Wie würden Ingenieure heute die Golden Gate Bridge bauen?

Seit die Golden Gate Bridge am 27. Mai 1937 für den Verkehr freigegeben wurde, ist sie ein ikonisches Symbol in der amerikanischen Landschaft.

Im Jahr 1870 erkannten die Menschen die Notwendigkeit, eine Brücke über die Golden Gate Strait zu bauen, um die Stadt San Francisco mit Marin County zu verbinden. Es dauerte jedoch noch ein halbes Jahrhundert, bis der Bauingenieur Joseph Strauss seinen Brückenentwurf vorlegte. Die Pläne entwickelten sich und das endgültige Projekt wurde als Hängebrücke genehmigt, die schließlich dauerte über vier Jahre Bauzeit .

Als die Golden Gate Bridge errichtet wurde, war sie die längste Hängebrücke der Welt – Seile halten die Fahrbahn zwischen zwei Türmen ohne Zwischenstützen. Und das Setting hatte eine Reihe von inhärenten Herausforderungen. Es hat ungefähr gekostet 37 Millionen US-Dollar damals; Der Bau derselben Struktur würde heute etwa eine Milliarde Dollar kosten. Wie hat sich das Design in den letzten 80 Jahren gehalten – und würden wir es anders machen, wenn wir heute bei Null anfangen würden?

Schema einer Hängebrücke. Die roten Tragseile übertragen Kräfte von den schwarzen Tragseilen auf die blauen Türme und Anker.Konversation

Längste Hängebrücke der Welt

Die Golden Gate Bridge ist eine Hängebrücke, was bedeutet, dass sie auf Seilen und Aufhängern unter Spannung sowie auf Türmen unter Druck angewiesen ist, um eine lange Strecke ohne Zwischenstützen zu überqueren. Das Fahrbahndeck hängt an vertikalen Aufhängern, die mit den beiden Hauptkabeln verbunden sind, die zwischen den Türmen und den Ankern am Ende verlaufen. Die Abhänger übertragen Fahrzeugkräfte und Eigengewicht auf die Tragseile, die an Türmen und auf festem Untergrund verankert sind. Eine einfache gewebte Hängebrücke.Rutahsa-Abenteuer

Das erste Brücken dieser Art wahrscheinlich zwei Klippen mit flexiblen Seilen verbunden, um ein Tal oder einen Fluss zu überqueren. Vor Hunderten von Jahren wurden diese Seile aus Pflanzenfasern hergestellt; Eisenketten kamen später. Die 1883 eröffnete Brooklyn Bridge in New York City war die erste mit Stahlseilen, die dann zum Standard wurden.

Die Türme begannen wahrscheinlich als einfacher Felsen auf jeder Seite eines Tals; schließlich verwendeten Ingenieure massive Stein- oder Stahlpfeiler. Die Golden Gate Bridge zum Beispiel wird von je einem Widerlager an jedem Ende und den beiden Türmen getragen, die über in den Meeresboden eingelassene Fundamente gesetzt werden.

Die beiden Tragseile der Golden Gate Bridge sind das Einzige, was seit der Eröffnung der Brücke im Jahr 1937 für den Verkehr nicht verändert wurde. Jedes Hauptseil besteht aus 27.572 Stahldrähten mit der Dicke eines Bleistifts. Bautrupps hingen fast 80.000 Meilen Drahtseile von einer Seite der Brücke zur anderen.

Es ist fast unmöglich, ein langes, dickes Kabel in einem Stück ohne Fehler herzustellen, um diese Aufgabe zu erfüllen. Und vor allem, wenn ein einziges großes Kabel die Brücke hochhielt und etwas damit passierte, würde es zu einem katastrophalen Ausfall kommen. Wenn Sie sich auf kleinere Kabel verlassen, wird jeder Ausfall langsamer, so dass Zeit bleibt, um Katastrophen abzulenken.

Seit die Leute anfingen, über eine Brücke in der Bucht von San Francisco nachzudenken, gab es große Bedenken hinsichtlich der Fähigkeit der Struktur, den starken Winden, turbulenten Gewässern und möglichen Erdbebenkräften standzuhalten. San Francisco liegt an der Kreuzung von zwei aktive tektonische Platten – offensichtlich wollte niemand sehen, dass ein Erdbeben die Brücke zum Einsturz bringt, die derzeit herumträgt 112.000 Fahrzeuge pro Tag .

Um dieses Problem zu vermeiden, haben die Bauherren auch Stoßdämpfer an jedem Ende der Brücke angebracht, um die von Wind oder seismischen Kräften stammende Energie zu absorbieren. Diese speziell entwickelten Schwingungsdämpfer sind Zylinder mit einem Durchmesser von mehreren Metern, die aus einem mit Gummi ummantelten Bleikern bestehen. An strategischen Stellen platziert, absorbieren sie Energie, die andernfalls zum Einsturz der Brücke führen könnte.

Damit es gut in Form bleibt

Herkömmliche Weisheit würde nahelegen, dass ein Infrastrukturprojekt kurz nach seiner Einweihung abgeschlossen ist. Aber um die Golden Gate Bridge in Topform zu halten, bedarf es einer ständigen strengen Wartung. Seit 80 Jahren, engagierte Wartungsteams die Brücke gewartet, neu gestrichen und gegebenenfalls die korrodierten oder gebrochenen Komponenten ersetzt haben.

