Forskare, inklusive två Oregon State University-forskare, hävdar i en ny studie att ett paradigmskifte behövs för att bedöma broars tsunami-risk.

Studien, delvis motiverad av att hundratals broar förstördes under de senaste tsunamis utanför Japans kust och i Indiska oceanen, främjar förståelsen av fysiken i arbetet när en tsunami slår in i en bro – vilket öppnar dörren för att designa kustområden som bättre kan motstå översvämning av de gigantiska vågorna.

Forskarna säger att det inte räcker att bara tänka i termer av den totala tsunamibelastningen på en bro – belastningen på brons individuella strukturella komponenter måste också beaktas.

Under de senaste 15 åren, stora jordbävningar vars epicentra låg i havet utanför Japans och Indonesiens kuster har orsakat tsunamier som dödade mer än 250, 000 människor och orsakade mer än 200 miljarder dollar i skada. Skadan inkluderar borttvättning eller på annat sätt avlägsnande av hundratals broar, betonar behovet av att bättre förstå vågeffekternas underliggande fysik.

Forskningen, publiceras i Journal of Marine Science and Engineering , involverade byggandet av en modell i skala 1:5 av en bro med öppen balk vid University of Nevada-Reno.

Den färdiga modellen skickades sedan till OSU för testning i O.H. Hinsdale Wave Research Laboratory's Large Wave Flume, som är 104,24 meter lång, 3,66 meter bred och 4,57 meter djup.

"Alla strukturella detaljer ingick, som stålbalkar och ett betongdäck som representerar vägbanan, " sa labbchef Pedro Lomonaco, en studie medförfattare. "Bron var fullt instrumenterad för att mäta tryck, krafter och accelerationer från bron när vi utförde en serie tester på tsunamivågornas slagkrafter."

Vågorna utövar både horisontella och vertikala krafter, och resultaten visade att dessa två maximum inte nödvändigtvis inträffar samtidigt. Det är ett viktigt fynd med tanke på det rådande tänkandet.

"Tvärtemot den rekommenderade praxis, Att samtidigt applicera maximal horisontell kraft och maximal vertikal kraft vid brodäckets tyngdpunkt tillåter inte en konservativ uppskattning av höjningen för individuella anslutningar mellan strukturella komponenter, " sa medförfattaren Solomon Yim från OSU College of Engineering.

De flesta studier hittills, Yim och Lomonaco noterar, har undersökt total belastning och inte belastningen på enskilda balkar, däckskammare, lager och anslutningar.

"Avbrottet av lageranslutningarna var den huvudsakliga typen av broskador som setts under de senaste tsunamis, visar att det är avgörande att kvantifiera vad tsunamin gör med dessa komponenter och dechiffrera den underliggande fysiken, "Yim sa. "Våra studier avslöjar en komplex broöversvämningsmekanism som består av tre upplyftningsfaser och en nedåtgående fas, med varje fas som maximerar efterfrågan på olika strukturella komponenter."

Yim, Lomonaco och medarbetare på Nevada-Reno utvecklade en ny, fysikbaserad metodik som ingenjörer kan använda för att designa broanslutningar, stållager och pelare för att bättre stå emot tsunamis.

Modifiering av modellbryggans vertikala och horisontella styvhet, de fann att överföringen av krafterna till den bärande underkonstruktionen förändrades avsevärt.

"Det höga trycket som utvecklades under bron spelade en betydande roll för brons stabilitet, och olika mildrande åtgärder testades, från att täppa till mellanrummen mellan balkar till att integrera ventilation på betongdäcket, ", sade Lomonaco. "Experimenten skapade en omfattande databas för designriktlinjer och beräkningsmodellutveckling och validering. Resultaten av denna och kommande studier om samspelet mellan broar och tsunamier kan tillämpas direkt vid design och eftermontering av broar. Till exempel, effekten av ventilering för att minska utvecklingen av höga undertryck."

Ian Buckle och doktorand Denis Istrati från Nevada-Reno ledde studien, som stöddes av Federal Highway Administration, och Oregon Department of Transportation.

"Ian Buckle är expert på brodesign och storskaliga experiment, " Sa Yim. "Tsunamikollisioner är mer av mitt och Pedros område. Detta arbete sammanförde UNR:s och OSU:s expertis."