Köysisillat

Kehitys, saavutukset ja mahdollisuudet

Köysisillat ovat nuorimpia, nopeimmin kehittyviä ja lupaavimpia siltajärjestelmiä.

Köysisillat ovat ripustettujen rakenteiden alaluokka. Köysisilta muistuttaa riippusiltaa siinä mielessä, että siinä on kaapeleilla tuetut tornit ja kansi-palkki, mutta sen diagonaalikaapelit siirtävät pystysuorat kuormat kannelta suoraan torneille. Näin ollen köysisillan kannen pääpalkki toimii kuin jatkuva palkki köysitukien varassa (jotka ovat joustavampia kuin pilaritukien varassa), ja koko kannessa on ylimääräinen puristusvoima. Köysirakenteinen silta on myös esijännitetty järjestelmä, koska sen köysirakenteiset tukijalat on lisäksi jännitetty vastapainoksi merkittävälle osalle pääkannen palkkiin kohdistuvista pystysuorista kuormista.

Strömsundin siltaa Ruotsissa, joka valmistui vuonna 1956 ja jonka pääjänneväli on 182 metriä, pidetään ensimmäisenä nykyaikaisena köysirakenteisena siltana. Seuraavien 65 vuoden aikana köysisillat ovat lisääntyneet dramaattisesti sekä uusien rakenteiden määrässä että pitkien jännevälien saavutuksissa. Vuoteen 1995 mennessä oli vain kolme yli 500 metrin (1 640 jalan) jänneväliä omaavaa köysisiltaa; 25 vuotta myöhemmin on jo 67 yli 500 metrin jänneväliä omaavaa köysisiltaa (joista kolme on yli 1 000 metrin (3 280 jalan) jänneväliä). Rakenteilla on 29 muuta yli 500 metrin jänneväliä, joista osa on yli 800 metrin (2 624 jalan) pituisia.

Vaijerisiltojen tehokas valikoima on siirtymässä kohti vieläkin pidempiä jännevälejä. Mikään muu siltarakennejärjestelmä ei ole kehittynyt yhtä nopeasti. Useimmat köysisillat ovat visuaalisesti kauniita, ja jotkin niistä kuuluvat vaikuttavimpiin insinööriteknisiin saavutuksiin.

Alkuperä ja ennakkotapaukset

Idea köysisilloista on ehkä saanut innoituksensa keskiaikaisten linnojen vetosilloista ja suurten laivojen köysirakenteisista mastoista. Ensimmäinen dokumentoitu kuva köysisillasta on Fausto Veranzion vuonna 1615 julkaisemassa kirjassa Machinae Novae.

Nykyaikaisten köysisiltojen edeltäjät ilmestyivät 1800-luvulla erilaisina hybridiyhdistelminä ripustusjärjestelmistä, joissa on lisäksi vinoja suoria kaapeleita, kuten Albertin silta Yhdistyneessä kuningaskunnassa (1873). Tunnetuin näistä hybridirakenteista on New Yorkin Brooklynin silta (1883), jonka pääjänneväli on 486 metriä (1 594 jalkaa) ja jossa John Roebling käytti vinokaapeleita rakenteen jäykistämiseen.

1960- ja 1970-luvuilla järjestelmää kehitettiin edelleen korvaamaan monia toisen maailmansodan aikana Saksassa tuhoutuneita siltoja. Tänä aikana järjestelmää käytettiin myös kattorakenteisiin, jotka vaativat rakennusten pitkiä, pilarittomia tiloja. Aluksi köysirakenteita käytettiin 60-250 metrin (196-820 jalan) sillan jänneväleihin, mutta nykyään ne kattavat paljon pidempiä matkoja, ja ne ovat ainoa järjestelmä, joka haastaa riippusillat erittäin pitkissä jänneväleissä. Niiden jänneväli kasvoi 302 metriin (990 jalkaan) vuonna 1959 Severinin sillalla (Saksa), 404 metriin (1 325 jalkaan) vuonna 1974 Saint Nazairen sillalla (Ranska) ja 856 metriin (2 808 jalkaan) vuonna 1995 Michel Virlogeux’n Normandian sillalla (Ranska). Nykyisin tämän järjestelmän pisin jänneväli on Venäjällä sijaitsevalla Russky Island Bridge -sillalla, joka on 1 104 metriä (3 622 jalkaa) vuonna 2012 (kuva 1).

