Large-scale experiments of tsunami inundation of bridges including fluid-structure interaction
Authors: Ιστράτι Ντένις 
Published: March 2024

Tα πρόσφατα μεγάλα σεισμικά γεγονότα που συνέβησαν στον Ινδικό Ωκεανό (2004), τη Χιλή (2010) και την Ιαπωνία (2011) δημιούργησαν κύματα τσουνάμι σημαντικών υψών, τα οποία κατέκλυσαν τις παρακείμενες παράκτιες πόλεις προκαλώντας ακραία καταστροφή και απώλεια ανθρώπινων ζωών. Πολλές παράκτιες γέφυρες πλημμύρισαν από το τσουνάμι και παρόλο που μπόρεσαν να αντέξουν τον σεισμό, υπέστησαν ζημιές από τα κύματα. Συγκεκριμένα, ο κατακλυσμός από το τσουνάμι κατέστρεψε 81 γέφυρες στην ακτή της Σουμάτρα το 2004 και 252 γέφυρες στην Ιαπωνία το 2011 σύμφωνα με επιτόπιες έρευνες (Unjoh 2007 και Maruyama 2013a αντίστοιχα). Η κύρια ζημιά σημειώθηκε στις συνδέσεις της ανωδομής με τα υποστυλώματα, με αποτέλεσμα το κατάστρωμα της γέφυρας να παρασυρθεί απο το νερό. Αυτή η μορφή αστοχίας παρατηρήθηκε σε διάφορους τύπους γεφυρών, συμπεριλαμβανομένων των γεφυρών από χάλυβα, σύνθετων γεφυρών I-girder, προεντεταμένων γεφυρών και γεφυρών box-girder. Αυτά τα απρόβλεπτα γεγονότα ανέδειξαν την ευπάθεια των γεφυρών στον κατακλυσμό από το τσουνάμι. Οι κύριοι στόχοι αυτής της μελέτης ήταν να (α) κατανοήσουμε τον μηχανισμό κατακλυσμού από το τσουνάμι των παράκτιων γεφυρών, (β) να αξιολογήσουμε την ακρίβεια των υφιστάμενων απλουστευμένων εξισώσεων πρόβλεψης φορτίων απο τσουνάμι, (γ) προσδιορίσoυμε τη διαφορά στην απόκριση της γέφυρας όταν υποβάλλεται σε μη θραυόμενα μοναχικά κύματα και πιο ρεαλιστικές τυρβώδεις ροές, (δ) διερευνήσουμε όχι μόνο τις συνολικές δυνάμεις κυμάτων αλλά και την κατανομή αυτών των δυνάμεων σε κάθε εφέδρανο και σύνδεση προκειμένου να προσδιοριστεί η μέγιστη δύναμη που πρέπει να αντέξει η κάθε σύνδεση, (ε) ρίξουμε φως στην φυσική της δυναμικής αλληλεπίδρασης κύματος-δομής και πώς αυτή επηρεάζεται από τα δυναμικά χαρακτηριστικά της γέφυρας, (στ) αποκτήσουμε μια εικόνα για το ρόλο του παγιδευμένου αέρα και της μη γραμμικής αλληλεπίδρασης κύματος-αέρα για γέφυρες με διαφράγματα, (ζ) εξετάσουμε τα τσουναμικά φορτία για διαφορετικούς τύπους γεφυρών, συμπεριλαμβανομένων των γεφυρών I-girder με εγκάρσια πλαίσια και διαφράγματα, καθώς και γεφυρών box-girder, (η) διερευνήσουμε πιθανές στρατηγικές μετριασμού, όπως αεραγωγών στο κατάστρωμα, και (i) αναπτύξουμε μια βάση δεδομένων υψηλής ποιότητας που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επικύρωση των μοντέλων CFD και FSI, και ανάπτυξη συστάσεων και κατευθυντήριων γραμμών σχεδιασμού για τη δημιουργία γεφυρών με αντοχή στο τσουνάμι. Για το σκοπό αυτό, οι προηγμένες αναλύσεις αλληλεπίδρασης ρευστού-κατασκευής (FSI), οι οποίες εξέτασαν τόσο την υδροδυναμική όσο και τη δομική δυναμική, διεξήχθησαν στο LS-DYNA χρησιμοποιώντας υπευπολογιστές. Τρεις διαφορετικοί τύποι κυμάτων και τέσσερις διαφορετικές διαμορφώσεις γέφυρας προσομοιώθηκαν στις αναλύσεις και αποκτήθηκαν ενδιαφέροντα αποτελέσματα. Για να επεκταθούν αυτές οι αναλύσεις, μεγάλης κλίμακας υδροδυναμικά πειράματα