Large-scale experiments of tsunami inundation of bridges including fluid-structure interaction

Abstract

Recent major earthquake events that occurred in the Indian Ocean (2004), Chile (2010) and Japan (2011) generated tsunami waves of significant heights, which inundated nearby coastal cities causing extreme destruction and loss of human lives. Many coastal bridges were inundated by the tsunami and although they were able to withstand the earthquake, they were damaged by the subsequent waves. In particular, the tsunami inundation damaged 81 bridges on the coast of Sumatra in 2004 and 252 bridges in Japan in 2011 according to on-site investigations (Unjoh 2007 and Maruyama 2013a respectively). The main damage occurred in the connections of the superstructure to the substructure causing the bridge deck to be unseated and washed away. This damage pattern was observed for different types of bridges including steel-truss bridges, I-girder composite bridges, PC-girder bridges and box-girder bridges. These unforeseen events demonstrated the vulnerability of bridges to tsunami inundation. The main objectives of this study were to (a) understand the tsunami inundation mechanism of coastal bridges, (b) evaluate the accuracy of existing simplified predictive equations for tsunami loads, (c) identify the difference in the bridge response when subjected to unbroken solitary waves and more realistic turbulent bores, (d) investigate not only the total waves forces but also the distribution of these forces in each bearing and connection in order to determine the max force that each connection has to withstand, (e) shed light on the physics of the dynamic wave-structure interaction and how it is affected by the dynamic characteristics of the bridge, (f) gain an insight into the role of air-entrapment and nonlinear wave-air interaction for bridges with diaphragms, (g) examine the tsunami forces for different types of bridges including I-girder bridges with cross-frames and diaphragms as well as box-girder bridges, (h) investigate possible mitigation strategies, such as air-vents in the deck, and (i) develop a high quality database that can be used for validation of CFD and FSI models, and development of recommendations and design guidelines for establishing tsunami-resilient bridges. To this end, advanced fluid-structure interaction (FSI) analyses, which considered both the hydrodynamics and structural dynamics, were conducted in LS-DYNA using High-Processing Computing (HPC). Three different wave types and four different bridge configurations were simulated in the analyses and interesting results were obtained. To complement these analyses and advance the state-of-the-art large-scale hydrodynamic experiments were conducted in the Large Wave Flume of the O.H. Hinsdale Wave Research Laboratory at Oregon State University. Twelve configurations of a 1:5 scale I-girder composite bridge, several wave heights between 0.36m and 1.40m, two water depths and a total of 270 runs were tested in the LWF in order to meet the objectives of the project. The results of the study demonstrate (a) the complexity of the tsunami inundation mechanism with the existence of four different phases, among which a phase with a large overturning moment and a distinct rotational bridge mode at the time of the first impact of the tsunami wave on the bridge where the impulsive horizontal and uplift tsunami loads are maximized, introducing the largest tension in the offshore bearings for most of the waves (Phase 1), a phase with a pure uplift of the bridge and a governing translational bridge mode as all the chambers of the bridge become inundated and the quasi-static component of the uplift force is maximized (Phase 3), introducing the maximum tension in many bearings, and a phase with a downward force when the wave hits the top side of the deck, introducing significant compression especially in the onshore bearings (Phase 4), (b) the dependence of the tsunami forces on the wave type with the bores introducing larger horizontal forces than vertical ones and the solitary waves the opposite, (c) the insufficiency of the current research approach of examining the tsunami effects on bridges via the calculation of the total tsunami forces on the deck and the need to examine the forces in each connection and bridge member in order to really understand the effects of the complex wave-structure interaction, (d) the significance of the inertial forces and the bridge dynamic characteristics on the fluid-structure interaction and the forces introduced in the connections, shear keys and substructure, with the very stiff bridge configurations witnessing larger connection forces than the applied load for many bore heights due to dynamic amplification, (e) the increase of the total uplift forces in bridges with diaphragms due to the air-entrapment and the complex effect on the bridge connections due to the nonlinear wave-air interaction, which is also different for solitary waves and bores, (f) the variation of the tsunami loads for different types of bridges, with the box-girder bridge witnessing uplift forces up to 5 times larger than the ones applied on an I-girder bridge with cross-frames, and (g) the effectiveness of air-vents in the bridge deck as a mitigation measure against tsunamis as well as their limitations, the importance of the distance of the vents from the diaphragms and the girders forming the chambers, and the existence of significant 3D effects even in the case of 2D wave propagation with impact of the waves normal to the bridge span.

