Come possono i ponti di grandi dimensioni essere resi resistenti ai terremoti?

In che modo i ponti di grandi dimensioni, con campate dell'ordine di 1 km, possono essere resi resistenti ai terremoti?

Non sono esperto di terremoti, ma ci sono almeno due tipi di scuotimento: laterale e verticale. Lo scuotimento verticale in particolare mi preoccupa davvero. Non so come si possa integrare qualsiasi tipo di assorbimento degli urti in una struttura massiccia e alta come un edificio o una torre a ponte.

(Inizialmente stavo per chiedere dei ponti sospesi, ma poi ho letto che i ponti sospesi non sono grandi per i treni pesanti. Lo sfondo di questa domanda sta nella mia esplorazione dell'idea di un ponte di Bering (dall'Alaska alla Siberia, attraversando lo stretto di Bering ), che sarebbe principalmente un ponte ferroviario. Dovrebbe gestire i treni merci, il più pesante di tutti a volte superiore a 100 tonnellate per auto.)

Quindi farò solo la domanda sui grandi ponti in generale.

Penso che il più grande terremoto in Alaska sia stato una scala 9,4 Richter nel 1964, colpendo Fairbanks. (Non so come convertire in scala Moment-Magnitude). È possibile costruire ponti di grandi dimensioni che non collasseranno da quello? Idealmente, vogliamo che il ponte non collassi durante un terremoto anche se è a pieno carico.

PS So che non è conveniente costruire un tale ponte. Per prima cosa, la Siberia dell'Estremo Oriente non ha una rete ferroviaria (o molta civiltà in generale). È stato proposto un progetto di tunnel che, a mio avviso, diceva fosse più economico di un ponte, cosa che non riuscivo a capire perché scavare nella roccia dura sembra molto più difficile che guidare una pila in acque profonde 50 metri. Il progetto del tunnel è stato sospeso IIRC, nessuna sorpresa.

Ad ogni modo, sto solo esplorando se un tale ponte è tecnicamente possibile e può essere resistente ai terremoti. Se hai bisogno di qualcosa di più vicino alla realtà, suppongo che possiamo guardare il Golden Gate Bridge di San Francisco. Ho visto qui che stavano lavorando per renderlo sicuro nei terremoti fino alla 8.3, ma non è entrato nei dettagli. E tieni presente che il Golden Gate Bridge non gestisce i treni merci.

Ad ogni modo, è possibile resistere ai terremoti o resistere seriamente ai terremoti in grandi ponti caricati con un treno merci? Il ponte non dovrebbe necessariamente rimanere completamente integro. Non voglio che scatta e lasci cadere il treno nell'oceano.

È possibile?

Non puoi mai fare qualcosa a prova di terremoto, ma ci sono molte cose che possono essere fatte per resistere ai terremoti.

Ci sono ponti a lunga portata costruiti in zone sismiche. Ad esempio, il ponte Akashi Kaikyo in Giappone è attualmente il ponte a campata più lunga del mondo ed è in una grave zona sismica. È progettato per resistere a un terremoto di magnitudo 8,5. In effetti è stato sottoposto a un terremoto di magnitudo 7,2 durante la costruzione . galtor ha menzionato in un'altra risposta il ponte della baia di San Francisco che è stato adattato per migliorare la sua resistenza sismica. Quindi progettare ponti per resistere a forti terremoti è certamente possibile ed è stato fatto.

Cosa si può fare per migliorare la resistenza sismica di un ponte?

Gli ammortizzatori di massa sintonizzati vengono utilizzati in edifici alti e in ponti per contrastare il movimento a causa di terremoti, vento e altri carichi laterali. Ad esempio, il ponte Akashi Kaikyo utilizza TMD nelle torri di sospensione.

L'isolamento di base è una delle tecniche più comuni utilizzate per resistere al movimento sismico. Si tratta di dispositivi che essenzialmente separano il movimento orizzontale della fondazione dal resto della struttura utilizzando una qualche forma di cuscinetti scorrevoli. Se progettato correttamente, ciò può ridurre drasticamente i danni da terremoto.

