Skum och 3D-utskrifter skyddar ­broar från kollaps

43 personer miste livet när en motorvägsbro i Genua kollapsade. Bron var i dåligt skick, vilket inte är helt ovanligt. Nu använder ­ingenjörerna avancerade nya ­material som ska göra framtidens broar lätta, starka och tåliga.

Laura Lezza/Getty Images

Den vita personbilen strax framför Davide Capello försvinner oväntat ur hans synfält. Han trampar på bromspedalen, men det är för sent.

Brobanan ger vika under hans fordon och sekunden efter befinner han sig i fritt fall. ”Io sono morta” – jag är död – utbrister han medan hans synfält fylls av spillror och betongdamm.

Det tidigare fotbollsproffset, som numera är brandman, är en av få personer som överlever det 45 meter höga fallet när Morandibron plötsligt kollapsar. 43 andra har inte samma tur.

Katastrofen i den italienska hamnstaden Genua den 14 augusti 2018 är en av de värsta broolyckorna i historien och den dödligaste i Europa på 18 år.

De flesta spår av den raserade bron har nu avlägsnats och dess ersättare ligger på ritbordet. Under tiden utreds orsaken till katastrofen och vem som är ansvarig för den.

Italien är dock långt ifrån ensamt om att dras med gamla broar i dåligt skick och underhållsprogram som inte genomförs på grund av bristande medel. I USA har 56 000 broar dömts ut som ”strukturellt bristfälliga”, medan den franska vägmyndig­heten oroar sig för 841 av landets broar.

Ingenjörerna är dock i full färd med att lösa problemet. Existerande broar ska förstärkas och förses med larmsystem, medan framtida broar kan konstrueras så att de blir både lättare och starkare.

Nya larmsystem avslöjar dolda fel

Framtidens broar kommer att förses med övervaknings­utrustning och larmsystem i form av robotar och känsliga lasrar som varnar för ­sprickor och vibrationer. Det gör att bron antingen kan ­repareras eller stängas i tid.

Claus Lunau

Långarmad robot kikar in under bron

En nyutvecklad fransk robot har en lång, böjlig arm med ­sensorer som förs in under bron och längs yttersidorna. Genom att jämföra robotens data med en 3D-modell av bron kan ­behovet av reparationer bedömas.

Claus Lunau

Film av nanorör visar minimala sprickor

Genom att klistra en formbar film av nanorör på bron och skicka en svag ström genom densamma kan ingenjörerna avslöja mycket små sprickor.

Claus Lunau

Nanorörens elektriska motstånd förändras ­beroende på hur mycket de sträcks ut. Om det uppstår en spricka under ­filmen är den inte längre helt utspänd. En dator analyserar förändringen i det elektriska motståndet och fastslår sprickans placering och storlek.

Claus Lunau

Bron hängde i bara en kabel

Ingenjörerna kan välja mellan flera typer av konstruktioner när de planerar en ny bro.

Vissa är väldigt enkla och lämpar sig endast för små, under 20 meter långa konstruktioner, exempelvis så kallade plattbroar. Andra har fria spann (det längsta avståndet mellan stödpunkterna) på uppemot två kilometer.

Dessa broar är antingen hängbroar, där det hänger en kilometerlång kabel mellan pelarna (pylonerna) från vilka det går kablar ner till brobanan, eller snedkabel­broar där kablarna som bär upp brobanan dras från pylonerna.

Morandibron var en snedkabelbro, men med några viktiga undantag. Normalt dras ett stort antal stålkablar mellan pylonerna och brobanan, men på Morandibron hade de många mindre kablarna samlats ihop.

Det gav bron ett elegant utseende, men medförde samtidigt det problem som ingenjörerna kallar brist på redundans – det vill säga att en konstruktion inte tål minsta skada – eftersom det inte finns mer än ett bärande element som håller uppe övriga delar av bron.

Om det elementet går sönder riskerar följaktligen hela bron att rasa.

Det var troligen exakt vad som hände när en av Morandibrons speciella snedkablar brast. På en traditionell sned­kabelbro hade ett brott på en av de många stöttorna inte medfört någon överhängande fara.

Dessutom var Morandibrons snedkablar inkapslade i betong, vilket skyddade stålet från korrosion så länge betongen var intakt. Det förhindrade samtidigt inspektion och troligtvis ledde detta till att ett allvarligt fel aldrig upptäcktes.

Bron utkämpar en dragkamp

En bro tyngs hela tiden ner av sin egen vikt. Den håller sig upprätt genom en noggrann avvägning mellan dragkrafter, tryck, vridmoment och förskjutningar.

