Intelligente Materialien verbessern erdbebensicher Brücke Design

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

Brücken sind ein wesentlicher Bestandteil der Verkehrsinfrastruktur, wie wir es heute kennen. Es gibt nicht weniger als 575.000 Autobahnbrücken bundesweit und über $ 5 Milliarden pro Jahr aus dem Bundeshaushalt für die Reparatur der Brücke zugeordnet sind.

In den letzten paar Jahrzehnten wurde zunehmende seismischen Aktivität auf der ganzen Welt als eine drohende Gefahr, die Kraft und Wohlbefinden unserer Brücken festgestellt. Erdbeben haben zahlreiche Brücke zusammenbricht, unter anderem in den USA, Japan, Taiwan, China, Chile und der Türkei geführt. Daher müssen wir Wege finden, um seismische Auswirkungen auf Brücken, sowohl durch Verbesserung der vorhandenen Brücken und Veredelung von Spezifikationen und Baumaterialien für zukünftige Brücken zu minimieren.

Ein Großteil der Brücken bestehen aus Stahl und Beton. Während diese Kombination bequem und wirtschaftlich ist, Stahl-Beton-Brücken nicht halten auch bei starken Erdbeben (Stärke 7,0 oder höher). Konventionelle verstärkte Spalten setzen auf Stahl und Beton, während starke Erdbeben, potenziell schaffen bleibende Verformungen und Schäden in der Spalte und der Spalte unbrauchbar Energie zu zerstreuen.

Unter Erdbeben Belastung ermöglichen Ingenieure für Schäden in Spalte Scharniere zu zerstreuen Energie und total Brücke Zusammenbruch zu verhindern. Während diese Praxis weit angenommen wird, können die Auswirkungen der Scharnier Schäden Disaster-Recovery-Vorgänge stören und haben eine große wirtschaftliche Bedeutung für die Gemeinschaft.

Mit Mitteln aus der National Science Foundation und NSF George E. Brown, Jr. Netzwerk für Engineering Erdbebensimulation, Bauingenieur M. Schneider Saiidi von der University of Nevada, Reno und seine Kollegen haben entdeckt, eine Lösung. Sie haben mehrere intelligente Materialien als Alternative zu Stahl und Beton in Brücken identifiziert.

Formgedächtnislegierungen sind einzigartig in ihrer Fähigkeit, schwere Belastung ertragen und immer noch zurück in ihren ursprünglichen Zustand, entweder durch Heizung oder Superelasticity. SMAs demonstrieren die Fähigkeit, neu zentrieren Brücke Spalten, die welche die ständige Neigung minimiert, die Spalten nach einem Erdbeben erleben können.

Nickel-Titan oder Nitinol, der Formgedächtnislegierung getestet im UNR-Projekt hat eine einzigartige Fähigkeit selbst unter SMAs. Während die meisten des SMAs nur temperaturempfindliche, was bedeutet, dass sie eine Wärmequelle in ihre ursprüngliche Form zurück verlangen, ist Nitinol superelastic. Dies bedeutet, dass es kann den Stress durch ein Erdbeben verhängt absorbieren und wieder in seine ursprüngliche Form, wodurch Nitinol eine besonders vorteilhafte Alternative zu Stahl. In der Tat ist der Superelasticity aus Nickel-Titan zwischen 10 bis 30 Mal die Elastizität der normalen Metallen wie Stahl.

Viele von uns kennen Nickel-Titan von unseren flexiblen Rezept Brillengestelle. Das Material erlaubt Frames, um leicht in ihre ursprüngliche Form zurückkehren, nachdem in jede Richtung gebogen werden. Nickel-Titan-Anwendungen sind sehr vielfältig, mit Anwendungen, die von Medizin zu Wärmekraftmaschinen, Geräte und sogar Spielzeugneuheiten heben – und jetzt, engineering-Erdbeben.

