La profesora Carol Shield, doctora en ciencias y sus colegas del Laboratorio de Pruebas de Submontaje Multiaxial (MAST) de la Universidad de Minnesota, realizan simulaciones sísmicas en el mundo real en estructuras civiles a escala real para verificar los códigos de diseño y estudiar nuevos materiales y sistemas para optimizar la seguridad y la rentabilidad de los proyectos civiles. Para conseguir las cargas y carreras extremadamente grandes que requieren estas simulaciones multiaxiales, se asociaron con MTS para desarrollar el sistema de pruebas mecánicas 6DOF de mayor capacidad del mundo.
RETO DEL CLIENTE
Los códigos de diseño impulsan el mundo de la ingeniería estructural. Aunque se basan en investigaciones empíricas, los procedimientos de prueba utilizados para definir estos códigos se han limitado históricamente a muestras a pequeña escala y actuación uniaxial. En otras palabras, estas pruebas se realizaron en lo que la profesora Carol Shield, Ph.D., llama “una manera bastante poco realista”.
El Dr. Shield es el director del Laboratorio de Pruebas de Subensamblaje Multiaxial (MAST) de la Universidad de Minnesota en Minneapolis. El laboratorio forma parte de la Red George E. Brown, Jr. para la simulación de ingeniería sísmica (NEES), que conecta 14 instalaciones de investigación de todo Estados Unidos para promover la ciencia de la ingeniería sísmica. Como parte de la NEES, el laboratorio trata de someter grandes estructuras y componentes a fuerzas y movimientos del mundo real para verificar los códigos de diseño, así como explorar nuevos materiales y sistemas para optimizar la seguridad y la rentabilidad de los proyectos civiles.
Al principio, el principal reto para el laboratorio era el gran tamaño de los artículos de prueba. Para garantizar pruebas realistas, el laboratorio necesitaba realizar una carga sísmica simulada en muestras casi a escala completa con activación de varios grados de libertad. Los tamaños, las cargas y los golpes requeridos eran extremadamente grandes. Tan grandes, de hecho, que ningún laboratorio de pruebas en el mundo los había logrado aún.
“Queríamos ser la primera instalación capaz de realizar pruebas de gran precisión en probetas de estructuras civiles a escala real, incluida la capacidad de aplicar cargas de forma realista en múltiples ejes”, dijo el Dr. Shield. “Sabíamos que sería una tarea formidable probar especímenes tan enormes. Por eso elegimos trabajar con MTS”.
SOLUCIÓN DE MTS
Diseñada por MTS, la solución de prueba personalizada en el Laboratorio de Pruebas de Subensamblaje Multi-Axial de la Universidad de Minnesota incorpora la servohidráulica de alto rendimiento de MTS y un avanzado sistema de control de seis grados de libertad (6DOF).
La solución permite a los investigadores realizar pruebas cíclicas multieje, pruebas pseudodinámicas cuasiestáticas y pruebas pseudodinámicas continuas en muestras a gran escala, incluidos sistemas de armazón de vigas y columnas, muros, pilares de puentes, estribos y otras estructuras y componentes. Puede aplicar 1,32 millones de libras (5900 kN) de fuerza vertical y 880.000 libras (3900 kN) en cualquier dirección lateral. Las carreras laterales se mueven hasta 16 pulgadas (406 mm).
“Básicamente hemos tomado un sistema de prueba de materiales estándar y lo hemos sobredimensionado”, dijo Shield. “Su enorme capacidad de fuerza nos permite probar probetas muy grandes hasta la falla. Estamos poniendo a prueba las estructuras de una manera que nadie podía hacer antes. Que yo sepa, ningún otro sistema de prueba sísmica opera a una escala tan grande”.
El tamaño y la funcionalidad del sistema permiten realizar pruebas mucho más realistas que los métodos anteriores. Permitirá a la Universidad de Minnesota y a otros investigadores de la red NEES generar datos procesables para mejorar los códigos de diseño y ayudar a desarrollar una nueva generación de estructuras más seguras y duraderas. En última instancia, esta investigación experimental ayudará a que las grandes estructuras resistan mejor los terremotos, los huracanes y otras catástrofes.
