Skum og 3D-printer beskytter mot kollaps

Da en motorveibro i Genova raste sammen, styrtet 43 mennesker i døden. Broen var i dårlig stand, og det er slett ikke den eneste. Nå står ingeniørene klare med avanserte materialer som gjør framtidens broer lette, sterke og holdbare.

Laura Lezza/Getty Images

Den hvite personbilen som kjører rett foran Davide Capello, forsvinner uventet fra synsfeltet. Han hugger i bremsene, men for sent.

Veibanen gir etter under kjøretøyet hans, og sekundet etter er han i fritt fall. «Sono morto» – jeg er død – tenker han mens synsfeltet fylles med murblokker og betongstøv.

Capello, som tidligere har vært profesjonell fotballspiller og i dag er brannmann, er en av de få som overlever fallet på 45 meter når Morandi-broen plutselig kollapser. 43 andre er ikke så heldige.

Katastrofen i den italienske havnebyen Genova 14. august 2018 er en av de verste broulykkene noen gang, og den mest dødbringende i Europa på 18 år.

De fleste sporene av den sammenraste broen har nå blitt fjernet, og avløseren er på tegnebrettet. Imens holder en kommisjon på å undersøke årsaken og plasseringen av ansvaret for katastrofen.

Men Italia er slett ikke alene om å ha et problem med broer i dårlig stand og vedlikeholdsprogrammer som ikke har nok ressurser. For eksempel er 56 000 broer i USA vurdert som «strukturelt utilstrekkelige», mens franske veimyndigheter frykter for holdbarheten av 841 av landets broer.

Men ingeniørene er i full gang med å løse problemet. Eksisterende broer skal forsterkes og utstyres med alarmsystemer, mens framtidens broer kan konstrueres slik at de blir både lettere og sterkere.

Nye alarmsystemer avslører skjulte feil

I framtiden utstyres broer med overvåkningsutstyr og alarmsystemer, for eksempel roboter og ekstremt følsomme lasere som skal advare om sprekker og vibrasjoner. Det skal sørge for at broen blir reparert eller stengt i tide.

Claus Lunau

Langarmet robot ser inn under broen

En nyutviklet fransk robot har en lang, bøyelig arm med sensorer som føres inn under broen og langs yttersidene. Ved å sammenligne dataene med en 3D-modell blir det mulig å finne fram til behovet for reparasjoner.

Claus Lunau

nanorør avslører de minste sprekkene

Ved å klistre en film av nanorør på broen og sende en svak strøm igjennom den kan ingeniørene avsløre de minste sprekkene.

Claus Lunau

Nanorørenes elektriske motstand endrer seg alt etter hvor mye de blir strukket. Hvis det oppstår en sprekk under overflaten, er den ikke lenger spent helt jevnt ut. En datamaskin analyserer endringen i elektrisk motstand og bestemmer dermed sprekkenes plassering og størrelse.

Claus Lunau

Broen hang i en eneste kabel

Ingeniørene kan velge mellom flere typer av konstruksjoner når de planlegger en ny bro.

Noen er ganske enkle og egner seg bare til konstruksjoner på under 20 meter, som for eksempel de såkalte platebroene. Andre har frie spenn – det vil si den lengste avstanden mellom punkter med støtte – på opp mot to kilometer.

Disse broene er enten hengebroer, der en kilometerlang kabel henger mellom tårnene, pylonene, der det går kabler ned til brodekket, eller skråstagsbroer, der kablene som bærer brodekket, stammer fra toppen av pylonene.

Morandi-broen var en skråstagsbro, men med noen viktige avvik fra normalen. Typisk utgår det et stort antall stålkabler fra toppen av pylonene og ned til brodekket, men på Morandi-broen var de samlet i en gigantisk kabel.

Det ga broen et elegant utseende, men innebar samtidig det problemet som ingeniørene kaller mangel på redundans.

Det vil si at det er noen skader konstruksjonen ikke tåler, fordi det bare er ett bærende element til å holde hver del av broen oppe. Går det elementet i stykker, kan hele broen å styrte sammen.

Det var sannsynligvis nettopp det som skjedde da et av skråstagene på Morandi-broen sviktet. På en tradisjonell skråstagsbro ville et brudd på et av stagene ikke ha medført overhengende fare.

I tillegg var Morandi-broens skråstag kapslet inn i betong. Det beskyttet mot tæring av stålet så lenge betongen var intakt, men forhindret til gjengjeld inspeksjon og innebar at en fatal feil ikke ble oppdaget.

Broer kjemper mot seg selv

En bro må hele tiden bære sin egen vekt, og holder seg bare oppreist takket være en balanse mellom strekk, trykk, vridning og forskyvning.

