broer betragtes generelt som statiske strukturer. Sandheden er, at de faktisk fungerer mere som dynamiske, levende væsener. De ændrer sig konstant, reagerer på forskellige belastninger, vejrmønstre og andre former for stress for at fungere. I nogle tilfælde, ligesom en person, der gennemgår et traume, skal broer “reagere” på ekstremt stressende begivenheder som ulykker, eksplosioner, brande, jordskælv og orkaner for at overleve.

i denne artikel vil vi se på, hvordan forskellige typer broer er konstrueret til at håndtere stress. Vi vil også undersøge nogle af de mest almindelige kræfter, der lægger stress på broer. Disse stressfaktorer kan have stor indflydelse på, hvordan broer ældes, falder i tilbagegang og potentielt mislykkes.at forstå dem kan hjælpe ingeniører med at udvikle holdbare strukturer, og inspektører og vedligeholdelsespersonale får eksisterende strukturer til at vare længere.

tyngdekraftsdilemmaet

den mest dybtgående kraft, der påvirker broer, er tyngdekraften, som konstant trækker på dem og forsøger at trække dem ned på jorden. Tyngdekraften er ikke så stor, når det kommer til bygninger, herunder store som skyskrabere, fordi jorden under dem altid skubber tilbage.

det er ikke tilfældet, når det kommer til broer. Deres pyntede spænder over åbent rum. “Space” giver ingen støtte mod tyngdekraften. Større broer, der spænder over længere rum, er mere sårbare over for tyngdekraften end kortere. Tilsvarende er tungere strukturer mere tilbøjelige til at blive offer for tyngdekraften end lettere.

Brofejl er en relativt sjælden forekomst. Så hvad er det, der forhindrer dem i at tumle ned på grund af tyngdekraften?

svaret er stort set det samme uanset typen af struktur:

• kompression (en kraft, der skubber eller klemmer indad) er omhyggeligt afbalanceret med spænding (en kraft, der strækker sig og trækker udad).
• denne afbalancering sker ved at kanalisere belastningen (brostrukturens samlede vægt) på anlæggene (understøtningerne i hver ende af broen) og moler (understøtningerne, der løber under broen langs dens længde).

disse kræfter fordeles på forskellige måder på forskellige typer broer:

Bjælkebro

en bjælkebro har sit dæk (bjælke) i spænding og kompression. (Strålen kan presses og strækkes afhængigt af forholdene.) Abutments er i kompression, hvilket betyder, at de altid bliver presset.

Arch Bridge

en buebro understøtter belastninger ved at distribuere kompression over og ned ad buen. Strukturen skubber altid ind på sig selv.

hængebro

tårnene (moler) på en hængebro er i kompression, og dækket hænger fra kabler, der er i spænding. Selve dækket er i både spænding og kompression.

Kabelstagsbro

en kabelstagsbro ligner en hængebro. Dækket hænger dog direkte fra bryggerne på kabler. Bryggerne er i kompression, og kablerne er i spænding. Dækket oplever begge kræfter.

Truss bridge

en truss bridge er en variation af en bjælkestruktur med forbedrede forstærkninger. Dækket er i spænding. Spær håndtere både spænding og forståelse, med de diagonale dem i spænding og de lodrette dem i kompression.

en buebro understøtter belastninger ved at fordele kompression over og ned ad buen. Strukturen skubber altid ind på sig selv.

Cantilever bridge

en cantilever bridge er en af de enklere former at forstå. Dybest set adresserer det spændingskræfterne (trækker) over brodækket og kompressionskræfterne (skubber) nedenfor.

tjek disse broer, der styrer kræfter på unikke måder:

Rolling Bridge, London

denne skulpturelle struktur er en type bro, der ofte kaldes en curling bridge. Den består af otte trekantede sektioner, der er hængslet sammen. Broen er i stand til at” uncurl “for at give fodgængere mulighed for at krydse den og” krølle op ” for at lade både passere.

når strukturen er i sin “uncurled” tilstand, ser den ud og fungerer meget som en truss bridge. Et system af hydrauliske stempler bruges til at rulle det i sin lukkede, ottekantede form.