Dragkrafter

På hängbroar och snedkabelbroar hänger brobanan i kablar från höga pelare, så kallade pyloner. Kablarna utsätts för starka dragkrafter, ungefär som ett rep i en dragkamp. Stål är särskilt bra på att klara av dragkrafter.

Tryck

Brons vikt trycker hela tiden nedåt. Den komprimerar de ­bärande elementen, ­pylonerna och ­bropelarna, som håller upp brobanan. Betong är ­särskilt väl ­lämpat för att motstå tryck.

Förskjutning

Motriktade krafter drar i exempelvis ­brobanans ändar. Framför allt i jordskalvsområden måste broar säkras mot ­förskjutningar genom att ­exempelvis göra kopplingen till fast mark extra flexibel.

Vridmoment

När en hängbro ­utsätts för kraftiga sidvindar vrids brobanan, vilket i extrema fall kan leda till kollaps. Därför ­stabiliseras brobanans ­undersida med ett ­flätverk av bjälkar.

Trafiken lurade brobyggarna

Ett annat problem med Morandibron var att konstruktionen var alltför bräcklig.

Ingenjören och arkitekten Riccardo Morandi, som ritade bron och fick den uppkallad efter sig, använde bara precis så mycket material att bron klarade av att bära sin egen vikt samt kunde hantera belastningar från vind och trafik.

I dag byggs broar alltid så att de är fem, tio eller 20 procent starkare än vad de egentligen behöver vara. Det gör det möjligt att upptäcka och reparera skador innan det går snett. Det tillåter också att senare reparationer gör konstruktionen tyngre.

Pylonen som brast vid Morandibrons kollaps förstärktes med stål på 1990-talet, och det går inte att utesluta att den extra vikten hade inverkan på det som skulle hända.

Dagens ingenjörer är också uppmärksamma på att de måste ta med framtida belastningar i beräkningen. Det tänkte inte 1960-talets brobyggare på. Sedan dess har mängden trafik ökat extremt mycket.

An­talet lastbilar som korsar de amerikanska bilbroarna har exempelvis ökat med 250 procent under de senaste 40 åren, och lastbilarna har dessutom blivit tyngre. Det sliter ut broarna snabbare än planerat.

Morandi var medveten om att det kunde uppstå problem. Redan år 1979, bara tolv år efter det att bron stod klar, varnade han för att droppar av saltvatten i luften från det närliggande Medelhavet och föroreningar från ett stålverk i staden bröt ner betongen och stålet i brokonstruktionen fortare än förväntat.

Konstruktionsfel är en tickande bomb

Bron i Genua var olyckligt konstruerad på två sätt. I stället för separata kablar samlades de bärande kablarna i ett fåtal ­stöttor, så att ett brott på en av dem blev ödesdigert. Kablarna hade även gjutits in i betong, ­vilket försvårade inspektioner. En bro i Venezuela och en i Libyen har liknande konstruktioner.

Shutterstock

Nedbrytning förtär stål och betong

Väder och vind förstör ­sakta stål och betong, de ­material som broar normalt byggs av. Stålet korroderar vid kontakt med fukt och förlorar sakta sin styrka, medan ­betongen vittrar sönder och mister sin bärkraft. Dessa processer är oundvikliga, men kan bromsas genom ­effektivt underhåll.

Shutterstock

Extremväder och olyckor är en joker

Vid ett brobygge är naturkrafterna noga balanserade. Därför kan broar ha svårt att stå emot oväntade belastningar. Broar har kollapsat i samband med påkörningar, påseglingar, bränder och jordskalv. I ­september 2018 knycklades en bro på den indonesiska ön ­Sulawesi ihop av en tsunami.

Hariandi Hafid/SOPA Images/LightRocket/Getty Images

Betongsjuka skadar broar

Det står nu tämligen klart hur Morandibron kollapsade.

Katastrofen tycks ha börjat när en av de fyra snedkablarna från brons västligaste pylon brast.

Därmed överbelastades kablarna på motsatta sidan brobanan, som då också gick av.

Utan dessa två stöttor föll brobanan ner, varefter pylonen och bropelaren endast belastades av kablarna på andra sidan.

Det ledde till att pylonen blev sned och upphörde att belasta kablarna, så att även brobanan på den sidan av pylonen slet sig loss.

De våldsamma krafterna påverkade pylonen till den grad att den i olyckans slutskede kollapsade nästan lodrätt.

Laser mäter brons belastning

Ju fler tunga fordon som kör över en bro, desto större blir slitaget. Med laserljus som träffar speglar på marken respektive bron kan ­ingenjörerna mäta hur bron ­reagerar på belastningarna.

