A boltíves híd
A több mint 2000 éves építészeti használat után a boltív továbbra is kiemelkedő szerepet játszik a hídtervezésben, és jó okkal: félköríves szerkezete elegánsan osztja el a nyomást az egész formáján, és a súlyt a két támaszra tereli, a híd azon elemeire, amelyek közvetlenül veszik fel a nyomást.
A húzóerő a boltíves hidaknál viszont gyakorlatilag elhanyagolható. Az ív természetes íve és az erő kifelé történő elvezetésének képessége nagymértékben csökkenti a feszültség hatását az ív alján.
De ahogy a gerendák és a tartógerendák esetében, még a hatalmas ív sem tud a fizikát örökre legyőzni. Minél nagyobb a görbület mértéke (minél nagyobb az ív félköre), annál nagyobb a feszültség hatása a híd alján. Építsünk elég nagy ívet, és a feszültség végül felülmúlja a tartószerkezet természetes erejét.
Míg az ívhídépítésben elég sok kozmetikai változatosság van, az alapszerkezet nem változik. Vannak például római, barokk és reneszánsz boltívek, amelyek mindegyike építészetileg különbözik, de szerkezetileg ugyanaz.
Az ív maga az, ami a névadó híd erejét adja. Valójában egy kőből készült ívnek még habarcsra sincs szüksége. Az ókori rómaiak olyan ívhidakat és vízvezetékeket építettek, amelyek ma is állnak. A trükkös rész azonban az ív megépítése, mivel a szerkezet két összefolyó része nem rendelkezik szerkezeti szilárdsággal, amíg középen nem találkoznak. Ezért általában további állványzatra vagy tartórendszerekre van szükség.
A modern anyagok, például az acél és a feszített beton lehetővé teszik számunkra, hogy sokkal nagyobb boltíveket építsünk, mint az ókori rómaiak tették. A modern ívek jellemzően 200 és 800 láb (61 és 244 méter) között feszülnek, de a nyugat-virginiai New River Gorge Bridge lenyűgöző 1700 láb (518 méter)
A függőhíd
Amint a neve is mutatja, a függőhidak, mint a Golden Gate Bridge vagy a Brooklyn Bridge, kábelek, kötelek vagy láncok segítségével függesztik fel az úttestet két magas toronyról. Ezek a tornyok viselik a súly nagy részét, mivel a nyomóerő lefelé nyomja a függőhíd fedélzetét, majd a kábeleken, köteleken vagy láncokon felfelé haladva továbbítja a nyomást a tornyokra. A tornyok ezután a nyomást közvetlenül a földbe vezetik le.
A tartókötelek viszont a híd feszítő erejét veszik fel. Ezek a kábelek vízszintesen futnak a két távoli lehorgonyzás között. A hídhorgonyzások lényegében tömör sziklák vagy masszív betontömbök, amelyekbe a hidat földelik. A húzóerő a lehorgonyzásokba és a talajba jut.
A kábeleken kívül szinte minden függőhíd rendelkezik a hídpálya alatt egy tartószerkezeti rendszerrel, az úgynevezett fedélzeti gerendával. Ez segít a fedélzet merevítésében és csökkenti az útpálya kilengési és hullámzási hajlamát.
A függőhidak könnyedén képesek 2000 és 7000 láb (610 és 2134 méter) közötti távolságok áthidalására, így más hídkonstrukciókat meghaladó távolságokat is át tudnak hidalni. Tekintettel azonban a tervezésük összetettségére és az építésükhöz szükséges anyagokra, gyakran a legköltségesebb hídváltozat is.
De nem minden függőhíd a modern acél mérnöki csodája. Valójában a legkorábbiak csavart fűből készültek. Amikor a spanyol hódítók 1532-ben utat törtek Peruba, egy inka birodalmat fedeztek fel, amelyet függőhidak százai kötöttek össze, és több mint 46 méteres (150 láb) fesztávolságot értek el a mély hegyi szurdokok között. Európa viszont csak közel 300 évvel később láthatta az első függőhidat
A csavart fűből készült függőhidak persze nem tartanak olyan sokáig, folyamatos cserét igényelnek, hogy a szakadékon való biztonságos áthaladás biztosított legyen. Ma már csak egy ilyen híd maradt fenn, amely 27 méteres (90 láb) az Andokban.
Kábeles híd
A kábeles híd első pillantásra a függőhídnak csupán egy változatának tűnhet, de ne hagyja, hogy a hasonló tornyok és a lógó útpályák megtévesszék. A kábeles hidak abban különböznek függesztett elődeiktől, hogy nem igényelnek rögzítéseket, és nincs szükségük két toronyra sem. Ehelyett a kábelek az útpályától egyetlen toronyig futnak, amely egyedül viseli a súlyt.
A kábeles híd tornya felelős a nyomóerők felvételéért és kezeléséért. A kábelek különböző módon kapcsolódnak az útpályához. Például sugárirányú mintázatban a kábelek az út több pontjából egyetlen pontba, a toronyba nyúlnak, mint számos horgászzsinór egyetlen rúdhoz rögzítve. Párhuzamos mintázatban a kábelek az úttesthez és a toronyhoz is több külön ponton kapcsolódnak.