Strekk

På hengebroer og skråstagsbroer henger veibanen i kabler fra høye tårn, pyloner. Kablene er utsatt for et kraftig strekk. Stål er spesielt godt egnet til å motstå dette.

Trykk

Broens vekt trykker hele tiden nedover. Det komprimerer de bærende elementene – pylonene og bropilarene som støtter brodekket. Betong er spesielt velegnet til å motstå trykk.

Forskyvning

Motsattrettede krefter trekker i hver sin ende av brodekket. Særlig i jordskjelvutsatte områder må broer tilpasses ved for eksempel å ha en kobling til fast grunn som er ekstra fleksibel.

Vridning

Når en hengebro utsettes for kraftig sidevind, vrir brodekket seg, og det kan i ekstreme tilfeller føre til kollaps. Derfor avstives undersiden av brodekket med et flettverk av bjelker.

Trafikken lurte brobyggerne

Et annet problem ved Morandi-broen var at konstruksjonen var for spinkel.

Ingeniøren og arkitekten Riccardo Morandi, som tegnet broen og fikk den oppkalt etter seg, brukte akkurat nok materialer til at broen kunne bære sin egen vekt og håndtere belastninger fra vind og trafikk.

I dag konstrueres broer alltid slik at de er 5, 10 eller 20 prosent sterkere enn det er behov for. Dette gjør det mulig å oppdage og reparere skader før det går galt – og det tillater at senere reparasjoner kan gjøre konstruksjonen tyngre.

Den pylonen som brøt sammen da Morandi-broen kollapset, hadde blitt forsterket med stål på 1990-tallet, og det kan ikke utelukkes at den ekstra vekten har spilt en rolle for ulykken.

Dessuten er ingeniørene i dag oppmerksomme på at de må planlegge etter framtidens belastninger. Det tenkte ikke brobyggerne på 1960-tallet, og siden den gang har mengden av trafikk vokst ekstremt.

For eksempel har antallet lastebiler som krysser de amerikanske bilbroene, steget med 250 prosent de siste 40 årene, og lastebilene har blitt tyngre. Det sliter ned broene mye raskere enn planlagt.

Morandi var selv klar over at det kunne oppstå problemer. Allerede i 1979, bare tolv år etter at broen sto ferdig, advarte han om at dråper av saltvann i luften fra Middelhavet og forurensningen fra et stålverk i byen brøt ned betongen og stålet i konstruksjonen raskere enn forventet.

Konstruksjonsfeil er en tikkende bombe

Broen i Genova var uheldig konstruert på to punkter. Kablene var samlet i noen få tykke stag, så et brudd på ett av dem innebar katastrofe. Stagene var dessuten støpt inn i betong, noe som gjorde det vanskelig å inspisere dem. En bro i Venezuela og en i Libya er konstruert på samme måte.

Shutterstock

Nedbrytning spiser opp stål og betong

Vind og vær ødelegger gradvis stål og betong, som er de materialene broer som regel bygges av. Stålet tæres opp ved kontakt med fuktighet og mister langsomt styrken, mens betong smuldrer og mister bæreevnen. Prosessene foregår hele tiden, men kan bremses opp ved effektivt vedlikehold.

Shutterstock

Ekstremt vær og ulykker er en joker

Naturkreftene er nøye balansert i en brokonstruksjon som derfor kan ha problemer med å motstå uventede belastninger. Flere broer har brutt sammen ved skips­kollisjoner, brann eller jordskjelv. På den indonesiske øya Sulawesi ble en bro krøllet sammen av en tsunami i september 2018.

Hariandi Hafid/SOPA Images/LightRocket/Getty Images

Skader sender broer i graven

Hvordan Morandi-broen falt sammen, har etter hvert blitt klart.

Katastrofen begynte trolig da et av de fire skråstagene – samlingen av kabler – fra toppen av pylonen lengst i vest sviktet.

Det overbelastet staget på den motsatte siden av brodekket, som derfor også sviktet. Uten de to stagene styrtet brodekket sammen, og pylonen og bropilaren var nå bare belastet av stagene i den andre siden.

Det trakk pylonen skjevt og slakket stagene, slik at brodekket på den siden av pylonen også rev seg løs. De voldsomme kreftene belastet nå pylonen, som kollapset nesten loddrett.

Laser måler belastning

Jo flere tunge kjøretøyer som kjører over en bro, jo større er slitasjen. Med laserlys som treffer speil på henholdsvis bakken og broen, kan ingeniørene måle hvordan broen reagerer på belastningene.

