การผสมผสานระหว่างเทคโนโลยีการยึดพื้นและสะพานช่วยปรับปรุงผลกระทบจากแผ่นดินไหวได้อย่างมาก

การผสมผสานระหว่างเทคโนโลยีการยึดพื้นและสะพานช่วยปรับปรุงผลกระทบจากแผ่นดินไหวได้อย่างมาก:

แผ่นดินไหวเป็นอันดับหนึ่งในบรรดาภัยธรรมชาติทั้งหมดเนื่องจากความฉับพลันและพลังทำลายล้าง

เมื่อเกิดภัยพิบัติแผ่นดินไหว ความเสียหายของสะพานในพื้นที่แผ่นดินไหวหมายถึงการหยุดชะงักของเส้นชีวิตซึ่งเป็นอุปสรรคโดยตรงต่อความคืบหน้าของการดำเนินการบรรเทาภัยพิบัติ เพิ่มการสูญเสียชีวิตและทรัพย์สินและความสูญเสียทางเศรษฐกิจโดยอ้อม และทำให้ยากต่อการฟื้นตัว และการฟื้นฟูหลังภัยพิบัติ

แผ่นดินไหวจะสร้างความเสียหายให้กับสะพานได้อย่างไร?

เวลาและสถานที่เกิดแผ่นดินไหวนั้นคาดเดาไม่ได้ และมีลักษณะเฉพาะของระยะเวลาอันสั้นและการปล่อยพลังงานที่รุนแรง อันตรายจากแผ่นดินไหวที่สะพานส่วนใหญ่ประกอบด้วยสี่ด้านต่อไปนี้:

(1) การพังทลายของโครงสร้างชั้นสูง: ปรากฏการณ์คานตกลงมาที่เกิดจากความล้มเหลวของตัวเชื่อมต่อที่รองรับหรือความล้มเหลวของโครงสร้างพื้นฐานมักจะเกิดขึ้นในแผ่นดินไหวแบบทำลายล้างซึ่งส่วนใหญ่เกิดขึ้นในทิศทางของสะพาน (หมายถึงทิศทางของแกนกลางของ สะพาน).

2) ความเสียหายของคอนเนคเตอร์รองรับ: ส่วนรองรับบริดจ์ ข้อต่อขยาย คีย์เฉือน คอนเนคเตอร์ที่รองรับ ฯลฯ ถือเป็นจุดอ่อนในระบบโครงสร้างบริดจ์ที่มีประสิทธิภาพการไหวสะเทือนที่ค่อนข้างต่ำ

รูปแบบความล้มเหลวของการรองรับนั้นส่วนใหญ่แสดงออกมาเป็นการเคลื่อนที่ของส่วนรองรับ, การดึงสลักเกลียวออกจากสมอ, การตัด, การตัดส่วนรองรับแบบแอคทีฟและการทำลายโครงสร้างของตัวรองรับ

(3) ฐานรากและเสาเสียหาย: หากเสาท่าเรือเสียหาย ความสามารถของสะพานในการทนต่อแผ่นดินไหวจะอ่อนลงและเกิดการพังทลาย

ความเสียหายจากแผ่นดินไหวของตัวค้ำยันพบได้บ่อยในแผ่นดินไหว เนื่องจากสูญเสียความสามารถในการรองรับแบริ่งของฐานราก ฯลฯ ที่เกิดจากการเลื่อนของตัวค้ำยัน ความเสียหายจากการชนกันระหว่างแท่นกับโครงสร้างส่วนบน และความลาดเอียงของหลักค้ำยัน

เทคโนโลยีคลื่นไหวสะเทือนแบบสะพานใหม่ที่ให้ประสิทธิภาพการไหวสะเทือนที่ยอดเยี่ยม

มีผู้เสียชีวิตมากกว่า 1 ล้านคนจากแผ่นดินไหวขนาด 1,800 แมกนิจูด 5 หรือมากกว่าที่บันทึกทั่วโลกตั้งแต่ปี 2000 สะพานเป็นส่วนที่เปราะบางที่สุดในเครือข่ายการขนส่งเมื่อเกิดแผ่นดินไหว ขัดขวางการตอบสนองฉุกเฉิน ภารกิจค้นหาและกู้ภัย และการส่งมอบความช่วยเหลือเพิ่มขึ้น จำนวนผู้เสียชีวิตที่อาจเกิดขึ้น

