Nyidentifierade broformer skulle kunna göra det möjligt att uppnå betydligt längre brospann i framtiden, potentiellt göra en korsning över Gibraltarsundet, från den iberiska halvön till Marocko, möjlig.

De nya broformerna använder en ny matematisk modelleringsteknik för att identifiera optimala former för broar med mycket långa spann. Forskningen publiceras den 19 september 2018 i Proceedings of the Royal Society A .

En bros spännvidd är avståndet för upphängd väg mellan torn, med det nuvarande världsrekordet på knappt 2 km. Den mest populära formen för långa spann är hängbroformen, som används för Humber Bridge, även om kabelstagsbron bildas, där kablar direkt ansluter tornet till vägbanan – som till exempel används i den nyligen byggda Queensferry Crossing i Skottland – blir allt mer populärt.

När brospännen blir längre, en snabbt växande andel av strukturen behövs bara för att bära brons egen vikt, snarare än att trafiken korsar den. Detta kan skapa en ond cirkel:en relativt liten ökning av spännvidden kräver användning av betydligt mer material, leder till en tyngre struktur som kräver ännu mer material för att stödja den. Detta sätter också en gräns för hur långt ett brospann kan vara; bortom denna gräns kan en bro helt enkelt inte bära sin egen vikt.

Ett alternativ är att använda starkare, lättare material. Dock, stål förblir det föredragna valet eftersom det är tufft, lättillgänglig och relativt billig. Så det enda andra sättet att öka spännvidden är att ändra brons design.

Professor Matthew Gilbert från University of Sheffield, som ledde forskningen, sa:"Hängbron har funnits i hundratals år och medan vi har kunnat bygga längre spännvidder genom stegvisa förbättringar, vi har aldrig stannat för att se om det faktiskt är den bästa formen att använda. Vår forskning har visat att det finns mer strukturellt effektiva former, vilket kan öppna dörren till betydligt längre brospann i framtiden."

Tekniken som tagits fram av teamet bygger på teori som utvecklats av professor Gilberts namne, Davies Gilbert, som i början av 1800-talet använde matematisk teori för att övertyga Thomas Telford om att hängkablarna i hans ursprungliga design för Menai Strait-bron i norra Wales följde en alltför grund kurva. Han föreslog också en "kontaktledning med lika spänningar" som visar den optimala formen på en kabel med hänsyn till förekomsten av gravitationsbelastningar.

Genom att införliva denna tidiga 1800-talsteori i en modern matematisk optimeringsmodell, teamet har identifierat brokoncept som kräver minsta möjliga materialvolym, potentiellt göra betydligt längre spann möjliga.

De matematiskt optimala designerna innehåller områden som liknar ett cykelhjul, med flera "ekrar" i stället för ett enda torn. Men dessa skulle vara mycket svåra att bygga i praktiken i stor skala. Teamet ersatte därför dessa med delade torn som bara består av två eller tre "ekrar" som en kompromiss som behåller de flesta fördelarna med de optimala designerna, samtidigt som det är lite lättare att konstruera.

För ett intervall på 5 km, som sannolikt kommer att krävas för att bygga den 14 km långa övergången till Gibraltarsundet, en traditionell hängbrodesign skulle kräva mycket mer material, vilket gör den minst 73 procent tyngre än den optimala designen. I kontrast, de föreslagna två- och treekrade designerna skulle vara bara 12 och 6 procent tyngre, vilket gör dem potentiellt mycket mer ekonomiska att bygga.

De nya broformerna kräver mindre material främst för att krafterna från däcket överförs mer effektivt genom broöverbyggnaden till fundamenten. Detta uppnås genom att hålla lastvägarna korta, och undvika skarpa hörn mellan drag- och tryckelement.

Teamet betonar att deras forskning bara är det första steget, och att idéerna inte kan utvecklas omedelbart för att bygga en megaspannbro. Den nuvarande modellen tar endast hänsyn till gravitationsbelastningar och tar ännu inte hänsyn till dynamiska krafter som uppstår från trafik eller vindbelastning. Ytterligare arbete krävs också för att ta itu med bygg- och underhållsfrågor.

Medförfattare, Ian Firth, från COWI, sa:"Detta är en intressant utveckling i sökandet efter större materialeffektivitet vid utformningen av broar med superlånga spann. Det finns mycket mer att göra, särskilt när det gäller att ta fram effektiva och ekonomiska konstruktionsmetoder, men kanske en dag kommer vi att se dessa nya former ta form över någon bred flodmynning eller havsövergång."