Utsikt från Akashi Kaikyo-bron

Zwevend staal verbindt de wereld

1991 meter weg zweeft tussen Kobe en Awaji in Japan. De langste hangbrug ter wereld, Akashi-Kaikyo, is een overwinning op de natuur. Maar zonder schipbreuken en instortingen was het niet mogelijk geweest.

1991 meter weg zweeft tussen Kobe en Awaji in Japan. De langste hangbrug ter wereld, Akashi-Kaikyo, is een overwinning op de natuur. Maar zonder schipbreuken en instortingen was het niet mogelijk geweest.

Shutterstock

Op 5 december 1785 is een pont op weg van Wales naar het eiland Anglesey als hij door een sterke stroming aan de grond loopt.

De passagiers verlaten de boot, maar de vloed dreigt de zandbank waarop ze staan te overspoelen. Het wordt donker.

Hoewel andere boten de noodkreten van de 55 gestrande opvarenden horen, komt het getij te snel opzetten voor een reddingsoperatie.

Slechts één persoon overleeft het.

Deze schipbreuk in 1785 was slechts één van de honderden in de gevaarlijke Menaistraat. Steeds meer mensen staken de gevaarlijke wateren over op weg naar Ierland, dat in 1800 bij het Verenigd Koninkrijk kwam. Zo kon het niet langer.

In 1815 werd de knoop doorgehakt: er moest een brug komen.

Maar de afstand was te groot voor een traditionele stenen brug.

Er moest een creatieve oplossing bedacht worden, en het uiteindelijke resultaat werd het prototype van de moderne hangbrug.

Vandaag de dag is de Akashi-Kaikyo-brug de langste hangbrug ter wereld met een centrale overspanning van 1991 meter.

Maar in de jaren tussen de Menaibrug en de Japanse recordhouder leerden de ingenieurs met vallen en opstaan veel lessen over de krachten van de natuur.

De Akashi-Kaikyo-brug zou er wellicht niet zijn geweest als een beroemde Amerikaanse brug niet was ingestort in 1940.

De hangbrug wordt geboren

De hangbrug gaat terug tot de oudheid, toen bruggen vaak van touw en hout waren gemaakt. Planken rustten op touwen die over het water waren gespannen en aan rotsen of bomen waren vastgemaakt.

Maar de touwen beperkten de lengte van de brug en het gewicht dat hij kon dragen. Om wagens over een grote rivier te kunnen dragen, moest de brug van steen zijn.

Een stenen boogbrug kan veel gewicht dragen, maar is zelf ook erg zwaar, en het is lastig hem zo te bouwen dat er nog schepen onderdoor kunnen.

De hangbrug is beter geschikt voor grote afstanden.

De moderne hangbrug gaat terug tot 1826, toen de Menaibrug tussen Wales en Anglesey werd voltooid.

In de onstuimige zeestraat waren talloze schepen vergaan, en vooral de schipbreuk van 1785, toen er 54 doden vielen, had veel teweeggebracht.

In 1815 werd dan ook civiel ingenieur Thomas Telford ingehuurd om een brug te ontwerpen. En om zeilschepen onder de brug door te laten varen, moest het dek hoog boven het water liggen.

De oplossing was een hangbrug, die model stond voor alle latere exemplaren.

De hangbrug gaat terug tot het Tibet van de 14e eeuw, maar in de 19e eeuw maakten nieuwe materialen en oplossingen de hangbrug tot de favoriete oplossing van ingenieurs voor de lange afstand.

Thangtong Gyalpo
© Unknown

1: Thangtong Gyalpo bouwt ijzeren bruggen

De Tibetaan Thangtong Gyalpo (1385-1464) stond bekend als de ijzerbrugbouwer omdat hij wel 58 ijzeren hangbruggen bouwde, waarvan één met een overbrugging van 140 meter, die in de jaren 1950 door de Chinezen vernield werd.

Thomas Telford
© MEPL/Ritzau Scanpix

2: Telford ontwierp moderne hangbrug

Ingenieur Thomas Telford (1757-1834) introduceerde de basisstructuur die alle moderne hangbruggen volgen: dragende kettingen zijn gespannen tussen twee brugtorens, en verticale kettingen verbinden de dragende kettingen met het brugdek.

Marc Seguin
© Hippolyte Flandrin

3: Marc Seguin omarmde staalkabels

De Franse ingenieur Marc Seguin (1786-1875) introduceerde kabels die uit vele kleinere staaldraden bestonden. Die hebben een grotere treksterkte dan ijzeren kettingen en kunnen dus meer gewicht dragen in verhouding tot hun formaat.

Joseph Chaley
© Geneanet.org

4: Chaley bedacht nieuwe kabeltechniek

De Fransman Joseph Chaley (1795-1861) vond een apparaat uit dat over de draden van een hangbrug rijdt. Tijdens elke rit heen en weer over de brug trekt het een nieuwe staaldraad mee en verbindt het de draagkabels draad voor draad.

Om de juiste hoogte te bereiken, bouwde Telford twee torens in zee en spande hij er dikke kabels tussen.

Die kabels voorzag hij van verticale kettingen van verschillende lengte, zodat het dek horizontaal bleef ongeacht de afstand tot de dragende kabels.

Dat ontwerp lijkt misschien voor de hand te liggen omdat we het kennen van beroemde hangbruggen als de Golden Gate, maar vóór de Menaibrug was een horizontaal brugdek moeilijk te bouwen omdat het dek meestal rustte op de ondersteunende kabels of kettingen zelf.

De ingenieur Thomas Telford gebruikte drie nieuwe technieken toen hij in de 19e eeuw de Menaibrug ontwierp. Die zijn doorslaggevend geweest voor het wereldwijde succes van de hangbrug.

Hängbrons kedjor spändes ut mellan pyloner
© Claus Lunau

1: Kettingen tussen torens gespannen

De meeste oude hangbruggen hadden een dek dat rechtstreeks rustte op touwen of kettingen die tussen de oevers waren gespannen. De Menaibrug kreeg brugtorens iets buiten de oevers en kettingen die hoog tussen de torens worden gespannen.

Lodräta kedjor ger hängbron vågrät brobana
© Claus Lunau

2: Verticale kettingen geven horizontaal brugdek

Verticale kettingen verbinden de draagkabels met het brugdek. De lengte varieert om het brugdek horizontaal te houden. De combinatie van gespannen draagkabels en verticale kettingen is sindsdien de norm geworden voor hangbruggen.

Klippa håller hängbrons kedjor på plats
© Claus Lunau

3: Gesteente houdt kettingen op hun plaats

Arbeiders maken met explosieven een tunnel van 18 meter in het gesteente op het land. Aan het eind van de tunnel maken ze een ijzeren raster. De draagkettingen van de brug worden door het raster geleid en met bouten van 3 meter vastgezet.

Met de Menaibrug waren de ingenieurs op het spoor gekomen van de optimale constructie van een lange hangbrug.

Maar Telfords ontwerp was niet voldoende om de aartsvijand van de hangbrug te verslaan: de wind.

Ruim 100 jaar na de opening van de Menaibrug veroorzaakte harde wind misschien wel de beroemdste brugramp uit de geschiedenis: die van de Tacoma Narrows-brug.

Windtunnels voorkomen ongelukken

De moderne hangbrug begint diep onder water, waar de fundering voor de brugtorens moet komen. In zachte, zanderige rivier- en zeebodems valt het niet mee om beton te storten.

Daarom zijn er holle mallen ontwikkeld, die per schip ter plaatse worden gebracht en worden afgezonken en leeggepompt. Die mallen worden caissons genoemd.

Toen de beroemde Brooklyn Bridge in de jaren 1870 werd gebouwd, werd gebruikgemaakt van houten caissons van 50 meter lang, 30 meter breed en 4 meter hoog.

