Cold-Formed Steel Herbouwt Aardbevingsbestendige Architectuur

{h1}

Om technische standaarden en codes te verbeteren, werken academische onderzoekers en industriële leden samen om beter te begrijpen hoe het hele systeem van een koudgevormd stalen gebouw reageert op een aardbeving.

Dit artikel achter de schermen werd aan WordsSideKick.com gegeven in samenwerking met de National Science Foundation.

Academia en de industrie werken samen aan een nieuwe poging om gebouwen die aardbevingsklare gebouwen te bouwen. De inspanningen van de Johns Hopkins University zijn gericht op het ontwerpen en testen van een enkele structuur die voornamelijk is gebouwd van koudgevormd staal, een materiaal dat de voorbije 25 jaar explosief is gegroeid in structurele engineeringprojecten.

Met financiering van de National Science Foundation, hielp JHU engineering professor Benjamin Schafer bij het samenbrengen van een team samengesteld uit professionals uit de industrie, professoren, afgestudeerde studenten en af ​​en toe een middelbare school of student-student hunkering naar onderzoekservaring om experimenteel en computationeel seismisch onderzoek uit te voeren op koud gevormde stalen componenten.

De eerste industriestandaarden en codes voor koudgevormd staal zijn geschreven in 1946 en zijn meestal gebaseerd op empirische gegevens, in veel gevallen zonder onderliggende theorie. Wanneer ingenieurs proberen een gebouw aardbevingsbestendig te maken, gebruiken ze specifieke structurele componenten, geschikt details genoemd, om aardbevingkrachten te absorberen en helpen sommige van die krachten terug naar de grond.

Dat werkt, maar wanneer een aardbeving toeslaat, reageert het hele gebouw, niet alleen de delen met details. Hoewel academisch onderzoek de afgelopen decennia tot verbeteringen in de oorspronkelijke bouwvoorschriften heeft geleid, valt er veel te leren over het hele systeem van een koudgevormd stalen gebouw in reactie op een aardbeving.

"Als je een grote kennisleemte hebt, heb je een gevarenkloof", zegt Schafer. Om dit gat op te vullen, testen en analyseren hij en zijn individuele componenten van een koudgevormde staalconstructie en nemen ze wat ze over elk onderdeel leren om een ​​volledig gebouw te ontwerpen dat drie fasen van schudtafeltests zal ondergaan. De tests zullen plaatsvinden in 2013 op de NSF Network for Earthquake Engineering Simulation (NEES) -site van de Universiteit van Buffalo in New York en maken deel uit van NEES's bredere onderzoeksinspanningen.

Cold-formed Steel in the Lab

Koudgevormd staal is licht en glanst als aluminium omdat het een gegalvaniseerde coating heeft. Kara Peterman, een derdejaars Ph.D. student over het project, beschrijft het als "staal dat door een lange reeks machines in een dunne plaat wordt gewalst en vervolgens als origami in een gewenste vorm wordt gebogen."

Bij elke vormverandering, elk gemaakt bij kamertemperatuur (vandaar de naam koud gevormd), veranderen de eigenschappen van het stuk, waardoor de eigenschappen van het staal worden verbeterd. Kleine tweaks hebben de potentie om de staalsterkte te vergroten, waardoor een component efficiënter dan het eerder was. Wanneer een 8 voet hoog staalplaat bijvoorbeeld wordt omgezet in een u-vorm met twee bochten van 90 graden, wordt het een stijl die bestand is tegen tienduizend pond laden. De straal kon vijf Volkswagen Beetles dragen - elk ongeveer tweeduizend pond - maar toch is het licht genoeg voor Peterman om op te heffen.

Peterman werkt samen met een tweede afgestudeerde student, Peng Liu, om te beoordelen hoe individuele koudgevormde stalen onderdelen lasten dragen. Ze heeft componenten zoals bundelkolommen en lokale verbindingen in het JHU-lab getest en afgelopen zomer testte ze wand-tot-vloerverbindingen. Liu, een bezoekende Northeastern University Ph.D. student uit China, heeft experimenten uitgevoerd op dwarswanden, die speciaal zijn gemaakt om laterale krachten te weerstaan. Hij voltooide zijn test in een faciliteit aan de Universiteit van Noord-Texas. Liu analyseert en interpreteert ook de onbewerkte gegevens die zijn experimenten hebben opgeleverd.

