Skum og 3D-print sikrer broer mod kollaps

Da en motorvejsbro i Genova kollapsede, styrtede 43 mennesker i døden. Broen var i ringe stand, og det er langtfra den eneste. Nu står ingeniørerne klar med avancerede nye materialer, der gør fremtidens broer lette, stærke og holdbare.

Da en motorvejsbro i Genova kollapsede, styrtede 43 mennesker i døden. Broen var i ringe stand, og det er langtfra den eneste. Nu står ingeniørerne klar med avancerede nye materialer, der gør fremtidens broer lette, stærke og holdbare.

Laura Lezza/Getty Images

Jernbanebro styrter ned over befærdet vej

Tirsdag d. 4. maj 2021 rammer katastrofen Mexico City. Da et metrotog kører ud på en bro over en travl gade, giver betonbroen efter. Broen knækker over, og bro, tog og passagerer vælter ned over de intetanende fodgængere og bilister nedenunder. 24 mennesker mister livet og mindst 77 bliver kvæstet.

Katastrofen er blot den seneste af en lang række brokollaps:

  • November 2019: En sydfransk bro styrter ned i en flod og dræber to.
  • Marts 2019: En fodgængerbro kollapser i den indiske by Mumbai og koster seks menneskeliv.
  • September 2018: I Kolkata, Indien, omkommer to da en nyligt renoveret bro braser sammen.

Det nok mest spektakulære brokollaps i nyere tid var da motorvejsbroen i den italienske by Genova styrtede sammen i 2018.

I artiklen herunder får du historien om den dramatiske begivenhed, og ingeniørernes opskrift på, hvordan vi kan sikre os mod brokollaps i fremtiden.

Bro, Mexico

Jernbanebroen styrtede ned over en travl gade i Mexico City.

© Jair Cabrera Torres/DPA/Ritzau Scanpix

Den hvide personbil, der kører lige foran Davide Capello, forsvinder uventet fra hans synsfelt. Han hugger bremserne i, men for sent.

Vejbanen giver efter under hans eget køretøj, og sekundet senere er han i frit fald. “Io sono morta” – jeg er død – råber han, mens hans synsfelt fyldes med murbrokker og betonstøv.

Men den tidligere professionelle fodboldspiller og nuværende brandmand er en af de få, som overlever styrtet på 45 m, da Morandi-broen pludselig kollapser. 43 andre er ikke så heldige.

Katastrofen i den italienske havneby Genova den 14. august 2018 er en af de værste broulykker i historien og den mest dødbringende i Europa i 18 år.

De fleste spor af den sammenstyrtede bro er nu blevet fjernet, og dens afløser er på tegnebrættet. Imens er årsagen og placeringen af ansvaret for katastrofen ved at blive undersøgt.

Italien er dog langtfra alene om at slås med aldrende broer i dårlig stand og vedligeholdelsesprogrammer, der mangler penge til at blive overholdt. Fx er 56.000 broer i USA dømt “strukturelt utilstrække­lige”, mens de franske vejmyndigheder frygter for hold­barheden af 841 af landets broer.

Men ingeniørerne er i fuld gang med at løse problemet. Eksisterende broer skal forstærkes og udstyres med alarmsystemer, mens fremtidens broer kan konstrueres, så de bliver både lettere og stærkere.

Broen hang i et enkelt tov
Ingeniørerne kan vælge mellem flere grundlæggende konstruktioner, når de planlægger en ny bro.

Nogle er helt simple og egner sig kun til små konstruktioner på under 20 m som fx de såkaldte pladebroer. Andre har frie spænd – det vil sige den længste afstand mellem punkter med understøtning – på op mod 2 km.

Disse broer er enten hænge­broer, hvor et kilometerlangt kabel hænger mellem tårnene, pylonerne, hvorfra der går kabler ned til brodækket, eller skråstags­broer, hvor kablerne, der bærer brodækket, udspringer fra toppen af pylonerne.