De caissons werden over de rivier gevaren en met gewichten afgezonken, zodat ze stevig vast lagen.

Het water werd vervolgens weggepompt en arbeiders kropen naar binnen en groeven de rivierbedding af tot het gesteente, waarna de caissons met cement gevuld werden.

VIDEO: Kijk hoe de funderingen van de Brooklyn Bridge ontstonden

Als de fundering er ligt, is de grootste uitdaging boven water te vinden: de wind.

Dat ondervond de pas gebouwde Tacoma Narrows-brug in de VS op 7 november 1940. In windkracht 8 golfde het brugdek op en neer alsof het van rubber was, tot het brak en 59 meter lager in de rivier stortte.

Het instorten van de Tacoma Narrows-brug was 50 jaar lang een raadsel voor deskundigen, maar in 1990 concludeerde ingenieur Robert Scanlan dat wervelingen in de lucht de boosdoener waren.

Als de wind een voorwerp raakt, waait de lucht er soepel omheen óf ontstaan er turbulente wervelingen.

Scanlan toonde aan dat de Tacoma Narrows-brug instortte door een zichzelf versterkend fenomeen waarbij luchtwervelingen de brug in beweging zetten, wat de wervelingen weer versterkte, enzovoort. Hij sprak van aeroelastic flutter (trillingsversterking).

VIDEO: Werklui voorspelden fladderende brug

Er werd snel een vervangende brug gepland, maar in de jaren 1940 kenden de Amerikanen dit verschijnsel nog niet. Om herhaling van de ramp te voorkomen, gingen ze de gloednieuwe windtunnel in.

Ingenieurs bouwden een model van de nieuwe brug van 30 meter – in het echt zou hij 1800 meter lang worden – en zetten dat in een tunnel waar ventilatoren de natuurlijke wind nabootsten.

De windtunneltests werkten. Er rijden althans nog auto’s over de nieuwe Tacoma Narrows-brug, die in 1950 werd geopend.

Golden Gate-bron

Golden Gate-broen bæres av 227 meter høye tårn som er bygd av hule stålbjelker med en indre cellestruktur. Till hvert tårn gikk det med 40 000 tonn stål.

© Shutterstock

Vandaag de dag kan een hoofdoverspanning tegen de 2 kilometer lang zijn. Windtunnelproeven blijven van belang, maar er is veel meer nodig om de enorme hangende constructies bestand te maken tegen aardbevingen, tyfoons en ander natuurgeweld.

Brug breekt alle records

3911 meter scheiden het vasteland van Japan van het eiland Awaji, en in 1998 ging de Akashi-Kaikyo-brug open. Die heeft de langste hoofdoverspanning van alle hangbruggen ter wereld: 1991 meter.

De brug volgt hetzelfde fundamentele principe als de Menaibrug, maar er zijn enkele bijzondere innovaties toegepast.

De kabels zijn gemaakt van een legering van staal en silicium, waardoor ze 10 procent meer trekkracht hebben dan gewoon staal. 290 kleinere kabels zijn samengevlochten tot de twee draagkabels van de brug, elk met een totale diameter van 112 centimeter. De Akashi-Kaikyo-brug bestaat uit in totaal bijna 300.000 kilometer draad, die per helikopter op zijn plaats is getrokken.

700.000 bouten houden de torens van de Akashi-Kaikyo-brug bijeen.

De kabels rusten op twee torens, die 282 meter boven de Straat Akashi uitsteken. Op die hoogte bereiken de windsnelheden 300 km/h.

De ingenieurs hebben van de geschiedenis geleerd en een model van hun brug getest in een enorme windtunnel. De wind creëerde turbulente wervelingen rond de brug, die moesten worden afgeremd. Daarom installeerden de ingenieurs één lange plaat die over de lengte van het brugdek loopt en de bewegingen van de wind eromheen breekt.

