EINFÜHRUNG - TRAGWERK INGENIEURE

1. Einführung
Brückenstrukturen sind für viele Lebensaspekte wie in unserer Zivilisation, in der städtischen
Straße und im Verkehrsnetz von wesentlicher Bedeutung. Zwischen 1960 und 2002 sind große
Brücken aufgrund von Schiffskollisionen eingestürzt, die sowohl die menschliche als auch die
strukturelle Sicherheit gefährden [4]. Der Hauptkollaps, der 1991 zur Annahme der AASHTO-
Guide Specification for Vessel Collision Design of Highway Bridges, war der Zusammenbruch
der „Sunshine Skyward“ Brücke mit einer Spannweite von 396 m, als der Frachter „MV Summit
Venture“ gegen den Pier der Brücke stürzte. Heutzutage sind schiffbare Kanalbrückenpfeiler so
konstruiert, dass sie der Kollisionsstoßkraft standhalten, oder sie werden durch den Bau von
Schutzstrukturen wie Fendersystemen geschützt. Ein Fendersystem ist eine energieabsorbierende
Struktur, die das kollidierende Schiff ablenken und mögliche Schäden an den Brückenpfeilern
verhindern soll. Es gibt verschiedene Arten von Fendersystemen mit Variationen des Materials
und der Anordnung der Strukturkomponente. Das Material variiert von Stahl, Beton, Gummi und
Holz bis hin zu Verbundwerkstoffen. Eines der Fendersysteme, die für diese Arbeit betrachtet
wurden, ist „Composite Pahl Fenderstrukturen“. Es besteht aus Pfählen, Walen, die mit Bolzen
verbunden sind. Die Abbildungen 1 und 2 zeigen ein typisches Verbundpfahl-Fendersystem, das
vom Florida Department of Transportation FDOT übernommen wurde und der Kronprinzen-
Brücke in Berlin, Deutschland.

 Abbildung 1: StahlPfahl Fendersystem, Kronprinzenbrücke, Berlin,
Abbildung 2: Typisches Verbundpfahl-Fendersystem, FDOT
 Deutschland

Die Bestimmung des Schiffskollisionsdesigns auf einer Brücke, die über einen schiffbaren Fluss
spannt, basiert auf den folgenden Bestimmungen:
 • The American Association of State Highway and Transportation Officials, AASHTO
 • Guide Specification and Commentary for Vessel Collision Design of Highway Bridges,
 AASHTO 2009
 • AASHTO Load and Resistance Factor Design, LRFD, Bridge Design Specifications and
 Commentary.
 • Florida Department of Transportation FDOT

2. Verbundpfahlfendersystem
Die Pfähle des Fendersystems sind die vertikale Komponente, die aus E-
Glasfaserverstärkungspolymer in Form einer kontinuierlichen Filamentmatte (CFM) hergestellt
wird. Das Material wurde von CREATIVE PULTRUSION, INC. SUPERPILE übernommen.
Die horizontale Komponente des als Wales (Balken) bezeichneten Fendersystems sind
hauptsächlich rechteckige Abschnitte aus Kunststoffholz oder glasfaserverstärkten
Verbundwerkstoffen. Verbundholz ist eine Materialmischung aus Holzfasern, Kunststoff und
Bindemittel. Es bietet eine ausreichende Kriechfestigkeit, um ein Lösen der Befestigung im
Laufe der Zeit zu verhindern [10]. Die größten Vorteile sind ein geringer Wartungsaufwand und
eine lange Lebensdauer bei geringeren Kosten. Unter Verwendung der BEDFORD-
TECHNOLOGIE wie in der SEATIMBER-BROSCHÜRE besteht der Wal aus 4
faserverstärkten Polymerverstärkungsstäben mit Polyurethanharz hoher Dichte. Pfähle und Wale
des Fendersystems sind durch Stangen verbunden, die durch sie eingedrungen und an ihren
Enden verschraubt sind. Gemäß den FDOT-Standardzeichnungen des Florida Department of
Transportation beträgt der verwendete Stabdurchmesser 25,4 mm (1 Zoll) und besteht aus
Edelstahl Typ 316 [9].

 Bolt connected

 Wale/Balken

 Pfahl

 Abbildung 3: Composite-Pfahl Fender Systemkomponenten

Das Composite-Pfahl Fender Systemkomponenten ist so ausgelegt, dass es die kinetische Energie
der Aufprallkraft ℎ des Schiffes absorbiert. Das System muss flexibel, duktil und
elastisch sein, um das Gefäß reibungslos umzuleiten, zu führen oder anzuhalten.
 ä , > ℎ 

Die Berechnung der kinetischen Energie sowohl für das kollidierende Schiff als auch für das
Fendersystem basiert auf dem Guide Specification and Commentary for Vessel Collision Design
of Highway Bridges and FDOT des Florida Department of Transportation.

