Jak można uczynić duże mosty odpornymi na trzęsienia ziemi?

W jaki sposób duże mosty o rozpiętości rzędu 1 km mogą być odporne na trzęsienia ziemi?

Nie jestem ekspertem od trzęsień, ale istnieją co najmniej dwa rodzaje wstrząsów: boczny i pionowy. Szczególnie drżenie w pionie naprawdę mnie martwi. Nie wiem, w jaki sposób można wbudować amortyzację w masywną, wysoką konstrukcję, taką jak budynek lub wieża mostowa.

(Pierwotnie chciałem zapytać o mosty wiszące, ale potem przeczytałem, że mosty wiszące nie są idealne dla ciężkich pociągów. Tło tego pytania leży w moim badaniu idei mostu Beringa (od Alaski po Syberię, przechodzącej przez Cieśninę Beringa ), który byłby przede wszystkim mostem kolejowym. I musiałby obsługiwać pociągi towarowe, najcięższe ze wszystkich czasami przekraczające 100 ton na samochód).

Więc po prostu zadam pytanie o duże mosty w ogóle.

Myślę, że największym trzęsieniem ziemi na Alasce była 9,4 Richter Scale w 1964 roku, uderzająca w Fairbanks. (Nie wiem jak przekonwertować na skalę Moment-Magnitude). Czy można budować duże mosty, które się z tego nie zawalą? Idealnie byłoby, gdyby most nie zawalił się podczas trzęsienia, nawet jeśli jest pod pełnym obciążeniem.

PS Wiem, że zbudowanie takiego mostu nie jest opłacalne. Po pierwsze, dalekowschodnia Syberia nie ma sieci kolejowej (lub ogólnie cywilizacji). Zaproponowano projekt tunelu, który moim zdaniem jest tańszy niż most, czego nie mogłem zrozumieć, ponieważ kopanie przez twardą skałę wydaje się o wiele trudniejsze niż wbijanie stosu na głębokość 50 m. Projekt tunelu został zawieszony IIRC, nic dziwnego.

W każdym razie, badam tylko, czy taki most jest technicznie możliwy i może być odporny na trzęsienia ziemi. Jeśli potrzebujesz czegoś bliższego rzeczywistości, przypuszczam, że możemy spojrzeć na most Golden Gate w San Francisco. Widziałem tutaj, że pracowali nad tym, aby zabezpieczyć je przed trzęsieniami do 8,3, ale nie zagłębiło się to w szczegóły. Pamiętaj też, że most Golden Gate nie obsługuje pociągów towarowych.

W każdym razie, czy można wstrząsnąć lub poważnie oprzeć się trzęsieniom w dużych mostach obciążonych pociągiem towarowym? Most niekoniecznie musiałby pozostać całkowicie nieuszkodzony. Po prostu nie chcę, żeby pękło i zrzuciło pociąg do oceanu.

czy to możliwe?

Nigdy nie można uczynić czegoś odpornym na trzęsienia ziemi, ale istnieje wiele rzeczy, które można zrobić, aby się oprzeć trzęsieniom ziemi.

W strefach trzęsień ziemi zbudowano mosty o dużej rozpiętości. Na przykład most Akashi Kaikyo w Japonii jest obecnie najdłuższym mostem o rozpiętości na świecie i znajduje się w surowej strefie sejsmicznej. Został zaprojektowany, aby wytrzymać trzęsienie ziemi o sile 8,5. W rzeczywistości podczas budowy doszło do trzęsienia ziemi o sile 7,2 . Galtor wspomniał w innej odpowiedzi na most w Zatoce San Francisco, który został zmodernizowany w celu poprawy jego odporności sejsmicznej. Tak więc projektowanie mostów odpornych na silne trzęsienia ziemi jest z pewnością możliwe i zostało zrobione.

Co można zrobić, aby poprawić odporność mostu na trzęsienia ziemi?

Dostrojone tłumiki mas są stosowane w wysokich budynkach, a także w mostach, aby przeciwdziałać ruchowi spowodowanemu trzęsieniami ziemi, a także wiatrem i innymi obciążeniami bocznymi. Most Akashi Kaikyo wykorzystuje na przykład TMD w wieżach wiszących.

Izolacja bazy jest jedną z najczęstszych technik przeciwdziałania ruchowi trzęsienia ziemi. Są to urządzenia, które zasadniczo oddzielają poziomy ruch fundamentu od reszty konstrukcji za pomocą jakiejś formy łożysk ślizgowych. Prawidłowe zaprojektowanie może drastycznie zmniejszyć szkody spowodowane trzęsieniem ziemi.

Tłumiki sejsmiczne są również powszechne. Jest to szereg urządzeń, które działają w celu usuwania energii sejsmicznej ze struktury, podobnie jak amortyzatory w samochodzie usuwają energię wibracji samochodu poruszającego się po nierównej drodze.

