Kaarisilta
Kaari on ollut arkkitehtonisesti käytössä yli 2000 vuotta, ja se on edelleen näkyvästi esillä siltasuunnitelmissa, ja hyvästä syystä: sen puoliympyränmuotoinen rakenne jakaa puristusvoiman tyylikkäästi koko muotoonsa ja siirtää painon kahdelle tukijalalleen, jotka ovat ne sillan osat, jotka ottavat suoraan vastaan painetta.
Kaarisiltojen vetovoima on sitä vastoin käytännöllisesti katsoen häviävän pieni. Kaaren luonnollinen kaari ja sen kyky hajottaa voima ulospäin vähentävät huomattavasti jännityksen vaikutuksia kaaren alapuolella.
Mutta kuten palkkien ja ristikoiden kohdalla, edes mahtava kaari ei voi päihittää fysiikkaa ikuisesti. Mitä suurempi kaarevuusaste (mitä suurempi kaaren puoliympyrä), sitä suuremmat ovat jännityksen vaikutukset sillan alapuolelle. Rakenna tarpeeksi suuri kaari, ja jännitys ohittaa lopulta tukirakenteen luonnollisen lujuuden.
Vaikka kaarisiltojen rakentamisessa on melko paljon kosmeettista vaihtelua, perusrakenne ei muutu. On olemassa esimerkiksi roomalaisia, barokkikaaria ja renessanssikaaria, jotka kaikki ovat arkkitehtonisesti erilaisia mutta rakenteellisesti samanlaisia.
Juuri kaari itsessään antaa nimisillalle sen lujuuden. Itse asiassa kivestä tehty kaari ei tarvitse edes laastia. Muinaiset roomalaiset rakensivat kaarisiltoja ja akvedukteja, jotka ovat edelleen pystyssä. Kaaren rakentaminen on kuitenkin hankalaa, sillä rakenteen kahdella yhteen menevällä osalla ei ole rakenteellista kestävyyttä ennen kuin ne kohtaavat keskellä. Näin ollen tarvitaan yleensä ylimääräisiä telineitä tai tukijärjestelmiä.
Nykyaikaiset materiaalit, kuten teräs ja jännitetty betoni, mahdollistavat paljon suurempien kaarien rakentamisen kuin muinaiset roomalaiset tekivät. Nykyaikaiset kaaret ulottuvat tyypillisesti 61-244 metrin (200-800 jalan) päähän, mutta Länsi-Virginiassa sijaitsevan New River Gorge -sillan pituus on vaikuttava 518 metriä (1 700 jalkaa)
Ripustussilta
Nimensä mukaisesti ripustussillat, kuten Golden Gate -silta tai Brooklynin silta, ripustavat ajoradan kaapeleiden, köysien tai ketjujen avulla kahdesta korkeasta tornista. Nämä tornit kantavat suurimman osan painosta, kun painuma painuu alaspäin riippusillan kannella ja siirtyy sitten ylöspäin kaapeleita, köysiä tai ketjuja pitkin siirtääkseen painuman torneihin. Tornit purkavat sitten puristuksen suoraan maahan.
Tukikaapelit puolestaan ottavat vastaan sillan vetovoimat. Nämä kaapelit kulkevat vaakasuorassa kahden kaukana sijaitsevan ankkurointipaikan välillä. Sillan ankkurointipaikat ovat lähinnä kiinteää kalliota tai massiivisia betonilohkareita, joihin silta on maadoitettu. Jännitysvoima siirtyy ankkurointipaikoille ja maahan.
Vaijereiden lisäksi lähes kaikissa riippusilloissa on sillan kannen alla kantava ristikkojärjestelmä, jota kutsutaan kansiristikoksi. Tämä auttaa jäykistämään kantta ja vähentämään ajoradan taipumusta huojua ja aaltoilla.
Jousisilloilla voidaan helposti ylittää etäisyyksiä, jotka vaihtelevat 2 000 ja 7 000 jalan (610 ja 2 134 metrin) välillä, joten niillä voidaan ylittää etäisyyksiä, jotka ylittävät muut siltamallit. Suunnittelun monimutkaisuuden ja niiden rakentamiseen tarvittavien materiaalien vuoksi ne ovat kuitenkin usein myös kallein siltavaihtoehto.