Peterman en Liu geven zeer specifieke informatie door aan Jiazhen Leng, een Ph.D. student bij JHU, die vervolgens een zeer gedetailleerd bouwmodel code voor component kan coderen met behulp van OpenSees - open-source software voor het analyseren van gebouwen. Met het 3D-model op zijn plaats heeft hij de mogelijkheid om verschillende analyses uit te voeren. Zijn analytische gegevens informeren op zijn beurt voorspellingen voor meer experimenteel werk, met name de volledige test voor 2013. Het werk van de afgestudeerde studenten komt volledig rond en verbindt ze met elkaar.

The Big Blue Baby

In de darmen van Latrobe Hall, het civieltechnische gebouw op de JHU-campus, woont de Big Blue Baby, ook bekend als de meerassige structurele testopstelling. De onderzoeksgroep van Schafer, die de machine ontwierp, is trots op het feit dat er maar één ander in de Verenigde Staten is (aan de Universiteit van Minnesota, ook onderdeel van het NEES-netwerk.) Het lichaam is gemaakt van warmgewalst staal en de hersenen zijn een computer, die een hydraulische pomp aandrijft. Het systeem zit in het midden van het krappe lab, waar zwarte elektrische draden over de grond slingeren naar andere, kleinere systemen. Rijen van muren, in eigen huis gemaakt, leunen tegen de achterkant van de kamer, met stapels omhulsel en staal aan de voorkant.

"In vergelijking met de NEES-faciliteiten is onze kamer klein", erkent Peterman. "Maar we hebben veel van dit lab gekregen - geweldige resultaten, geweldige publicaties en geweldige wijzigingen in de codes."

Experimenten zijn grootschalige tests van kleine componenten, omdat het bijna onmogelijk is om elk gedrag af te schalen. De Big Blue Baby kan een standaardmuur in zijn buik houden en belastingen uitoefenen met behulp van hydraulische actuators, die eruitzien als dikke, zwarte tentakels.Wat deze machine uniek maakt, is het vermogen om gecombineerd laden uit te voeren. De pons kan recht naar beneden komen, van twee verschillende kanten verdraaien, of in één keer uit verschillende richtingen spanning uitoefenen.

De meeste structuren ervaren verschillende belastingen vanuit verschillende richtingen, dus de Big Blue Baby simuleert realistische technische situaties. Het meest voorkomende type belasting wordt de axiale belasting genoemd, het gewicht dat rechtstreeks op de muur valt vanwege de zwaartekracht - denk aan meubels of sneeuw. Er zijn rode noodknoppen rond het tuig, voor het geval het kind van dertigduizend pond besluit een driftbui in te zetten en het moet offline worden gehaald.

De Shake Table Tests van 2013

Robert Madsen, Senior Project Engineer bij Devco Engineering, Inc., is de primaire schakel tussen de onderzoekers en de industrie. In aanloop naar de grootschalige tests van 2013 vindt er om de drie maanden een vergadering plaats tussen de academici en een grotere adviescommissie van de sector voor updates van beide kanten. Madsen zorgde voor het bouwbare ontwerp voor het NEES-gebouw van 2013 dat de studenten op deelniveau hebben gekarakteriseerd.

Het plan is om een ​​gebouw met twee verdiepingen te bouwen, 50 voet bij 23 voet, binnen het kolossale laboratorium NEES Buffalo. Het gebouw zal op dubbele schudtafels zitten die worden gekoppeld. Het Buffalo-gebouw zal in drie hoofdfasen shake table-tests ondergaan: de eerste zal zijn als een stalen skelet; de tweede fase omvat alleen muren en andere structurele componenten waarop ingenieurs momenteel vertrouwen; en de derde fase is een complete structuur die volgens de standaard is gebouwd en gereed is om bewoond te worden.

