Utsikt från Akashi Kaikyo-bron

Svævende stål binder verden sammen

1991 meter vej svæver mellem Kobe og Awaji i Japan. Verdens længste hængebro, Akashi Kaikyo, symboliserer ingeniørernes triumf over naturen. Men broen bygger også på skibsforlis og sammenstyrtninger.

1991 meter vej svæver mellem Kobe og Awaji i Japan. Verdens længste hængebro, Akashi Kaikyo, symboliserer ingeniørernes triumf over naturen. Men broen bygger også på skibsforlis og sammenstyrtninger.

Shutterstock

Den 5. december 1785 er en færgebåd på vej fra Wales til øen Anglesey, da kraftig strøm tvinger den på grund.

Passagererne forlader båden, men tidevandet er på vej ind over sandbanken, hvor de søger ly. Mørket falder på.

Selvom andre både hører nødråb fra de 55 strandede personer, kommer tidevandet for hurtigt og voldsomt til en redningsaktion.

Kun én person overlever.

Det katastrofale forlis i 1785 var kun et ud af anslået flere hundrede i det farlige Menaistræde. Og stadig flere krydsede de farlige vande, fordi Menaistrædet var ved at blive en hovedåre til og fra Irland, der sluttede sig til den britiske union i år 1800. Noget måtte gøres.

I 1815 blev beslutningen taget: En bro skulle konstrueres.

Men afstanden var for lang til, at en traditionel stenbro kunne løse opgaven.

Der måtte tænkes nyt, og nytænkningen resulterede i det, der skulle blive opskriften på den moderne hængebro.

I dag er Akashi Kaikyo-hængebroen den ypperste repræsentant for verdens hængebroer med sit midterspænd på 1991 meter.

Men inden ingeniørerne kunne nå fra Menaibroen til den japanske rekordholder, skulle mange bitre erfaringer med naturens kræfter gøres.

Måske var Akashi Kaikyo aldrig blevet til noget, hvis ikke en berømt amerikansk bro var styrtet sammen i 1940.

Hængebroen bliver født

Hængebroen trækker tråde tilbage til oldtiden, hvor broerne typisk bestod af reb og træ. Træbrædder hvilede på reb, som blev spændt ud over vand og fastgjort til klipper eller træer på hver side.

Men rebene satte en grænse for, hvor lange broerne kunne blive, og hvor meget vægt de kunne bære. Skulle de fx bære vogne og krydse større floder, måtte de i stedet konstrueres af sten.

Stenbuebroen kan holde til en stor vægt, men er ekstremt tung og desuden vanskelig at konstruere, så den tillader fri passage for skibe nedenunder.

Hængebroen er bedre egnet til lange distancer.

Den moderne hængebro kan spores tilbage til 1826, hvor Menaibroen mellem Wales og øen Anglesey stod færdig.

Strædet var præget af utallige ulykker, og især forliset i 1785 med 54 omkomne står tilbage som et grimt minde.

Derfor blev civilingeniøren Thomas Telford i 1815 hyret til at konstruere en bro. Og for at sejlskibe skulle kunne passere under broen, skulle dækket ligge højt over vandet.

Løsningen blev en hængebro, som siden har dannet forbillede for alle de store hængebroer, vi kender i dag.

Hængebroen går tilbage til 1300-tallets Tibet, men i 1800-tallet tager udviklingen fart, og nye materialer og løsninger gør hængebroen til ingeniørernes foretrukne løsning til de lange distancer.

Thangtong Gyalpo
© Unknown

1: Thangtong Gyalpo bygger jernbroer

Tibetanske Thangtong Gyalpo (1385-1464) var kendt som Jernbro-mageren, da han konstruerede hele 58 hængebroer af jern, bl.a. en hængebro med et 140 meter langt spænd, som holdt, helt indtil kineserne destruerede den i 1950’erne.

Thomas Telford
© MEPL/Ritzau Scanpix

2: Telford opfandt den moderne hængebro

Ingeniøren Thomas Telford (1757-1834) introducerede den grundlæggende opbygning, som alle moderne hængebroer følger: Bærende kæder bliver spændt ud mellem to brotårne, og lodrette kæder forbinder de bærende kæder til brodækket.

Marc Seguin
© Hippolyte Flandrin

3: Marc Seguin tog wirekabler i brug

Den franske ingeniør Marc Seguin (1786-1875) indførte kabler bestående af mange mindre stålwirer. De har en højere trækstyrke end de jernkæder, der blev brugt indtil da. Derfor kan de bære mere vægt i forhold til deres størrelse.

Joseph Chaley
© Geneanet.org

4: Chaley opfandt ny kabelteknik

Franskmanden Joseph Chaley (1795-1861) opfandt en anordning, som kører på de enkelte wirer over en hængebro. For hver tur frem og tilbage trækker anordningen en ny stålwire med sig og samler de bærende kabler, wire for wire.

For at nå den rette højde byggede Telford to tårne et stykke ude i strædet og spændte store kabler ud mellem dem.

