Kaltgeformten Stahl baut erdbebensichere Architektur

Behind the Scenes Artikel wurde LiveScience in Zusammenarbeit mit der National Science Foundation zur Verfügung gestellt.

Wissenschaft und Wirtschaft arbeiten in eine neue Anstrengung Erdbeben-fähige Gebäude zu konstruieren. Der Aufwand am Johns-Hopkins-Universität zielt darauf ab, design und testen Sie eine einheitliche Struktur in erster Linie aus kaltgeformten Stahl, ein Material, das in Hochbauprojekte in den letzten 25 Jahren boomte hat gebaut.

Mit Mitteln aus der National Science Foundation, half JHU Maschinenbau-Professor Benjamin Schafer zusammen zu bringen, dass ein Team aus Branchenexperten, Professoren, Studenten und die gelegentliche Gymnasium oder Bachelor-Student Sehnsucht nach Forschungserfahrung experimentelle und rechnerische seismische Untersuchungen über kaltgeformten Stahl-Komponenten zusammen.

Die ersten Industrie-Standards und Codes für kaltgeformten Stahl wurden 1946 geschrieben und basieren zumeist auf empirischen Daten, in vielen Fällen zugrunde liegende Theorie fehlt. Wenn Ingenieure versuchen, ein Gebäude erdbebensicher machen, verwenden sie bestimmte strukturelle Komponenten, entsprechend genannt Details, um Erdbeben Kräfte und Hilfe zu absorbieren direkter einige jener Kräfte zurück auf den Boden.

Das funktioniert, aber wenn ein Erdbeben erschüttert, das gesamte Gebäude reagiert, nicht nur die Bereiche mit Details. Obwohl wissenschaftlicher Forschung zu Verbesserungen an den ursprünglichen Bauvorschriften im Laufe der Jahrzehnte geführt hat, gibt es viel über das gesamte System eines kaltgeformten Stahl Gebäudes erlernt werden, wie es auf ein Erdbeben reagiert.

"Wenn Sie eine große Wissenslücke haben, müssen Sie eine Gefahr-Lücke", sagt Schäfer. Um die Lücke zu füllen, sind er und seine Mitarbeiter Tests und Analyse einzelne Komponenten einer kaltgeformten Stahl Struktur und nehmen, was sie erfahren Sie mehr über jedes Stück eine groß angelegte Gebäude zu entwerfen, die drei Stufen der Shake Tabelle Tests unterzogen werden. Die Tests werden im Jahr 2013 bei der NSF-Network for Erdbeben Engineering Simulation (NEES) Website an der Universität von Buffalo in New York auftreten und sind Teil des NEES größeren Forschungsanstrengungen.

Kaltgeformten Stahl im Labor

Kaltgeformten Stahl ist leicht und strahlt wie Aluminium, da sie eine verzinkten Beschichtung besitzt. Kara Peterman, dritten Jahr Doktorand am Projekt, beschreibt es als "Stahl, der durch eine lange Reihe von Maschinen in ein dünnes Blech gerollt, dann wie Origami in eine gewünschte Form gebogen."

Mit jeder Form, jeder gemacht bei Raumtemperatur (daher der Name kalt umgeformten), die Eigenschaften des Stück ändern, verbessern die Eigenschaften des Stahls. Kleine Optimierungen haben das Potential zur Steigerung der Stahl Stärke, wodurch eine Komponente effizienter als es vorher war. Zum Beispiel, wenn ein 8-Fuß hohen Stahlblech in u-Form mit zwei 90 Grad Kurven umgewandelt wird, wird es ein Gestüt, die zehntausend Pfund der Belastung standhalten. Der Strahl konnte fünf Volkswagen Käfer tragen – jeweils etwa zweitausend Pfund – dennoch es leicht genug für Peterman ist zu heben.