3. Schiffstypen und Fender Entwurf
 In den AASHTO-Richtlinien werden zwei Typen von Schiffen angegeben, die je nach Tiefe
des Kanals verwendet werden können. Auf der Grundlage des „Hawk-Kanals“ in Florida, USA,
der als flache Wasserstraße gilt, wurde für die Berechnung eines Binnenschifffahrtskahns
verwendet. Binnenschiffe werden in der Regel von Schleppschiffen geschoben oder gezogen.
Deren Gewicht war bei der Schiffsauslegung berücksichtigen. Die kinetische Energie des
kollidierenden Schiffs wird gemäß AASHTO wie folgt berechnet:
 × × 2
 =
 29.2
wo:
 = hydrodynamischer Massenkoeffizient
 = Schiffsgewicht (tonne)
 = Aufprallgeschwindigkeit des Schiffes (ft/s, m/s)
 ist ein wichtiger Koeffizient, der das Wasser berücksichtigt, das sich mit dem Lastkahn
bewegt. Der Wert von für ein Schiff, das sich auf einer geraden Bahn bewegt, wurde von der
Forschung von SAUL and SVENSSON (1980) durchgeführt. Die vom Fendersystem absorbierte
kinetische Energie ist jedoch eine Funktion des Aufprallwinkels (α) und des
Reibungskoeffizienten (μ) zwischen dem Unterbau und der Schiffskollision und wird wie folgt
ermittelt:
 = × (kips.ft, kN.m)

Die Werte von η werden nacheine Untersuchung von WOISIN et al. entwickelt [1]. Die von den
AASHTO-Bestimmungen geforderten Aufprallkräfte aus dem kollidierenden Schiff sind eine
äquivalente statische Kraft, die aus dem dynamischen Aufprallereignis umgerechnet wird und die
von MEIR-DORNBERG (1983) [1] entwickelte dynamische Reaktion der Struktur beinhaltet. Die
Ergebnisse die aus seinem Versuch, abgeleitet keine Unterschiede zwischen den statischen und
dynamischen Kräften. Daher ist die quasi-statische Kraft eine Funktion der in der AASHTO
gefundenen horizontalen Schadenstiefe des Kahnbugs:

 = ( )
Die Analyse des Pfahlfendersystems aus Verbundwerkstoffen wurde mit den Finite-Elemente-
Programmen Ansys 19.2R und FB-MultiPier durchgeführt. Das Materialverhalten der drei
Komponenten (Pfahl, Träger und Stab) wurde als linear-elastisch festgelegt, charakterisiert durch
das verallgemeinerte HOOK''sche Gesetz:
 =ℂ∶ 
Der gewählte Elementtyp war SOLID186, ein 3D-Volumenelement höherer Ordnung mit 20
Knoten. Jeder Knoten hat 3 Translationsfreiheitsgrade in x-, y- und z-Richtung. Der Grad der
Netzverfeinerung wurde untersucht, indem das Diagramm (Durchbiegung vs. Anzahl der
Knoten) erstellt wurde. Die Pfähle des Fendersystems sind eingetaucht und werden durch den
umgebenden Boden gestützt. Der Befehl "Elastische Lagerung" in Ansys 19.2R wurde für die
Darstellung des Bodens verwendet. Die Zuordnung der elastischen Lagerung erfolgt über den

Elementtyp (SURF154), der ein Flächenelement ist, das auf einer Fläche des 3D-Elements
aufgelegt wird [2]. Der hydrostatische Druck durch Wasser hat jedoch keinen Einfluss auf die
Spannungen und Verformungen des Systems. Detaillierte Beschreibungen finden sich in der
ursprünglichen Masterarbeit.
Die drei verschiedenen von FDOT vorgeschlagenen Verkehrskonfigurationen; Leichtes,
mittleres und schweres Fendersystem wurden analysiert und ihre Energiekapazität wurde durch
die Fläche unter der Kraft-Durchbiegungs-Kurve erhalten. Abbildung 4 zeigt die Geometrie des
Hochleistungs-Fendersystems, die aus FDOT-Standardzeichnungen übernommen wurde. Die
Durchbiegung des Systems unter Stoßbelastung an einem kritischen Punkt ist in Abbildung 5
dargestellt. Abbildung 6 zeigt die Energiekapazität eines Hochleistungs-Fendersystems, die mit
der absorbierten Energie des kollidierenden Schiffs verglichen wurde.

