Erin Schaff/The New York Times
Das Containerschiff Dali schien sich träge zu bewegen, bevor es am Dienstag in Baltimore auf die Francis Scott Key Bridge aufschlug. Dennoch entfaltete es eine so große Kraft, dass man es durchaus mit einem Raketenstart vergleichen kann.
Wie könnte etwas, das langsamer unterwegs ist als ein Gelegenheitsradfahrer, solch verheerende Auswirkungen haben? Die Antwort liegt in seiner Masse: etwa ein Drittel bis die Hälfte des Empire State Buildings.
Es kann Monate oder sogar Jahre dauern, bis Ingenieure sorgfältige Simulationen dieser Katastrophe durchführen, die alle Variablen berücksichtigen. Aber wir nutzten die begrenzten verfügbaren Daten, um zu verstehen, wie stark die Kollision gewesen sein könnte.
Und selbst unsere am stärksten vereinfachten Berechnungen zeigen, dass die Auswirkungen enorm waren.
Unsere niedrigste Schätzung, wie viel Kraft nötig wäre, um den Dali zu verlangsamen, wenn er voll beladen wäre, liegt bei etwa 12 Millionen Newton, etwa einem Drittel der Kraft, die nötig war, um die Saturn-V-Rakete für die Apollo-Mondmissionen zu starten.
Und unsere höheren Schätzungen, die von mehreren Tiefbauexperten überprüft wurden, legen nahe, dass es realistisch ist, die Wucht des Aufpralls auf den Pier auf über 100 Millionen Newton zu schätzen.
„Es geht um eine Größenordnung von mehr Energie, als man sich wirklich vorstellen kann“, sagte Ben Schafer, Professor für Bau- und Systemtechnik an der Johns Hopkins.
Vergleich sehr großer Kräfte
| BEISPIEL | Ungefähre Kraft (IN NEWTON) |
|---|---|
| Vollbeladenes 18-Rad-Fahrzeug kollidiert mit 80 Meilen pro Stunde mit einer Brücke | 1 Million |
| Erforderliche Kraft, um den voll beladenen Dali über 38 Sekunden abzubremsen | 12 Millionen |
| Schub der Saturn-V-Rakete beim Start | 35 Millionen |
| Die Schwerkraft der Erde auf 100 weibliche Blauwale | 110 Millionen |
| Erforderliche Kraft, um den voll beladenen Dali über 4 Sekunden abzubremsen | 115 Millionen |
| Erforderliche Kraft, um den voll beladenen Dali über 2 Sekunden abzubremsen | 230 Millionen |
Bei den Zahlen für das Containerschiff Dali handelt es sich um erste Schätzungen, die auf vorläufigen und unvollständigen Daten basieren.
Experten waren sich nicht einig darüber, ob es sinnvoll sei, dass ein Brückenpfeiler einer direkten Kollision mit einem riesigen Containerschiff standhalten könne.
„Abhängig von der Größe des Containerschiffs hat die Brücke keine Chance“, sagte Nii Attoh-Okine, Professor für Ingenieurwissenschaften an der University of Maryland. Er sagte, dass die Key Bridge in Baltimore vor diesem Unfall einwandfrei funktioniert habe und dass seiner Meinung nach 95 bis 99 Prozent der Brücken beschädigt würden, wenn ein solches Containerschiff sie treffen würde.
Aber Sherif El-Tawil, ein Ingenieurprofessor an der University of Michigan, der unsere Berechnungen überprüfte, sagte, es sei machbar, einen Pier zu entwerfen, der nach einem solchen Aufprall stehen bleibt. „Wenn diese Brücke nach aktuellen Standards entworfen worden wäre, hätte sie überlebt.“
Moderne Brücken, die im Zeitalter „ultragroßer“ Schiffscontainer entworfen wurden, werden typischerweise mit stärkeren Pfeilern oder Schutzsystemen um die Pfeiler herum gebaut, die die Kraft von Schiffskollisionen entweder absorbieren oder ablenken können.
