Utsikt från Akashi Kaikyo-bron

Leijuva teräs yhdistää maailmaa

Japanissa Koben ja Awajin välillä leijuu 1 991 metriä tietä. Maailman pisin riippusilta, Akashi-kaikyo, symboloi insinöörien voittoa luonnosta. Silta perustuu kuitenkin myös haaksirikkoihin ja sortumiin.

Japanissa Koben ja Awajin välillä leijuu 1 991 metriä tietä. Maailman pisin riippusilta, Akashi-kaikyo, symboloi insinöörien voittoa luonnosta. Silta perustuu kuitenkin myös haaksirikkoihin ja sortumiin.

Shutterstock

Walesissa Angleseyn saareen menossa ollut lautta ajoi joulukuun 5. päivänä voimakkaassa virtauksessa karille.

Matkustajat poistuivat aluksesta, mutta nousuvesi oli jo peittämässä rantaa, jonne he olivat pelastautuneet. Ilta alkoi pimetä.

Vaikka monilla laivoilla kuultiin 55:n maihin nousseen henkilön avunhuudot, rajusti nousevan veden takia heitä ei päästy pelastamaan.

Vain yksi jäi eloon.

Vuoden 1785 katastrofaalinen haaksirikko ei ollut suinkaan ainoa vaarallisessa Menainsalmessa tapahtunut turma. Liikenne vilkastui vilkastumistaan, koska Menainsalmen kautta purjehdittiin Irlantiin, joka liitettiin vuonna 1800 Britanniaan. Jotakin oli tehtävä.

Vuonna 1815 päätettiin rakentaa silta.

Välimatka oli kuitenkin niin suuri, että perinteinen kivisilta ei tullut kysymykseen.

Tarvittiin korvaava ratkaisu, ja pähkäily johti lopulta siihen, että Menainsalmeen suunniteltiin täysin uudenlainen riippusilta.

Nykyään Akashi-kaikyon silta on edustavin esimerkki riippusilloista 1 991 metrin keskijänteellään.

Matkalla Menain riippusillasta japanilaiseen ennätyksen haltijaan insinöörien piti kuitenkin kokea monta karvasta pettymystä ja vastoinkäymistä luonnon pannessa vastaan.

Ehkä Akashi-kaikyota ei olisi edes olemassa, ellei kuuluisa yhdysvaltalaissilta olisi romahtanut vuonna 1940.

Riippusilta vanhaa perua

Riippusilta juontaa juurensa antiikista, jonka aikana sillat rakennettiin yleensä puusta ja köydestä. Poikittaiset puut ladottiin köysille, jotka oli kiristetty veden päälle kivien tai puiden väliin.

Sillan pituutta rajoittivat köydet, joista riippui, kuinka paljon painoa ne kestivät. Kun tarvittiin vaikka hevosvaunut kantava, leveän joen ylittävä silta, se piti rakentaa kivestä.

Kiviholvisilta kestää suuren kuormituksen, mutta se on hyvin raskas. Lisäksi sitä on vaikea suunnitella sellaiseksi, ettei se haittaa vesiliikennettä.

Pitkäksi sillaksi sopii paremmin riippusilta.

Nykyaikaisen riippusillan historia ulottuu vuoteen 1826, jolloin Walesiin valmistui Angleseyn saaren mantereeseen yhdistävä riippusilta.

Menainsalmessa ehti tapahtua paljon onnettomuuksia, ja etenkin 54 kuolonuhria vaatinut vuoden 1785 haaksirikko oli kipeä muisto.

Siksi rakennusinsinööri Thomas Telford sai vuonna 1815 tehtäväkseen suunnitella sillan. Kannen piti tulla niin korkealle, että laivat pääsivät sillan ali.

Ratkaisu löytyi riippusillasta, jonka rakennetta käytetään kaikissa nykyisissä pitkissä riippusilloissa.

Riippusilta juontuu 1300-luvun Tiibetistä, mutta kehitys vauhdittui 1800-luvulla. Uudet materiaalit ja rakenteet tekivät riippusillasta insinöörien ykkösvaihtoehdon pitkillä väleillä.

Thangtong Gyalpo
© Unknown

1: Thangtong Gyalpo rakensi rautasiltoja

Tiibetiläinen Thangtong Gyalpo (1385–1464) tunnettiin rautasiltojen rakentajana, sillä hän suunnitteli kaikkiaan 58 rautaista riippusiltaa. Eräs jänteeltään 140-metrinen riippusilta kesti siihen asti, kun kiinalaiset hajottivat sen 1950-luvulla.

