고객이 직면한 과제
역사적으로 토목 공학자들은 수평으로 굽은 다리가 지진에 어떻게 반응하는지에 대한 이해도가 낮았습니다. 고속도로 시스템의 지진 복원력을 연구하기 위해 연방 고속도로국(FHWA)에서 자금을 지원한 대규모 프로젝트의 일환으로 리노 네바다 주립대학 NEES 장비 사이트(UNR-NEES)를 활용하여 지진 상태에서 다리 곡선 부분의 움직임을 철저히 분석했습니다. 이 연구의 목표는 대지진에 더 잘 견딜 수 있는 곡선 교량 설계 지침을 수립하는 것이었습니다.
곡선 교량은 불규칙한 모양 때문에 대규모 지진 시뮬레이션을 진행할 때 고유한 요구 사항이 있습니다. 견고한 바닥 아래 트렌치에 설치된 기존 단축 테스트 시스템은 이러한 테스트 시편을 수용할 수 있는 위치 유연성을 제공하지 않습니다. FHWA가 UNR-NEES의 연구 프로젝트에 자금을 지원했을 때는 테스트 실험실에서 곡선 교량에 대한 대규모 구조물 내진 시뮬레이션을 수행한 적이 없었습니다.
UNR-NEES는 길이 44.1m(145피트), 모델의 중심선에서 반경 24.4m(80피트)를 측정하는 3경간 곡선 다리의 2/5 스케일 모델을 사용하여 지진 영향을 조사하기 시작했습니다.
UNR-NEES의 대규모 구조물 실험실 관리자인 Patrick Laplace 박사는 "이는 높은 탑재 부하와 크고 독특한 모양의 시편을 포함하여 저희가 시도한 가장 큰 교량 테스트였습니다."라고 합니다. "그래서 저희에게 가장 큰 도전은 이런 규모와 힘으로 곡선 교량에서 지진을 정확하게 시뮬레이션하는 방법을 찾는 것이었습니다. 저희는 이러한 스케일 모델 중 하나만 가지고 작업할 수 있기 때문에 처음부터 모든 것이 옳아야 한다는 것을 알았습니다."
Laplace는 FHWA가 곡선 교량 연구를 위해 UNR-NEES를 선택한 이유도 알고 있었습니다. 이는 크고 독특한 모양의 시편을 수용할 수 있는 전례 없는 유연성을 갖춘 시설의 유일한 테스트 설정 때문입니다. "저희는 실험실 바닥의 거의 모든 곳에서 필요한 힘과 동작을 생성할 수 있는 유일한 테스트 시설이었기 때문에 프로젝트를 수주했습니다." 그가 말합니다.
MTS 솔루션
UNR-NEES는 20년 동안 MTS와 긴밀히 협력하여 주로 교량 및 교량 구성요소에 대한 대규모 고부하 내진 테스트를 위한 다중 쉐이크 테이블 시스템을 통합했습니다.
이 시설에는 현재 3개의 2축 쉐이크 테이블과 함께 2009년에 추가된 네 번째 6DOF 쉐이크 테이블이 있습니다. 각 테이블의 크기는 약 4.25m(14피트)이고 적재 부하는 445kN(50톤)이며 두 개의 오버헤드 크레인이 있는 780제곱미터(8,400제곱 피트) 넓이의 높은 베이 실험실의 견고한 바닥 위에 있습니다. MTS는 또한 트렌치 없이 상승, 롤, 피치, 요를 방지하는 쉐이크 테이블용 유압 베어링을 맞춤 설계하여 이러한 시스템을 견고한 바닥에 직접 설치할 수 있습니다.
쉐이크 테이블은 다른 테이블과 독립적으로 위상에서 또는 차등적으로 작동할 수 있으며 테스트 시편의 고유한 공간 요구 사항을 처리하도록 배치할 수 있습니다. 2축 모드로 설정된 6DOF 테이블을 포함하여 4개의 테이블 모두 곡선 교량 내진 시뮬레이션에 사용되었습니다.
