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.

Laura Lezza/Getty Images

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.

Seurantajärjestelmä paljastaa piiloviat

Tulevaisuuden sillat voidaan varustaa valvonta- ja turvatekniikalla, joka etsii vaikkapa roboteilla ja skannereilla vaaratekijöitä ja antaa tarvittaessa hälytyksen. Tieto auttaa ajoittamaan siltojen korjaukset oikein.

Claus Lunau

Robotti kurkottaa sillan alle

Ranskassa suunnitellulla pitkällä, taipuisalla konekäsivarrella, joka on varustettu antureilla, voidaan tutkia päällysrakenteita alta ja sivulta. Kun tietoja verrataan sillan 3D-malliin, korjaustarve selviää.

Claus Lunau

Nanoputkikalvo reagoi minimaalisiin säröihin

Liimaamalla siltaan muotoutuva nanoputkikalvo ja johtamalla sen läpi heikko sähkövirta voidaan paljastaa hyvin pieniä halkeamia.

Claus Lunau

Nanoputkien sähköinen vastus muuttuu sitä mukaa kuin ne venyvät. Kun kalvon alle ilmestyy särö, se ei leviä tasaisesti koko alalle. Tietokone analysoi sähköisen vastuksen muutoksen ja määrittää sitä koskevan tiedon pohjalta halkeaman sijainnin ja koon.

Claus Lunau

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 taistelee itseään vastaan

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

Veto

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

Puristus

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

Liikkuminen

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

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.

Rakennevirheet ovat aikapommeja

Morandi-silta Genovassa oli suunniteltu huonosti kahdelta osin. Siinä käytettiin paksuja ripustimia erillisten vaijereiden sijasta. Ripustimen pettäminen tarkoitti romahdusriskiä. Lisäksi ripustimet oli valettu betoniin, mikä vaikeutti kunnon tarkastamista. Venezuelassa ja Libyassa on samankaltaiset sillat.

Shutterstock

Teräs ja betoni eivät kestä ikuisesti

Vesi ja tuuli ovat rakenteita heikentäviä tekijöitä. Ympäristön vaikutuksesta tapahtuva materiaalin laadun muuttuminen eli korroosio koskee myös terästä. Teräs ruostuu vedessä ja kosteassa ilmassa. Betonin kesto riippuu mm. kulutuksesta. Säännöllisellä rakenteiden huollolla käyttöikää voidaan pidentää.

Shutterstock

Luonto yllättää, ja ihmiset tunaroivat

Luonnonvoimat on tarkasti tasapainotettu rakenteissa, joten odottamaton rasitus voi olla sillalle liikaa. Esim. laivan törmääminen alusrakenteisiin, tulipalo ja maanjäristys saattavat heikentää siltaa kohtalokkaasti. Tsunami hajotti sillan vuonna 2018 Indonesialle kuuluvassa Sulawesissa.

Hariandi Hafid/SOPA Images/LightRocket/Getty Images

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.

Laser mittaa sillan kuormituksen

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

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

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

  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.

Teräs ja betoni säänkestävään kuoreen

Luja kevyt rakennusaine, joka kestää hyvin sään vaihteluja, voi kuulostaa liian hyvältä ollakseen totta. Sellainen on kuitenkin jo olemassa: komposiittipalkki, jossa yhdistyvät teräs, betoni ja lasikuitu.

Claus Lunau

  1. Ulkokuori on vääntövakaa ja säänkestävä lasikuitulaatikko, joka antaa suojaa korroosiota ja kulumista vastaan.
Claus Lunau

  1. Erikoisbetoninen kaari antaa palkille yhtä hyvän puristuslujuuden kuin vastaavalla tavallisella betonielementillä.
Claus Lunau

  1. Raudoituksen terästangot takaavat komposiittipalkille teräspalkkia vastaavan vetomurtolujuuden.
Claus Lunau

  1. Laatikon täyttää kovettunut vaahto. Palkki on 90 % kevyempi kuin teräs- ja 66 % kevyempi kuin betonipalkki.
Claus Lunau

  1. Betoniin valetut teräskiinnikkeet pilkistävät laatikosta ja liittävät komposiittipalkin toisiin elementteihin.
Claus Lunau

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.

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.

  • Ensimmäinen Tacoman silta johti tuulitunnelikokeisiin

    Vuonna 1940 voimakas sivutuuli sai USA:ssa Tacoman sillan kannen huojumaan ja sen kiinnityksen pettämään. Sen jälkeen siltamalleja alettiin testata tuulitunnelissa.

  • Silver-sillan romahdus toi 10-portaisen kuntoasteikon

    USA:ssa Ohiojoen ylittävä Silver-silta romahti vuonna 1967. Onnettomuus, joka vaati 46 kuolonuhria, johtui jännityskorroosiosta. Siltojen kuntoluokitusta normitettiin.

  • Seongsu-sillan katkeaminen aloitti röntgenkuvaukset

    Etelä-Koreassa Hanjoen ylittävä Seongsu-silta romahti osittain. 32 ihmisen hengen vaatinut onnettomuus johtui hitsausvirheistä. Saumoja alettiin tarkastaa röntgenillä.

Sivutuuli sai yhdysvaltalaisen Tacoma Narrows -sillan huojumaan, ja vain neljä kuukautta valmistumisensa jälkeen vuonna 1940 silta sortui. Nykyään riippusiltojen kansi varustetaan kantta alta jäykistävällä kannatinristikolla, joka estää kantta vääntymästä.

Lue myös:

Galileo-satelliitti
Teknologia

Euroopan GPS-toivo kärsii viallisista kelloista

1 minuuttia
Energia

Sähkö lentää langattomasti

0 minuuttia
Sotatekniikka

Näin yökiikari toimii

0 minuuttia

Kirjaudu sisään

Virhe: Tarkista sähköpostiosoite
Salasana vaaditaan
NäytäPiilota

Oletko jo tilaaja? Oletko jo lehden tilaaja? Napsauta tästä

Uusi käyttäjä? Näin saat käyttöoikeuden!