The Arch Bridge
Na meer dan 2000 jaar architectonisch gebruik blijft de boog een prominente plaats innemen in brugontwerpen en met een goede reden: de halfronde structuur verdeelt op elegante wijze de druk door de gehele vorm en leidt het gewicht af naar de twee landhoofden, de onderdelen van de brug die direct druk opvangen.
Trekkracht in boogbruggen is daarentegen vrijwel te verwaarlozen. De natuurlijke kromming van de boog en het vermogen om de kracht naar buiten af te voeren, verminderen de effecten van spanning op de onderkant van de boog aanzienlijk.
Maar net als bij balken en vakwerkliggers kan zelfs de machtige boog niet eeuwig de fysica ontlopen. Hoe groter de mate van kromming (hoe groter de halve cirkel van de boog), hoe groter het effect van spanning op de onderkant van de brug. Bouw een boog groot genoeg, en de spanning zal uiteindelijk de natuurlijke sterkte van de draagconstructie inhalen.
Hoewel er een behoorlijke hoeveelheid cosmetische variatie in boogbruggen constructie is, verandert de basisstructuur niet. Er zijn bijvoorbeeld Romeinse, barokke en renaissancebogen, die allemaal architectonisch verschillend zijn, maar structureel hetzelfde.
Het is de boog zelf die zijn naamgevende brug zijn sterkte geeft. In feite heeft een boog van steen niet eens mortel nodig. De oude Romeinen bouwden boogbruggen en aquaducten die nu nog overeind staan. Het lastige deel is echter het bouwen van de boog, omdat de twee samenkomende delen van de structuur geen structurele integriteit hebben totdat ze elkaar in het midden ontmoeten. Daarom zijn er meestal extra steigers of ondersteuningssystemen nodig.
Met moderne materialen zoals staal en voorgespannen beton kunnen we veel grotere bogen bouwen dan de oude Romeinen deden. Moderne bogen hebben meestal een overspanning van 61 tot 244 meter, maar de New River Gorge Bridge in West-Virginia meet maar liefst 518 meter.
De hangbrug
Zoals de naam al zegt, hangen hangbruggen, zoals de Golden Gate Bridge of de Brooklyn Bridge, de rijweg met kabels, touwen of kettingen aan twee hoge torens. Deze torens dragen het grootste deel van het gewicht omdat de compressie op het dek van de hangbrug drukt en dan langs de kabels, touwen of kettingen omhoog gaat om de compressie naar de torens over te brengen. De torens voeren de compressie vervolgens rechtstreeks af naar de aarde.
De ondersteunende kabels, aan de andere kant, ontvangen de trekkrachten van de brug. Deze kabels lopen horizontaal tussen de twee verankeringspunten. Brugverankeringen zijn in wezen massieve rotsblokken of massieve betonblokken waarin de brug is gegrond. De spankracht gaat naar de ankerpunten en in de grond.
Naast de kabels hebben bijna alle hangbruggen een ondersteunend vakwerksysteem onder het brugdek, een zogenaamde dekspant. Dit helpt om het dek stijf te maken en de neiging van de rijweg om te slingeren en te rimpelen te verminderen.
Suspension bridges can easily cross distances between 2,000 and 7,000 feet (610 en 2,134 meter), waardoor ze afstanden kunnen overbruggen die buiten het bereik van andere brugontwerpen liggen. Gezien de complexiteit van hun ontwerp en de materialen die nodig zijn om ze te bouwen, echter, ze zijn vaak de duurste brug optie ook.
Maar niet elke hangbrug is een technisch wonder van modern staal. In feite, de vroegste werden gemaakt van gedraaide gras. Toen de Spaanse veroveraars in 1532 Peru binnentrokken, ontdekten zij een Inca-rijk dat door honderden hangbruggen met elkaar was verbonden, met overspanningen van meer dan 46 meter over diepe bergkloven. Europa daarentegen zou zijn eerste hangbrug pas bijna 300 jaar later zien
Verhangbruggen gemaakt van gedraaid gras gaan natuurlijk niet zo lang mee en moeten voortdurend worden vervangen om veilig over de kloof te kunnen reizen. Vandaag de dag is er nog maar één zo’n brug over, met een lengte van 27 meter in de Andes.
Kabelhangbrug
Op het eerste gezicht lijkt de kabelhangbrug misschien op een variant van de hangbrug, maar laat je niet misleiden door hun gelijksoortige torens en hangende rijbanen. De tuibruggen verschillen van hun hangbruggen in die zin dat zij geen verankeringen nodig hebben, noch twee torens. In plaats daarvan lopen de kabels van het wegdek naar een enkele toren die als enige het gewicht draagt.
De toren van een tuibrug is verantwoordelijk voor het opvangen en opvangen van drukkrachten. De kabels zijn op verschillende manieren aan het wegdek bevestigd. In een radiaal patroon bijvoorbeeld lopen de kabels van verschillende punten op de weg naar een enkel punt bij de toren, zoals talrijke vislijnen die aan een enkele paal zijn bevestigd. Bij een parallel patroon zijn de kabels op verschillende punten aan de weg en de toren bevestigd.
