Seismische responsanalyse van kolenmijnschacht-torenconstructie rekening houdend met PSSI-effect onder verschillende locaties

Waarom ondergrondse torens en aardbevingen ertoe doen

Diepe kolenmijnen vertrouwen op hoge betonnen schachttorens aan de oppervlakte om mensen en kolen uit grote diepten omhoog te brengen. Deze torens rusten op funderingen die zich in gelaagde grond en gesteente uitstrekken. Wanneer een aardbeving optreedt, beweegt niet alleen de toren; ook de palen en de omliggende grond bewegen, en alle drie beïnvloeden ze elkaar. Deze studie stelt een praktische vraag met grote veiligheids- en kostengevolgen: hoeveel verandert deze verborgen wisselwerking tussen bodem, palen en toren de manier waarop een schachttoren op aardbevingen reageert, en maakt dat de huidige ontwerprichtlijnen in sommige gebieden te risicovol en in andere te conservatief?

Hoe toren, palen en grond samen bewegen

De auteurs richten zich op een moderne, grote kolenmijnschachttoren van ongeveer 90 meter hoog, gedragen door een gepalende raftfundering die star is verbonden met een verticaal betonnen schachtlichaam. In plaats van aan te nemen dat de basis perfect vastligt, beschouwen ze de toren, de palen, de raft, het schachtlichaam en de gelaagde grond als één gekoppeld systeem. Met behulp van gevestigde fysische modellen vereenvoudigen ze deze complexe opbouw tot een set veren, massa’s en dempers die kunnen nabootsen hoe elk onderdeel buigt, kantelt en schuift bij trilling. Vervolgens leiden ze bewegingsvergelijkingen af die de beweging op de verdiepingen van de toren koppelen aan die van de begraven fundering en de omliggende grond, en lossen deze vergelijkingen numeriek op met op maat gemaakte MATLAB-code.

Realistische aardbevingen en grondtypen testen

Om te onderzoeken hoe dit gekoppelde gedrag in de praktijk werkt, gebruiken de onderzoekers een echte mijn in Anhui, China, als casestudy. Ze selecteren 21 seismische opnames—zowel sterke natuurlijke bevingen als zorgvuldig gesimuleerde—en passen deze horizontaal toe aan de basis. Ze onderzoeken drie typische grondcondities die in Chinese seismische normen worden gebruikt: een relatief stijve locatie “Type II”, een tussentijds “Type III” en een zachtere “Type IV”, elk weergegeven door meerdere bodemlagen met verschillende stijfheid en dichtheid. Voor de vergelijking voeren ze elke grondbeweging twee keer uit: eenmaal met de volledige bodem–paal–toreninteractie en eenmaal met de gebruikelijke simplificatie die de fundering als perfect star beschouwt.

Wat er gebeurt met verdieping-voor-verdieping slingering

De belangrijkste grootheid die ze volgen is de tussenverdiepingsverplaatsing—de relatieve zijwaartse verplaatsing tussen aangrenzende verdiepingen—die nauw samenhangt met buigkrachten in wanden, liggers en kolommen. De auteurs definiëren een “versterkingscoëfficiënt” als de verhouding van deze tussenverdiepingsdrift in het realistische, interactieve systeem tot die in de starre-fundering-idealisatie. Waarden boven één betekenen dat de interactie de krachten verhoogt; waarden onder één betekenen dat ze deze juist vermindert. Over alle drie de locatie-types verschijnt de grootste versterking consequent helemaal bovenaan de toren, waar een zweepachtige werking de beweging concentreert, terwijl de middelste verdiepingen minder dramatisch bewegen.

Verschillende gronden, verschillende veiligheidsmarges

De resultaten tonen aan dat het negeren van bodem–paal–constructie-interactie in sommige situaties gevaarlijk kan zijn en in andere verspilling oplevert. Op stijve Type II-grond liggen de gemiddelde versterkingscoëfficiënten voor tussenverdiepingsverplaatsing tussen ongeveer 1,31 en 1,61, wat betekent dat de echte toren 30–60 procent grotere driften kan ervaren en dus hogere interne krachten dan voorspeld door een starre-basisontwerp. Voor Type III-grond liggen de gemiddelden dichter bij één, ruwweg 0,89 tot 1,25, met amplificatie vooral in de bovenste verdiepingen. Op de zachte Type IV-grond dalen de gemiddelden naar ongeveer 0,74 tot 0,97, zodat de interactie meestal de driften vermindert vergeleken met de starre-basisaanname. Fysisch heeft het gekoppelde bodem–paal–toren-systeem een langere trilperiode dan de starre toren alleen, wat die kan verschuiven weg van de meest schadelijke frequentieband van de grondbeweging en de seismische vraag kan verminderen.

Wat dit betekent voor mijnveiligheid en ontwerp

Voor praktiserende ingenieurs is de boodschap tweeledig. In streken met stijve grond en sterke seismische zones kan het ontwerpen van een schachttoren alsof deze op een onnachgankelijke basis staat de werkelijke aardkracht onderschatten, vooral nabij de bovenste verdiepingen, waardoor bestaande constructies verborgen veiligheidsrisico’s kunnen hebben. In zachtere gronden kan dezelfde simplificatie de krachten overschatten en onnodig zware en kostbare ontwerpen opleggen. De studie biedt een praktisch kader om bodem–paal–constructie-interactie op te nemen in de analyse van schachttorens en wijst op welke combinaties van grondtype, torenhoogte en trilperiode de seismische respons het sterkst beïnvloeden. Hoewel de exacte cijfers per toren verschillen, biedt het algemene patroon—dat de bovenste verdiepingen het meest kwetsbaar zijn en dat zachtere locaties soms meer helpen dan schaden—een duidelijker, genuanceerder basis voor het ontwerpen en renoveren van kolenmijnschachttorens in aardbevingsgevoelige gebieden.

Bronvermelding: Han, L., Zhao, S., Zhang, Y. et al. Seismic response analysis of coal mine shaft tower structure considering PSSI effect under different sites. Sci Rep 16, 6656 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37617-5

Trefwoorden: kolenmijn schacht toren, bodem–constructie interactie, palen-raft fundering, aardbevingskunde, tussenverdieping verplaatsing