Svävande stål binder samman världen

Den 5 december 1785 är en färja på väg från Wales till ön Anglesey när kraftiga strömmar tvingar den på grund.

Passagerarna lämnar båten, men tidvattnet är på väg in över sandbanken där de söker skydd och mörkret faller.

Andra båtar hör visserligen de 55 strandsatta personernas rop på hjälp, men tidvattnet kommer för snabbt och med alltför stor kraft för att en räddningsinsats ska kunna genomföras.

Bara en person överlever.

Den katastrofala förlisningen år 1785 var bara en av hundratals som inträffat i Menaisundet. Alltfler människor korsade det farliga sundet, som började bli en viktig farled till och från Irland, som anslöt sig till den brittiska unionen år 1800. Någonting måste göras.

År 1815 fattades ett beslut: En bro skulle byggas.

Avståndet var dock alltför långt för en traditionell stenbro.

Man behövde tänka nytt, och det ledde fram till vad som skulle bli receptet på den moderna hängbron.

I dag är hängbron Akashi Kaikyo med sitt mittspann på 1 991 meter det främsta exemplet på världens hängbroar.

Innan ingenjörerna kunde ta sig från Menaibron till den japanska rekordhållaren skulle de emellertid komma att göra många bittra erfarenheter av naturens krafter.

Akashi Kaikyo hade kanske aldrig blivit byggd om inte en berömd amerikansk bro hade rasat år 1940.

Hängbron föds

Hängbron har anor från antiken, då broar vanligen tillverkades av rep och trä. Brädor vilade på rep, som spändes ut över ett vattendrag och fästes i klippor eller träd på vardera sidan.

Repen begränsade hur långa broarna kunde bli och vilken vikt de tålde. Om de behövde kunna bära vagnar eller korsa större floder måste de i stället byggas av sten.

Bågbroar av sten tål höga tryck, men de är extremt tunga och svåra att konstruera så att de möjliggör fri passage för fartyg.

Hängbron är väl lämpad för långa avstånd.

Den moderna hängbron kan spåras tillbaka till år 1826, då Menaibron mellan Wales och ön Anglesey stod klar.

Sundet var olycksdrabbat, men framför allt förlisningen år 1785, med 54 dödsoffer, etsade sig fast i människors minne.

År 1815 anlitades civilingenjören Thomas Telford för att konstruera en bro, och för att segelfartyg skulle kunna passera under bron måste brobanan ligga högt ovanför vattnet.

Lösningen blev en hängbro, som sedan dess har varit en förebild för dagens stora varianter.

För att få rätt höjd byggde Telford två pyloner en bit ut i sundet och spände kraftiga kablar mellan dem.

Kablarna försågs därefter med lodräta kedjor av olika längd, så att brobanan var vågrät, oavsett avståndet till de bärande kablarna.

Konstruktionen låter kanske självklar, eftersom den återfinns på allt från kända hängbroar som Golden Gate till Öresundsbron. Före Menaibron var dock vågräta brobanor på hängbroar svåra att konstruera, eftersom brobanan vanligen vilade på antingen de bärande kablarna eller på kedjor.

Med Menaibron knäckte ingenjörerna koden till den mest robusta uppbyggnaden av en lång hängbro.

Telfords utformning tog emellertid inte tillräcklig höjd för hängbrons värsta motståndare: vinden.

Över hundra år efter Menaibrons invigning orsakade hårda vindar historiens kanske mest kända broras: Tacoma Narrows.

Vindtunlar förhindrar olyckor

Arbetet med en modern hängbro börjar djupt nere i vattnet, där pylonernas fundament byggs. Där väntar ofta mjuka, sandiga flod- och havsbottnar, där ingenjörerna inte kan gjuta sin betong hur som helst.

Därför har man utvecklat ihåliga formar som seglas ut på vattnet, sänks ner till bottnen och töms på vatten. Dessa formar kallas kassuner.

När Brooklyn Bridge, en av världens mest kända hängbroar, byggdes på 1870-talet gjordes det till exempel med hjälp av 50 meter långa, 30 meter breda och 4 meter höga kassuner av trä.

Kassunerna seglades ut på floden och tyngdes ner på bottnen, så att de slöt tätt.

Sedan pumpades vattnet ut, varefter arbetare kröp in och grävde i den mjuka flodbottnen tills de kom till ett hårdare underlag. Därefter fylldes formarna med cement.

VIDEO: Se fundamenten till Brooklyn Bridge bli till

När fundamentet är på plats finns den största utmaningen ovanför vattnet, i form av vinden.

Det fick den nyinvigda bron Tacoma Narrows i USA känna på den 7 november 1940. En vindstyrka på 19 meter per sekund fick brobanan att pendla och vrida sig som om den varit gjord av gummi, tills den bröts sönder och föll ner i floden, 59 meter nedanför.

Tacoma Narrows-raset satte myror i huvudet på experterna i 50 år, men 1990 kom ingenjören Robert Scanlan fram till att virvlar i luften varit den avgörande faktorn.

