science >> Wetenschap >  >> Elektronica

Paradigmaverschuiving nodig voor ontwerpen tsunami-resistente bruggen

De Akashi-Kaikyo-brug in Japan, 's werelds langste ophangoverspanning. Krediet:Wikipedia

onderzoekers, waaronder twee wetenschappers van de Oregon State University, stellen in een nieuwe studie dat een paradigmaverschuiving nodig is om het tsunami-risico van bruggen te beoordelen.

De studie, gedeeltelijk gemotiveerd door honderden bruggen die zijn verwoest tijdens recente tsunami's voor de kust van Japan en in de Indische Oceaan, bevordert het begrip van de fysica die aan het werk is wanneer een tsunami tegen een brug slaat - waardoor de deur wordt geopend voor het ontwerpen van kustoverspanningen die beter bestand zijn tegen overstroming door de gigantische golven.

De onderzoekers zeggen dat het niet voldoende is om alleen te denken in termen van de totale tsunami-belasting op een brug - er moet ook rekening worden gehouden met de belasting van de individuele structurele componenten van de brug.

In de afgelopen 15 jaar, grote aardbevingen waarvan het epicentrum zich in de oceaan voor de kusten van Japan en Indonesië bevond, hebben tsunami's veroorzaakt waarbij meer dan 250 doden vielen, 000 mensen en veroorzaakten meer dan $ 200 miljard aan schade. De schade omvat het wegspoelen of anderszins losraken van honderden bruggen, met de nadruk op de noodzaak om de onderliggende fysica van de golfeffecten beter te begrijpen.

Het onderzoek, gepubliceerd in de Journal of Marine Science and Engineering , omvatte de bouw van een 1:5 schaalmodel van een open liggerbrug aan de Universiteit van Nevada-Reno.

Het voltooide model werd vervolgens verscheept naar OSU voor testen in de O.H. Hinsdale Wave Research Laboratory's grote golfgoot, die 104,24 meter lang is, 3,66 meter breed en 4,57 meter diep.

"Alle structurele details waren inbegrepen, zoals stalen liggers en een betonnen dek dat de rijbaan voorstelt, " zei laboratoriumdirecteur Pedro Lomonaco, een studie co-auteur. "De brug was volledig geïnstrumenteerd om druk te meten, krachten en versnellingen van de brug terwijl we een reeks tests uitvoerden op de impactkrachten van tsunami-golven."

De golven oefenen zowel horizontale als verticale krachten uit, en de resultaten toonden aan dat die twee maxima niet noodzakelijkerwijs tegelijkertijd voorkomen. Dat is een belangrijke bevinding gezien het heersende denken.

"In tegenstelling tot de aanbevolen praktijk, gelijktijdig toepassen van maximale horizontale kracht en maximale verticale kracht op het zwaartepunt van het brugdek laat geen conservatieve schatting van de opwaartse kracht toe voor individuele verbindingen tussen structurele componenten, " zei co-auteur Solomon Yim van het OSU College of Engineering.

De meeste onderzoeken tot nu toe, Yim en Lomonaco opmerking, totale belasting hebben onderzocht en niet de spanning op individuele liggers, dek kamers, lagers en verbindingen.

"Het breken van de lagerverbindingen was het belangrijkste type brugschade dat werd gezien bij recente tsunami's, waaruit blijkt dat het van cruciaal belang is om te kwantificeren wat de tsunami met deze componenten doet en de onderliggende fysica te ontcijferen, " zei Yim. "Onze studies onthullen een complex overstromingsmechanisme van de brug dat bestaat uit drie opwaartse fasen en één neerwaartse fase, waarbij elke fase de vraag in verschillende structurele componenten maximaliseert."

Yim, Lomonaco en medewerkers van Nevada-Reno ontwikkelden een nieuwe, op fysica gebaseerde methodologie die ingenieurs kunnen gebruiken om brugverbindingen te ontwerpen, stalen lagers en kolommen om tsunami's beter te weerstaan.

De verticale en horizontale stijfheid van de modelbrug aanpassen, ze ontdekten dat de overdracht van de krachten op de ondersteunende onderconstructie aanzienlijk veranderde.

"De hoge druk die zich onder de brug ontwikkelde, speelde een belangrijke rol voor de stabiliteit van de brug, en verschillende mitigerende maatregelen werden getest, van het dichten van de openingen tussen de liggers tot het inbouwen van ventilatie op het betonnen dek, " Zei Lomonaco. "De experimenten creëerden een uitgebreide database voor ontwerprichtlijnen en ontwikkeling en validatie van computationele modellering. De bevindingen van deze en toekomstige studies over de interactie van bruggen en tsunami's kunnen direct worden toegepast bij het ontwerp en de renovatie van bruggen. Bijvoorbeeld, het effect van ontluchting om de ontwikkeling van hoge onderdrukken te verminderen."

Ian Buckle en afgestudeerde student Denis Istrati van de Nevada-Reno leidden de studie, die werd gesteund door de Federal Highway Administration, en het Oregon Department of Transportation.

"Ian Buckle is een expert in het ontwerpen van bruggen en grootschalige experimenten, "Zei Yim. "Tsunami-impactladingen zijn meer van mijn en Pedro's gebied. Dit werk bracht de expertise van UNR en OSU samen."