Schiffsanprall an Brückenpfeilern : mechanische Modellierung und numerische Simulation

Abstract

Nach dem Schiffsanprall an einem Brückenpfeiler bei Krems an der Donau am 17. Dezember 2005 [2], der eine aufwendige Sanierung zur Folge hatte, war es für die ÖBB Infrastruktur als Eigentümerin des beschädigten Tragwerkes von Interesse, die Wirkungsweise eines Schiffsanpralls in Form einer genaueren Modellierung untersuchen zu lassen. In dieser Diplomarbeit wird ein mechanisches Modell, das den Schiffsanprall am Pfeiler und die Interaktion mit dem Boden dynamisch simuliert, entwickelt. Der Pfeiler wird als Starrkörper mit zwei Freiheitsgraden modelliert, der von einem Schiff in Form einer Punktmasse getroffen wird. Grundlage für die Berechnung des Stoßes ist die Newton`sche Stoßtheorie [6] sowie die Lagrange`sche Stoßgleichung [5] für die Geschwindigkeiten nach dem Stoß. In einem weitern Rechnungsschritt wird die Bewegung des Pfeilers durch die Lagrange`sche Bewegungsgleichung [5] errechnet. Die Lösung erfolgt durch Modale Analyse [6], und es werden die Maximalverschiebungen und -verdrehungen des Pfeilers angegeben. Die Lagerung des Pfeilers erfolgt durch eine elastische Bettung, die vereinfacht durch eine horizontale Feder und eine Drehfeder am Fußpunkt des Pfeilers in das Modell einfließen. Die Modellierung dieser Federn erfolgt nach der Bettungsmodultheorie [8]. Die Spannungen aus dieser Theorie werden mit den Spannungen aus einem räumlichen, passiven Erddruckverlauf verglichen [10]. Der Überbau wird durch eine horizontale, federnde Lagerung am Pfeilerkopf berücksichtigt, sofern eine ausreichend biegesteife Verbindung zwischen Pfeiler und Tragwerk vorhanden ist. Eine numerische Simulation wird am Beispiel von drei verschiedenen Pfeilern an der Donau durchgeführt. Dabei handelt es sich um zwei bestehende Tragwerke moderner Bauweise mit Pfahlkastengründung und ein Pfeiler alter Bauweise mit einer Senkkastengründung.<br />Dieses Modell für den Schiffsanprall soll eine alternativer Berechnungsmöglichkeit für den Lastfall Schiffsanprall nach EN 1991-1-7 darstellen und einen Vergleich zu den Lastangaben des Eurocodes liefern.<br />

After a ship impact on a bridge pier at Krems an der Donau on December 17th 2005 [2], resulting in extensive rehabilitation works, the owner of the damaged bridge structure, ÖBB Infastruktur Betrieb AG, instructed to analyze the mechanical action of ship impact in detail.<br />In this Master`s Thesis a mechanical model, which simulates the bridge pier and the interaction with soil, is developed. The pier is designed as rigid body with two degrees of freedom, which is hit by a ship in kind of a point mass. Background for the calculations of the impact are Newtons Theory of Impact [6] and Lagrange Equations of Idealized Impact [5]. The next step of computing the motion of the pier is calculated by the Lagrange Equation of Motion [5]. The solution results from Modal Analysis [6] and both the maximum of displacement and rotation are determined.<br />The pier is supported by an elastic foundation, which is consistently idealized by single horizontal and torsion springs. The modeling of these springs is implemented by the Modulus of Subgrade Reaction Theory [8]. The stresses according to this theory are compared to those evaluated from a three dimensional passive earth pressure [10].<br />In case of a rigid connection between the pier and the girder the effect of the superstructure is considered by means of a horizontal spring on the top of the pier.<br />Numerical simulations are performed for three different geometrical pier types of bridges across the river Danube. Two of those are existing piers of modern construction method with box foundations, and one pier of old construction method with caisson.<br />The mechanical approach for the ship impact introduced in that Thesis demonstrates an alternative method of computing the dynamic loading condition and gives a comparison to the loads of the Eurocode EN 1991-1-7 [3].<br />