Polyteekkari

Joku sanoi, että sillan rakentaminen olisi yksinkertaista matematiikkaa ja että sillan kestävyys olisi helppo laskea. Yksikertaista se ei ainakaan ole.

Uutta siltaa rakennettaessa voidaan kyllä helposti laskea materiaalien kestävyys ja kantavuus, mutta professori Aarne Jutila ja laboratorioinsinööri Lauri Salokangas TKK:n sillanrakennustekniikan laboratoriosta kertovat, ettei eri siltojen kestävyyttä pysty arvioimaan tarkasti pelkästään niiden ulkonäön perusteella.

Professori Jutila kuitenkin korostaa, että siltojen kestävyys on laskettavissa täysin varmasti, kunhan rakennusmateriaalien ominaisuudet tiedetään. Betonin valuvaiheessa monikin asia saattaa mennä pieleen, ja Suomessa viime vuosina jälleen suosituksi rakennusaineeksi nousseen puun kestävyydessä voi olla suuriakin eroja, mutta Lauri Salokangas kertoo, että tästä syystä eri materiaaleilla käytetään erilaisia varmuuskertoimia. Mitä isompi hajonta lujuusarvoissa on, sitä suurempia varmuuskertoimia käytetään.

Esimerkiksi teräsköysien valmistajat osaavat sanoa suoraan, että yksi viisi milliä paksu teräslanka kestää jo henkilöauton painon. Kun yksittäisiä säikeitä punotaan yhteen tuhansia kappaleita, saadaan aikaan varsin kestävä teräsköysi. Kun köyttä kuormitetaan, säikeet puristuvat tiukasti yhteen. Teräsrakenneyhdistys ry:n oppimateriaalin mukaan säikeiden korkea lujuus saadaan aikaiseksi käyttämällä normaaliin rakenneteräkseen verrattuna noin viisinkertaista hiilipitoisuutta. Tästä syystä säikeitä ei voi hitsata, ja köydet joudutaankin ankkuroimaan päistään erityisillä holkkimaisilla ankkurikappaleilla. Holkkien sisällä punos ja säikeet levitetään ja ankkuroidaan injektoimalla vapaa tila sinkkiseosmetallilla tai epoksihartsin, sinkkipölyn ja teräskuulien muodostamalla seoksella. Lisää haastetta tehtävään tulee siitä, että nykyaikaisilta vinoköysisilloilta vaaditaan, että kannatinköydet voidaan tarvittaessa vaihtaa esimerkiksi korroosion tai säikeiden katkeilun uhatessa niiden kestävyyttä.

Suomessa ajoneuvosillat suunnitellaan niin, että kuorma-auton yhdestä akselista saa kohdistua siltaan 21 tonnin paino tai yhteensä 126 tonnia kolmella akselilla ja kahdella kaistalla. Tämä kuormitus sillan pitäisi kestää ohjeiden mukaan sadan vuoden ajan, eli käytännössä uusien siltojen on oltava kestävämpiä materiaalien ominaisuuksien väistämättä heiketessä ajan saatossa.

Suuri on kaunista
Suomen pisin silta on Mustasaaressa, Vaasan pohjoispuolella oleva Raippaluodon silta. Se on vinoköysisilta, jonka suurin jänneväli on 250 m ja kokonaispituus 1 045 m. Sillan päällysrakennetta kannattelee 2 pylonitukea, 9 muuta välitukea ja 2 maatukea. Huomiota herättävät pylonit kurkottelevat 82,5 metrin korkeuteen vedenpinnasta. Kannatinköysiä on 64 kappaletta ja pisimmät niistä ovat 127 metriä pitkiä. Ajoradan leveys (kaideväli) on 12 metriä, kolmannes tästä (3,75 m) on varattu jalankulkijoille ja pyöräilijöille. Sillan vapaa alituskorkeus on 26 metriä.