Yhdysvalloissa voidaan mainita toinen Sunshine Skyway Bridge, jonka jänneväli on 366 metriä (1 200 jalkaa) vuonna 1987 (Florida), Dames Point Bridge, jonka jänneväli on 396 metriä (1 300 jalkaa) Floridassa, ja Arthur Ravenel Bridge, jonka jänneväli on 471 metriä (1 545 jalkaa) vuonna 2005 (Etelä-Carolina).

Järjestelmän erityispiirteet

Vaijerisillan pääelementit ovat tornit tai pylväät, kansitukipalkki(t), vaijerijalat, ankkurointipaikat ja perustukset. Torni ja pyloni ovat keskenään vaihdettavissa olevia termejä; kevyempiä, hoikkia torneja kutsutaan usein pyloneiksi. Klassiset köysisillat ovat symmetrisiä, ja niissä on yksi keskijänneväli, kaksi sivujänneväliä ja kaksi tornia; tällaisia ovat useimmat köysisillat, joiden jänneväli on yli 600 metriä. Tukikaapelit voivat ulottua useiden sivujännevälien yli.

Asymmetrisissa köysisilloissa on yksi pääjänneväli ja yksi sivujänneväli, ja niissä on yksi torni. Monijakoisissa köysisilloissa on kaksi tai useampi (yleensä yhtä suuri) pääjänneväli. Kuvassa 2 on esitetty useita esimerkkejä.

Joitakin alajakoja käytetään kaapelisilloissa: ulokkeellinen, alijännevälirakenteinen (under-deck), kehtorakenteinen, käänteinen Fink-ristikkorakenteinen (inverted Fink truss) ja tensegrity. Tornien kaapelit voidaan järjestää rinnakkain (harppu), viuhka-, tähti- tai sekamuotoisina. Torneissa käytetään erilaisia rakenteellisia ratkaisuja: yksittäisiä pylväitä, kaksoisjalkaisia portaaleja (pystysuoria, hieman kulmikkaita, vapaasti seisovia tai toisiinsa liitettyjä portaalirunkoja, joissa on A-, H-, Y- tai käänteisen Y:n muotoisia kaaria).

Tornit voivat olla jatkuvia kannen ylä- ja alapuolella, jotka tukevat sekä kantta että kaapeleita, tai ylempi osa voi tukea vain kaapeleita, kun taas kansi-palkki on tuettu suoraan laitureihin. Esimerkkejä on esitetty kuvassa 3.

Perusrakennusmateriaalit, joita käytetään köysisilloissa, ovat:

• Kansissa: teräsbetoni- tai esijännitetyt betoni-, betoni-teräs- tai ortotrooppiset teräskannet;
• Kannattajapalkkien osalta:
• Torneja varten: teräs, teräs- tai jännitetty betoni, komposiittiteräsbetoni;
• Vaijereita varten: lujat teräslangat, yleensä 270-luokkaa (270 ksi tai 1 860 MPa), jotka on rakennettu 7-langaisista, ⅜-tuumaisista (9.5 millimetriä) ASTM A886:n mukaisista säikeistä, muista korkealaatuisemmista teräslangoista, hiilikuituvahvisteisista polymeereistä (CFRP) tai komposiiteista. Jännitettyä betonia on käytetty aiemmin, mutta sitä tulisi välttää, koska se on osoittautunut vaaralliseksi joissakin epäonnistumisissa, kuten Morandin sillassa;
• Pilarien ja perustusten osalta: teräsbetonia paaluilla tai ilman paaluja maaperästä riippuen.

Pitkän jännevälien siltojen, pehmeillä maaperillä sijaitsevien perustusten tai voimakkaan seismisen vaikutuksen omaavilla alueilla sijaitsevien siltojen osalta on suositeltavaa käyttää pääasiassa teräsrakenteita, jotta voidaan pienentää omapainoa ja siihen liittyviä maanjäristysvoimia.

Konseptisuunnittelu

Siltasuunnittelun tärkein osa on rakenteen ja sen elementtien kokonaiskonsepti: sopivan rakennejärjestelmän valinta sillalle ottaen huomioon sen erityistehtävä, sijainti ja vaaditut jännevälien pituudet. Hyvin valittu konsepti määrittää sillan tehokkuuden ja taloudellisuuden, säästää materiaaleja, kustannuksia ja rakennusaikaa. Hyvillä suunnittelukonsepteilla minimoidaan ongelmat ja tulevat vaikeudet sekä suunnittelutoimistossa että työmaalla.

Varhaisten köysisiltojen suunnittelussa insinöörit käyttivät suhteellisen vähän kaapeleita. Lisäkokemuksen hankkimisen jälkeen ja rakennesuunnitteluohjelmistojen käyttöönoton myötä insinöörit pystyivät käyttämään suurempaa määrää kaapelitukia, mikä vähensi kansirakenteeseen kohdistuvia vaatimuksia ja johti suurempaan tehokkuuteen ja pidempiin jänneväleihin.

Kaapelisiltojen suunnittelun perusteet ovat seuraavat: kannen pystysuuntaiset kuormat tuetaan diagonaalisilla kaapelitukilla, jotka siirtävät nämä kuormat torneille. Tornissa pääjännevälistä tulevien kaapeleiden vaakakomponentit ovat tasapainossa sivu-/viereisten jännevälien kaapeleiden kanssa. Tornit tukevat ja siirtävät pystysuorat kuormat perustuksille. Vastaavasti pääjännevälien kuormien kumulatiiviset puristusvaakakomponentit ovat tasapainossa sivujännevälien puristuskuormakomponenttien kanssa. Näin ollen koko siltajärjestelmä on tasapainossa, kun tornien ja kansijärjestelmän puristusvoimat ovat vallitsevia ja kaapelikannattajien vetovoimat vallitsevia. Järjestelmä on itsetasapainossa edellyttäen, että kaikki elementit suunnitellaan oikein, jotta ne kestävät suurimman mahdollisen kuormitusyhdistelmän aiheuttaman maksimikuormituksen.

Suunnittelijan haasteena on valita sopiva yhdistelmä useista mahdollisista tornien, kaapelipilarijärjestelyjen ja kansijärjestelmien muunnelmista. Kuten kaikki riippuvat rakenteet, myös köysisillat ovat herkkiä muodonmuutoksille, ja järjestelmän muodonmuutostila on tarkistettava kaikkien kuormitusyhdistelmien osalta, myös rakentamisen eri vaiheiden aikana.

Tämän päivän rakennesuunnitteluohjelmistot auttavat insinöörejä suuresti köysisiltojen laskennassa. Järjestelmän pääparametrien valinnan jälkeen on olennaista määrittää kannen-palkin, kaapeleiden ja tornien aloitusmitat ja poikkileikkaukset. Yksinkertainen suunnittelulähestymistapa auttaa näiden mittojen määrittämisessä.

Aluksi suunnittelija voi käyttää korvaavaa yksinkertaisesti tuettua palkkia pääjännevälien kansi-palkin likimääräisten taivutusmomenttien määrittämiseen. Kaapelipilarien esijännitys ylöspäin voi kompensoida suurimman osan kannen pysyvistä kuormista aiheutuvista momenteista. Tämä saavutetaan kaapeleiden lisäjännittämisellä pääelementtien pystyttämisen jälkeen pysyvien kuormien vastapainoksi, jolloin kannen ja palkin pystysuuntainen taivutus on minimaalinen. Kaapelit olisi kiristettävä siten, että ne tasoittavat 50 prosenttia tilapäisistä alaspäin suuntautuvista kuormista (elävät kuormat, tuuli, lumi, jää ja maanjäristys). Tällä tavoin kannen ja palkin taivutusmomentit vaihtelevat käytön aikana noin 50 %:n välillä positiivisista momenteista (pahimmasta väliaikaisesta kuormitusyhdistelmästä) ja 50 %:n välillä väliaikaisista kuormista aiheutuvista negatiivisista momenteista. Tällä ”ensimmäisellä askeleella” määritetään pääjännevälien kannen-palkin suunnittelumomentit. Kaapeleiden kiinnitysvoimien vaakakomponenttien aiheuttama puristus kannen palkissa on näiden komponenttien kumulatiivinen summa, joka on noin 55-65 prosenttia pääjännevälien pystysuuntaisista kokonaiskuormista jännevälistä, kaapeleiden lukumäärästä ja tornin kaapeliliitosten korkeudesta riippuen. Kannen-palkin kumulatiivinen puristusvoima (ΣPc) on yhtä suuri kuin kaikkien kannen kaapeliliitoksissa (kuva 4) olevien puristusvoimien Pci summa: vetokaapelin voima Pcable = Pv/sin α,

Pci on kannen-palkissa oleva puristusvoima kaapelin voiman vaakakomponentista,

Pvi on kannen-palkin kaapeliliitokseen kohdistuva pystysuora DL + LL -voima sekä lisäksi kohdistuvan vetovoiman pystykomponentti,

Li on vaakasuora etäisyys tästä liitoksesta torniin ja

Ht on tämän kaapeliliitoksen korkeus tornissa kannen yläpuolella.

