KUNDENHERAUSFORDERUNG
In der Vergangenheit hatten Bauingenieure nur begrenzte Erkenntnisse darüber, wie horizontal gekrümmte Brücken auf Erdbeben reagieren. Als Teil eines größeren, von der US-amerikanischen Federal Highway Administration (FHWA) finanzierten Projekts zur Untersuchung der seismischen Belastbarkeit von Autobahnsystemen wurde die NEES-Anlage der University of Nevada in Reno (UNR-NEES) genutzt, um das Verhalten von gebogenen Brückensegmenten unter seismischen Bedingungen gründlich zu charakterisieren. Das Ziel der Forschung war es, Richtlinien für den Entwurf von gebogenen Brücken zu erstellen, die größeren Erdbeben besser standhalten.
Aufgrund ihrer unregelmäßigen Form stellen gebogene Brücken besondere Anforderungen an großmaßstäbliche seismische Simulationen. Herkömmliche einachsige Prüfsysteme, die in Gräben unterhalb des festen Bodens installiert werden, bieten keine Flexibilität bei der Positionierung, um diese Prüfkörper aufzunehmen. Zu dem Zeitpunkt, als die FHWA ein Forschungsprojekt an der UNR-NEES finanzierte, waren noch keine groß angelegten strukturellen Erdbebensimulationen an gebogenen Brücken im Testlabor durchgeführt worden.
UNR-NEES untersuchte die seismischen Auswirkungen anhand eines 2/5-Modells einer dreifeldrigen gebogenen Brücke mit einer Länge von 44,1 Metern (145 Fuß) und einem Radius von 24,4 Metern (80 Fuß) an der Mittellinie des Modells.
„Dies war der größte Brückentest, den wir je unternommen haben, mit hohen Nutzlasten und einem großen und einzigartig geformten Prüfkörper“, erläutert Patrick Laplace, Ph.D., Large Scale Structures Laboratory Manager bei UNR-NEES. „Für uns bestand die größte Herausforderung darin, einen Weg zu finden, ein seismisches Ereignis auf einer gekrümmten Brücke in diesem Maßstab und mit den beteiligten Kräften genau zu simulieren. Wir bekommen nur ein einziges dieser maßstabsgetreuen Modelle, an dem wir arbeiten können, also wussten wir, dass alles beim ersten Mal richtig sein musste.“
Laplace wusste auch, warum die FHWA UNR-NEES für die Studie über die gebogene Brücke ausgewählt hatte: aufgrund des einzigartigen Testaufbaus der Anlage mit beispielloser Flexibilität zur Aufnahme großer und einzigartig geformter Prüfkörper. „Wir haben das Projekt bekommen, weil wir die einzige Testeinrichtung waren, die in der Lage war, die erforderlichen Kräfte und Bewegungen praktisch überall auf unserer Laborfläche zu erzeugen“, sagt er.
MTS-LÖSUNG
Über einen Zeitraum von 20 Jahren hat UNR-NEES eng mit MTS zusammengearbeitet, um mehrere Rütteltischsysteme für groß angelegte seismische Tests mit hohen Kräften zu integrieren, hauptsächlich an Brücken und Brückenkomponenten.
Die Anlage umfasst derzeit drei biaxiale Rütteltische und einen Vierten, einen 6DOF-Rütteltisch, der 2009 hinzugefügt wurde. Jeder Tisch misst etwa 4,25 Meter (14 Fuß) im Quadrat, hat eine Nutzlast von 445 kN (50 Tonnen) und steht auf einem 780 Quadratmeter (8400 Quadratfuß) großen, starken Boden in einem Hochregallabor mit zwei Brückenkränen. MTS hat außerdem ein hydrostatisches Lager für die Rütteltische entwickelt, das Auftrieb, Rollen, Nicken und Gieren verhindert, ohne dass ein Graben erforderlich ist, sodass diese Systeme direkt auf dem festen Boden installiert werden können.
