Teräsvaijerien myötä jyhkeät kiviholvijonot vaihtuivat ilmaviin kaariin. Siltainsinöörit halajavat edelleen yhä sirompia muotoja lujuudesta tinkimättä.

TEKSTI:Risto Varteva


Sisältö jatkuu mainoksen alla

Teräsvaijerien myötä jyhkeät kiviholvijonot vaihtuivat ilmaviin kaariin.
Siltainsinöörit halajavat edelleen yhä sirompia muotoja lujuudesta tinkimättä.

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Julkaistu Tiede-lehdessä

6/2001

Ensimmäinen silta oli melko varmasti myrskyn kaatama puu, jonka runko oli rojahtanut puron poikki. Esivanhemmiltamme ei vaadittu suurtakaan nokkeluutta oivaltaa, että puun voi itsekin kaataa sillaksi.

Kestävät, kätevät ja tarpeeksi pitkät sillat vaativat kuitenkin suunnittelua. Mikään hirmumyrsky ei kykene viskaamaan kivenjärkäleitä siltaholviksi, jonka ali puron tai joen vesi pääsee virtaamaan vapaasti.

Holvi piti järkeillä

Kivenlohkareista kootut holvisillat ovat niin kestäviä, että niitä on säilynyt tuhansien vuosien takaa. Kiviholvin kestävyys johtuu kahdesta syystä.

Ensinnäkin kivi sietää suurta kuormaa, jos kuorma kohdistuu siihen puristuksena eikä vetona. Puristus myös saa lohkareet takertumaan toisiinsa lujasti ilman laastiakin.

Toiseksi holvin muoto takaa sen, että kivet puristuvat toisiaan vasten. Tällä tavalla holvi muodostaa omalla painollaan lujan rakennelman - kunhan holvikaaren päät vain ovat tukevasti kiinni perustassaan. Vaikka holvi kestää oman painonsa ja jonkin verran kuormaa sen lisäksi, holvin päälle ei kannata lastata liikaa tavaraa.

Holvi on luja vasta kun lakikivi on paikallaan. Ennen sitä holvissa on vain kaksi huteraa kaarta. Lakikiven ratkaisevasta asemasta luultavasti johtuu, ettei elollisessa luonnossa ole holvirakenteita: ihmisen on pitänyt keksiä holvi itse kokeilemalla ja järkeilemällä.

Raskaiden rakennuskivien siirtely ei ollut ylipääsemätön ongelma; olihan pyramidejakin jo rakennettu. Holvisiltojen rakentamisessa ansioituneet roomalaiset tunsivat väkipyörän, jonka avulla lihasvoima moninkertaistui.

Englantilainen tekniikan historioitsija J. G. Landels sanoo kirjassaan Antiikin insinööritaito (Insinööritieto Oy 1985), että vaikka kitkahäviöt otettaisiin huomioon, yksi mies pystyi nostamaan vintturilla kahden tonnin eli melkein kuutiometrin kokoisen järkäleen. Kivi tosin nousi hitaasti, mutta ennen pitkää se kuitenkin pääsi oikealle paikalleen.

Riippusilta holvin peilikuva

Riippusilta on kuin holvisillan peilikuva, eikä yhtäläisyys suinkaan ole sattumaa. Perinnäisen riippusillan köydet kaareutuvat samalla tavalla kuin itse itseään kannattava holvi, mutta toisin päin: se, mikä holvissa on kiviin kohdistuvaa puristusjännitystä, on riippusillassa köyteen kohdistuvaa vetojännitystä.

Teräsköydet kestävät vetojännitystä hyvin. Jos riippusilta kiepautettaisiin nurin ja teräsköysien tilalle pantaisiin kivenlohkareet samanmuotoiseksi kaareksi, saataisiin holvi, joka pysyy hyvin koossa. Tätä voi muuten kokeilla käytännössä tiedekeskus Heurekassa.

Riippusillalle voisi hyvällä tahdolla löytää esimerkin luonnosta, sillä monet hämähäkit ripustavat verkkonsa kuin riippusillaksi. Esivanhempamme taisivat kuitenkin löytää riippusillan idean yksinkertaisesti heittämällä liaanin tai ruohosta punotun köyden rotkon poikki.