Vinoköysisillan ja riippusillan erottaa siitä, että vinoköysisillassa kannatinköydet ovat suoria, kun taas riippusillassa pääkannatinköysi on kaareva ulottuen pylonin huipusta toisen pylonin huippuun. Molemmat tyypit ovat pisimpien jännevälien siltatyyppejä rajakohdan ollessa 1000 metrin kohdalla riippusillan eduksi.

Euroopan kokonaispituudeltaan pisin silta on Lissabonissa oleva Vasco da Gaman silta. Tämä vuonna 1998 avattu silta on 17,2 kilometrin pituinen, mutta tästä yli kaksitoista kilometriä on maan päälle rakennettua siltaa, viaduktia. Lissabonin keskustan puolella olevan riippusiltaosuuden vapaa alikulkukorkeus on 47 metriä merenpinnasta mitattuna. Tässä kohtaa voi hiljentää katselemaan maisemia, mutta muuten sillan yli kulkevalla kuusikaistaisella moottoritiellä voi ajella huoletta portugalilaisittain tyypillistä 160 km/h:n moottoritienopeutta.

Teknisenä rakennelmana Lissabonin toinen, Huhtikuun 25. päivän silta on selvästi mielenkiintoisempi. Vuonna 1966 avattu silta ylittää merenpinnan 79 metrin korkeudessa. Yhteensä 2278 metrin pituisen riippusillan pylonien väli on peräti 1013 metriä. Kun silta avattiin vuonna 1966, oli se jännemitaltaan Euroopan pisin. Tämän jälkeen pidempiä siltoja on rakennettu esimerkiksi Bosporin salmen yli Turkkiin ja Isoon-Beltiin Tanskaan.

Ensimmäiset sillat rakennettiin historian alkuhämärissä, aluksi puusta ja myöhemmin kivestä. Wikipedian mukaan teräs alkoi yleistyä sillanrakennusmateriaalina vasta 1800-luvulla. Tätä ennen pelkkä rauta ei vielä mahdollistanut tarpeeksi kestäviä rakenteita, eikä arvokasta metallia ollut ’tuhlattavaksi’ suuriin rakenteisiin ennen terästeollisuuden kehittymistä.

Maailman ensimmäisenä metallisiltana pidetään valuraudasta vuonna 1779 valmistettua The Iron Bridgeä Englannissa. Sillan valmistukseen käytettiin yhteensä 379 tonnia rautaa. Jo muutama vuosi sillan valmistumisen jälkeen siinä havaittiin ilmeisesti maan liikkumisesta aiheutuneita murtumia, mutta silti silta on edelleen pystyssä. Liikennöinti sillä tosin kiellettiin jo vuonna 1934.

Aina silta ei kestä
Aarne Jutila ja Lauri Salokangas kertovat, että jänneväliltään maailman suurimmassa sillassa, JapaninAkashi- Kaikyo -sillassa 93 prosenttia kantavuudesta menee pelkästään sillan omien rakenteiden kannatteluun ja vain seitsemän prosenttia liikenteelle. Vuonna 1998 valmistuneen sillan keskijänteen pituus on 1991 metriä ja pilarit nousevat 297 metrin korkeuteen vedenpinnasta. Vielä vuoteen 1995 saakka keskijänteen pituus oli 1990 metriä, mutta Koben maanjäristyksessä keskijänteen pituus venyi metrillä.

Tämä silta on kuitenkin suunniteltu kestämään maanjäristykset, eikä sillalle tapahtunut suuria vahinkoja. Siltoja romahtaa harvoin, mutta historia tuntee myös lukuisia tapauksia, joissa periaatteessa erittäin kestäviksi suunniteltuja siltoja on kuitenkin sortunut. Esimerkiksi Etelä-Koreassa kuoli yli 30 ihmistä, kun moottoritiesilta romahti kymmenisen vuotta sitten liiallisen liikenteen takia.