πραγματοποιήθηκαν στο Large Wave Flume του O.H. Hinsdale Wave Research Laboratory στο Πανεπιστήμιο του Όρεγκον. Δώδεκα διαμορφώσεις μιας σύνθετης γέφυρας I-δοκού κλίμακας 1: 5, διάφορα ύψη κύματος μεταξύ 0,36m και 1,40m, δύο βάθη νερού και συνολικά 270 πειράματα έγιναν στο LWF προκειμένου να επιτευχθούν οι στόχοι του έργου. Τα αποτελέσματα της μελέτης καταδεικνύουν (α) την πολυπλοκότητα του μηχανισμού κατακλυσμού από το τσουνάμι με την ύπαρξη τεσσάρων διαφορετικών φάσεων, μεταξύ των οποίων μια φάση με μια μεγάλη στιγμή ανατροπής και περιστροφής της γέφυρας κατά τη στιγμή της πρώτης επίδρασης του κύματος τσουνάμι στη γέφυρα όπου μεγιστοποιούνται τα παρορμητικά οριζόντια και ανυψωτικά φορτία τσουνάμι, εισάγοντας τη μεγαλύτερη ένταση στα υπεράκτια εφέδρανα για τα περισσότερα από τα εξεταζόμενα κύματα (Φάση 1), μια φάση με καθαρή ανύψωση της γέφυρας και μια μετατόπισης της γέφυρας κατα την διάρκεια της οποίας οι θάλαμοι της γέφυρας κατακλύζονται και το υδροστατικό στοιχείο της δύναμης ανύψωσης μεγιστοποιείται (Φάση 3), εισάγοντας τη μέγιστη τάση σε πολλά εφέδρανα, και μια φάση με δύναμη προς τα κάτω όταν το κύμα χτυπά την πάνω πλευρά του καταστρώματος, εισάγοντας σημαντική συμπίεση ειδικά στα χερσαία εφέδρανα (Φάση 4), (β) η εξάρτηση των δυνάμεων τσουνάμι απο τον τύπο κυματισμού με τους θραυμένους κυματισμούς να εισάγουν μεγαλύτερες οριζόντιες δυνάμεις από κάθετες και τα μοναχικά κύματα το αντίθετο, (γ) την ανεπάρκεια της τρέχουσας ερευνητικής προσέγγισης για την εξέταση των επιπτώσεων του τσουνάμι στις γέφυρες μέσω του υπολογισμού των συνολικών δυνάμεων τσουνάμι στο κατάστρωμα και της ανάγκης εξέτασης των δυνάμεων σε κάθε σύνδεση και μέλους γέφυρας στο προκειμένου να κατανοήσουμε πραγματικά τα αποτελέσματα της πολύπλοκης αλληλεπίδρασης κύματος-κατασκευής, (δ) τη σημασία των αδρανειακών δυνάμεων και των δυναμικών χαρακτηριστικών της γέφυρας στην αλληλεπίδραση δομής ρευστού και τις δυνάμεις που εισάγονται στις συνδέσεις, τα διατμητικά πλήκτρα και την υποδομή, με άκαμπτες διαμορφώσεις γέφυρας που μαρτυρούν μεγαλύτερες δυνάμεις σύνδεσης από το εφαρμοζόμενο φορτίο για πολλά ύψη οπών λόγω δυναμικής ενίσχυσης, (ε) την αύξηση των συνολικών δυνάμεων ανύψωσης σε γέφυρες με διαφράγματα λόγω της παγίδευσης αέρα και της περίπλοκης επίδρασης στις συνδέσεις της γέφυρας λόγω τη μη γραμμική αλληλεπίδραση κύματος-αέρα, η οποία είναι επίσης διαφορετική για μοναχικά κύματα και θραυμένους κυματισμούς, (στ) τη διακύμανση των φορτίων τσουνάμι για διαφορετικά είδη ανωδομών γέφυρας, με την box-girder γέφυρα να δείχνει δυνάμεις ανύψωσης έως και 5 φορές μεγαλύτερες από αυτές που εφαρμόζονται σε γέφυρα I-girder με σταυρωτά πλαίσια, και (ζ) την αποτελεσματικότητα των αεραγωγών στο κατάστρωμα της γέφυρας ως μετριασμό των τσουνάμι καθώς και των περιορισμών τους, της σημασίας της απόστασης των αεραγωγών από τα διαφράγματα και τις δοκούς που σχηματίζουν τους θαλάμους, και την ύπαρξη σημαντικών τρισδιάστατων χαρακτηριστικών ακόμη και στην περίπτωση δισδιάστατης διάδοσης κυμάτων.