistemi per ottimizzare la sicurezza e la convenienza dei progetti civili.
All'inizio, la sfida principale per il laboratorio era la dimensione assoluta degli elementi da sottoporre ai test. Per garantire test realistici, il laboratorio doveva similare un carico sismico su campioni quasi a grandezza naturale con attuazione a più gradi di libertà. Le dimensioni, i carichi e le corse richieste erano estremamente grandi. Così grandi, infatti, che nessun laboratorio di test al mondo li aveva ancora raggiunti.
"Abbiamo cercato di essere la prima struttura in grado di eseguire test altamente accurati su campioni strutturali civili a grandezza naturale, inclusa la capacità di applicare realisticamente carichi su più assi" spiega la dott.ssa Shield. "Sapevamo che testare campioni così grandi sarebbe stato un compito molto impegnativo. "Ecco perché abbiamo scelto di lavorare con MTS".
SOLUZIONE MTS
Progettata da MTS, la soluzione di test personalizzata nel laboratorio di test di subassemblaggio multiassiale dell'Università del Minnesota incorpora servoidraulica MTS ad alte prestazioni e un sistema di controllo avanzato a sei gradi di libertà (6DOF).
La soluzione consente ai ricercatori di condurre test ciclici multiasse, quasi statici, test pseudo-dinamici quasi statici e test pseudo-dinamici continui su campioni su larga scala, inclusi sistemi di telaio trave-colonna, pareti, piloni di ponti, pilastri e altre strutture e componenti. Può applicare 1,32 milioni di libbre (5.900 kN) di forza verticale e 880.000 libbre (3.900 kN) in entrambe le direzioni laterali. Le corse laterali si spostano fino a 16 pollici (406 mm).
"Abbiamo essenzialmente preso un sistema di test dei materiali standard e lo abbiamo sovradimensionato" afferma la dott.ssa Shield. "La sua enorme capacità di forza ci consente di testare campioni molto grandi fino alla rottura. Stiamo testando le strutture come nessuno avrebbe potuto fare prima d'ora. Per quanto ne so, nessun altro sistema di test sismico opera su una scala così ampia."
Le dimensioni e le funzionalità del sistema consentono di eseguire test molto più realistici rispetto ai metodi precedenti. Consentirà all'Università del Minnesota e ad altri ricercatori della rete NEES di generare dati utilizzabili per migliorare i codici di progettazione e aiutare a sviluppare una nuova generazione di strutture più sicure e durevoli. In definitiva, questa ricerca sperimentale aiuterà le grandi strutture a resistere meglio a terremoti, uragani e altri eventi catastrofici.
La soluzione è già estremamente popolare tra altri ricercatori NEES. Come parte del NEES, il laboratorio dell'Università del Minnesota offre l'uso condiviso con altri team che conducono ricerche sismiche sperimentali. I team di tutto il mondo possono visitare il laboratorio per eseguire i test o lavorare con il team del laboratorio in remoto tramite video live e streaming di dati del sensore. La dott.ssa Shield ha recentemente osservato gli ingegneri mentre assumono in tempo reale il controllo della traversa del sistema di test dalla lontana Nuova Zelanda.
"Il nostro laboratorio è molto richiesto, perché altri ricercatori di ingegneria sismica vedono chiaramente i vantaggi dei test multiasse su larga scala" afferma la dott.ssa Shield. "Da quando abbiamo aperto, abbiamo avuto forse un mese in cui il sistema di test non ha funzionato a pieno regime".
VANTAGGI PER IL CLIENTE
La dott.ssa Shield e il suo team hanno già portato alla luce dati preziosi sulle prestazioni che sicuramente richiederanno modifiche al codice di progettazione e si aspettano di far progredire sia l'ingegneria strutturale che la sicurezza pubblica con la loro soluzione di test strutturali civili multiasse su larga scala.
"Abbiamo scoperto che i codici di progettazione per le connessioni lastra-colonna su calcestruzzo prevedono prestazioni strutturali superiori a un carico sismico realistico" spiega. "I test effettuati con il nostro sistema hanno rivelato che i test originali non fornivano con accuratezza condizioni limite e carichi, il che mette in dubbio l'adeguatezza dei codici attuali. Ora possiamo aggiornarli per rendere le strutture più affidabili. Non avremmo visto questa mancanza con un sistema di test convenzionale".
Il laboratorio sta anche esaminando come le colonne di cemento progettate prima dell'introduzione dei codici sismici potrebbero resistere o eventualmente collassare sotto grandi carichi. Questo lavoro aiuterà a identificare le strutture che sono a rischio di crollo catastrofico progressivo durante un terremoto e, in definitiva, fornirà una chiave per porre rimedio. Altre aree di indagine includono il test di pareti a strapiombo non rettangolari in cemento quasi a grandezza naturale, cosa che non è mai stata eseguita in modo bidirezionale, e il test di nuovi progetti di telai di rinforzo che possono offrire un'alternativa più sicura ed economica agli attuali telai fissi negli edifici in acciaio.
A supportare l'intera ricerca c'è uno stretto rapporto di lavoro con MTS.
"Questo è stato il progetto più grande che abbia mai realizzato con MTS, ed è stata una gioia" dichiara la dott.ssa Shield. "Ci siamo affidati molto all'esperienza di MTS in tutte le fasi di progettazione e installazione dell'impianto idraulico, del sistema di attuatori, degli snodi e dei comandi. Non avremmo potuto desiderare un partner migliore."
Essendo uno dei nove laboratori NEES con un contratto di manutenzione centralizzata con MTS, il laboratorio riceve su base regolare ispezioni del sistema, pulizia, cura del fluido idraulico e calibrazione e allineamento professionali da parte dei tecnici di MTS. Queste misure preventive aiutano a ridurre i costi operativi e a massimizzare i tempi di attività del sistema, in modo che questo sistema di test unico nel suo genere sia prontamente disponibile per gli ingegneri di test in tutta la rete NEES.
"Grazie alla possibilità di condividere le nostre capacità di test uniche con l'ampia comunità di ricercatori sismici, stiamo entrando in un'era nuova ed entusiasmante nello sviluppo strutturale civile" aggiunge la dott.ssa Shield. "La nostra ricerca collettiva sta creando un quadro molto più chiaro di come si possono progettare edifici, ponti e altre strutture critiche perché resistano alle forze sismiche del mondo reale."