ในขณะที่วิศวกรได้ออกแบบโครงสร้างที่สามารถทนต่อแรงธรรมชาติที่ทำลายล้างได้ เช่น พายุไต้ฝุ่นรุนแรง แผ่นดินไหวร้ายแรง เช่น แผ่นดินไหวในเฮติ 2010 (เสียชีวิตมากกว่า 310,000 ราย) หรือแผ่นดินไหวที่มหาวิทยาลัย Tohoku ในปี 2011 ในญี่ปุ่น (มากกว่า 20,{ {5}} รายเสียชีวิต) ยังคงเป็นความท้าทาย

เพื่อลดผลกระทบจากแผ่นดินไหวครั้งใหญ่ ทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีซิดนีย์ (UTS) ได้พัฒนาแอปพลิเคชันที่ใช้จุดยึดพื้นเป็นระบบต้านทานแผ่นดินไหวหลักในการปกป้องสะพานจากแผ่นดินไหวครั้งใหญ่

แม้จะมีการใช้รหัสการออกแบบที่เข้มงวดทั่วโลกและความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีในการออกแบบคลื่นไหวสะเทือนและการป้องกันโครงสร้าง จำเป็นต้องดำเนินการเพิ่มเติมเพื่อลดอัตราการตายและความสูญเสียทางการเงิน

สิ่งที่สำคัญเป็นพิเศษคือความจริงที่ว่าการขยายตัวของเมืองอย่างรวดเร็วได้สร้างความเข้มข้นของประชากรที่สูงขึ้นในพื้นที่ที่มีคลื่นไหวสะเทือน เช่น ญี่ปุ่นและอินโดนีเซีย โดยมีประชากรบันทึกไว้ว่า 230000 ในประเทศหลังเกิดแผ่นดินไหวในปี 2547

รองศาสตราจารย์ฟาตาฮีและทีมของเขาได้พัฒนาแบบจำลองคอมพิวเตอร์สามมิติขั้นสูงที่สามารถจำลองและประเมินความยืดหยุ่นของแผ่นดินไหวของสะพานที่ทอดสมอซึ่งได้รับผลกระทบจากแผ่นดินไหวครั้งใหญ่ที่สุดของโลก

การวิจัยพบว่าการรวมเทคโนโลยีการยึดพื้นกับสะพาน การใช้เหล็กเส้นที่มีความแข็งแรงสูงหลายเส้นที่ยึดเข้ากับชั้นหินสามารถให้ประสิทธิภาพการไหวสะเทือนของสะพานที่ดีเยี่ยม เป็นที่ทราบกันดีว่าในกรณีของการรวมคานของเสา การเคลื่อนตัวของโครงสร้างส่วนบนของสะพานจะสร้างความเสียหายอย่างร้ายแรงต่อสะพานและแม้กระทั่งพังทลายลงหลังจากการก่อตัวของบานพับพลาสติกในบริเวณส่วนโค้ง สะพานที่ไม่รวมกันจะส่งผลให้คานตกลงมา

สะพานประเภทอื่นๆ เช่น สะพานเอียง จะทำให้เกิดการหมุนและการแยกตัวของโครงสร้างบนสุดของสะพาน ทำให้โครงสร้างบนสุดของสะพานหลุดออกจากส่วนรองรับและทำให้เกิดความเสียหายกับตัวค้ำ ดังที่เกิดขึ้นในแผ่นดินไหวที่ชิลีปี 2010 นอกจากนี้ การเคลื่อนตัวของโครงสร้างส่วนบนของสะพานจะนำแรงเฉือนและโมเมนต์ดัดที่มากขึ้นมาสู่โครงสร้างพื้นฐานของสะพาน ส่งผลให้จำเป็นต้องเพิ่มส่วนตัดขวางของตำแหน่งที่สอดคล้องกันเพื่อรองรับความต้องการของแผ่นดินไหวขนาดใหญ่

