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明尼蘇達大學：調試設計代碼

MTS - 明尼蘇達大學

MTS 與大學研究部門合作，實現全尺寸土木結構的真實地震測試。

明尼蘇達大學多軸子組件測試 (MAST) 實驗室的 Carol Shield 教授和她的同事正在對全尺寸土木結構進行真實世界的地震模擬，以驗證設計規范并探索新材料和系統，以優化土木工程安全和成本效益。為了實現這些多軸模擬所需的極大載荷和沖程，他們與 MTS 合作開發了世界上容量最大的 6DOF 機械測試系統。

客戶挑戰

設計規范推動結構工程世界。盡管基于實證研究，用于定義這些代碼的測試程序歷來僅限于小規模樣本和單軸驅動。換句話說，這些測試是以 Carol Shield 教授所說的“相當不切實際的方式”進行的。

Shield 博士是明尼阿波利斯市明尼蘇達大學多軸子組件測試 (MAST) 實驗室的主任。該實驗室是 George E. Brown, Jr. 地震工程模擬網絡 (NEES) 的一部分，該網絡連接著美國的 14 個研究機構，以促進地震工程科學的發展。作為 NEES 的一部分，該實驗室試圖將大型結構和組件置于現實世界的力和運動中，以驗證設計規范，并探索新材料和系統以優化土木項目的安全性和成本效益。

一開始，實驗室面臨的主要挑戰是測試物品的龐大尺寸。為確保真實的測試，實驗室需要在具有多自由度驅動的近乎全尺寸的樣本上執行模擬地震加載。所需的尺寸、載荷和行程都非常大。事實上，如此之大，以至于世界上還沒有任何測試實驗室能夠實現它們。

“我們尋求成為第一個能夠對全尺寸土木結構試樣進行高精度測試的設施，包括能夠在多個軸上真實地施加載荷，”Shield 博士說。“我們知道測試如此巨大的標本將是一項艱巨的任務。這就是我們選擇與 MTS 合作的原因。”  

MTS解決方案

明尼蘇達大學多軸子裝配測試實驗室的定制測試解決方案由 MTS 設計，結合了高性能 MTS 伺服液壓系統和先進的六自由度 (6DOF) 控制系統。

該解決方案使研究人員能夠對包括梁柱框架系統、墻體、橋墩、橋臺和橋墩在內的大型試件進行多軸、準靜態循環試驗、準靜態擬動力試驗和連續擬動力試驗。其他結構和組件。它可以在任一橫向方向上施加 132 萬磅（5,900 kN）的垂直力和 880,000 磅（3,900 kN）的力。橫向行程最多可移動 16 英寸（406 毫米）。

“我們基本上采用了標準材料測試系統并將其超大，”Shield 說。“其巨大的力容量使我們能夠測試非常大的樣品直至失效。我們正在以前所未有的方式測試結構。據我所知，沒有其他地震測試系統能如此大規模地運行。”

該系統的規模和功能使測試比以前的方法更現實。它將允許明尼蘇達大學和 NEES 網絡中的其他研究人員生成可操作的數據，以改進設計規范并幫助開發新一代更安全、更耐用的結構。最終，這項實驗研究將幫助大型結構更好地抵御地震、颶風和其他災難性事件。

該解決方案已經非常受其他 NEES 研究人員的歡迎。作為 NEES 的一部分，明尼蘇達大學實驗室為其他進行實驗性地震研究的團隊提供共享使用。來自世界各地的團隊可以訪問實驗室進行測試，或通過實時視頻和數據傳感器流與實驗室團隊遠程合作。Shield 最近觀察到工程師從遠在新西蘭的地方對測試系統橫梁進行實時控制。

“我們的實驗室需求量很大，因為其他地震工程研究人員清楚地看到了大規模多軸測試的好處，”Shield 說。“自從我們開業以來，我們可能有一個月的時間測試系統沒有滿負荷運轉。”

客戶利益

Shield 博士和她的團隊已經挖掘出有價值的性能數據，這些數據肯定會促使設計規范更改，他們希望通過他們的多軸大型土木結構測試解決方案推進結構工程和公共安全。

“我們發現，混凝土板柱連接的設計規范在實際地震荷載下高估了結構性能，”她說。“使用我們的系統進行的測試表明，原始測試沒有提供準確的邊界條件和載荷，這對當前代碼的充分性提出了質疑。現在我們可以更新它們以使結構更可靠。對于傳統的測試系統，我們不會看到這個缺點。”

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該實驗室還在研究在引入抗震規范之前設計的混凝土柱如何在大載荷下支撐或最終倒塌。這項工作將有助于識別在地震期間有災難性連續倒塌風險的結構，并最終提供修復的關鍵。其他調查領域包括以近乎全尺寸測試非矩形混凝土透明墻，這從未進行過雙向測試，以及測試新的支撐框架設計，這些設計可能為鋼結構建筑中的當前力矩框架提供更安全、更經濟的替代方案。

支持所有這些研究的是與 MTS 的牢固工作關系。

“這是我用 MTS 做過的最大的項目，很高興，”Shield 博士說。“在設計和安裝液壓系統、執行器系統、旋轉接頭和控制裝置的所有階段，我們都非常依賴 MTS 的專業知識。我們不可能要求更好的合作伙伴。”

作為與 MTS 簽訂集中維護合同的九個 NEES 實驗室之一，該實驗室接受 MTS 技術人員的定期系統檢查、清潔、液壓油保養以及專業校準和校準。這些預防措施有助于控制運營成本并最大限度地延長系統正常運行時間，因此整個 NEES 網絡的測試工程師都可以輕松使用這種獨一無二的測試系統。

“能夠與更大的地震研究人員社區分享我們獨特的測試能力，我們正在進入一個激動人心的土木結構開發新時代，”Shield 補充道。“我們的集體研究正在更清楚地了解如何設計建筑物、橋梁和其他關鍵結構以承受現實世界的地震力。”