Utsikt från Akashi Kaikyo-bron

Svevende stål binder verden sammen

1991 meter vei svever mellom Kobe og Awaji i Japan. Verdens lengste hengebro, Akashi Kaikyo, symboliserer ingeniørenes triumf over naturen. Men broen bygger også på skipsforlis og kollapser.

1991 meter vei svever mellom Kobe og Awaji i Japan. Verdens lengste hengebro, Akashi Kaikyo, symboliserer ingeniørenes triumf over naturen. Men broen bygger også på skipsforlis og kollapser.

Shutterstock
  1. desember 1785 er en ferge på vei fra Wales til øya Anglesey når kraftig strøm tvinger den på grunn.

Passasjerene forlater båten, men tidevannet er på vei inn over sandbanken der de søker ly. Mørket faller på.

Selv om andre båter hører nødrop fra de 55 menneskene, kommer tidevannet for raskt og voldsomt for en redningsaksjon.

Bare én person overlever.

Det katastrofale forliset i 1785 var bare ett av flere hundre i det farlige Menaistredet. Og stadig flere krysset det farlige farvannet, siden Menaistredet holdt på å bli en hovedåre til og fra Irland. Noe måtte gjøres.

I 1815 ble beslutningen tatt: En bro skulle bygges.

Men avstanden var for stor til at en tradisjonell steinbro kunne løse oppgaven.

Det måtte tenkes nytt, og nytenkingen resulterte i det som skulle bli oppskriften på den moderne hengebroen.

I dag er Akashi Kaikyo-hengebroen den ypperste representanten for verdens hengebroer med sitt midtspenn på 1991 meter.

Men for at ingeniørkunsten skulle kunne bevege seg fra Menaibroen til den japanske rekordholderen, måtte det gjøres mange bitre erfaringer med naturens krefter.

Akashi Kaikyo hadde kanskje aldri blitt realisert hvis ikke en berømt amerikansk bro hadde rast sammen i 1940.

Hengebroen blir født

Hengebroen kan spore sine aner tilbake til antikken, da broene som regel besto av tau og treverk. Treplatene hvilte på tau som ble spent ut over vann og festet til fjell eller trær på hver side.

Men tauene satte en grense for hvor lange broene kunne bli, og hvor mye vekt de kunne bære. Skulle de for eksempel bære vogner og krysse større elver, måtte de i stedet bygges av stein.

Steinbuebroen kan tåle en stor vekt, men den er ekstremt tung og dessuten vanskelig å konstruere slik at den tillater fri passasje for skip under.

Hengebroen er bedre egnet til store avstander.

Den moderne hengebroen kan spores tilbake til 1826, da Menaibroen mellom Wales og øya Anglesey sto ferdig.

Sundet hadde vært åsted for utallige ulykker, og særlig forliset i 1785, med 54 omkomne, står igjen som et stygt minne.

Derfor ble sivilingeniøren Thomas Telford i 1815 leid inn for å tegne en bro. For at seilskip skulle kunne passere under broen, måtte brolegemet ligge høyt over vannet.

Løsningen ble en hengebro som senere har dannet forbilde for alle de store hengebroene vi kjenner i dag.

Hengebroen går tilbake til 1300-tallets Tibet, men på 1800-tallet skyter utviklingen fart, og nye materialer og løsninger gjør hengebroen til ingeniørenes foretrukne løsning for store avstander.

Thangtong Gyalpo
© Unknown

1: Thangtong Gyalpo bygger jernbroer

Tibetanske Thangtong Gyalpo (1385–1464) var kjent som «jernbroskaperen», siden han konstruerte hele 58 hengebroer av jern, blant annet en hengebro med et 140 meter langt spenn som sto helt fram til kineserne rev den på 1950-tallet.

Thomas Telford
© MEPL/Ritzau Scanpix

2: Telford fant opp den moderne hengebroen

Ingeniøren Thomas Telford (1757–1834) introduserte det grunnleggende konstruksjonsprinsippet som alle moderne hengebroer følger: Bærende kjeder ble spent ut mellom to brotårn, og loddrette stag forbandt de bærende kjedene med brodekket.

Marc Seguin
© Hippolyte Flandrin

3: Marc Seguin tok i bruk kabler

Den franske ingeniøren Marc Seguin (1786–1875) innførte kabler som består av mange tynne stålvaiere. De har høyere strekkfasthet enn jernkjedene som ble brukt før det. Derfor kan de bære mer vekt i forhold til størrelsen.

Joseph Chaley
© Geneanet.org

4: Chaley fant opp ny kabelteknologi

Franskmannen Joseph Chaley (1795–1861) fant opp en anordning som kjører på de enkelte vaierne over en hengebro. For hver tur fram og tilbake trekker anordningen en ny stålvaier med seg og samler de bærende kablene vaier for vaier.

For å nå den rette høyden bygde Telford to tårn et stykke ute i sundet og spente store kjeder mellom dem.

Kjedene ble deretter forsynt med loddrette stag i ulike lengder, slik at brodekket var vannrett uansett avstanden til de bærende kjedene.

