USC-Ingenieure arbeiten an der Verbesserung des Erdbebens

Jun 11, 2023

Juan Caicedo hat Erfahrungen mit Erdbeben aus erster Hand. Der derzeitige Vorsitzende der Abteilung für Bau- und Umweltingenieurwesen lebte 1983 in Kolumbien, als ein Erdbeben der Stärke 5,5 die Stadt Popayan erschütterte und etwa 14.000 Gebäude beschädigte.

Die Tragödie veranlasste Kolumbien, neue Gesetze zu erlassen, die erdbebensichere Baumaterialien in erdbebengefährdeten Gebieten vorschreiben. Es beeinflusste Caicedo auch, Bauingenieurwesen zu studieren und sich auf Bauwerke zu konzentrieren.

Der Bau erdbebensicherer Bauwerke ist jedoch nur ein Teil der technischen Strategie, die erforderlich ist, um Bauwerke sicherer zu machen. Der Boden, auf dem ein Bauwerk steht, wird als noch wichtiger angesehen als die verwendeten Baumaterialien. Daher ist es unerlässlich, dass Ingenieure mit anderen Experten zusammenarbeiten, um sicherzustellen, dass Bauwerke in South Carolina erdbebensicher sind.

„Für jeden, der den Boden untersucht, ist es wichtig, Informationen mit dem Bauingenieur auszutauschen, da zwischen beiden ein enger Zusammenhang besteht“, sagt Caicedo. „Der Geotechnikingenieur muss die Geometrie des Bauwerks und die Kapazität des Bodens kennen. Je besser die Kommunikation und das Feedback, desto fundierter wird das endgültige Design sein.“

Der US Geological Survey betrachtet South Carolina als potenziell stark erdbebengefährdetes Gebiet. Am 31. August 1886 ereignete sich in der Nähe von Charleston ein Erdbeben der geschätzten Stärke 7,6, das stärkste je an der Ostküste der USA. Heutzutage müssen alle Bauwerke im ganzen Bundesstaat nach erdbebenseismischen Entwurfsspezifikationen gebaut werden.

Die Fachkenntnisse von außerordentlichem Professor Inthuorn Sasanakul liegen in der Geotechnik, einer Teildisziplin, die sich auf das Verhalten von Böden und natürlichen Materialien im Boden konzentriert. Dazu gehört auch die Untersuchung der dynamischen Belastung, bei der sich eine Last im Laufe der Zeit ändert und eine Kraft auf eine Struktur ausübt, die größer ist als ihr Widerstand.

Bei der geotechnischen Erdbebenplanung werden der Boden, die Gestaltung des Fundaments eines Bauwerks und die Lastdynamik berücksichtigt. Da Bauwerke aufgrund der Art des Bodens unter dem Fundament vor allem bei Erdbeben einstürzen, unterstützt Sasanakuls Arbeit die erforderliche seismische Auslegung kritischer Infrastrukturen wie Straßen, Brücken und Dämme.

„Wir haben es mit Unsicherheiten und Komplexitäten im Zusammenhang mit dynamischen Belastungen und natürlichen Materialien zu tun, was die geotechnische Erdbebenplanung kompliziert macht“, sagt Sasanakul.

Sasanakuls Forschung konzentriert sich häufig auf dynamisches Verhalten, das sich darauf bezieht, wie sich Boden, Fundamente und Strukturen bei einem Erdbeben verhalten und interagieren.

„Wir wissen, dass weiche Materialien oder lockerer Sand, der vollständig gesättigt ist und einer dynamischen oder Erdbebenlast ausgesetzt ist, das Potenzial haben, sich zu verflüssigen. Auf diesen Materialien errichtete Strukturen könnten bei einem Erdbeben möglicherweise einstürzen“, sagt Sasanakul.

Im August dieses Jahres werden Caicedo und Sasanakul ein vierjähriges, 1,5 Millionen US-Dollar teures Projekt zur Aktualisierung und Neufassung des seismischen Entwurfshandbuchs für Brücken des South Carolina Department of Transportation starten. Dazu gehört die Gestaltung von Brücken und deren Komponenten sowie der Boden und die Fundamente im Zusammenhang mit der Geotechnik.

