Bågbron
Efter mer än 2 000 år av arkitektonisk användning fortsätter bågen att ha en framträdande roll i brokonstruktioner, och det finns goda skäl till det: Den halvcirkelformade strukturen fördelar på ett elegant sätt kompressionen genom hela formen och avleder vikten till de två ändstolarna, som är de delar av bron som direkt utsätts för trycket.
Tryckkraften är å andra sidan praktiskt taget försumbar i bågbroar. Bågens naturliga kurva och dess förmåga att avleda kraften utåt minskar kraftigt effekterna av spänningen på bågens undersida.
Men precis som med balkar och fackverk kan inte ens den mäktiga bågen springa ifrån fysiken i all evighet. Ju större krökningsgrad (ju större bågens halvcirkel är), desto större blir effekterna av spänningen på broens undersida. Om man bygger en tillräckligt stor båge kommer spänningen så småningom att ta över stödstrukturens naturliga styrka.
Som det finns en hel del kosmetiska variationer i byggandet av bågbroar förändras den grundläggande strukturen inte. Det finns till exempel romerska, barock- och renässansbågar, som alla är arkitektoniskt olika men strukturellt sett likadana.
Det är själva bågen som ger sin namngivna bro dess styrka. Faktum är att en båge av sten inte ens behöver murbruk. De gamla romarna byggde bågbroar och akvedukter som fortfarande står kvar idag. Den svåra delen är dock att bygga bågen, eftersom de två konvergerande delarna av konstruktionen inte har någon strukturell integritet förrän de möts i mitten. Därför behövs vanligtvis ytterligare ställningar eller stödsystem.
Moderna material som stål och förspänd betong gör det möjligt för oss att bygga mycket större bågar än vad de gamla romarna gjorde. Moderna bågar spänner vanligtvis mellan 61 och 244 meter, men New River Gorge Bridge i West Virginia mäter imponerande 518 meter.
Hängbron
Som namnet antyder hänger hängbroar, som Golden Gate Bridge eller Brooklyn Bridge, upp vägbanan med hjälp av kablar, linor eller kedjor från två höga torn. Dessa torn bär upp majoriteten av vikten eftersom kompressionen trycker ner på hängbroens däck och sedan vandrar uppför kablarna, repen eller kedjorna för att överföra kompressionen till tornen. Tornen avleder sedan kompressionen direkt till jorden.
De bärande kablarna tar å andra sidan emot broens spänningskrafter. Dessa kablar löper horisontellt mellan de två långt utspridda förankringarna. Broförankringar är i huvudsak fast berg eller massiva betongblock i vilka bron är jordad. Spänningskraften passerar till förankringarna och in i marken.
Förutom kablarna har nästan alla hängbroar ett bärande fackverkssystem under brodäcket som kallas för däckfäste. Detta bidrar till att styva däcket och minska tendensen till att vägbanan svajar och krusar.
Hängbroar kan lätt korsa avstånd på mellan 610 och 2 134 meter, vilket gör det möjligt för dem att spänna över avstånd som ligger utanför räckvidden för andra brokonstruktioner. Med tanke på komplexiteten i deras konstruktion och de material som krävs för att bygga dem är de dock ofta det mest kostsamma broalternativet också.
Men inte alla hängbroar är ett tekniskt underverk av modernt stål. Faktum är att de tidigaste broarna var gjorda av tvinnat gräs. När spanska conquistadorer tog sig in i Peru 1532 upptäckte de ett inkaimperium som var sammankopplat med hundratals hängbroar, med spännvidder på över 46 meter över djupa bergsklyftor. Europa skulle däremot inte få se sin första hängbro förrän nästan 300 år senare
Hängbroar som är tillverkade av tvinnat gräs håller förstås inte så länge, utan måste bytas ut kontinuerligt för att garantera en säker resa över gapet. Idag finns bara en sådan bro kvar, som mäter 27 meter i Anderna.
Cable-Stayed Bridge
Vid en första anblick kan kabelbroen se ut som en variant av hängbron, men låt dig inte luras av deras liknande torn och hängande vägbanor. Kabelförlagda broar skiljer sig från sina hängande föregångare genom att de inte kräver förankringar och inte heller två torn. I stället löper kablarna från vägbanan upp till ett enda torn som ensam bär vikten.
Tornet på en kabelförlagd bro ansvarar för att absorbera och hantera tryckkrafter. Kablarna fästs vid vägbanan på olika sätt. I ett radiellt mönster sträcker sig till exempel kablarna från flera punkter på vägen till en enda punkt vid tornet, som många fiskelinor som fästs vid en enda stolpe. I ett parallellt mönster fäster kablarna både på vägbanan och i tornet på flera olika punkter.