A második világháború lezárása után építették meg a mérnökök az első kábeles hidakat Európában, de az alapkonstrukció a 16. századra és Faust Vrancic horvát feltalálóra vezethető vissza. Tycho Brache és Johannes Kepler csillagászok kortársa, Vrancic készítette a “Machinae Novae” című könyvében az első ismert vázlatot egy függőfolyosós hídról.
A függőfolyosós hidak manapság népszerűek, mivel a függőhidak minden előnyét kínálják, de kisebb költséggel, 500 és 2800 láb (152 és 853 méter) közötti fesztávolságok esetén. Kevesebb acélkábelt igényelnek, gyorsabban megépíthetők és több előregyártott betonszelvényt tartalmaznak.
Nem minden hídhoz van azonban szükség nagy mennyiségű acélra és betonra. Néha egy-két fa gyökere is megteszi a hatását.
Az élő hidak
Míg az első hidak valószínűleg nem voltak mások, mint patakokon átdöntött rönkök, az emberiség hídépítő örökségének nagy része az elemekből megalkotott mesterséges szerkezetek története. Ez alól a szabály alól azonban az egyik legszembetűnőbb kivételt az észak-indiai Meghalaya régióban találjuk.
A monszun idején a helyiek itt a Föld egyik legcsapadékosabb időjárását élik át, és a felemelkedő árvizek elszigetelt darabokra vágják a földet. Építsünk hidat fonott indákból vagy faragott deszkákból, és az esőerdő nedvessége elkerülhetetlenül komposzttá változtatja. Ahogy a képen is látható, a helyiek meglehetősen elegáns megoldást dolgoztak ki a problémára: természetes növényzetből növesztik a hidakat. Ezzel a híd karbantartási feladatainak nagy részét magára a hídra hárítják.
Az élő híd építéséhez persze türelem kell. A helyi falusiak egy évtizedre vagy még többre előre megtervezik az építkezéseket. A War-Khasis népe például régi bételdiófák törzsének kivájt feléből gyökérirányító rendszereket készít, hogy a fojtogató füge gyökereit a kívánt irányba terelje. A gyökereket egyszerűen egy patak vagy folyó fölé irányítják, átívelve azt, és csak a túlsó parton engedik a gyökereket a földbe merülni. A nagyobb élő hidak akár 30 méteres hosszal is büszkélkedhetnek, 50 ember súlyát is elbírják, és akár 500 évig is kitarthatnak
Az eddigiekben a hídtervezés két legfontosabb erőhatását érintettük: a nyomó- és a húzóerőt. Azonban több tucat további erő is befolyásolja a hidak működését. Ezek az erők általában egy adott helyre vagy kialakításra jellemzőek.
A torzió például különösen nagy gondot okoz a függőhidakat tervező mérnököknek. Ez akkor következik be, amikor a nagy szél hatására a felfüggesztett útpálya elfordul és megcsavarodik, mint egy gördülő hullám. Amint azt a következő oldalon megvizsgáljuk, a washingtoni Tacoma Narrows híd a torzió miatt szenvedett károkat, amit viszont egy másik erős fizikai erő okozott
A boltíves hidak természetes alakja és a gerendahidak rácsos szerkezete megvédi őket ettől az erőtől. A függőhidak mérnökei ezzel szemben a fedélzeti merevítő gerendákhoz fordultak, amelyek a gerendahidakhoz hasonlóan hatékonyan kiküszöbölik a torzió hatását.
A rendkívüli hosszúságú függőhidaknál azonban a fedélzeti gerenda önmagában nem nyújt elegendő védelmet. A mérnökök szélcsatorna-vizsgálatokat végeznek modelleken, hogy meghatározzák a híd torziós mozgásokkal szembeni ellenállását. Ezen adatokkal felvértezve aerodinamikus fácsszerkezeteket és átlós függesztőkábeleket alkalmaznak a torzió hatásainak mérséklésére.
Nyírás: Nyírófeszültség akkor keletkezik, amikor két rögzített szerkezetet (vagy egy szerkezet két részét) ellentétes irányba kényszerítenek. Ha nem ellenőrzik, a nyíróerő szó szerint kettészakíthatja a híd anyagát. A nyíróerő egyszerű példája az lenne, ha egy hosszú karót félig a földbe vernénk, majd a karó felső részének oldalára oldalirányú erőt fejtünk ki. Megfelelő nyomással képes lenne kettétörni a karót. Ez a nyíróerő működés közben.
Még több híderő: Rezonancia
A rezonanciára úgy is gondolhatunk, mint egy hegyről leguruló és lavinává váló hógolyó rezgésegyenértékére. Úgy kezdődik, mint egy mechanikai rendszer viszonylag kicsi, periodikus ingerlése, mint például egy hidat megbolygató szél. Ezek a rezgések azonban többé-kevésbé összhangban vannak a híd természetes rezgéseivel. Ha nem szabályozzák, a rezgés drasztikusan megnövekedhet, és romboló, rezonáns rezgéseket küldhet a hídon keresztül torziós hullámok formájában.
