Hvordan ville ingeniører bygge Golden Gate-broen i dag?
Teknologiske fremskridt har gjort det muligt at konstruere mange af verdens mest ikoniske konstruktioner mere sikkert og langt billigere. Her stiller to amerikanske forskere skarpt på San Franciscos berømte Golden Gate-bro.
Golden Gate Bridge bro hængebro skråstagsbro brodæk brotårn jordskælv vind turbulens havbund San Francisco-bugten Marin County Californien Joseph Strauss ingeniørvidenskab ingeniør kompositmaterialer vedligeholdelse stål kabler FRP Fiber Reinforced Polyme

Golden Gate-broen forbinder San Francisco-bugten med Stillehavet. Selvom man nok kunne finde billigere og lettere materialer, der ikke krævede nær så meget vedligeholdelse, er der nok ingen, der for alvor har i sinde at rekonstruere det orange-malede ikon. (Foto: Shutterstock)

Lige siden Golden Gate-broen blev åbnet op for trafik den 27. maj 1937, har den været et ikonisk symbol i det amerikanske landskab.

I 1870 havde San Franciscos indbyggere indset nødvendigheden af at bygge en bro tværs over Golden Gate-strædet, som skulle forbinde San Francisco by med Marin County.

Men der skulle gå endnu et halvt århundrede, før bygningsingeniøren Joseph Strauss troppede op og præsenterede sit design.

Planerne udviklede sig, og det endelige projekt blev godkendt som en hængebro, der endte med at tage mere end fire år at bygge.

Da Golden Gate-broen blev bygget, var det verdens længste hængebro. Og omgivelserne præsenterede ingeniørerne med en række iboende udfordringer. 

Historien kort
  • Hvordan ville vi i dag bygge Golden Gate-broen?
  • Teknologiske femskridt som eksempelvis kompositmaterialer er spændende alternativer.

I 1937 kostede det 37 millioner dollars at opføre broen. I dag ville den samme konstruktion beløbe sig til cirka en milliard dollars.

Meget vand er løbet under Golden Gate-broen siden 1937 – men ville vi egentlig gøre tingene anderledes, hvis vi skulle starte helt fra bunden i dag?

Verden længste hængebro

Golden Gate-broen er en hængebro – en brotype, hvor brobanen ophænges i to (eller flere) bærekabler støttet på høje brotårne og fæstnet til ankerblokke ved enderne. Teorien bag hængebroer er, at et træk er meget lettere at bære end et tryk. 

Golden Gate Bridge bro hængebro skråstagsbro brodæk brotårn jordskælv vind turbulens havbund San Francisco-bugten Marin County Californien Joseph Strauss ingeniørvidenskab ingeniør kompositmaterialer vedligeholdelse stål kabler FRP Fiber Reinforced Polyme

Skematisk illustration af en hængebro. I en hængebro bliver vægten af brobanen båret ved hjælp af et træk. Hele det enorme tryk bliver så optaget af de solide hovedtårne (pyloner) og ført direkte ned i fundamentet. (Illustration: The ConversationCC BY-ND)

Brobanen hænger fra lodrette 'hængsler', som forbinder de to hovedkabler, der løber mellem tårnene og forankringerne ved enderne. 

Brobanen overfører presset fra køretøjerne og egenvægten til de bærende kabler, som er fæstnet til tårnene og ankerblokkene.

Opfindelsen er givetvis flere tusinde år gammel, da den bygger på én enkel simpel teknologi, nemlig tovværk. De ældste rester findes i Kina og er fra to århundreder før vor tidsregning.

Brooklyn-broen var første bro med stålkabler

For mange hundrede år siden blev kablerne fremstillet af plantefibre. Jernkæderne kom først langt senere.

Golden Gate Bridge bro hængebro skråstagsbro brodæk brotårn jordskælv vind turbulens havbund San Francisco-bugten Marin County Californien Joseph Strauss ingeniørvidenskab ingeniør kompositmaterialer vedligeholdelse stål kabler FRP Fiber Reinforced Polyme

Opfindelsen af hængebroen er givetvis flere tusinde år gammel, da den bygger på én enkel simpel teknologi, nemlig tovværk. De ældste rester findes i Kina og er fra. 2. århundrede før vor tidsregning. (Foto: Rutahsa AdventuresCC BY-SA)

Da Brooklyn-broen i New York blev indviet i 1883 var det første gang, at man forsøgte sig med stålkabler, hvilket dog hurtigt blev standarden.