Ehkä kuuluisin suunnitteluvirheestä johtunut romahdus tapahtui vuonna 1940 Yhdysvalloissa, kun samana vuonna valmistunut Tacoma Narrows Bridge alkoi ensiksi heilua tuulessa täysin holtittomasti ja lopulta romahti fi lmi-kameroiden taltioidessa tilanteen jälkipolvien naureskeltavaksi. Syynä oli, että tuohon aikaan sillan kannen suunnittelussa ei osattu ottaa aerodymamiikkaa riittävästi huomioon. Valmistuessaan silta oli Wikipedian mukaan maailman kolmanneksi pisin 1810 metrin pituisena. Sekä sillan alkuperäinen suunnittelija Clark Eldridge että suunnitelmia myöhemmin muuttanut kuuluisa sillansuunnittelija Leon Moiseff saivat molemmat nimensä pysyvästi historiankirjoihin, mutta eiväthän sitä insinööritkään voi aina ottaa kaikkea huomioon laskelmissaan.

Yleisemmin ongelmia tulee, jos laivat tai autot törmäävät sillan kantaviin rakenteisiin. Esimerkiksi vuonna 1975 Australiassa Tasmanian sillan yksi kannatinpylväs romahti rahtilaivan törmättyä siihen. Tuolloin 12 ihmistä sai surmansa, kun parin sadan metrin osuus sillasta romahti reilun kolmenkymmenen metrin korkeudesta mereen.

Yleensä sillat ovat kuitenkin paljon suunniteltuakin kestävämpiä. Professori Jutila kertoo, että esimerkiksi Lahdentien rakennustyömaalla Kehä I:n tuntumassa yritettiin taannoin rikkoa vanha laattasilta kasaamalla sen päälle äärimmäinen painava hiekkakuorma. Hiekkaa ei kuitenkaan onnistuttu kasaamaan tarpeeksi sillan päälle, ja niinpä silta saatiin lopulta rikottua vasta hydraulisilla puristimilla.




