THE REVOLUTIONARY BRIDGES OF ROBERT MAILART

The Revolutionary Bridges of Robert Maillart

Swiss engineer Robert Maillart built some of the greatest bridges of the 20th century. His designs elegantly solved a basic engineering problem: how to support enormous weights using a slender arch.

A        Just as railway bridges were the great structural symbols of the 19th century, highway bridges became the engineering emblems of the 20th century. The invention of the automobile created an irresistible demand for paved roads and vehicular bridges throughout the developed world. The type of bridge needed for cars and trucks, however, is fundamentally different from that needed for locomotives. Most highway bridges carry lighter loads than railway bridges do, and their roadways can be sharply curved or steeply sloping. To meet these needs, many turn-of-the-century bridge designers began working with a new building material: reinforced concrete, which has steel bars embedded in it. And the master of this new material was Swiss structural engineer, Robert Maillart.

B           Early in his career, Maillart developed a unique method for designing bridges, buildings and other concrete structures. He rejected the complex mathematical analysis of loads and stresses that was being enthusiastically adopted by most of his contemporaries. At the same time, he also eschewed the decorative approach taken by many bridge builders of his time. He resisted imitating architectural styles and adding design elements solely for ornamentation. Maillart’s method was a form of creative intuition. He had a knack for conceiving new shapes to solve classic engineering problems] And because he worked in a highly competitive field, one of his goals was economy – he won design and construction contracts because his structures were reasonably priced, often less costly than all his rivals’ proposals.

C              Maillart’s first important bridge was built in the small Swiss town of Zuoz. The local officials had initially wanted a steel bridge to span the 30-metre wide Inn River, but Maillart argued that he could build a more elegant bridge made of reinforced concrete for about the same cost. His crucial innovation was incorporating the bridge’s arch and roadway into a form called the hollow-box arch, which would substantially reduce the bridge’s expense by minimising the amount of concrete needed. In a conventional arch bridge the weight of the roadway is transferred by columns to the arch, which must be relatively thick. In Maillart’s design, though, the roadway and arch were connected by three vertical walls, forming two hollow boxes running under the roadway (see diagram). The big advantage of this design was that because the arch would not have to bear the load alone, it could be much thinner – as little as one-third as thick as the arch in the conventional bridge.

D             His first masterpiece, however, was the 1905 Tavanasa Bridge over the Rhine river in the Swiss Alps. In this design, Maillart removed the parts of the vertical walls which were not essential because they carried no load. This produced a slender, lighter-looking form, which perfectly met the bridge’s structural requirements. But the Tavanasa Bridge gained little favourable publicity in Switzerland; on the contrary, it aroused strong aesthetic objections from public officials who were more comfortable with old-fashioned stone-faced bridges. Maillart, who had founded his own construction firm in 1902, was unable to win any more bridge projects, so he shifted his focus to designing buildings, water tanks and other structures made of reinforced concrete and did not resume his work on concrete bridges until the early 1920s.

E          His most important breakthrough during this period was the development of the deck-stiffened arch, the first example of which was the Flienglibach Bridge, built in 1923. An arch bridge is somewhat like an inverted cable. A cable curves downward when a weight is hung from it, an arch bridge curves upward to support the roadway and the compression in the arch balances the dead load of the traffic. For aesthetic reasons, Maillart wanted a thinner arch and his solution was to connect the arch to the roadway with transverse walls. In this way, Maillart justified making the arch as thin as he could reasonably build it. His analysis accurately predicted the behaviour of the bridge but the leading authorities of Swiss engineering would argue against his methods for the next quarter of a century.

F        Over the next 10 years, Maillart concentrated on refining the visual appearance of the deck-stiffened arch. His best-known structure is the Salginatobel Bridge, completed in 1930. He won the competition for the contract because his design was the least expensive of the 19 submitted – the bridge and road were built for only 700,000 Swiss francs, equivalent to some $3.5 million today. Salginatobel was also Maillart’s longest span, at 90 metres and it had the most dramatic setting of all his structures, vaulting 80 metres above the ravine of the Salgina brook. In 1991 it became the first concrete bridge to be designated an international historic landmark.

