ミネソタ大学 MAST（Multi-Axial Subassemblage Testing）ラボの Carol Shield 教授（博士）とその同僚たちは、フルスケールの土木構造物で実際の地震シミュレーションを行い、設計コードを検証し、土木プロジェクトの安全性と費用対効果を最適化するための新しい材料やシステムを探求しています。これらの多軸シミュレーションに必要な非常に大きな負荷と振幅を実現するために、 MTS と提携して世界最高容量の 6DOF 機械試験システムを開発しました。
お客様の挑戦
設計コードは、構造工学の世界を動かすものです。経験的な研究に基づいていますが、これらのコードを定義するために使用される試験方法は、歴史的に小規模な試料と一軸作動に限られていました。つまり、これらの試験は、 Carol Shield 教授が「かなり非現実的な方法」と呼ぶ方法で行われたのです。
Shield 博士は、ミネアポリスにあるミネソタ大学の MAST（Multi-Axial Subassemblage Testing）ラボの所長を務めています。このラボは、George E. Brown, Jr の地震工学シミュレーションネットワーク（NEES）の一部であり、全米の 14 の研究施設を結んで地震工学の科学を推進しています。NEES の一環として、このラボでは、設計コードを検証するために大型構造物や構成部品に実際の負荷や運きを与えたり、土木プロジェクトの安全性や費用対効果を最適化するために新しい材料やシステムを探求したりしています。
当初、ラボにとっての最大の課題は、試料の純然たるサイズが非常に大きいことでした。現実的な試験を行うためには、複数の自由度を持つフルスケールに近い試料に、地震による負荷をシミュレートする必要がありました。求められるサイズ、負荷、振幅は非常に大きいものでした。その大きさは、世界のどの試験ラボも達成していないほどでした。
Shield 博士はこう述べています。「フルスケールの土木構造物の試料に対して、複数の軸で現実的に負荷をかけることができるなど、精度の高い試験を行うことができる最初の施設となることを目指しました。」「このような巨大な試料を試験するのは大変なことだと思っていました。それが、MTS との共同研究を選択した理由です」
MTS のソリューション
MTS が設計したミネソタ大学多軸サブアセンブリ試験ラボのカスタム試験ソリューションには、高性能の MTS サーボ油圧装置と先進の 6 自由度（6DOF）制御システムが組み込まれています。
このソリューションにより、研究者は、梁・柱のフレームシステム、壁、橋脚、橋台、その他の構造物や構成部材を含む 大規模な試料に対して、多軸、準静的な繰り返し試験、準静的な疑似動的試験、および連続的な疑似動的試験を実施することができます。垂直方向に 132 万ポンド（5,900 kN）、横方向に 88 万ポンド（3,900 kN）の負荷を加えることができます。横方向の振幅は最大 16 インチ（406 mm）の移動が可能です。
「私たちは基本的に、標準的な材料試験システムを超大型化しました」と Shield 博士は述べています。「その巨大な負荷容量により、非常に大きな試料を最後まで試験することができます。これまで誰もできなかった方法で、構造試験をしています。私の知る限り、このような大規模な地震試験システムを運用しているところはありません。」
システムの大きさと機能により、従来の方法よりもはるかに現実的な試験が可能になりました。これにより、ミネソタ大学をはじめとする NEES ネットワークの研究者は、設計コードを改善し、より安全で耐久性のある新世代の構造物を開発するための実用的なデータを得ることができます。最終的には、この実験的研究によって、大型構造物が地震やハリケーンなどの大災害に耐えられるようになるでしょう。
このソリューションは、すでに他の NEES 研究者にも非常に好評です。NEES の一環として、ミネソタ大学のラボは、地震の実験的研究を行っている他のチームとの共同利用が可能です。世界中のチームがラボを訪れて試験を行ったり、ライブビデオやデータセンサーのストリーミングでラボのチームと遠隔で協力したりすることができます。シールドは先日、遠くニュージーランドからエンジニアが試験システムのクロスヘッドをリアルタイムに制御している様子を確認しました。
「他の地震工学研究者が大規模な多軸試験のメリットを明確に認識しているため、私たちのラボは非常に需要があります」とシールドは言います。「開業以来、試験システムがフル稼働しなかった月は 1 回あったかないかです。」
お客様のメリット
Shield 博士と彼女のチームは、すでに設計コードの変更を促すような貴重な性能データを発掘しており、多軸大規模土木構造物試験ソリューションによって、構造工学と公共の安全の両方を向上させることができると期待しています。
「私たちは、コンクリート上のスラブと柱の接合部の設計コードが、現実的な地震負荷下での構造性能を過大に予測していることを発見しました」と彼女は語ります。「私たちのシステムを使った試験では、元の試験が正確な境界条件と負荷を提供していないことが明らかになり、現行のコードの妥当性が疑問視されています。今では、それらを更新して、より信頼性の高い構造にすることができます。従来の試験システムでは、このような欠点は見られませんでした。」
また、耐震基準が導入される前に設計されたコンクリート柱が、大きな荷重に耐えられるのか、あるいは崩壊するのかを検証しています。この研究は、地震の際に壊滅的な進行性崩壊の危険性がある構造物を特定するのに役立ち、最終的には修復の鍵となります。その他の調査分野としては、これまで双方向で行われたことのない非矩形のコンクリートせん断壁をほぼ実物大で試験することや、現在の鉄骨建築のモーメントフレームに代わる、より安全で経済的な新しいブレースフレームの設計を試験することなどが挙げられます。
これらの研究を支えているのは、MTS との強力な協力関係です。
「今回のプロジェクトは、これまで MTS で行ってきた中で最大のものであり、喜びに満ちたものでした。」 Shield 博士は述べています。「私たちは、油圧システム、アクチュエータシステム、スイベル、制御装置の設計と設置のすべての段階で、MTS の専門知識を大いに活用しました。これ以上のパートナーはいませんでした。」
MTS と集中管理契約を結んでいる 9 つのNEES ラボの 1 つとして、ラボは MTS の技術者による定期的なシステム点検、清掃、油圧作動液のケア、専門的なキャリブレーションとアライメントを受けています。これらの予防措置により、運用コストを抑制し、システムの稼働率を最大限に高めることができるため、この唯一無二の試験システムを NEES ネットワークの試験エンジニアがすぐに利用できるようになります。
「みずからの独特な試験能力をより多くの地震研究者と共有できるようになったことで、私たちは土木構造物の開発においてエキサイティングな新時代を迎えようとしています」と Shield 博士は付け加えました。「私たちの研究成果は、建物や橋などの重要な構造物が実際の地震負荷に耐えられるように設計する方法について、より明確なイメージを生み出しています。」