Die Rütteltische können unabhängig voneinander, in Phase oder differentiell mit den anderen Tischen betrieben und so positioniert werden, dass sie den besonderen Platzanforderungen eines Prüfkörpers gerecht werden. Alle vier Tische wurden für die seismischen Simulationen der gebogenen Brücke verwendet, einschließlich der 6DOF-Tisch, der im biaxialen Modus eingestellt war.
„Das ist genau das, was UNR wollte: mehrere Rütteltische, die über den Boden bewegt werden können und einzeln oder im Tandem arbeiten“, so Laplace. „Meines Wissens waren wir das erste Labor, das große Rütteltische in einer solchen Anordnung verwendet hat.“
Diese aufgereihte, tragbare Konfiguration ermöglichte es UNR-NEES, das maßstabsgetreue Modell der gebogenen Brücke auf zahlreiche noch nie dagewesene Arten zu testen. Es wurden sechs verschiedene Tests durchgeführt, um verschiedene Komponenten unter Erdbebenbedingungen zu untersuchen. Die Tests umfassten die Stützenbemessung mit und ohne konventionelle Stützen, die Widerlagerbemessung mit und ohne Hinterfüllung, die seismische Isolierung mit und ohne Änderung des Ansprechverhaltens sowie die Verkehrslast mit und ohne auf der Oberfläche des Überbaus positionierte Lastwagen.
„Unsere Fähigkeit, differentielle Bewegungen zu untersuchen, füllt eine seit langem bestehende Lücke für seismische Tests an gekrümmten Brücken“, sagt Laplace. „Wir können jetzt zum Beispiel eine Erdbebenwelle simulieren, die einen Pfeiler vor dem nächsten trifft, oder bei der ein Pfeiler auf Boden und der andere auf Gestein steht. Ein solcher Realismus kann nicht mit einem einzigen Tisch erreicht werden, egal wie groß er ist.“
KUNDENVORTEILE
Die seismischen Tests von UNR-NEES für die FHWA wurden im März 2012 nach neun Monaten kontinuierlicher experimenteller Aktivitäten abgeschlossen und statteten die US-Regierung mit einer Fülle von Testdaten zum Verhalten von Bogenbrücken unter Erdbebenbedingungen aus. Zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels war die FHWA auf dem besten Weg, Konstruktionsrichtlinien für die Industrie zu erstellen, von denen Bauingenieure und Bürger auf der ganzen Welt profitieren.
UNR-NEES befindet sich derzeit in einer großen Erweiterungsphase, die den Bau einer zweiten, größeren Testeinrichtung neben der bestehenden Anlage umfasst. Die 3658 Quadratmeter (12.000 Quadratfuß) große Erweiterung wird alle vier Rütteltische aufnehmen und die bestehende Anlage für weitere groß angelegte Bodentests öffnen. MTS liefert erneut die Hydrauliktechnik für das neue Labor, die Verlagerung des Rütteltisches und die Aufrüstung des Stromsystems.
Laut Sherif Elfass, Ph.D., Research Assistant Professor und NEES Site Operations Manager, verschieben die UNR-NEES-Forscher ständig die Grenzen des Möglichen. Er schreibt der Partnerschaft der Einrichtung mit MTS einen großen Anteil an diesem Vertrauen zu, Neuland zu betreten.
„Unsere Einstellung ist es, in dem Wissen, dass wir mit MTS zusammenarbeiten werden, um einen gemeinsamen Weg zu finden, sagen können: Ja, wir können es schaffen!“, so Elfass. „Dieses Backup an Know-How von MTS zu haben, ist der Schlüssel, besonders da wir expandieren. Wir betrachten MTS als eine Säule unseres Erfolgs, und unsere Zukunft ist an diese kontinuierliche Beziehung gebunden.“
Laplace stimmt zu. „Sobald MTS die Schlüssel übergibt, ist das definitiv nicht das Ende der Geschichte“, sagte er. „Es gibt immer eine Menge Interaktion, die Upgrades, Wartung und technische Fragen betrifft. MTS hat eine Menge extrem sachkundiger Leute in vielen verschiedenen Bereichen. Ein so breites und anwendbares Wissen findet man einfach nirgendwo anders.“