  1. En laserstråle treffer et halvgjennomsiktig speil som sender én halvpart mot et speil på broen og én mot et speil på bakken.

  1. Avstanden til speilet på broen endrer seg når den belastes, men avstanden til speilet på bakken endrer seg ikke.

  1. De to strålene reflekteres tilbake og samles i en detektor. Enhver forskjell i reisetiden er uttrykk for en belastning av broen.

For å finne den presise årsaken til sammenbruddet sendte etterforskerne deler av den sammenraste broen til studier på det nasjonale laboratoriet for materialvitenskap og teknologi i Sveits.

I desember 2018 viste ekspertenes foreløpige studier at stagene på pylonen som raste sammen, var tæret halv igjennom. Styrken var dermed markant nedsatt.

Den bakenforliggende årsaken til slitasjen var antagelig sprekker i betongen – et problem som nærmest var utenkelig da broen ble bygget på 1960-tallet. Den gang var holdningen blant ingeniører at betong kunne vare evig.

Fra et materialvitenskapelig synspunkt er det heller ingen interne prosesser i ren betong som bryter den ned. Men virkeligheten er annerledes, og i noen betongkonstruksjoner går nedbrytningen så raskt at forskerne kaller fenomenet for betongkreft.

En form for betongkreft plager først og fremst såkalt armert betong.

Armering innebærer at betongen er støpt utenpå stål – for eksempel et skjelett av armering som er med på å stabilisere konstruksjonen. Slik var det med de betongkledde stagene på Morandi-broen.

Når jern ruster, ender sluttproduktet med å ta mye mer plass enn rent jern. Dermed utvider armeringen seg og får betongen til å slå sprekker.

Det svekker betongen gjør dessuten at vann og luft trenger inn. Det setter fart på korrosjonen og forverrer dermed nedbrytningen i en ond spiral.

For å unngå betongkreft er det avgjørende med løpende vedlikehold. Hvis skaden først har oppstått, kan det være dyrt eller faktisk umulig å utbedre den.

Salt fra Middelhavet var med på å bryte ned Morandi-broen i Genova raskere enn forventet.

© Stefano Rellandini/Reuters/Ritzau Scanpix

Karbonfiber kan gjøre broer lengre

I Genova har Morandi-broen etterlatt et gapende hull. Men uansett hvilken bro som kommer til å forbinde de to endene av motorvei A10 igjen, blir den mye sikrere enn den gamle.

Brobyggerne har ikke bare lært av fortidens katastrofer – de har også fått bedre materialer å arbeide med.

Et av dem er karbonfiber, som har vært kjent lenge, men først nå for alvor gjør sitt inntog i brobyggingen. En av de mest åpenlyse bruksområdene er til de lange kablene som bærer brodekket på skråstagsbroer og spesielt på hengebroer.

Den maksimale lengden på kabelen avgjøres av en kombinasjon av trekkstyrken og vekten. Stål har en maksimal rekkevidde på fem kilometer. Blir en stålkabel lengre, kan den ikke bære sin egen vekt.

Siden karbonfiber eller kombinasjoner av karbonfiber og kunststoffer er mye lettere enn stål og bare litt svakere, kan den typen kabler klare lengder på opptil ti kilometer. Samtidig er materialene mye mindre sårbare overfor været.

Kineserne var de første som for alvor tok i bruk karbonfiber. Det skjedde med Aizhai-broen, som åpnet i 2012.

Stål og betong pakkes inn i et skall

Et element som har samme styrke som stål og betong, men er lettere og mer værbestandig – det høres ut som fantasi, men er virkelighet med en ny komposittbjelke som kombinerer betong og stål med glassfiber.

Claus Lunau

  1. Den ytre skallet er en vridningsstabil og værbestandig kasse av glassfiber, som beskytter mot forvitring.
Claus Lunau

  1. En bue av særlig sterk betong gir bjelken en trykkstyrke som et vanlig betong­element i samme størrelse.
Claus Lunau

  1. Tverrgående tråder av stålwire gir kompositt­bjelken like stor trekkstyrke som en tilsvarende stålbjelke.
Claus Lunau

  1. Kassen er fylt med herdet skum, som gjør bjelken 90 prosent lettere enn en stål og 66 prosent lettere enn betong.
Claus Lunau

  1. Stålklips støpt inn i betongen stikker opp av toppen av kassen og forbinder komposittbjelken med andre elementer.
Claus Lunau

Også den tradisjonelle betongen har fått en overhaling siden Morandi-broen ble bygget. Ved blant annet å knuse råmaterialene til et fint pulver og kapsle inn fibre av kunststoff eller stål blir betongen både sterkere og mer fleksibel.