Konstruksjonen høres kanskje helt innlysende ut siden den er brukt i kjente hengebroer fra Golden Gate til Storebæltsforbindelsen, men før Menaibroen var vannrette hengebrodekk vanskeligere å konstruere fordi dekket som regel hvilte på selve de bærende kablene eller kjettingene.

Ingeniøren Thomas Telford tok i bruk tre nye teknikker da han konstruerte Menaibroen på 1800-tallet. I dag er de samme teknikkene avgjørende for hengebroens verdensomspennende suksess.

Hängbrons kedjor spändes ut mellan pyloner
© Claus Lunau

1: Kabler spennes ut mellom brotårn

Hengebroer hadde i det meste av historien brodekke som hvilte rett på tau eller kjettinger spent ut mellom to sider. Menaibroen introduserer brotårn et stykke ut og kjeder som løftes opp og spennes ut mellom tårnene.

Lodräta kedjor ger hängbron vågrät brobana
© Claus Lunau

2: Loddrette stag gir vannrett brodekke

Loddrette stag forbinder de bærende kjedene til brodekket. Stagene har ulik lengde, slik at brodekket holdes vannrett. Kombinasjonen av utspente, bærende kabler og loddrette kabler har senere vært standarden for hengebroer.

Klippa håller hängbrons kedjor på plats
© Claus Lunau

3: Fjellside holder kjeder på plass

Arbeidere bruker sprengstoff til å grave ut en 18 meter lang tunnel inn i fjellet på land. Ved enden av tunnelen bygger de et jerngitter. Broens bærende kjeder blir ført gjennom gitteret og sikret med tre meter lange bolter.

Med Menaibroen hadde ingeniørene knekt koden for den mest robuste måten å bygge en lang hengebro.

Men Telfords konstruksjon tok ikke nok høyde for hengebroens verste motstander: vinden.

Mer enn hundre år etter at Menaibroen ble åpnet, forårsaket sterk vind historiens kanskje mest berømte brokollaps: Tacoma Narrows.

Vindtunneler avverger ulykker

Den moderne hengebroen begynner dypt nede under vann, der fundamentet til brotårnene bygges. Her venter ofte myk grunn av sand og mudder, der ingeniører ikke uten videre kan gå i gang med å støpe betong.

Derfor har de utviklet hule former som slepes ut, senkes ned på bunnen og tømmes for vann. Formene kalles senkekasser.

Da en av verdens mest berømte hengebroer, Brooklyn Bridge, ble bygd på 1870-tallet, skjedde det for eksempel ved hjelp av 50 meter lange, 30 meter brede og 4 meter høye senkekasser av tre.

Kassene ble slept ut på elven og tynget ned på elvebunnen, slik at de lukket seg.

Deretter ble vannet pumpet ut, og arbeidere kravlet inn og fjernet den myke elvebunnen for å komme ned til et hardere underlag, før formene ble fylt med sement.

VIDEO: Se fundamentene til Brooklyn Bridge bli til

Når fundamentet er på plass, finner man den største utfordringen over vannet: vinden.

Det fikk den nyåpnede Tacoma Narrows-broen i USA føle 7. november 1940. 19 sekundmeter vind fikk brodekket til å bølge og vri seg som om det var lagd av gummi, før det ble revet tvers av og styrtet i elven 59 meter nede.

Tacoma Narrows-kollapsen var et mysterium for ekspertene i 50 år, men i 1990 fant ingeniøren Robert Scanlan fram til at virvler i luften var den avgjørende faktoren.

Når vinden treffer en hindring, kan den enten smyge seg rundt den eller skape turbulente virvler.

Scanlan viste at Tacoma Narrows kollapset på grunn av et selvforsterkende fenomen der luftvirvler satte broen i bevegelse, før brobevegelsen skapte sterkere virvler og så videre. Han kalte fenomenet aeroelastisk flagring.

VIDEO: Arbeidere spådde svingende bro

Selv om amerikanerne på 1940-tallet fortsatt ikke kjente til begrepet aeroelastisk flagring, gikk de likevel videre med planene om en erstatningsbro. Men for at fadesen ikke skulle gjenta seg, tok de i bruk en ny teknikk: vindtunneler.

Ingeniørene bygde en 30 meter lang modell av den nye broen – i virkeligheten skulle den bli 1800 meter lang – og satte den i en tunnel der vifter etterlignet naturens vindkrefter.

Vindtunneltestene virket. I hvert fall kjører bilene i dag fortsatt over den omkonstruerte Tacoma Narrows-broen, som åpnet i 1950.

Golden Gate-bron

Golden Gate-broen bæres av 227 meter høye tårn som er bygd av hule stålbjelker med en indre cellestruktur. Till hvert tårn gikk det med 40 000 tonn stål.

© Shutterstock

I dag nærmer hengebroene seg midtspenn på 2 kilometer. Vindtunneltester er fortsatt avgjørende, men de er bare et av hjelpemidlene som er nødvendige for å stabilisere de enorme, hengende konstruksjonene mot alt fra jordskjelv til tyfoner.