Lujuuslaskelmat avuksi

Sillat rakennettiin pitkään kokemusperäisen tiedon varassa. Vasta 1600-luvulla englantilainen fyysikko Robert Hooke alkoi selvittää materiaalien veto- ja puristuslujuutta, ja 1700-luvulla sveitsiläinen matemaatikko Leonhard Euler tutki järjestelmällisesti, miten suuren kuorman erilaiset tangot ja sauvat kestävät vääntymättä luokille. Tästä alkoi lujuusoppi, jossa varsinkin ranskalaiset insinöörit ja matemaatikot kunnostautuivat 1800-luvulla.

Lujuuslaskelmien teko oli vielä muutama vuosikymmen sitten hyvin työlästä, sillä melko yksinkertaisessakin rakenteessa on kymmeniä yksityiskohtia, joiden ominaisuuksia voidaan muutella. Laskelmissa ei riitä se, että rakennelma saadaan pysymään pystyssä, sillä sen on kestettävä myös vaihtelevaa kuormitusta, joka voi saada aikaan hallitsematonta tärinää tai huojuntaa.

Nykyisin nämä laskelmat tehdään tietokoneilla, jotka pystyvät tutkimaan eri vaihtoehtoja suunnattomasti enemmän kuin aiemmat sukupolvet tekivät veivattavilla laskukoneillaan. Tietokone on kuitenkin vain apuväline: varsinainen suunnitelma syntyy aina insinöörin ja arkkitehdin päässä.

Puusilloissa oli käytetty samanlaisia ristikkorakenteita kuin taloissakin. Ne perustuivat pitkän kokemuksen tuomaan osaamiseen, ja siksi myös ensimmäiset rautasillat rakennettiin samaan tapaan. Se oli järkevää, sillä puun tapaan myös rauta kestää puristusta, vetoa ja taivutusta.

Lujuusopin kehittyminen antoi kuitenkin uusia eväitä rauta- ja teräsrakenteiden suunnitteluun, koska nyt kuhunkin kohtaan osattiin panna riittävän vahva palkki. Samalla vältyttiin siltä, että materiaalia olisi haaskattu tekemällä palkki liian vahvaksi.

Onnettomuudet opettivat

Lujuuslaskelmat täydensivät aiempaa menetelmää, jossa pienoismallia kuormitettiin ja katsottiin, mikä kohta murtuu. Murtunutta kohtaa vahvennettiin, ja näin kokeita jatkettiin, kunnes silta näytti kestävän.

Erehdyksiäkin sattui. Skotlantiin Tayjoen yli rakennetun teräksisen rautatiesillan lujuus oli laskettu kestämään raskaita junia, mutta joulukuussa 1879 kova myrsky ja juna olivat yhdessä liikaa, ja silta romahti.

Samanlaista rakennetta oli tarkoitus käyttää myös lähistöllä sijaitsevan Forthinvuonon ylitykseen, mutta nyt hanke peruttiin ja Forthin siltaa alettiin suunnitella uudelleen. Paikalla tehtiin kaksi vuotta tuulimittauksia, ja lopulta sillasta tuli viisi kertaa lujempi kuin alun perin oli tarkoitus.

Ultrabetonia, sitten nanoputkia

Siltamateriaaleja kehitetään kaiken aikaa. Tulossa on esimerkiksi tavallista betonia monin verroin lujempi ultrabetoni, jota käyttäen myös betonisilloista saadaan keveitä ja siroja (ks. Tiede 5/2001, s. 14).

Vielä tulee varmasti sekin aika, jolloin hiuksenohuista nanoputkista saadaan kohtuuhintaan käsivarren paksuisia keveitä hiilitankoja. Ne voivat olla terästä vahvempia, joten insinöörit ja arkkitehdit saavat entistä enemmän pelivaraa.

Hyvin kaukaisessa tulevaisuudessa rakennusmateriaaliksi otetaan kiderakenteeltaan virheettömät metallit, niin kutsutut yksikiteet. Koska kidevirheitä ei ole, murtumat eivät pääse mistään alkuun.

Tällaista rakennetta ehdotti scifikirjailija Arthur C. Clarke kirjassaan Paratiisin suihkulähteet (Kirjayhtymä 1981). Siinä pystytetään hissitorni, joka ulottuu kymmenientuhansien kilometrien korkeuteen. Sekin on eräänlainen silta, tosin tällä kertaa Maan ja avaruuden välillä - ja Clarken ennusteet tuppaavat ennen pitkää toteutumaan, kuten on käynyt esimerkiksi tv-satelliiteille.

Sisältö jatkuu mainoksen alla