broar anses generellt som statiska strukturer. Sanningen är att de faktiskt agerar mer som dynamiska, levande varelser. De förändras ständigt, svarar på olika belastningar, vädermönster och andra typer av stress för att fungera. I vissa fall, ungefär som en person som genomgår ett trauma, måste broar ”reagera” på extremt stressiga händelser som olyckor, explosioner, bränder, jordbävningar och orkaner för att överleva.

i den här artikeln ska vi titta på hur olika typer av broar är konstruerade för att hantera stress. Vi kommer också att undersöka några av de vanligaste krafterna som sätter stress på broar. Dessa stressorer kan ha stor inverkan på hur broar åldras, faller i nedgång och potentiellt misslyckas.

att förstå dem kan hjälpa ingenjörer att utveckla hållbara strukturer och inspektörer och underhållspersonal gör att befintliga strukturer håller längre.

gravitationsdilemmaet

den djupaste kraften som påverkar broar är tyngdkraften, som ständigt drar på dem och försöker dra dem ner till jorden. Gravity är inte så stor sak när det gäller byggnader, inklusive stora som skyskrapor, eftersom marken under dem alltid trycker tillbaka.

det är inte fallet när det gäller broar. Deras däck spänner över öppet utrymme. ”Space” ger inget stöd mot tyngdkraften. Större broar som spänner över längre utrymmen är mer sårbara för tyngdkraften än kortare. På samma sätt är tyngre strukturer mer benägna att bli offer för tyngdkraften än lättare.

Brofel är en relativt sällsynt förekomst. Så, vad är det som hindrar dem från att tumla ner på grund av tyngdkraften?

svaret är ungefär detsamma oavsett typ av struktur:

• kompression (en kraft som skjuter eller pressar inåt) balanseras noggrant med spänning (en kraft som sträcker sig och drar utåt).
• denna balansering sker genom att kanalisera lasten (brokonstruktionens totala vikt) på anliggningarna (stöden i vardera änden av bron) och bryggor (stöden som löper under bron längs dess längd).

dessa krafter fördelas på olika sätt på olika typer av broar:

Beam Bridge

en beam bridge har sitt däck (beam) i spänning och kompression. (Strålen kan pressas och sträckas beroende på förhållandena.) Anliggningarna är i kompression, vilket innebär att de alltid pressas.

Arch Bridge

en arch bridge stöder belastningar genom att distribuera komprimering över och ner bågen. Strukturen pressar alltid in på sig själv.

hängbro

tornen (bryggorna) på en hängbro är i kompression och däcket hänger från kablar som är i spänning. Själva däcket är i både spänning och kompression.

kabelbrygga

en kabelbrygga liknar en hängbro. Däcket hänger dock direkt från bryggorna på kablar. Bryggorna är i kompression och kablarna är i spänning. Däcket upplever båda krafterna.

Truss bridge

en truss bridge är en variation av en strålstruktur med förbättrade förstärkningar. Däcket är i spänning. Karmarna hanterar både spänning och förståelse, med de diagonala i spänning och de vertikala i kompression.

en bågbro stöder belastningar genom att fördela komprimering över och nerför bågen. Strukturen pressar alltid in på sig själv.

Cantilever bridge

en cantilever bridge är en av de enklare formerna att förstå. I grund och botten adresserar den spänningskrafterna (dragning) ovanför brodäcket och kompressionskrafterna (tryckning) nedan.

kolla in dessa broar som hanterar krafter på unika sätt:

The Rolling Bridge, London

denna Skulpturala struktur är en typ av bro som vanligtvis kallas en curling bridge. Den består av åtta triangulära sektioner som är ledade ihop. Bron kan ” uncurl ”för att tillåta fotgängare att korsa den och” curl up ” för att låta båtar passera.

när strukturen är i sitt” okurlade ” tillstånd ser den ut och fungerar ungefär som en trussbro. Ett system med hydrauliska kolvar används för att rulla den i sin slutna åttkantiga form.

av Loz Pycock , via Wikimedia Commons

Gateshead Millennium Bridge, Newcastle

denna innovativa struktur kallas ofta en” tilt ” bro. Det använder ett avancerat hydrauliskt system för att lyfta det ur vägen när båtar passerar.

