Wie können große Brücken erdbebensicher gemacht werden?

Wie können große Brücken mit Spannweiten in der Größenordnung von 1 km erdbebensicher gemacht werden?

Ich bin kein Experte für Beben, aber es gibt mindestens zwei Arten des Schüttelns: seitliches und vertikales. Besonders das vertikale Rütteln bereitet mir große Sorgen. Ich weiß nicht, wie irgendeine Art von Stoßdämpfung in eine massive, hohe Struktur wie ein Gebäude oder ein Brückenturm eingebaut werden kann.

(Ich wollte ursprünglich nach Hängebrücken fragen, habe dann aber gelesen, dass Hängebrücken nicht für schwere Züge geeignet sind. Der Hintergrund dieser Frage liegt in meiner Erforschung der Idee einer Beringbrücke (von Alaska nach Sibirien, über die Beringstraße) ), die in erster Linie eine Eisenbahnbrücke sein würde und Güterzüge aufnehmen müsste, von denen die schwersten manchmal mehr als 100 Tonnen pro Auto sind.)

Ich werde also nur die Frage nach großen Brücken im Allgemeinen stellen.

Ich glaube, das größte Beben in Alaska war 1964 eine 9,4-Richterskala, die auf Fairbanks traf. (Ich weiß nicht, wie ich in die Moment-Magnitude-Skala konvertieren soll). Ist es möglich, große Brücken zu bauen, die dadurch nicht zusammenbrechen? Im Idealfall soll die Brücke während eines Bebens nicht einstürzen, auch wenn sie unter Volllast steht.

PS Ich weiß, es ist nicht wirtschaftlich, eine solche Brücke zu bauen. Zum einen hat Sibirien im Fernen Osten kein Schienennetz (oder viel Zivilisation im Allgemeinen). Es wurde ein Tunnelprojekt vorgeschlagen, von dem ich glaube, dass es billiger ist als eine Brücke, was ich nicht verstehen konnte, da das Durchgraben von hartem Fels viel schwieriger ist als das Einschlagen eines Pfahls in 50 m tiefes Wasser. Das Tunnelprojekt wurde IIRC ausgesetzt, keine Überraschung.

Wie dem auch sei, ich untersuche nur, ob eine solche Brücke technisch möglich ist und bebensicher sein kann. Wenn Sie etwas brauchen, das der Realität näher kommt, können wir uns vermutlich die Golden Gate Bridge in San Francisco ansehen. Ich habe hier gesehen, dass sie daran arbeiteten, es bei Beben bis 8,3 sicher zu machen, aber es ging nicht ins Detail. Und denken Sie daran, dass die Golden Gate Bridge keine Güterzüge befördert.

Wie auch immer, ist es möglich, in großen Brücken, die mit einem Güterzug beladen sind, Beben zu widerstehen oder Bebensicherheit zu bieten? Die Brücke müsste nicht unbedingt völlig unbeschädigt bleiben. Ich möchte nur nicht, dass es den Zug im Ozean schnappt und fallen lässt.

Ist das möglich?

Sie können niemals einen Erdbebensicherheitsnachweis erbringen, aber es gibt viele Maßnahmen, um Erdbeben zu widerstehen.

In Erdbebengebieten gibt es weitgespannte Brücken. Beispielsweise ist die Akashi-Kaikyo- Brücke in Japan derzeit die längste Spannweite der Welt und befindet sich in einer stark seismischen Zone. Es wurde entwickelt, um einem Erdbeben der Stärke 8,5 standzuhalten. Tatsächlich wurde es während des Baus einem Erdbeben der Stärke 7,2 ausgesetzt . galtor erwähnte in einer anderen antwort die san francisco bay bridge, die nachgerüstet wurde, um ihre seismische widerstandsfähigkeit zu verbessern. Der Entwurf von Brücken, die starken Erdbeben widerstehen, ist also durchaus möglich und erfolgt.

Was kann getan werden, um die Erdbebensicherheit einer Brücke zu verbessern?

Abgestimmte Massendämpfer werden in hohen Gebäuden sowie in Brücken eingesetzt, um Bewegungen aufgrund von Erdbeben sowie Wind- und anderen seitlichen Belastungen entgegenzuwirken. Die Akashi Kaikyo-Brücke verwendet beispielsweise TMDs in den Hängetürmen.

Die Basisisolierung ist eine der am häufigsten verwendeten Techniken, um Erdbebenbewegungen zu widerstehen. Hierbei handelt es sich um Vorrichtungen, die im Wesentlichen die horizontale Bewegung des Fundaments durch die Verwendung von Gleitlagern vom Rest der Struktur trennen. Bei richtiger Auslegung können Erdbebenschäden drastisch reduziert werden.