Gineers bouwden de eerste tuibruggen in Europa na het einde van de Tweede Wereldoorlog, maar het basisontwerp gaat terug tot de 16e eeuw en de Kroatische uitvinder Faust Vrancic. Vrancic, een tijdgenoot van de astronomen Tycho Brache en Johannes Kepler, maakte de eerste bekende schets van een tuibrug in zijn boek “Machinae Novae.”
Vandaag de dag zijn tuibruggen een populaire keuze, omdat ze alle voordelen van een hangbrug bieden, maar tegen lagere kosten voor overspanningen van 500 tot 2.800 voet (152 tot 853 meter). Ze vereisen minder staalkabel, zijn sneller te bouwen en bevatten meer prefab betonnen secties.
Niet voor alle bruggen zijn echter grote stukken staal en beton nodig. Soms is een boomwortel of twee al voldoende.
De levende bruggen
Hoewel de eerste bruggen waarschijnlijk niets anders waren dan boomstammen die over kreken werden gegooid, is het grootste deel van de bruggenbouwerfenis van de mensheid een verhaal van kunstmatige constructies die uit de elementen zijn vervaardigd. Een van de meest opvallende uitzonderingen op deze regel vinden we echter in de Meghalaya-regio in Noord-India.
Tijdens het moessonseizoen heeft de plaatselijke bevolking hier te kampen met een van de natste omstandigheden op aarde, en het wassende overstromingswater snijdt het land in geïsoleerde fragmenten. Bouw een brug van gevlochten lianen of gehouwen planken en het vocht van het regenwoud zal hem onvermijdelijk in compost veranderen. Zoals u op de foto kunt zien, heeft de plaatselijke bevolking een nogal elegante oplossing voor het probleem ontwikkeld: zij laten hun bruggen groeien uit natuurlijke vegetatie. Zo dragen ze een groot deel van de onderhoudstaken van de brug over aan de brug zelf.
Het bouwen van een levende brug vergt geduld, natuurlijk. De plaatselijke dorpelingen plannen hun bouwwerken tien jaar of langer van tevoren. De War-Khasis, bijvoorbeeld, maken wortelgeleidingssystemen van de uitgeholde helften van oude betelnootboomstammen om de wortels van de wurgvijg in de gewenste richting te leiden. Zij leiden de wortels eenvoudigweg over een beek of rivier, overspannen deze, en staan alleen toe dat de wortels aan de tegenoverliggende oever in de aarde duiken. De grotere levende bruggen kunnen een lengte tot 30 meter bereiken, kunnen het gewicht van 50 mensen dragen en kunnen meer dan 500 jaar meegaan
Tot nu toe hebben we de twee belangrijkste krachten in het brugontwerp behandeld: compressie en spanning. Er zijn echter nog tientallen andere krachten die de werking van bruggen beïnvloeden. Deze krachten zijn meestal specifiek voor een bepaalde plaats of ontwerp.
Torsie, bijvoorbeeld, is een bijzondere zorg voor ingenieurs die hangbruggen ontwerpen. Het treedt op wanneer hoge wind veroorzaakt de opgeschorte rijweg te roteren en te draaien als een rollende golf. Zoals we op de volgende pagina zullen zien, liep de Tacoma Narrows Bridge in Washington schade op door torsie, die op zijn beurt werd veroorzaakt door een andere krachtige fysische kracht
De natuurlijke vorm van boogbruggen en de vakwerkconstructie op balkbruggen beschermt ze tegen deze kracht. De ingenieurs van hangbruggen daarentegen hebben zich gewend tot dekverstevigingsspanten die, net als bij liggerbruggen, de effecten van torsie effectief elimineren.
Bij hangbruggen van extreme lengte is de dekversteviging alleen echter niet voldoende bescherming. Ingenieurs voeren windtunnelproeven uit op modellen om de weerstand van de brug tegen torsiebewegingen te bepalen. Gewapend met deze gegevens gebruiken ze aërodynamische vakwerkconstructies en diagonale tuikabels om de effecten van torsie te beperken.
Shear: Afschuifspanning ontstaat wanneer twee bevestigde constructies (of twee delen van een enkele constructie) in tegengestelde richtingen worden gedwongen. Indien ongecontroleerd, kan de afschuifkracht brugmaterialen letterlijk in tweeën scheuren. Een eenvoudig voorbeeld van afschuifkracht zou zijn een lange staak half in de grond te slaan en dan zijwaartse kracht uit te oefenen tegen de zijkant van het bovenste gedeelte van de staak. Met voldoende druk, zou je de staak in tweeën kunnen breken. Dit is afschuifkracht in actie.
Meer brugkrachten: Resonantie
Je kunt aan resonantie denken als het trillingsequivalent van een sneeuwbal die een heuvel afrolt en een lawine wordt. Het begint als een betrekkelijk kleine, periodieke stimulans van een mechanisch systeem, zoals de wind die tegen een brug beukt. Deze trillingen zijn echter min of meer in harmonie met de natuurlijke trillingen van de brug. Indien ongecontroleerd, kan de trilling drastisch toenemen, waarbij destructieve, resonerende trillingen door een brug worden gestuurd in de vorm van torsiegolven.