af Pycock , via Commons

Gateshead Millennium Bridge, Nyslot

denne innovative struktur kaldes ofte en “tilt” bro. Det bruger et avanceret hydraulisk system til at løfte det ud af vejen, når både passerer.

selvom dette virker simpelt nok, skal denne bro beskæftige sig med unikke spændings-og komprimeringsproblemer. Det udnytter funktioner i affjedring og kabel-staged design, der skubbes (og strækkes) til ekstreme grænser, når broen er i bevægelse. Denne struktur tilføjer en ny dimension til standard broteknik.

bro design er enkel og kompleks på samme tid. En bro balancerer konstant kompressionskræfter på bestemte steder med trækstyrke i andre, så ingen overvældende kraft, især tyngdekraften, overvinder strukturen til enhver tid, hvilket fører til skade eller sammenbrud.

stressfaktorer ud over tyngdekraften

den komplicerende faktor er, at kompression og spænding på en bro konstant skifter på grund af stressfaktorer som:

ændring af belastninger

det ville være let at bygge broer, hvis belastningerne på dem forblev statiske. Kræfterne på dem ville aldrig ændre sig. Virkeligheden er, at belastningerne kan variere dramatisk og dynamisk hele dagen og over tid.

broer transporterer alt fra tog, biler, lastbiler og fodgængere til vandledninger og anden forsyningsinfrastruktur. Mængden af trafik og nyttevolumen skifter hele dagen, hvilket forårsager betydelige variationer i den levende belastning, hvilket kan øge og mindske træk-og kompressionskræfter på tværs af strukturen.

eksempel: Når en jernbane bevæger sig over en bro, bøjes strukturen og bøjes og vender derefter tilbage til sin oprindelige afslappede tilstand, når toget passerer forbi.

miljøkræfter

broer reagerer konstant på Moder Natur. Miljømæssige kilder til stress omfatter:

• tidevand, bølger og vand back-ups. Vand er en af de mest magtfulde kræfter på jorden. Ingeniører indsætter ofte åbninger i broanlæg for at lade vand strømme igennem i stedet for at skubbe mod dem.
• Vind. Store vindstød kan få broer til at svinge og vride. Moderne er lettere og mere aerodynamiske, så vinden kan passere gennem dem, hvilket forhindrer dem i at bevæge sig.
• jordskælv. Seismiske kræfter får brosektioner til at ryste og kollidere ind i hinanden, hvilket kan få dem til at smuldre. Designere inkluderer spjæld til at absorbere vibrationer og kofangere for at forhindre sektioner i at slå ind i hinanden på broer i aktive jordskælvsområder.
• orkaner og andre større storme kan have ødelæggende virkninger på udsatte områder af broer. Byggehold installerer ofte beskyttelsesudstyr omkring sårbare sektioner, såsom forsyningsinfrastruktur.
• is, kulde og snestorm. Koldt vejr og fryseforhold forårsager sammentrækning på visse broelementer. Optøning kan have den modsatte virkning. Virkningerne af ekspansion og sammentrækning er blevet forværret under nutidens mere ekstreme klimaforhold. Ingeniører tegner sig for dette ved at inkorporere mere lydhøre og fleksible komponenter i broer konstrueret på kolde steder.

ulykker og andre uventede begivenheder

trafik-og byggeulykker, både, der rammer anlæg og eksplosioner, kan føre til betydelig brospænding og undertiden fiasko. Bygherrer kan udnytte stærke, brandhæmmende materialer og isolerende elementer for at begrænse den indflydelse, ekstreme begivenheder har på balancen mellem kræfter, der påvirker en bro.

konklusion

Nogle af de kræfter, der er skitseret ovenfor, kan forårsage øjeblikkelig katastrofal skade på broer eller ultimativ fiasko. Disse stressfaktorer slides også væk ved broer over tid, hvilket fører til langvarig skade.ligesom levende væsener har broer måder at kommunikere på, at de er overbelastede. Inspektører, ledere og ingeniører skal kigge efter disse tegn. Det kan hjælpe dem med at holde eksisterende strukturer sikre og give dem de oplysninger, de har brug for til at designe endnu mere holdbare og lydhøre strukturer i fremtiden.