Mutta kaikki riippusillat eivät ole nykyaikaisen teräksen insinööritaidon ihme. Itse asiassa varhaisimmat niistä tehtiin kierretystä ruohosta. Kun espanjalaiset valloittajat pääsivät Peruun vuonna 1532, he löysivät inkojen valtakunnan, jota yhdistivät sadat riippusillat, joiden jännevälit olivat yli 46 metriä (150 jalkaa) syvien vuorten rotkojen yli. Euroopassa sen sijaan nähtiin ensimmäinen riippusilta vasta lähes 300 vuotta myöhemmin
Kierretyistä ruohoista tehdyt riippusillat eivät tietenkään kestä kovinkaan kauan, vaan ne on vaihdettava jatkuvasti, jotta kuilun ylittäminen olisi turvallista. Nykyään on jäljellä vain yksi tällainen silta, joka on kooltaan 27 metriä (90 jalkaa) Andeilla.
Vaijerisilta
Ensi silmäyksellä vaijerisilta saattaa näyttää vain riippusiltojen muunnelmalta, mutta älä anna niiden samankaltaisten tornien ja roikkuvien ajoratojen hämätä itseäsi. Köysisillat eroavat riippusilloista siinä, että ne eivät tarvitse ankkurointeja eivätkä kahta tornia. Sen sijaan kaapelit kulkevat ajoradalta yhteen torniin, joka yksin kantaa painon.
Vaijerisillan torni vastaa puristusvoimien vaimentamisesta ja käsittelystä. Kaapelit kiinnittyvät ajorataan eri tavoin. Esimerkiksi säteittäisessä kuvioinnissa kaapelit ulottuvat useista tien pisteistä yhteen pisteeseen tornissa, kuten lukuisat kalastussiimat, jotka on kiinnitetty yhteen tolppaan. Rinnakkaisessa kuviossa kaapelit kiinnittyvät sekä ajorataan että torniin useissa eri pisteissä.
Insinöörit rakensivat ensimmäiset köysisillat Euroopassa toisen maailmansodan päättymisen jälkeen, mutta perusrakenne on peräisin 1500-luvulta ja kroatialaiselta keksijältä Faust Vrancicilta. Tähtitieteilijöiden Tycho Brachen ja Johannes Keplerin aikalainen Vrancic teki ensimmäisen tunnetun luonnoksen köysisillasta kirjassaan ”Machinae Novae.”
Tänä päivänä köysisillat ovat suosittu valinta, sillä ne tarjoavat kaikki riippusiltojen edut, mutta pienemmillä kustannuksilla, kun jänneväli on 152-853 metriä (500-2 800 jalkaa). Ne vaativat vähemmän teräskaapeleita, ovat nopeampia rakentaa ja sisältävät enemmän betonielementtejä.
Eivät kuitenkaan kaikki sillat vaadi suuria määriä terästä ja betonia. Joskus puunjuuri tai pari riittää.
Elävät sillat
Vaikka ensimmäiset sillat eivät todennäköisesti olleet mitään muuta kuin purojen yli kaadettuja tukkeja, suurin osa ihmiskunnan sillanrakennusperinnöstä on tarinaa keinotekoisista rakenteista, jotka on tehty elementeistä. Voimme kuitenkin löytää yhden silmiinpistävimmistä poikkeuksista tähän sääntöön Pohjois-Intiassa sijaitsevalta Meghalayan alueelta.
Monsuunikauden aikana paikalliset joutuvat kärsimään joistakin maapallon sateisimmista olosuhteista, ja nousevat tulvavedet leikkaavat maata eristettyihin pirstaleisiin. Rakenna silta punotuista köynnöksistä tai hakatuista laudoista, ja sademetsän kosteus muuttaa sen väistämättä kompostiksi. Kuten kuvasta näkyy, paikalliset ovat kehittäneet melko tyylikkään ratkaisun ongelmaan: he kasvattavat siltansa luonnollisesta kasvillisuudesta. Näin he siirtävät suuren osan sillan huoltotehtävistä sillalle itselleen.