Ingenjörer konstruerade de första kabelförlagda broarna i Europa efter andra världskrigets slut, men den grundläggande konstruktionen går tillbaka till 1500-talet och den kroatiske uppfinnaren Faust Vrancic. Vrancic, som var samtida med astronomerna Tycho Brache och Johannes Kepler, gjorde den första kända skissen av en kabelförlagd bro i sin bok ”Machinae Novae.”
I dag är kabelförlagda broar ett populärt val eftersom de erbjuder alla fördelar med en hängbro, men till en lägre kostnad, för spännvidder på 152 till 853 meter. De kräver mindre stålkabel, är snabbare att bygga och innehåller fler prefabricerade betongsektioner.
Inte alla broar kräver dock stora mängder stål och betong. Ibland räcker det med en trädrot eller två.
De levande broarna
Och även om de första broarna troligen inte var något annat än stockar som välte över bäckar, är större delen av mänsklighetens brobyggararv en berättelse om konstgjorda konstruktioner som tillverkats av elementen. Ett av de mest slående undantagen från denna regel finns dock i Meghalaya-regionen i norra Indien.
Under monsunsäsongen får lokalbefolkningen här utstå några av de fuktigaste förhållandena på jorden, och stigande översvämningsvatten skär marken i isolerade fragment. Bygg en bro av vävda vinrankor eller huggna brädor och regnskogens fukt kommer oundvikligen att förvandla den till kompost. Som du kan se på bilden har lokalbefolkningen utvecklat en ganska elegant lösning på problemet: de odlar sina broar av naturlig vegetation. På så sätt överlåter de en stor del av brounderhållet till själva bron.
Att bygga en levande bro kräver förstås tålamod. De lokala byborna planerar sina konstruktioner ett decennium eller mer i förväg. War-Khasis-folket skapar till exempel rotstyrningssystem av de urholkade halvorna av gamla betelnötsträdstammar för att styra strypande fikonrötter i den önskade riktningen. De leder helt enkelt rötterna ut över en bäck eller flod, spänner över den och låter bara rötterna dyka ner i jorden på den motsatta stranden. De större levande broarna kan skryta med längder på upp till 30 meter, kan bära vikten av 50 personer och kan hålla i uppåt 500 år
Hittills har vi berört de två viktigaste krafterna vid brokonstruktion: kompression och spänning. Men dussintals ytterligare krafter påverkar också hur broar fungerar. Dessa krafter är vanligtvis specifika för en viss plats eller konstruktion.
Torsion är till exempel ett särskilt bekymmer för ingenjörer som konstruerar hängbroar. Den uppstår när stark vind får den upphängda vägbanan att rotera och vrida sig som en rullande våg. Som vi ska undersöka på nästa sida fick Washingtons Tacoma Narrows Bridge skador på grund av torsion, som i sin tur orsakades av en annan kraftig fysisk kraft
Den naturliga formen på valvbroar och fackverksstrukturen på balkbroar skyddar dem från denna kraft. Hängbroingenjörer har å andra sidan använt sig av däckförstärkande fackverk som, precis som i fallet med balkbroar, effektivt eliminerar effekterna av vridning.
I hängbroar av extrem längd är dock inte enbart däckförstärkande fackverk ett tillräckligt skydd. Ingenjörer utför vindtunneltester på modeller för att bestämma broens motståndskraft mot torsionsrörelser. Med hjälp av dessa uppgifter använder de aerodynamiska fackverkskonstruktioner och diagonala upphängningskablar för att mildra effekterna av vridning.
Skärning: Skjuvspänning uppstår när två fastgjorda strukturer (eller två delar av en enda struktur) tvingas i motsatta riktningar. Om den inte kontrolleras kan skjuvkraften bokstavligen slita bromaterial på mitten. Ett enkelt exempel på skjuvkraft är att driva en lång påle halvvägs ner i marken och sedan tillämpa en sidokraft mot sidan av den övre delen av pålen. Med tillräckligt tryck skulle man kunna knäcka pålen på mitten. Detta är skjuvkraft i praktiken.
