Η σύγκρουση φορτηγού πλοίου που κατέστρεψε τη γέφυρα Francis Scott Key της Βαλτιμόρης στις 26 Μαρτίου 2024 εγείρει ερωτήματα σχετικά με το πόσα μπορούν να κάνουν οι μηχανικοί για να αποτρέψουν τέτοιες καταστροφές στο μέλλον. Εδώ, ο Michael J. Chajes, καθηγητής Πολιτικής και Περιβαλλοντικής Μηχανικής στο Πανεπιστήμιο του Delaware, συζητά πώς οι κανονισμοί σχεδιασμού γεφυρών έχουν αλλάξει με τα χρόνια και τις προκλήσεις της κατασκευής νέων κατασκευών και της μετασκευής υπαρχουσών κατασκευών για να αντέχουν σε ακραία φαινόμενα μπορούν να επιβιώσουν
Πόσο δύσκολο είναι να σχεδιάσεις μια γέφυρα που να μπορεί να αντέξει τη δύναμη που κατέρριψε τη γέφυρα Francis Scott Key;
Μόλις οι μηχανικοί κατανοήσουν τις δυνάμεις που θα βιώσει μια κατασκευή, μπορούν να σχεδιάσουν μια κατασκευή που να μπορεί να αντέξει αυτές τις δυνάμεις. Ωστόσο, γνωρίζουμε ότι κάθε δύναμη έχει ένα εύρος μεγεθών που μπορεί να συμβεί. Για παράδειγμα, δεν ζυγίζουν όλα τα φορτηγά στους δρόμους το ίδιο, δεν έχουν όλοι οι σεισμοί το ίδιο μέγεθος και δεν έχουν όλα τα πλοία το ίδιο βάρος. Λαμβάνουμε υπόψη αυτή τη μεταβλητότητα των δυνάμεων στο σχεδιασμό.
Ακόμα κι αν η κατασκευή είναι κατασκευασμένη σύμφωνα με προκαθορισμένα σχέδια, η τελική αντοχή μπορεί να ποικίλλει. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται έχουν διαφορετικές αντοχές. Για παράδειγμα, το σκυρόδεμα που παραδίδεται σε δύο συνεχόμενες ημέρες θα έχει σημαντικά διαφορετικές τελικές αντοχές. Αυτές οι διακυμάνσεις στην αντοχή της τελικής κατασκευής λαμβάνονται επίσης υπόψη στη διαδικασία σχεδιασμού για να διασφαλιστεί η ασφάλεια της γέφυρας ή του κτιρίου. Δεν υπάρχει τρόπος να χτίσετε δύο γέφυρες χρησιμοποιώντας τα ίδια σχέδια και να καταλήξετε με ακριβώς την ίδια δύναμη.
Με βάση το βάρος και την ταχύτητα του πλοίου που χτύπησε τη γέφυρα Francis Scott Key, οι σημερινοί κώδικες σχεδιασμού της γέφυρας των ΗΠΑ θα απαιτούσαν από τη γέφυρα να αντέχει σε πλευρική δύναμη 11.500 τόνων. Αυτό σημαίνει ότι η γέφυρα μπορεί να αντέξει μια πλευρική πρόσκρουση αυτού του μεγέθους. Αυτό αντιστοιχεί στο βάρος περίπου 50 φορτωμένων Boeing 777 ή στο βάρος του Πύργου του Άιφελ. Αν και πρόκειται για μια πολύ μεγάλη δύναμη διάτμησης, οι κατασκευές μπορούν να σχεδιαστούν για να αντέχουν τέτοιες δυνάμεις. Τα ψηλά κτίρια είναι συνήθως σχεδιασμένα για να αντέχουν πλευρικά φορτία αυτού του μεγέθους που προκαλούνται από άνεμο ή σεισμούς. Ωστόσο, εξαρτάται από το πόσα χρήματα θέλετε να ξοδέψετε για τη δομή και πολλοί σχεδιαστικοί στόχοι και περιορισμοί πρέπει να είναι ισορροπημένοι.
Τι κάνουν οι μηχανικοί για να εξασφαλίσουν ασφάλεια σε ακραία γεγονότα;
Η γνώση μας για το πώς τα ακραία γεγονότα επηρεάζουν τις δομές εξελίσσεται συνεχώς. Ένας τομέας όπου αυτό είναι ιδιαίτερα εμφανές είναι η αντισεισμική μηχανική. Μετά από κάθε σεισμό, οι πολιτικοί μηχανικοί μαθαίνουν τι λειτούργησε και τι όχι, και στη συνέχεια εξελίσσονται οι κώδικες σχεδιασμού κτιρίων και γεφυρών. Οι ιδιοκτήτες υποδομών προσπαθούν επίσης να μετασκευάσουν υπάρχουσες κατασκευές που έχουν σχεδιαστεί βάσει προηγούμενων κανονισμών.