Tα πρόσφατα μεγάλα σεισμικά γεγονότα που συνέβησαν στον Ινδικό Ωκεανό (2004), τη Χιλή (2010) και την Ιαπωνία (2011) δημιούργησαν κύματα τσουνάμι σημαντικών υψών, τα οποία κατέκλυσαν τις παρακείμενες παράκτιες πόλεις προκαλώντας ακραία καταστροφή και απώλεια ανθρώπινων ζωών. Πολλές παράκτιες γέφυρες πλημμύρισαν από το τσουνάμι και παρόλο που μπόρεσαν να αντέξουν τον σεισμό, υπέστησαν ζημιές από τα κύματα. Συγκεκριμένα, ο κατακλυσμός από το τσουνάμι κατέστρεψε 81 γέφυρες στην ακτή της Σουμάτρα το 2004 και 252 γέφυρες στην Ιαπωνία το 2011 σύμφωνα με επιτόπιες έρευνες (Unjoh 2007 και Maruyama 2013a αντίστοιχα). Η κύρια ζημιά σημειώθηκε στις συνδέσεις της ανωδομής με τα υποστυλώματα, με αποτέλεσμα το κατάστρωμα της γέφυρας να παρασυρθεί απο το νερό. Αυτή η μορφή αστοχίας παρατηρήθηκε σε διάφορους τύπους γεφυρών, συμπεριλαμβανομένων των γεφυρών από χάλυβα, σύνθετων γεφυρών I-girder, προεντεταμένων γεφυρών και γεφυρών box-girder. Αυτά τα απρόβλεπτα γεγονότα ανέδειξαν την ευπάθεια των γεφυρών στον κατακλυσμό από το τσουνάμι. Οι κύριοι στόχοι αυτής της μελέτης ήταν να (α) κατανοήσουμε τον μηχανισμό κατακλυσμού από το τσουνάμι των παράκτιων γεφυρών, (β) να αξιολογήσουμε την ακρίβεια των υφιστάμενων απλουστευμένων εξισώσεων πρόβλεψης φορτίων απο τσουνάμι, (γ) προσδιορίσoυμε τη διαφορά στην απόκριση της γέφυρας όταν υποβάλλεται σε μη θραυόμενα μοναχικά κύματα και πιο ρεαλιστικές τυρβώδεις ροές, (δ) διερευνήσουμε όχι μόνο τις συνολικές δυνάμεις κυμάτων αλλά και την κατανομή αυτών των δυνάμεων σε κάθε εφέδρανο και σύνδεση προκειμένου να προσδιοριστεί η μέγιστη δύναμη που πρέπει να αντέξει η κάθε σύνδεση, (ε) ρίξουμε φως στην φυσική της δυναμικής αλληλεπίδρασης κύματος-δομής και πώς αυτή επηρεάζεται από τα δυναμικά χαρακτηριστικά της γέφυρας, (στ) αποκτήσουμε μια εικόνα για το ρόλο του παγιδευμένου αέρα και της μη γραμμικής αλληλεπίδρασης κύματος-αέρα για γέφυρες με διαφράγματα, (ζ) εξετάσουμε τα τσουναμικά φορτία για διαφορετικούς τύπους γεφυρών, συμπεριλαμβανομένων των γεφυρών I-girder με εγκάρσια πλαίσια και διαφράγματα, καθώς και γεφυρών box-girder, (η) διερευνήσουμε πιθανές στρατηγικές μετριασμού, όπως αεραγωγών στο κατάστρωμα, και (i) αναπτύξουμε μια βάση δεδομένων υψηλής ποιότητας που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επικύρωση των μοντέλων CFD και FSI, και ανάπτυξη συστάσεων και κατευθυντήριων γραμμών σχεδιασμού για τη δημιουργία γεφυρών με αντοχή στο τσουνάμι. Για το σκοπό αυτό, οι προηγμένες αναλύσεις αλληλεπίδρασης ρευστού-κατασκευής (FSI), οι οποίες εξέτασαν τόσο την υδροδυναμική όσο και τη δομική δυναμική, διεξήχθησαν στο LS-DYNA χρησιμοποιώντας υπευπολογιστές. Τρεις διαφορετικοί τύποι κυμάτων και τέσσερις διαφορετικές διαμορφώσεις γέφυρας προσομοιώθηκαν στις αναλύσεις και αποκτήθηκαν ενδιαφέροντα αποτελέσματα. Για να επεκταθούν αυτές οι αναλύσεις, μεγάλης κλίμακας υδροδυναμικά πειράματα πραγματοποιήθηκαν στο Large Wave Flume του O.H. Hinsdale Wave Research