ในปัจจุบัน วิศวกรสะพานใช้แดมเปอร์ที่มีความหนืด ตัวยึดสายเคเบิล และโลหะผสมหน่วยความจำรูปทรงราคาแพงเพื่อลดการเคลื่อนตัวของโครงสร้างส่วนบนของสะพานจากแผ่นดินไหว ระบบเหล่านี้จำกัดการเคลื่อนที่ของโครงสร้างส่วนบนโดยการถ่ายโอนแรงตามแนวแกนจำนวนมากไปยังตอม่อหรือหลักค้ำยัน ส่งผลให้ข้อกำหนดด้านแผ่นดินไหว รูปทรง และต้นทุนเพิ่มขึ้น

หลักการออกแบบโครงสร้างใหม่ที่กล่าวถึงในบทความนี้คือการยึดโครงสร้างเสริมในชั้นดินแข็งด้านหลังตัวค้ำโดยผ่านจุดยึดพื้นหลายจุดอย่างมีประสิทธิภาพ และแรงแผ่นดินไหวจะถูกส่งไปยังชั้นดินผ่านระบบจุดยึดสายดินที่เป็นเกลียวเหล็ก ซึ่ง สามารถจำกัดการเลื่อนไปมาของโครงสร้างส่วนบนของสะพานได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ใน "Isolated Segmented Cantilever Bridge Protection" ที่ตีพิมพ์ในวารสาร Soil Dynamics and Seismic Engineering สะพานเดียวกันและอินพุตแผ่นดินไหวเดียวกันถูกนำมาใช้เพื่อเปรียบเทียบผลกระทบของข้อจำกัดแดมเปอร์แบบหนืดและข้อจำกัดของจุดยึดพื้น

ด้วยการสร้างแบบจำลองตัวเลขสามมิติที่ซับซ้อน บทความนี้จึงพิจารณาปฏิสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างกับดิน การก่อตัวของบานพับพลาสติก และความไม่เป็นเชิงเส้นของวัสดุอย่างครอบคลุม การวิเคราะห์ประวัติเวลาแบบไม่เชิงเส้นของสะพานใช้สัญญาณแผ่นดินไหวจากแผ่นดินไหว Northridge ในปี 1994, แผ่นดินไหวที่ San Fernando ในปี 1971, แผ่นดินไหวในโกเบในปี 1995 และแผ่นดินไหว Chi-Chi ในปี 1999 สัญญาณแผ่นดินไหวเหล่านี้สร้างความเสียหายอย่างมากต่อโครงสร้าง

โมเดลจุดยึดกราวด์คำนึงถึงความยาวอิสระและความยาวของจุดยึดของพุก ชิ้นส่วนที่มีความยาวอิสระนั้นจำลองโดยสายเคเบิล และส่วนที่มีความยาวสมอจำลองนั้นจำลองโดยใช้การเชื่อมต่อที่ซับซ้อนมากขึ้นเพื่อแสดงปฏิกิริยาของการอัดฉีดแบบไม่เชิงเส้นกับดิน การจำลองการเลื่อนของตัวยาแนวและการก่อตัวของหินโดยใช้สปริงพลาสติกที่ไม่เป็นเชิงเส้น ผลลัพธ์ที่ใช้ในการประเมิน ได้แก่ การกระจัดตามยาวของโครงสร้างส่วนบนและโมเมนต์ดัดของเสา

ผลการวิจัยพบว่าหลังจากใช้เทคโนโลยีการยึดพื้น โครงสร้างส่วนบนของสะพานทำให้เกิดการกระจัดตามยาว 105 มม. และ 95 มม. ในแผ่นดินไหว Northridge และแผ่นดินไหวโกเบตามลำดับ ในทางตรงกันข้าม ภายใต้แผ่นดินไหวเดียวกัน การเคลื่อนตัวตามยาวของสะพานโดยใช้แดมเปอร์แบบหนืดคือ 2019 มม. และ 1600 มม. ตามลำดับ นอกจากนี้ ภายใต้สัญญาณแผ่นดินไหวโกเบ รูปแบบแดมเปอร์ความหนืดใช้ความต้านทานการดัดงอของสะพาน 90 เปอร์เซ็นต์ ในขณะที่แบบจุดยึดพื้นใช้เพียง 10 เปอร์เซ็นต์