Peterman arbeitet mit einer zweiten Doktorand, Peng Liu, zu beurteilen, wie die einzelnen kaltgeformten Stahl Komponenten Lasten tragen. Sie hat Komponenten wie Strahl-Spalten und lokale Verbindungen im JHU Labor getestet und im vergangenen Sommer, sie Wand-zu-Boden-Verbindungen getestet. Liu, Besuch Northeastern University Ph.d. Student aus China, wurde die Durchführung Experimente auf Wandscheiben, die speziell hergestellt werden, um seitliche Kräfte zu widerstehen. Er absolvierte seine Prüfung in einer Anlage an der University of North Texas. Liu auch analysiert und interpretiert die Rohdaten, die seine Experimente ergeben haben.

Peterman und Liu Relais sehr spezifischen Informationen zu Jiazhen Leng, Ph.d. Student bei JHU, wer kann dann eine sehr detaillierte Gebäudemodell komponentenweise, code mit OpenSees-OpenSource-Gebäude-Analyse-Software. Mit dem 3-d-Modell im Ort hat er die Fähigkeit, verschiedene Analysen durchzuführen. Im Gegenzug informiert seine analytischen Daten Vorhersagen für experimentelle Arbeit, insbesondere der 2013 Full-Scale-Test. Die Arbeit, die die Studenten durchführen kommt voller Kreis miteinander zu verbinden.

Das große blau-Baby

In den Eingeweiden der Latrobe Hall, die hoch-und Tiefbau Gebäude auf dem Campus JHU wohnt Big Blue Baby, auch bekannt als Multi-Achs strukturellen Test Rig. Schafer Forschungsgruppe, die die Maschine entworfen, ist stolz auf die Tatsache, dass es nur eine andere wie es in den Vereinigten Staaten (an der University of Minnesota, ebenfalls Teil des Netzwerks NEES.) Der Körper ist aus warmgewalzten Stahl gefertigt und das Gehirn ist ein Computer, der eine Hydraulikpumpe antreibt. Das System sitzt in der Mitte des beengten Lab, wo schwarze elektrische Leitungen schlängeln sich entlang dem Boden gegenüber anderen, kleineren Systemen. Reihen von Wänden, hausgemacht, lehnen sich an den hinteren Teil des Raumes mit Stapeln von Mantel und Stahl an der Front.

"Im Vergleich zu den Einrichtungen des NEES, ist unser Zimmer klein," gesteht Peterman. "Aber wir haben viel aus diesem Labor bekommen – gute Ergebnisse, große Publikationen und große Veränderungen zu den Codes."

Experimente sind Großversuche von Kleinteilen, weil es fast unmöglich, jedes Verhalten zurückzuschrauben. Die Big Blue Baby können halten eine Standardwand in seinem Bauch und Lasten mit hydraulischen Antrieben, die aussehen wie Dicke, schwarze Tentakel anwenden. Was diese Maschine einzigartig macht, ist seine Fähigkeit, gleichzeitiger Belastung durchzuführen. Der Stempel kann kommen, gerade nach unten, drehen von zwei verschiedenen Seiten, oder Stress aus mehreren Richtungen gleichzeitig anwenden.

Die meisten Strukturen erleben unterschiedlicher Belastung aus mehreren Richtungen, also der Big Blue Baby engineering reale Situationen simuliert. Die häufigste Art der Belastung wird die axiale Belastung, Gewicht, das an einer Wand aufgrund der Schwerkraft direkt nach unten kommt genannt – glaube, Möbel oder Schnee. Es gibt rote Notruftaster rund um das Rig nur für den Fall, dass die dreißig tausend Pfund Baby beschließt, einen Wutanfall zu werfen und es offline geschaltet werden muss.

Die 2013 Shake-Tabelle-Tests

Robert Madsen, Senior Projekt-Ingenieur bei Devco Engineering, Inc., ist die primäre Verbindung zwischen Forschung und Industrie. Im Vorfeld der 2013 Großversuche, gibt es ein treffen alle drei Monate zwischen der Wissenschaft und einer größeren Industrie-Beirat für Updates von beiden Seiten. Madsen bot das bebaubare Design für das 2013-NEES-Gebäude, das die Studenten auf Komponentenebene charakterisiert haben.