Technologie te są dobrze rozumiane i są często stosowane w mostach i budynkach. Istnieje więcej technik eksperymentalnych, które są również możliwe, takich jak: izolacja na biegunach lub aktywne systemy tłumienia (tłumiki sterowane komputerowo).

W razie potrzeby urządzenia te można również zastosować w kombinacji w celu dalszego wzmocnienia reakcji na trzęsienie ziemi.

W standardowej praktyce projektowania sejsmicznego konstrukcja jest zaprojektowana tak, aby wytrzymać pewne uszkodzenia. Tam, gdzie to możliwe, uszkodzenie to koncentruje się w elementach, które łatwiej jest wymienić (belki i stężenia), i które nie spowodują nieproporcjonalnego upadku w przypadku uszkodzenia.

Z pewnością technicznie wykonalne jest zaprojektowanie dużych mostów, aby były odporne na obciążenia wywołane trzęsieniem ziemi. Zwłaszcza jeśli nie byłoby żadnych ograniczeń finansowych.

Przydatna lektura: Jak działają budynki odporne na trzęsienia ziemi . Techniki stosowane w budynkach można również zastosować do mostów.

W rzeczywistości bardzo długie mosty (i bardzo wysokie budynki) często mają mniej problemów z trzęsieniami ziemi niż ich mniejsi bracia. Wynika to z tego, że ogólnie są one znacznie bardziej elastyczne, a zatem mają niższe okresy podstawowe, co czyni je mniej podatnymi na rezonans w ich podstawowych trybach. Podstawowymi trybami są wzorce kołysania, które obejmują większość masy strukturalnej. Skrajnym uproszczeniem byłoby to, że główna konstrukcja kołysze się tak wolno, że ledwo zauważa szybkie ruchy trzęsienia ziemi. Trochę jak duży statek w małych falach.

Ogólnie rzecz biorąc, na konstrukcje „średniej wielkości”, o częstotliwościach podstawowych między powiedzmy 1 Hz a 10 Hz, ma się znacznie większy wpływ, ponieważ istnieje znacznie większe ryzyko podstawowego rezonansu prowadzącego do bardzo dużych efektów obciążenia. W przypadku bardzo dużych i smukłych konstrukcji inżynieria wiatrowa jest ogólnie większym wyzwaniem niż inżynieria trzęsienia ziemi.

Jednak filary i przyczółki oraz ich połączenia z głównym pokładem mostu są krytyczne, ponieważ zwykle są znacznie sztywniejsze niż most jako całość. Biorąc pod uwagę zainwestowaną kwotę i potencjalnie przerażające konsekwencje awarii dużej konstrukcji, oczywiście trzeba będzie włożyć wiele wysiłku w wykonanie i sprawdzenie (i potrójne sprawdzenie) inżynierii trzęsienia ziemi w każdej części konstrukcji. Po prostu wskazuję, że problemy nie są po prostu proporcjonalne do skali, większe konstrukcje niekoniecznie są trudniejsze do „odporności na trzęsienia ziemi” niż mniejsze.

Zamierzam skupić się na jednym z najsłynniejszych mostów tych warunków w ostatnich latach: San Francisco Bay Bridge.

Ten most nie jest planowany dla pociągów, dlatego przetestowano je z ogromnymi podnośnikami hydraulicznymi (patrz tutaj ). Ten most został zaprojektowany tak, aby nie zawalił się podczas trzęsienia ziemi, ale tylko po to, by doznać drobnych awarii, które można łatwo naprawić.

Podczas trzęsień ziemi jednym z kluczowych punktów, które znaleziono, jest to, że wieża mostu musi się opierać, a nie spadać. I to jest kluczowy punkt obecnego mostu, ponieważ ma indywidualną i kosztowną piwnicę, a główna wieża jest podzielona na cztery części, aby nie zawalić się całkowicie ( patrz tutaj ). Most mógłby być solidny i niezniszczalny, ale pod względem estetycznym byłby o wiele bardziej brzydki i prawdopodobnie droższy w przypadku wzrostu betonu i innych materiałów.

W przeciwieństwie do bardziej konwencjonalnych mostów wiszących, w których równoległe kable są zawieszone na wieżach i zakotwiczone na obu końcach w skale lub betonie, most San Francisco Oakland Bay ma tylko jedną wieżę i pojedynczy kabel zakotwiczony do samego pokładu drogowego, zapętlony od koniec wschodni do końca zachodniego iz powrotem.

Nie ma sensu między innymi bronić rzymskich mostów. Rzymianie po prostu testowali projekty empirycznie, dopóki nie zdali sobie sprawy, że dany model jest odporny, ale inżynieria mostu nie była zbyt duża w tamtych czasach.