La solución ya es muy popular entre otros investigadores de NEES. Como parte del NEES, el laboratorio de la Universidad de Minnesota ofrece un uso compartido para otros equipos que realizan investigaciones sísmicas experimentales. Equipos de todo el mundo pueden visitar el laboratorio para realizar pruebas o trabajar con el equipo del laboratorio a distancia a través de la transmisión en directo de videos y sensores de datos. Recientemente, Shield observó cómo los ingenieros asumían el control en tiempo real de la cruceta del sistema de pruebas desde lugares tan lejanos como Nueva Zelanda.
“Nuestro laboratorio tiene mucha demanda, porque otros investigadores de ingeniería sísmica ven claramente las ventajas de las pruebas multieje a gran escala”, afirma Shield. “Desde que abrimos, hemos tenido tal vez un mes en el que el sistema de prueba no estaba funcionando a plena capacidad”.
BENEFICIOS PARA EL CLIENTE
La Dra. Shield y su equipo ya han descubierto datos valiosos sobre el rendimiento que seguramente impulsarán cambios en los códigos de diseño, y esperan avanzar tanto en la ingeniería estructural como en la seguridad pública con su solución de pruebas estructurales civiles multiaxiales a gran escala.
“Descubrimos que los códigos de diseño para las conexiones entre losas y pilares de cemento sobrevaloran el rendimiento estructural bajo cargas sísmicas realistas”, comenta. “Las pruebas que utilizaron nuestro sistema revelaron que las pruebas originales no proporcionaron condiciones de contorno y carga precisas, lo que cuestiona la idoneidad de los códigos actuales. Ahora podemos actualizarlas para que las estructuras sean más confiables. No hubiéramos visto esta deficiencia con un sistema de prueba convencional”.
El laboratorio también está estudiando cómo las columnas de cemento diseñadas antes de la introducción de los códigos sísmicos podrían resistir o eventualmente colapsar bajo grandes cargas. Este trabajo ayudará a identificar las estructuras que corren el riesgo de sufrir un colapso progresivo catastrófico durante un terremoto y, en última instancia, proporcionará una clave para su reparación. Otras áreas de investigación incluyen probar muros escarpados de cemento no rectangulares casi a escala completa, lo que nunca se ha hecho bidireccionalmente, y probar nuevos diseños de bastidores de riostra que pueden ofrecer una alternativa más segura y económica a los bastidores de momento actuales en edificios de acero.
El respaldo de toda esta investigación es una sólida relación de trabajo con MTS.
“Este ha sido el proyecto más grande que he realizado con MTS y fue un placer”, afirma el Dr. Shield. “Confiamos mucho en la experiencia de MTS en todas las fases de diseño e instalación del sistema hidráulico, el sistema de actuadores, las rótulas y los controles. No podríamos haber pedido un mejor socio”.
Como uno de los nueve laboratorios de NEES con un contrato de mantenimiento centralizado con MTS, el laboratorio recibe una revisión periódica del sistema, limpieza, cuidado de los fluidos hidráulicos y calibración y alineación profesional por parte de los técnicos de MTS. Estas medidas preventivas ayudan a reducir los costos operativos y maximizar el tiempo de actividad del sistema, de modo que este sistema de prueba único en su tipo esté disponible para los ingenieros de pruebas en toda la red NEES.
“Con la posibilidad de compartir nuestras capacidades únicas de prueba con la comunidad más amplia de investigadores sísmicos, estamos entrando en una era nueva y emocionante en el desarrollo de estructuras civiles”, agrega Shield. “Nuestra investigación colectiva está creando una imagen mucho más clara de cómo pueden diseñarse edificios, puentes y otras estructuras críticas para resistir las fuerzas sísmicas del mundo real”.