  1. En laserstråle träffar en halvgenomskinlig spegel, som riktar hälften av ljuset mot en spegel på bron och resterande halva av ljuset mot en spegel på marken.

  1. Avståndet till spegeln på bron förändras när bron ­belastas, men avståndet till spegeln på marken förblir detsamma.

  1. De två strålarna reflekteras och ­samlas i en detektor. Alla skillnader i deras ankomst är ett uttryck för en ­belastning av bron.

För att komma fram till den exakta orsaken till kollapsen skickades delar av bron till det nationella laboratoriet för materialvetenskap och teknik i Schweiz.

I december 2018 visade experternas preliminära undersökning att kablarna på den nedfallna pylonen hade slitits av till hälften, vilket innebar att styrkan var väsentligt reducerad.

Grundorsaken till korrosionen var troligen sprickor i betongen, ett problem som var närmast otänkbart när bron byggdes på 1960-talet. På den tiden trodde ingenjörerna att betong var ett material som höll för evigt.

Ur materialvetenskaplig synpunkt finns det i ren betong inga inre processer som bryter ner den, men verkligheten ser annorlunda ut. I vissa betongkonstruktioner kan nedbrytningen gå så snabbt att forskarna kallar fenomenet för betongsjuka.

En typ av betongsjuka drabbar främst armerad betong.

Armering innebär att betongen gjuts på en stålkonstruktion, exempelvis ett skelett av armeringsjärn, som stabiliserar konstruktionen. Så var det med Morandi­brons betongklädda stöttor.

När järn rostar tar slutprodukten mer plats än rent järn och när armeringen sväller spricker den om­givande betongen. Förutom att försvaga betongen gör det att vatten och luft tränger in, vilket ökar korrosionen och därmed förvärrar nedbrytningen i en ond cirkel.

För att undvika betongsjuka är det viktigt med regelbundet underhåll av bron. När skadan väl har uppstått kan den vara dyr eller till och med omöjlig att reparera.

Salt från Medelhavet var en av orsakerna till att Morandibron i Genova bröts ned snabbare än vad man förväntade.

© Stefano Rellandini/Reuters/Ritzau Scanpix

Kolfibrer möjliggör längre broar

I Genua har den nu rivna Morandibron efterlämnat ett gapande hål. Oavsett vilken bro som åter kommer att förbinda de två ändarna av motorväg A10 lär den bli säkrare än den gamla.

Brobyggarna har nämligen inte bara lärt sig av tidigare katastrofer utan också fått bättre material att arbeta med.

Ett av dem är kolfibrer, som länge har varit känt men som först nu på allvar börjar användas inom brobyggnation. Ett av de mest uppenbara användningsområdena är till de långa kablarna som bär upp brobanan på snedkabelbroar, och framför allt till hängbroar.

Kabelns maximala längd avgörs av en kombination av dragstyrkan och vikten. Stålets maximala räckvidd är fem kilometer. Om en stålkabel blir längre än så kan den inte bära sin egen vikt.

Den typen av kablar klarar längder på upp till tio kilometer eftersom kolfibrer eller kombinationer av kolfibrer och konstgjorda material är betydligt lättare än stål och bara något svagare. Samtidigt är materialen betydligt mindre sårbara för vädret.

Kineserna var de första som på allvar använde kolfibrer när man byggde Aizhaibron, som invigdes år 2012.

Stål och betong i ett ­väderbeständigt skal

Ett byggelement som är lika starkt som stål och betong, men som är både lättare och mer­ väder­beständigt. Det ­låter som rena rama fantasier, men löftena infrias av en ny kompositbalk i vilken ­betong och stål kombineras med glasfiber.

Claus Lunau

  1. Det yttre skalet är en vridningsstabil och väderbeständig glasfiber­låda som ­skyddar mot ­nedbrytning.
Claus Lunau

  1. En båge av extra stark betong gör ­balken lika trycktålig som ett vanligt betongelement i samma storlek.
Claus Lunau

  1. Tvärgående ­stålvajrar ger ­kompositbalken lika stor dragstyrka som en ­motsvarande stålbalk.
Claus Lunau

  1. Lådan fylls med ­härdat skum som gör balken 90 procent lättare än en stålbalk och 66 procent lättare än en betongbalk.
Claus Lunau

  1. Stålclips som gjuts in i betongen sticker upp ur lådan och används för att förbinda kompositbalken med andra byggelement.
Claus Lunau

Även den traditionella betongen har fått en översyn sedan Morandibron byggdes. Genom att bland annat krossa råmaterialen till ett fint pulver och tillföra fibrer av antingen konstgjorda material eller stål blir betongen både starkare och mer flexibel.