Morandi-broen var en skråstagsbro, men med nogle væsentlige afvigelser fra normalen. Typisk udgår der et stort antal stålkabler fra toppen af pylonerne og ned til brodækket, men på Morandi-broen var de mange mindre kabler samlet i ét tykt.

Det gav broen et elegant udseende, men indebar samtidig det problem, ingeniørerne kalder mangel på redundans.

Det vil sige, at en konstruk­tion ikke kan tåle blot en enkelt skade, fordi der kun er ét bærende element til at holde hver del af broen oppe. Går det element i stykker, risikerer hele broen at styrte sammen.

Det var sandsyn­ligvis, netop hvad der skete, da et af Morandi-broens særlige skråstag knækkede. På en traditionel skråstagsbro ville et brud på et af de mange stag derimod ikke have medført overhængende fare.

Dertil kom, at Morandi-broens skråstag var indkapslet i beton. Det beskyttede mod tæring af stålet, så længe betonen var intakt, men forhindrede til gengæld inspektion og betød, at en fatal fejl ikke blev opdaget.

En bro tynges konstant af sin egen vægt og holder sig kun oprejst takket være en nøje afbalancering af træk, tryk, vrid og forskydning.

© Claus Lunau

Træk

På hængebroer og skråstagsbroer hænger vejbanen i kabler fra høje tårne, pyloner. Kablerne er udsat for et kraftigt træk som et tov i en tovtrækning. Stål er særlig godt til at modstå træk.

© Claus Lunau

Tryk

Broens vægt trykker hele tiden nedad. Det komprimerer de bærende elementer – pylonerne og bropillerne, der understøtter brodækket. Beton er særlig velegnet til at modstå tryk.

© Claus Lunau

Forskydning

Modsatrettede kræfter trækker fx i hver ende af brodækket. Særligt i jordskælvsområder skal broer sikres mod forskydning ved fx at gøre koblingen til den faste grund ekstra fleksibel.

© Claus Lunau

Vrid

Når en hængebro udsættes for kraftig sidevind, vrider brodækket sig, og det kan i ekstreme tilfælde føre til kollaps. Derfor afstives undersiden af brodækket med et fletværk af dragere.

Trafikken snød brobyggerne
Et andet problem ved Morandi-broen var, at konstruktionen var for spinkel.

Ingeniøren og arkitekten Riccardo Morandi, som tegnede broen og fik den opkaldt efter sig, benyttede kun lige præcis materialer nok til, at broen kunne bære sin egen vægt og håndtere belastninger fra vind og trafik.

I dag konstrueres broer altid, så de er fem, ti eller 20 pct. stærkere, end der umiddelbart er behov for. Det gør det muligt at opdage og reparere skader, inden det går galt – og det til­lader, at senere reparationer kan gøre konstruk­tionen tungere.

Den pylon, der brød sammen ved Morandi-broens kollaps, var netop blevet forstærket med stål i 1990’erne, og det kan ikke udelukkes, at den ekstra vægt har spillet en rolle for ulykken.

Desuden er ingeniørerne i dag opmærksomme på, at de skal planlægge efter fremtidens belastninger. Det tænkte brobyggerne ikke på i 1960’erne, og siden dengang er mængden af trafik vokset ekstremt.

Fx er antallet af lastbiler, der krydser de amerikanske bilbroer, steget med 250 pct. de seneste 40 år, og lastbilerne er blevet tungere. Det slider broer langt hurtigere end planlagt.

Morandi var selv klar over, at der kunne opstå problemer. Allerede i 1979, kun 12 år efter at broen stod færdig, advarede han om, at dråber af saltvand i luften fra det nærliggende Middelhav og forurening fra et stålværk i byen nedbrød betonen og stålet i broens konstruktion hurtigere end forventet.

Betonkræft sender broer i graven
Hvordan Morandi-broen faldt sammen, står efterhånden ret klart.