Οι συγκρούσεις πλοίων και οι επιπτώσεις τους στις γέφυρες είναι ένας παρόμοιος τομέας όπου η κατανόηση εξελίσσεται και οι κανονισμοί σχεδιασμού βελτιώνονται. Μεταξύ 1960 και 2015, υπήρξαν περισσότερες από 35 μεγάλες καταρρεύσεις γεφυρών παγκοσμίως που προκλήθηκαν από συγκρούσεις πλοίων. Οι μηχανικοί αξιολογούν τις αστοχίες και ενημερώνουν τους τεχνικούς κανονισμούς για να λάβουν καλύτερα υπόψη τις επιπτώσεις των συγκρούσεων πλοίων.
Πώς έχει εξελιχθεί ο σχεδιασμός της γέφυρας από τότε που κατασκευάστηκε η Γέφυρα της Βαλτιμόρης;
Η γέφυρα Francis Scott Key σχεδιάστηκε στις αρχές της δεκαετίας του 1970. Η κατασκευή ξεκίνησε το 1972 και η θέση σε λειτουργία έγινε το 1977. Αυτό προηγήθηκε της κατάρρευσης του Sunshine Skyway της Φλόριντα το 1980, η οποία προκλήθηκε από σύγκρουση πλοίου, παρόμοια με αυτή που συνέβη στη Βαλτιμόρη. Αυτή η κατάρρευση γέφυρας οδήγησε στην έναρξη ερευνητικών έργων που κορυφώθηκαν με την ανάπτυξη μιας προδιαγραφής καθοδήγησης των ΗΠΑ το 1991, η οποία ενημερώθηκε το 2009.
Βάσει αυτής της προδιαγραφής καθοδήγησης, οι απαιτήσεις σχεδιασμού για γέφυρες έχουν τροποποιηθεί ώστε να περιλαμβάνουν δυνάμεις λόγω συγκρούσεων πλοίων. Κατά το σχεδιασμό της γέφυρας Francis Scott Key, δεν θα ήταν απαραίτητο να ληφθούν υπόψη οι επιπτώσεις των συγκρούσεων πλοίων. Ο τρέχων κώδικας σχεδίασης γέφυρας των ΗΠΑ αναφέρει τα εξής:
«Εάν αναμένεται σύγκρουση πλοίου, οι δομές θα πρέπει να είναι οι εξής:
• Σχεδιασμένο να αντέχει σε δυνάμεις σύγκρουσης πλοίου ή/και
• Προστατεύεται επαρκώς από φτερά, δελφίνια, βέρμες, νησιά ή άλλες συσκευές θυσίας.»
Άλλες αλλαγές από τη δεκαετία του 1970 περιλαμβάνουν τα φορτηγά πλοία που αυξάνονται σε μέγεθος και βάρος. Το πλοίο που κατέρρευσε στο Sunshine Skyway το 1980 ζύγιζε 35.000 τόνους, ενώ το πλοίο που συγκρούστηκε με τη γέφυρα Francis Scott Key ζύγιζε 95.000 τόνους.
Με το αυξανόμενο βάρος των φορτηγών πλοίων, η πιο οικονομική στρατηγική σχεδιασμού για την πρόληψη της κατάρρευσης της γέφυρας λόγω σύγκρουσης πλοίων μπορεί να είναι η προστασία των προβλήτων της γέφυρας από την πρόσκρουση. Αυτό γίνεται με την κατασκευή ενός συστήματος προστασίας από σύγκρουση γέφυρας, το οποίο είναι συχνά μια κατασκευή από σκυρόδεμα ή βράχο που περιβάλλει την προβλήτα και εμποδίζει το πλοίο να φτάσει στην προβλήτα, όπως γίνεται για την προστασία πολλών από τα εθνικά μας μνημεία.
Κατά την ανακατασκευή της γέφυρας Sunshine Skyway, εγκαταστάθηκε ένα σύστημα προστασίας προβλήτας που χρησιμοποιήθηκε επίσης σε πολλές άλλες γέφυρες. Η ίδια προσέγγιση χρησιμοποιείται επί του παρόντος από την αρχή του ποταμού και του κόλπου του Ντέλαγουερ για την προστασία των προβλήτων της Μνημειακής Γέφυρας του Ντέλαγουερ με κόστος 93 εκατομμύρια δολάρια.