Diese Arbeit muss nach hohen Standards durchgeführt werden. Wenn beispielsweise eine der Tausenden von Schrauben, die alle verschiedenen Teile der Brücke verbinden, ersetzt werden muss, werden nicht mehr als zwei gleichzeitig herausgenommen, um die Brücke vor starken Wind- oder Erdbebenkräften zu schützen.

Es gibt auch bauliche Instandhaltungsprobleme. Aufgrund der Zeit und der ständigen Temperaturschwankungen dehnen sich die Kabel und Aufhänger aus oder ziehen sich zusammen und müssen regelmäßig überprüft und nachgespannt werden. Diese Art der Anpassung wird als Stimmung bezeichnet und ähnelt der Art und Weise, wie ein Musiker ein Saiteninstrument am besten klingen lässt.

Was würde sich ändern, wenn wir es heute bauen würden?

Aufgrund riesiger Instandhaltungskosten , haben einige Leute vorgeschlagen, die Golden Gate Bridge so zu rekonstruieren, dass die laufenden Wartungs- und Betriebskosten begrenzt werden. Abgesehen von der politischen Machbarkeit, wie würden Ingenieure die Brücke entwerfen, wenn sie sie heute von Grund auf neu bauen würden?

Im Laufe der Zeit haben Forscher leichtere Materialien entwickelt. Die Verwendung von faserverstärkten Polymeren (FRP) anstelle von Stahl oder Beton ist eine Möglichkeit, das Gewicht einer Struktur dieser Größenordnung zu reduzieren. Dieses Eigengewicht ist in der Regel dafür verantwortlich, 70 bis 80 Prozent seines Widerstands zu verbrauchen – das ist die maximale Belastung, die es tragen kann, bevor es versagt. Durch die Reduzierung würde die Struktur der Brücke weniger Festigkeit benötigen, was billigere und einfachere Optionen ermöglicht.

Designer haben beispielsweise damit begonnen, faserverstärkte Verbundwerkstoffe (FRP) in Brücken wie der Market Street Bridge in West Virginia zu verwenden. FRP verwendet ein Kunststoffharz, um Glas- oder Kohlefasern miteinander zu verbinden, die dem Material Festigkeit verleihen. Da sie viermal leichter als Beton sind, sind die FRPs fünf- bis sechsmal stärker.

Das erste Änderungsziel eines Designers bei einer Ersatz-Golden Gate Bridge wäre wahrscheinlich die Zusammensetzung der Kabel. Der derzeit verwendete Stahl ist korrosiv, viermal schwerer als neuere Materialien und kann in rauen Feuchtigkeits- und Temperaturumgebungen versagen – genau wie denen, denen er an diesem Ort begegnet. Carbonkabel sind inerter und bereits weltweit im Einsatz.

Bei einer Schrägseilbrücke verbinden die Seile direkt vom Deck mit den Türmen.Konversation

Diese stahlleichteren Materialien könnten auch in anderen Elementen der Brücke verwendet werden, wie beispielsweise der Verkehrsfahrbahn. Die Verwendung von Kunststoff-Verbunddecks könnte das Eigengewicht des Decks der Golden Gate Bridge um den Faktor fünf reduzieren. Dies würde es Ingenieuren ermöglichen, eine Schrägseilbrücke anstelle einer Hängebrücke zu entwerfen und zu bauen. Der Vorteil wäre die Möglichkeit, auf die Hosenträger zu verzichten; bei einer Schrägseilbrücke werden die Kräfte durch die Seile direkt vom Deck auf die Türme übertragen. Die erste Autobahn-Schrägseilbrücke mit CFK-Seilen ist die 1996 eröffnete Storchenbrücke der Schweiz.

Eine Schrägseilbrücke kann eine größere Spannweite haben als eine Hängebrücke, daher könnte ihre Struktur zwischen den Stützen und dem Ufer einfacher sein. Auch der Bau der Türme näher am Ufer, wo das Wasserbett flacher ist, würde helfen, eines der Hauptprobleme beim ersten Bau der Golden Gate Bridge zu lindern: Es ist sehr schwierig und teuer, an den Turmfundamenten in tiefem Wasser zu arbeiten mit starken Strömungen.

Auch das Dämpfungssystem konnte mit einem neuen Design angesprochen werden. Die bleikernbasierten Dämpfer, die beim Bau des Golden Gate verwendet wurden, könnten durch neuere Technologien ersetzt werden, die Wind, Verkehr und seismischen Kräften besser standhalten. Diese Verbesserung würde sicherstellen, dass ein Versagen wie bei der Tacoma Narrows Bridge – wenn der Wind die Brücke seitwärts weht, sie sich verdreht und einstürzt – verhindert wird.

Trotz allem geht es der Golden Gate Bridge immer noch gut. Selbst mit anderen machbaren und billigeren Optionen arbeitet niemand realistisch daran, die Art-Deco-Ikone und ihre weltberühmte internationale orangefarbene Lackierung zu ersetzen. Die Golden Gate Bridge wird genau überwacht, um sicherzustellen, dass sie ihre Belastungsgrenzen aufgrund von Verkehr, Wind und seismischen Belastungen nicht überschreitet. Wir dürfen uns auf mindestens weitere 80 Jahre dieses Meisterwerks der Ingenieurskunst freuen.

Hota GangaRao ist Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen an der Universität von West Virginia und Maria Martinez de Lahidalga de Lorenzo ist wissenschaftliche Hilfskraft bei Universität von West Virginia . Dieser Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht auf Die Unterhaltung . Lies das originaler Artikel .