Die Forscher analysierten zur Bewertung der Leistung von Nickel-Titan Stahlbetonbrücken, drei Arten von Brücke Spalten: traditionelle Stahl und Beton, nickel, Titan und Beton, und nickel-Titan und entwickelt zementgebundene Verbundwerkstoffe, die Zement, Sand, Wasser, Ballaststoffe und Chemikalien enthalten. Erstens sie modelliert und testeten die Spalten in OpenSEES, ein Erdbeben-Simulations-Programm an der University of California, Berkeley entwickelt. Zu guter Letzt sie montiert und getestet die Spalten auf dem Rütteltisch UNR NEES.

Zur Stärkung des Betons und sofortigen Ausfall bei einem Erdbeben zu verhindern, verwendeten die Forscher die Shake-Tische, um Glas und Carbon-Faser-verstärktem Polymer Composites zu testen. Beide Composites deutlich verstärkt die verstärkenden Eigenschaften des Betons und die Spalten widerstanden starkes Erdbeben mit Bagatellschäden.

'adTagUrl':'http://pubads.g.doubleclick.net/gampad/ads?sz=640x480&cust_params=frmt%3D0%26frmt%3D1%26frmt%3D22%26plID%3D91ac0f6dcbdf466c84659dbc54039487%26ttID%3D0wZjRhcToukDXwn5BkUC71RRmcUtmv7x%26pos%3Dpreroll%26cue%3Dpre%26cgm%3D0&cmsid=1849&iu=%2F10518929%2Ftmn.sdc&ciu_szs=728x90,300x250&impl=s&gdfp_req=1&env=vp&output=xml_vast2&unviewed_position_start=1&url=[referrer_url]&correlator=[timestamp]&overlay=1&vid=[oo_embedcode]'
},
});

Die Ergebnisse der Modellierung und schütteln Tabelle Tests waren äußerst vielversprechend. Die Nickel-Titan/ECC-Brücke-Spalten besser als die traditionellen Stahl und Beton Spalten auf allen Ebenen, Begrenzung der Höhe der Schäden, die die Brücke unter starken Erdbeben voranzubringen, zu überbrücken.

Während die Anschaffungskosten einer typischen Brücke aus Nickel-Titan und ECC etwa 3 Prozent höher als die Kosten einer konventionellen Brücke wäre, würde die Brücke Lebenszeit Kosten zu senken. Nicht nur die Brücke erfordert weniger Reparatur wäre auch wartenden bei moderaten und starke Erdbeben. Infolgedessen würde nach einem starken Erdbeben, die Brücke für Einsatzfahrzeuge und anderen Verkehr offen.

Über den Autor: Misha Raffiee ist ein Sophomore Undergraduate am California Institute of Technology, aber sie begann die Arbeit mit UNR auf die NSF/NEES 4-Span Bridge Project nach ihrem Abschluss von der High School im Alter von 15. Als ein undergraduate Research Fellow erhielt Raffiee die Gelegenheit, ihre eigene ergänzende Forschung, eine Machbarkeitsstudie für Kupfer-Basis Formgedächtnislegierungen und ECC zu dirigieren. Kupfer-basierten SMAs, wie z. B. Kupfer-Aluminium-Beryllium, derzeit in der Forschungs- und Entwicklungsphase sind voraussichtlich kostengünstiger als andere Formgedächtnislegierungen, wie Nickel-Titan sein. Mit Computersimulationen und Tests in OpenSEES mit den Ergebnissen aus der Nickel-Titan-verstärkte konkrete läuft, konnte Raffiee die Leistung einer einzigartigen CuAlBe und ECC-Spalte (RCE) zu bewerten. Sie präsentierte ihre Erkenntnisse beim Symposium der NSF Young Researcher an der University of Illinois, Urbana-Champaign und später half bei Präsentationen von Nickel-Titan-verstärkte Betonstütze Projekt bei einer NSF-Schaufenster-Veranstaltung im Senat Vereinigten Staaten statt. Raffiee schreibt die Erfahrung als ein NSF/NEES Undergraduate Research Fellow mit ihr als Forscher und als Gelehrter, festigen ihre postgradualen Bestrebungen wachsen zu helfen.

Anmerkung des Herausgebers : Die Forscher in Behind the Scenes Artikel dargestellt wurden unterstützt von der National Science Foundation, der Bundesagentur mit der Finanzierung von Grundlagenforschung und Ausbildung in allen Bereichen der Wissenschaft und Technik beauftragt. 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.