Buebroen
Efter mere end 2.000 års arkitektonisk brug er buen stadig en vigtig del af brodesignet, og det er der en god grund til: Dens halvcirkelformede struktur fordeler på elegant vis kompressionen i hele dens form og omdirigerer vægten til de to støttepiller, som er de dele af broen, der direkte påvirkes af trykket.
Trækstyrken i buebroer er på den anden side næsten ubetydelig. Bueens naturlige kurve og dens evne til at sprede kraften udad reducerer i høj grad virkningerne af spændingen på buens underside.
Men ligesom med bjælker og spær, kan selv den mægtige bue ikke løbe fra fysikken for evigt. Jo større grad af krumning (jo større halvcirkel af buen), jo større er virkningerne af spændingen på broens underside. Hvis man bygger en tilstrækkelig stor bue, vil spændingen til sidst overhale støttestrukturens naturlige styrke.
Selv om der er en ret stor kosmetisk variation i buebrokonstruktionen, ændres den grundlæggende struktur ikke. Der findes f.eks. romerske, barok- og renæssancebuer, som alle er arkitektonisk forskellige, men strukturelt ens.
Det er selve buen, der giver broens navnebror sin styrke. Faktisk har en bue lavet af sten ikke engang brug for mørtel. De gamle romere byggede buebroer og akvædukter, som stadig står i dag. Den vanskelige del er imidlertid at bygge buen, da de to konvergerende dele af konstruktionen ikke har nogen strukturel integritet, før de mødes i midten. Derfor er der typisk brug for yderligere stilladser eller støttesystemer.
Moderne materialer som stål og forspændt beton gør det muligt for os at bygge langt større buer, end de gamle romere gjorde. Moderne buer spænder typisk mellem 61 og 244 meter (200 og 800 fod), men New River Gorge Bridge i West Virginia måler imponerende 518 meter (1.700 fod)
Suspensionsbroen
Som navnet antyder, hænger hængebroer, som Golden Gate Bridge eller Brooklyn Bridge, vejbanen op ved hjælp af kabler, reb eller kæder fra to høje tårne. Disse tårne bærer størstedelen af vægten, da kompressionen presser ned på hængebroens dæk og derefter bevæger sig op ad kablerne, rebene eller kæderne for at overføre kompressionen til tårnene. Tårnene afgiver derefter kompressionen direkte til jorden.
De bærende kabler modtager på den anden side broens spændingskræfter. Disse kabler løber horisontalt mellem de to fjerntliggende forankringer. Broens forankringer er i det væsentlige solide klipper eller massive betonblokke, som broen er jordet i. Spændingskraften passerer til forankringerne og ned i jorden.
Ud over kablerne har næsten alle hængebroer et bærende bindingsværkssystem under brodækket, kaldet et dækbindingsværk. Dette er med til at stive dækket og reducere tendensen til, at vejbanen svajer og bølger.
Hængebroer kan nemt krydse afstande på mellem 610 og 2 134 meter (2.000 og 7.000 fod), hvilket gør det muligt for dem at spænde over afstande, som ligger uden for andre brokonstruktioner. I betragtning af kompleksiteten af deres design og de materialer, der er nødvendige for at bygge dem, er de dog ofte også den dyreste bromulighed.
Men det er ikke alle hængebroer, der er et teknisk vidunder af moderne stål. Faktisk var de tidligste broer lavet af snoet græs. Da de spanske conquistadorer i 1532 kom ind i Peru, opdagede de et inka-imperium, der var forbundet af hundredvis af hængebroer, som havde en spændvidde på over 46 meter over dybe bjergkløfter. Europa skulle derimod ikke se sin første hængebro før næsten 300 år senere
Hængebroer lavet af snoet græs holder naturligvis ikke så længe og kræver løbende udskiftning for at sikre en sikker rejse over kløften. I dag er der kun én sådan bro tilbage, som måler 27 meter (90 fod) i Andesbjergene.
Kabelsvævsbro
Ved første øjekast ligner kabelsvævsbroen måske blot en variant af hængebroen, men lad dig ikke narre af deres ens tårne og hængende kørebaner. Kabelbroer adskiller sig fra deres hængebroer ved, at de ikke kræver forankringer og heller ikke to tårne. I stedet løber kablerne fra vejbanen op til et enkelt tårn, som alene bærer vægten.
Tårnet på en kabelspændt bro er ansvarlig for at absorbere og håndtere kompressionskræfter. Kablerne er fastgjort til vejbanen på forskellige måder. For eksempel strækker kablerne sig i et radialt mønster fra flere punkter på vejen til et enkelt punkt ved tårnet, ligesom mange fiskesnore, der er fastgjort til en enkelt pæl. I et parallelt mønster er kablerne fastgjort til både vejbanen og tårnet på flere forskellige punkter.