 Abbildung 4: Geometrie des Heavy Duty Fender Systems, ANSYS R19.2

 Abbildung 5: Verformung des Heavy Duty Fender Systems unter transversaler Stoßbelastung

Abbildung 6: Energiekapazität des Heavy Duty Fender Systems unter Stoßbelastung

Das System konnte der Stoßkraft widerstehen, jedoch ist ein Versagen der Stäbe am
Verbindungsteil (Pfahl-Stab und Träger-Stab) aufgetreten, wie in Abbildung 5 dargestellt. Daher
wurde eine Optimierung für den Verbindungstyp eingeführt, um der Stoßbelastung und den
entsprechenden Biegespannungen zu widerstehen.

 Abbildung 7: Stabbiegeversagen am Anschlussteil

4. Optimierte Verbindungen
 4.1. Optimierter Verbund 1
 Die Biegung erfolgte in der Mitte des Stabes in der Nähe der Steg-Stab-Verbindung. Um die
Biegefestigkeit des Stabes zu erhöhen, wurde das zweite Flächenmoment für den Querschnitt
vergrößert. Es wurde ein 4-Stab-Bündel mit einem Stabdurchmesser ∅ = 2.257 in (57 mm)
verwendet. Der Einfachheit halber wurde die Darstellung des Stabbündels durch einen Stab mit
einem äquivalenten Durchmesser ∅ = 4.5 in (113 mm) ersetzt. Es wurde berechnet als:
 = √ × 2

 Abbildung 8: Optimierte Struktur 1 Geometrie, AutoCAD2019 3D-Modellierung

 4.2. Optimierter Verbund 2
Es wurde eine neue Anschlussgeometrie gewählt, die aus einem kastenförmigen Stabelement
besteht und von abgerundeten Stäben ∅ = 2.257 in (57 mm) um den Pfahl herum gehalten
wird, wie in Abbildung 8 dargestellt.

 Abbildung 9: Optimierte Struktur 2 Geometrie, AutoCAD2019 3D-Modellierung

4.3. Konstruktion von optimierten Verbindungen
Der optimierte Anschluss 1 wird wie folgt aufgebaut:
 • Pfahl, der mit einem Unterwasserpfahlhammer in den Boden gerammt wird. Die
 Pfahlgründung erfolgt nach den Vorgaben von FDOT, Abschnitt 455 [10]
 • vorgefertigte Stahlstangen und -platten nach den Anforderungen des Planer
 • Vorgefertigte Verbundstäben gemäß den Normen
 • verschraubte Verbindung, die Stäbe und Pfähle miteinander verbindet.
Der optimierte Anschluss 2 schlägt jedoch C-förmige Rundstäbe um den Pfahl vor, die nicht
verschraubt sind. Daher ist eine besondere Art der Konstruktion in Betracht zu ziehen.

 4.3.1. Aufbau der optimierten Verbindung 2- Vorschlag 1
Eine der ersten Ideen, die einem in den Sinn kommt, ist, die C-Stangen mit dem Pfahl zu
verschweißen. Die beiden Elemente sind jedoch aus zwei unterschiedlichen Materialien gefertigt.
Daher werden die Stabelemente nicht mit den Pfählen verschweißt, sondern im Gussverfahren
mit den Kastenelementen verschweißt. Zur Verstärkung der Reibung wird zwischen dem Pfahl
und dem Verbindungselement ein Neoprenpolster eingelegt. Außerdem ist das Kastenelement
aus Stahl mit einer Öffnungsseite versehen, um im Falle einer Beschädigung den
Reparaturprozess der Riegel zu erleichtern. Abbildung 10 zeigt Querschnittsdetails für den
vorgeschlagenen Vorschlag, die wie folgt lauten:
 • Montage der Neoprenauflage auf der Pfahlendfläche
 • Einbau des Neoprenpolsters am Pfahlende - Einbau der horizontalen verschraubten
 Stabverbindung (rot dargestellt)
 • Verschweißen der C-Stäbe mit dem Kastenelement
 • Einsetzen des Stabs in den Kasten
 • Befestigung des Plattenteils des Kastens mit Stahlbolzen.
 • Oberfläche.

Abbildung 10: Vorgeschlagene Struktur Querschnitt Details

 4.3.2. Aufbau der optimierten Verbindung 2- Vorschlag 2
Eine einfachere Konstruktionsweise mit einem Schweißschritt ist in Abbildung 11 dargestellt.
Die Konstruktionsschritte sind wie folgt zusammengefasst:
 • Einsetzen der horizontalen Stange und Verschrauben des Endes
 • Befestigen des Kastenelements am Stab
 • Verschweißen der C-förmigen Stange mit dem Kastenelement
 • Einsetzen des Stabs in den Kasten
 Befestigung des Plattenteils des Kastens mit Stahlbolzen.