Brotårnene startede formentlig for længe siden som store sten på hver ende af broen, inden ingeniørerne gik over til tårne, bygget af sten eller stål.

Golden Gate-broen er holdt oppe af en understøtning ved hver ende og de to brotårne, der er placeret ovenpå et fundament, der er nedstøbt i havbunden.

Sammensatte kabler afværger katastrofe

Golden Gate-broens to kabler er næsten det eneste, der ikke er blevet udskiftet, siden broen blev åbent i 1937. Hvert kabel er fremstillet af 27.572 stålkabler, der hver især har samme tykkelse som en blyant. 

Byggearbejderne hængte knapt 129.000 kilometer kabler fra den ene side af broen til den anden.

Det er praktisk taget umuligt at fremstille et langt, tykt og fejlfrit kabel i ét stykke. Hvis et enkelt - men stort - kabel skulle holde broen alene, og der skete noget med kablet, ville det være katastrofalt.

Fordi det samlede kabel består af mange, særskilte og mindre kabler, har man allerede vundet tid, i det tilfælde, at der skulle ske noget med et af kablerne.

Kraftig vind og jordskælvsrisiko

Da man først begyndte at overveje at bygge en bro tværs over San Francisco-bugten, bekymrede ingeniørerne sig meget for, om konstruktionen kunne modstå den kraftige vind, de turbulente farvande og mulige jordskælvsrystelser.

Golden Gate Bridge bro hængebro skråstagsbro brodæk brotårn jordskælv vind turbulens havbund San Francisco-bugten Marin County Californien Joseph Strauss ingeniørvidenskab ingeniør kompositmaterialer vedligeholdelse stål kabler FRP Fiber Reinforced Polyme

San Andreas-forkastningen er en geologisk forkastning, som strækker sig 1.300 km gennem den vestlige og sydlige del af Californien. Forkastningen er den tektoniske grænse mellem Stillehavspladen og den amerikanske kontinentalplade. Den relative bevægelse af kontinentalpladerne er 33-39 mm pr år. (Illustration: Wikimedia)

Den californiske undergrund er en tikkende jordskælvsbombe, og San Francisco ligger lige midt i San Andreas-forkastningens  skæringspunkt - den mere end 1.000 km lang forkastning, der strækker sig fra den nordligste del af Californien og ud i Den Californiske Havbugt.

San Andreas-forkastningen er et af de steder, hvor to tektoniske plader, som skorpen af planeten Jorden består af - Den Nordamerikanske Plade og Stillehavspladen - støder mod hinanden. En forkastning er i geologien et sted, hvor underjordiske jordlag har forskudt sig (eller stadig forskyder sig) lodret eller vandret i forhold til hinanden, så der dannes en brudzone.

Og der er naturligvis ingen, der har lyst til at opleve et jordskælv ødelægge broen, der i dag transporterer omkring 112.000 køretøjer om dagen. Derfor placerede ingeniørerne vibrationsdæmpere for hver end af broen, der kan absorbere vindstød og seismiske rystelser.

Disse specielt konstruerede vibrationsdæmpere er udformet som cylindre med en diameter på en meter og er fremstillet af en blykæde, der er dækket af gummi. De er strategisk placeret og absorberer de rystelser, der ellers ville være skyld i, at broen faldt sammen.

Golden Gate bliver aldrig færdig

Almindeligvis er en konstruktion færdig, når den er blevet indviet, men Golden Gate-broen er meget mere krævende, og det kræver løbende, stringent vedligeholdelse at holde broen i topform.

Golden Gate Bridge bro hængebro skråstagsbro brodæk brotårn jordskælv vind turbulens havbund San Francisco-bugten Marin County Californien Joseph Strauss ingeniørvidenskab ingeniør kompositmaterialer vedligeholdelse stål kabler FRP Fiber Reinforced Polyme

Golden Gate-broen var med sit største spænd på 1.280 meters længde den længste hængebro i verden, da den blev indviet 27. maj 1937 og indtil 1964, og den er senere blevet et internationalt anerkendt symbol på San Francisco og USA. Inklusiv tilkørselsramperne er broen 2.727 m lang, med en bredde på 25 m. Broens pyloner er 220 m høje. (Foto: ATOMIC Hot LinksCC BY-NC-ND)

Når eksempelvis én af de tusindvis af bolte, der forbinder alle de forskellige dele af broen, skal udskiftes, fjerner man aldrig mere end to på samme tid for at sikre, at broen kan modstå kraftige vindstød eller jordskælvsrystelser.

