2024 年 3 月 26 日にボルチモアのフランシス・スコット・キー橋を破壊した貨物船衝突事故は、将来このような大惨事の発生を防ぐために技術者がどれだけできるかという疑問を引き起こしています。ここ、マイケル・J・チェジェスデラウェア大学の土木および環境工学の教授である彼は、橋の設計基準が長年にわたってどのように変化してきたか、また極端な現象に耐えられるように新しい構造物を建設したり、既存のものを改修したりする際の課題について語ります。

フランシス・スコット・キー橋を破壊した力に耐えられる橋を設計するのはどれほど難しいでしょうか?

エンジニアが構造物にかかる力を理解すると、それに耐えられる構造物を設計できます。とはいえ、それぞれの力には発生する可能性のある大きさの範囲があることがわかっています。たとえば、道路を走るすべてのトラックの重さが同じであるわけではなく、すべての地震が同じマグニチュードであるわけではなく、すべての船の重さが同じであるわけではありません。この力の変動を設計に組み込んでいます。

たとえ所定の計画に従って建設されたとしても、構造の最終的な強度は異なる可能性があります。使用されている材質により強度にばらつきがあります。たとえば、連続 2 日で納品されたコンクリートの最終強度は著しく異なります。最終構造の強度のこの変動は、橋や建物の安全性を確保するために設計プロセスでも考慮されます。同じ一連の計画から 2 つの橋を建設することはできず、最終的にはまったく同じ強度になります。

フランシス・スコット・キー橋に衝突した船の重量と速度に基づくと、今日の米国の橋梁設計基準橋には 11,500 トンの横力に耐えられるように設計することが求められます。これは、橋がその大きさの横からの衝撃に耐える能力を持っていることを意味します。これは、ボーイング 777 型機に約 50 機を積載したときの重量、またはエッフェル塔の重量に相当します。これは非常に大きな横方向の力ですが、構造はそのような力に抵抗するように設計できます。高層ビルは通常、風や地震によって生じるこの規模の横荷重に耐えるように設計されています。ただし、構造にどれだけの費用をかけたいかが問題であり、多くの設計目標と制約を相互にバランスさせる必要があります。

エンジニアは極端な事態において安全を確保するために何をしていますか?

その方法に関する私たちの知識極端な出来事影響構造は常に進化しています。これが顕著に表れる分野の 1 つは地震工学です。地震のたびに、構造エンジニア何がうまくいき、何がうまくいかなかったかを学び、その後、建物と橋の設計コードが進化します。インフラ所有者はまた、以前のコードに合わせて設計された既存の構造を改修しようとします。

船舶の衝突と橋への影響も、理解が進み、設計コードが改善される同様の分野です。世界中で35件を超える大規模な橋の崩壊が発生しており、その原因は次のとおりです。1960年から2015年までの船舶衝突事故。エンジニアは故障を評価し、船舶衝突の影響をより適切に考慮できるようにエンジニアリング コードを更新します。

ボルチモア橋が建設されて以来、橋の設計はどのように進化しましたか?

フランシス スコット キー ブリッジは 1970 年代初頭に設計されました。建設は 1972 年に開始され、1977 年に開通しました。1980年のサンシャインスカイウェイ崩壊フロリダでは船によって引き起こされた衝突、ボルチモアで起こったことと同様。この橋の崩壊は研究プロジェクトの開始につながり、最終的にはUSガイド仕様1991 年に作成され、2009 年に更新されました。

そのガイド仕様に基づいて、船舶の衝突による力を考慮するように橋の設計コードが変更されました。フランシス・スコット・キー・ブリッジの設計では船舶衝突の影響を考慮する必要はなかったでしょう。現在の米国の橋の設計基準には次のように書かれています。

「船舶の衝突が予想される場合、構造は次のとおりである必要があります。

• 船舶の衝突力に抵抗するように設計されている、および/または
• フェンダー、イルカ、犬走り、島、またはその他の犠牲にできる装置によって適切に保護されています。」

1970 年代以降のその他の変化としては、貨物船がサイズと重量が増加した。1980 年にサンシャイン スカイウェイを崩壊させた船の重さは 35,000 トンでしたが、フランシス スコット キー橋に衝突した船の重さは 95,000 トンでした。

体重の増加に伴い、貨物船、船舶の衝突による橋の崩壊を防ぐための最も費用対効果の高い設計戦略は、橋脚を衝撃から保護することである可能性があります。これは、多くの国定記念物を保護するために行われているように、橋の衝突保護システムを構築することによって行われます。橋の衝突保護システムは、多くの場合、桟橋を囲んで船が桟橋に到達するのを阻止するコンクリートまたは岩の構造物です。

サンシャインスカイウェイ橋の架け替えに伴い、橋脚保護システムが設置され、他にもたくさんの橋。同じアプローチが現在、デラウェア川湾当局によって 9,300 万米ドルの費用で適用されています。デラウェア記念橋の橋脚を守る。

しかし、フランシス スコット キー ブリッジのような既存の橋はどうでしょうか?橋の所有者は、最新の設計基準を満たすために橋を改修し、船舶のますます重量が重くなることで予想される衝撃荷重の増加に対処するために必要な財源を見つけるという大きな課題に直面しています。ここでは両方のことが起こりました。つまり、設計コードが変更および改良され、負荷が大幅に大きくなりました。エンジニアやインフラ所有者は、構造上の安全性を高め、構造上の破損の可能性を最小限に抑えるために、限られた資金をどこに使用できるかを優先順位付けするために最善を尽くしています。

大学には何ができるのか？

構造エンジニアの最も重要な仕事は、公衆を保護し、人命に脅威を与える構造上の欠陥のリスクを最小限に抑えることです。そのためには、エンジニアは構造が受ける可能性のある力を計算できなければなりません。これには、大型船舶が誤って衝突した場合も含まれます。橋、あるいは大地震やハリケーンが襲来する。

このような極端な場合、構造物はほぼ確実に損傷を受けることになりますが、可能であれば、倒壊しない程度の弾力性がなければなりません。設計コードは、新しい知識、新しい材料、新しい設計技術を考慮して継続的に更新されます。当社の構造の信頼性は常に向上しています。

以前の基準に基づいて建設された構造物を改修することは進行中のプロセスであり、今回の災害によりその最前線に移りました。米国には古い規格に基づいて設計されたインフラが数多くあり、大型トラックが橋を渡り、大型船が橋の下を通過しています。

エンジニアは故障の確率をゼロに下げることはできませんが、故障が非常にまれに発生し、多数の予期せぬ状況が重なって構造が崩壊しやすくなる場合にのみ発生するという点まで低下させることはできます。

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