SFIDA DEL CLIENTE
Storicamente, gli ingegneri civili hanno avuto una visione limitata su come i ponti con curva orizzontale rispondono ai terremoti. Come parte di un progetto più ampio finanziato dalla Federal Highway Administration (FHWA) per studiare la resilienza sismica dei sistemi autostradali, il sito attrezzato Reno NEES (UNR-NEES) dell'Università del Nevada è stato utilizzato per caratterizzare accuratamente il comportamento dei segmenti di ponte curvi in condizioni sismiche. L'obiettivo della ricerca era stabilire linee guida per la progettazione di ponti curvi in grado di resistere meglio a forti terremoti.
A causa della loro forma irregolare, i ponti curvi hanno requisiti unici per le simulazioni sismiche su larga scala. I tradizionali sistemi di test uniassiali installati in trincee sotto il pavimento resistente non offrono flessibilità di posizionamento per accogliere questi campioni di prova. All'epoca in cui FHWA ha finanziato un progetto di ricerca presso l'UNR-NEES, nel laboratorio di test non erano mai state eseguite simulazioni sismiche strutturali su larga scala su ponti curvi.
UNR-NEES si proponeva di indagare sull'impatto sismico utilizzando un modello in scala 2/5 di un ponte curvo a tre campate, lungo 44,1 metri (145 piedi) con un raggio di 24,4 metri (80 piedi) sulla linea centrale del modello.
"Questo è stato il più grande test su un ponte che avessimo mai tentato, con carichi utili elevati e un campione grande e dalla forma unica" afferma Patrick Laplace, Ph.D., direttore del laboratorio di strutture su larga scala presso UNR-NEES. "Quindi per noi, la sfida principale è stata trovare un modo per simulare accuratamente un evento sismico su un ponte curvo in questa scala e con le forze coinvolte. Abbiamo un solo modello in scala di questo genere su cui lavorare, quindi sapevamo che tutto doveva andare bene la prima volta."
Laplace sapeva anche il motivo per cui l'FHWA aveva selezionato UNR-NEES per lo studio del ponte curvo: grazie alla configurazione di test unica nel suo genere, con una flessibilità senza precedenti per ospitare campioni di grandi dimensioni e dalla forma unica. "Abbiamo ottenuto il progetto perché eravamo l'unica struttura di test in grado di generare le forze e i movimenti richiesti praticamente ovunque nel nostro laboratorio" afferma.
SOLUZIONE MTS
Per 20 anni, UNR-NEES ha lavorato a stretto contatto con MTS per integrare più sistemi di tavole a scuotimento per prove sismiche su larga scala e ad alta forza, principalmente su ponti e componenti di ponti.
La struttura attualmente include tre tavole a scuotimento biassiali, oltre a una quarta tavola a scuotimento a 6DOF aggiunta nel 2009. Ogni tavola misura circa 4,25 metri quadrati (14 piedi), ha un carico utile di 445 kN (50 tonnellate) e si trova in cima a un pavimento rigido di 780 metri quadrati (8.400 piedi quadrati) in un laboratorio a sospensione con due gru a ponte. MTS ha inoltre progettato su misura un cuscinetto idrostatico per le tavole a scuotimento che impedisce il sollevamento, il rollio, il beccheggio e l'imbardata senza richiedere una trincea, rendendo possibile l'installazione di questi sistemi direttamente sul pavimento rigido.
Le tavole a scuotimento possono essere azionate singolarmente, in fase o in modo differenziale con le altre tavole e possono essere posizionate per soddisfare i requisiti di spazio specifici del campione. Tutte e quattro le tavole sono state utilizzate per le simulazioni sismiche del ponte curvo, inclusa la tavola a 6DOF impostata in modalità biassiale.
"Questo è esattamente ciò che l'UNR voleva: più tavole a scuotimento che possono essere spostate sul pavimento e funzionare individualmente o in tandem" afferma Laplace. "Per quanto ne so, siamo stati il primo laboratorio a utilizzare grandi tavole a scuotimento in una disposizione come questa."
Questa configurazione schierata e portatile ha permesso all'UNR-NEES di testare il modello in scala del ponte curvo in numerosi modi senza precedenti. Sono stati eseguiti sei diversi test per esaminare vari componenti in condizioni sismiche. I test includevano la progettazione di pilastri con e senza pilastri convenzionali; design del moncone con e senza riempimento; isolamento sismico con e senza modifica della risposta; e carico mobile, con e senza carrelli posizionati sulla superficie della sovrastruttura.
"La nostra capacità di studiare il movimento differenziale riempie un vuoto di vecchia data per i test sismici dei ponti curvi" sostiene Laplace. "Ad esempio, ora possiamo simulare un'onda sismica che colpisce un molo prima dell'altro, o con un molo su terra e l'altro su roccia. Tale realismo non può essere raggiunto con una singola tavola, a prescindere dalle sue dimensioni."
VANTAGGI PER IL CLIENTE
I test sismici UNR-NEES per l'FHWA sono stati completati nel marzo 2012 dopo nove mesi di continue attività sperimentali, e hanno fornito al governo degli Stati Uniti una vasta gamma di dati di test sul comportamento del ponte curvo a campate in condizioni sismiche. Al momento della stesura di questo articolo, FHWA era sulla buona strada per stabilire linee guida per la progettazione del settore, a vantaggio degli ingegneri civili e dei cittadini di tutto il mondo.
L'UNR-NEES sta attualmente subendo un'importante espansione che include la costruzione di una seconda struttura di test più grande situata accanto alla struttura esistente. L'espansione di 3.658 metri quadrati (12.000 piedi quadrati) ospiterà tutte e quattro le tavole a scuotimento, allargando la struttura esistente ad altri test su pavimento su larga scala. MTS è ancora fornitore al nuovo laboratorio per l'ingegneria idraulica, il trasferimento della tavola a scuotimento e gli attuali aggiornamenti del sistema.
Secondo Sherif Elfass, Ph.D., professore assistente di ricerca e direttore delle operazioni in sito del NEES, i ricercatori UNR-NEES si spingono costantemente oltre i confini di ciò che è possibile. Considera la partnership della struttura con MTS come uno dei principali fattori per questa fiducia nell'esplorazione di un territorio inesplorato.
"Il nostro atteggiamento è dire: sì, possiamo farcela, sapendo che collaboreremo con MTS per trovare insieme il modo per riuscirci" sostiene Elfass. "Avere questo supporto dell'esperienza di MTS è fondamentale, soprattutto durante la nostra espansione. Consideriamo MTS un pilastro del nostro successo e il nostro futuro è legato a questa continua relazione."
Laplace è d'accordo. "La consegna delle chiavi da parte di MTS non sarà di certo la fine della storia" afferma. "C'è sempre molta interazione che riguarda aggiornamenti, manutenzione e domande tecniche. MTS ha molte persone estremamente competenti, in molte aree diverse. Non è possibile trovare una conoscenza così ampia e applicabile da nessun'altra parte."