Elävän sillan rakentaminen vaatii tietysti kärsivällisyyttä. Paikalliset kyläläiset suunnittelevat rakentamisensa vuosikymmenen tai enemmänkin etukäteen. War-Khasis-kansa esimerkiksi luo vanhojen betelpähkinäpuiden runkojen ontoista puolikkaista juurtenohjausjärjestelmiä, joilla kuristusviikunan juuret ohjataan haluttuun suuntaan. He yksinkertaisesti suuntaavat juuret puron tai joen yli, ylittävät sen ja antavat juurien sukeltaa maahan vasta vastarannalla. Suuremmat elävät sillat ylpeilevät jopa 30 metrin pituisilla silloilla, kestävät 50 ihmisen painon ja voivat kestää jopa 500 vuotta
Tähän mennessä olemme käsitelleet kahta tärkeintä voimaa siltojen suunnittelussa: puristusta ja vetoa. Silti myös kymmenet lisävoimat vaikuttavat siltojen toimintaan. Nämä voimat liittyvät yleensä tiettyyn paikkaan tai rakenteeseen.
Esimerkiksi vääntö on erityinen huolenaihe riippusiltoja suunnitteleville insinööreille. Sitä esiintyy, kun kova tuuli saa ripustetun ajoradan pyörimään ja vääntymään kuin vierivä aalto. Kuten seuraavalla sivulla tarkastellaan, Washingtonin Tacoma Narrows -silta kärsi vaurioita väännöstä, joka puolestaan johtui toisesta voimakkaasta fysikaalisesta voimasta
Kaarisiltojen luonnollinen muoto ja palkkisiltojen ristikkorakenne suojaavat niitä tältä voimalta. Riippusiltojen insinöörit sen sijaan ovat turvautuneet kannen jäykistäviin ristikoihin, jotka palkkisiltojen tapaan eliminoivat tehokkaasti väännön vaikutukset.
Erittäin pitkissä riippusilloissa pelkkä kannen ristikko ei kuitenkaan riitä suojaamaan. Insinöörit tekevät malleilla tuulitunnelikokeita määrittääkseen sillan vääntökestävyyden. Näiden tietojen perusteella he käyttävät aerodynaamisia ristikkorakenteita ja diagonaalisia ripustuskaapeleita väännön vaikutusten lieventämiseksi.
Leikkaus: Leikkausjännitys syntyy, kun kaksi kiinnitettyä rakennetta (tai yhden rakenteen kahta osaa) pakotetaan vastakkaisiin suuntiin. Jos leikkausvoima jätetään hallitsematta, se voi kirjaimellisesti repiä siltamateriaalit kahtia. Yksinkertainen esimerkki leikkausvoimasta olisi se, että lyötäisiin pitkä paalu puoliväliin maata ja kohdistettaisiin sitten sivuttaisvoima paalun yläosan sivua vasten. Riittävällä paineella voisit katkaista paalun kahtia. Tämä on leikkausvoima toiminnassa.
Lisää siltavoimia: Resonanssi
Voit ajatella resonanssia värähtelyekvivalenttina lumipallolle, joka vierii mäkeä alas ja muuttuu lumivyöryksi. Se alkaa mekaanisen järjestelmän suhteellisen pienestä, jaksoittaisesta ärsykkeestä, kuten tuulen puhaltamisesta siltaan. Nämä värähtelyt ovat kuitenkin enemmän tai vähemmän sopusoinnussa sillan luonnollisen värähtelyn kanssa. Jos sitä ei hillitä, värähtely voi kasvaa rajusti, jolloin tuhoisat, resonoivat värähtelyt kulkevat sillan läpi vääntöaaltojen muodossa.
Merkittävin esimerkki resonanssista tapahtui vuonna 1940, kun resonoivat värähtelyt tuhosivat Tacoma Narrows -sillan Washingtonissa. Tapaus oli tuolloin erityisen järkyttävä, sillä rakenne oli suunniteltu kestämään jopa 193 kilometriä tunnissa puhaltavia tuulia, ja se romahti vain 64 kilometrin (40 mailin) tuulessa.
Tilanteen läheinen tarkastelu viittasi siihen, että sillan kannen jäykistävä ristikko oli riittämätön jänneväliin nähden, mutta se ei yksinään voinut kaataa tällaista rakennetta. Kuten kävi ilmi, tuuli oli tuona päivänä juuri oikealla nopeudella ja osui siltaan juuri oikeassa kulmassa tappavan tärinän laukaisemiseksi. Jatkuvat tuulet lisäsivät tärinää, kunnes aallot kasvoivat niin suuriksi ja voimakkaiksi, että ne hajottivat sillan. Vaikutus on samankaltainen kuin jos laulaja särkisi lasin äänellään.