Den blir även mer motståndskraftig mot kemikalier och mer vattentät. Allt detta är egenskaper som ökar betongens livslängd och därmed broarna som byggs med den.

Den nya, ultrastarka betongen är dyr, men eftersom den är starkare kan ingenjörerna tillåta sig en lättare utformning med mindre materialåtgång, vilket blir mer miljövänligt.

I USA och Kanada har man använt den nya betongen sedan år 2006, då Mars Hill Bridge i Iowa upp­fördes. Sedan dess har det gått fort. Enbart år 2016 uppfördes 34 nordamerikanska broar i ultrastark betong.

De nya materialen möjliggör även nya typer av utformningar, exempelvis den som ritades år 2017 av arkitekten Margot Krasojevic till en tävling om en ny bro i Mongoliet. Bron har tre höjbara brobanor. Hela konstruktionen kan flyta och på så sätt placeras där den behövs.

Andra broprojekt har inbyggda vindkraftverk eller parker och köpcentrum som en del av konstruktionen.

Et hollandsk firma har 3D-printet en hel fodgængerbro, der skal placeres over en kanal i Amsterdam.

Broar skrivs ut på plats

I dag kan 3D-skrivare utföra ­större entreprenader. År 2018 lyckades det holländska företaget MX3D för ­första gången bygga en bro helt från grunden med hjälp av fyra robotar som gjorde 3D-utskrifter i stål. Den drygt tolv meter långa bron, som skrevs ut i en fabrikshall, ska installeras över en kanal i Amsterdam. I framtiden kommer dock robotar att kunna skriva ut ännu större broar i fler material eller ­olika byggelement. Vid behov kan de även arbeta på byggarbetsplatser och skapa detaljer på broar.

Ny bro i Genua på ritbordet

För att undvika upprepningar av de många fall då broar har fått kortare livslängd än förväntat har ingenjörerna utvecklat datorprogram som kan förutsäga hela livscykeln för en bro från det att den byggs tills den rivs 75 eller 100 år senare.

Programmen, som kallas Life Cycle Costs (LCC) och Life Cycle Assessment (LCA), beräknar samtliga utgifter för byggnation och underhåll under brons livslängd, så att de totala kostnaderna kan kartläggas.

Dessutom räknar programmen med all miljöpåverkan som en ny bro innebär i form av koldioxidutsläpp vid betongproduktion, transport av material och inverkan på ekosystemet.

Enligt planen ska Morandibrons ersättare stå klar i slutet av år 2019. Bron, som ritas av stadens berömde arkitekt Renzo Piano, är en enkel konstruktion upplyst av 43 höga lampor – en för varje person som dog.

Därmed blir den nya bron inte bara en bro, utan också ett minnesmärke över dem som miste livet den där ödesdigra augustidagen.

Ingenjörerna har lärt sig av sina misstag

Alla brokollapser analyseras noga för att man ska komma fram till orsaken, men en handfull olyckor har varit ­särskilt lärorika. De har förändrat hur broar byggs och inspekteras.

  • Brokollaps ledde till vindtunnelförsök

    År 1940 fick kraftiga sidvindar brobanan på Tacoma Narrows Bridge i USA att slitas loss. Olyckan ledde till att modeller av alla nya broar testas i vindtunnlar.

  • Silver Bridge resulterade i betygssystem för brorar

    År 1967 kollapsade Silver Bridge över Ohio­floden i USA på grund av ett trasigt kullager. 46 personer omkom. Olyckan gjorde att det togs fram en tiogradig betygsskala för broar.

  • Seongsubrons kollaps ledde till röntgeninspektioner

    År 1994 föll en sektion av Seongsubron i Sydkorea ner i Hanfloden, vilket medförde 32 dödsfall. Olyckan, som berodde på dålig svetsning, ledde till krav på röntgeninspektioner.

Sidvindar gjorde att den amerikanska Tacoma Narrows-bron svängde och bara fyra månader efter att den stod färdig år 1940 störtade den. I dag är brodäck på hängbroar utrustade med balkar som förhindrar vridning.

Läs också:

Byggnader

Broar utmanar ingenjörerna

1 minut
brooklyn bridge
Konstruktion

Fråga oss - Varför börjar broar gunga?

1 minut
Konstruktion

Vad gör hängbroar så starka?

1 minut
Mest populära

Logga in

Fel: Ogiltig e-postadress
Lösenord behövs
VisaDölj

Redan prenumerant? Prenumererar du redan på tidningen? Klicka här

Ny användare? Få åtkomst nu!