 Abbildung 11: Geschraubter Stab mit Kastenelement und geschweißtem C-förmigen Stab

5. Fazit
Für diese Arbeit wurde unter verschiedenen Schutzsystemen das Verbundpfahl-Fendersystem
ausgewählt. Die Standardzeichnungen des Verkehrsministeriums von Florida identifizieren drei
verschiedene Fendersysteme, basierend auf der Pflicht des schiffbaren Kanals und des
Schiffstyps. Die AASHTO-Konstruktionsrichtlinien für Schiffskollisionen wurden verwendet,
um die Aufprallbelastung der kritischen Punkte der Fenderstruktur zu berechnen. Die
Energiekapazität des Fendersystems wurde basierend auf der Fläche unter der Kurve der
Durchbiegungs-Stoßbelastung bestimmt. Daher wurden die drei verschiedenen
Schiffsverkehrskonfigurationen mit Ansys Workbench19.2- und FB-MultiPier-Software
modelliert. In Ansys Workbench19.2R wurden die drei Elemente (FGRP-Pfähle,
Verbundholzwale und Edelstahlstangenverbindung) des Systems mit einem Elementtyp
SOLID186 vernetzt, bei dem es sich um ein 3D-Element höherer Ordnung mit 20 Knoten
handelt [2]. . Eine Netzempfindlichkeitsstudie wurde durchgeführt, um die Konvergenz der
Ablenkung basierend auf der Anzahl der verwendeten Knoten zu testen. Da die Pfähle des
Fendersystems in den Boden gerammt werden, wurde das WINKLER-Modell zur Darstellung
des Bodenelements verwendet, dem in Ansys 19.2R der Elementtyp des elastischen
Stützelements (SURF154) zugewiesen wurde. Der Wasserdruckeffekt auf der Oberfläche des
Pfahls wurde nicht berücksichtigt, da der Wert relativ gering war. Der Effekt auf die
Bodenschicht war jedoch gemäß den Ergebnissen der FB-MultiPier-Software beträchtlich. Bei
der Lösung der drei Systeme trat ein Fehler hauptsächlich am Verbindungselement (Stab) auf,
bei dem die Zugspannungen seine Endfestigkeit überstiegen. Infolgedessen wurde eine
Optimierung der Verbindung durchgeführt, um die Wartungskosten bei jedem Treffer des
Lastkahns zu senken. In dieser Zusammenfassung wurden zwei vorgeschlagene optimierte
Verbindungstypen erwähnt, bei denen die Spannungen unter der Endfestigkeit des Materials
lagen. Es war jedoch wichtig, die Konstruierbarkeit der zweiten vorgeschlagenen Struktur zu
erwähnen, da sich die Verbindungsgeometrie geändert hat. Dementsprechend wurden zwei
vorgeschlagene Konstruktionsbeispiele für zukünftige Zwecke schrittweise geklärt. Weitere
Details zur zusammengefassten Arbeit finden Sie in der Original-Masterarbeit.
Da die Arbeiten mit einer äquivalenten statischen Belastung durchgeführt wurden, müssen
weitere Untersuchungen zur dynamischen Analyse der Struktur berücksichtigt und mit den
statischen Ergebnissen verglichen werden.

References
 [1] AASHTO. Guide Specifications and Commentary for Vessel Collision Design of
 Highway Bridges with Interims. 2010.
 [2] Inc. ANSYS. Workbench User’s Guide. Version Release 19.2.
 [3] The Nation’s Chartmaker. Nautical Chart 11451 Miami to Marathon and Florida Bay.
 Chart or Table. 1983.
 [4] S Fowler and M Kosar. Basics of Vessel Collision. Report. 2019.
 [5] S Imaoka. Elastic Foundation Stiffness. Version Ansys Release 19.2
 [6] Creative Pultrusions INC. SUPERPILE Fiber Reinforced Polymer (FRP) Pipe Piles.
 Brochure. 2016.
 [7] J M Murchison and M W O'Neill. \Evaluation of py Relationships in Cohesionless Soils".
 In: Analysis and Design of Pile Foundations. ASCE. 1984, pp. 174-191.
 [8] Florida Department of Transportation. Design Standards – Polymeric Piles. Report.
 2012/2013.
 [9] Florida Department of Transportation. Standard Specications for Roadand Bridge
 Construction, Section 471 Fiber Reinforced Polymer Fender System. Report. 2018.
 [10] N Yazdani et al. Investigation of Fender Systems for Vessel Impact. Tech. rep.
 2000.