Den er også mer motstandsdyktig overfor kjemikalier og mer vanntett. Dette er egenskaper som øker livslengden av betongen og dermed av broer.

Den nye betongen er dyr, men fordi den er sterkere, kan ingeniørene tillate seg et spinklere design med et mindre materialforbruk, som også er mer miljøvennlig.

Amerikanerne og kanadierne har brukt den nye betongen siden 2006. Mars Hill Bridge i Iowa ble den første der den ble brukt. Senere har det gått raskt, og bare i 2016 ble det oppført 34 broer av ultrasterk betong i Nord-Amerika.

De nye materialene baner også vei for helt nye brotyper. Et av dem er tegnet i 2017 av arkitekten Margot Krasojevic til en konkurranse om en ny bro i Mongolia. Broen har tre brodekker som kan løftes, og hele konstruksjonen kan seile og plasseres der det er behov for den.

Andre broprosjekter har innebyggede vindmøller som bidrar til energiforsyning, eller parker og kjøpesentre som en del av konstruksjonen.

Et nederlandsk firma har 3D-printet en hel fotgjengerbro, som skal plasseres over en kanal i Amsterdam.

Broer 3D-printes på stedet

3D-printere kan nå også utføre større entreprenørarbeider. I 2018 klarte det nederlandske firmaet MX3D å bygge en bro helt fra bunnen ved hjelp av fire 3D-printer-roboter som brukte stål som sitt materiale. Den over tolv meter lange broen ble printet i en fabrikkhall og skal installeres over en kanal i Amsterdam, men i framtiden vil roboter kunne printe enda større broer i flere materialer eller diverse byggeelementer. Etter behov kan de også arbeide ved byggeplassen og legge på detaljer ved broen.

Ny Genova-bro er på tegnebrettet

For å unngå gjentakelser av de mange tilfellene der broer har levd kortere enn forventet, har ingeniørene utviklet dataprogrammer som kan forutsi hele livssyklusen for en bro – fra den blir oppført til den blir revet 75 eller 100 år senere.

Programmene som kalles Life Cycle Costs (LCC) og Life Cycle Assessment (LCA), tar med alle utgifter til oppføring og vedlikehold i hele broens levetid, slik at de samlede økonomiske kostnadene kan kartlegges.

Dessuten tar programmene høyde for alle de påvirkningene en bro utsetter miljøet for i form av CO2-utslipp ved produksjon av betong og transport av materialer, og de endringene i økosystemet broen skaper.

Avløseren for Morandi-broen skal etter planen stå klar på slutten av 2019. Broen, som tegnes av byens berømte arkitekt Renzo Piano, er en enkel konstruksjon opplyst av 43 høye lamper – et for hvert av katastrofens ofre.

Dermed blir den nye broen ikke bare en bro, men også et minnesmerke for de som mistet livet den fatale augustdagen.

Ingeniørene lærer av fortidens feil

Alle brokollapser blir nøye analysert for å finne årsaken, men en liten håndfull ulykker har vært spesielt lærerike og har endret den måten broer konstrueres og inspiseres på.

  • Tacoma-ulykken førte til vindtunnelforsøk

    I 1940 fikk kraftig sidevind brodekket på Tacoma Narrows-broen i USA til å bølge og rive seg løs. Ulykken førte til at modeller av alle nye broer blir testet i vindtunneler.

  • Silver-ulykken førte til karaktersystem for broer

    I 1967 kollapset Silver-broen over Ohio­elva i USA, og 46 omkom. Årsaken var et revnet kulelager, og ulykken førte til en titrinns karakterskala for tilstanden til broer.

  • Seongsu-ulykken førte til røntgeninspeksjon

    I 1994 falt en seksjon av Seongsu-broen i Sør-Korea ned i Hanelven, og 32 omkom. Ulykken skyldtes dårlig sveising og førte til krav om røntgeninspeksjon av sveisinger.

Sidevind fikk den amerikanske Tacoma Narrows-broen til å bølge, og bare fire måneder senere, i 1940, styrtet broen sammen. I dag er brodekket på hengebroer forsynt med et flettverk av dragere som forhindrer vridning.

Les også:

Konstruksjon

Fremtidens trafikk skal gå under bakken

1 minutt
Bygninger

Broer utfordrer ingeniørene

1 minutt
Broer
Konstruksjon

Sju broer som utfordret ingeniørene

2 minutter
Mest populære

Logg inn

Feil: Ugyldig e-postadresse
Passord er påkrevd
VisSkjul

Allerede abonnement? Har du allerede et abonnement på magasinet? Klikk her

Ny bruker? Få adgang nå!