Effects of Near-Fault and Far-Fault Ground Motions on Pile Sections of Integral Abutment Bridges Considering Soil Liquefaction

Wenn der Boden während eines Erdbebens bebt, kann der Boden unter unseren Füßen manchmal seine Festigkeit verlieren und sich in eine dicke, flüssigkeitsähnliche Schlämme verwandeln. Dieses Phänomen, bekannt als Verflüssigung (Liquefaktion), ist eine stille Bedrohung für die Fundamente von Brücken. Im Gegensatz zu festem Boden, der eine Struktur fest an ihrem Platz hält, bietet verflüssigter Boden kaum Widerstand, was dazu führt, dass Pfähle – die tiefen Säulen, die eine Brücke verankern – unter dem Gewicht darüber einsinken, kippen oder brechen können. Dies ist besonders gefährlich für einen speziellen Typ von Brücken, die sogenannte Integralbrücke (Integral Abutment Bridge). Diese Bauwerke sind als ein einziger, kontinuierlicher Rahmen ohne die Dehnungsfugen konzipiert, die man bei älteren Brücken findet, was es ihnen ermöglicht, sich natürlicher mit Temperaturänderungen zu bewegen. Dieses nahtlose Design bedeutet jedoch, dass die Brückenfahrbahn starr mit den Pfählen verbunden ist, wodurch jede noch so kleine Menge der seismischen Energie direkt in das Fundament übertragen wird. Wenn der Boden verflüssigt, verliert die Brücke ihren Halt, und die Pfähle müssen die volle Kraft des Bebens aufnehmen, ohne zu brechen.

Die Frage, vor der Ingenieure stehen, ist nicht nur, wie man diese Brücken baut, sondern wie man sie baut, um unterschiedlichen Arten von Erdbeben zu überleben. Erdbeben sind nicht alle gleich; einige treten nahe an der Verwerfungslinie auf und senden kraftvolle, plötzliche Energieimpulse aus, die Strukturen unvorbereitet treffen können, während andere in der Ferne stattfinden und ein längeres, eher rollendes Beben verursachen. Forscher wollten wissen, wie die Wahl des Pfahlmaterials und der Form die Überlebensfähigkeit einer Brücke beeinflusst, wenn der Boden unter beiden Arten von Erschütterungen flüssig wird. Um eine Antwort zu finden, erstellte ein Team von Ingenieuren aus Universitäten in China und Afghanistan eine detaillierte Computersimulation einer einspanigen Brücke. Sie modellierten die Brücke auf sechs verschiedenen Arten von Pfählen: großen und kleinen Betonzylindern, Stahlrohren, Stahlträgern in verschiedenen Ausrichtungen und einem Hybriddesign, bei dem Beton in ein Stahlrohr gegossen wird. Sie setzten diese virtuellen Brücken dann zehn aufgezeichneten Erdbebenbewegungen aus, die Hälfte davon waren Ereignisse aus der Nähe der Verwerfung (near-fault) und die andere Hälfte waren Ereignisse aus der Ferne (far-fault), während sie gleichzeitig die Verflüssigung des Bodens simulierten.

Die Ergebnisse zeigten, dass die beste Wahl für einen Pfahl stark von der Art des Erdbebens und dem verwendeten Material abhängt. Wenn der Boden mit den scharfen, heftigen Impulsen eines Erdbebens in der Nähe der Verwerfung bebt, neigten die starren Betonpfähle, insbesondere die größeren, eher dazu, sich zu verbiegen und zu reißen, als die Stahloptionen. Der Beton konnte, da er steif ist, den plötzlichen Stoß nicht so gut absorbieren, was zu höheren Spannungen in der Struktur führte. Im Gegensatz dazu erfuhren die Stahlpfähle bei Erschütterungen aus einer fernen Quelle größere Bewegungen und Spannungen als die Betonpfähle. Dies deutet darauf hin, dass die natürliche Flexibilität von Stahl, die normalerweise hilft, zu überleben, bei den langsameren, rollenden Wellen eines fernen Erdbebens manchmal gegen einen arbeiten kann. Eines der Designs stach jedoch als das widerstandsfähigste über alle Kategorien hinweg hervor: das betongefüllte Stahlrohr. Dieser Hybridpfahl kombinierte die Stärke von Beton mit der Flexibilität von Stahl und ermöglichte es ihm, die Belastung beider Erdbebenarten mit bemerkenswerter Beständigkeit zu bewältigen.

Die Studie untersuchte auch, wie stark sich die Brücke selbst bewegte. Die Simulationen zeigten, dass Brücken, die von betongefüllten Stahlrohren getragen werden, sich weniger bewegten als solche auf reinen Stahlpfählen, und die Bewegung war nahezu identisch, unabhängig davon, ob das Erdbeben nah oder fern war. Diese Stabilität ist entscheidend, da übermäßige Bewegungen die Fahrbahnoberfläche oder die Verbindungen zur Autobahn beschädigen können. Die Forscher fanden heraus, dass die Stahlpfähle zwar stark waren, aber eher zu Knicken neigten – einer Art strukturellem Kollaps, bei dem die Säule aus der Form gerät – insbesondere wenn der Boden seinen Halt verlor. Die betongefüllten Rohre hingegen konnten sich biegen und dehnen, ohne zu versagen, und dissipierten (verteilten) effektiv die Energie des Erdbebens.

Für Ingenieure, die Brücken in Gebieten entwerfen, die anfällig für Bodenverflüssigung sind, bieten diese Erkenntnisse einen klaren Weg nach vorn. Die Studie legt nahe, dass die Verwendung von betongefüllten Stahlrohren die zuverlässigste Option für Integralbrücken ist, da sie ein Gleichgewicht zwischen Stärke und Flexibilität bieten, das die Struktur sowohl vor plötzlichen, nah gelegenen Schocks als auch vor fernen, rollenden Erschütterungen schützt. Falls Stahlträger verwendet werden müssen, deuten die Forschungsergebnisse darauf hin, dass die Hochspannungsbereiche, in denen der Pfahl auf den Boden trifft, zusätzliche Verstärkungen benötigen, um ein Versagen zu verhindern. Durch die Wahl des richtigen Fundamentmaterials können Ingenieure sicherstellen, dass selbst wenn der Boden unter ihnen flüssig wird, die Brücke darüber stehen bleibt.