Der Plan ist, ein zweistöckiges Gebäude, 50 Fuß durch 23 Fuß innerhalb der kolossalen NEES Buffalo-Lab zu konstruieren. Das Gebäude wird auf dual Shake Tischen sitzen, die verknüpft werden soll. Der Büffel Gebäude durchläuft schütteln Tabelle Tests in drei großen Etappen: die ersten werden als ein Stahlskelett; die zweite Stufe umfasst nur Wände und andere strukturelle Komponenten, denen Ingenieure derzeit stützen; und die dritte Stufe ist eine komplette Struktur gebaut, Standard- und bereit, bewohnt zu werden.

Stichwort Narutoshi Nakata, Co Prinzip Ermittler von JHU, bringt seine Expertise in Rütteltisch Test und Performance-Evaluierung. Um sinnvolle und nützliche Ergebnisse zu erzielen, muss Nakata bestimmen die richtige Anzahl von Sensoren auf dem Tisch, ihre Standorte und was sie messen. Er muss auch entscheiden, welche Art von Bodenbewegungen in der Tabelle wie schnell im Vergleich zu langsam, produzieren, und die Zahl der Szenarien zu erlassen. Basierend auf Lengs 3D-Modells und analytische Tests, Nakata schafft die mathematischen Modelle der Erdbeben, die die Rütteltisch generieren, und wird schließlich zu analysieren, wie die Struktur dynamisch reagiert. Eines der Szenarien ist eine Reproduktion des Northridge-Erdbeben von 1994 — als eine gut aufgenommene, historische Los Angeles Erdbeben mit einer Magnitude von 6,7, es ist weit verbreitet für Simulationsexperimente.

Unmittelbare Auswirkungen

Schafer engagiert sich High School und Studenten in das Projekt zu versorgen mit praktischer Erfahrung schon sehr früh in ihrer Karriere. Schülerinnen und Schüler kommen oft aus Baltimore Polytechnic Institute, einer Privatschule Baltimore City, das einen Forschung Praktikum Kurs, die diejenigen eingeschrieben anbietet um zu freiwilliger bei JHU Labor ein paar Stunden pro Woche erlaubt. Die neuesten freiwillige war von Garrison Wald High School, eine Private Mädchenschule in Owings Mills, MD., benötigt der Student für ein bestimmtes Forschungsvorhaben abzuschließen, die, das Sie am Ende des Semesters präsentieren konnte. Mit Petermans Anleitung hatte die Schüler die Gelegenheit, Verbindung testen Variablen zu erkunden.

Das Team versucht auch, junge College-Studenten engagieren, weil Forschung in der Regel keine Möglichkeit haben sie, bis sie Junioren und Senioren sind. Nach dem passieren einer Probezeit um ihr Interesse zu beweisen, nahm dies zwei Studenten im vergangenen Sommer: derjenige, der gerade sein Neulingjahr, andererseits ihrem zweiten Jahr.

Das größere Bild

Die Ostküste ist, zwar nicht oft in den Nachrichten für Erdbeben Schafer, erklärt "Erdbeben sind selbstverständlich zurück, egal wo Sie leben. Sie kommen schneller in Kalifornien, aber wenn Sie ein Gebäude zu entwerfen und Sie erwarten, dass es für 20, 50 oder 100 Jahre bestehen, Sie gehen in die Codes und du wirst sehen, dass Sie in den USA sind fast überall, du wirst müssen für Erdbeben entwerfen."

Schafer bleibt Gefahren, um Auswirkungen auf Grundlagenwissen und US-Praxis zu ändern. "Wenn ein Ingenieur gewusst hätte, wie das ganze System reagiert," fügt er hinzu, "anstatt nur ein kleines bisschen, dann wären in der Lage, das gesamte Gebäude Erdbeben bereit sein zu entwerfen."

Anmerkung der Redaktion: Dargestellt, die Forscher in Behind the Scenes Artikel von der National Science Foundation, der Bundesagentur mit der Finanzierung von Grundlagenforschung und Ausbildung in allen Bereichen der Wissenschaft und Technik unterstützt wurden. Meinungen, Erkenntnisse und Schlussfolgerungen oder Empfehlungen ausgedrückt in diesem Material sind die des Autors und spiegeln nicht unbedingt die Ansichten von der National Science Foundation. Sehen den Blick hinter die Kulissen Archiv.