Cue Narutoshi Nakata, co-principe-onderzoeker van JHU, brengt zijn expertise in shake-table testen en prestatie-evaluatie. Om zinvolle en nuttige resultaten te bereiken, moet Nakata het juiste aantal sensoren op de tafel, hun locaties en wat ze zullen meten bepalen. Hij moet ook beslissen welk type grondbeweging de tafel zal produceren, zoals snel versus langzaam, en het aantal uit te voeren scenario's. Op basis van Ling's 3-D model en analytische tests, maakt Nakata de mathematische modellen van aardbevingen die de schudtafel zal genereren, en zal uiteindelijk analyseren hoe de structuur dynamisch reageert. Een van de scenario's is een reproductie van de Northridge-aardbeving in 1994 - als een goed geregistreerde, historische aardbeving in Los Angeles met een kracht van 6,7, wordt deze veel gebruikt voor simulatie-experimenten.

Onmiddellijke impact

Schafer heeft middelbare en niet-gegradueerde studenten bij het project betrokken om hen al vroeg in hun loopbaan praktijkervaring te bieden. Middelbare schoolstudenten komen vaak van het Baltimore Polytechnic Institute, een openbare school in Baltimore City, die een cursus onderzoekspracticum biedt waarmee ingeschrevenen een paar uur per week vrijwilligerswerk kunnen doen in het JHU-lab. De nieuwste vrijwilliger was van Garrison Forest High School, een privé-meisjesschool in Owings Mills, MD, die de student vereiste om een ​​specifiek onderzoeksproject te voltooien dat ze aan het einde van het semester kon presenteren. Met Peterman's begeleiding had de student de mogelijkheid om variabelen voor verbindingstests te onderzoeken.

Het team probeert ook jongere studenten te betrekken, omdat onderzoek meestal geen kans is die ze hebben tot ze junioren en senioren zijn. Na het passeren van een proefperiode om hun interesse te bewijzen, namen twee niet-gegradueerde studenten deel aan deze afgelopen zomer: iemand die net zijn eerstejaars jaar heeft afgerond, de ander haar tweede jaar.

Het grotere plaatje

Hoewel de oostkust niet vaak op het nieuws is voor aardbevingen, legt Schafer uit: "Aardbevingen zijn een kwestie van terugkeerperiode, geen kwestie van waar je woont. Ze komen sneller in Californië, maar als je een gebouw ontwerpt en je verwacht Als het 20, 50 of 100 jaar oud is, ga je de codes in en zie je bijna overal in de VS, je moet ontwerpen voor aardbevingen. "

Schafer blijft gedreven om fundamentele kennis te beïnvloeden en de Amerikaanse praktijk te veranderen. "Als een technicus wist hoe het hele systeem reageerde," voegt hij eraan toe, "in plaats van slechts een klein beetje, dan zouden ze in staat zijn om het hele gebouw te ontwerpen als aardbevingsklaar."

Opmerking van de uitgever: De onderzoekers afgebeeld in Behind the Scenes-artikelen zijn ondersteund door de National Science Foundation, het federale bureau belast met de financiering van fundamenteel onderzoek en onderwijs op alle gebieden van wetenschap en techniek. Alle meningen, bevindingen en conclusies of aanbevelingen in dit materiaal zijn die van de auteur en komen niet noodzakelijk overeen met de opvattingen van de National Science Foundation. Zie het archief achter de schermen.


Video Supplement: .




Onderzoek


Bouw Een Betere Drone, Voor Natuurbehoud (Op-Ed)
Bouw Een Betere Drone, Voor Natuurbehoud (Op-Ed)

Motion Simulator Brengt 4D-Entertainment Naar Uw Bank
Motion Simulator Brengt 4D-Entertainment Naar Uw Bank

Science Nieuws


'Vergeten' Hersengebied Herontdekt Een Eeuw Later
'Vergeten' Hersengebied Herontdekt Een Eeuw Later

De Beste Vriend Van Het Kind: Kinderen Geven De Voorkeur Aan Hun Huisdieren Boven Broers En Zussen
De Beste Vriend Van Het Kind: Kinderen Geven De Voorkeur Aan Hun Huisdieren Boven Broers En Zussen

4 Mythen Over Juice Cleansing
4 Mythen Over Juice Cleansing

Doc Infecteert Patiënten Met Hepatitis B Tijdens Chirurgie
Doc Infecteert Patiënten Met Hepatitis B Tijdens Chirurgie

Explosieve Studies Van Universe'S Expansion Win Nobelprijs Voor Natuurkunde
Explosieve Studies Van Universe'S Expansion Win Nobelprijs Voor Natuurkunde


WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com