Tuuli ei kuitenkaan ole ainoa mahdollinen uhka. Kun armeija marssii sillan yli, sotilaat usein ”katkaisevat askeleen”, jotta heidän rytmikäs marssinsa ei alkaisi kaikua koko sillalla. Riittävän suuri armeija, joka marssisi juuri oikealla tahdilla, voisi laittaa tappavan värähtelyn liikkeelle.
Voidakseen lieventää täysin resonanssi-ilmiötä sillassa insinöörit sisällyttävät sillan suunnitteluun vaimenninlaitteita, jotka katkaisevat resonoivat aallot ja estävät niitä kasvamasta.
Toinen keino pysäyttää resonanssi on se, että sille annetaan vähemmän tilaa valloilleen. Jos silta ylpeilee kiinteällä ajoradalla, resonanttiaalto voi helposti kulkea koko sillan pituudelta ja aiheuttaa tuhoa. Mutta jos sillan ajorata koostuu eri osista, joissa on päällekkäisiä levyjä, niin yhden osan liike vain siirtyy levyjen kautta toiseen, jolloin syntyy kitkaa. Temppu on luoda riittävästi kitkaa, jotta resonanttiaallon taajuus muuttuu. Taajuuden muuttaminen estää aaltoa muodostumasta.
Sää, siltojen tuhoaja
Tuuli voi toki aiheuttaa tuhoisaa resonanssiaaltoa, mutta sää kokonaisuutena aiheuttaa lukuisia tuhoisia hyökkäyksiä rakentamiimme siltoihin. Itse asiassa sateen, jään, tuulen ja suolan armoton työ kaataa väistämättä minkä tahansa sillan, jonka ihminen voi pystyttää.
Siltojen suunnittelijat ovat oppineet taitonsa tutkimalla menneisyyden epäonnistumisia. Rauta on korvannut puun, ja teräs on korvannut raudan. Jännitetyllä betonilla on nykyään tärkeä rooli maantiesiltojen rakentamisessa. Jokainen uusi materiaali tai suunnittelutekniikka perustuu menneisyyden oppeihin. Vääntö, resonanssi ja huonot aerodynaamiset rakenteet ovat kaikki johtaneet siltojen epäonnistumisiin, mutta insinöörit keksivät jatkuvasti uusia ratkaisuja suunnitteluongelmiin.
Sää on kuitenkin kärsivällinen ja arvaamaton vastustaja. Säästä johtuvia siltojen rikkoutumistapauksia on yleensä enemmän kuin suunnittelusta johtuvia rikkoutumistapauksia. Tämä suuntaus voi vain viitata siihen, että emme ole vielä keksineet tehokasta ratkaisua. Toistaiseksi mikään tietty rakennusmateriaali tai siltasuunnittelu ei pysty poistamaan tai edes lieventämään näitä voimia. Loppujen lopuksi puhumme samoista voimista, jotka rapauttavat kokonaisia vuorijonoja ja luovat syviä kuiluja maahan. Siihen verrattuna ihmisen rakentama silta ei ole mitään.
Kuten muinaisten inkojen riippusiltojen kohdalla, ainoa varoittava tekijä on jatkuva ennaltaehkäisevä kunnossapito.
Katkaise tämän ja seuraavan sivun välissä oleva aukko löytääksesi vielä enemmän tietoa silloista.
Lähteet
- Blockley, David. ”Bridges” Oxford University Press. 2010.
- ”Build a Bridge”. NOVA. Lokakuu 2000. (17. toukokuuta 2011)http://www.pbs.org/wgbh/nova/bridge/build.html
- Foer, Joshua. ”Viimeinen inkojen ruohosilta”. Slate. 22. helmikuuta 2011. (17. toukokuuta 2011)http://www.slate.com/id/2286002/
- Merchant, Brian. ”Elävät sillat Intiassa ovat kasvaneet 500 vuotta”. TreeHugger.com. Sept. 28, 2010. (17. toukokuuta 2011)http://www.treehugger.com/files/2010/09/living-bridges-india-grown-500-years-pics.php
- ”Joet”. Human Planet Explorer. 2011 (17. toukokuuta 2011)http://www.bbc.co.uk/nature/humanplanetexplorer/environments/rivers
- Wilford, John Noble. ”Kuinka inkat loikkivat kanjoneita”. New York Times. 8. toukokuuta 2007. (17. toukokuuta 2011)http://www.nytimes.com/2007/05/08/science/08bridg.html