Kablerne blev bagefter forsynet med lodrette kæder i forskellige længder, så dækket var vandret uanset afstanden til de bærende kabler.

Opbygningen lyder måske helt indlysende, fordi den findes i kendte hængebroer fra Golden Gate til Storebæltsforbindelsen, men før Menaibroen var vandrette hængebrodæk vanskeligere at konstruere, fordi dækket typisk hvilede på selve de bærende kabler eller kæder.

Ingeniøren Thomas Telford tog tre nye teknikker i brug, da han konstruerede Menaibroen i 1800-tallet. I dag er de samme teknikker afgørende for hængebroens verdensomspændende succes.

Hängbrons kedjor spändes ut mellan pyloner
© Claus Lunau

1: Kæder spændes ud mellem brotårne

Hængebroer havde i det meste af historien dæk, som hvilede direkte på reb eller kæder spændt ud mellem to bredder. Menaibroen introducerer brotårne et stykke ud for bredderne og kæder, der løftes op og spændes ud imellem tårnene.

Lodräta kedjor ger hängbron vågrät brobana
© Claus Lunau

2: Lodrette kæder giver vandret brodæk

Lodrette kæder forbinder de bærende kabler til brodækket. Kædernes længder er forskellige, så brodækket holdes vandret. Kombinationen af udspændte, bærende kabler og lodrette kæder har siden været standarden for hængebroer.

Klippa håller hängbrons kedjor på plats
© Claus Lunau

3: Klippe holder kæder på plads

Arbejdere bruger sprængstof til at udgrave en 18 meter lang tunnel ind i klippegrunden på land. For enden af tunnellen bygger de et jerngitter. Broens bærende kæder bliver ført igennem gitteret og sikret med tre meter lange bolte.

Med Menaibroen havde ingeniørerne knækket koden til den mest robuste opbygning af en lang hængebro.

Men Telfords design tog ikke tilstrækkelig højde for hængebroens værste modstander: vinden.

Mere end hundrede år efter at Menaibroen åbnede, forårsagede hård blæst historiens måske berømteste brokollaps: Tacoma Narrows.

Vindtunneller afværger ulykker

Den moderne hængebro begynder dybt nede under vandet, hvor fundamentet til brotårnene skal konstrueres. Her venter ofte bløde og sandede flod- og havbunde, hvor ingeniører ikke uden videre kan gå i gang med at støbe beton.

Derfor har de udviklet hule forme, som sejles ud på vand, sænkes ned på bunden og tømmes for vand. Formene kaldes caissoner.

Da en af verdens berømteste hængebroer, Brooklyn Bridge, blev bygget i 1870’erne, skete det fx ved hjælp af 50 m lange, 30 m brede og 4 m høje caissoner af træ.

Caissonerne blev sejlet ud på floden og tynget ned på flodbunden, så de lukkede tæt.

Dernæst blev vandet pumpet ud, og arbejdsmænd kravlede ind og gravede i den bløde flodbund ned til et hårdere underlag, inden formene blev fyldt med cement.

VIDEO: Se Brooklyn Bridges fundamenter blive til

Når fundamentet er på plads, findes den største udfordring oven over vandet: vinden.

Det fik den nyåbnede Tacoma Narrows-bro i USA at føle den 7. november 1940. 19 sekundmeter vind fik brodækket til at bølge og vride sig, som om det bestod af gummi, indtil det knækkede midtover og styrtede i floden 59 meter nede.

Tacoma Narrows-kollapset mystificerede eksperterne i 50 år, men i 1990 fandt ingeniøren Robert Scanlan frem til, at hvirvler i luften var den udslagsgivende faktor.

Når vinden møder et objekt, kan den kort fortalt enten smyge sig rundt om det eller skabe turbulente hvirvler.

Scanlan påviste, at Tacoma Narrows kollapsede på grund af et selvforstærkende fænomen, hvor lufthvirvler satte broen i bevægelse, bevægelsen skabte stærkere hvirvler og så fremdeles. Han kaldte fænomenet aeroelastisk flutter.

VIDEO: Arbejdere forudså svingende bro

Selvom amerikanerne i 1940’erne endnu ikke kendte til begrebet aeroelastisk flutter, gik de alligevel videre med planerne om en erstatningsbro. Men for at fadæsen ikke skulle gentage sig, tog de en ny teknik i brug: vindtunneller.

Ingeniørerne byggede en 30 m lang model af den nye bro – i virkeligheden skulle den blive 1800 m lang – og placerede den i en tunnel, hvor blæsere efterlignede naturens vindkræfter.

Vindtunnelprøverne virkede. I hvert fald kører bilerne i dag stadig over den redesignede Tacoma Narrows-bro, som åbnede 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 hængebroerne sig midterspænd på 2 km. Vindtunneltests er stadig afgørende, men er kun én af de teknikker, som er nødvendige for at stabilisere de enorme, hængende bygningsværker mod alt fra jordskælv til tyfoner.

Rekordbro bryder alle grænser

3911 meter adskiller det japanske fastland og øen Awaji, og i 1998 åbnede den faste forbindelse Akashi Kaikyo. Broen har det længste midterspænd af alle hængebroer i verden: 1991 meter.

