Sự kết hợp giữa công nghệ neo nối đất và cầu giúp cải thiện đáng kể hiệu ứng địa chấn

Sự kết hợp giữa công nghệ neo trên mặt đất và cầu giúp cải thiện đáng kể hiệu ứng địa chấn:

Động đất được xếp hạng đầu tiên trong số tất cả các thảm họa thiên nhiên vì sự bất ngờ và sức mạnh hủy diệt của chúng.

Khi thảm họa động đất xảy ra, thiệt hại của cây cầu trong khu vực động đất đồng nghĩa với việc đường dây nóng bị gián đoạn, cản trở trực tiếp tiến độ hoạt động cứu trợ thiên tai, làm tăng thiệt hại về người và tài sản và thiệt hại kinh tế gián tiếp, mang lại khó khăn cho việc phục hồi và tái thiết sau thảm họa.

Một trận động đất sẽ gây ra thiệt hại gì cho các cây cầu?

Thời gian và địa điểm xảy ra động đất là không thể đoán trước, và có các đặc điểm của thời gian ngắn và giải phóng năng lượng dữ dội. Các mối nguy hiểm động đất cầu chủ yếu bao gồm bốn khía cạnh sau:

(1) Sự cố cấu trúc thượng tầng: Hiện tượng dầm rơi do hỏng các đầu nối hỗ trợ hoặc sự cố của các cấu trúc phụ thường xảy ra trong các trận động đất có sức tàn phá, hầu hết xảy ra theo hướng của cây cầu (đề cập đến hướng của trục trung tâm của cây cầu).

2) Hư hỏng của các đầu nối hỗ trợ: Giá đỡ cầu, khe co giãn, phím cắt, đầu nối hỗ trợ, v.v., được coi là các liên kết yếu trong hệ thống kết cấu cầu với hiệu suất địa chấn tương đối yếu.

Hình thức thất bại của hỗ trợ chủ yếu được biểu hiện là sự dịch chuyển của giá đỡ, kéo ra khỏi bu lông neo, cắt, cắt của giá đỡ tích cực và phá hủy cấu trúc của chính giá đỡ.

(3) Mố cầu và cầu tàu bị hư hỏng: Nếu cột trụ bị hư hỏng, khả năng chịu được động đất của cầu sẽ bị suy yếu và sụp đổ sẽ xảy ra.

Thiệt hại địa chấn của mố cầu là phổ biến hơn trong các trận động đất, do mất khả năng chịu lực của móng, v.v. gây ra bởi sự trượt mố, thiệt hại va chạm giữa nền tảng và cấu trúc thượng tầng, và độ nghiêng mố.

Một công nghệ địa chấn cầu mới cung cấp hiệu suất địa chấn tuyệt vời

Hơn 1 triệu người đã chết trong 1,800 trận động đất có cường độ từ 5 độ richter trở lên được ghi nhận trên toàn cầu kể từ năm 2000. Cầu là phần dễ bị tổn thương nhất của mạng lưới giao thông khi động đất xảy ra, cản trở phản ứng khẩn cấp, nhiệm vụ tìm kiếm và cứu hộ, và cung cấp viện trợ, làm tăng số người chết có thể xảy ra.

Trong khi các kỹ sư đã thiết kế các cấu trúc có thể chịu được các lực tự nhiên hủy diệt như bão cực đoan, các trận động đất thảm khốc như trận động đất Haiti năm 2010 (hơn 310.000 người chết) hoặc trận động đất đại học Tohoku năm 2011 ở Nhật Bản (hơn 20.000 người chết) vẫn là một thách thức.

Để giảm thiểu tác động của một trận động đất lớn như vậy, một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Sydney (UTS) đã phát triển một ứng dụng sử dụng neo trên mặt đất làm hệ thống kháng địa chấn chính để cuối cùng bảo vệ các cây cầu khỏi các trận động đất thảm khốc.

Mặc dù việc thực hiện các quy tắc thiết kế nghiêm ngặt trên toàn thế giới và những tiến bộ công nghệ trong thiết kế địa chấn và bảo vệ cấu trúc, cần phải làm nhiều hơn nữa để giảm tỷ lệ tử vong và tổn thất tài chính.

