Misslyckandet med Francis Scott Key Bridge erbjuder framtida ingenjörer en möjlighet att lära sig att bättre skydda allmänheten

Lastfartygskollisionen som förstörde Baltimores Francis Scott Key Bridge den 26 mars 2024 väcker frågor om hur mycket ingenjörer kan göra för att förhindra sådana katastrofer i framtiden. Här diskuterar Michael J. Chajes, professor i civil- och miljöteknik vid University of Delaware, hur reglerna för brodesign har förändrats genom åren och utmaningarna med att bygga nya strukturer och eftermontera befintliga strukturer för att motstå extrema händelser kan överleva

Hur svårt är det att designa en bro som tål kraften som fällde Francis Scott Key Bridge?

När ingenjörer förstår krafterna som en struktur kommer att uppleva, kan de designa en struktur som kan motstå dessa krafter. Men vi vet att varje kraft har ett intervall av magnituder som kan uppstå. Till exempel väger inte alla lastbilar på vägarna lika, alla jordbävningar har inte samma styrka och inte alla fartyg har samma vikt. Vi tar hänsyn till denna kraftvariation i designen.

Även om konstruktionen är byggd enligt förutbestämda planer, kan den slutliga hållfastheten variera. Materialen som används har olika styrka. Till exempel kommer betong som levereras två på varandra följande dagar att ha väsentligt olika slutstyrkor. Dessa variationer i styrkan hos den slutliga strukturen beaktas också i designprocessen för att säkerställa säkerheten för bron eller byggnad. Det finns inget sätt att bygga två broar med samma planer och sluta med exakt samma styrka.

Baserat på vikten och hastigheten på fartyget som träffade Francis Scott Key Bridge, skulle dagens amerikanska brodesignkoder kräva att bron tål en sidokraft på 11 500 ton. Det gör att bron tål en sidopåverkan av denna storleksordning. Det motsvarar vikten av ett 50-tal lastade Boeing 777 eller Eiffeltornets vikt. Även om detta är en mycket stor skjuvkraft kan strukturer utformas för att motstå sådana krafter. Höga byggnader är vanligtvis utformade för att motstå sidobelastningar av denna storleksordning orsakade av vind eller jordbävningar. Det beror dock på hur mycket du vill spendera på strukturen, och många designmål och begränsningar måste balanseras.

Vad gör ingenjörer för att säkerställa säkerheten under extrema händelser?

Vår kunskap om hur extrema händelser påverkar strukturer utvecklas ständigt. Ett område där detta är särskilt uppenbart är jordbävningsteknik. Efter varje jordbävning lär sig civilingenjörer vad som fungerade och vad som inte fungerade, och sedan utvecklas konstruktions- och brodesignkoder. Infrastrukturägare försöker också bygga om befintliga strukturer utformade enligt tidigare regler.

Fartygskollisioner och deras effekter på broar är ett liknande område där förståelsen utvecklas och designbestämmelserna förbättras. Mellan 1960 och 2015 inträffade över 35 stora brokollapser världen över orsakade av fartygskollisioner. Ingenjörer utvärderar felen och uppdaterar tekniska föreskrifter för att bättre ta hänsyn till effekterna av fartygskollisioner.

Hur har brodesignen utvecklats sedan Baltimore Bridge byggdes?

Francis Scott Key Bridge designades i början av 1970-talet. Konstruktionen började 1972 och driftsättningen skedde 1977. Detta föregick kollapsen 1980 av Floridas Sunshine Skyway, som orsakades av en fartygskollision, liknande vad som inträffade i Baltimore. Denna brokollaps ledde till initieringen av forskningsprojekt som kulminerade i utvecklingen av en amerikansk vägledningsspecifikation 1991, som uppdaterades 2009.

Baserat på denna vägledningsspecifikation har designkraven för broar modifierats för att inkludera krafter på grund av fartygskollisioner. Vid utformningen av Francis Scott Key Bridge hade det inte varit nödvändigt att ta hänsyn till effekterna av fartygskollisioner. Den nuvarande amerikanska brodesignkoden anger följande:

“Om en fartygskollision förväntas, bör strukturerna vara följande:

• Designad för att motstå fartygskollisionskrafter och/eller

• Tillräckligt skyddad av fendrar, delfiner, bermar, öar eller andra offeranordningar.”

Andra förändringar sedan 1970-talet inkluderar lastfartyg som ökar i storlek och vikt. Fartyget som kollapsade Sunshine Skyway 1980 vägde 35 000 ton, medan fartyget som kolliderade med Francis Scott Key Bridge vägde 95 000 ton.

Med den ökande vikten av lastfartyg kan den mest kostnadseffektiva designstrategin för att förhindra brokollaps på grund av fartygskollisioner vara att skydda bropelarna från kollisioner. Detta görs genom att bygga ett brokollisionsskyddssystem, som ofta är en betong- eller bergkonstruktion som omger piren och hindrar fartyget från att nå piren, vilket görs för att skydda många av våra nationella monument.

Under rekonstruktionen av Sunshine Skyway Bridge installerades ett pirskyddssystem som även användes på många andra broar. Samma tillvägagångssätt används för närvarande av Delaware River and Bay Authority för att skydda pirerna på Delaware Memorial Bridge till en kostnad av 93 miljoner dollar.

Men hur är det med befintliga broar som Francis Scott Key Bridge? Broägare står inför den enorma utmaningen att hitta de ekonomiska resurser som krävs för att uppgradera sina broar för att möta de senaste designbestämmelserna och klara de ökade stötbelastningar som förväntas när fartygen blir tyngre. Båda sakerna hände här. Det vill säga att konstruktionsbestämmelserna ändrades och förbättrades, och lasterna blev mycket större. Ingenjörer och infrastrukturägare gör sitt bästa för att prioritera var deras begränsade resurser kan användas för att öka strukturell säkerhet och minimera sannolikheten för strukturella haverier.

Vad kan universiteten göra?

Civilingenjörernas primära ansvar är att skydda allmänheten och minimera risken för strukturella fel som utgör ett hot mot människoliv. För att göra detta måste ingenjörer kunna beräkna vilka krafter våra konstruktioner kan utsättas för. Dessa inkluderar fall där ett stort fartyg av misstag kolliderar med en bro eller en större jordbävning eller orkan inträffar.

I dessa extrema fall kommer strukturen nästan säkert att skadas, men om möjligt bör den vara tillräckligt motståndskraftig för att undvika kollaps. Designkoderna uppdateras kontinuerligt för att återspegla nya insikter, nya material och nya designtekniker. Tillförlitligheten hos våra strukturer förbättras ständigt.

Att eftermontera strukturer baserade på tidigare koder är en pågående process som tar denna katastrof i förgrunden. Det finns mycket infrastruktur i USA som designades med gamla koder, och vi har större lastbilar som kör över våra broar och större fartyg som passerar under dem.

Ingenjörer kan aldrig minska sannolikheten för fel till noll, men de kan reducera den till en punkt där fel inträffar mycket sällan och endast när många oförutsedda omständigheter kombineras för att göra en struktur sårbar för kollaps.

Den här artikeln återpublicerades från The Conversation, en ideell, oberoende nyhetsorganisation som ger dig fakta och analyser för att hjälpa dig förstå vår komplexa värld.

Det skrevs av: Michael J. Chajes, University of Delaware.

Läs mer:

Michael J. Chajes arbetar inte för, ger råd, äger aktier i eller tar emot finansiering från något företag eller organisation som skulle dra nytta av denna artikel, och har inte avslöjat några relevanta anslutningar utöver deras akademiska anställning.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *