บทความนี้เผยแพร่ครั้งแรกที่บทสนทนาสิ่งพิมพ์มีส่วนร่วมในบทความเกี่ยวกับ Live Science'sVoices Expert: Op-Ed & Insights-
นับตั้งแต่สะพาน Golden Gate เปิดการจราจรในวันที่ 27 พฤษภาคม 1937 มันเป็นสัญลักษณ์ที่เป็นสัญลักษณ์ของภูมิทัศน์อเมริกัน
ในปี 1870 ผู้คนได้ตระหนักถึงความจำเป็นในการสร้างสะพานที่ทอดข้ามช่องแคบ Golden Gate เพื่อเชื่อมต่อเมืองซานฟรานซิสโกกับ Marin County อย่างไรก็ตามมันเป็นอีกครึ่งศตวรรษก่อนวิศวกรโครงสร้างโจเซฟสเตราส์ส่งข้อเสนอสะพานของเขา แผนการพัฒนาขึ้นและโครงการสุดท้ายได้รับการอนุมัติให้เป็นสะพานแขวนที่จบลงด้วยการดำเนินการกว่าสี่ปีในการสร้าง-
เมื่อสะพาน Golden Gate ขึ้นไปมันเป็นช่วงสะพานที่แขวนอยู่ที่ยาวที่สุดในโลก - สายเคเบิลยึดถนนระหว่างสองหอคอยโดยไม่มีการสนับสนุนระดับกลาง และการตั้งค่ามีความท้าทายโดยธรรมชาติจำนวนมาก มีค่าใช้จ่ายเกี่ยวกับ37 ล้านเหรียญสหรัฐในเวลา; การสร้างโครงสร้างเดียวกันในวันนี้จะมีค่าใช้จ่ายประมาณหนึ่งพันล้านดอลลาร์ ดังนั้นการออกแบบได้จัดขึ้นอย่างไรในช่วง 80 ปีที่ผ่านมา - และเราจะทำสิ่งต่าง ๆ ถ้าเราเริ่มต้นจากศูนย์วันนี้?
สะพานแขวนที่ยาวที่สุดในโลก
สะพาน Golden Gate เป็นสะพานแขวนซึ่งหมายความว่าขึ้นอยู่กับสายเคเบิลและระบบแขวนภายใต้ความตึงเครียดพร้อมกับหอคอยภายใต้การบีบอัดเพื่อข้ามระยะไกลโดยไม่มีการสนับสนุนระดับกลางใด ๆ ดาดฟ้าถนนห้อยลงมาจากระบบแขวนแนวตั้งที่เชื่อมต่อกับสายเคเบิลหลักสองสายที่วิ่งระหว่างหอคอยและจุดยึดในตอนท้าย Suspenders ถ่ายโอนกองกำลังยานพาหนะและน้ำหนักตัวเองไปยังสายเคเบิลรองรับที่ทอดสมอกับหอคอยและบนพื้นดินที่มั่นคง
ที่สะพานแรกของประเภทนี้อาจเชื่อมต่อหน้าผาสองตัวกับเชือกที่ยืดหยุ่นเพื่อข้ามหุบเขาหรือแม่น้ำ หลายร้อยปีที่ผ่านมาเชือกเหล่านี้ทำจากเส้นใยพืช โซ่เหล็กมาในภายหลัง สะพานบรูคลินในนิวยอร์กซิตี้เปิดในปี 2426 เป็นคนแรกที่ใช้สายเคเบิลเหล็กซึ่งกลายเป็นมาตรฐาน
หอคอยน่าจะเริ่มเป็นหินเรียบง่ายในแต่ละด้านของหุบเขา ในที่สุดวิศวกรก็ใช้หินขนาดใหญ่หรือเหล็กกล้าเหล็ก ยกตัวอย่างเช่นสะพาน Golden Gate ได้รับการสนับสนุนจากหนึ่งในแต่ละปลายและหอคอยทั้งสองซึ่งวางอยู่เหนือฐานรากที่ฝังอยู่ในพื้นทะเล
สายเคเบิลรองรับสองสายของ Golden Gate Bridge เป็นสิ่งเดียวที่ไม่ได้เปลี่ยนแปลงตั้งแต่สะพานเปิดให้มีการจราจรในปี 1937 สายเคเบิลหลักแต่ละสายจะเกิดขึ้นโดยสายเหล็ก 27,572 สายด้วยความหนาโดยประมาณของดินสอ ทีมงานก่อสร้างแขวนเกือบสายเคเบิลลวด 80,000 ไมล์จากด้านหนึ่งของสะพานไปอีกด้านหนึ่ง
แทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะผลิตสายเคเบิลหนาและหนาในชิ้นเดียวโดยไม่มีข้อบกพร่องในการทำงานนี้ และอย่างยิ่งใหญ่ถ้าสายเคเบิลขนาดใหญ่เพียงตัวเดียวกำลังถือสะพานขึ้นและมีบางอย่างเกิดขึ้นกับมันจะมีความล้มเหลวหายนะ การพึ่งพาสายไฟขนาดเล็กหมายความว่าความล้มเหลวใด ๆ จะช้าลงทำให้เวลาเบี่ยงเบนความหายนะ
ตั้งแต่ผู้คนเริ่มไตร่ตรองสะพานในอ่าวซานฟรานซิสโกเป็นครั้งแรกมีความกังวลอย่างมากเกี่ยวกับความสามารถของโครงสร้างในการทนต่อลมแรงของสถานที่ตั้งน้ำที่วุ่นวายและกองกำลังแผ่นดินไหวที่เป็นไปได้ ซานฟรานซิสโกตั้งอยู่ที่สี่แยกสองแผ่นเปลือกโลกที่ใช้งานอยู่- เห็นได้ชัดว่าไม่มีใครอยากเห็นแผ่นดินไหวนำสะพานลงมาซึ่งปัจจุบันดำเนินไป112,000 คันต่อวัน-
เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหานี้ผู้สร้างยังพบโช้คอัพที่ปลายแต่ละด้านของสะพานเพื่อดูดซับพลังงานที่มาจากลมหรือกองกำลังแผ่นดินไหว แดมเปอร์การสั่นสะเทือนที่ออกแบบมาเป็นพิเศษเหล่านี้เป็นกระบอกสูบเส้นผ่านศูนย์กลางเมตรที่ทำจากแกนตะกั่วที่ปกคลุมด้วยยาง วางไว้ในสถานที่เชิงกลยุทธ์พวกเขาดูดซับพลังงานที่อาจทำให้สะพานพัง
ทำให้มันอยู่ในสภาพดี
ภูมิปัญญาดั้งเดิมจะแนะนำโครงการโครงสร้างพื้นฐานจะเสร็จสิ้นในไม่ช้าหลังจากการเปิดตัว แต่การรักษาสะพาน Golden Gate ในรูปแบบ tiptop ต้องใช้การบำรุงรักษาที่เข้มงวดอย่างต่อเนื่อง เป็นเวลา 80 ปีทีมงานบำรุงรักษาโดยเฉพาะได้ให้บริการสะพานทาสีใหม่และแทนที่ส่วนประกอบที่สึกกร่อนหรือแตกหักในกรณีที่จำเป็น
งานนี้จะต้องทำตามมาตรฐานที่เข้มงวด ตัวอย่างเช่นเมื่อสลักเกลียวหลายพันอันที่เชื่อมต่อชิ้นส่วนต่าง ๆ ทั้งหมดของสะพานจำเป็นต้องเปลี่ยนไม่เกินสองจะถูกนำออกมาพร้อมกันเพื่อให้สะพานปลอดภัยกับลมแรงหรือกองกำลังแผ่นดินไหว
มีปัญหาการบำรุงรักษาโครงสร้างด้วย เนื่องจากเวลาผ่านไปและความแปรปรวนของอุณหภูมิอย่างต่อเนื่องสายเคเบิลและระบบแขวนยาวยืดหรือสัญญาและต้องการการตรวจสอบและการรักษาเป็นระยะ การปรับประเภทนี้เรียกว่า "การปรับแต่ง" และคล้ายกับวิธีที่นักดนตรีเก็บเครื่องดนตรีสตริงที่ฟังดูดีที่สุด
จะเปลี่ยนแปลงอะไรถ้าเราสร้างมันในวันนี้?
เนื่องจากมีขนาดใหญ่มากค่าบำรุงรักษาบางคนแนะนำให้สร้างสะพาน Golden Gate ใหม่ในลักษณะที่จะ จำกัด การบำรุงรักษาและค่าใช้จ่ายอย่างต่อเนื่อง นอกเหนือจากความเป็นไปได้ทางการเมืองวิศวกรจะออกแบบสะพานถ้าพวกเขาจะสร้างมันตั้งแต่วันนี้?