även om detta verkar enkelt nog, måste denna bro hantera unika spännings-och kompressionsproblem. Det utnyttjar funktioner i upphängnings-och kabelhållna mönster som skjuts (och sträcks) till extrema gränser när bron är i rörelse. Denna struktur lägger till en ny dimension till standardbroteknik.

brodesign är enkel och komplex samtidigt. En bro balanserar ständigt tryckkrafter på vissa platser med dragkrafter i andra så ingen överväldigande kraft, särskilt tyngdkraften, övervinner strukturen när som helst, vilket leder till skada eller kollaps.

stressorer bortom gravitation

den komplicerande faktorn är att kompression och spänning på en bro ständigt skiftar på grund av stressorer som:

ändra belastningar

det skulle vara lätt att bygga broar om belastningarna på dem förblev statiska. Krafterna på dem skulle aldrig förändras. Verkligheten är att belastningarna kan variera dramatiskt och dynamiskt hela dagen och över tiden.

broar bär allt från tåg, bilar, lastbilar och fotgängare till vattenledningar och annan infrastruktur. Mängden trafik och verktygsvolym skiftar hela dagen, vilket orsakar betydande variationer i levande belastning, vilket kan öka och minska drag-och tryckkrafter över strukturen.

exempel: När en järnväg färdas över en bro, böjer strukturen och böjer sig och återgår sedan till sitt ursprungliga avslappnade tillstånd när tåget passerar.

Miljökrafter

broar reagerar ständigt på Moder Natur. Miljökällor för stress inkluderar:

• tidvatten, vågor och vattenback-ups. Vatten är en av de mest kraftfulla krafterna på jorden. Ingenjörer sätter ofta in öppningar i brostöd för att låta vatten strömma igenom snarare än att trycka mot dem.
• vindar. Stora Vindbyar kan få broar att svänga och vrida sig. Moderna är lättare och mer aerodynamiska, vilket gör att Vind kan passera genom dem, vilket förhindrar att de rör sig.
• jordbävningar. Seismiska krafter får brosektioner att skaka och krascha in i varandra, vilket kan få dem att smula. Designers inkluderar spjäll för att absorbera vibrationer och stötfångare för att hålla sektioner från att slå in i varandra på broar i aktiva jordbävningszoner.
• orkaner och andra stora stormar kan ha förödande effekter på utsatta områden av broar. Byggteam installerar ofta skyddsutrustning runt utsatta sektioner, till exempel infrastruktur för verktyg.
• is, kyla och snöstormar. Kallt väder och frysförhållanden orsakar sammandragning på vissa broelement. Upptining kan ha motsatt effekt. Effekterna av expansion och kontraktion har förvärrats i dagens mer extrema klimatförhållanden. Ingenjörer står för detta genom att integrera mer lyhörda och flexibla komponenter i broar konstruerade på kalla platser.

olyckor och andra oväntade händelser

trafik-och byggolyckor, båtar som slår distanser och explosioner kan leda till betydande brostress och ibland misslyckande. Byggare kan utnyttja starka, brandhämmande material och isolerande element för att begränsa effekterna extrema händelser har på balansen av krafter som påverkar en bro.

slutsats

några av de krafter som beskrivs ovan kan orsaka omedelbar katastrofal skada på broar eller ultimat misslyckande. Dessa stressorer slits också bort vid broar över tiden, vilket leder till långvariga skador.precis som levande varelser har broar sätt att kommunicera att de är överbelastade. Inspektörer, chefer och ingenjörer måste leta efter dessa tecken. Det kan hjälpa dem att hålla befintliga strukturer säkra och ge dem den information de behöver för att utforma ännu mer hållbara och lyhörda strukturer i framtiden.