"그것은 UNR이 원했던 것입니다. 바닥을 가로질러 이동할 수 있고 개별적으로 또는 동시에 작동할 수 있는 여러 개의 쉐이크 테이블 말이죠." Laplace의 말입니다. "제가 아는 한 저희는 이와 같은 어레이에 대형 쉐이크 테이블을 사용한 최초의 실험실이었습니다."
UNR-NEES는 이렇게 배열된 이동식 구성을 통해 전례 없이 다양한 방법으로 곡선 브리지 스케일 모델을 테스트할 수 있었습니다. 지진이 발생하는 동안 다양한 구성요소를 검사하기 위해 6가지 다른 테스트가 수행되었습니다. 테스트에는 기존 컬럼이 있거나 없는 컬럼 설계, 백필이 있거나 없는 어버트먼트 설계, 응답 수정이 있거나 없는 지진 격리 설계 그리고 상부 구조 표면에 배치 된 트럭이 있거나 없는 실제 부하 설계가 포함됩니다.
"차동 운동을 연구하는 저희의 능력은 곡선 교량의 내진 테스트에서 오랫동안 할 수 없었던 테스트를 가능하게 해줍니다." Laplace의 말입니다. "예를 들어 저희는 이제 한 부두를 다음 부두보다 먼저 강타하거나 한 부두는 토양에 그리고 다른 부두는 바위에 부딪히는 지진 파도를 시뮬레이션할 수 있습니다. 테이블이 아무리 커도 하나의 테이블로는 이러한 현실감을 얻을 수 없습니다."
고객 혜택
FHWA를 위한 UNR-NEES의 지진 테스트는 9개월 간의 지속적인 실험 끝에 2012년 3월에 완료되었으며 미국 정부에 지진 조건 하에서 곡선 교량 동작에 대한 풍부한 테스트 데이터를 제공했습니다. FHWA는 이 글을 쓰는 시점에 산업 설계 지침을 수립하는 작업을 순조롭게 진행하고 있으며 전 세계의 토목 엔지니어와 시민에게 도움이 되었습니다.
UNR-NEES는 현재 기존 시설 옆에 위치한 두 번째 대규모 테스트 시설 건설을 포함한 대규모 확장을 진행하고 있습니다. 3,658제곱미터(12,000 제곱 피트)에 달하는 이 부지에는 4개의 쉐이크 테이블이 모두 수용되어 다른 대규모 바닥 테스트를 위한 기존 시설이 열립니다. MTS는 새로운 실험실의 유압 엔지니어링, 쉐이크 테이블 재배치 및 기존 시스템 업그레이드를 다시 제공하고 있습니다.
연구 조교수이자 NEES 사이트의 운영 관리자인 Sherif Elfass 박사에 따르면 UNR-NEES의 연구원은 가능성의 경계를 끊임없이 확장하고 있습니다. 그는 MTS와 시설의 파트너십이 미지의 영역을 탐험하는 이러한 자신감의 주요 원천이라고 생각합니다.
Elfass는 "저희의 태도는 MTS와 협력하여 함께 방법을 찾아낼 것임을 알고 '예, 할 수 있습니다.'라고 말하는 것입니다."라고 합니다. “특히 연구를 확장할 때 MTS의 전문 지식을 활용하는 것이 중요합니다. 저희는 MTS가 성공을 떠받치는 기둥이라고 생각하며 저희의 미래는 이러한 지속적인 관계에 달려있습니다."
Laplace는 동의합니다. "MTS에서 키를 넘겨준다고 끝나는 이야기가 아닙니다." 그가 말합니다. "업그레이드, 유지 관리 및 기술적인 질문과 관련된 많은 상호작용이 항상 진행됩니다. MTS는 매우 다양한 분야에서 풍부한 지식을 갖춘 전문가를 보유하고 있습니다. 다른 곳에서는 이렇게 광범위하고 적용 가능한 지식을 찾을 수 없습니다."
