Vaahto ja 3D-tulostus vahvistavat siltoja

Kun huonokuntoinen moottori­tiesilta romahti Genovassa Italiassa, 43 ihmistä sai surmansa. Korjausta kaipaavat sillat eivät lopu maailmasta, elleivät niiden suunnittelu ja materiaalit parane. Edistystä on jo tapahtunut.

Kun huonokuntoinen moottori­tiesilta romahti Genovassa Italiassa, 43 ihmistä sai surmansa. Korjausta kaipaavat sillat eivät lopu maailmasta, elleivät niiden suunnittelu ja materiaalit parane. Edistystä on jo tapahtunut.

Laura Lezza/Getty Images

Metrosilta romahti vilkkaalle kadulle

Tiistaina 4. toukokuuta 2021 katastrofi iski Méxicoon. Kun metrojuna oli vilkkaasti liikennöidyn kadun yli kulkevalla sillalla, silta romahti ja juna matkustajineen putosi alla olevien jalankulkijoiden ja autojen päälle. 24 ihmistä sai surmansa ja ainakin 77 loukkaantui.

Katastrofi on vain yksi monista viime aikoina sattuneista siltaonnettomuuksista:

  • Marraskuu 2019: Etelä-Ranskassa silta romahti jokeen, kaksi ihmistä kuoli.
  • Maaliskuu 2019: Jalankulkusilta Intian Mumbaissa romahti, kuusi ihmistä sai surmansa.
  • Syyskuu 2018: Intiassa Kolkatassa kaksi ihmistä kuoli, kun äskettäin korjattu silta romahti.

Yksi suurimmista siltaonnettomuuksista viime vuosina sattui Italiassa Genovassa 2018, kun moottoritiesilta romahti.

Tämä artikkeli kuvaa Genovan onnettomuutta ja insinöörien ehdotuksia siitä, miten tulevat siltaonnettomuudet voidaan välttää.

Silta, México

Metrosilta romahti vilkkaasti liikennöidylle kadulle Méxicossa.

© Jair Cabrera Torres/DPA/Ritzau Scanpix

Davide Capellon edessä ajanut valkoinen henkilöauto hävisi yhtäkkiä näkyvistä. Hän löi jarrun pohjaan mutta liian myöhään.

Tie petti auton alla, ja siinä samassa alkoi vapaa putoaminen. Nähdessään ympärillään betonipölyä ja -murikoita Capello tajusi loppunsa tulevan ja ajatteli: ”Sono morto!” (Olen kuollut.)

Entinen ammattilaisjalkapalloilija ja nykyinen palomies oli kuitenkin yksi niistä harvoista, jotka selvisivät 45 metrin syöksystä hengissä, kun Morandi-silta yllättäen romahti. 43 muuta henkilöä ei ollut yhtä onnekkaita.

Italiassa Genovan satamakaupungissa 14. elokuuta 2018 tapahtunut onnettomuus oli Euroopan pahin 18 vuoteen.

Sortumisen jäljet on pitkälti siivottu pois, ja korvaava silta on jo suunnitteilla. Lisäksi onnettomuuden syytä tutkitaan ja syyllisiä yritetään saattaa vastuuseen.

Italia ei paini yksin ongelman kimpussa. Vanhoja siltoja, jotka ovat päässeet huonoon kuntoon etenkin korjausvelan vuoksi, on maailmassa paljon. Esimerkiksi Yhdysvalloissa on 56 000 ”rakenteiltaan puutteelliseksi” todettua siltaa ja Ranskassa 841:tä siltaa pidetään virallisesti riskialttiina.

Insinöörit ovat esittäneet ratkaisuksi muun muassa olemassa olevien siltojen vahvistamista ja varustamista hälytysjärjestelmillä ja uusien siltojen rakentamista kevyemmistä ja kestävämmistä aineista.

Kansi vain yhden köyden varassa

Siltojen suunnittelijat voivat valita usean eri tyyppivaihtoehdon välillä etsiessään kohteeseen parhaiten sopivaa rakennetta.

Osa niistä on yksinkertaisia ja käyttökelpoisia vain alle 20-metrisinä niin sanottuina laattasiltoina. Joissakin jänneväli – toisin sanoen kantavan rakenteen tukien välinen aukko – on jopa kaksi kilometriä.

Ne ovat tyypiltään joko riippusiltoja, joiden kannen ripustimet on kiinnitetty siltaa kannattavien tornien, pylonien, välisiin pitkiin kannatinvaijereihin, tai vinoköysisiltoja, joiden kansi on ripustettu vinoilla vaijereilla tai tangoilla siltaa kannattavaan pyloniin.

