Hur skulle ingenjörer bygga Golden Gate Bridge idag?

Ända sedan Golden Gate Bridge öppnade för trafik den 27 maj 1937 har det varit en ikonisk symbol i det amerikanska landskapet.

År 1870 hade människor insett behovet av att bygga en bro som sträcker sig över Golden Gate-sträckan för att förbinda staden San Francisco med Marin County. Det tog dock ytterligare ett halvt sekel innan konstruktionsingenjör Joseph Strauss lämnade in sitt broförslag. Planerna utvecklades och det slutliga projektet godkändes som en hängbro som slutade ta över fyra år att bygga .

När Golden Gate-bron gick upp var det den längsta upphängda broen i världen - kablar håller upp vägen mellan två torn, utan mellanliggande stöd. Och inställningen hade ett antal inneboende utmaningar. Det kostade ungefär 37 miljoner US-dollar just då; att bygga samma struktur idag skulle kosta cirka en miljard dollar. Så hur har designen hållit under de senaste 80 åren - och skulle vi göra saker annorlunda om vi började från början idag?

Schematisk bild av en hängbro. De röda bärkablarna överför krafter från de svarta hängkablarna till de blå tornen och ankarna.Konversation

Världens längsta hängbro

Golden Gate Bridge är en hängbro, vilket innebär att den är beroende av kablar och hängslen under spänning tillsammans med torn under kompression för att korsa ett långt avstånd utan några mellanliggande stöd. Körbanan hänger på vertikala hängslen som ansluter till de två huvudkablarna som går mellan tornen och ankarna i änden. Hängslen överför fordonskrafter och egenvikt till stödkablarna som är förankrade i torn och på fast mark. En enkel vävd hängbro.Rutahsa Adventures

De första broar av denna typ förmodligen kopplade två klippor med flexibla rep för att korsa en dal eller en flod. För hundratals år sedan gjordes dessa rep av växtfiber; järnkedjor kom senare. Brooklyn Bridge i New York City, som öppnades 1883, var den första som använde stålkablar, som sedan blev standard.

Tornen började troligen som en enkel sten på vardera sidan av en dal; så småningom använde ingenjörer massiva sten- eller stålbryggor. Golden Gate Bridge, till exempel, stöds av en distans i varje ände och de två tornen, som är placerade över fundament inbäddade i havsbotten.

Golden Gate-broens två stödkablar är ungefär det enda som inte har ändrats sedan bron öppnades för trafik 1937. Varje huvudkabel är bildad av 27 572 ståltrådar med en penns ungefärliga tjocklek. Byggnadsbesättningar hängde nästan 80000 mil trådkablar från ena sidan av bron till den andra.

Det är nästan omöjligt att tillverka en lång, tjock kabel i ett stycke utan brister för att göra detta jobb. Och avgörande, om en enda stor kabel höll bron uppe och något hände med den, skulle det vara ett katastrofalt misslyckande. Att förlita sig på mindre ledningar betyder att varje fel skulle vara långsammare och ge tid att avleda katastrofen.

Sedan människor började fundera över en bro i San Francisco-bukten var det stor oro för strukturens förmåga att motstå platsens starka vindar, turbulenta vatten och möjliga jordbävningskrafter. San Francisco ligger vid korsningen av två aktiva tektoniska plattor - uppenbarligen ville ingen se en jordbävning ta ner bron, som för närvarande bär runt 112 000 fordon per dag .

För att undvika detta problem placerade byggarna också stötdämpare i vardera änden av bron för att absorbera energin som kommer från vind eller seismiska krafter. Dessa specialdesignade vibrationsdämpare är cylindrar med meter diameter tillverkade av en blykärna täckt av gummi. De placeras på strategiska platser och absorberar energi som annars kan få bron att kollapsa.

Håll den i god form

Konventionell visdom skulle föreslå att ett infrastrukturprojekt görs snart efter invigningen. Men att hålla Golden Gate Bridge i toppform kräver kontinuerligt underhåll. I 80 år, dedikerade underhållspersonal har servat bron, ommålat och bytt ut de korroderade eller trasiga komponenterna vid behov.

