Met nieuw geïdentificeerde brugvormen kunnen in de toekomst aanzienlijk langere overspanningen worden bereikt, mogelijk een oversteek maken over de Straat van Gibraltar, van het Iberisch schiereiland tot Marokko, redelijk.

De nieuwe brugvormen gebruiken een nieuwe wiskundige modelleringstechniek om optimale vormen voor bruggen met zeer grote overspanningen te identificeren. Het onderzoek is op 19 september 2018 gepubliceerd in de Proceedings van de Royal Society A .

De overspanning van een brug is de afstand van de hangende rijbaan tussen torens, met het huidige wereldrecord op iets minder dan 2 km. De meest populaire vorm voor lange overspanningen is de hangbrugvorm, zoals gebruikt voor de Humber Bridge, hoewel de tuibrug vorm, waar kabels de toren rechtstreeks met de rijbaan verbinden, zoals gebruikt in de recent gebouwde Queensferry Crossing in Schotland, wordt steeds populairder.

Naarmate de overspanningen van de bruggen langer worden, een snel groeiend deel van de constructie is alleen nodig om het eigen gewicht van de brug te dragen, in plaats van het verkeer dat eroverheen rijdt. Hierdoor kan een vicieuze cirkel ontstaan:een relatief kleine toename van de overspanning vereist aanzienlijk meer materiaal, wat leidt tot een zwaardere structuur die nog meer materiaal nodig heeft om het te ondersteunen. Dit stelt ook een limiet aan hoe lang een brugoverspanning kan zijn; buiten deze limiet kan een brug eenvoudigweg zijn eigen gewicht niet dragen.

Een optie is om sterkere, lichtere materialen. Echter, staal blijft de beste keuze omdat het taai is, goed verkrijgbaar en relatief goedkoop. Dus de enige andere manier om de overspanning te vergroten, is door het ontwerp van de brug te veranderen.

Professor Matthew Gilbert van de Universiteit van Sheffield, die het onderzoek leidde, zei:"De hangbrug bestaat al honderden jaren en hoewel we in staat zijn geweest om langere overspanningen te bouwen door incrementele verbeteringen, we zijn nooit gestopt om te kijken of het echt de beste vorm is om te gebruiken. Ons onderzoek heeft aangetoond dat er meer structureel efficiënte vormen bestaan, die in de toekomst de deur zou kunnen openen voor aanzienlijk langere brugoverspanningen."

De techniek die door het team is bedacht, is gebaseerd op de theorie die is ontwikkeld door de naamgenoot van professor Gilbert, Davies Gilbert, die in het begin van de 19e eeuw wiskundige theorie gebruikte om Thomas Telford ervan te overtuigen dat de ophangkabels in zijn oorspronkelijke ontwerp voor de Menai Strait-brug in Noord-Wales een te ondiepe bocht volgden. Hij stelde ook een 'bovenleiding van gelijke spanning' voor die de optimale vorm van een kabel laat zien die rekening houdt met de aanwezigheid van zwaartekrachtbelastingen.

Door deze vroege 19e-eeuwse theorie op te nemen in een modern wiskundig optimalisatiemodel, het team heeft brugconcepten geïdentificeerd die zo min mogelijk materiaal nodig hebben, mogelijk aanzienlijk langere overspanningen mogelijk maken.

De wiskundig optimale ontwerpen bevatten gebieden die lijken op een fietswiel, met meerdere 'spaken' in plaats van een enkele toren. Maar deze zouden in de praktijk heel moeilijk op grote schaal te bouwen zijn. Het team verving deze daarom door gesplitste torens met slechts twee of drie 'spaken' als een compromis dat het grootste deel van het voordeel van de optimale ontwerpen behoudt, terwijl het een beetje gemakkelijker te bouwen is.

Voor een spanwijdte van 5 km, die waarschijnlijk nodig zal zijn om de 14 km lange oversteek van de Straat van Gibraltar aan te leggen, een traditioneel ontwerp van een hangbrug zou veel meer materiaal vereisen, waardoor het minstens 73 procent zwaarder is dan het optimale ontwerp. In tegenstelling tot, de voorgestelde twee- en driespaaks-ontwerpen zouden slechts 12 en 6 procent zwaarder zijn, waardoor ze potentieel veel zuiniger om te bouwen.

Voor de nieuwe brugvormen is minder materiaal nodig, vooral omdat de krachten van het dek efficiënter door de bovenbouw van de brug naar de fundering worden overgebracht. Dit wordt bereikt door de laadpaden kort te houden, en het vermijden van scherpe hoeken tussen trek- en drukelementen.

Het team benadrukt dat hun onderzoek slechts de eerste stap is, en dat de ideeën voor de bouw van een megaoverspanningsbrug niet direct kunnen worden uitgewerkt. Het huidige model houdt alleen rekening met zwaartekrachtbelastingen en houdt nog geen rekening met dynamische krachten die ontstaan ​​door verkeers- of windbelasting. Verdere werkzaamheden zijn ook nodig om de bouw- en onderhoudsproblemen aan te pakken.

co-auteur, Ian Firth, van COWI, zei:"Dit is een interessante ontwikkeling in de zoektocht naar een grotere materiaalefficiëntie bij het ontwerp van bruggen met een superlange overspanning. Er is nog veel meer werk te doen, met name bij het bedenken van effectieve en economische bouwmethoden, maar misschien zullen we op een dag deze nieuwe vormen vorm zien krijgen over een brede riviermonding of oversteek over zee."