Morandi-silta oli vinoköysisilta, mutta se ei ollut tyypin malliesimerkki. Yleensä pylonista kanteen lähteviä vinoja vaijereita on runsaasti, mutta Morandi-sillassa lukuisat erilliset vaijerit oli koottu yhdeksi paksuksi ripustimeksi.

Ratkaisu teki sillasta näyttävän, mutta siinä piili ongelma, jota insinöörit kutsuvat redundanssin puutteeksi.

Kyse on luotettavuutta ja toimintavarmuutta lisäävästä toistosta eli kahdentamisesta: kun osia on kaksi, toisen rikkoontuessa toinen on vielä ehjä. Jännevälin ainoan ripustimen katketessahan kansi tuskin kestää.

Todennäköisesti Morandi-sillan romahtamiseen johti nimenomaan ripustimen pettäminen. Jos ripustimia olisi ollut viuhkamaisesti monta, yksi olisi voinut varmastikin katketa ilman katastrofaalisia seurauksia.

Lisäksi Morandi-sillan ripustimet oli valettu betoniin. Kuori suojasi terästä ruostumiselta niin kauan kuin se oli ehjä, mutta se myös hankaloitti sillan kuntotarkastuksia. Sen takia kohtalokasta vikaa ei havaittu.

Silta rasittuu jatkuvasti omasta painostaan ja pysyy pystyssä vain vedon, työnnön, väännön ja puristuksen herkän tasapainon ansiosta.

© Claus Lunau

Veto

Riippu- ja vinoköysisiltojen kansi on ripustettu pyloneiksi kutsutuista torneista lähteviin köysiin. Näihin kohdistuu kova köydenvetoa muistuttava venytys, jota teräs kestää erityisen hyvin.

© Claus Lunau

Puristus

Paino painaa jatkuvasti siltaa alaspäin. Se puristaa kantavia rakenteita – pyloneja ja kannen kannatinpylväitä. Betonille on ominaista hyvä puristuslujuus.

© Claus Lunau

Liikkuminen

Työntävät ja vetävät voimat vaikuttavat esimerkiksi sillan kanteen. Maanjäristyksille herkillä alueilla silta pitää suojata siirtymistä vastaan muun muassa kestävillä ja joustavilla perustuksilla.

© Claus Lunau

Vääntö

Voimakas sivutuuli vääntää riippusillan kantta. Pahimmassa tapauksessa seurauksena on romahtaminen. Riski minimoidaan kantta alta jäykistävällä ja tukevalla kannatinristikolla.

Suunnittelija ei taitanut ennustaa

Toinen Morandi-sillan ongelma oli sen heiveröisyys.

Virallisissa asiapapereissa nimellä Polceveran maasilta kulkevan sillan suunnitellut italialaisinsinööri Riccardo Morandi oli päätynyt juuri siihen materiaalimäärään, joka riitti takaamaan, että silta ei luhistunut omasta painostaan ja kesti tuulen ja liikenteen rasitukset.

Nykyään sillat suunnitellaan aina 5–20 prosenttia riittäväksi arvioitua kantavuutta vahvemmiksi. Tämä mahdollistaa vikojen etsimisen ja korjaamisen hyvissä ajoin sekä rakenteiden vahvistamisen tarpeen mukaan, sillä muutokset voivat lisätä painoa.

Morandi-sillan onnettomuudessa murtunutta pylonia oli vahvistettu teräksellä 1990-luvulla, eikä ole voitu sulkea pois sitä mahdollisuutta, että lisäpainolla oli jokin osuus sortumisessa.

Nykyään myös ennakoidaan kuormituksessa tulevaisuudessa tapahtuvia muutoksia. 1960-luvulla suunnittelijat eivät yleensä ottaneet asiaa huomioon, vaikka liikennemäärät olivat rajussa kasvussa.

Esimerkiksi Yhdysvalloissa kuorma-autokanta on kasvanut 40 vuodessa 250 prosenttia – ja raskaasta liikenteestä on tullut aina vain raskaampaa. Siksi sillat kuluvat nopeammin kuin niiden on laskettu kuluvan.

Morandi tiedosti uhkat. Jo vuonna 1979, kun Polceveran maasillan avaamisesta oli kulunut 12 vuotta, hän varoitti Välimereltä tuulen mukana kantautuvan suolan ja metalliteollisuuden ilmansaasteiden aiheuttamasta korroosiosta. Betoni- ja teräsrakenteet olivat siis vaarassa heikentyä nopeasti.

