고객이 직면한 과제
토론토 대학교의 Mark Huggins 구조물 실험실은 수십 년 동안 토목 구조물 엔지니어링 분야에서 세계적으로 큰 영향력을 행사했습니다. 이 실험실에서 수행한 극단적인 조건에서의 철근 콘크리트의 특성에 대한 연구는 현재 캐나다와 미국의 교량 및 건물 코드 전단 조항에 이론적 근거가 되는 결과물을 제공했습니다. 그들의 연구는 또한 유럽의 새로운 모델 코드에도 영향을 주고 있습니다.
실험실의 구조물 테스트 엔지니어는 오랫동안 연구에 실험과 분석의 독특한 조합을 적용해 왔습니다. 1984년 Michael P. Collins 교수는 매우 유연하고 강력한 연구 도구인 쉘 요소 테스트(SET) 시스템을 개발했는데 이 시스템은 대형(1.626m X 1.626m) 철근 콘크리트 요소가 면내 또는 면외 부하를 받을 때의 특성을 연구하기 위한 도구였습니다. 이 기계는 처음부터 교량, 핵 격납 차량 및 해양 석유 플랫폼의 부분을 모델링한 시편을 테스트하기 위해 제작되었습니다. 이 시스템은 또한 실험실에서 개발된 변형 압축 이론을 검증하는 수단으로 사용됩니다.
최근 콘크리트 재료 과학이 크게 발전함에 따라 연구소의 엔지니어들은 SET 시스템의 기능에 한계를 느끼기 시작했습니다.
"실용적으로 가능한 콘크리트 강도는 지난 20년 동안 3배 증가하여 훨씬 더 작은 철근 콘크리트 시편으로 이전에 가능했던 것보다 더 높은 부하를 견딜 수 있게 되었습니다." 토론토 대학교 토목 공학과의 구조 공학 교수 Evan Bentz 박사의 말입니다. "이러한 발전은 매혹적이고 새로운 콘크리트 재료의 모든 특성을 가져왔습니다. 그러나 새로운 재료는 또한 기존 SET 시스템의 약점을 보여주었습니다."
2007년, Bentz와 Collins는 업계를 따라가려면 시편을 더 정밀하게 제어해야 한다는 것을 깨달았습니다. 콘크리트 구조물의 실패는 일반적으로 비선형적인 방식으로 일어나므로 업그레이드에는 주어진 순간에 적용된 정확한 부하와 모멘트로부터 상관 관계 테스트 데이터를 얻을 수 있는 능력이 포함되어야 했습니다.
Bentz는 "저희에게는 기존 SET 시스템이 어떻게 작동하는지에 대한 지식이 있었지만 원하는 기능을 달성하는 데 필요한 고급 제어 기술 및 시스템 통합에 대한 전문 지식은 없었습니다."라고 합니다.
실험실은 정부 연구 기관인 캐나다 혁신 재단으로부터 SET 시스템 업그레이드를 위한 보조금을 확보한 후 제안 요청서를 받기 시작했습니다. "저희는 업그레이드를 완료하는 데 두 가지 다른 리소스가 필요할 것으로 예상했습니다. 하나는 저희에게 무엇이 가능했는지 알려주는 리소스이고 다른 하나는 실제로 그것을 수행하는 리소스입니다." Bentz의 말입니다. "저희는 하나의 리소스가 두 가지를 모두 수행할 수 있다는 사실을 알게 되어 기뻤습니다. "MTS를 선택한 이유가 바로 그것이었죠."
MTS 솔루션
2010년 초에 완료된 SET 시스템 업그레이드는 내구성과 성능이 뛰어난 정적 테스트 시스템을 내구성이 뛰어나고 성능이 더 좋은 동적 테스트 시스템으로 바꾸었습니다. 이를 위해 기존 시스템에 있던 60개의 액추에이터에 각각 서보 제어기와 부하 및 변위 변환기를 장착했습니다. 최첨단 FlexTest® 200 디지털 컨트롤러와 고급 AeroPro™ 소프트웨어를 실행하는 클라이언트 PC를 통합하여 완전한 동적 제어를 구축했습니다. 제어와 데이터 수집을 완전하게 통합하는 구조적 테스트 응용 프로그램인 AeroPro 소프트웨어는 많은 수의 제어 및 데이터 수집 채널을 효율적으로 관리하고, 실시간 테스트 모니터링 기능을 제공하고, 시편의 실패가 발생하는 각 모멘트에서 상세한 시간 히스토리를 제공합니다.