Katastrofen begyndte tilsyneladende, da et af de fire skrå­­stag – kabler – fra toppen af broens vestligste pylon knækkede.

Det overbelastede staget på den modsatte side af brodækket, der derfor også knækkede.

Uden de to stag styrtede brodækket ned, og pylonen og bropillen var nu kun belastet af stagene i den anden side.

Det trak pylonen skæv og slækkede stagene, så brodækket på den side af pylonen også rev sig løs.

De voldsomme kræfter stressede pylonen så meget, at den som sidste etape i ulykken kollapsede næsten lodret.

Jo flere tunge køretøjer der kører over en bro, jo større er sliddet. Med laserlys, der rammer spejle på henholdsvis jorden og broen, kan ingeniørerne måle, hvordan broen reagerer på belastningerne.

© Claus Lunau

  1. En laserstråle rammer et halvgennemsigtigt spejl, der sender én halvdel mod et spejl på broen og én mod et spejl på jorden.
© Claus Lunau

  1. Afstanden til spejlet på broen ændrer sig, når broen belastes, men afstanden til spejlet på jorden ændrer sig ikke.
© Claus Lunau

  1. De to stråler reflekteres tilbage og samles i en detektor. Enhver forskel i deres rejse­tid er udtryk for en belastning af broen.

For at finde den præcise årsag til sammenbruddet sendte efterforskerne dele af den nedstyrtede bro til undersøgelse på det nationale laboratorium for materialevidenskab og teknologi i Schweiz.

I december 2018 viste eksperternes foreløbige undersøgelser, at stagene på den kollapsede pylon var tæret halvt igennem og styrken dermed markant nedsat.

Den dybereliggende årsag til tæringen var formentlig revner i betonen – et problem, der nærmest var utænkeligt, da broen blev bygget i 1960’erne. Dengang var den generelle holdning blandt ingeniører, at beton kunne holde evigt.

Fra et materiale­videnskabeligt synspunkt er der heller ingen interne processer i ren beton, som nedbryder den. Men virkeligheden forholder sig anderledes, og i nogle betonkonstruk­tioner går nedbrydningen så stærkt, at forskerne kalder fænomenet for betonkræft.

En form for betonkræft plager først og fremmest den såkaldt armerede beton.

Armering betyder, at betonen er støbt uden på stål – fx et skelet af armeringsjern, der er med til at stabilisere konstruktionen. Det var netop tilfældet med Morandi-broens beton­beklædte stag.

Når jern ruster, ender slutproduktet med at fylde mere end rent jern. Dermed udvider armeringen sig og får den omgivende beton til at slå revner.

Ud over at svække betonen tillader det vand og luft at trænge ind. Det sætter fart på korro­sionen og forværrer dermed nedbrydningen i en ødelæggende spiral.

For at undgå betonkræft er løbende vedligeholdelse af broen af­gørende. Er skaden først opstået, kan den være dyr eller endda umulig at udbedre.

Salt fra Middelhavet var med til at nedbryde Morandi-broen i Genova hurtigere end forventet.

© Stefano Rellandini/Reuters/Ritzau Scanpix

Kulfiber kan gøre broer længere
I Genova har den nu nedrevne Morandi-bro efterladt et gabende hul. Men uanset hvilken bro der kommer til at forbinde de to ender af motorvej A10 igen, bliver den langt sikrere end den gamle.

Brobyggerne har ikke blot lært af fortidens katastrofer – de har også fået bedre materialer at arbejde med.

Et af dem er kulfiber, som har været kendt længe, men først nu for alvor holder sit indtog i brobygningen. En af de mest åbenlyse anvendelser er til de lange kabler, som bærer brodækket på skråstagsbroer og i særdeleshed på hængebroer.

Den maksimale længde på kablet afgøres af en kombination af dets trækstyrke og dets vægt. Her stopper ståls rækkevidde ved en længde på 5 km. Bliver et stålkabel længere, kan det ikke bære sin egen vægt.

