Søger efter nye broformer, der kan spænde længere

Nyligt identificerede broformer kan gøre det muligt at opnå betydeligt længere brospænd i fremtiden, potentielt krydser Gibraltarstrædet, fra den iberiske halvø til Marokko, gennemførlig.

De nye broformer bruger en ny matematisk modelleringsteknik til at identificere optimale former for broer med meget lang spændvidde. Forskningen er offentliggjort den 19. september 2018 i Proceedings of the Royal Society A .

En bros spændvidde er afstanden af ​​ophængt kørebane mellem tårne, med den nuværende verdensrekord på lige under 2 km. Den mest populære form til lange spænd er hængebroen, som brugt til Humber Bridge, selvom skråstagsbroen dannes, hvor kabler direkte forbinder tårnet med vejbanen - som f.eks. brugt i det nyligt opførte Queensferry Crossing i Skotland - bliver stadig mere populært.

Efterhånden som brospændene bliver længere, en hastigt voksende andel af strukturen er nødvendig bare for at bære broens egen vægt, i stedet for at trafikken krydser den. Dette kan skabe en ond cirkel:en relativt lille stigning i spændvidden kræver brug af betydeligt mere materiale, fører til en tungere struktur, der kræver endnu mere materiale til at understøtte den. Dette sætter også en grænse for, hvor langt et brospænd kan være; ud over denne grænse kan en bro simpelthen ikke bære sin egen vægt.

En mulighed er at bruge stærkere, lettere materialer. Imidlertid, stål forbliver det foretrukne valg, fordi det er hårdt, let tilgængelig og relativt billig. Så den eneste anden måde at øge spændvidden på er at ændre broens design.

Professor Matthew Gilbert fra University of Sheffield, hvem ledede forskningen, sagde:"Hængebroen har eksisteret i hundreder af år, og mens vi har været i stand til at bygge længere spænd gennem trinvise forbedringer, vi har aldrig stoppet op for at se, om det faktisk er den bedste form at bruge. Vores forskning har vist, at der findes mere strukturelt effektive former, hvilket kan åbne døren til væsentligt længere brospænd i fremtiden."

Teknikken udviklet af holdet bygger på teori udviklet af professor Gilberts navnebror, Davies Gilbert, som i det tidlige 19. århundrede brugte matematisk teori til at overbevise Thomas Telford om, at hængekablerne i hans oprindelige design til Menai-strædet-broen i North Wales fulgte en for lav kurve. Han foreslog også en 'køreledning med lige spænding', der viser den optimale form af et kabel, der tager højde for tilstedeværelsen af ​​tyngdekraftsbelastninger.

Ved at inkorporere denne teori fra det tidlige 19. århundrede i en moderne matematisk optimeringsmodel, teamet har identificeret brokoncepter, der kræver den mindst mulige mængde materiale, potentielt gøre væsentligt længere spændvidder mulige.

De matematisk optimale designs indeholder områder, der ligner et cykelhjul, med flere 'eger' i stedet for et enkelt tårn. Men disse ville være meget vanskelige at bygge i praksis i stor skala. Teamet erstattede derfor disse med delte tårne ​​bestående af blot to eller tre 'eger' som et kompromis, der bevarer det meste af fordelene ved de optimale designs, samtidig med at det er lidt nemmere at konstruere.

For et spænd på 5 km, som sandsynligvis vil være påkrævet for at bygge den 14 km lange krydsning af Gibraltarstrædet, et traditionelt hængebrodesign ville kræve langt mere materiale, hvilket gør den mindst 73 procent tungere end det optimale design. I modsætning, de foreslåede to- og tre-egers design ville være kun 12 og 6 procent tungere, hvilket gør dem potentielt meget mere økonomiske at bygge.

De nye broformer kræver mindre materiale, primært fordi kræfterne fra dækket overføres mere effektivt gennem brooverbygningen til fundamenterne. Dette opnås ved at holde lastvejene korte, og undgå skarpe hjørner mellem træk- og trykelementer.

Holdet understreger, at deres forskning kun er det første skridt, og at ideerne ikke umiddelbart kan udvikles til opførelse af en megaspændbro. Den nuværende model tager kun hensyn til tyngdekraftsbelastninger og tager endnu ikke højde for dynamiske kræfter, der opstår fra trafik eller vindbelastning. Der er også behov for yderligere arbejde for at løse konstruktions- og vedligeholdelsesproblemer.

Medforfatter, Ian Firth, fra COWI, sagde:"Dette er en interessant udvikling i søgen efter større materialeeffektivitet i design af broer med superlang spændvidde. Der er meget mere arbejde at gøre, især ved at udtænke effektive og økonomiske byggemetoder, men måske en dag vil vi se disse nye former tage form på tværs af en bred flodmunding eller havkrydsning."