När vinden möter ett föremål tar den kortfattat antingen sig runt föremålet eller ger upphov till turbulenta virvlar.

Scanlan visade att Tacoma Narrows-bron rasade på grund av ett självförstärkande fenomen där luftvirvlar satte bron i rörelse och där rörelsen i sin tur gav upphov till kraftigare virvlar och så vidare. Han kallade fenomenet aeroelastiskt fladder.

VIDEO: Arbetare förutsåg problemet

På 1940-talet hade ingen hört talas om aeroelastiskt fladder, men man bestämde sig snart för att bygga en ny bro, som skulle ersätta den som kollapsat. För att fadäsen inte skulle upprepas använde man sig emellertid av en ny teknik: vindtunnlar.

Ingenjörerna byggde en 30 meter lång modell av den nya bron, som i verkligheten skulle bli 1 800 meter lång, och placerade den i en tunnel, där fläktar efterliknade naturens krafter.

Vindtunneltesterna fungerade uppenbarligen, för än i dag kör bilar över den justerade Tacoma Narrows-bron, som invigdes år 1950.

I dag närmar sig de längsta hängbroarna mittspann på 2 000 meter. Vindtunneltester används fortfarande, men de är bara en av många tekniker som behövs för att stabilisera dessa enorma, hängande byggnadsverk och skydda dem mot allt från jordskalv till tyfoner.

Rekordbro slår alla rekord

Mellan det japanska fastlandet och ön Awaji är det 3 911 meter. År 1998 invigdes hängbron Akashi Kaikyo, som spänner över detta långa avstånd. Bron har det längsta mittspannet av alla hängbroar i världen: 1 991 meter.

Grundprinciperna för bron är praktiskt taget de samma som för Menaibron, men man har lagt till en rad innovationer.

Brons kablar är tillverkade av en legering av stål och kisel, som förbättrar dragstyrkan med tio procent jämfört med kablar av vanligt stål. För att skapa brons två bärande kablar, som var och en har en diameter på 112 centimeter, har 290 tunnare kablar flätats samman. Totalt består Akashi Kaikyo-bron av närmare 300 000 kilometer vajer, som drogs på plats med helikopter.

Kablarna vilar på två pyloner, som reser sig 282 meter ovanför Akashisundet. På den höjden kan vindhastigheten överstiga 80 meter per sekund.

Ingenjörerna bakom Akashi Kaikyo, som har dragit lärdom av historien, testade en modell av den planerade bron i en av världens största vindtunnlar. Vinden gav upphov till turbulenta virvlar runt bron, som måste motverkas. Därför installerade ingenjörerna en lång skiva som går längs brobanan och bryter vindens rörelser runt den.

På så vis kan Akashi Kaikyo-bron stå emot tyfoner utan att råka ut för katastrofala svängningar.

Rekordet har stått sig i över två årtionden, eftersom ett 2 000 meter långt mittspann har visat sig vara en omöjlig gräns att överskrida – tills nu. Ingenjörerna står nämligen beredda med en ny metod som kan göra broarna mer än dubbelt så långa.

Norsk superbro på gång

Under 1900-talet har hängbroarna blivit allt längre, så den naturliga frågan är: Hur långa kan de bli?

Ingenjörer vid University of Warwick i England har räknat ut att en hängbro i teorin maximalt kan ha ett spann på 5 000 meter. Det beror på att de bärande kablarnas vikt – med dagens material – annars blir för hög.

I början av 00-talet föreslog den kinesiske ingenjören T. Y. Lin en hängbro över Gibraltar sund med ett spann på just 5 000 meter.

Nu funderar norska ingenjörer på att förekomma T. Y. Lin och bygga en hängbro över Sognefjorden med ett spann på 3 700 meter, nästan dubbelt så lång som den nuvarande japanska rekordbron.

Ingenjörernas största utmaning är att Sognefjorden är 1 300 meter på sin djupaste plats, vilket gör det svårt att bygga pyloner ute i vattnet.

Därför överväger ingenjörerna att använda materialet grafen, strukturer av kolatomer som är endast en atom tjocka. Grafen kan öka dragstyrkan i betong dramatiskt och på så vis möjliggöra längre mittspann.

Om de norska ingenjörerna bestämmer sig för att släppa tanken på att bygga en klassisk hängbro så har de en annan idé: en hängbro under vattnet, eller rättare sagt en hängtunnel. På ritbordet ligger nämligen en betongtunnel fäst i pontoner som flyter i vattnet.

Sedan Menaibron invigdes har längden på hängbroarnas mittspann mer än tiodubblats, men ingenjörerna är långt ifrån färdiga med att förlänga broarna. Frågan är bara om den klassiska hängbron fortfarande kommer att dominera sunden, om helt nya typer av broar kommer att dyka upp – eller om broarna rentav kommer att dyka ner i vattnet.