Thomas Telford
© MEPL/Ritzau Scanpix

2: Telford kehitti nykyaikaisen riippusillan

Insinööri Thomas Telford (1757–1834) keksi kaikkien nykyaikaisten riippusiltojen perusrakenteen: riippuköydet kulkevat kannatinpylväältä toiselle, ja riippuköysiin kiinnitetyt pystysuorat ripustusköydet kannattavat siltakantta.

Marc Seguin
© Hippolyte Flandrin

3: Marc Seguin otti vaijerit käyttöön

Ranskalaisinsinööri Marc Seguin (1786–1875) lanseerasi vaijerit, jotka koostuvat ohuemmista teräslangoista. Koska vaijerit olivat vetolujuudeltan parempia kuin metalliketjut, ne kestivät suuremman kuormituksen kokoonsa nähden.

Joseph Chaley
© Geneanet.org

4: Chaley keksi vaijeritekniikan

Ranskalainen Joseph Chaley (1795–1861) keksi laitteen, joka kulkee riippuköyden lankoja pitkin. Edestakaisin liikkuessaan laite vetää uuden langan ja kokoaa kantavat vaijerit lanka langalta.

Jotta sillasta tuli tarpeeksi korkea, Telford sijoitti kannatinpylväät lyhyen matkan päähän rannasta ja ripusti järeät köydet niiden väliin.

Riippuköysiin liitettiin eripituisia pystysuoria ripustusköysiä, joten siltakansi oli vaakasuorassa riippumatta etäisyydestä riippuköysiin.

Rakenne saattaa vaikuttaa itsestäänselvältä, kun ajattelee vaikkapa Golden Gaten siltaa, mutta Menain riippusillan tapauksessa vaakasuoraa kantta ei ollut helppo suunnitella, sillä tapana oli rakentaa kansi joko itse kantavien vaijereiden tai ketjujen varaan.

Insinööri Thomas Telford sovelsi kolmea uutta menetelmää, kun hän suunnitteli Menain riippusillan 1800-luvulla. Samojen ratkaisujen ansiosta riippusilta on tänäkin päivänä maailmanmenestys.

Hängbrons kedjor spändes ut mellan pyloner
© Claus Lunau

1: Köydet ripustetaan kannatinpylväiden väliin

Riippusilloissa oli käytetty enimmäkseen kantta, joka lepäsi suoraan rannalta toiselle vedettyjen köysien tai ketjujen varassa. Menain riippusilta esitteli kannatinpylväät, jotka eivät olleet rantaviivalla, ja niiden väliin ripustetut riippuköydet.

Lodräta kedjor ger hängbron vågrät brobana
© Claus Lunau

2: Pystysuorat ketjut pitävät kannen suorassa

Kantta kannattavat pystysuorat ripustusköydet, jotka kiinnittyvät riippuköysiin. Eripituiset ripustusköydet pitävät kannen vaakasuorassa. Riippu- ja ripustusköysien yhdistelmästä on sittemmin tullut riippusiltojen perusrakenne.

Klippa håller hängbrons kedjor på plats
© Claus Lunau

3: Köydet kiinnittyvät kallioon

Rannoille tehtiin kallioperää räjäyttämällä 18 metriä pitkät tunnelit. Käytävän päähän sijoitettiin rautaristikko. Sillan riippuköydet vietiin sen läpi ja kiinnitettiin kolme metriä pitkillä pulteilla.

Menain riippusillan myötä insinöörit saivat haltuunsa kestävien pitkien riippusiltojen valmistusohjeen.

Telfordin suunnittelema rakenne ei kuitenkaan vastannut täydellisesti riippusillan pahimman vastustajan – tuulen – esittämään haasteeseen.

Yli sata vuotta Menain riippusillan valmistumisen jälkeen kova tuuli aiheutti ehkä kaikkien aikojen kuuluisimman romahduksen Tacoman kapeikossa.

Tuulitunneli torjuu onnettomuuksia

Nykyaikaisen riippusillan juuret ovat syvällä veden alla, minne kannatinpylväiden perustus lasketaan. Kun pohja on pehmeä esimerkiksi hiekan takia, alusrakennetta ei voida alkaa niin vain valaa betonista.

Tarkoitusta varten on kehitetty muotteja, jotka hinataan haluttuun paikkaan, upotetaan ja tyhjennetään vedestä. Muotteja kutsutaan kasuuneiksi.

Kun yksi maailman kuuluisimmista riippusilloista, Brooklynin silta, rakennettiin 1870-luvulla, apuna käytettiin 50 metriä pitkiä, 30 metriä leveitä ja neljä metriä korkeita puukasuuneja.