Anche gli smorzatori sismici sono comuni. Si tratta di una gamma di dispositivi che agiscono per rimuovere l'energia sismica dalla struttura simile a come gli ammortizzatori su un'auto rimuovono l'energia di vibrazione dell'auto che percorre una strada accidentata.

Queste tecnologie sono ben comprese e vengono spesso utilizzate in ponti ed edifici. Esistono più tecniche sperimentali che sono anche possibili come: isolamento a dondolo o sistemi di smorzamento attivo (smorzatori controllati dal computer).

Se lo si desidera, questi dispositivi possono anche essere utilizzati in combinazione per migliorare ulteriormente la risposta al terremoto.

Nella pratica di progettazione sismica standard una struttura è progettata per accogliere alcuni danni. Questo danno è, ove possibile, concentrato in elementi che sono più facilmente sostituibili (travi e controventi) e che non comporteranno un crollo sproporzionato se danneggiato.

È certamente tecnicamente possibile progettare ponti di grandi dimensioni per resistere al carico sismico. Soprattutto se non ci fossero vincoli finanziari.

Puoi trovare questa lettura utile: come funzionano gli edifici antisismici . Le tecniche utilizzate negli edifici possono essere applicate anche ai ponti.

In realtà ponti molto lunghi (ed edifici super alti) spesso hanno meno problemi con i terremoti rispetto ai loro fratelli più piccoli. Ciò è dovuto al fatto che sono generalmente molto più flessibili e quindi hanno periodi fondamentali inferiori che li rendono meno suscettibili alla risonanza nei loro modi fondamentali. Le modalità fondamentali sono i modelli ondeggianti che includono la maggior parte della massa strutturale. Un'estrema semplificazione sarebbe che la struttura principale oscilli così lentamente che a malapena nota i rapidi movimenti di un terremoto. Un po 'come una grande nave a piccole onde.

In generale, le strutture di "medie dimensioni", con frequenze fondamentali comprese tra 1Hz e 10Hz, sono di solito molto più gravemente colpite in quanto vi è un rischio molto maggiore di risonanza fondamentale che porta a effetti di carico molto grandi. Per strutture molto grandi e sottili, l'ingegneria eolica è generalmente una sfida più grande dell'ingegneria sismica.

Tuttavia, i pilastri e gli abutment e le loro connessioni al ponte principale sono fondamentali in quanto di solito sono molto più rigidi del ponte nel suo insieme. E, data la quantità investita e le conseguenze potenzialmente orribili di un fallimento di una grande struttura, saranno ovviamente fatti molti sforzi per eseguire e verificare (e triplicare il controllo) l'ingegneria sismica di ogni parte della struttura. Sto solo sottolineando che i problemi non sono semplicemente proporzionali alla scala, le strutture più grandi non sono necessariamente più difficili da "antisismiche" rispetto a quelle più piccole.

Ho intenzione di centrare uno dei ponti più famosi di queste condizioni negli ultimi anni: San Francisco Bay Bridge.

Questo ponte non è progettato per i treni e quindi hanno testato con enormi martinetti idraulici (vedi qui ). Questo ponte è progettato per non collassare durante un terremoto, ma solo per subire piccoli guasti che potrebbero essere facilmente riparati.

Quando i terremoti, uno dei punti cruciali che è stato trovato è che la torre del ponte deve resistere e non cadere. E questo è un punto chiave nell'attuale ponte, in quanto ha un seminterrato individuale e costoso e la torre principale è divisa in quattro pezzi per non crollare completamente ( vedi qui ). Il ponte potrebbe essere robusto e indistruttibile, ma esteticamente sarebbe molto più brutto e probabilmente più costoso per l'incremento del calcestruzzo e di altri materiali.

A differenza dei ponti sospesi più convenzionali, in cui i cavi paralleli sono posati su torri e ancorati ad entrambe le estremità in roccia o cemento, il ponte di San Francisco Oakland Bay ha solo una singola torre e un singolo cavo che è ancorato al ponte stradale stesso, che si snoda dal estremità orientale a ovest e viceversa.

Non ha senso difendere tra l'altro i ponti romani. I romani testarono empiricamente i progetti fino a quando non si resero conto che un modello particolare resisteva, ma la progettazione del ponte non era troppo grande quei tempi.