	Mistä tietää, että silta oikeasti kestää? Mikko Arvinen Joku sanoi, että sillan rakentaminen olisi yksinkertaista matematiikkaa ja että sillan kestävyys olisi helppo laskea. Yksikertaista se ei ainakaan ole. Uutta siltaa rakennettaessa voidaan kyllä helposti laskea materiaalien kestävyys ja kantavuus, mutta professori Aarne Jutila ja laboratorioinsinööri Lauri Salokangas TKK:n sillanrakennustekniikan laboratoriosta kertovat, ettei eri siltojen kestävyyttä pysty arvioimaan tarkasti pelkästään niiden ulkonäön perusteella. Professori Jutila kuitenkin korostaa, että siltojen kestävyys on laskettavissa täysin varmasti, kunhan rakennusmateriaalien ominaisuudet tiedetään. Betonin valuvaiheessa monikin asia saattaa mennä pieleen, ja Suomessa viime vuosina jälleen suosituksi rakennusaineeksi nousseen puun kestävyydessä voi olla suuriakin eroja, mutta Lauri Salokangas kertoo, että tästä syystä eri materiaaleilla käytetään erilaisia varmuuskertoimia. Mitä isompi hajonta lujuusarvoissa on, sitä suurempia varmuuskertoimia käytetään. Esimerkiksi teräsköysien valmistajat osaavat sanoa suoraan, että yksi viisi milliä paksu teräslanka kestää jo henkilöauton painon. Kun yksittäisiä säikeitä punotaan yhteen tuhansia kappaleita, saadaan aikaan varsin kestävä teräsköysi. Kun köyttä kuormitetaan, säikeet puristuvat tiukasti yhteen. Teräsrakenneyhdistys ry:n oppimateriaalin mukaan säikeiden korkea lujuus saadaan aikaiseksi käyttämällä normaaliin rakenneteräkseen verrattuna noin viisinkertaista hiilipitoisuutta. Tästä syystä säikeitä ei voi hitsata, ja köydet joudutaankin ankkuroimaan päistään erityisillä holkkimaisilla ankkurikappaleilla. Holkkien sisällä punos ja säikeet levitetään ja ankkuroidaan injektoimalla vapaa tila sinkkiseosmetallilla tai epoksihartsin, sinkkipölyn ja teräskuulien muodostamalla seoksella. Lisää haastetta tehtävään tulee siitä, että nykyaikaisilta vinoköysisilloilta vaaditaan, että kannatinköydet voidaan tarvittaessa vaihtaa esimerkiksi korroosion tai säikeiden katkeilun uhatessa niiden kestävyyttä. Suomessa ajoneuvosillat suunnitellaan niin, että kuorma-auton yhdestä akselista saa kohdistua siltaan 21 tonnin paino tai yhteensä 126 tonnia kolmella akselilla ja kahdella kaistalla. Tämä kuormitus sillan pitäisi kestää ohjeiden mukaan sadan vuoden ajan, eli käytännössä uusien siltojen on oltava kestävämpiä materiaalien ominaisuuksien väistämättä heiketessä ajan saatossa. Suuri on kaunista Suomen pisin silta on Mustasaaressa, Vaasan pohjoispuolella oleva Raippaluodon silta. Se on vinoköysisilta, jonka suurin jänneväli on 250 m ja kokonaispituus 1 045 m. Sillan päällysrakennetta kannattelee 2 pylonitukea, 9 muuta välitukea ja 2 maatukea. Huomiota herättävät pylonit kurkottelevat 82,5 metrin korkeuteen vedenpinnasta. Kannatinköysiä on 64 kappaletta ja pisimmät niistä ovat 127 metriä pitkiä. Ajoradan leveys (kaideväli) on 12 metriä, kolmannes tästä (3,75 m) on varattu jalankulkijoille ja pyöräilijöille. Sillan vapaa alituskorkeus on 26 metriä. Vinoköysisillan ja riippusillan erottaa siitä, että vinoköysisillassa kannatinköydet ovat suoria, kun taas riippusillassa pääkannatinköysi on kaareva ulottuen pylonin huipusta toisen pylonin huippuun. Molemmat tyypit ovat pisimpien jännevälien siltatyyppejä rajakohdan ollessa 1000 metrin kohdalla riippusillan eduksi. Euroopan kokonaispituudeltaan pisin silta on Lissabonissa oleva Vasco da Gaman silta. Tämä vuonna 1998 avattu silta on 17,2 kilometrin pituinen, mutta tästä yli kaksitoista kilometriä on maan päälle rakennettua siltaa, viaduktia. Lissabonin keskustan puolella olevan riippusiltaosuuden vapaa alikulkukorkeus on 47 metriä merenpinnasta mitattuna. Tässä kohtaa voi hiljentää katselemaan maisemia, mutta muuten sillan