Kasuunit kuljetettiin vesitse ja upotettiin joen pohjaan niin, että sulkeutuivat tiiviisti.

Sitten vesi pumpattiin ulos, ja rakentajat poistivat pehmeät ainekset kovan kamaran päältä, ennen kuin muotit täytettiin betonilla.

VIDEO: Näin Brooklynin sillan perustukset tehtiin

Kun kantavat alusrakenteet ovat paikallaan, ylhäältä löytyy seuraava suuri haaste: tuuli.

Sen sai tuta vasta avattu Tacoma Narrowsin silta Yhdysvalloissa 7. marraskuuta 1940. Tuulen puhaltaessa 19 metriä sekunnissa siltakansi alkoi aaltoilla ja vääntyillä ikään kuin se olisi kumia. Katkettuaan silta sortui 59 metrin korkeudesta jokeen.

Tacoma Narrowsin silta ehti askarruttaa asiantuntijoita 50 vuotta, ennen kuin insinööri Robert Scanlan totesi vuonna 1990, että avainasemassa oli pyörteilevä ilma.

Kun tuuli osuu kappaleeseen, ilma voi lyhyesti sanottuna joko edetä tasaisesti ohi tai virrata turbulenttisesti pyörteillen.

Scanlan osoitti, että Tacoma Narrowsin silta romahti itsestään voimistuvan ilmiön takia: ilman pyörteet saivat sillan liikkumaan, liike loi entistä voimakkaampia pyörteitä jne. Scanlan käytti ilmiöstä nimitystä aeroelastinen lepatus.

VIDEO: Sillan heilunta ei yllättänyt rakentajia

Vaikka Yhdysvalloissa ei tunnettu 1940-luvulla ilmausta aeroelastinen lepatus, siellä alettiin suunnitella korvaavaa siltaa. Jotta lopputulos olisi toisella kertaa parempi, käyttöön otettiin uusi apuväline: tuulitunneli.

1 800 metrin pituisesta sillasta valmistettiin 30 metriä pitkä pienoismalli, jota testattiin tunnelissa jäljittelemällä puhaltimien avulla todellisia tuuliolosuhteita.

Tuulitunnelikokeet kannattivat. Vielä nykyäänkin autoilijat voivat ylittää Tacoman kapeikon vuonna 1950 avattua siltaa pitkin.

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

Riippusiltojen pisin keskijänne on jo lähes kaksi kilometriä. Tuulitunnelikokeet ovat yhä avainasemassa, mutta yhdellä ainoalla tekniikalla on mahdollista vakauttaa valtavat riippuvat rakennelmat niin, että ne kestävät kaikkea maanjäristyksistä hirmumyrskyihin.

Ennätyssilta rikkoo kaikki rajat

Awajin saaresta on matkaa Japanin pääsaareen 3 911 metriä, ja vuonna 1998 niiden välille valmistui Akashi-kaikyon silta. Millään muulla riippusillalla ei ole yhtä pitkää – 1 991 metrin – keskijännettä.

Rakenteeltaan Akashi-kaikyo muistuttaa Menain riippusiltaa, mutta siinä on myös ainutlaatuisia uusia piirteitä.

Sillan vaijerit koostuvat terässeoksesta, johon on lisätty piitä. Näin on saavutettu kymmenen prosenttia parempi vetolujuus verrattuna tavalliseen teräkseen. Kumpikin läpimitaltaan 112-senttinen riippuköysi on punottu 290 ohuemmasta köydestä. Akashi-kaikyon sillassa on kaikkiaan 300 000 kilometriä vaijeria, joka on vedetty paikalleen helikopterilla.

700 000 pulttia pitää Akashi-kaikyo sillan kannatinpylväitä koossa.

Riippuköydet on ripustettu kahteen kannatinpylvääseen, jotka kohoavat 282 metrin korkeuteen Akashinsalmen pinnasta. Näin ylhäällä tuulen nopeus voi olla yli 80 metriä sekunnissa.

Akashi-kaikyon sillan suunnittelijat ottivat oppia historiasta ja testasivat pienoismallia yhdessä maailman suurimmista tuulitunneleista. Ilmavirrassa esiintyi turbulenttista pyörteilyä, jota piti ehkäistä. Siksi insinöörit lisäsivät sillan kanteen pitkän levyn, joka hajottaa ympäröiviä ilmavirtauksia.

