วันนี้วิศวกรจะสร้างสะพานโกลเดนเกตอย่างไร?

นับตั้งแต่สะพานโกลเดนเกตเปิดให้สัญจรเมื่อวันที่ 27 พฤษภาคม พ.ศ. 2480 สะพานนี้ได้กลายเป็นสัญลักษณ์สัญลักษณ์ในภูมิทัศน์ของอเมริกา

ภายในปี พ.ศ. 2413 ผู้คนได้ตระหนักถึงความจำเป็นในการสร้างสะพานที่ทอดข้ามช่องแคบโกลเดนเกตเพื่อเชื่อมต่อเมืองซานฟรานซิสโกกับเทศมณฑลมาริน อย่างไรก็ตาม เป็นเวลาอีกครึ่งศตวรรษก่อนที่วิศวกรโครงสร้าง Joseph Strauss จะส่งข้อเสนอสะพานของเขา แผนการพัฒนาและโครงการสุดท้ายได้รับการอนุมัติให้เป็นสะพานแขวนที่ลงเอยด้วยการใช้ กว่าสี่ปีในการสร้าง .

เมื่อสะพานโกลเดนเกตขึ้นไป สะพานนี้เป็นช่วงสะพานแขวนที่ยาวที่สุดในโลก โดยสายเคเบิลยึดตามถนนระหว่างหอคอยสองแห่งโดยไม่มีส่วนรองรับตรงกลาง และฉากนี้มีความท้าทายโดยธรรมชาติหลายประการ มีค่าใช้จ่ายประมาณ 37 ล้านเหรียญสหรัฐ ในเวลานั้น; การสร้างโครงสร้างแบบเดียวกันในวันนี้จะมีค่าใช้จ่ายประมาณพันล้านดอลลาร์ การออกแบบเกิดขึ้นได้อย่างไรในช่วง 80 ปีที่ผ่านมา – และเราจะทำสิ่งที่แตกต่างออกไปหรือไม่หากเราเริ่มต้นจากศูนย์ในวันนี้?

แผนผังของสะพานแขวน สายเคเบิลรองรับสีแดงส่งแรงจากสายเคเบิลแขวนสีดำไปยังเสาสีน้ำเงินและจุดยึดบทสนทนา

สะพานแขวนที่ยาวที่สุดในโลก

สะพานโกลเดนเกตเป็นสะพานแขวน ซึ่งหมายความว่าต้องอาศัยสายเคเบิลและสายแขวนภายใต้ความตึงเครียด ควบคู่ไปกับหอคอยที่อยู่ภายใต้การบีบอัดเพื่อข้ามเป็นระยะทางไกลโดยไม่มีการรองรับระดับกลาง ดาดฟ้าริมถนนแขวนจากสายแขวนแนวตั้งที่เชื่อมต่อกับสายเคเบิลหลักสองเส้นที่วิ่งระหว่างหอคอยและจุดยึดที่ปลาย สายแขวนจะถ่ายแรงของยานพาหนะและน้ำหนักในตัวเองไปยังสายเคเบิลที่รองรับซึ่งยึดกับเสาและบนพื้นแข็ง สะพานแขวนสานแบบเรียบง่ายRutahsa Adventures

สะพานแรกของประเภทนี้ อาจเชื่อมหน้าผาสองแห่งด้วยเชือกยืดหยุ่นเพื่อข้ามหุบเขาหรือแม่น้ำ เมื่อหลายร้อยปีก่อน เชือกเหล่านี้ทำมาจากเส้นใยพืช โซ่เหล็กมาในภายหลัง สะพานบรูคลินในนิวยอร์กซิตี้ เปิดในปี 1883 เป็นสะพานแห่งแรกที่ใช้สายเคเบิลเหล็ก ซึ่งต่อมาได้กลายเป็นมาตรฐาน

หอคอยน่าจะเริ่มเป็นหินธรรมดาในแต่ละด้านของหุบเขา ในที่สุดวิศวกรก็ใช้หินขนาดใหญ่หรือเสาเหล็ก ตัวอย่างเช่น สะพานโกลเดนเกตได้รับการสนับสนุนโดยค้ำยันที่ปลายแต่ละด้านและหอคอยสองแห่งซึ่งวางอยู่บนฐานรากที่ฝังอยู่ใต้พื้นทะเล

สายเคเบิลรองรับสองเส้นของสะพานโกลเดนเกตเป็นสิ่งเดียวที่ไม่มีการเปลี่ยนแปลงตั้งแต่เปิดสะพานให้สัญจรในปี 2480 สายเคเบิลหลักแต่ละเส้นประกอบขึ้นด้วยลวดเหล็ก 27,572 เส้นที่มีความหนาประมาณเท่าดินสอ ทีมงานก่อสร้างแขวนคอเกือบ สายไฟ 80,000 ไมล์ จากด้านหนึ่งของสะพานไปอีกด้านหนึ่ง

แทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะสร้างสายเคเบิลที่ยาวและหนาเป็นชิ้นเดียวโดยไม่มีข้อบกพร่องในการทำงานนี้ และที่สำคัญ หากมีสายเคเบิลขนาดใหญ่เพียงเส้นเดียวที่ยึดสะพานไว้และมีบางอย่างเกิดขึ้นกับสะพาน จะเกิดภัยพิบัติร้ายแรงขึ้น การใช้สายไฟที่มีขนาดเล็กลงหมายความว่าความล้มเหลวใดๆ จะช้าลง เหลือเวลาเพื่อเบี่ยงเบนภัยพิบัติ

ตั้งแต่ผู้คนเริ่มไตร่ตรองสะพานในอ่าวซานฟรานซิสโก มีความกังวลอย่างมากเกี่ยวกับความสามารถของโครงสร้างในการทนต่อลมแรงของสถานที่ น้ำเชี่ยวกราก และแรงแผ่นดินไหวที่อาจเกิดขึ้นได้ ซานฟรานซิสโกตั้งอยู่ที่สี่แยกสอง แผ่นเปลือกโลกที่ใช้งานอยู่ - เห็นได้ชัดว่าไม่มีใครอยากเห็นแผ่นดินไหวทำให้สะพานไหลลงมาซึ่งขณะนี้กำลังอยู่รอบ ๆ 112,000 คันต่อวัน .

เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหานี้ ผู้สร้างยังได้ติดตั้งโช้คอัพที่ปลายแต่ละด้านของสะพานเพื่อดูดซับพลังงานที่มาจากลมหรือแรงแผ่นดินไหว ตัวหน่วงการสั่นสะเทือนที่ออกแบบมาเป็นพิเศษเหล่านี้เป็นกระบอกสูบขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเมตร ทำจากแกนตะกั่วที่หุ้มด้วยยาง วางไว้ในตำแหน่งยุทธศาสตร์ พวกมันดูดซับพลังงานที่อาจทำให้สะพานพังได้

ให้อยู่ในสภาพดี

ภูมิปัญญาดั้งเดิมจะแนะนำว่าโครงการโครงสร้างพื้นฐานจะเสร็จสิ้นในไม่ช้าหลังจากการเปิดดำเนินการ แต่การรักษาให้สะพานโกลเดนเกตเป็นแบบยอดแหลมนั้นจำเป็นต้องมีการบำรุงรักษาที่เข้มงวดอย่างต่อเนื่อง เป็นเวลา 80 ปี ทีมงานซ่อมบำรุงโดยเฉพาะ ได้ซ่อมแซมสะพาน ทาสีใหม่ และเปลี่ยนชิ้นส่วนที่สึกกร่อนหรือแตกหักตามความจำเป็น

งานนี้ต้องทำตามมาตรฐานที่เข้มงวด ตัวอย่างเช่น เมื่อจำเป็นต้องเปลี่ยนสลักเกลียวนับพันตัวที่เชื่อมต่อกับชิ้นส่วนต่างๆ ของสะพาน จะต้องถอดออกไม่เกินสองตัวพร้อมกัน เพื่อรักษาสะพานให้ปลอดภัยจากลมแรงหรือแรงแผ่นดินไหว

มีปัญหาการบำรุงรักษาโครงสร้างด้วย เนื่องจากกาลเวลาผ่านไปและความแปรปรวนของอุณหภูมิอย่างต่อเนื่อง สายเคเบิลและสายแขวนจะยืดออกหรือหดตัว และจำเป็นต้องตรวจสอบและปรับความตึงเป็นระยะ การปรับประเภทนี้เรียกว่าการจูน (tuning) และคล้ายกับการที่นักดนตรีรักษาเครื่องสายให้ให้เสียงดีที่สุด

จะเกิดอะไรขึ้นถ้าเราสร้างมันขึ้นมาในวันนี้?

เนื่องจากขนาดใหญ่ ค่าบำรุงรักษา บางคนได้แนะนำให้สร้างสะพานโกลเดนเกตขึ้นใหม่ในลักษณะที่จะจำกัดค่าบำรุงรักษาและดำเนินการอย่างต่อเนื่อง นอกเหนือจากความเป็นไปได้ทางการเมืองแล้ว วิศวกรจะออกแบบสะพานอย่างไรหากพวกเขาจะสร้างสะพานใหม่ตั้งแต่ต้นวันนี้

เมื่อเวลาผ่านไป นักวิจัยได้พัฒนาวัสดุที่เบากว่า การใช้โพลิเมอร์เสริมแรงด้วยไฟเบอร์ (Fibre Reinforced Polymers (FRP)) แทนการใช้เหล็กหรือคอนกรีตเป็นวิธีลดน้ำหนักของโครงสร้างขนาดนี้ น้ำหนักในตัวเองนี้มักใช้ความต้านทาน 70 ถึง 80 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งเป็นภาระสูงสุดที่สามารถรับได้ก่อนที่จะล้มเหลว โดยการลดขนาดลง โครงสร้างของสะพานจะต้องมีความแข็งแรงน้อยลง ทำให้มีตัวเลือกที่ถูกกว่าและง่ายกว่า

