Por qué se derrumbó el puente Tacoma Narrows: un análisis de ingeniería

El puente Tacoma Narrows es el nombre histórico que se le dio al puente colgante gemelo, construido originalmente en 1940, que se extendía por el estrecho de Tacoma Narrows. Se derrumbó solo cuatro meses después debido a un aleteo aeroelástico. Desde entonces, este tema se ha vuelto popular, con varios estudios de caso que discuten el fenómeno de fallas de los puentes de cables colgantes.

En el estado de Washington, se completó la construcción del puente Tacoma Narrows y se abrió al tráfico en 1 de julio de 1940. Fue el primer puente en incorporar una serie de vigas de placa como soporte de la calzada, y el primer puente de este tipo (suspensión por cable). También fue el tercer puente colgante más grande de su tiempo, con un tramo central de 2800 pies y dos tramos laterales de 1100 pies cada uno.

Un enfoque del lado oeste tenía una viga de acero continua de 450 pies, mientras que el El lado este tenía un marco largo de hormigón armado de 210 pies. Tenía dos anclajes de cable de 26 pies. a lo largo de las carreteras, dos de 5 pies. aceras y dos de 8ft. vigas de refuerzo profundo. Entre varios otros detalles estructurales, los anclajes de los cables de suspensión a los que se conectaron los cables estaban hechos de 20.000 yardas cúbicas de hormigón, 6 libras lakh de acero estructural y 2,7 libras lakh de acero de refuerzo. Debido a su longitud extremadamente larga, se consideró un «puente estrecho». El costo total de construcción se estimó en la friolera de $ 6 millones en 1940. Considerando la inflación, esto equivale a casi $ 1 mil millones, y todo esto por algo que duró solo cuatro meses y siete días. Sin embargo, esta sigue siendo una gran característica de ingeniería para que los ingenieros civiles reflexionen sobre ella.

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Tacoma Narrows Bridge El incidente: ¿Qué sucedió en ese fatídico día?

Poco después de la construcción del puente de Tacoma, se descubrió que se doblaba peligrosamente y se balanceaba a lo largo de su longitud en condiciones de viento. Incluso con los vientos normales, el puente se ondulaba notablemente, y esto tenía a los ingenieros preocupados por las condiciones en presencia de vientos fuertes. Alarmados por esto, muchos ingenieros comenzaron a realizar experimentos en un túnel de viento sobre el comportamiento estructural del puente cuando se sometió a cargas de viento.

El día del colapso del puente Tacoma Narrows, experimentó vientos de aproximadamente 19 m. / s (es decir, aproximadamente 70 km / h). El soporte central vibraba torsionalmente a una frecuencia de 36 cpm (ciclos / min) en nueve segmentos diferentes. Durante la siguiente hora, la amplitud de la vibración de torsión aumentó y el movimiento había cambiado de subir y bajar rítmicamente a una torsión de dos ondas como se muestra en la Fig.02. A pesar de todos estos movimientos, la parte central del puente (a lo largo de la longitud) permaneció inmóvil, mientras que sus otras dos mitades giraban en direcciones opuestas.

El puente se torció notablemente en dos partes, experimentando 14 vibraciones / min . Este drástico movimiento de torsión se inició por la falla de una banda de cable (ubicada a lo largo del lado norte) que se conectaba al centro de las ataduras diagonales. Debido al combado alternativo y al acaparamiento de los miembros del tramo, las torres que los sostenían fueron arrastrados hacia ellos. Además, se desarrollaron grietas visibles y predominantes antes de que todo el puente se estrellara en el río.

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Afortunadamente, no se perdió ninguna vida humana en el incidente, pero esto fue un fracaso de ingeniería abrumador. El profesor F.B Farquharson de la Universidad de Washington fue el responsable de realizar experimentos para comprender las oscilaciones. En este día, el profesor y su equipo grabaron el movimiento del puente en cámara, y podemos encontrarlo hoy en YouTube.

Tacoma Narrows Bridge Post-Investigación del colapso del puente Tacoma

Se construyó un modelo tridimensional a escala 1: 200 para experimentos en túnel de viento y para comprender explícitamente la razón del fallo. Los experimentos dieron lugar a una nueva teoría: las oscilaciones inducidas por el viento. La imagen del colapso del puente Tacoma Narrows se muestra en la Fig.03.

La forma del puente era aerodinámicamente inestable a lo largo de la dirección transversal. Las vigas verticales en forma de H permitieron la separación del flujo, lo que condujo a la generación de vórtices que coincidían con la fase de oscilación. Estos vórtices generaron suficiente energía para empujar las vigas fuera de su posición.

El problema que causó el colapso del puente Tacoma Narrows no era un problema nuevo, sino uno que no se había especificado. Debido a la acción del viento, se puede ver una mayor rigidez a través de varios métodos de diseño, como agregar una mayor carga muerta, adoptar amortiguadores, reforzar armaduras o mediante cables tensores. Sin embargo, estos factores no se consideraron originalmente y solo se convirtieron en parte de los análisis forenses posteriores.

Ingeniería detrás del colapso La física detrás del colapso del puente Tacoma Narrows

El puente Tacoma Narrows colapsó principalmente debido al aleteo aeroelástico. En el diseño de un puente ordinario, se permite que el viento pase a través de la estructura incorporando cerchas. Por el contrario, en el caso del puente Tacoma Narrows, se vio obligado a moverse por encima y por debajo de la estructura, lo que provocó la separación del flujo. Tal separación de flujo, en presencia de un objeto, puede conducir al desarrollo de una calle de vórtice Kármán, ya que el flujo pasa a través del objeto.

La frecuencia de vórtice en la calle de vórtice de Kármán es la frecuencia de Strouhal (fs) que viene dado por;

donde U es la velocidad del flujo, D es la longitud característica y S es el número de Strouhal (una cantidad adimensional). Ejemplo: para un número de Reynolds mayor que 1000, S es 0,21. En el caso del puente de Tacoma, D era de 8 pies y S era de 0,20.

Conclusión del puente de Tacoma Narrows

Después del colapso del puente de Tacoma Narrows, el nuevo puente fue rediseñado (basado en sobre lecciones aprendidas) y reconstruido en 1950 (Fig. 4). El puente recién construido incorporó cerchas abiertas (triangulares), puntales de refuerzo y permitió que el viento fluyera libremente a través de las aberturas en los lechos de las carreteras. En comparación con el diseño anterior, la torsión que se desarrolló en el nuevo puente fue considerablemente menos severa.

Debido al desastre del puente Tacoma Narrows, el puente Whitestone en los EE. UU. Se fortaleció agregando cerchas y aberturas debajo cubiertas de carreteras para disminuir las oscilaciones, y se encuentra que funcionan incluso hoy. La idea de utilizar análisis dinámico y modal para el diseño de puentes recibió un impulso mucho mayor después de este desastre.

La teoría de la deflexión sirve como modelo para los métodos analíticos complejos utilizados por muchos ingenieros estructurales para obtener tensiones, deflexiones, etc. Esto eventualmente llevó al desarrollo del análisis de elementos finitos (FEA) como una herramienta genérica para diseñar estructuras de ingeniería civil.

Hoy en día, en el diseño de puentes, la simulación de ingeniería juega un papel crucial en el proceso de prueba. Usando CFD para simular cargas de viento y FEA para investigar tensiones y el comportamiento estructural de puentes, los ingenieros pueden prevenir fallas como el colapso del puente Tacoma Narrows y construir puentes y edificios mejores y más fuertes.

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