19.11.2021 / Cameron Archer-Jones
Med sit elegante design og sine innovative materialer har Futura gangbroen potentiale til at forsyne det engelske jernbanenet med en ny form for kvalitetsdygtige gangbroer. Samtidig er det et studie i, hvordan brugen af nye innovative materialer kan reducere CO₂ og sikre et bæredygtigt resultat.
Futura-løsningen er et nyskabende koncept for gangbroer bygget i komposit. Futura blev i første omgang udviklet til en designidékonkurrence i år 2018. Konkurrencen blev afholdt af The Royal Institute of British Architects (RIBA) på vegne af den britiske jernbaneoperatør, Network Rail. De udfordrede deltagerne til at nyfortolke fremtidens togstationer i Storbritannien.
Sammen med Marks Barfield Architects designede COWI Futura-broen. Visionen var at udvikle gangbroer i stationsmiljøer og imødekomme udfordringerne i den britiske regerings ‘Access for All’ -initiativ, som har til formål at forbedre passagerernes adgang til jernbaner i hele landet. Network Rail var begejstrede for bidraget og bad COWI om at videreudvikle idéen. Derefter kom National Composites Centre med på projektet for at bidrage med ekspertrådgivning og produktionskapacitet.
I begyndelse af næste år bygger vi Futura-broen som en en-til-en prototype, hvor materiale og bro-form sættes på den ultimative prøve. Valget af materialer er i nu gang, og detailprojekteringen skrider frem. Ønsket er at anvende bæredygtige materialer, der harmonerer med kravene til prisholdbarhed, designlevetid og strukturel ydeevne.
Pointen er nemlig, at Futuras skal hjælpe Storbritannien med at opnå CO2-neutralitet i 2050. Den aktuelle Futura-løsning er et innovativt design, der er fremstillet af fiberpolymerkompositter - også kaldt fiberforstærket polymer (FRP). FRP har en række bæredygtige egenskaber og vil på sigt have potentiale til at erstatte beton og stål.
Bæredygtighed er det vigtigste og mest udfordrende problem i vores generation, og et vigtigt aspekt af FRP er netop genanvendelighed. Det hævdes ofte, at FRP ikke er genanvendeligt, men der er udviklet talrige metoder til at forbedre dette. Nogle af disse omfatter genanvendelse ved forbrænding eller medforbrænding, mekanisk genanvendelse eller termisk genanvendelse. Flere brancher arbejder på feltet - navnlig bilbranchen, marinebranchen og luftfartsbranchen, da deres produkter har en relativ kort levetid. I de kommende år forventes det derfor, at FRP i højere grad bliver genanvendeligt.
Hvis FRP-materialerne skal vinde frem, skal der tilskyndes til genanvendelighed og brugen af mere bæredygtige materialer som f.eks. hørfiber og biologiske fibre og harpiks. Fremstillingsmetoden for Futura-broen vil sandsynligvis være en permanent forskalling inde i strukturen, der i andre brancher fremstilles af skum, der er skadeligt for miljøet. For at gøre løsningen mere bæredygtig erstatter vi skum med et produkt, der er fremstillet 100% af genanvendte flasker.
Bæredygtigheden af store konstruktioner som f.eks. broer skal ses ud fra en vurdering af, hvor længe de kan holde. Det estimeres, at Futura vil have samme CO2-aftryk som en tilsvarende stålbro, men en væsentlig lavere ækvivalent livscyklus for indlejret CO₂. Det skyldes den forbedrede vedligeholdelse og holdbarhed og dens lette vægt, der reducerer CO2-udledninger i forbindelse med transport og fundament. Broen har heller ikke brug for lejer og har en iboende materialestruktur, der ikke korroderer, som stål.
I øjeblikket er vores fokus på projekteringsstadiet af Futura og på at frembringe og teste materialeprøver og en-til-en dele til broen. Vi er ved at udvikle ‘Futura-delsæt’-konceptet, der kan tilpasses til forskellige broretninger, spændlængder, enkelt/flere spænd og dækkede/ikke-dækkede use cases. Det vil udgøre Futura-kataloget der kan bruges som et enkelt projekteringsværktøj i de tidlige stadier når man skal vælge Futura-brosæt til et i togstationsmiljø.
I starten af 2022 begynder vi på at bygge og teste en prototype i fuld skala som proof-of-concept. National Composites Centre vil fremstille broen internt, hvilket giver en unik mulighed for at holde hele projekterings- og anlægsteamet samlet fra koncept til gennemførelse. Prototypen skal installeres på en testlokation og udsættes for en række fuldskalatest.
Derudover vil en-til-en prototypen blive testet på interessenter, så Network Rail samt almindelige borgere og lokalsamfund kommer med input til projekteringen. Alle erfaringer og tilbagemeldinger inddrages i fremtidige versioner af Futura-broen.
Udover Futura-gangbrosløsningen har projekterings- og anlægsbranchen også FRP som fortrukne materiale. På sigt vil det muligvis også gælde fly- og bådproducenter, producenter af turbineblade til skibe og Formel 1-bilproducenter. Her er genanvendelighed, bæredygtige biologiske materialer, uddannelse og indkøbsstrategier alle vigtige emner, der løbende skal drøftes og forbedres.
Kompositmaterialet FRP er ikke nyt i anlægsbranchen. Det er tidligere blevet brugt til jernbanegangbroer – blandt andet af COWI. Futura-broen er konstrueret med henblik på en designlevetid på 120 år, hvilket er et kritisk aspekt af designkriterierne, da det er svært at garantere designlevetid for nyt materiale.
En af de ældste anvendelser af FRP er Royal Navy Minesweeper-skibene, hvor FRP anvendes i skrogene, der udsættes for hårdt havmiljø. Materialet har vist sig at være stærkt og relativt vedligeholdelsesfrit, hvilket betyder, at skibene kan være på havene 20 år ad gangen, inden de skal til reparation.
FRP's mikrostruktur gør materialet stærkere end traditionelle materialer som stål og beton. Stål består af en lang række sammenbundne molekyler, og fremstillingsprocessen forårsager ekstremt små defekter i mikrostrukturen. Når en betonbjælke belastes tilstrækkeligt, opstår der sprækker, som gør materialet dårligere til at modstå belastning.
Til kontrast består FRP består af millioner af små fibre, og hvis en af disse bliver defekte, omfordeles belastningen til de resterende fibre.
En afgørende forskel mellem FRP og stål er, at stål ikke anses for at have en additiv produktionsproces. Betons produktionsproces er mere additiv end stål, men har stadig begrænsninger i forhold til placering af armering, betonhærdning, forskalling etc. Omvendt har FRP en bedre additiv produktionsproces, hvor der anvendes tynde fiberlag og harpiks for at opnå den ønskede tykkelse.
Fiberen i FRP kan udgøres af flere forskellige materialer. Ofte anvendes kulfiber, mens glas, hørfiber, basaltfibre eller en række syntetiske fibre har andre materialeegenskaber og bæredygtige kvaliteter. Området for fiberprodukter er under udvikling med fokus på bæredygtige løsninger, og Futura-projektet sigter efter at anvende biologiske materialer.
Det er ikke sandsynligt, at FRP helt vil erstatte stål og beton, da begge er etablerede materialer i mange brancher. Dog mener vi, at vi i løbet af de næste 10 år vil se en markant ændring i valg af materialer, og hos COWI er vi glade for at være en del af dette skift, som vil være med til at skabe en mere bæredygtig fremtid. Vi står over for en kæmpe opgave med at opfylde vores bæredygtighedsmål, og det kræver en stor indsats.