Đặc biệt quan trọng là thực tế là đô thị hóa nhanh chóng đã tạo ra sự tập trung dân số cao hơn ở các khu vực hoạt động địa chấn như Nhật Bản và Indonesia, với dân số được ghi nhận là 230.000 người ở nước này sau một trận động đất năm 2004.

Phó Giáo sư Fatahi và nhóm của ông đã phát triển một mô hình máy tính ba chiều tiên tiến có thể mô phỏng và đánh giá khả năng phục hồi địa chấn của những cây cầu neo đã phải hứng chịu trận động đất thảm khốc lớn nhất thế giới.

Nghiên cứu của nó cho thấy rằng kết hợp công nghệ neo mặt đất với cầu, việc sử dụng nhiều sợi thép cường độ cao được neo vào đội hình có thể mang lại hiệu suất địa chấn cầu tuyệt vời. Được biết, trong trường hợp hợp nhất các dầm trụ, sự chuyển động của cấu trúc thượng tầng của cây cầu làm hỏng nghiêm trọng cây cầu và thậm chí sụp đổ sau khi hình thành bản lề nhựa ở khu vực cong. Những cây cầu không được hợp nhất sẽ dẫn đến dầm rơi xuống.

Các loại cầu khác, chẳng hạn như cầu nghiêng, sẽ tạo ra sự quay và tách cấu trúc thượng tầng của cầu, làm cho cấu trúc thượng tầng cầu bị vỡ ra khỏi các giá đỡ và gây ra một số thiệt hại cho mố cầu. Như đã xảy ra trong trận động đất Chile năm 2010. Ngoài ra, sự dịch chuyển của cấu trúc thượng tầng của cây cầu sẽ mang lại lực cắt và thời điểm uốn lớn hơn cho cấu trúc phụ của cây cầu (bao gồm các trụ, móng cọc và giá đỡ). Điều này dẫn đến sự cần thiết phải tăng tiết diện của vị trí tương ứng để đáp ứng nhu cầu của các trận động đất lớn hơn.

Hiện tại, các kỹ sư cầu sử dụng bộ giảm chấn nhớt, hạn chế cáp và hợp kim bộ nhớ hình dạng đắt tiền để giảm sự dịch chuyển địa chấn của cấu trúc thượng tầng cầu. Các hệ thống này hạn chế sự dịch chuyển của cấu trúc thượng tầng bằng cách chuyển các lực dọc trục đáng kể đến các trụ hoặc mố cầu, dẫn đến tăng các yêu cầu địa chấn, hình học và chi phí.

Nguyên tắc thiết kế của cấu trúc mới được thảo luận trong bài viết này là neo hiệu quả cấu trúc thượng tầng trong lớp đất cứng phía sau mố thông qua nhiều neo mặt đất, và lực địa chấn sẽ được truyền đến lớp đất thông qua hệ thống neo mặt đất sợi thép, có thể hạn chế hiệu quả việc trượt qua lại của cấu trúc thượng tầng cầu

Trong "Isolated Segmented Cantilever Bridge Protection", được xuất bản trên tạp chí Soil Dynamics and Seismic Engineering, cùng một cây cầu và cùng một đầu vào địa chấn đã được sử dụng để so sánh ảnh hưởng của các ràng buộc van điều tiết nhớt và các ràng buộc neo trên mặt đất.

Bằng cách thiết lập một mô hình số ba chiều phức tạp, bài báo này xem xét toàn diện sự tương tác giữa cấu trúc và đất, sự hình thành bản lề nhựa và tính phi tuyến của vật liệu. Phân tích lịch sử thời gian phi tuyến của cây cầu đã sử dụng các tín hiệu địa chấn từ trận động đất Northridge năm 1994, trận động đất San Fernando năm 1971, trận động đất Kobe năm 1995 và trận động đất Chi-Chi năm 1999. Những tín hiệu địa chấn này đã gây ra thiệt hại lớn cho cấu trúc.