Kumulatiivisen puristusvoiman yksinkertaistettu alkulaskelma saadaan:

jossa:

ΣPc on kumulatiivinen puristusvoima kannen-palkin kohdalla, suurin tornien kohdalla,

ΣPv on kaikkien alaspäin suuntautuvien pystysuuntaisten voimien summa pääjännityskannella,

Lmax on pääjännityspituus,

Ht on tornin kaapeliliitosten korkeus kannen yläpuolella, kuten kuvassa 4 on esitetty viuhka- tai harppikaapelikokoonpanossa, ja

Lgr on kaapeliryhmän kokonaispituus harppikokoonpanossa.

Kaikkien kaapeleiden vaakasuuntaisten voimien summa tornissa (pääjännevälin suunnasta katsottuna) on yhtä suuri kuin pääjännevälin kannen-palkin kumulatiivinen puristusvoima, joka tasapainotetaan vastakkaisella puolella olevalla yhtä suurella voimalla.

Näiden laskelmien avulla suunnittelija voi määrittää kaapeleiden, kannen-palkin ja tornin alkuperäiset mitat, joita käytetään tietokonemallissa järjestelmän jatkosäätöjä ja hienosäätöjä varten. Kansi-palkki on suunniteltava kaapeli-pylväsjärjestelmän aiheuttamaa puristusta ja taivutusta varten sekä tyypillisen siltakannen suunnittelua varten pystysuuntaisia kuolleita ja jännitteisiä kuormia varten. Edellä kuvattu alustava lähestymistapa auttaa saavuttamaan halutun lopullisen tavoitteen nopeammin.

Tehokkuus ja taloudellisuus

Vaijerijohteiset sillat ovat kustannuksiltaan, materiaaleiltaan ja rakentamisajaltaan tehokkaita. Niiden tehokkuus on parempi kuin muiden siltajärjestelmien, joiden ainoa kilpailija on riippusiltajärjestelmä, ja ne mahdollistavat samalla suoraviivaisemmat rakentamismenetelmät. Kaapelisiltojen lisäetuna on niiden suurempi tehokas jänneväli, joka ulottuu 100 metrin jänneväleistä (328 jalkaa) yli 1 000 metrin jänneväleihin (3 280 jalkaa).

Järjestelmän moninaiset mahdollisuudet tarjoavat insinööreille ja arkkitehdeille monia suunnitteluvaihtoehtoja. ”Keskipitkän kantaman” rakenteet mahdollistavat enemmän luovuutta, omaperäisyyttä ja mahdollisuuksia innovatiiviseen työhön. Köysisillan ei tarvitse olla kohtuuton. Yksinkertaisin silta, jossa on ”vilpitön” rakenne, on usein paras, ja se on yleensä tyylikäs ja viehättävä.

Vaijeriliukuisissa silloissa yhdistyvät tyylikkyys, hoikkuus ja kestävyyden tunne. Kansallisen infrastruktuurin vaatimus useampien siltojen rakentamisesta edellyttää tehokkuuden ja taloudellisuuden asettamista etusijalle.

Suunnittelutaidossa tarvitaan luovuutta ja mielikuvitusta, mutta insinöörien tulisi välttää toistuvia ja epäloogisia muotoja. Luovuus on välttämätöntä, mutta ”liiallista omaperäisyyttä” tulisi esiintyä vain perustelluissa poikkeustapauksissa (esim, Christian Menn ja Michel Virlogeux).

