내진 공학 시뮬레이션용 네트워크(NEES)의 George E. Brown, Jr.는 Boulder에 위치한 University of Colorado(CU)를 포함하여 지리적으로 분산된 실험 연구 사이트에 네트워크를 제공하는 전국적인 네트워크 지진 시뮬레이션 리소스입니다. NEES는 토목 및 기계적 인프라 시스템의 성능을 최적화한다는 궁극적인 목표를 가지고 지진 공학의 과학을 가속화하기 위해 노력합니다.
고객이 직면한 과제
역사적으로 내진 엔지니어들은 지진의 부하를 받는 구조 시스템의 성능을 평가하기 위해 두 가지 방법 중 하나를 선택해야 했습니다.
1. 구조물 전체를 물리적으로 진동시키기 위한 대형 지진 시뮬레이터
또는 진동대 사용
2. 여러 액츄에이터를 사용하여 구조의 특정 부분에 힘과 모션을
적용하는 유사 역학 테스트
지진 시뮬레이터를 사용하면 진동을 평가하기 위한 실제적인 응답 속도를 제공합니다. 그러나 많은 테스트 실험실에서는 쉐이크 테이블에 전체 구조를 장착하면 설치에 상당한 시간과 비용이 요구되므로 비용을 감당할 수 없다고 생각합니다. 또한 테스트할 수 있는 구조는 테스트 장비의 크기와 페이로드 용량에 의해 제한됩니다.
반면 유사 동적 테스트는 비용이 저렴하고 지진 시뮬레이터보다 더 큰 구조를 테스트할 수 있지만 실제 지진이 발생했을 때 구조물에 전달되는 힘과 동작을 구조물에 더 느리게 적용합니다. 사실 부하 비율은 종종 지진이 발생했을 때 실제 구조물에 전달되는 실시간 응답 속도보다 100배 느립니다. 결과적으로 유사 동적 테스트는 구조물의 강도와 경도를 측정하기에는 좋은 도구이지만 구조물의 내진 성능을 평가할 때 필수적인 구조물의 동적 특성을 평가하기에는 부족합니다. 현재까지 대부분의 하이브리드 시뮬레이션 시스템은 유사 동적 테스트를 기반으로 합니다.
MTS 솔루션
CU-Boulder의 NEES는 하위 구조를 물리적으로 테스트하도록 설계된 FHT(Fast Hybrid Testing)시스템을 개발하고 하위 구조를 둘러싼 구조물에 미치는 물리적인 영향을 디지털로 시뮬레이션하기 위한 컴퓨터 모델을 개발하기 위해 MTS와 긴밀하게 협력하고 있습니다. 이 실시간 하이브리드 시뮬레이션 기술은 가상 및 물리적 테스트의 강점을 결합하여 전례없는 속도와 정확성, 비용 효율성을 제공합니다.
모델링된 테스트와 물리적인 테스트는 긴밀하게 결합되어 1024Hz에서 작동하므로 강도 및 강성 테스트 외에도 진동 역학을 정확하게 평가할 수 있습니다. 일반적으로 고속 하이브리드 테스트 대상에는 전단벽, 브리지 기둥과 같은 구조와 기본 격리 시스템 및 반응 완화 장치와 같은 구성요소가 포함됩니다.
전적으로 MTS의 하드웨어 및 소프트웨어로 구성된 FHT 시스템은 고속 인터페이스를 통해 실시간 컴퓨터 시뮬레이션 응용 프로그램에 연결된 MTS 컨트롤러에 의해 구동되는 3개의 고속, 고용량 액추에이터가 특징입니다. 이 시스템은 또한 다양한 데이터 관리 및 공유 도구에 대한 온라인 액세스를 제공하여 CU-Boulder의 내진 엔지니어가 원격 NEES 위치의 동료 연구원과 협력할 수 있도록 합니다.
