Die Kollision eines Frachtschiffs, die am 26. März 2024 die Francis Scott Key Bridge in Baltimore zerstörte, wirft die Frage auf, was Ingenieure tun können, um solche Katastrophen in Zukunft zu verhindern. Hier erklärt Michael J. Chajes, Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen an der University of Delaware, wie sich die Entwurfsvorschriften für Brücken im Laufe der Jahre verändert haben und welche Herausforderungen der Bau neuer Bauwerke und die Nachrüstung bestehender Bauwerke mit sich bringt, damit sie extreme Ereignisse überstehen können.
Wie schwierig ist es, eine Brücke zu entwerfen, die der Kraft standhält, die die Francis Scott Key Bridge zerstört hat?
Sobald Ingenieure die Kräfte verstehen, denen eine Struktur ausgesetzt sein wird, können sie eine Struktur entwerfen, die diesen Kräften standhält. Allerdings wissen wir, dass jede Kraft in verschiedenen Größenordnungen auftreten kann. Beispielsweise wiegen nicht alle Lastwagen auf den Straßen das gleiche Gewicht, nicht alle Erdbeben haben die gleiche Stärke und nicht alle Schiffe wiegen das gleiche. Wir integrieren diese Kraftvariabilität in die Konstruktion.
Auch wenn es nach vorgegebenen Plänen gebaut wird, kann die endgültige Festigkeit des Bauwerks variieren. Die verwendeten Materialien weisen unterschiedliche Beständigkeiten auf. Beispielsweise weist Beton, der an zwei aufeinanderfolgenden Tagen angeliefert wird, eine leicht unterschiedliche Endfestigkeit auf. Diese Variabilität im Widerstand der endgültigen Struktur wird auch im Entwurfsprozess berücksichtigt, um die Sicherheit der Brücke oder des Gebäudes zu gewährleisten. Es ist unmöglich, zwei Brücken nach denselben Plänen zu bauen, und sie werden genau die gleiche Stärke haben.
Angesichts des Gewichts und der Geschwindigkeit des Schiffes, das auf die Francis-Scott-Key-Brücke prallte, müsste die Brücke gemäß den aktuellen US-amerikanischen Brückenkonstruktionsvorschriften so ausgelegt sein, dass sie einer seitlichen Kraft von 11.500 Tonnen standhält. Dies bedeutet, dass die Brücke einem Seitenaufprall dieser Größenordnung standhalten kann. Das entspricht dem Gewicht von rund fünfzig beladenen Boeing 777 oder dem Gewicht des Eiffelturms. Obwohl es sich hierbei um eine sehr große Querkraft handelt, können Strukturen so konstruiert werden, dass sie solchen Kräften standhalten. Hohe Gebäude sind in der Regel darauf ausgelegt, seitlichen Belastungen dieser Größenordnung durch Wind oder Erdbeben standzuhalten. Es hängt jedoch alles davon ab, wie viel man für die Struktur ausgeben möchte, und viele Designziele und Einschränkungen müssen gegeneinander abgewogen werden.
Was tun Ingenieure, um die Sicherheit bei Extremereignissen zu gewährleisten?
Unser Wissen darüber, wie sich Extremereignisse auf Bauwerke auswirken, entwickelt sich ständig weiter. Ein Bereich, in dem dies sehr offensichtlich ist, ist die Erdbebentechnik. Nach jedem Erdbeben lernen Bauingenieure, was funktioniert hat und was nicht, und entwickeln dann Entwurfsvorschriften für Gebäude und Brücken. Infrastruktureigentümer versuchen auch, bestehende Strukturen, die auf frühere Vorschriften ausgelegt sind, nachzurüsten.
Schiffskollisionen und ihre Auswirkungen auf Brücken sind ein ähnlicher Bereich, in dem sich das Verständnis weiterentwickelt und Konstruktionsvorschriften verbessert werden. Zwischen 1960 und 2015 kam es weltweit zu mehr als 35 großen Brückeneinstürzen, die durch Schiffskollisionen verursacht wurden. Ingenieure bewerten Ausfälle und aktualisieren technische Vorschriften, um die Auswirkungen von Schiffskollisionen besser berücksichtigen zu können.
Wie hat sich das Brückendesign seit dem Bau der Baltimore Bridge verändert?
Die Francis Scott Key Bridge wurde in den frühen 1970er Jahren entworfen. Der Bau begann 1972 und wurde 1977 für den Verkehr freigegeben. Dies ging dem Einsturz des Sunshine Skyway in Florida im Jahr 1980 voraus, der durch eine Kollision mit einem Schiff verursacht wurde, ähnlich wie in Baltimore . Dieser Brückeneinsturz führte zum Start von Forschungsprojekten, die 1991 zur Entwicklung eines amerikanischen Leitfadens führten, der 2009 aktualisiert wurde.