Rekordbro bryter alle grenser

3911 meter skiller det japanske fastlandet og øya Awaji, og i 1998 åpnet forbindelsen Akashi Kaikyo. Broen har det lengste midtspennet av alle hengebroer i verden: 1991 meter.

Broen er konstruert etter de samme prinsippene som Menaibroen, men har fått flere enestående nyskapninger.

Stålet i kablene er tilsatt silisium, noe som gir det 10 prosent større strekkfasthet enn vanlig stål. 290 mindre kabler er flettet sammen for å danne broens to bærende kabler, som hver har en samlet diameter på 112 centimeter. Akashi-broen består av i alt nesten 300 000 kilometer vaier, som ble trukket på plass med helikopter.

700 000 bolter holder sammen tårnene i Akashi Kaikyo-broen.

Kablene hviler på to brotårn som rager 282 meter over Akashistredet. I den høyden kommer vindhastighetene opp i 300 km/t.

Ingeniørene bak Akashi Kaikyo-broen hadde lært av historien, og derfor testet de en modell av den i en av verdens største vindtunneler. Vinden skapte turbulente virvler rundt broen som måtte bremses. Derfor har ingeniørene installert en lang plate som løper langs brodekket og bryter vindens bevegelser.

Dermed kan Akashi Kaikyo-broen tåle tyfoner uten å oppleve ødeleggende svingninger.

Akashi Kaikyo-bron

© Shutterstock

4 teknikker skapte Akashi Kaikyo

Ingeniørene bak Akashi Kaikyo-broen har testet konstruksjonen i verdens største vindtunnel. Sammen med tre andre teknikker gjør det broen i stand til å motstå jordskjelv på 8,5 på Richters skala.

1: Fundamenter ble støpt i store stålformer

Broens 282 meter høye tårn hviler på fundamenter av betong som er støpt i runde senkekasser – 70 meter høye stålformer med en diameter på 80 meter. Formene ble slept ut på vannet, senket ned på havbunnen og fylt med betong.

Betongfundament till Akashi Kaikyo-bron
© Getty Images

2: Vindtunnel viste broens svakheter

Ingeniørene bygde en 40 meter lang modell av broen og testet den i en av verdens største vindtunneler. Etter prøvene utstyrte de broen med en loddrett plate under brodekket som bryter vinden slik at det ikke dannes ødeleggende virvler.

3: Silisium gir sterke kabler

Tradisjonelt stål tåler en belastning på 160 kilo per kvadratmillimeter – den såkalte strekkfastheten. Akashi-ingeniørene brukte stål som var tilsatt silisium, noe som økte strekkfastheten til 180.

Akashi Kaikyo-brons stålkablar
© Shutterstock

4: Svingende lodd stabiliserer

Broen tåler rystelser på 8,5 på Richters skala på 150 kilometers avstand takket være 20 lodd som er innebygd i tårnene. Loddene svinger i motfase med broens bevegelser slik at de blir utliknet. Samme teknologi brukes også i skyskrapere.

Rekorden har stått i mer enn to tiår. To kilometers midtspenn har sett ut som en umulig grense. Så langt. Ingeniørene står nemlig klare med en ny metode som kan strekke broene til mer enn den doble lengden.

Norsk superbro på vei

Hengebroene har blitt stadig lengre gjennom 1900-tallet, og derfor melder det naturlige spørsmålet seg: Hvor lange kan de bli?

Forskere ved University of Warwick i England har regnet ut at en hengebro i teorien kan ha et spenn på 5000 meter. Hvis spennet blir lengre, blir de bærende kablene for tunge med de materialene vi har til rådighet i dag.

På begynnelsen av 2000-tallet foreslo den kinesiske ingeniøren T.Y. Lin en hengebro over Gibraltarstredet med et spenn på nettopp 5000 meter.

Nå pønsker norske ingeniører på å komme T.Y. Lin i forkjøpet og lage en hengebro over Sognefjorden med et spenn på 3700 meter – nesten dobbelt så langt som den nåværende japanske rekordholderen.

Ingeniørenes største utfordring er at Sognefjorden er 1300 meter på sitt dypeste, noe som gjør det vanskelig å bygge brotårn midt ute i fjorden.

Derfor vurderer ingeniørene å bruke materialet grafen – lag av karbonatomer som er bare ett atom tykke. Grafen kan øke strekkfastheten til betong dramatisk og derfor muliggjøre lengre midtspenn.

Hvis ideen om en klassisk hengebro blir kassert, har de norske ingeniørene en annen idé: en hengebro under vann. Eller rettere sagt en hengetunnel – for på tegnebrettet er det en betongtunnel i vannet, festet til flytende pongtonger.

Siden Menaibroen ble åpnet, har lengden av midtspennet på hengebroer blitt mer enn tidoblet, men ingeniørene er langt ifra ferdige med å strekke ut broene. Spørsmålet er bare om den klassiske hengebroen fortsatt vil dominere, om helt nye brotyper dukker opp – eller om broene rett og slett forsvinner under vann.