Ingeniørerne konstruerede de første kabelbroer i Europa efter afslutningen af Anden Verdenskrig, men det grundlæggende design går tilbage til det 16. århundrede og den kroatiske opfinder Faust Vrancic. Vrancic var samtidige med astronomerne Tycho Brache og Johannes Kepler og lavede den første kendte skitse af en kabelbro i sin bog “Machinae Novae.”
I dag er kabelbroer et populært valg, da de tilbyder alle fordelene ved en hængebro, men til en lavere pris for spændvidder på 152 til 853 meter. De kræver mindre stålkabel, er hurtigere at bygge og indeholder flere præfabrikerede betonsektioner.
Det er dog ikke alle broer, der kræver store mængder stål og beton. Nogle gange er en trærod eller to nok til at gøre det.
De levende broer
Mens de første broer sandsynligvis ikke var andet end træstammer, der blev væltet over bække, er det meste af menneskehedens brobygningsarv en historie om kunstige konstruktioner, der er udformet ud fra elementerne. Vi kan dog finde en af de mest slående undtagelser fra denne regel i Meghalaya-regionen i det nordlige Indien.
I monsuntiden udholder lokalbefolkningen her nogle af de vådeste forhold på Jorden, og stigende oversvømmelser skærer landet op i isolerede fragmenter. Hvis man bygger en bro af vævede vinstokke eller huggede brædder, vil regnskovens fugt uundgåeligt forvandle den til kompost. Som du kan se på billedet, har de lokale folk udviklet en ret elegant løsning på problemet: De dyrker deres broer af naturlig vegetation. På den måde overlader de en stor del af broens vedligeholdelsesopgaver til broen selv.
Det kræver naturligvis tålmodighed at bygge en levende bro. De lokale landsbyboere planlægger deres konstruktioner et årti eller mere i forvejen. War-Khasis-folket skaber f.eks. rodstyringssystemer af de udhulede halvdele af gamle betelnøddetræstammer for at lede kvælende figenrødder i den ønskede retning. De leder simpelthen rødderne ud over en bæk eller flod, spænder over den og tillader kun rødderne at dykke ned i jorden på den modsatte bred. De større levende broer har en længde på op til 30 meter, kan bære vægten af 50 mennesker og kan holde i op til 500 år
Så langt har vi berørt de to vigtigste kræfter i brokonstruktion: kompression og spænding. Men snesevis af yderligere kræfter påvirker også den måde, som broer fungerer på. Disse kræfter er normalt specifikke for et bestemt sted eller design.
Torsion er f.eks. et særligt problem for ingeniører, der konstruerer hængebroer. Den opstår, når kraftig vind får den ophængte vejbane til at rotere og vride sig som en rullende bølge. Som vi vil undersøge på næste side, fik Washingtons Tacoma Narrows Bridge skader på grund af torsion, som igen blev forårsaget af en anden kraftig fysisk kraft
Den naturlige form på buebroer og bindingsværksstrukturen på bjælkebroer beskytter dem mod denne kraft. Ingeniører af hængebroer har på den anden side anvendt dækforstærkende spær, der ligesom i tilfælde af bjælkebroer effektivt eliminerer virkningerne af torsion.
I hængebroer af ekstrem længde er dækspæret alene imidlertid ikke tilstrækkelig beskyttelse. Ingeniører udfører vindtunnelforsøg på modeller for at bestemme broens modstandsdygtighed over for torsionsbevægelser. Bevæbnet med disse data anvender de aerodynamiske spærkonstruktioner og diagonale ophængningskabler for at afbøde virkningerne af torsion.
Skubning: Skubspænding opstår, når to fastgjorte strukturer (eller to dele af en enkelt struktur) tvinges i modsatte retninger. Hvis det ikke kontrolleres, kan forskydningskraften bogstaveligt talt rive bromaterialer i to dele. Et simpelt eksempel på forskydningskraft er at slå en lang pæl halvvejs ned i jorden og derefter påføre sidekraft mod siden af den øverste del af pælen. Med tilstrækkeligt tryk vil man være i stand til at knække pælen i to dele. Dette er forskydningskraft i praksis.
Mere brokræfter: Resonans
Du kan tænke på resonans som den vibrationsmæssige ækvivalens af en snebold, der ruller ned ad en bakke og bliver til en lavine. Den begynder som en forholdsvis lille, periodisk stimulans af et mekanisk system, f.eks. vind, der slår mod en bro. Disse vibrationer er imidlertid mere eller mindre i harmoni med broens naturlige vibrationer. Hvis de ikke kontrolleres, kan vibrationerne øges drastisk og sende destruktive, resonante vibrationer på rejse gennem en bro i form af torsionsbølger.