MTS는 또한 NEES에서 실시간 하이브리드 시뮬레이션을 지원하는 데 필요한 알고리즘을 개발하도록 도움을 주었습니다. NEES의 사이트 관리자 Tom Bowen은 "액추에이터 자체로는 이러한 빠른 응답 속도를 달성할 수 없습니다."라고 합니다. "그보다는 무엇을 해야 하는지 알려 주어야 하며 MTS는 그런 속도를 달성하는 데 필요한 계산 능력을 개발하는 데 중요한 역할을 했습니다."
"실시간 또는 빠른 하이브리드 시뮬레이션은 오늘날의 빠른 컴퓨터 처리 속도를 통해 가능해졌으며 단일 시뮬레이션에서 물리적 테스트 및 가상 모델링 데이터를 조정하는 데 필요한 고급 알고리즘을 적용할 수 있습니다." 라고 Bowen이 말했습니다. "그러나 가장 중요한 것은 이 테스트가 구조물이 실제 지진 부하를 받을 때 응답 속도에 버금가는 속도로 발생한다는 것입니다. 즉 이전에는 쉐이크 테이블을 통해서만 달성할 수 있었던 매우 현실적인 응답 속도와 함께 유사 역학 테스트의 비용 효율성을 달성할 수 있습니다."
고객 혜택
Bowen에 따르면 NEES에서는 MTS가 내진 테스트에서 선두주자이고 폭넓은 제품을 제공하고 사후 서비스에서 타의 추종을 불허하는 명성을 가지고 있다는 이유로 프로젝트에 MTS 하드웨어, 소프트웨어 및 자문 서비스를 사용하기로 결정했습니다.
"저희는 실시간 하이브리드 시스템을 만들려면 어떤 장비와 전문 지식이 필요할까 자문했고 MTS는 반복적으로 최고의 파트너임을 증명했습니다." 라고 Bowen이 말했습니다. "MTS에서 제시한 가격은 경쟁사에서 제안한 가격보다 약간 높았지만 MTS의 솔루션이 제공하는 가치가 월등히 좋아 최종적으로 MTS의 솔루션을 선택했습니다. 주로 예산에 따라 움직이는 주립대학에서 이렇게 했다는 것은 MTS의 가치를 증명하는 좋은 예입니다."
미국 전역의 실험실을 위한 향상된 내진 테스트
전국의 연구자들은 NEES 네트워크를 통해 CU-Boulder FHT 솔루션에 액세스할 수 있습니다. 테스트는 Boulder에 있는 현장에서 진행하거나 인터넷을 통해 원격으로 배포할 수 있습니다. FHT 시스템은 광범위한 테스트 실험실 커뮤니티에서 실제 지진 이벤트의 높은 부하와 실시간 응답률을 사용할 수 있도록 하여 내진 테스트를 크게 개선합니다. 이 시스템은 쉐이크 테이블을 대체할 수 있는 비용 효율적인 대안이며 전통적인 유사 동적 테스트보다 우수하며 복잡한 결합 시스템을 이해할 수 있도록 해줍니다.
FHT 시스템으로 생성된 가상 모델은 또한 엔지니어가 하부 구조 및 구성요소에 대한 자체 테스트를 수행할 때 귀중한 시간을 절약해 줍니다.
Bowen은 "FHT 시스템을 사용하면 더 강력한 테스트 데이터를 제공하는 것 외에도 내진 엔지니어가 연구에 더 많은 시간을 할애하고 테스트 이니셔티브를 지원하는 방법에 대해 걱정하는 시간을 줄일 수 있습니다."라고 합니다. 이 시스템은 커뮤니티 전체에서 정보를 공개적으로 교환할 수 있도록 해줍니다. 저희 모두는 하나의 테스트 실험실에서 사용할 수 없는 종합적인 수준의 전문 지식을 활용하고 있으며 전체 업계가 그 혜택을 누리고 있습니다."
Bowen은 FHT 프로그램 성공의 핵심 요소는 MTS와의 파트너십이라고 했습니다. "상투적인 표현이라는 것은 알고 있지만 MTS는 진정한 의미에서 저희의 파트너였습니다." 그의 말입니다. "MTS에서 제공한 전문성과 지원에는 제한이 없었습니다."