Basierend auf dieser Leitfadenspezifikation wurden die Konstruktionsvorschriften für Brücken geändert, um Kräfte aufgrund von Schiffskollisionen einzubeziehen. Beim Entwurf der Francis Scott Key Bridge hätten die Auswirkungen von Schiffskollisionen nicht berücksichtigt werden dürfen. Der aktuelle US-Brückenentwurfscode besagt Folgendes:
„Wenn eine Kollision mit einem Schiff zu erwarten ist, sollten die Strukturen wie folgt aussehen:
• Entwickelt, um Kollisionskräften von Schiffen und/oder standzuhalten
• Ausreichend geschützt durch Verteidigungsanlagen, Delfine, Bermen, Inseln oder andere entbehrliche Einrichtungen.
Weitere Veränderungen seit den 1970er Jahren waren die Zunahme der Größe und des Gewichts von Frachtschiffen. Das Schiff, das 1980 den Sunshine Skyway zerstörte, wog 35.000 Tonnen, während das Schiff, das mit der Francis Scott Key Bridge kollidierte, 95.000 Tonnen wog.
Angesichts des zunehmenden Gewichts von Frachtschiffen besteht die kostengünstigste Konstruktionsstrategie zur Verhinderung eines Brückeneinsturzes aufgrund einer Schiffskollision möglicherweise darin, die Brückenpfeiler vor Stößen zu schützen. Dies geschieht durch den Bau eines Kollisionsschutzsystems auf dem Deck, bei dem es sich häufig um eine Beton- oder Felskonstruktion handelt, die den Pier umgibt und verhindert, dass das Schiff den Pier erreicht, wie es zum Schutz vieler unserer Nationaldenkmäler geschieht.
Beim Umbau der Sunshine Skyway Bridge wurde ein Pfeilerschutzsystem installiert, das auch bei vielen anderen Brücken zum Einsatz kam. Derselbe Ansatz wird derzeit von der Delaware River and Bay Authority zum Schutz der Pfeiler der Delaware Memorial Bridge für 93 Millionen US-Dollar angewendet.
Aber was ist mit bestehenden Brücken wie der Francis Scott Key Bridge? Brückeneigentümer stehen vor der großen Herausforderung, die finanziellen Mittel zu finden, um ihre Brücken so zu modernisieren, dass sie den neuesten Konstruktionsvorschriften entsprechen und den erhöhten Stoßbelastungen Rechnung tragen, die durch immer schwerere Schiffe zu erwarten sind. Beide Dinge sind hier passiert. Mit anderen Worten: Die Konstruktionsvorschriften haben sich geändert und verbessert, und die Belastungen sind viel größer geworden. Ingenieure und Infrastruktureigentümer tun ihr Bestes, um Bereiche zu priorisieren, in denen ihre begrenzten Mittel zur Erhöhung der strukturellen Sicherheit und zur Minimierung des Risikos eines strukturellen Versagens eingesetzt werden können.
Was können Hochschulen tun?
Die Hauptaufgabe von Bauingenieuren besteht darin, die Öffentlichkeit zu schützen und das Risiko von Strukturversagen zu minimieren, das eine Gefahr für Menschenleben darstellt. Dazu müssen Ingenieure in der Lage sein, die Kräfte zu berechnen, denen unsere Bauwerke ausgesetzt sein können. Dazu gehören Fälle, in denen ein großes Schiff versehentlich mit einer Brücke kollidiert, oder ein großes Erdbeben oder ein Hurrikan.
In diesen extremen Fällen wird die Struktur mit ziemlicher Sicherheit Schaden erleiden, aber wenn möglich muss sie widerstandsfähig genug sein, um nicht einzustürzen. Designcodes werden kontinuierlich aktualisiert, um neue Erkenntnisse, neue Materialien und neue Designtechniken widerzuspiegeln. Die Zuverlässigkeit unserer Strukturen verbessert sich ständig.
Die Nachrüstung von Strukturen, die auf früheren Codes basieren, ist ein fortlaufender Prozess, und diese Katastrophe rückt ihn in den Vordergrund. In den Vereinigten Staaten gibt es viele Infrastrukturen, die nach alten Vorschriften gebaut wurden, und wir haben größere Lastwagen, die über unsere Brücken fahren, und größere Schiffe, die unter ihnen hindurchfahren.
Ingenieure können die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls nie auf Null reduzieren, aber sie können sie so weit reduzieren, dass Ausfälle sehr selten und nur dann auftreten, wenn viele unvorhergesehene Umstände zusammen ein Bauwerk anfällig für den Einsturz machen.
Dieser Artikel wurde von The Conversation erneut veröffentlicht, einer unabhängigen, gemeinnützigen Nachrichtenorganisation, die Ihnen Fakten und Analysen liefert, die Ihnen helfen, unsere komplexe Welt zu verstehen.
Es wurde geschrieben von: Michael J. Chajes, Universität von Delaware.
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Michael J. Chajes arbeitet nicht für Unternehmen oder Organisationen, die von diesem Artikel profitieren würden, berät sie nicht, besitzt keine Anteile daran und erhält auch keine Finanzierung von diesen, und hat über seine akademische Anstellung hinaus keine relevanten Verbindungen offengelegt.