Rakenteen ansiosta Akashi-kaikyon sillassa ei ilmene tuhoisaa heilahtelua edes hirmumyrskyn aikana.

Akashi Kaikyo-bron

© Shutterstock

4 tekniikkaa loi Akashi-kaikyon

Akashi-kaikyon sillan rakennetta testattiin tuulitunnelissa. Soveltamalla kolmea muuta menetelmää sillasta saatiin niin luja, että se kestää maanjäristyksen, jonka voimakkuus on 8,5 Richterin asteikolla.

1: Kannattimet valettiin teräsmuotteihin

Sillan 282 metriä korkeat kannatinpylväät seisovat betoniperustuksilla, jotka valettiin pyöreisiin kasuuneihin – teräsmuotteihin, joiden läpimitta oli 80 ja syvyys 70 metriä. Muotit hinattiin paikalleen, upotettiin merenpohjaan ja täytettiin betonilla.

Betongfundament till Akashi Kaikyo-bron
© Getty Images

2: Tuulitunneli paljasti sillan puutteet

Sillasta tehtiin 40 metriä pitkä pienoismalli, jota testattiin maailman suurimpiin kuuluvassa tuulitunnelissa. Kokeiden jälkeen siltakannen alle lisättiin pystysuora levy, joka hajottaa tuulta niin, ettei tuhoisia pyörteitä muodostu.

3: Pii vahvistaa vaijereita

Tavallinen teräs kestää 160 kilon kuormitusta vastaavan vetävän voiman neliömillimetriä kohti. Kyse on vetolujuudesta. Lisäämällä terässeokseen piitä vaijereiden vetolujuus saatiin nousemaan 180:een.

Akashi Kaikyo-brons stålkablar
© Shutterstock

4: Heiluvat painot vakauttavat

Silta kestää 150 kilometrin säteellä tapahtuvan maanjäristyksen, jonka voimakkuus on 8,5 Richterin asteikolla, kannatinpylväisiin sijoitettujen 20 punnuksen ansiosta. Punnukset heiluvat vastakkaisesti sillan liikkeeseen nähden ja vaimentavat siten sen. Samaa heiluritekniikkaa sovelletaan pilvenpiirtäjissä.

Ennätystä ei ole rikottu yli 20 vuoteen, sillä yli kahden kilometrin keskijänne on vaikuttanut melkein saavuttamattomalta. Nyt se häämöttää. On nimittäin keksitty keino tehdä silloista yli kaksi kertaa niin pitkiä.

Norjalainen hirmusilta siintää

1900-luvulla rakennettiin jatkuvasti pitempiä riippusiltoja, joten on luontevaa kysyä, mikä on riippusillan suurin mahdollinen pituus.

Brittiläisen Warwickin yliopiston tutkijat ovat laskeneet, että riippusillan jänteen teoreettinen enimmäispituus on 5 000 metriä. Syynä on se, että riippuköysien omapaino kasvaa liian suureksi nykyään käytettävillä materiaaleilla.

2000-luvun alussa kiinalaisinsinööri T. Y. Lin ehdotti Gibraltarinsalmeen riippusiltaa, jonka keskijänne olisi juuri 5 000 metriä.

Norja saattaa kuitenkin ehtiä tekemään seuraavan ennätyksen, sillä siellä suunnitellaan Sognevuonoon riippusiltaa, jonka keskijänne on 3 700 metriä eli melkein kaksi kertaa niin pitkä kuin japanilaisen tilastokärjen.

Suunnittelun suurin haaste on se, että Sognevuono on syvimmillään 1 300 metriä syvä. Syvyyden takia kannatinpylväitä on vaikea rakentaa veteen.

Insinöörit pohtivat mahdollisuutta käyttää grafeenia, joka koostuu yhdestä kerroksesta toisiinsa sitoutuneita hiiliatomeja. Grafeeni voi parantaa betonin vetolujuutta radikaalisti ja siten mahdollistaa pitemmän keskijänteen.

Jos ajatus perinteisestä riippusillasta hylätään, norjalaisinsinööreillä on esittää sille vaihtoehto: vedenalainen riipputunneli. Piirustuslaudalla on betonitunneli, joka kelluu vedessä kiinnitettynä kellukkeisiin.

Menain riippusillasta alkaneen kehityksen aikana riippusiltojen keskijänteen pituus on yli kymmenkertaistunut, eikä loppua ole vielä näkyvissä. On kuitenkin mahdollista, että nyt salmia hallitseva perinteinen riippusilta menettää asemansa, kun uusia siltatyyppejä ilmaantuu – tai tiet sukeltavat veden alle.