ตัวอย่างเช่น นักออกแบบได้เริ่มใช้วัสดุ Fiber Reinforced Composite (FRP) ในสะพานต่างๆ เช่น Market Street Bridge ในเวสต์เวอร์จิเนีย FRP ใช้เม็ดพลาสติกเพื่อยึดใยแก้วหรือเส้นใยคาร์บอนเข้าด้วยกัน ซึ่งให้ความแข็งแรงแก่วัสดุ เนื่องจากน้ำหนักเบากว่าคอนกรีตถึงสี่เท่า FRP จึงแข็งแรงกว่าห้าถึงหกเท่า

เป้าหมายแรกของนักออกแบบในการเปลี่ยนสะพานโกลเดนเกตน่าจะเป็นองค์ประกอบของสายเคเบิล เหล็กที่ใช้อยู่ในปัจจุบันมีการกัดกร่อน หนักกว่าวัสดุใหม่ถึงสี่เท่า และอาจล้มเหลวในสภาพแวดล้อมที่มีความชื้นและอุณหภูมิที่รุนแรง เช่นเดียวกับที่พบในสถานที่นี้ สายคาร์บอนมีความเฉื่อยมากกว่าและมีการใช้งานทั่วโลกแล้ว

ในสะพานแขวนสายเคเบิล สายเคเบิลเชื่อมต่อโดยตรงจากดาดฟ้าไปยังหอคอยบทสนทนา

วัสดุที่เบากว่าเหล็กเหล่านี้ยังสามารถนำไปใช้ในองค์ประกอบอื่นๆ ของสะพานได้ เช่น ถนนจราจร การใช้พื้นระเบียงพลาสติกคอมโพสิตสามารถลดน้ำหนักตัวของดาดฟ้าของสะพานโกลเดนเกตได้ห้าเท่า ซึ่งจะทำให้วิศวกรสามารถออกแบบและสร้างสะพานแขวนสายเคเบิลแทนที่จะเป็นสะพานแขวน ข้อได้เปรียบก็คือความสามารถในการกำจัดสายเอี๊ยม ในแรงสะพานที่ยึดด้วยสายเคเบิลจะถูกส่งโดยตรงจากดาดฟ้าไปยังหอคอยด้วยสายเคเบิล สะพานแขวนบนทางหลวงสายแรกที่มีสายเคเบิล CFRP คือสะพานนกกระสาของสวิตเซอร์แลนด์ ซึ่งเปิดใช้ในปี พ.ศ. 2539

สะพานแขวนสายเคเบิลสามารถมีช่วงยาวกว่าสะพานแขวน ดังนั้นโครงสร้างระหว่างส่วนรองรับกับชายฝั่งจึงง่ายกว่า การสร้างหอคอยใกล้ชายฝั่งมากขึ้นโดยที่พื้นน้ำตื้นขึ้น จะช่วยบรรเทาปัญหาหลักประการหนึ่งเมื่อสร้างสะพานโกลเดนเกตขึ้นครั้งแรก: การทำงานบนฐานรากของหอคอยในน้ำลึกเป็นเรื่องยากและมีราคาแพง ด้วยกระแสน้ำที่แรง

ระบบหน่วงยังสามารถแก้ไขได้ด้วยการออกแบบใหม่ แดมเปอร์แบบแกนตะกั่วที่ใช้ในการก่อสร้าง Golden Gate สามารถแทนที่ด้วยเทคโนโลยีที่ใหม่กว่าซึ่งสามารถต้านทานลม การจราจร และแรงแผ่นดินไหวได้ดีกว่า การปรับปรุงนี้จะช่วยให้มั่นใจได้ว่าความล้มเหลว เช่น ที่เกิดขึ้นบนสะพานทาโคมาแนโรวส์ - เมื่อลมพัดสะพานไปด้านข้าง สะพานจะบิดและยุบตัว - จะได้รับการป้องกัน

จากที่กล่าวมาทั้งหมด สะพานโกลเดนเกตยังคงทำงานได้ดี แม้จะมีตัวเลือกอื่นที่เป็นไปได้และถูกกว่า แต่ก็ไม่มีใครทำงานจริงเพื่อแทนที่ไอคอน Art Deco และงานสีส้มระดับนานาชาติที่โด่งดังไปทั่วโลก สะพานโกลเดนเกตได้รับการตรวจสอบอย่างใกล้ชิดเพื่อให้แน่ใจว่าไม่เกินขีดจำกัดความเครียดเนื่องจากการจราจร ลม และคลื่นไหวสะเทือน เราสามารถตั้งตารออย่างน้อยอีก 80 ปีของผลงานชิ้นเอกทางวิศวกรรมชิ้นนี้

Hota GangaRao เป็นศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมโยธาและสิ่งแวดล้อมที่ มหาวิทยาลัยเวสต์เวอร์จิเนีย และ มาเรีย มาร์ติเนซ เด ลาฮิดัลกา เด ลอเรนโซ เป็นผู้ช่วยวิจัยระดับบัณฑิตศึกษาที่ มหาวิทยาลัยเวสต์เวอร์จิเนีย . บทความนี้ถูกตีพิมพ์ครั้งแรกเมื่อ บทสนทนา . อ่าน บทความต้นฉบับ .