미네소타 주립대학의 다축 하위 어셈블리 테스트(MAST) 연구소의 Carol Shield 교수와 그녀의 동료들은 설계 코드를 검증하고 토목 프로젝트 안전 및 비용 효율성을 최적화하는 새로운 재료를 찾기 위해 실물 크기 토목 구조물에 대한 실제 내진 시뮬레이션을 수행하고 있습니다. 그들은 이러한 다축 시뮬레이션에 필요한 매우 큰 부하와 스트로크를 달성하기 위해 MTS와 제휴하여 세계에서 가장 높은 용량의 6DOF 기계적 테스트 시스템을 개발했습니다.
고객이 직면한 과제
설계 코드는 구조 공학 세계를 주도합니다. 경험적인 연구를 기반으로 하지만 이러한 코드를 정의하는 데 사용된 테스트 절차는 역사적으로 소규모 시편 및 단축 작동으로 제한되었습니다. 즉 이러한 테스트는 Carol Shield 교수(박사)가 "상당히 비현실적인 방식"이라고 부르는 방식으로 수행되었습니다.
Shield 박사는 미네아폴리스 소재 미네소타 주립대학교의 다축 하위 어셈블리 테스트(MAST) 연구 소장입니다. 이 연구소는 George E. Brown, Jr. 지진 엔지니어링 시뮬레이션용 네트워크(NEES)의 일부로 미국 전역의 14개 연구 시설을 연결하여 지진 엔지니어링 과학을 홍보합니다. 실험실은 NEES의 일환으로 설계 코드를 검증하고 토목 프로젝트의 안전과 비용 효율성을 최적화하기 위한 새로운 재료와 시스템을 찾기 위해 큰 구조와 구성요소를 실제 힘과 움직임에 적용하려고 합니다.
처음에 실험실의 주요 과제는 테스트 대상의 크기였습니다. 실험실에서는 현실적인 테스트를 보장하기 위해 다중 자유도 작동을 통해 거의 실물 크기 시편에 대해 시뮬레이션된 지진 부하를 수행해야 했습니다. 필요한 크기, 부하 및 스트로크는 매우 컸습니다. 사실 너무 커서 세계 어느 곳에서도 테스트를 수행하지 못했습니다.
Shield 박사는 "저희는 여러 축에 사실적으로 부하를 적용하는 기능을 포함하여 실물 크기 토목 구조물 시편에 대해 매우 정확한 테스트를 수행할 수 있는 최초의 시설이 되려고 했습니다."라고 합니다. "저희는 이렇게 거대한 시편을 테스트하는 것이 엄청난 작업이 되리라는 것을 알고 있었습니다. 그게 저희가 MTS와 협업하기로 결정한 이유입니다."
MTS 솔루션
MTS에서 설계한 미네소타 주립대학의 다축 하위 어셈블리 테스트 연구소의 맞춤형 테스트 솔루션은 고성능 MTS 서보 유압 장치와 고급 6자유도(6DOF) 제어 시스템을 통합합니다.
연구원은 이 솔루션을 통해 보-기둥 프레임 시스템, 벽, 교각, 어버트먼트 및 기타 구조 및 구성요소를 포함하는 대규모 시편에 대해 다축, 준 정적주기 테스트, 준 정적 유사 동적 테스트 및 연속 유사 동적 테스트를 수행할 수 있습니다. 이 솔루션은 132만 파운드(5,900kN)의 수직력과 88만 파운드(3,900kN)의 수평력을 적용할 수 있습니다. 수평 스트로크는 최대 406mm(16')까지 이동합니다.
Shield는 "저희는 기본적으로 표준 소재 테스트 시스템을 가져와서 이를 확대했습니다."라고 합니다. "시스템의 엄청난 용량 덕분에 매우 큰 시편이 파손될 때까지 테스트할 수 있습니다. 저희는 이전에는 아무도 할 수 없었던 방식으로 구조물을 테스트하고 있습니다. 제가 아는 한 다른 어떤 내진 테스트 시스템도 그렇게 대규모로 작동하지 않습니다."
시스템의 크기와 기능 덕분에 이전 방법보다 훨씬 현실적인 테스트를 수행할 수 있습니다. 미네소타 주립대학과 NEES 네트워크의 다른 연구자들은 이를 통해 실행 가능한 데이터를 생성하여 설계 코드를 개선하고 더 안전하고 내구성이 뛰어난 새로운 세대의 구조물을 개발할 수 있습니다. 이 실험적 연구는 궁극적으로 대형 구조물이 지진, 허리케인 및 기타 자연 재앙을 더 잘 견디는 데 도움이 될 것입니다.