Aber die Key Bridge wurde 1977 fertiggestellt, als die Standards andere waren und die Schiffe viel kleiner waren.
Mathe machen
Um unsere Schätzung durchzuarbeiten, begannen wir mit einer Gleichung, die jedem bekannt ist, der einen Physikkurs besucht hat.
Unsere erste Aufgabe und eine große Unsicherheitsquelle bestand darin, diese Zahlen zu ermitteln.
Erstens, Masse:
Wir schätzen die Masse der Dali auf irgendwo zwischen 195.000 Tonnen voll beladen und 78.000 Tonnen leer, basierend auf Schiffsaufzeichnungen und maritimen Standards, wie viel Gewicht ein typisches Containerschiff aufnehmen kann. Wir wissen, dass das Schiff zumindest einen Teil der Ladung beförderte, daher betrug seine Masse selbst bei leichter Ladung wahrscheinlich mindestens 100.000 Tonnen, unsere untere Schätzung.
Als nächstes Beschleunigung:
Um abzuschätzen, wie schnell das Schiff langsamer wurde, haben wir Daten von zwei Schiffsverfolgungs-Websites abgerufen, MarineTraffic und My Ship Tracking, die regelmäßig Schnappschüsse der Schiffsbewegungen liefern.
Wie schnell bewegte sich das Containerschiff?
Quellen: MarineTraffic und My Ship Tracking. Hinweis: Datenpunkte werden als Kreise dargestellt. Die Linien dienen nur als Orientierungshilfe. (Das heißt: Wir kennen die wahren Geschwindigkeiten zwischen unseren Datenpunkten nicht.)
Die Daten deuten darauf hin, dass sich das Schiff vor der Kollision mit etwa 12,8 Kilometern pro Stunde bewegte. (Die Schiffsgeschwindigkeit wird in Knoten gemessen, aber wir haben die Zahlen umgerechnet.) Der nächste Datenpunkt, den wir 38 Sekunden später finden konnten, zeigt eine Geschwindigkeit von 2,5 Meilen pro Stunde
Da keine endgültigen Daten aus der Blackbox des Schiffes vorliegen, setzen wir diese Zahlen in unsere Formel ein.
Für die eigentliche Berechnung haben wir metrische Einheiten verwendet.
Basierend auf diesen Zahlen schätzen wir, dass die durchschnittliche Kraft, die zum Abbremsen des Schiffes erforderlich ist, zwischen 6 und 12 Millionen Newton liegt.
Hier ist jedoch der Haken. Diese Berechnung geht davon aus, dass das Schiff in diesen 38 Sekunden ziemlich konstant langsamer wurde.
Wir gehen davon aus, dass die Geschwindigkeit des Schiffes in den ersten Momenten der Kollision stark abnahm, als es den Pier berührte. Videos des Einsturzes zeigen, dass der größte Teil der Aktion in nur wenigen Sekunden stattfand, vom ersten Aufprall des Schiffes auf den Pier bis zum Umkippen des Piers, was den Einsturz der Brücke auslöste.
Das Schiff hat es wahrscheinlich getan am meisten dass es in den ersten paar Sekunden langsamer wurde. (Die Daten und Fotos deuten darauf hin, dass es sich nach dem ersten Kontakt mit dem Pier noch eine gewisse Strecke, aber nicht weit, fortbewegte.) Derzeit können wir jedoch nur Videobeweise verwenden, um eine Vermutung darüber anzustellen, wie lange genau dieser Teil der Kollision gedauert hat .
„Ich denke, das ist die größte Unsicherheit“, sagte Themistoklis Sapsis, Professor für Meerestechnik am MIT, der unsere Berechnungen überprüfte. Anhand von Videoaufnahmen schätzte er, dass die Kollisionszeit wahrscheinlich zwischen einer und vier Sekunden betrug.