Mô hình neo mặt đất có tính đến chiều dài tự do và chiều dài neo của neo. Phần chiều dài tự do được mô phỏng bởi một đơn vị cáp, và phần chiều dài neo được mô phỏng bằng cách sử dụng các kết nối phức tạp hơn để minh họa sự tương tác của vữa phi tuyến với đất. Hành động trượt của thân vữa và sự hình thành đá được mô phỏng bằng lò xo nhựa phi tuyến. Các kết quả được sử dụng để đánh giá bao gồm sự dịch chuyển theo chiều dọc của cấu trúc thượng tầng và thời điểm uốn cong của các trụ.

Kết quả cho thấy sau khi sử dụng công nghệ neo mặt đất, cấu trúc thượng tầng của cây cầu đã tạo ra lượng giãn nước theo chiều dọc lần lượt là 105 mm và 95 mm trong trận động đất Northridge và trận động đất Kobe. Ngược lại, dưới cùng một trận động đất, sự dịch chuyển theo chiều dọc của các cây cầu sử dụng bộ giảm chấn nhớt lần lượt là 2019mm và 1600mm. Ngoài ra, theo tín hiệu địa chấn Kobe, sơ đồ van điều tiết độ nhớt sử dụng 90% điện trở uốn của cầu, trong khi sơ đồ neo nối đất chỉ sử dụng 10%.

Ngoài những ưu điểm về cấu trúc của neo nối đất, các nhà nghiên cứu cũng nhận thấy rằng van điều tiết nhớt có nguy cơ bị rò rỉ nội dung silicon, có thể khiến van điều tiết nhớt bị hỏng hoàn toàn. Do đó, thành phần cần được kiểm tra thường xuyên.

Để kiểm tra ảnh hưởng của neo mặt đất đối với hiệu suất bình thường của cây cầu, các hiệu ứng do co ngót, leo và ứng suất trước cũng đã được phân tích. Phân tích giai đoạn xây dựng xem xét ba giai đoạn: giai đoạn xây dựng ban đầu, một năm sau khi hoàn thành và 30 năm sau khi hoàn thành.

Trong phân tích giai đoạn xây dựng, người ta thấy rằng neo mặt đất có đủ độ cứng để ngăn chặn tác động địa chấn của cấu trúc thượng tầng cầu, trong khi vẫn duy trì tính linh hoạt của chính nó, và sẽ không có vấn đề thiệt hại ràng buộc. Do chi phí xây dựng ban đầu của neo mặt đất thấp, hệ thống hạn chế neo trên mặt đất có hiệu quả chi phí cao. Công nghệ neo trên mặt đất có sẵn và không tốn kém so với các hệ thống yêu cầu sản xuất chuyên dụng, chẳng hạn như bộ giảm chấn nhớt. Hơn nữa, do sự hiện diện của hệ thống neo, kích thước mặt cắt ngang của cấu trúc phụ giảm đáng kể, chi phí giảm đáng kể và nhu cầu địa chấn giảm. Tương tự, trái ngược với bộ giảm chấn nhớt, hệ thống neo trên mặt đất không cần bảo trì và không yêu cầu kiểm tra thường xuyên và liên tục để duy trì hiệu quả của chúng. Những lợi ích này cho thấy rằng hệ thống neo trên mặt đất nên được coi là một công cụ hiệu quả cho các kỹ sư cầu đường trên khắp thế giới, đặc biệt là ở các quốc gia bị ảnh hưởng bởi động đất nghiêm trọng.

Nhóm UTS hiện đang tiến hành một nghiên cứu mới để đánh giá hiệu quả của việc sử dụng neo mặt đất trong các cây cầu chéo để hạn chế cấu trúc thượng tầng cầu. Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng bằng cách đặt neo mặt đất ở một góc trong cấu trúc thượng tầng cầu, góc quay gây ra bởi tác động của cấu trúc thượng tầng cầu có thể bị chống lại bởi thời điểm do mặt đất tạo ra. Những phát hiện này sẽ củng cố hơn nữa vị trí của các hệ thống neo trên mặt đất như một công cụ mạnh mẽ có thể được sử dụng để tăng cường đáng kể hành vi địa chấn của những cây cầu dễ bị thiệt hại do động đất.