Da kulfiber eller kombinationer af kulfiber og kunststoffer er langt lettere end stål og kun en smule svagere, kan den type kabler klare længder på op til 10 km. Samtidig er materialerne meget mindre sårbare over for vejret.

Kineserne var de første til for alvor at benytte kulfiber på Aizhai-broen, der åbnede i 2012.

Også den traditionelle beton har fået en overhaling, siden Morandi-broen blev bygget. Ved bl.a. at knuse råmaterialerne til et fint pulver og indlejre fibre af kunststof eller stål bliver betonen både stærkere og mere fleksibel.

Den er også mere modstandsdygtig over for kemikalier og mere vandtæt. Det er alt sammen egenskaber, som øger livslængden af betonen og dermed af broer bygget med den.

Den nye, ultrastærke beton er dyr, men fordi den er stærkere, kan ingeniørerne tillade sig et spinklere design med et mindre materialeforbrug, der også er mere miljøvenligt.

Amerikanerne og canadierne har benyttet den nye beton siden 2006, hvor Mars Hill Bridge i Iowa blev den første bro, hvor den blev anvendt. Siden er det gået stærkt, og alene i 2016 blev der opført 34 nordamerikanske broer i ultrastærk beton.

De nye materialer tillader også design, der aldrig er set før. Et af dem er tegnet i 2017 af arkitekten Margot Krasojevic til en konkurrence om en ny bro i Mongoliet. Broen har tre brodæk, som kan løftes, og hele konstruktionen kan sejle og placeres, hvor der er brug for den.

Andre broprojekter har indbyggede vind­møller, der bidrager til byens energiforsyning, eller parker og indkøbscentre som en del af konstruktionen.

Et hollandsk firma har 3D-printet en hel fodgængerbro, der skal placeres over en kanal i Amsterdam.

© Thijs Wolzak/MX3D

Broer 3D-printes på stedet

3D-printere kan nu også udføre større entreprenørarbejder. I 2018 lykkedes det for første gang det hollandske firma MX3D at bygge en bro helt fra bunden ved hjælp af fire 3D-print­-robotter, der printede med stål. Den over 12 m lange bro blev printet i en fabrikshal og skal installeres over en kanal i Amsterdam, men i fremtiden vil robotter kunne printe endnu større broer i flere materialer eller diverse byggeelementer. Efter behov kan de også arbejde på byggepladsen og udføre detaljer ved broen.

Ny Genova-bro er på tegnebrættet
For at undgå gentagelser af de mange til­fælde, hvor broer har levet kortere end forventet, har ingeniørerne udviklet computerprogrammer, som kan forudsige hele livs­cyklussen for en bro – fra den bliver opført, til den bliver revet ned 75 eller 100 år senere.

Programmerne, der kaldes Life Cycle Costs (LCC) og Life Cycle Assessment (LCA), indregner alle udgifter til opførelse og ved­ligehold i hele broens levetid, så de samlede økonomiske omkostninger kan kortlægges.

Desuden tager programmerne højde for alle de påvirkninger, en ny bro udsætter miljøet for i form af CO2-udledning ved produktion af beton og transport af materialer, og de ændringer i økosystemet, broen skaber.

Afløseren for Morandi-broen skal efter planen stå klar sidst i 2019. Broen, der tegnes af byens berømte arkitekt Renzo Piano, er en simpel konstruktion oplyst af 43 høje lamper – en for hvert af katastrofens ofre.

Dermed bliver den nye bro ikke kun en bro, men også et mindesmærke for dem, som mistede livet den fatale augustdag.

Ingeniørerne har lært af fortidens fejl

Alle brokollaps bliver nøje analyseret for at finde årsagen, men en lille håndfuld ulykker har været særlig lærerige og har ændret den måde, broer konstrueres og inspiceres på.