기존 시스템에서는 액추에이터 그룹의 압력 제어만이 가능했지만 업그레이드된 시스템에서는 각 액추에이터의 부하와 변위를 동시에 개별적으로 제어할 수 있어 보다 정교하고 사실적인 테스트 프로파일이 가능하도록 해주며 더 높은 해상도의 데이터를 얻을 수 있도록 해줍니다. "이전 시스템에서 주어진 압력으로 진행하는 잭 은행은 아주 기능적이고 단순했지만 더 높은 강도와 더 깨지기 쉬운 콘크리트에서 제어를 달성하려면 개별 변위를 제어할 수 있어야 했습니다." Bentz가 설명합니다. "AeroPro 소프트웨어의 유연한 제어 옵션은 이렇게 많은 채널을 부드럽게 제어하는 데 꼭 필요합니다."
시스템 업그레이드에는 두 개의 SilentFlo™ 유압 동력 장치, Model 293 유압 서비스 매니폴드 및 통합 하드 라인으로 구성된 완전히 새로운 유압 분배 시스템도 포함되었습니다.
Bentz는 "새로운 제어, 액추에이션 및 소프트웨어 기능을 사용하면 콘크리트 시편이 기본적으로 공간을 떠다니며 언제든 원하는 부하와 모멘트를 원하는 방향으로 적용할 수 있습니다."라고 합니다. "저희는 이제 엄격한 제어를 유지하면서 콘크리트 쉘 요소를 가능한 모든 힘 구성요소에 적용할 수 있습니다."
MTS 솔루션에는 테스트 엔지니어가 SET 시스템 업그레이드를 최대한 활용할 수 있도록 광범위한 현장 사용자 교육도 포함되었습니다.
고객 혜택
Bentz 박사에 따르면 업그레이드된 SET 시스템 덕분에 Mark Huggins 구조물 실험실은 최근 철근 콘크리트 구조물의 실제 작동 조건을 시뮬레이션하는 데 훨씬 더 가까워졌습니다. 여기에는 지진 이벤트와 심지어 폭발을 가까운 거리에서 관찰할 수 있는 능력과 시간이 오래 걸릴 때에만 작동하는 실패 메커니즘이 포함됩니다.
"저희는 원래 가지고 있던 SET 시스템을 잘 활용했지만 정적인 시스템이기 때문에 가능성이 제한되어 있었습니다." Bentz의 말입니다. "이제 저희는 고정밀 동적 솔루션을 갖추었으므로 광범위한 부하 시나리오에서 기계적인 고장이 발생하는 동안 무슨 일이 벌어지고 있는지 자세하게 이해할 수 있습니다. 훨씬 적은 수의 가정이 필요합니다."
"전 여기서 몇 가지 흥미로운 시나리오를 발견하리라 생각합니다." Bentz의 말입니다. "그리고 저희는 다리가 사용되는 동안 얼마나 오래 버틸 수 있을지 정확하게 예측할 수 있다고 확신합니다."
Bentz는 MTS의 전문 지식과 전문성이 SET 시스템 업그레이드 성공에 필수적인 요소라고 언급했습니다. "커뮤니케이션은 구현 도중과 이후 모두 훌륭했습니다." 그의 말입니다. "저희는 MTS의 담당자가 전문적이고 능력이 있으며 필요한 모든 방식으로 도움을 줄 의지가 있음을 확인했습니다."
"전체 설정 작업은 저희가 원한대로 진행되었습니다." Bentz의 말입니다. "더 바랄 나위가 없었죠."