นอกจากข้อดีเชิงโครงสร้างของพุกสมอพื้นแล้ว นักวิจัยยังสังเกตเห็นว่าแดมเปอร์หนืดมีความเสี่ยงที่จะรั่วไหลของซิลิโคน ซึ่งอาจทำให้แดมเปอร์หนืดล้มเหลวโดยสิ้นเชิง จึงต้องตรวจสอบส่วนประกอบอย่างสม่ำเสมอ

เพื่อทดสอบผลกระทบของจุดยึดพื้นต่อประสิทธิภาพการทำงานปกติของสะพาน ผลกระทบที่เกิดจากการหดตัว การคืบคลาน และแรงกดทับจะถูกวิเคราะห์ด้วย การวิเคราะห์ขั้นตอนการก่อสร้างจะพิจารณาเป็นสามขั้นตอน: ช่วงเริ่มต้นของการก่อสร้าง หนึ่งปีหลังจากสร้างเสร็จ และ 30 ปีหลังจากเสร็จสิ้น

ในการวิเคราะห์ขั้นตอนการก่อสร้าง พบว่าสมอภาคพื้นดินมีความแข็งแกร่งเพียงพอที่จะระงับผลกระทบจากแผ่นดินไหวของโครงสร้างส่วนบนของสะพาน ในขณะที่ยังคงความยืดหยุ่นของตัวเอง และจะไม่มีปัญหาความเสียหายจากข้อจำกัด เนื่องจากต้นทุนการก่อสร้างเริ่มต้นของพุกกราวด์ที่ต่ำ ระบบยับยั้งการยึดกับสมอกราวด์จึงมีความคุ้มค่าสูง เทคโนโลยีการยึดกราวด์นั้นหาได้ง่ายและราคาไม่แพงเมื่อเทียบกับระบบที่ต้องการการผลิตเฉพาะทาง เช่น แดมเปอร์แบบหนืด นอกจากนี้ เนื่องจากการมีอยู่ของระบบทอดสมอ ขนาดหน้าตัดของโครงสร้างย่อยจะลดลงอย่างมาก ต้นทุนลดลงอย่างมาก และความต้องการแผ่นดินไหวลดลง ในทางตรงกันข้ามกับแดมเปอร์แบบหนืด ระบบพุกกราวด์ไม่ต้องบำรุงรักษา และไม่ต้องการการตรวจสอบบ่อยครั้งและต่อเนื่องเพื่อรักษาประสิทธิภาพ ประโยชน์เหล่านี้ชี้ให้เห็นว่าระบบการทอดสมอภาคพื้นดินควรถูกมองว่าเป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพสำหรับวิศวกรสะพานทั่วโลก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในประเทศที่ได้รับผลกระทบจากแผ่นดินไหวรุนแรง

ทีมงาน UTS กำลังทำการศึกษาใหม่เพื่อประเมินประสิทธิภาพของการใช้จุดยึดพื้นในสะพานในแนวทแยงเพื่อจำกัดโครงสร้างส่วนบนของสะพาน ทีมวิจัยพบว่าการวางสมอกราวด์ไว้ที่มุมหนึ่งในโครงสร้างส่วนบนของสะพาน มุมการหมุนที่เกิดจากแรงกระแทกของโครงสร้างส่วนบนของสะพานสามารถถูกตอบโต้ด้วยโมเมนต์ที่เกิดจากพื้นดิน การค้นพบนี้จะช่วยเสริมความแข็งแกร่งให้กับตำแหน่งของระบบการยึดพื้นดินในฐานะเครื่องมืออันทรงพลังที่สามารถนำมาใช้เพื่อปรับปรุงพฤติกรรมแผ่นดินไหวของสะพานที่เสี่ยงต่อความเสียหายจากแผ่นดินไหวได้อย่างมีนัยสำคัญ