Τι γίνεται όμως με τις υπάρχουσες γέφυρες όπως η γέφυρα Francis Scott Key; Οι ιδιοκτήτες γεφυρών αντιμετωπίζουν την τεράστια πρόκληση να βρουν τους οικονομικούς πόρους που απαιτούνται για την αναβάθμιση των γεφυρών τους ώστε να πληρούν τους πιο πρόσφατους κανονισμούς σχεδιασμού και να αντιμετωπίσουν τα αυξημένα φορτία κρούσης που αναμένονται καθώς τα πλοία γίνονται βαρύτερα. Και τα δύο συνέβησαν εδώ. Δηλαδή, οι κανονισμοί σχεδιασμού άλλαξαν και βελτιώθηκαν και τα φορτία έγιναν πολύ μεγαλύτερα. Οι μηχανικοί και οι ιδιοκτήτες υποδομής κάνουν ό,τι μπορούν για να δώσουν προτεραιότητα στα σημεία όπου οι περιορισμένοι πόροι τους μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αύξηση της δομικής ασφάλειας και την ελαχιστοποίηση της πιθανότητας δομικής αστοχίας.
Τι μπορούν να κάνουν τα πανεπιστήμια;
Η πρωταρχική ευθύνη των πολιτικών μηχανικών είναι να προστατεύουν το κοινό και να ελαχιστοποιούν τον κίνδυνο δομικής αστοχίας που αποτελεί απειλή για την ανθρώπινη ζωή. Για να γίνει αυτό, οι μηχανικοί πρέπει να είναι σε θέση να υπολογίσουν τις δυνάμεις στις οποίες μπορεί να υποστούν οι κατασκευές μας. Αυτές περιλαμβάνουν περιπτώσεις όπου ένα μεγάλο πλοίο συγκρούεται κατά λάθος με μια γέφυρα ή συμβαίνει μεγάλος σεισμός ή τυφώνας.
Σε αυτές τις ακραίες περιπτώσεις η κατασκευή θα υποστεί σχεδόν σίγουρα ζημιά, αλλά εάν είναι δυνατόν θα πρέπει να είναι αρκετά ελαστική ώστε να αποφευχθεί η κατάρρευση. Οι κώδικες σχεδίασης ενημερώνονται συνεχώς για να αντικατοπτρίζουν νέες ιδέες, νέα υλικά και νέες τεχνικές σχεδιασμού. Η αξιοπιστία των κατασκευών μας βελτιώνεται συνεχώς.
Η μετασκευή δομών που βασίζονται σε προηγούμενους κώδικες είναι μια συνεχής διαδικασία που φέρνει αυτή την καταστροφή στο προσκήνιο. Υπάρχει πολλή υποδομή στις ΗΠΑ που σχεδιάστηκε χρησιμοποιώντας παλιούς κώδικες, και έχουμε μεγαλύτερα φορτηγά που κινούνται πάνω από τις γέφυρες μας και μεγαλύτερα πλοία που περνούν από κάτω τους.
Οι μηχανικοί δεν μπορούν ποτέ να μειώσουν την πιθανότητα αστοχίας στο μηδέν, αλλά μπορούν να τη μειώσουν στο σημείο όπου οι αστοχίες συμβαίνουν πολύ σπάνια και μόνο όταν πολλές απρόβλεπτες συνθήκες συνδυάζονται για να κάνουν μια κατασκευή ευάλωτη σε κατάρρευση.
Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύτηκε από το The Conversation, έναν μη κερδοσκοπικό, ανεξάρτητο ειδησεογραφικό οργανισμό που σας φέρνει γεγονότα και αναλύσεις για να σας βοηθήσει να κατανοήσετε τον περίπλοκο κόσμο μας.
Το έγραψε ο: Michael J. Chajes, Πανεπιστήμιο του Ντέλαγουερ.
Διαβάστε περισσότερα:
Ο Michael J. Chajes δεν εργάζεται, δεν συμβουλεύει, δεν κατέχει μετοχές ή δεν λαμβάνει χρηματοδότηση από οποιαδήποτε εταιρεία ή οργανισμό που θα επωφεληθεί από αυτό το άρθρο και δεν έχει αποκαλύψει σχετικές σχέσεις πέρα από την ακαδημαϊκή τους απασχόληση.