Det mest bemærkelsesværdige eksempel på resonans fandt sted i 1940, da resonansvibrationer ødelagde Tacoma Narrows Bridge i Washington. Hændelsen var særligt chokerende på det tidspunkt, da strukturen var designet til at modstå vindstød på op til 193 kilometer i timen (120 miles) og kollapsede i en vind på blot 64 kilometer (40 miles).
En nærmere undersøgelse af situationen tydede på, at broens dækforstærkende spær var utilstrækkeligt til spændvidden, men dette alene kunne ikke bringe en sådan struktur til fald. Det viste sig, at vinden den dag havde den helt rigtige hastighed og ramte broen i den helt rigtige vinkel for at udløse den dødbringende vibration. De fortsatte vinde øgede vibrationerne, indtil bølgerne blev så store og voldsomme, at de brød broen fra hinanden. Effekten svarer til den, som når en sangerinde splintrer et glas med sin stemme.
Vind er dog ikke den eneste potentielle trussel. Når en hær marcherer over en bro, “bryder soldaterne ofte skridtet”, så deres rytmiske march ikke begynder at give genlyd på hele broen. En tilstrækkelig stor hær, der marcherer i den helt rigtige kadence, kan sætte den dødelige vibration i gang.
For at afbøde resonansvirkningen i en bro fuldt ud, indarbejder ingeniører dæmpere i brokonstruktionen for at afbryde de resonante bølger og forhindre dem i at vokse.
En anden måde at standse resonans på er at give den mindre plads til at løbe frit omkring. Hvis en bro har en solid kørebane, kan en resonansbølge let bevæge sig i hele broens længde og skabe ravage. Men hvis broens kørebane består af forskellige sektioner med overlappende plader, så overføres bevægelsen i en sektion blot til en anden via pladerne og skaber friktion. Tricket er at skabe tilstrækkelig friktion til at ændre frekvensen af den resonante bølge. Ved at ændre frekvensen forhindrer man bølgen i at opbygge sig.
Vejret, broernes ødelægger
Mens vinden bestemt kan fremkalde destruktive resonansbølger, udløser vejret i det hele taget et væld af destruktive angreb på de broer, vi bygger. Faktisk vil det ubarmhjertige arbejde fra regn, is, vind og salt uundgåeligt bringe enhver bro, som mennesker kan opføre, til fald.
Brodesignere har lært deres håndværk ved at studere fortidens fejlslagne broer. Jern har erstattet træ, og stål har erstattet jern. Forspændt beton spiller nu en afgørende rolle i konstruktionen af motorvejsbroer. Hvert nyt materiale eller hver ny konstruktionsteknik bygger på erfaringerne fra fortiden. Torsion, resonans og dårlige aerodynamiske konstruktioner har alle ført til brosvigt, men ingeniører vender hele tiden tilbage med innovationer for at løse konstruktionsproblemer.
Vejret er imidlertid en tålmodig og uforudsigelig modstander. Tilfælde af vejrrelaterede brosvigt har tendens til at være flere end tilfælde af konstruktionsrelaterede svigt. Denne tendens kan kun tyde på, at vi endnu ikke har fundet en effektiv løsning. Indtil videre er der ikke noget specifikt byggemateriale eller brodesign, der kan fjerne eller endog afbøde disse kræfter. Når alt kommer til alt, taler vi om de samme kræfter, der nedbryder hele bjergkæder og skaber dybe kløfter i jorden. Til sammenligning er en menneskeskabt bro ingenting.
Som med de gamle hængebroer fra Inkaerne er det eneste afskrækkende middel kontinuerlig forebyggende vedligeholdelse.
Spænd mellem denne og den næste side for at finde ud af endnu mere om broer.
Kilder
- Blockley, David. “Bridges” Oxford University Press. 2010.
- “Byg en bro”. NOVA. Oktober 2000. (17. maj 2011)http://www.pbs.org/wgbh/nova/bridge/build.html
- Foer, Joshua. “Den sidste græsbro fra inkaerne”. Slate. Feb. 22, 2011. (17. maj 2011)http://www.slate.com/id/2286002/
- Merchant, Brian. “Levende broer i Indien har vokset i 500 år.” TreeHugger.com. Sept. 28, 2010. (17. maj 2011)http://www.treehugger.com/files/2010/09/living-bridges-india-grown-500-years-pics.php
- “Rivers.” Human Planet Explorer. 2011 (17. maj 2011)http://www.bbc.co.uk/nature/humanplanetexplorer/environments/rivers
- Wilford, John Noble. “Hvordan Inkaerne sprang over kløfter.” New York Times. May 8, 2007. (17. maj 2011)http://www.nytimes.com/2007/05/08/science/08bridg.html