G           Before his death in 1940, Maillart completed other remarkable bridges and continued to refine his designs. However, architects often recognised the high quality of Maillart’s structures before his fellow engineers did and in 1947 the architectural section of the Museum of Modern Art in New York City devoted a major exhibition entirely to his works. In contrast, very few American structural engineers at that time had even heard of Maillart. In the following years, however, engineers realised that Maillart’s bridges were more than just aesthetically pleasing – they were technically unsurpassed. Maillart’s hollow-box arch became the dominant design form for medium and long- span concrete bridges in the US. In Switzerland, professors finally began to teach Maillart’s ideas, which then influenced a new generation of designers.

Những cây cầu mang tính cách mạng của Robert Maillart

Kỹ sư người Thụy Sĩ Robert Maillart đã xây dựng một số cây cầu vĩ đại nhất trong thế kỷ 20. Các thiết kế của ông đã giải quyết được vấn đề kỹ thuật cơ bản một cách thanh lịch: làm thế nào để nâng đỡ các trọng lượng khổng lồ bằng cách sử dụng một vòm thanh mảnh.

A Cũng như cầu đường sắt là biểu tượng cấu trúc vĩ đại ở thế kỷ 19, cầu đường cao tốc đã trở thành biểu tượng kỹ thuật ở thế kỷ 20. Việc phát minh ra ô tô đã tạo ra một nhu cầu không thể cưỡng lại đối với những con đường trải nhựa và những cây cầu dành cho xe cộ trên khắp các nước phát triển. Tuy nhiên, loại cầu cần thiết cho ô tô và xe tải về cơ bản khác với loại cầu cần thiết cho đầu máy xe lửa. Hầu hết các cầu đường cao tốc đều có tải trọng nhẹ hơn cầu đường sắt và đường của chúng có thể cong hoặc dốc. Để đáp ứng những nhu cầu này, nhiều nhà thiết kế cầu ở thế kỷ này đã bắt đầu làm việc với một loại vật liệu xây dựng mới: bê tông cốt thép, có các thanh thép được gắn vào bên trong nó. Và bậc thầy của loại vật liệu mới này là kỹ sư kết cấu người Thụy Sĩ, Robert Maillart.

B Trong sự nghiệp của mình, Maillart đã phát triển một phương pháp độc đáo để thiết kế cầu, tòa nhà và các cấu trúc bê tông khác. Ông từ chối phân tích toán học phức tạp về tải trọng và ứng suất đang được hầu hết những người cùng thời với ông áp dụng một cách nhiệt tình. Đồng thời, ông cũng tránh xa cách tiếp cận mang tính trang trí được thực hiện bởi nhiều nhà xây dựng cầu cùng thời với ông. Ông chống lại việc bắt chước các phong cách kiến trúc và chỉ thêm các yếu tố thiết kế để trang trí. Phương pháp của Maillart là một dạng trực giác sáng tạo. Ông có khả năng sáng tạo ra những hình dạng mới để giải quyết các vấn đề kỹ thuật cổ điển] Và bởi vì ông làm việc trong lĩnh vực cạnh tranh cao, một trong những mục tiêu của ông là kinh tế – ông đã giành được các hợp đồng thiết kế và xây dựng vì các cấu trúc của ông có giá cả hợp lý, các công trình của ông thường ít tốn kém hơn tất cả các công trình đề xuất của đối thủ.

C Cây cầu quan trọng đầu tiên của Maillart được xây dựng tại thị trấn nhỏ Zuoz ở Thụy Sĩ. Các quan chức địa phương ban đầu muốn có một cây cầu thép bắc qua sông Inn rộng 30 mét, nhưng Maillart lập luận rằng ông có thể xây một cây cầu thanh lịch hơn bằng bê tông cốt thép với chi phí tương đương. Sự đổi mới quan trọng của ông là kết hợp vòm của cây cầu và lòng đường vào một dạng gọi là vòm hộp rỗng, về cơ bản sẽ giảm chi phí của cây cầu bằng cách giảm thiểu lượng bê tông cần thiết. Trong một cầu vòm thông thường, trọng lượng của lòng đường được chuyển bằng các cột lên vòm, cột này phải tương đối dày. Tuy nhiên, trong thiết kế của Maillart, lòng đường và vòm được kết nối bởi ba bức tường thẳng đứng, tạo thành hai hộp rỗng chạy dưới lòng đường (xem sơ đồ). Ưu điểm lớn của thiết kế này là bởi vì vòm không phải chịu tải một mình, nó có thể mỏng hơn nhiều – chỉ dày bằng một phần ba so với vòm trong cây cầu thông thường.