Unten sehen Sie, wie stark unsere Kraftberechnung abhängig von der Dauer der Kollision und der Menge der Ladung, die das Schiff befördert, variiert.
Geschätzte Kraft, die erforderlich ist, um das Schiff zu verlangsamen, abhängig von der Dauer der Kollision
An einem Ende des Spektrums hätte die durchschnittliche Kraft, der das Schiff ausgesetzt war, etwa 60 Millionen Newton betragen, wenn die Verzögerung länger als vier Sekunden stattgefunden hätte und die Dali leicht beladen gewesen wäre.
Aber ein voller Dali und eine schnelle Verzögerung von einer Sekunde hätten eine Kraft von über 400 Millionen Newton bedeutet.
Irgendwo in der Mitte, wenn man davon ausgeht, dass der Großteil der Verlangsamung innerhalb von zwei Sekunden stattfand, verbleibt eine geschätzte Kraft von 120 bis 230 Millionen Newton.
Wir haben eine weitere Methode ausprobiert: die Verwendung einer Formel zur Berechnung der Schiffskollisionskraft, die von der American Association of State Highway and Transportation Officials veröffentlicht wurde, der Branchenorganisation, die Brückensicherheitsstandards herausgibt. Wenn wir unsere Zahlen für die Masse und Geschwindigkeit des Dali einsetzen, erhalten wir 142 Millionen Newton.
Ingenieurexperten warnten, dass diese Formel zwar eine ungefähre Schätzung basierend auf den begrenzten uns vorliegenden Daten liefert, es sich aber auch um eine zu starke Vereinfachung mit großer Unsicherheit handelt.
Auch unsere eigenen Berechnungen sind eine zu starke Vereinfachung. Wir versuchen nicht, die Drehung des Schiffes, den Kollisionswinkel und genau zu berücksichtigen, wie und wo es mit dem Pier kollidierte (eine kleinere Kraft, die an der falschen Stelle angewendet wird, kann schädlicher sein als eine große Kraft, die anderswo angewendet wird). Das Containerschiff hätte zudem eine beträchtliche Menge Wasser mitgeschleppt, was für zusätzlichen Schwung gesorgt hätte.
Aber der Punkt ist: Selbst der größte vernünftige Bereich liegt in der Größenordnung von mehreren zehn bis hunderten Millionen Newton – nach jeder Schätzung eine unglaublich große Kraft.
US Army Corps of Engineers über Reuters
Was es für Brücken bedeutet
Anstatt einen Pier so zu konstruieren, dass er einem Aufprall von Dutzenden oder Hunderten Millionen Newton standhält, können Sie laut Ingenieuren zum Schutz einer Brücke beitragen, indem Sie Schutzsysteme wie „Fender“, künstliche Inseln oder Strukturen namens Delfine schaffen, die sich ausbreiten Durch die Krafteinwirkung verlangsamen Sie das Schiff vor dem Aufprall oder lenken es vom Pier ab.
Auch die Sicherheitsstandards könnten überarbeitet werden, um zu verlangen, dass Schlepper große Schiffe über längere Zeiträume begleiten, bis sie sicher von der Infrastruktur entfernt sind.
Im Jahr 1980 führte eine Schiffskollision zum Einsturz der Sunshine Skyway Bridge in Tampa Bay in Florida, und im Jahrzehnt nach dieser Katastrophe verabschiedete die Industrie Richtlinien, nach denen Brücken oder ihre Schutzkonstruktionen größeren Kräften standhalten sollten.
Kollisionen zwischen Schiffen und Brücken, die Schäden dieses Ausmaßes verursachen, seien äußerst selten, sagte Herr El-Tawil. Dennoch sagte er, er sei überrascht, dass der Key Bridge kein Schutzsystem hinzugefügt worden sei.
„Das Schutzsystem hätte das Schiff von den Piers abgelenkt, die Brücke geschützt, die Gemeinde vor dem Verlust einer kritischen Brücke geschützt und das Schiff selbst geschützt“, sagte er.