Der er også strukturelle vedligeholdelsesudfordringer. Over tid og på grund af den konstante temperaturvariabilitet bliver kablerne nogle gange for slappe og nogle gange for stramme, så det kræver periodisk kontrol og opstramning.

Denne justering kaldes 'tuning' og minder om måden, en musiker stemmer sit strenginstrument, så det lyder bedst.

Hvad ville man gøre anderledes i dag?

På grund af de enorme vedligeholdelsesomkostninger er det blevet foreslået, at Golden Gate-broen bliver rekonstrueret, så de løbende vedligeholdelses- og driftsomkostninger kan begrænses.

'Selvmordsbroen'

Golden Gate-broen har tilnavnet 'Selvmordsbroen'. Siden åbningen i 1937 og frem til 2014 er mere end 1.400 mennesker nemlig sprunget i døden fra broen.

Det svarer til én  hver 20. dag, og i 2013 satte broen en meget trist rekord med 46 selvmord.

De planlagte sikkerhedsbarrierer, der skal stoppe udspringene, kommer til at koste $76 millioner samt $78.000 i årligt vedligehold. 

Hvordan ville man gøre det i dag? Hvis vi ser helt væk fra, hvor politisk gennemførlig en rekonstruktion ville være -  hvordan ville ingeniørerne så designe broen, hvis de i dag skulle bygge den helt fra bunden?

Siden Golden Gate-broen blev opført, har forskerne udviklet lettere materialer.

For at reducere vægten af ​​en struktur af denne størrelsesorden ville man nok vælge at bruge et kompositmateriale som Fibre Reinforced Polymer (FRP).

Broens egenvægt er typisk ansvarlig for at bruge op til mellem 70 og 80 procent af den maksimale vægtgrænse, den maksimale vægt som broen kan bære.

En reduktion af broens egenvægt vil betyde, at der ikke er brug for nær så meget understøtning, så man kan benytte billigere og lettere materialer.

Fire gange så let og seks gange stærkere

Designerne er begyndt at bruge kompositmaterialer (FRP)  ved bygningen af broer som eksempelvis Market Street Bridge i West Virginia.

Kompositmaterialer er sammensat af forskellige dele, men fremtræder som ét stof med andre egenskaber end enkeltdelenes, for eksempel glasfiber eller armeret beton, som gør materialet stærkt.

Selvom FRP er fire gange så let som beton, er det seks gange stærkere.

Alternativ til stålkablerne

Designerne vil formentlig først og fremmest forsøge at finde et alternativ til stålkablerne.

Stålet i kablerne, som på nuværende tid er i brug, er korroderende, fire gange så tunge som nyere materialer og kan let komme til at svigte ved barske fugt- og temperaturforhold - netop de forhold man finder ved Golden Gate-broen.

Kulstofkabler er langt mere inerte (utilbøjelige til at reagere kemisk) og bliver allerede brugt mange steder i verden.

Nyere materialer, der er lettere end stål, kan også bruges andre steder i broens konstruktion som eksempelvis brobanen. 

Ved at benytte komposit fremstillet af plastik til konstruktion af brobanen kan Golden Gate-broens egenvægt gøres fem gange lettere. Det betyder også, at ingeniørerne kan konstruere en skråstagsbro. 