Zo is de Akashi-Kaikyo-brug bestand tegen tyfoons, zonder dat trillingen schade veroorzaken.

Akashi Kaikyo-bron

© Shutterstock

4 technieken maakten de Akashi-Kaikyo

De ingenieurs van de Akashi-Kaikyo-brug testten het ontwerp in ’s werelds grootste windtunnel. Samen met drie andere technieken maakt dit de brug bestand tegen aardbevingen van 8,5 op de schaal van Richter.

1: Pylonen werden in stalen mallen gegoten

De 282 meter hoge torens van de brug rusten op betonnen funderingen die in ronde caissons zijn gegoten – 70 meter hoge stalen mallen met een diameter van 80 meter. Die werden naar zee gevaren, afgezonken en gevuld met beton.

Betongfundament till Akashi Kaikyo-bron
© Getty Images

2: Windtunnel toonde zwakke plekken

De ingenieurs bouwden een 40 meter lang model van de brug en testten dat in een enorme windtunnel. Daarna voorzagen ze de brug van een verticale plaat onder het dek die de wind breekt, zodat er geen schadelijke wervelingen ontstaan.

3: Silicium maakt kabels sterk

Traditioneel staal kan een belasting van 160 kilo per vierkante millimeter aan – de zogeheten treksterkte. De Akashi-ingenieurs voegden silicium toe aan de staalkabels, waardoor de treksterkte steeg tot 180.

Akashi Kaikyo-brons stålkablar
© Shutterstock

4: Schommelende gewichten geven stabiliteit

De brug is bestand tegen aardbevingen met kracht 8,5 op 150 kilometer afstand dankzij 20 gewichten in de torens. Die schommelen in fase met de bewegingen van de brug om ze te compenseren. Deze techniek wordt ook toegepast in wolkenkrabbers.

Het record staat al ruim 20 jaar, en 2 kilometer leek lang de absolute bovengrens voor een hoofdoverspanning. Tot nu. Ingenieurs hebben een nieuwe methode bedacht waarmee bruggen meer dan twee keer zo lang kunnen worden.

Noorse superbrug in aantocht

Omdat hangbruggen in de 20e eeuw steeds langer zijn geworden, dringt de vraag zich op: wat is het maximum?

Ingenieurs van de Britse University of Warwick becijferden dat een hangbrug theoretisch een maximale overspanning van 5000 meter kan hebben. Dat komt omdat het gewicht van de draagkabels anders te hoog zou worden met de huidige materialen.

Begin deze eeuw opperde de Chinese ingenieur T.Y. Lin een hangbrug over de Straat van Gibraltar met een overspanning van 5000 meter.

Nu willen Noorse ingenieurs Lin te snel af zijn en een hangbrug over de Sognefjord met een overspanning van 3700 meter bouwen – bijna twee keer zo lang als de huidige Japanse recordhouder.

De grootste uitdaging is dat de Sognefjord op het diepste punt 1300 meter diep is, waardoor het moeilijk is om torens in het midden te bouwen.

Daarom willen de ingenieurs grafeen gebruiken: structuren van koolstofatomen van slechts één atoom dik. Grafeen kan de treksterkte van beton flink verhogen en langere overspanningen mogelijk maken.

Als een klassieke hangbrug onhaalbaar blijkt, hebben de Noorse ingenieurs nog wel een idee: een hangbrug ónder water. Of beter gezegd: een hangende tunnel. Op de tekentafel ligt een betonnen tunnel die in het water aan drijvende pontons zweeft.

Sinds de opening van de Menaibrug is de lengte van de centrale overspanning meer dan vertienvoudigd, maar hangbruggen kunnen volgens ingenieurs nog veel langer. De enige vraag is of de klassieke hangbrug de zeestraten zal blijven domineren, of er geheel nieuwe soorten bruggen zullen ontstaan, of dat bruggen zelfs kopje onder zullen gaan.