Laboratory στο Πανεπιστήμιο του Όρεγκον. Δώδεκα διαμορφώσεις μιας σύνθετης γέφυρας I-δοκού κλίμακας 1: 5, διάφορα ύψη κύματος μεταξύ 0,36m και 1,40m, δύο βάθη νερού και συνολικά 270 πειράματα έγιναν στο LWF προκειμένου να επιτευχθούν οι στόχοι του έργου. Τα αποτελέσματα της μελέτης καταδεικνύουν (α) την πολυπλοκότητα του μηχανισμού κατακλυσμού από το τσουνάμι με την ύπαρξη τεσσάρων διαφορετικών φάσεων, μεταξύ των οποίων μια φάση με μια μεγάλη στιγμή ανατροπής και περιστροφής της γέφυρας κατά τη στιγμή της πρώτης επίδρασης του κύματος τσουνάμι στη γέφυρα όπου μεγιστοποιούνται τα παρορμητικά οριζόντια και ανυψωτικά φορτία τσουνάμι, εισάγοντας τη μεγαλύτερη ένταση στα υπεράκτια εφέδρανα για τα περισσότερα από τα εξεταζόμενα κύματα (Φάση 1), μια φάση με καθαρή ανύψωση της γέφυρας και μια μετατόπισης της γέφυρας κατα την διάρκεια της οποίας οι θάλαμοι της γέφυρας κατακλύζονται και το υδροστατικό στοιχείο της δύναμης ανύψωσης μεγιστοποιείται (Φάση 3), εισάγοντας τη μέγιστη τάση σε πολλά εφέδρανα, και μια φάση με δύναμη προς τα κάτω όταν το κύμα χτυπά την πάνω πλευρά του καταστρώματος, εισάγοντας σημαντική συμπίεση ειδικά στα χερσαία εφέδρανα (Φάση 4), (β) η εξάρτηση των δυνάμεων τσουνάμι απο τον τύπο κυματισμού με τους θραυμένους κυματισμούς να εισάγουν μεγαλύτερες οριζόντιες δυνάμεις από κάθετες και τα μοναχικά κύματα το αντίθετο, (γ) την ανεπάρκεια της τρέχουσας ερευνητικής προσέγγισης για την εξέταση των επιπτώσεων του τσουνάμι στις γέφυρες μέσω του υπολογισμού των συνολικών δυνάμεων τσουνάμι στο κατάστρωμα και της ανάγκης εξέτασης των δυνάμεων σε κάθε σύνδεση και μέλους γέφυρας στο προκειμένου να κατανοήσουμε πραγματικά τα αποτελέσματα της πολύπλοκης αλληλεπίδρασης κύματος-κατασκευής, (δ) τη σημασία των αδρανειακών δυνάμεων και των δυναμικών χαρακτηριστικών της γέφυρας στην αλληλεπίδραση δομής ρευστού και τις δυνάμεις που εισάγονται στις συνδέσεις, τα διατμητικά πλήκτρα και την υποδομή, με άκαμπτες διαμορφώσεις γέφυρας που μαρτυρούν μεγαλύτερες δυνάμεις σύνδεσης από το εφαρμοζόμενο φορτίο για πολλά ύψη οπών λόγω δυναμικής ενίσχυσης, (ε) την αύξηση των συνολικών δυνάμεων ανύψωσης σε γέφυρες με διαφράγματα λόγω της παγίδευσης αέρα και της περίπλοκης επίδρασης στις συνδέσεις της γέφυρας λόγω τη μη γραμμική αλληλεπίδραση κύματος-αέρα, η οποία είναι επίσης διαφορετική για μοναχικά κύματα και θραυμένους κυματισμούς, (στ) τη διακύμανση των φορτίων τσουνάμι για διαφορετικά είδη ανωδομών γέφυρας, με την box-girder γέφυρα να δείχνει δυνάμεις ανύψωσης έως και 5 φορές μεγαλύτερες από αυτές που εφαρμόζονται σε γέφυρα I-girder με σταυρωτά πλαίσια, και (ζ) την αποτελεσματικότητα των αεραγωγών στο κατάστρωμα της γέφυρας ως μετριασμό των τσουνάμι καθώς και των περιορισμών τους, της σημασίας της απόστασης των αεραγωγών από τα διαφράγματα και τις δοκούς που σχηματίζουν τους θαλάμους, και την ύπαρξη σημαντικών τρισδιάστατων χαρακτηριστικών ακόμη και στην περίπτωση δισδιάστατης διάδοσης κυμάτων.