Mer brokrafter: Resonans
Du kan tänka på resonans som den vibrationella motsvarigheten till en snöboll som rullar nerför en kulle och blir en lavin. Den börjar som en relativt liten, periodisk stimulans av ett mekaniskt system, t.ex. vind som slår mot en bro. Dessa vibrationer är dock mer eller mindre i harmoni med broens naturliga vibrationer. Om vibrationerna inte kontrolleras kan de öka drastiskt och skicka destruktiva, resonansvibrationer som färdas genom bron i form av torsionsvågor.
Det mest anmärkningsvärda exemplet på resonans inträffade 1940, när resonansvibrationer förstörde Tacoma Narrows Bridge i Washington. Incidenten var särskilt chockerande vid den tidpunkten eftersom konstruktionen var utformad för att klara vindar på upp till 193 kilometer i timmen och kollapsade i en vind på endast 64 kilometer.
En noggrann undersökning av situationen tydde på att broens däcksstivande fackverk var otillräckligt för spännvidden, men detta i sig kunde inte få en sådan konstruktion att rasa. Det visade sig att vinden den dagen hade precis rätt hastighet och träffade bron i precis rätt vinkel för att utlösa den dödliga vibrationen. Fortsatta vindar ökade vibrationerna tills vågorna blev så stora och våldsamma att de slog sönder bron. Effekten liknar den som en sångerska som krossar ett glas med sin röst.
Vinden är dock inte det enda potentiella hotet. När en armé marscherar över en bro ”bryter soldaterna ofta steget” för att deras rytmiska marschering inte ska börja genljuda över hela bron. En tillräckligt stor armé som marscherar i precis rätt kadens skulle kunna sätta igång den dödliga vibrationen.
För att mildra resonanseffekten i en bro helt och hållet införlivar ingenjörer dämpare i brokonstruktionen för att avbryta resonansvågorna och hindra dem från att växa.
Ett annat sätt att stoppa resonansen är att ge den mindre utrymme att löpa amok. Om en bro har en fast vägbana kan en resonansvåg lätt färdas längs hela bron och ställa till med förödelse. Men om en bros vägbana består av olika sektioner med överlappande plattor, överförs rörelsen i en sektion bara till en annan via plattorna och skapar friktion. Tricket är att skapa tillräckligt mycket friktion för att ändra frekvensen hos resonansvågen. Genom att ändra frekvensen förhindrar man att vågen byggs upp.
Vädret, broarnas förstörare
Vidare vind kan förvisso framkalla destruktiva resonansvågor, men vädret som helhet släpper loss en mängd destruktiva angrepp på de broar vi bygger. Faktum är att det obevekliga arbetet med regn, is, vind och salt oundvikligen kommer att få alla broar som människor kan uppföra att rasa.
Brokonstruktörer har lärt sig sitt hantverk genom att studera det förflutnas misslyckanden. Järn har ersatt trä och stål har ersatt järn. Förspänd betong spelar nu en viktig roll vid byggandet av motorvägsbroar. Varje nytt material eller ny konstruktionsteknik bygger på lärdomar från det förflutna. Torsion, resonans och dåliga aerodynamiska konstruktioner har alla lett till att broar har misslyckats, men ingenjörer studsar ständigt tillbaka med innovationer för att lösa konstruktionsproblemen.
Vädret är dock en tålmodig och oförutsägbar motståndare. Fall av väderrelaterade brohaverier tenderar att vara fler än fall av konstruktionsrelaterade haverier. Denna trend kan bara tyda på att vi ännu inte har kommit fram till en effektiv lösning. Än idag finns det inget specifikt byggmaterial eller brokonstruktion som kan eliminera eller ens mildra dessa krafter. Vi talar trots allt om samma krafter som bryter ner hela bergskedjor och skapar djupa klyftor i jorden. I jämförelse är en konstgjord bro ingenting.
Som för de gamla inkaiska hängbroarna är den enda avskräckande åtgärden ett kontinuerligt förebyggande underhåll.
Spänn över luckan mellan den här sidan och nästa för att få veta ännu mer om broar.
Källor
- Blockley, David. ”Bridges” Oxford University Press. 2010.
- ”Bygg en bro”. NOVA. Oktober 2000. (17 maj 2011)http://www.pbs.org/wgbh/nova/bridge/build.html
- Foer, Joshua. ”The Last Incan Grass Bridge”. Slate. 22 februari 2011. (17 maj 2011)http://www.slate.com/id/2286002/
- Merchant, Brian. ”Levande broar i Indien har vuxit i 500 år”. TreeHugger.com. 28 september 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. ”Hur inkafolket hoppade över raviner”. New York Times. May 8, 2007. (17 maj 2011)http://www.nytimes.com/2007/05/08/science/08bridg.html