이 솔루션은 이미 다른 NEES 연구자들에게도 매우 인기가 있습니다. NEES의 일부인 미네소타 주립대학 실험실은 실험적인 내진 연구를 수행하는 다른 팀과 시스템을 공유합니다. 전 세계의 팀이 실험실을 방문하여 테스트를 수행하거나 실시간 비디오 및 데이터 센서 스트리밍을 통해 실험실에 있는 팀과 원격으로 작업할 수 있습니다. Shield는 엔지니어가 뉴질랜드처럼 먼 곳에서 테스트 시스템 크로스헤드를 실시간 제어할 수 있을 것으로 가정한다는 사실을 발견했습니다.
Shield는 "다른 내진 엔지니어링 연구자들이 대규모 다축 테스트의 이점을 분명히 알고 있기 때문에 실험실에 대한 수요가 매우 많습니다."라고 합니다. "실험실이 문을 연 이후로 테스트 시스템이 최대 용량으로 작동하지 않은 시간은 한 달이 채 되지 않을 것입니다."
고객 혜택
Shield 박사와 그녀의 팀은 이미 설계 코드 변경을 촉진할 귀중한 성능 데이터를 발굴했으며 다축 대규모 토목 구조 테스트 솔루션으로 구조 공학과 공공 안전을 발전시킬 것으로 기대합니다.
"저희는 콘크리트의 슬래브-기둥 연결에 대한 설계 코드가 실제 지진 부하가 적용되는 상황에서 구조적 성능을 과대평가한다는 것을 발견했습니다." 그녀의 말입니다. "저희 시스템을 사용한 테스트는 원래 테스트가 정확한 경계 조건과 부하를 제공하지 않았음을 밝혀냈고 이는 현재 코드의 적절성에 의문을 제기합니다. 이제 업데이트를 통해 구조물의 신뢰도를 더 높일 수 있습니다. 기존 테스트 시스템으로는 이러한 단점을 찾아내지 못했을 것입니다."
실험실은 또한 지진 코드가 도입되기 전에 설계된 콘크리트 기둥이 큰 부하를 받아도 지탱할지 아니면 결국 붕괴할지 검토하고 있습니다. 이 작업은 지진 발생 시 파국적인 연쇄 붕괴 위험이 있는 구조물을 식별하는 데 도움이 되며 궁극적으로 보정의 열쇠를 제공합니다. 다른 조사 영역에는 양방향으로 수행된 적이 없는 거의 실물 크기의 직사각형이 아닌 콘크리트 벽을 테스트하고 강철 건물의 현재 모멘트 프레임에 대한 더 안전하고 경제적인 대안을 제공할 수 있는 새로운 브레이스 프레임 설계를 테스트하는 것이 있습니다.
이 모든 연구를 지원하는 것은 MTS와 강력한 협력 관계입니다.
"이것은 제가 MTS와 함께 진행한 프로젝트 중 가장 큰 프로젝트였으며 전 이 프로젝트를 진행하게 되어 즐거웠습니다." Shield 박사의 말입니다. "저희는 유압 시스템, 액추에이터 시스템, 스위블 및 제어 장치를 설계하고 설치하는 모든 단계에서 MTS의 전문 지식에 크게 의존했습니다. 더 나은 파트너는 없을 것입니다."
MTS와 중앙 집중식 유지 보수 계약을 맺은 아홉 개의 NEES 실험실 중 하나인 이 실험실은 MTS의 기술자로부터 정기적인 시스템 검사, 세척, 유압 유체 관리, 전문 보정 및 정렬 서비스를 받습니다. 이러한 예방 조치는 운영 비용을 줄이고 시스템 가동 시간을 최대화하는 데 도움이 되므로 NEES 네트워크에서 테스트 엔지니어가 이 독특한 테스트 시스템을 쉽게 사용할 수 있습니다.
Shield는 "저희의 고유한 테스트 기능을 더 큰 규모의 지진 연구 커뮤니티와 공유할 수 있게 되어 토목 구조물 개발이 흥미로운 새 시대에 접어들고 있습니다."라고 덧붙였습니다. "저희의 공동 연구는 건물, 교량 및 기타 중요한 구조물이 실제 지진력을 견디도록 설계될 수 있는 방법에 대한 훨씬 더 명확한 그림을 제공합니다."