yli kulkevalla kuusikaistaisella moottoritiellä voi ajella huoletta portugalilaisittain tyypillistä 160 km/h:n moottoritienopeutta. Teknisenä rakennelmana Lissabonin toinen, Huhtikuun 25. päivän silta on selvästi mielenkiintoisempi. Vuonna 1966 avattu silta ylittää merenpinnan 79 metrin korkeudessa. Yhteensä 2278 metrin pituisen riippusillan pylonien väli on peräti 1013 metriä. Kun silta avattiin vuonna 1966, oli se jännemitaltaan Euroopan pisin. Tämän jälkeen pidempiä siltoja on rakennettu esimerkiksi Bosporin salmen yli Turkkiin ja Isoon-Beltiin Tanskaan. Ensimmäiset sillat rakennettiin historian alkuhämärissä, aluksi puusta ja myöhemmin kivestä. Wikipedian mukaan teräs alkoi yleistyä sillanrakennusmateriaalina vasta 1800-luvulla. Tätä ennen pelkkä rauta ei vielä mahdollistanut tarpeeksi kestäviä rakenteita, eikä arvokasta metallia ollut ’tuhlattavaksi’ suuriin rakenteisiin ennen terästeollisuuden kehittymistä. Maailman ensimmäisenä metallisiltana pidetään valuraudasta vuonna 1779 valmistettua The Iron Bridgeä Englannissa. Sillan valmistukseen käytettiin yhteensä 379 tonnia rautaa. Jo muutama vuosi sillan valmistumisen jälkeen siinä havaittiin ilmeisesti maan liikkumisesta aiheutuneita murtumia, mutta silti silta on edelleen pystyssä. Liikennöinti sillä tosin kiellettiin jo vuonna 1934. Aina silta ei kestä Aarne Jutila ja Lauri Salokangas kertovat, että jänneväliltään maailman suurimmassa sillassa, JapaninAkashi- Kaikyo -sillassa 93 prosenttia kantavuudesta menee pelkästään sillan omien rakenteiden kannatteluun ja vain seitsemän prosenttia liikenteelle. Vuonna 1998 valmistuneen sillan keskijänteen pituus on 1991 metriä ja pilarit nousevat 297 metrin korkeuteen vedenpinnasta. Vielä vuoteen 1995 saakka keskijänteen pituus oli 1990 metriä, mutta Koben maanjäristyksessä keskijänteen pituus venyi metrillä. Tämä silta on kuitenkin suunniteltu kestämään maanjäristykset, eikä sillalle tapahtunut suuria vahinkoja. Siltoja romahtaa harvoin, mutta historia tuntee myös lukuisia tapauksia, joissa periaatteessa erittäin kestäviksi suunniteltuja siltoja on kuitenkin sortunut. Esimerkiksi Etelä-Koreassa kuoli yli 30 ihmistä, kun moottoritiesilta romahti kymmenisen vuotta sitten liiallisen liikenteen takia. Ehkä kuuluisin suunnitteluvirheestä johtunut romahdus tapahtui vuonna 1940 Yhdysvalloissa, kun samana vuonna valmistunut Tacoma Narrows Bridge alkoi ensiksi heilua tuulessa täysin holtittomasti ja lopulta romahti fi lmi-kameroiden taltioidessa tilanteen jälkipolvien naureskeltavaksi. Syynä oli, että tuohon aikaan sillan kannen suunnittelussa ei osattu ottaa aerodymamiikkaa riittävästi huomioon. Valmistuessaan silta oli Wikipedian mukaan maailman kolmanneksi pisin 1810 metrin pituisena. Sekä sillan alkuperäinen suunnittelija Clark Eldridge että suunnitelmia myöhemmin muuttanut kuuluisa sillansuunnittelija Leon Moiseff saivat molemmat nimensä pysyvästi historiankirjoihin, mutta eiväthän sitä insinööritkään voi aina ottaa kaikkea huomioon laskelmissaan. Yleisemmin ongelmia tulee, jos laivat tai autot törmäävät sillan kantaviin rakenteisiin. Esimerkiksi vuonna 1975 Australiassa Tasmanian sillan yksi kannatinpylväs romahti rahtilaivan törmättyä siihen. Tuolloin 12 ihmistä sai surmansa, kun parin sadan metrin osuus sillasta romahti reilun kolmenkymmenen metrin korkeudesta mereen. Yleensä sillat ovat kuitenkin paljon suunniteltuakin kestävämpiä. Professori Jutila kertoo, että esimerkiksi Lahdentien rakennustyömaalla Kehä I:n tuntumassa yritettiin taannoin rikkoa vanha laattasilta kasaamalla sen päälle äärimmäinen painava hiekkakuorma. Hiekkaa ei kuitenkaan onnistuttu kasaamaan tarpeeksi sillan päälle, ja niinpä silta saatiin lopulta rikottua vasta hydraulisilla puristimilla.