เมื่อเวลาผ่านไปนักวิจัยได้พัฒนาวัสดุที่เบากว่า การใช้พอลิเมอร์เสริมเส้นใย (FRPs) แทนที่จะเป็นเหล็กหรือคอนกรีตเป็นวิธีการลดน้ำหนักของโครงสร้างของขนาดนี้ น้ำหนักตัวเองนี้มักจะรับผิดชอบในการใช้ความต้านทาน 70 ถึง 80 เปอร์เซ็นต์นั่นคือภาระสูงสุดที่สามารถแบกรับได้ก่อนที่จะล้มเหลว โดยการลดลงโครงสร้างของสะพานจะต้องมีความแข็งแรงน้อยลงทำให้มีตัวเลือกที่ถูกและง่ายกว่า
ตัวอย่างเช่นนักออกแบบเริ่มใช้วัสดุ Composite Composite (FRP) ในสะพานเช่น Market Street Bridge ในเวสต์เวอร์จิเนีย FRP ใช้พลาสติกเรซินเพื่อผูกเข้าด้วยกันกับเส้นใยแก้วหรือคาร์บอนซึ่งให้ความแข็งแรงแก่วัสดุ เมื่อสี่เท่าที่เบากว่าคอนกรีต FRPs จะแข็งแกร่งขึ้นห้าถึงหกเท่า
อาจเป็นเป้าหมายแรกของนักออกแบบสำหรับการเปลี่ยนแปลงในสะพาน Golden Gate แทนจะเป็นองค์ประกอบของสายเคเบิล เหล็กที่ใช้ในปัจจุบันมีการกัดกร่อนหนักกว่าวัสดุใหม่สี่เท่าและสามารถล้มเหลวในสภาพแวดล้อมที่มีความชื้นและอุณหภูมิที่รุนแรงเช่นเดียวกับที่พบในตำแหน่งนี้ สายเคเบิลคาร์บอนนั้นเฉื่อยมากขึ้นและใช้งานอยู่ทั่วโลกแล้ว
วัสดุที่มีน้ำหนักเบากว่าเหล่านี้สามารถนำไปใช้ในองค์ประกอบอื่น ๆ ของสะพานเช่นถนนจราจร การใช้ดาดฟ้าคอมโพสิตพลาสติกสามารถทำให้ดาดฟ้าของ Golden Gate Bridge ลดลงได้ด้วยปัจจัยห้าประการ นั่นจะช่วยให้วิศวกรสามารถออกแบบและสร้างสะพานที่ตั้งอยู่ในสายเคเบิลแทนที่จะเป็นสะพานแขวน ข้อได้เปรียบจะมีความสามารถในการทำกับผู้แขวน ในกองกำลังสะพานสายเคเบิลจะถูกส่งโดยตรงจากดาดฟ้าไปยังหอคอยโดยสายเคเบิล สะพานสายเคเบิลทางหลวงสายแรกที่มีสายเคเบิล CFRP คือสะพาน Stork ของสวิตเซอร์แลนด์เปิดในปี 1996
สะพานสายเคเบิลสามารถมีระยะยาวได้นานกว่าสะพานแขวนดังนั้นโครงสร้างระหว่างการรองรับและชายฝั่งอาจง่ายกว่า นอกจากนี้การสร้างหอคอยที่อยู่ใกล้กับชายฝั่งซึ่งมีน้ำตื้นมากขึ้นจะช่วยบรรเทาหนึ่งในปัญหาหลักเมื่อสะพาน Golden Gate ถูกสร้างขึ้นเป็นครั้งแรก: มันยากมากและมีราคาแพงในการทำงานบนฐานรากของหอคอยในน้ำลึกที่มีกระแสน้ำแรง
ระบบการทำให้หมาด ๆ สามารถแก้ไขได้ด้วยการออกแบบใหม่ ตัวหน่วงหลักที่ใช้แกนนำที่ใช้ในการก่อสร้างประตูทองคำสามารถแทนที่ด้วยเทคโนโลยีใหม่ที่สามารถต้านทานลมการจราจรและกองกำลังแผ่นดินไหวได้ดีขึ้น การปรับปรุงนี้จะทำให้มั่นใจได้ว่าความล้มเหลวเช่นหนึ่งบนสะพาน Tacoma Narrows - เมื่อลมพัดสะพานไปด้านข้างมันบิดและยุบ - จะถูกป้องกัน
จากทั้งหมดที่กล่าวมาสะพาน Golden Gate ยังทำได้ดี แม้จะมีตัวเลือกอื่น ๆ ที่เป็นไปได้และราคาถูกกว่า แต่ก็ไม่มีใครทำงานได้อย่างสมจริงเพื่อแทนที่ไอคอนศิลปะ Deco และงานสีส้ม "International Orange" ที่มีชื่อเสียงระดับโลก สะพาน Golden Gate ได้รับการตรวจสอบอย่างใกล้ชิดเพื่อให้แน่ใจว่าไม่เกินขีดจำกัดความเครียดเนื่องจากการจราจรลมและการเกิดแผ่นดินไหว เราสามารถตั้งตารออย่างน้อย 80 ปีของผลงานชิ้นเอกทางวิศวกรรมนี้
Hota Gangaraoศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมโยธาและสิ่งแวดล้อมมหาวิทยาลัยเวสต์เวอร์จิเนียและMaria Martinez de Lahidalga de Lorenzoผู้ช่วยวิจัยบัณฑิตมหาวิทยาลัยเวสต์เวอร์จิเนีย
บทความนี้ได้รับการตีพิมพ์ครั้งแรกเมื่อบทสนทนา- อ่านบทความต้นฉบับ-