„Anstatt zu versuchen, neue Theorien über Erdbeben oder neue Materialien zu entwickeln, wollen wir die Erdbebentechnik und die besten Praktiken für den Staat besser verstehen“, sagt Caicedo. „Wenn das SC DOT beginnt, Entwürfe und neue Brücken zu fordern, können diese wirtschaftlich machbar sein und der Kraft von Erdbeben standhalten.“

Eine Herausforderung für die geotechnische Erdbebenplanung in South Carolina ist das Fehlen mittelschwerer oder schwerer Erdbeben pro Jahr. Anders als in einem erdbebenaktiven Staat wie Kalifornien begrenzt dies die verfügbare Datenmenge zum Verständnis dynamischer Belastungen.

Es ist eine Herausforderung, wenn es nicht perfekt Sand oder Kies ist. Dies macht es für einen Ingenieur schwierig einzuschätzen, ob sich das Material wie eine Flüssigkeit verhält oder wie es während eines Erdbebens reagiert

Ein weiteres Problem sind die unterschiedlichen geologischen Merkmale in den einzelnen Regionen. In Küstennähe gibt es tiefe und weiche Böden, die zu Bodenverflüssigung und Festigkeitsverlust führen können. In den Midlands gibt es mehr Felsvorsprünge näher an der Oberfläche, während im Upstate eine Kombination aus Felsen und Bergen vorkommt. Weitere Forschung und Daten sind erforderlich, um das seismische Design zu verbessern und die verschiedenen Bodentypen und deren Unterschiede in ihrem Verhalten aufgrund geologischer Merkmale besser zu verstehen.

„Das unterschiedliche Bodenprofil ist wichtig für die seismische Auslegung. Wir müssen wissen, wie sich die Erdbebenlast tatsächlich im Boden ausbreitet und an die Oberfläche gelangt“, sagt Sasanakul.

Sasanakuls Forschung erforscht auch die Mischungen zwischen Sand und Kies im Boden. Da sich Kies möglicherweise nicht verflüssigt, sind die Mischungen zwischen den beiden Materialien unbekannt.

„Es ist eine Herausforderung, wenn es nicht perfekt Sand oder Kies ist. Dadurch ist es für einen Ingenieur schwierig einzuschätzen, ob sich das Material wie eine Flüssigkeit verhält oder wie es bei einem Erdbeben reagiert“, sagt Sasanakul.

Sasanakul führt verschiedene Tests in der geotechnischen Zentrifugenanlage des College of Engineering and Computing durch. Die Materialien werden in eine geschlossene Zentrifuge gegeben, um das großmaßstäbliche Strukturmodell zu simulieren, und bei 100 G geschleudert, um den Spannungszustand zu simulieren. Außerdem nutzt sie einen Erdbebensimulator, der ein Strukturmodell erschüttern und dessen Verhalten bestimmen kann.

„Bevor wir beurteilen, ob das Material während eines Erdbebens beeinträchtigt wird oder sich verflüssigt, müssen wir eine technische Charakterisierung der dynamischen Bodeneigenschaften durchführen. Bei diesem Test wird die Steifigkeit des Materials gemessen, um seine Festigkeit zu verstehen“, sagt Sasanakul. „Wir schauen uns den Boden und ein Modell der Bauwerke an, weil wir daran interessiert sind, wie die Fundamente mit dem Boden interagieren.“

Der jüngste Anstieg der Zahl kleinerer Erdbeben, insbesondere in der Region Midlands, motivierte South Carolina, eine Zweigstelle des Earthquake Engineering Research Institute zu gründen. Sasanakul hofft, dass dies dazu beitragen wird, Ingenieure, Geologen, Seismologen und andere aus verwandten Disziplinen zusammenzubringen.

„Hoffentlich ermöglicht dies den Austausch von Ideen und die Verbesserung unseres Umgangs mit Erdbeben im Bundesstaat“, sagt Sasanakul. „Eines der ersten Dinge, die ich erwähnte, war, dass wir mehr Daten und seismische Stationen benötigen, die Erdbebendaten sammeln. Dadurch kann meine Forschung multidisziplinär mit Seismologen und Geologen durchgeführt werden.“

Caicedo fügt hinzu, dass eine gemeinsame Anstrengung erforderlich sei, um eine landesweite erdbebensichere Infrastruktur zu schaffen.

„Es gibt eine Verbindung zwischen Geologie und Ingenieuren“, sagt Caicedo. „Während Geologen die Struktur der Erde untersuchen, berücksichtigt der Geotechnikingenieur die Informationen über die Kapazität des Bodens und die dynamische Belastung, die in den Entwurf einer Struktur einfließen.“

Themen: Fakultät, Lehre, Forschung, Erfahrungslernen, Führung, Hochschule für Ingenieurwesen und Informatik