Golden Gate Bridge bro hængebro skråstagsbro brodæk brotårn jordskælv vind turbulens havbund San Francisco-bugten Marin County Californien Joseph Strauss ingeniørvidenskab ingeniør kompositmaterialer vedligeholdelse stål kabler FRP Fiber Reinforced Polyme

Skråstagsbro er en brotype, hvor brodækket støttes af en række skrå kabler (stag), der fører op til en eller to pyloner. Er kablerne ført parallelt, tales om et harpeformet kabelsystem, mens kabler, der alle føres til pylontoppen, danner et vifteformet system. Skråstagsbroen er i hovedsagen udviklet i anden halvdel af 1900-tallet, og den er i dag den foretrukne brotype ved spændvidder på 200-500 m. (Illustration: The ConversationCC BY-ND)

Skråstagsbroer bygger på et lignende princip som hængebroer. Forskellen er, at i stedet for, at brodækket hænger i kabler til et større hovedkabel mellem pylonerne, er brodækket her direkte hængt op imellem pylonen og brodækket. 

ForskerZonen

Denne artikel er en del af ForskerZonen, som er stedet, hvor forskerne selv kommer direkte til orde. Her skriver de om deres forskning og forskningsfelt, bringer relevant viden ind i den offentlige debat og formidler til et bredt publikum.

ForskerZonen er støttet af Lundbeckfonden.

Det betyder, at broens konstruktion ikke kræver ankerblokke til at holde hovedkablet forankret som på hængebroen, hvilket gør den billigere at konstruere. (Øresundsbroen er en berømt skråtagsbro, som i øvrigt er verdens længste, der både fører vej og jernbane, red.)

Skråtagsbroens konstruktion mellem understøtning og kyst er mere enkel end hængebroens. Ved at bygge brotårnene tættere på kysten, hvor vandet ikke er så dybt, kan man undgå ét af Golden Gate-broens største problemer, nemlig at det er meget bekosteligt og besværligt at udføre reparationsarbejde på brotårnenes fundament i det dybe vand med kraftige strømninger.

Alternativ til vibrationsdæmperne

Man kunne også adressere dæmpningsystemet i et nyt design. 

De blykernebaserede vibrationsdæmpere, der blev brugt ved opførelsen af Golden Gate-broen, kan erstattes med nyere teknologier, der kan modstå vind-, trafik- og seismiske rystelser bedre. 

Denne forbedring kan sikre, at man afværger en katastrofe som Tacoma-broen, der kollapsede blot fire måneder efter, den blev opført.

Tacoma Narrows-broen, over Tacoma Narrows Strædet - ca. 40km ssv for Seattle i staten Washington, USA, var en af de første hængebroer, som blev bygget, så man havde ikke mange erfaringer med denne brotype. I 1940 gik det galt, og broen faldt ned. (Video: British Pathé/YouTube)

Den 7. november 1940 blæste en hård kuling, og fordi Tacoma-broen ikke var bygget aerodynamisk korrekt, så den 'fangede' vinden, gik den i svingninger. 

Samtidig fik vindens konstante hastighed Tacoma-broen til at gå i resonans, så svingningerne blev voldsommere og voldsommere. Vejbanen blev derfor vredet i tilsyneladende umulige vinkler.

Men når alt det er sagt, så står Golden Gate-broen stadig fint. På trods af en række tilgængelige og billigere alternativer er der ingen, der for alvor har i sinde at erstatte Art Deco-ikonet malet i den verdensberømte 'international orange'-farve.

Golden Gate-broen bliver overvåget nøje for at sikre, at belastningsgrænserne ikke overskrides som følge af trafik, vind og seismiske rystelser, og vi kan sandsynligvis se frem til mindst 80 år mere med dette tekniske mesterværk.

Hota GangaRao modtager støtte fra NSF, USACE, WVDOT, LTRC, CreativePultrusions og USDOD. Maria Martinez de Lahidalga de Lorenzo hverken arbejder for, rådfører sig med, ejer aktier i eller modtager fondsmidler fra nogen virksomheder, der vil kunne drage nytte af denne artikel, og har ingen relevante tilknytninger. Denne artikel er oprindeligt publiceret hos The Conversation og er oversat af Stephanie Lammers-Clark.

Lyt på Videnskab.dk!

Hver uge laver vi digital radio, der udkommer i form af en podcast, hvor vi går i dybden med aktuelle emner fra forskningens verden. Du kan lytte til den nyeste podcast i afspilleren herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Har du en iPhone eller iPad, kan du finde vores podcasts i iTunes og afspille dem i Apples podcast app. Bruger du Android, kan du med fordel bruge SoundClouds app.
Du kan se alle vores podcast-artikler her eller se hele playlisten på SoundCloud