Hyötyjä ja haittoja

Järjestelmän tärkeimmät edut ovat:

• Nopea ja suhteellisen helppo rakentaminen, vaatii vähemmän aikaa rakentamiseen
• Vähäisempi hinta
• Monipuoliset suunnitteluvaihtoehdot
• Suuri tehokas jännevälialue
• Vahvat ja joustavat rakenteet
• Viehättävä ulkoasu

Pääasiallisimmat järjestelmään liittyvät haittapuolet ovat:

• Se on edelleen huonompi kuin riippusillat erittäin pitkien jännevälien osalta
• Edellyttää muodonmuutosten tarkistamista kaikissa olosuhteissa
• Edellyttää kokemusta sekä suunnittelusta että rakentamisesta

Jatkokehitys

Kuten kaikkia muitakin siltajärjestelmiä, myös köysisiltoja parannetaan jatkuvasti lujien materiaalien ja uusien rakennustekniikoiden kehittämisen perusteella. Insinöörien kannalta arvokkaampia ovat vakiintuneiden rakennejärjestelmien ja uudempien osajärjestelmien muutokset. Sen lisäksi, että yhä useammat kaapeloidut sillat, joiden jänneväli on pidempi (yli 600 metriä tai noin 2 000 jalkaa), on lisääntynyt, järjestelmää käytetään yhä enemmän jalankulkusiltoihin. Pienemmät kuormat ja lyhyemmät jännevälien pituudet antavat insinööreille mahdollisuuden tutkia uusia lähestymistapoja, jolloin näiden siltojen rakentaminen muuttuu innovaatioiden testauslaboratorioksi. Sellaisina voidaan tarkastella ulokkeellisia, alikulkevia ja käänteisiä Fink-trussin alisiltajärjestelmiä, jotka kaikki on suunnattu parempaan tehokkuuteen.

Yksi jatkokehitysalueeksi on suunniteltu kaapeli- ja riippusiltajärjestelmien yhdistelmiä/hybridejä erittäin pitkien jännevälien saavuttamiseksi. Ajatuksena on lyhentää riippusillan jänneväliä siirtämällä riippusillan tukipisteet sisäänpäin jänneväliä pitkin. Tämä ei vähennä ainoastaan ripustusjänneväliä vaan myös vaadittavaa tornin korkeutta ja mahdollistaa samalla pidemmän vapaan jännevälien pituuden. Tämä saavutetaan ”kaapelipylväsvaihtoehdoilla” siltatorneissa lisäämällä ”kannelle” kaapelipylväitä (kuva 5). Kun käytetään 500 metrin (1 640 jalan) ulokkeita ja kannella olevia kaapelipylväitä 3 000 metrin (9 842 jalan) vapaan jännevälin molemmin puolin, ripustusosuus lyhenee 2 000 metriin (6 561 jalkaan). Tällainen pienentäminen mahdollistaisi sen, että paljon pidemmän pääjänneväliä varten voitaisiin käyttää pääjännevaijereita, jotka ovat kooltaan ja tyypiltään samankokoisia ja -tyyppisiä kuin ne, joita jo käytetään silloissa, kuten Akashi-Kaikyon sillassa, jonka pituus on 1991 metriä (6 532 jalkaa).

Johtopäätökset

Tämänhetkisen teknisen edistyksen ja nopean kehityksen perusteella köysisillat voivat saavuttaa lyhyessä ajassa 2 400-2 600 metrin jännevälit; tällainen rakenne edellyttää noin 500-570 metriä korkeita torneja, mikä on saavutettavissa, kun otetaan huomioon jo valmistuneet pilvenpiirtäjärakenteet. Tämä laajentaa köysisiltojen tehokkuusaluetta hyvin pitkiin, yli 2 000 metrin (6 561 jalan) jänneväleihin. Kaapeli- ja riippusiltojen hybridijärjestelmä mahdollistaisi vielä pidemmät, jopa 3 000-3 400 metrin jännevälit, kun ”pelkkä” riippusilta olisi ”vain” 2 200-2 400 metriä pitkä.

Kaapelirakenteiden tehokkuuden ja etujen perusteella amerikkalaisten insinöörien ja liikennevirastojen tulisi harkita uusia hankkeita suunnitellessaan yhä useampien kaapelirakenteisten siltojen rakentamista. Vaijerisiltojen laajempi käyttö voi parantaa infrastruktuuria näillä tehokkailla, nopeammin rakennettavilla ja tyylikkäillä rakenteilla. Köysisiltojen suosion lisääminen voi myös auttaa siltatekniikan ammattikuntaamme saamaan takaisin johtavan asemansa pitkien siltojen suunnittelussa ja rakentamisessa.■