Betonin syöpä tuhoaa rakenteen

Kuva Morandi-sillan romahtamisesta alkaa olla melko tarkka.

Ketjureaktio sai alkunsa ilmeisesti siitä, että yksi niistä neljästä ripustimesta, jotka kiinnittyivät sillan länsipyloniin, murtui.

Siitä seurasi kannen vastakkaisella puolella sijaitsevan ripustimen ylikuormittuminen ja katkeaminen.

Kaksi ripustinta menetettyään kansi putosi, ja pylonia ja siltapilaria rasittivat enää vain toisen puolen ripustimet.

Tilanne johti pylonin vääntymiseen ja ripustimien höltymiseen. Siksi kansi irtosi myös toisella puolella.

Rajut voimat riepottelivat pylonia niin paljon, että se tapahtumasarjan lopuksi sortui.

Mitä raskaammat ajoneuvotkäyttävät siltaa, sitä enemmän se kuluu. Laservalo, joka osuu peileihin maalla ja sillalla, auttaa selvittämään, kuinka silta reagoi siihen kohdistuviin rasituksiin.

© Claus Lunau

  1. Laservalo osuu puoliläpäisevään peiliin, joka lähettää puolet siitä sillalla olevaan peiliin ja puolet maalla sijaitsevaan peiliin.
© Claus Lunau

  1. Etäisyys sillan peiliin muuttuu kuormitustilanteessa. Välimatka maalla olevaan peiliin pysyy sen sijaan samana.
© Claus Lunau

  1. Kumpikin säde heijastuu takaisin, ja ilmaisin ottaa ne vastaan. Kulkuajan erot ilmentävät siltaan kohdistuvaa kuormitusta.

Saadakseen selville romahtamisen perimmäisen syyn onnettomuustutkijat lähettivät sillan kappaleita Sveitsin kansalliseen materiaalien testaus- ja analysointilaitoksen Empaan.

Joulukuussa 2018 julkistettujen alustavien tutkimustulosten mukaan sortuneen pylonin ripustimet olivat menettäneet korroosion takia merkittävästi vahvuuttaan.

Metallin syöpymisen olivat ilmeisesti mahdollistaneet betonin halkeamat, joita sillan rakennusaikaan 1960-luvulla pidettiin lähinnä teoreettisena ongelmana. Silloin vallalla olleen käsityksen mukaan betoni on käytännössä ikuista, sillä materiaaliteknisestä näkökulmasta tarkasteltuna betonin sisällä ei esiinny hajottavia prosesseja.

Todellisuudessa tilanne on toinen, ja monissa betonirakenteissa hajoaminen etenee niin ripeästi, että puhutaan syövästä.

Syövälle alttiiksi on osoittautunut raudoitettu betoni. Raudoituksella tarkoitetaan betonista valmistettavan rakenteen tai elementin vahvistamista yleensä terästangoilla tai -verkolla.

Morandi-sillassa ripustimen teräsvaijerit oli valettu betoniin. Raudan ruostumisena tunnettu teräksen korroosio johtaa kappaleen tilavuuden kasvuun.

Kun raudoitus laajenee, sitä ympäröivä betoni halkeilee. Sen lisäksi, että betoni heikkenee, sen sisään pääsee helpommin vettä ja ilmaa.

Ruostetta taas muodostuu raudan hapettuessa veden ja hapen vaikutuksesta, joten lopputuloksena on itsestään jatkuva ja vaikeutuva tila.

Betonin syöpää voidaan ehkäistä säännöllisellä huollolla ja pintavau­rioiden pikaisella korjaamisella. Laiminlyönnit kostautuvat vähintäänkin vaikeina kunnostuksina ja suurina korjauskuluina.

Välimeren suola vaikutti osaltaan siihen, että genovalainen Morandi-silta haurastui odotettua nopeammin.

© Stefano Rellandini/Reuters/Ritzau Scanpix

Hiilikuitu voi pidentää vaijereita

Romahtanut Morandi-silta jätti jälkeensä ammottavan aukon. Riippumatta siitä, millaista siltaa pitkin moottoritie A10 tulevaisuudessa kulkee Polceveran laaksossa, voidaan olla varmoja, että tieosuus on entistä turvallisempi.

Suunnittelijat ovat ottaneet historiasta opikseen, ja rakentajille on tarjolla parempia materiaaleja.

Niihin kuuluu hiilikuitu, joka on tunnettu jo kauan mutta joka on vasta nyt toden teolla löytämässä tiensä sillanrakennukseen. Hiilikuidun ilmeisiä käyttökohteita ovat esimerkiksi ne vinoköysisiltojen vaijerit tai tangot, joilla kansi on ripustettu pyloneihin.

