고객이 직면한 과제
중국에서 가장 오래되고 명성이 높은 상해 통지 대학은 토목 엔지니어가 설계를 개선할 수 있도록 새로운 테스트 방법을 찾는 선두주자입니다. 통지 대학 토목 학부에는 교량 엔지니어링과와 토목 재난 감소 국립 핵심 연구소가 있습니다. Chengyu Yang 박사는 이곳에 위치한 교량 내진 설계 연구 부서의 주요 교수로 교량, 건물, 터널 및 기타 여러 구조물에 미치는 파괴적인 지진의 영향을 줄이는 데 도움이 되는 테스트를 수행합니다.
그의 연구실의 가장 큰 과제는 토목 구조물의 엄청난 질량과 크기입니다. 때문에 실험실에서 실물 크기 토목 구조물에 쉐이크 테이블 테스트를 수행하는 것이 실제적으로 불가능하므로 연구자가 반드시 종종 1:100, 심지어는 1:200 스케일의 훨씬 작은 모델을 사용해 지진 시뮬레이션을 진행해야 합니다. 이 방법의 문제는 모델이 작을수록 결과가 덜 유용하다는 것입니다. 작은 모델은 큰 모델과 비교했을 때 동일한 방식으로 반응하지 않으므로 테스트 데이터를 실물 크기 구조로 외삽하기가 더 어렵습니다.
이 문제에 대한 한 가지 혁신적인 해결책은 대규모의 구조적 액추에이터, 부분적인 물리적 구조와 결합된 쉐이크 테이블 테스트를 수행하고 하이브리드 시뮬레이션 기술을 사용하여 나머지 구조 또는 부피를 시뮬레이션하는 것입니다. 이 개념이 새로운 것은 아니지만 그동안은 대형 토목 구조물에 대한 내진 시뮬레이션에서 의미 있는 결과를 도출하기에는 너무 작은 크기로 진행되었습니다.
Yang 박사는 2014년에 버클리 캘리포니아 주립대학 및 MTS Systems Corporation의 동료들과 팀을 이루어 실시간 하이브리드 시뮬레이션을 위한 구조물 액추에이터와 쉐이크 테이블을 결합하는 아이디어를 개념에서 실제 적용으로 전환했습니다.
MTS 솔루션
이 개념이 실제로 대규모로 적용될 수 있음을 입증하려면 세 조직 사이에 긴밀한 공동 작업과 위험 공유가 필요합니다. 통지 대학에서 필요한 자금, 실험실 시설 및 물리적 테스트 장비를 제공했습니다. 버클리 캘리포니아 주립대학에서는 광범위한 연구 및 모델링 전문 지식을 제공했습니다. 한편 MTS에서는 기계 테스트에 대한 전문 지식과 컨설팅, 고급 제어에 대한 지식과 기술을 제공했습니다.
성공하기 위해 가장 중요한 요소는 동적 구조 액추에이터와 3 자유도(3DOF) 쉐이크 테이블/실시간 하이브리드 시뮬레이션 시스템을 통합하고 동기화하는 데 관련된 다양한 제어 문제를 극복하는 것이었습니다. MTS의 시스템 통합 엔지니어 Shawn You 박사에 따르면 이러한 문제는 혁신적인 시스템 조정 기술과 연계된 노력이 필요한 매우 복잡한 작업인 계단식 또는 증폭된 네거티브 감쇠를 보상하는 데 필요한 제어 계산을 통해 해결되었습니다. 이는 버클리 캘리포니아 주립대학과 MTS의 연구원과 엔지니어의 노력 덕분이었습니다.
팀은 솔루션을 테스트하기 위해 통지 대학의 시설에서 교량 베어링 구성요소의 내진 테스트를 설정했습니다. 테스트 설정은 3DOF 지진 시뮬레이터(쉐이킹 테이블) 위에 1:4 스케일 질량을 크게 줄인 다리 부분을 장착하고 이를 인접한 강한 벽에 장착된 동적 구조 액추에이터에 부착하는 것이었습니다. 이 물리적인 시스템은 강력한 MTS FlexTest® 컨트롤러, 469D 컨트롤러, 가상 구조 및 토양/암석 모델을 특징으로 하는 실시간 하이브리드 시뮬레이션 시스템에 의해 구동되었으며 모든 것이 OpenFresco 통신 프레임워크를 통해 반응 메모리에 연결되었습니다. 시뮬레이션을 진행하고 결과를 면밀히 분석한 결과 시스템이 추가 액추에이터를 효과적으로 사용하여 누락된 교량 데크 질량을 올바르게 적용하여 전체 구조의 정확한 내진 시뮬레이션을 수행했음을 입증했습니다.
버클리 캘리포니아 주립대학의 연구 엔지니어이자 가상 모델링과 OpenFresco 전문 지식을 제공한 ASES-Advanced Structural Engineering Solutions의 교장 Andreas Schellenberg 박사는 프로젝트의 성공을 칭찬했습니다.
"지금까지 추가 구조적 액추에이션과 결합된 하이브리드 쉐이크 테이블을 동시에 정밀하게 제어하는 것은 상대적으로 작은 규모에서만 가능했습니다. 이렇게 대규모로 실현된 것은 이번이 처음입니다. 이 개발은 연구자가 더 큰 구조물에 대해 충실도가 높은 내진 시뮬레이션을 수행하도록 하여 더 좋고 사실적인 데이터를 생성할 기회를 부여하는 귀중한 새로운 도구를 제공합니다. 이 테스트 기술의 잠재적인 응용은 매우 흥미롭고 광범위하며 많은 분야에서 연구자들의 협력을 촉진할 것입니다."
고객 혜택
협업 결과와 성공적인 시뮬레이션에 만족한 Yang 박사는 이 새로운 테스트 방법이 향후 토목 구조물에 대한 내진 시뮬레이션의 미래에 큰 가능성을 시사한다고 생각합니다. "저희는 지금 큰 규모의 시편을 대상으로 테스트를 수행해 더 현실적인 시뮬레이션 데이터를 캡처하고 더 이상 실물 크기의 물리적인 건물 모델을 만들고 테스트할 필요가 없습니다. 지금은 몇 층 또는 하부 구조를 사용해 전체 건물에서 가장 중요한 부분에 대한 진동 성능을 시뮬레이션할 수 있습니다. 이 새로운 방법을 구현하면 테스트 비용을 크게 줄이고, 많은 시간을 절약하고, 실험실의 운영 효율성을 높일 수 있습니다."
쉐이커 테이블과 구조물 액추에이터를 실시간 하이브리드 시뮬레이션으로 통합할 수 있다는 것은 계산된 구조물 질량을 적용하는 것 이상으로 확장될 수 있다는 뜻입니다. 추가로 여러 액추에이터를 사용하면 계산된 바람 및/또는 파도 입력을 적용할 수 있습니다. 또한 여러 쉐이크 테이블에 시뮬레이션을 분산해 시편의 스케일을 더욱 늘리면 시뮬레이션 정확도를 더 높일 수 있습니다. Yang 박사가 주장하는 대로 "이번 개발 건은 토목 하이브리드 시뮬레이션의 새로운 시대를 열 수 있습니다."