D Tuy nhiên, kiệt tác đầu tiên của ông là Cầu Tavanasa năm 1905 bắc qua sông Rhine ở dãy núi Alps của Thụy Sĩ. Trong thiết kế này, Maillart đã loại bỏ các phần của những bức tường thẳng đứng không cần thiết vì chúng không chịu tải. Điều này tạo ra một hình dáng thanh mảnh, nhẹ hàng hơn, đáp ứng hoàn hảo các yêu cầu về kết cấu của cây cầu. Nhưng cầu Tavanasa nhận được ít sự ủng hộ của công chúng ở Thụy Sĩ; ngược lại, nó lại làm dấy lên sự phản đối thẩm mỹ mạnh mẽ từ các công chức, những người đã thoải mái hơn với những cây cầu mặt đá kiểu cũ. Maillart, người đã thành lập công ty xây dựng của riêng mình vào năm 1902, không thể giành được bất kỳ dự án cầu nào nữa, vì vậy ông chuyển trọng tâm sang thiết kế các tòa nhà, bể chứa nước và các cấu trúc khác bằng bê tông cốt thép và không tiếp tục công việc của mình trên cầu bê tông cho đến khi đầu những năm 1920.

E Bước đột phá quan trọng nhất của ông trong thời kỳ này là sự phát triển của vòm cứng chịu lực, ví dụ đầu tiên trong số đó là Cầu Flienglibach, được xây dựng vào năm 1923. Một cây cầu vòm có phần giống như một sợi cáp ngược. Một sợi cáp cong xuống khi một vật nặng được treo từ nó, một cầu vòm cong lên để hỗ trợ lòng đường và lực nén trong vòm cân bằng tải trọng chết của giao thông. Vì lý do thẩm mỹ, Maillart muốn có một vòm mỏng hơn và giải pháp của ông là kết nối vòm với lòng đường bằng các bức tường ngang. Bằng cách này, Maillart đã giải thích rằng việc làm cho vòm càng mỏng càng tốt để xây dựng nó một cách hợp lý. Phân tích của ông đã dự đoán chính xác hoạt động của cây cầu nhưng các nhà chức trách hàng đầu của ngành kỹ thuật Thụy Sĩ sẽ phản đối các phương pháp của ông trong 1/4 thế kỷ tới.

F Trong 10 năm tiếp theo, Maillart tập trung vào việc tinh chế hình thức bên ngoài của vòm cứng trên boong. Công trình kiến trúc nổi tiếng nhất của ông là Cầu Salginatobel, được hoàn thành vào năm 1930. Ông đã giành được hợp đồng trong cuộc cạnh tranh vì thiết kế của ông có giá rẻ nhất trong số 19 công trình được đệ trình – cây cầu và đường được xây dựng với giá chỉ 700.000 franc Thụy Sĩ, tương đương với khoảng 3,5 triệu đô la ngày nay. Salginatobel cũng là nhịp dài nhất của Maillart, ở độ cao 90 mét và nó có khung cảnh ấn tượng nhất trong tất cả các công trình kiến trúc của ông, mái vòm cao 80 mét trên khe núi của con suối Salgina. Năm 1991, nó trở thành cây cầu bê tông đầu tiên được công nhận là một cột mốc lịch sử quốc tế.

Trước khi qua đời vào năm 1940, Maillart đã hoàn thành những cây cầu đáng chú ý khác và tiếp tục hoàn thiện các thiết kế của mình. Tuy nhiên, các kiến trúc sư thường nhận ra chất lượng cao của các cấu trúc Maillart trước khi các kỹ sư của ông làm được và vào năm 1947, bộ phận kiến trúc của Bảo tàng Nghệ thuật Hiện đại ở Thành phố New York đã dành hẳn một cuộc triển lãm lớn cho các tác phẩm của ông. Ngược lại, rất ít kỹ sư kết cấu người Mỹ vào thời điểm đó thậm chí còn nghe nói đến Maillart. Tuy nhiên, trong những năm tiếp theo, các kỹ sư nhận ra rằng những cây cầu của Maillart không chỉ đẹp về mặt thẩm mỹ mà chúng còn vượt trội về mặt kỹ thuật. Vòm hộp rỗng của Maillart đã trở thành hình thức thiết kế chủ đạo cho các cây cầu bê tông nhịp trung bình và dài ở Mỹ. Ở Thụy Sĩ, các giáo sư cuối cùng đã bắt đầu dạy những ý tưởng của Maillart, sau đó đã ảnh hưởng đến một thế hệ nhà thiết kế mới.