Vaijerin enimmäispituus määräytyy sen vetomurtolujuuden ja painon mukaan. Terästä käytettäessä pituus on enintään viisi kilometriä. Jos teräsvaijeri on pitempi, se ei kestä enää omaa painoaan.

Koska hiilikuitu tai hiili- ja tekokuitujen yhdistelmä painaa paljon vähemmän kuin teräs mutta melkein vastaa sitä lujuudeltaan, hiilikuitu(komposiitti)vaijerit voivat olla jopa kymmenen kilometrin pituisia. Plussaa on myös hyvä säänkestävyys.

Hiilikuitua käytettiin ensimmäisen kerran laajassa mitassa vuonna 2012 Kiinassa avatussa Aizhai-sillassa.

Perinteinen betoni on käynyt läpi monta kehitysvaihetta Morandi-sillan rakentamisen jälkeen. Muun muassa hienontamalla raaka-aineet jauheeksi ja lisäämällä tekokuituja tai terästä betonista saadaan lujempaa ja joustavampaa.

Betonista osataan tehdä myös kemiallisesti kestävämpää ja vesitiiviimpää. Kaiken kaikkiaan kyse on ominaisuuksista, jotka pidentävät betonin käyttöikää siltarakenteissa.

Uudet ultralujat betonit ovat kalliita, mutta niiden avulla voidaan paitsi keventää ja pienentää rakenteita myös säästää materiaalia ja energiaa. Se taas on hyvä asia ympäristön kannalta.

Pohjois-Amerikassa ultralujaa betonia on käytetty vuodesta 2006, jolloin siitä rakennettiin Mars Hillin silta USA:n Iowaan. Käyttö on yleistynyt kovaa vauhtia, ja pelkästään vuonna 2016 Pohjois-Amerikkaan rakennettiin ultralujasta betonista 34 siltaa.

Uudet materiaalit ovat mullistaneet myös muotoilun. Hyvä esimerkki tästä on arkkitehti Margot Krasojevicin kilpailutyö vuodelta 2017. Hän suunnitteli Mongoliaan kolmikantisen nostosillan, joka voidaan uittaa mihin tahansa paikkaan.

On myös luotu siltoja, jotka tuottavat tuulisähköä.

Alankomaalainen yritys on valmistanut 3D-tulostuksella jalankulkusillan, joka sijoitetaan kanavan ylle Amsterdamissa.

© Thijs Wolzak/MX3D

Silta tulostetaan rakennuspaikalla

3D-tulostimet voivat nykyään tehdä mittavia rakennusalan töitä. Vuonna 2018 alankomaalainen MX3D-yritys onnistui valmistamaan kokonaisen terässillan neljällä 3D-tulostusrobotilla. Teollisuushallissa tulostettu yli 12 metriä pitkä silta suunniteltiin ylittämään kanava Amsterdamissa. Tulevaisuudessa samalla tekniikalla on mahdollista valmistaa isompia siltoja useista eri materiaaleista tai erilaisista rakennuselementeistä. Robotit sopivat myös paikallarakentamiseen ja valmisosien tuotantoon.

Genova saa uuden nähtävyyden

Välttääkseen sen, että siltaa ei voida käyttää suunniteltua aikaa, insinöörit turvautuvat tietokoneohjelmiin. Ne ennustavat sillan tulevaisuuden rakennusvaiheesta purkamiseen 75–100 vuoden kuluttua.

Elinkaarikustannuksina (Life Cycle Costs, LCC) ja elinkaariarviointina (Life Cycle Assessment, LCA) tunnetut ohjelmat laskevat rakennuskulujen lisäksi ylläpitokustannukset, joten sillan hinta ja ympäristövaikutukset selvitetään koko sen olemassaolon ajalta.

Sillan rakentaminen aiheuttaa esimerkiksi hiilidioksidipäästöjä muun muassa betonin valmistuksen ja materiaalien kuljetusten aikana ja muuttaa paikallisesti ekosysteemiä.

Kuuluisan genovalaisarkkitehdin Renzo Pianon suunnittelema uusi Polceveran silta valmistuu vuoden 2019 lopulla.

Siihen tulee 43 korkeaa valaisinta Morandi-sillan vaatimien kuolonuhrien muistoksi.

Historiasta on otettu oppia

Siltaonnettomuuden syy pyritään yleensä selvittämään. Joissakin tapauksissa tutkinnan tulokset ovat vaikuttaneet merkittävästi sillanrakennuksen teoriaan ja käytäntöön.