Paradigmeskift er nødvendigt for at designe tsunami-resistente broer

Forskere, inklusive to Oregon State University-forskere, hævder i en ny undersøgelse, at der er behov for et paradigmeskifte for at vurdere broers tsunamirisiko.

Studiet, til dels motiveret af hundredvis af broer, der blev ødelagt under de seneste tsunamier ud for Japans kyst og i Det Indiske Ocean, fremmer forståelsen af ​​fysikken på arbejde, når en tsunami slår ind i en bro - hvilket åbner døren til at designe kystspænd, der bedre er i stand til at modstå oversvømmelser fra de gigantiske bølger.

Forskerne siger, at det ikke er nok bare at tænke i den samlede tsunamibelastning på en bro - belastningen på broens individuelle strukturelle komponenter skal også overvejes.

I løbet af de sidste 15 år, store jordskælv, hvis epicentre var i havet ud for Japans og Indonesiens kyster, har forårsaget tsunamier, der dræbte mere end 250, 000 mennesker og forårsagede mere end 200 milliarder dollars i skade. Skaden omfatter bortvaskning eller på anden måde løsrivelse af hundredvis af broer, understreger behovet for bedre at forstå bølgepåvirkningernes underliggende fysik.

Forskningen, offentliggjort i Journal of Marine Science and Engineering , involverede konstruktionen af ​​en model i skala 1:5 af en bro med åben bjælke ved University of Nevada-Reno.

Den færdige model blev derefter sendt til OSU til test i O.H. Hinsdale Wave Research Laboratory's Large Wave Flume, som er 104,24 meter lang, 3,66 meter bred og 4,57 meter dyb.

"Alle strukturelle detaljer var inkluderet, som ståldragere og et betondæk, der repræsenterer kørebanen, " sagde laboratoriedirektør Pedro Lomonaco, en studie medforfatter. "Broen var fuldt instrumenteret til at måle tryk, broens kræfter og accelerationer, da vi udførte en række tests på tsunamibølgernes stødkræfter."

Bølgerne udøver både vandrette og lodrette kræfter, og resultater viste, at disse to maksimum ikke nødvendigvis forekommer på samme tid. Det er et vigtigt fund i betragtning af den herskende tankegang.

"I modsætning til den anbefalede praksis, Samtidig påføring af maksimal vandret kraft og maksimal vertikal kraft ved brodækkets tyngdepunkt giver ikke mulighed for et konservativt hævningsestimat for individuelle forbindelser mellem strukturelle komponenter. " sagde medforfatter Solomon Yim fra OSU College of Engineering.

De fleste undersøgelser til dato, Yim og Lomonaco noter, har undersøgt den samlede belastning og ikke belastningen på de enkelte dragere, dækskamre, lejer og forbindelser.

"Brydningen af ​​lejeforbindelserne var den vigtigste type broskader set i de seneste tsunamier, viser, at det er afgørende at kvantificere, hvad tsunamien gør ved disse komponenter og dechifrere den underliggende fysik, " sagde Yim. "Vores undersøgelser afslører en kompleks brooversvømmelsesmekanisme, der består af tre opløftningsfaser og en nedadgående fase, med hver fase, der maksimerer efterspørgslen i forskellige strukturelle komponenter."

Yim, Lomonaco og samarbejdspartnere i Nevada-Reno udviklede en ny, fysikbaseret metodik, som ingeniører kan bruge til at designe broforbindelser, stållejer og søjler for bedre at kunne modstå tsunamier.

Ændring af modelbroens lodrette og vandrette stivhed, de fandt, at overførslen af ​​kræfterne til den understøttende underkonstruktion ændrede sig væsentligt.

"Det høje tryk, der udviklede sig under broen, spillede en væsentlig rolle for broens stabilitet, og forskellige afværgeforanstaltninger blev testet, fra at lukke mellemrummene mellem dragerne til at inkorporere udluftning på betondækket, " sagde Lomonaco. "Eksperimenterne skabte en omfattende database for designretningslinjer og udvikling og validering af beregningsmodeller. Resultaterne af denne og kommende undersøgelser om samspillet mellem broer og tsunamier kan anvendes direkte i design og eftermontering af broer. For eksempel, effekten af ​​udluftning for at reducere udviklingen af ​​højt undertryk."

Ian Buckle og kandidatstuderende Denis Istrati fra Nevada-Reno ledede undersøgelsen, som blev støttet af Federal Highway Administration, og Oregon Department of Transportation.

"Ian Buckle er ekspert i brodesign og store eksperimenter, " sagde Yim. "Tsunami-påvirkningsbelastninger er mere af mit og Pedros område. Dette arbejde satte UNR's og OSU's ekspertise sammen."