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

Wanneer de grond tijdens een aardbeving schudt, kan de bodem onder onze voeten soms haar sterkte verliezen en veranderen in een dikke, vloeistofachtige slurry. Dit fenomeen, bekend als liquefactie (bodemverweking), is een stille dreiging voor de fundamenten van bruggen. In tegenstelling tot vaste grond die een structuur stevig op zijn plaats houdt, biedt vloeibaar geworden grond weinig weerstand, waardoor palen — de diepe kolommen die een brug verankeren — kunnen wegzakken, kantelen of breken onder het gewicht erboven. Dit is bijzonder gevaarlijk voor een specif demikian een specifiek type brug genaamd een integrale landhoofd-brug. Deze constructies zijn gebouwd als één enkel, continu frame zonder de dilatatievoegen die op oudere bruggen te vinden zijn, wat hen in staat stelt om natuurlijker te bewegen met temperatuurveranderingen. Echter, dit naadloze ontwerp betekent dat het brugdek rigide verbonden is met de palen, waardoor alle seismische energie direct naar het fundament wordt overgedragen. Als de bodem vloeibaar wordt, verliest de brug zijn grip, en moeten de palen de volledige kracht van de schokken absorberen zonder te breken.

De vraag die ingenieurs voor staat is niet alleen hoe ze deze bruggen moeten bouwen, maar hoe ze ze moeten bouwen om verschillende soorten aardbevingen te overleven. Aardbevingen zijn niet allemaal hetzelfde; sommige treden dicht bij de breuklijn op en zenden krachtige, plotselinge pulsen van energie uit die structuren onverwacht kunnen overvallen, terwijl andere ver weg plaatsvinden en een langere, meer rollende schudbeweging leveren. Onderzoekers wilden weten hoe de keuze van het paalmateriaal en de vorm de overleving van een brug beïnvloedt wanneer de bodem vloeibaar wordt onder beide soorten schudbewegingen. Om een antwoord te vinden, creëerden een team van ingenieurs van universiteiten uit China en Afghanistan een gedetailleerde computersimulatie van een enkelvoudige overspanning van een brug. Ze modelleerden de brug rustend op zes verschillende soorten palen: grote en kleine betonnen cilinders, stalen buizen, stalen balken georiënteerd in verschillende richtingen, en een hybride ontwerp waarbij beton in een stalen buis wordt gegoten. Ze onderwierpen deze virtuele bruggen vervolgens aan tien geregistreerde aardbevingbewegingen, de helft afkomstig van nabij-breuk gebeurtenissen (near-fault) en de helft van verre-breuk gebeurtenissen (far-fault), terwijl ze de bodem simuleerden die in een vloeistof veranderde.

De resultaten toonden aan dat de beste keuze voor een paal sterk afhangt van het type aardbeving en het gebruikte materiaal. Wanneer de grond schudt met de scherpe, gewelddadige pulsen van een nabij-breuk aardbeving, hadden de rigide betonnen palen, vooral de grotere, de neiging om meer te buigen en te scheuren dan de stalen opties. Het beton, dat stijf is, kon de plotselinge schok niet zo goed absorberen, wat leidde tot hogere spanningen in de structuur. In contrast hiermee, wanneer de schudbeweging afkomstig was van een verre bron, ervoeren de stalen palen grotere beweging en spanning dan de betonnen palen. Dit suggereert dat de natuurlijke flexibiliteit van staal, die normaal gesproken helpt om te overleven, er tijdens de langzamere, rollende golven van een verre-breuk beving soms tegen kan werken. Echter, één ontwerp viel op als de meest veerkrachtige over de hele linie: de betongevulde stalen buis. Deze hybride paal combineerde de sterkte van beton met de flexibiliteit van staal, waardoor het de spanning van beide soorten aardbevingen met opmerkelijke consistentie kon weerstaan.

De studie keek ook naar hoeveel de brug zelf bewoog. De simulaties lieten zien dat bruggen ondersteund door de betongevulde stalen buizen minder bewogen dan die op pure stalen palen, en dat de beweging bijna hetzelfde was, of de aardbeving nu nabij of ver was. Deze stabiliteit is cruciaal omdat overmatige beweging het wegdek of de verbindingen met de snelweg kan beschadigen. De onderzoekers ontdekten dat hoewel de stalen palen sterk waren, ze meer gevoelig waren voor knikking — een soort structurele instorting waarbij de kolom uit vorm buigt — vooral wanneer de bodem zijn grip verloor. De betongevulde buizen daarentegen slaagden erin om te buigen en te rekken zonder te falen, waardoor ze de energie van de aardbeving effectief konden dissiperen.

Voor ingenieurs die bruggen ontwerpen in gebieden die gevoelig zijn voor liquefactie, bieden deze bevindingen een duidelijke weg voorwaarts. De studie suggereert dat het gebruik van betongevulde stalen buizen de meest betrouwbare optie is voor integrale landhoofd-bruggen, aangezien ze een balans bieden tussen sterkte en flexibiliteit die de structuur beschermt tegen zowel plotselinge, nabijgelegen schokken als verre, rollende trillingen. Indien stalen balken moeten worden gebruikt, geeft het onderzoek aan dat de gebieden met hoge spanning waar de paal de bodem raakt, extra versterkt moeten worden om falen te voorkomen. Door het juiste funderingsmateriaal te kiezen, kunnen ingenieurs ervoor zorgen dat zelfs wanneer de grond onder de brug in vloeistof verandert, de brug erboven blijft staan.