Detta arbete måste göras enligt höga krav. Till exempel när någon av de tusentals bultar som förbinder alla de olika delarna av bron behöver bytas ut, tas inte mer än två ut samtidigt för att hålla bron säker mot starka vindar eller jordbävningskrafter.

Det finns också strukturella underhållsproblem. På grund av tidens gång och den pågående temperaturvariabiliteten förlänger kablarna och hängslen sig eller dras samman och behöver regelbunden kontroll och spänning. Denna typ av justering kallas tuning och liknar hur en musiker håller ett stränginstrument som låter bäst.

Vad skulle förändras om vi byggde den idag?

På grund av enorma underhållskostnader , har vissa föreslagit att Golden Gate Bridge ska rekonstrueras på ett sätt som begränsar löpande underhålls- och driftsräkningar. Om man avskaffar den politiska genomförbarheten, hur skulle ingenjörer utforma bron om de skulle bygga den från grunden idag?

Med tiden har forskare utvecklat lättare material. Att använda fiberförstärkta polymerer (FRP) snarare än stål eller betong är ett sätt att minska vikten på en struktur av denna storlek. Denna egenvikt är vanligtvis ansvarig för att använda upp till 70 till 80 procent av dess motstånd - det är den maximala belastningen den kan bära innan den misslyckas. Genom att minska den skulle broens struktur behöva mindre styrka, vilket möjliggör billigare och enklare alternativ.

Till exempel har designers börjat använda fiberförstärkta kompositmaterial (FRP) i broar som Market Street Bridge i West Virginia. FRP använder ett plastharts för att binda ihop glas eller kolfibrer, vilket ger styrka till materialet. Eftersom Frp är fyra gånger lättare än betong är de fem till sex gånger starkare.

Förmodligen skulle en designers första mål för förändring i en ersättare Golden Gate Bridge vara kablarnas sammansättning. Stålet som för närvarande används är frätande, tyngre fyra gånger än nyare material och kan misslyckas i hårda fukt- och temperaturmiljöer - precis som de det möter på den här platsen. Kolkablar är mer inerta och redan i bruk över hela världen.

I en kabelbrygga ansluts kablarna direkt från däcket till tornen.Konversation

Dessa lättare än stålmaterial kan också användas i andra delar av bron, såsom trafikvägen. Användning av plastkompositplattor kan sänka Golden Gate Bridge-däcks egenvikt med en faktor på fem. Det skulle göra det möjligt för ingenjörer att designa och bygga en kabelbrygga snarare än en hängbro. Fördelen där skulle vara förmågan att avskaffa hängslen; i en kabelstängd bro överförs krafter direkt från däcket till tornen med kablarna. Den första kabelstångsbryggan med CFRP-kablar är Schweiz Stork Bridge, som öppnades 1996.

En kabelbrygga kan ha längre längd än en hängbro, så dess struktur mellan stöden och stranden kan vara enklare. Att bygga tornen närmare stranden, där vattensängen är grundare, skulle hjälpa till att lindra ett av huvudproblemen när Golden Gate Bridge byggdes första gången: Det är väldigt svårt och dyrt att arbeta på tornfundamenten på djupt vatten med starka strömmar.

Dämpningssystemet kan också hanteras med en ny design. De ledande kärnbaserade spjällen som användes vid konstruktionen av Golden Gate kunde ersättas med nyare teknik som bättre kan motstå vind, trafik och seismiska krafter. Denna förbättring skulle säkerställa att ett misslyckande som det på Tacoma Narrows Bridge - när vinden blåste bron i sidled, den vrids och kollapsar - skulle förhindras.

Med allt sagt så går Golden Gate Bridge fortfarande bra. Även med andra genomförbara och billigare alternativ arbetar ingen realistiskt för att ersätta Art Deco-ikonen och dess världsberömda internationella orange färgjobb. Golden Gate Bridge övervakas noggrant för att se till att den inte överskrider sina spänningsgränser på grund av trafik, vind och seismisk belastning. Vi kan se fram emot åtminstone ytterligare 80 år av detta tekniska mästerverk.

Hota GangaRao är professor i samhälls- och miljöteknik vid West Virginia University och Maria Martinez de Lahidalga de Lorenzo är forskarassistent vid West Virginia University . Denna artikel publicerades ursprungligen den Konversationen . Läs originalartikel .