Seismische Dämpfer sind ebenfalls häufig. Hierbei handelt es sich um eine Reihe von Geräten, mit denen seismische Energie aus der Struktur entfernt wird, ähnlich wie Stoßdämpfer an einem Auto die Vibrationsenergie des Autos auf einer unebenen Straße ableiten.

Diese Technologien sind bekannt und werden häufig in Brücken und Gebäuden eingesetzt. Es gibt experimentellere Techniken, die ebenfalls möglich sind, wie z. B. eine Wippisolierung oder aktive Dämpfungssysteme (computergesteuerte Dämpfer).

Falls gewünscht, können diese Geräte auch in Kombination verwendet werden, um die Erdbebenreaktion weiter zu verbessern.

In der Standardpraxis der seismischen Auslegung ist eine Struktur so ausgelegt, dass sie einige Beschädigungen aufnehmen kann. Dieser Schaden konzentriert sich nach Möglichkeit auf Elemente, die sich leichter austauschen lassen (Träger und Streben) und die bei Beschädigung nicht zu einem unverhältnismäßigen Zusammenbruch führen.

Es ist sicherlich technisch machbar, große Brücken zu konstruieren, um einer Erdbebenbelastung standzuhalten. Vor allem, wenn es keine finanziellen Engpässe gäbe.

Vielleicht finden Sie diese nützliche Lektüre: Wie erdbebensichere Gebäude funktionieren . Die Techniken, die an Gebäuden angewendet werden, können auch auf Brücken angewendet werden.

Tatsächlich haben sehr lange Brücken (und überhohe Gebäude) häufig weniger Probleme mit Erdbeben als ihre kleineren Brüder. Dies ist darauf zurückzuführen, dass sie im Allgemeinen viel flexibler sind und daher niedrigere Grundperioden aufweisen, wodurch sie für Resonanzen in ihren Grundmoden weniger anfällig sind. Die fundamentalen Modi sind die Schwankungsmuster, die den Großteil der Strukturmasse umfassen. Eine extreme Vereinfachung wäre, dass die Hauptstruktur so langsam schwankt, dass sie die schnellen Bewegungen eines Erdbebens kaum bemerkt. Ein bisschen wie ein großes Schiff in kleinen Wellen.

Im Allgemeinen sind "mittelgroße" Strukturen mit Grundfrequenzen zwischen etwa 1 Hz und 10 Hz in der Regel viel stärker betroffen, da das Risiko einer Grundresonanz, die zu sehr großen Lasteffekten führt, viel größer ist. Für sehr große und schlanke Bauwerke ist die Windtechnik in der Regel eine größere Herausforderung als die Erdbebentechnik.

Die Pfeiler und Widerlager sowie ihre Verbindungen zum Hauptbrückendeck sind jedoch kritisch, da sie normalerweise viel steifer sind als die gesamte Brücke. Angesichts des investierten Betrags und der potenziell schrecklichen Folgen eines Ausfalls eines großen Bauwerks wird natürlich viel Aufwand in die Durchführung und Überprüfung (und dreifache Überprüfung) der Erdbebentechnik jedes Teils des Bauwerks gesteckt. Ich weise nur darauf hin, dass die Probleme nicht einfach proportional zum Maßstab sind, sondern dass größere Strukturen nicht unbedingt "erdbebensicher" sind als kleinere.

Ich werde mich auf eine der berühmtesten Brücken dieser Bedingungen der letzten Jahre konzentrieren: die San Francisco Bay Bridge.

Diese Brücke ist nicht für Züge vorgesehen und wurde daher mit riesigen Hydraulikwinden getestet (siehe hier ). Diese Brücke ist so konstruiert, dass sie während eines Erdbebens nicht einstürzt, sondern nur kleinere Pannen aufweist, die leicht repariert werden können.

Bei Erdbeben wurde unter anderem festgestellt, dass der Turm der Brücke standhalten und nicht fallen darf. Und dies ist ein wichtiger Punkt in der gegenwärtigen Brücke, da sie einen individuellen und teuren Keller hat und der Hauptturm in vier Teile geteilt ist, um nicht vollständig zusammenzubrechen ( siehe hier ). Die Brücke könnte robust und unzerstörbar sein, aber ästhetisch wäre sie viel hässlicher und wahrscheinlich teurer für die Zunahme von Beton und anderen Materialien.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Hängebrücken, bei denen parallel verlaufende Kabel über Türme geführt und an beiden Enden in Fels oder Beton verankert sind, besteht die San Francisco Oakland Bay-Brücke aus nur einem Turm und einem einzigen Kabel, das am Straßendeck selbst verankert ist und sich von dem aus windet östliches Ende zum westlichen Ende und wieder zurück.

Es macht keinen Sinn, unter anderem römische Brücken zu verteidigen. Römer testeten Entwürfe nur empirisch, bis sie realisierten, dass ein bestimmtes Modell Widerstand leistete, aber die Brückentechnik war zu dieser Zeit nicht zu groß.