Broen er grundlæggende opbygget af de samme principper som Menaibroen, men er blevet tilføjet flere enestående nytænkninger.

Broens kabler består af en legering af stål tilsat silicium, som giver hvert kabel en 10 pct. større trækstyrke end almindeligt stål. 290 af disse mindre kabler er flettet sammen for at danne broens to bærende kabler, som hver har en samlet diameter på 112 cm. Akashi-broen består af i alt næsten 300.000 km wire, som blev trukket på plads med helikopter.

700.000 bolte holder Akashi Kaikyo-broens tårne sammen.

Kablerne hviler på to brotårne, som hæver sig 282 meter op over Akashistrædet. I den højde når vindhastighederne op på 300 km/t.

Ingeniørerne bag Akashi Kaikyo havde lært af historien, og derfor testede de en model af den kommende bro i en af verdens største vindtunneller. Vinden skabte turbulente hvirvler omkring broen, som måtte bremses. Derfor har ingeniørerne installeret én lang plade, som løber på langs af brodækket og bryder vindens bevægelser rundt om det.

Dermed kan Akashi Kaikyo-broen modstå tyfoner uden at gå i ødelæggende svingninger.

Akashi Kaikyo-bron
© Shutterstock

4 teknikker skabte Akashi Kaikyo

Ingeniørerne bag Akashi Kaikyo-broen har testet konstruktionen i verdens største vindtunnel. Sammen med tre andre teknikker gør det broen i stand til at modstå jordskælv på 8,5 på richterskalaen.

1: Pyloner blev støbt i store stålforme

Broens 282 meter høje tårne hviler på fundamenter af beton, som er støbt i runde caissoner – 70 meter høje stålforme med en diameter på 80 m. Formene blev sejlet ud på vandet, sænket ned på havbunden og fyldt med beton.

Betongfundament till Akashi Kaikyo-bron
© Getty Images

2: Vindtunnel viste broens svagheder

Ingeniørerne byggede en 40 m lang model af broen og testede den i en af verdens største vindtunneller. Efter prøverne udstyrede de broen med en lodret plade under brodækket, der bryder vinden, så ødelæggende hvirvler ikke dannes.

3: Silicium giver stærke kabler

Traditionelt stål kan modstå en belastning på 160 kg, der trækker i hver kvadratmillimeter – den såkaldte trækstyrke. Akashi-ingeniørerne tilføjede silicium til stålkablerne, hvilket øgede trækstyrken til 180.

Akashi Kaikyo-brons stålkablar
© Shutterstock

4: Svingende lodder stabiliserer

Broen kan modstå rystelser på 8,5 på richterskalaen på 150 km’s afstand takket være 20 lodder, som er indbygget i tårnene. Lodderne svinger i modfase med broens bevægelser, så de bliver udlignet. Samme teknik bruges også i skyskrabere.

Rekorden har stået i mere end to årtier, hvor to kilometers midterspænd har været en umulig grænse at krydse. Indtil nu. Ingeniørerne står nemlig klar med en ny metode, som kan strække broerne til mere end den dobbelte længde.

Norsk superbro på vej

Hængebroerne er blevet stadig længere gennem det 20. århundrede, og derfor melder det naturlige spørgsmål sig: Hvor lange kan de maksimalt blive?

Ingeniører ved University of Warwick i England har udregnet, at en hængebro i teorien maksimalt kan have et spænd på 5000 meter. Det skyldes, at vægten af de bærende kabler ellers bliver for stor med de materialer, vi har til rådighed i dag.

I begyndelsen af 00’erne foreslog den kinesiske ingeniør T.Y. Lin en hængebro over Gibraltarstrædet med et spænd på netop 5000 meter.

Nu pønser norske ingeniører på at komme T.Y. Lin i forkøbet og konstruere en hængebro over Sognefjorden med et spænd på 3700 meter – næsten dobbelt så langt som den nuværende japanske rekordholder.

Ingeniørernes største udfordring er, at Sognefjorden er 1300 meter på sit dybeste sted, hvilket gør det vanskeligt at bygge brotårne midt ude i fjordens vand.

Derfor påtænker ingeniørerne at bruge materialet grafen – strukturer af kulstofatomer, som er blot ét atom tykke. Grafen kan øge trækstyrken af beton dramatisk og derfor muliggøre længere midterspænd.

Hvis idéen om en klassisk hængebro bliver kasseret, har de norske ingeniører en anden idé: en hængebro under vandet. Eller rettere en hængetunnel – for på tegnebrættet er en betontunnel, der svæver i vandet, fastgjort til flydende pontoner.

Siden Menaibroen blev åbnet, er længden af midterspændet på hængebroer mere end tidoblet, men ingeniørerne er langtfra færdige med at strække broerne ud. Spørgsmålet er blot, om den klassiske hængebro fortsat vil dominere stræderne, om helt nye brotyper dukker op – eller om broerne ligefrem dykker ned under vandet.