A rezonancia legnevezetesebb példája 1940-ben történt, amikor a rezonáns rezgések tönkretették a Tacoma Narrows hidat Washingtonban. Az eset akkoriban különösen megdöbbentő volt, mivel a szerkezetet úgy tervezték, hogy óránként akár 120 mérföldes (193 kilométeres) szélnek is ellenálljon, és mindössze 64 kilométeres (40 mérföldes) szélben omlott össze.
A helyzet alapos vizsgálata arra utalt, hogy a híd fedélzeti merevítő fesztávja nem volt elegendő a fesztávhoz, de ez önmagában nem tudott egy ilyen szerkezetet ledönteni. Mint kiderült, a szél aznap éppen a megfelelő sebességgel fújt, és éppen a megfelelő szögben csapódott a hídba, hogy elindítsa a halálos rezgést. A folyamatos szél tovább fokozta a rezgéseket, mígnem a hullámok olyan nagyra és hevesre nőttek, hogy a híd darabokra tört. A hatás hasonló ahhoz, mint amikor egy énekesnő a hangjával összetör egy üveget.
A szél azonban nem az egyetlen potenciális veszélyforrás. Amikor egy hadsereg átvonul egy hídon, a katonák gyakran “megtörik a lépést”, hogy ritmikus menetelésük ne kezdjen el rezonálni az egész hídon. Egy kellően nagy sereg, amely éppen a megfelelő ütemben menetel, halálos rezgést indíthat el.
A rezonanciahatás teljes mérséklése érdekében egy híd esetében a mérnökök csillapítókat építenek be a híd kialakításába, hogy megszakítsák a rezonáns hullámokat, és megakadályozzák azok növekedését.
A rezonancia megállításának másik módja, ha kevesebb teret adunk neki a szabadjára engedéshez. Ha egy híd tömör útpályával büszkélkedhet, akkor egy rezonáns hullám könnyen végighaladhat a híd hosszán, és pusztítást végezhet. Ha azonban a híd útpályája különböző, egymást átfedő lemezekkel ellátott szakaszokból áll, akkor az egyik szakasz mozgása a lemezeken keresztül csupán áttevődik a másikra, súrlódást generálva. A trükk az, hogy elegendő súrlódást kell létrehozni ahhoz, hogy a rezonáns hullám frekvenciája megváltozzon. A frekvencia megváltoztatása megakadályozza a hullám felépülését.
Az időjárás, a hidak rombolója
Míg a szél kétségtelenül képes pusztító rezonanciahullámokat előidézni, az időjárás egésze számos pusztító támadást intéz az általunk épített hidak ellen. Valójában az eső, a jég, a szél és a só könyörtelen munkája elkerülhetetlenül ledönt minden hidat, amelyet az ember képes felépíteni.
A hídtervezők a múlt kudarcainak tanulmányozásával tanulták meg a mesterségüket. A vas felváltotta a fát, az acél pedig a vasat. Az előfeszített beton ma már létfontosságú szerepet játszik az autópályahidak építésében. Minden új anyag vagy tervezési technika a múlt tanulságaira épül. A torzió, a rezonancia és a rossz aerodinamikai kialakítások mind hídcsődökhöz vezettek, de a mérnökök folyamatosan újításokkal pattannak vissza a tervezési problémák megoldására.
Az időjárás azonban türelmes és kiszámíthatatlan ellenfél. Az időjárás okozta hídmeghibásodások száma általában meghaladja a tervezéssel kapcsolatos meghibásodásokét. Ez a tendencia csak arra utalhat, hogy még nem találtunk hatékony megoldást. A mai napig nincs olyan konkrét építőanyag vagy hídtervezés, amely képes lenne kiküszöbölni vagy akár csak mérsékelni ezeket az erőket. Végül is ugyanazokról az erőkről beszélünk, amelyek egész hegyvonulatokat rombolnak le és mély szakadékokat kovácsolnak a földbe. Ehhez képest egy ember által épített híd semmiség.
Az ősi inka függőhidakhoz hasonlóan az egyetlen visszatartó erő a folyamatos megelőző karbantartás.
Tekintse át ezt az oldalt a következőig, hogy még többet megtudjon a hidakról.
Források
- Blockley, David. “Bridges” Oxford University Press. 2010.
- “Build a Bridge”. NOVA. Október 2000. (2011. május 17.)http://www.pbs.org/wgbh/nova/bridge/build.html
- Foer, Joshua. “Az utolsó inka fűhíd”. Slate. Slate, 2011. február 22. (2011. május 17.)http://www.slate.com/id/2286002/
- Merchant, Brian. “Indiában 500 éve nőnek élő hidak”. TreeHugger.com. Sept. 28, 2010. (2011. május 17.)http://www.treehugger.com/files/2010/09/living-bridges-india-grown-500-years-pics.php
- “Folyók”. Human Planet Explorer. 2011 (2011. május 17.)http://www.bbc.co.uk/nature/humanplanetexplorer/environments/rivers
- Wilford, John Noble. “Hogyan ugrottak át az inkák a kanyonokon”. New York Times. 2007. május 8. (2011. május 17.)http://www.nytimes.com/2007/05/08/science/08bridg.html