Het meest opmerkelijke voorbeeld van resonantie deed zich voor in 1940, toen resonerende trillingen de Tacoma Narrows Bridge in Washington verwoestten. Het incident was in die tijd bijzonder schokkend, omdat de constructie was ontworpen om windstoten tot 120 mijl (193 kilometer) per uur te weerstaan en instortte bij een wind van slechts 64 kilometer (40 mijl).
Nauwkeurig onderzoek van de situatie suggereerde dat het dek-verstijvende vakwerk van de brug onvoldoende was voor de overspanning, maar dit alleen kon een dergelijke constructie niet ten val brengen. Het bleek dat de wind die dag precies de juiste snelheid had en de brug onder precies de juiste hoek raakte om de dodelijke trilling te veroorzaken. Aanhoudende winden deden de trillingen toenemen tot de golven zo groot en hevig werden dat ze de brug uit elkaar braken. Het effect is vergelijkbaar met dat van een zangeres die met haar stem een glas verbrijzelt.
De wind is echter niet de enige potentiële bedreiging. Wanneer een leger over een brug marcheert, “breken” de soldaten vaak de pas, zodat hun ritmisch marcheren niet over de hele brug zal gaan resoneren. Een voldoende groot leger dat in de juiste cadans marcheert, kan de dodelijke trilling in gang zetten.
Om het resonantie-effect in een brug volledig te beperken, nemen ingenieurs dempers in het brugontwerp op om de resonerende golven te onderbreken en te voorkomen dat ze groter worden.
Een andere manier om resonantie een halt toe te roepen, is haar minder ruimte te geven om de vrije loop te gaan. Als een brug een massief wegdek heeft, dan kan een resonerende golf gemakkelijk de lengte van de brug afleggen en een ravage aanrichten. Maar als het brugdek bestaat uit verschillende secties met overlappende platen, dan wordt de beweging van de ene sectie alleen maar via de platen overgebracht op de andere, waardoor wrijving ontstaat. De truc is om genoeg wrijving te creëren om de frequentie van de resonerende golf te veranderen. Het veranderen van de frequentie voorkomt dat de golf zich opbouwt.
Weer, vernietiger van bruggen
Wind kan zeker destructieve resonantiegolven veroorzaken, maar het weer als geheel ontketent een groot aantal destructieve aanvallen op de bruggen die we bouwen. In feite zal het onophoudelijke werk van regen, ijs, wind en zout onvermijdelijk elke brug doen instorten die mensen kunnen oprichten.
Brugontwerpers hebben hun vak geleerd door de mislukkingen van het verleden te bestuderen. IJzer heeft hout vervangen, en staal heeft ijzer vervangen. Voorgespannen beton speelt nu een vitale rol bij de bouw van verkeersbruggen. Elk nieuw materiaal of ontwerptechniek bouwt voort op de lessen uit het verleden. Torsie, resonantie en slechte aërodynamische ontwerpen hebben allemaal tot brugdefecten geleid, maar ingenieurs komen voortdurend terug met innovaties om ontwerpproblemen op te lossen.
Het weer is echter een geduldige en onvoorspelbare tegenstander. Het aantal door het weer veroorzaakte brugdefecten is groter dan het aantal door het ontwerp veroorzaakte defecten. Deze trend kan alleen maar suggereren dat we nog niet met een effectieve oplossing zijn gekomen. Tot op heden is er geen specifiek bouwmateriaal of brugontwerp dat deze krachten kan elimineren of zelfs verminderen. We hebben het hier tenslotte over dezelfde krachten die hele bergketens afbreken en diepe kloven in de aarde smeden. In vergelijking daarmee stelt een door de mens gemaakte brug niets voor.
Zoals bij de oude Inca hangbruggen is het enige afschrikmiddel voortdurend preventief onderhoud.
Span de kloof tussen deze pagina en de volgende om nog meer over bruggen te weten te komen.
Bronnen
- Blockley, David. “Bridges” Oxford University Press. 2010.
- “Build a Bridge.” NOVA. Oktober 2000. (17 mei 2011)http://www.pbs.org/wgbh/nova/bridge/build.html
- Foer, Joshua. “De laatste Inca-grasbrug.” Slate. Feb. 22, 2011. (17 mei 2011)http://www.slate.com/id/2286002/
- Merchant, Brian. “Levende bruggen in India groeien al 500 jaar.” TreeHugger.com. 28 sept. 2010. (17 mei 2011)http://www.treehugger.com/files/2010/09/living-bridges-india-grown-500-years-pics.php
- “Rivieren.” Human Planet Explorer. 2011 (17 mei 2011)http://www.bbc.co.uk/nature/humanplanetexplorer/environments/rivers
- Wilford, John Noble. “How the Inca Leapt Canyons.” New York Times. May 8, 2007. (17 mei 2011)http://www.nytimes.com/2007/05/08/science/08bridg.html