Miksi Tacoma Narrows -silta romahti: tekninen analyysi

Tacoma Narrows -silta on historiallinen nimi kaksinkertaiselle riippusillalle, joka rakennettiin alun perin vuonna 1940 ja joka ulottui Tacoma Narrows -salmelle. Se romahti vain neljä kuukautta myöhemmin aeroelastisen lepatuksen vuoksi. Sittemmin tämä aihe on tullut suosittu, ja useissa tapaustutkimuksissa on keskusteltu ripustuskaapelisiltojen vikaantumisesta.

Washingtonin osavaltiossa Tacoma Narrows -sillan rakentaminen valmistui ja avattiin liikenteelle 1. heinäkuuta 1940. Se oli ensimmäinen silta, johon sisältyi sarja levypalkkeja tienpinnan tueksi ja ensimmäinen sen tyyppinen silta (kaapelijousitus). Se oli myös aikansa kolmanneksi suurin riippusilta, jossa oli 2800-jalkainen keskiväli ja kaksi 1100-jalkaista sivuväliä. itäpuolella oli pitkä teräsbetonirunko 210 jalkaa. Siinä oli kaksi 26ft: n kaapelikiinnitystä. tietä pitkin, kaksi 5 jalkaa. jalkakäytäviä ja kaksi 8 jalkaa. syvät jäykistävät palkit. Useiden muiden rakenteellisten yksityiskohtien joukossa ripustuskaapelien kiinnityspisteet, joihin kaapelit liitettiin, tehtiin 20000 kuutiometristä betonia, 6 laksia punnasta rakenneterästä ja 2,7 laki puntaa vahviterästä. Erittäin pitkän pituudensa vuoksi sitä pidettiin kapeana sillana. Rakennuskustannusten arvioitiin olevan huikeat 6 miljoonaa dollaria vuonna 1940. Inflaatio huomioon ottaen tämä vastaa melkein miljardia dollaria, ja kaikki tämä vain neljä kuukautta ja seitsemän päivää kestäneelle. Silti tämä on edelleen upea suunnitteluominaisuus rakennusinsinöörien pohdittavaksi.

Opi ennakoimaan tuulikuormat tarkasti rakennuksissa poistumatta verkkoselaimesta.

Tacoma Narrows Bridge Tapaus: Mitä tapahtui tuona kohtalokkaana päivänä?

Pian Tacoman sillan rakentamisen jälkeen sen havaittiin vaarallisesti lukittuvan ja heiluvan pitkin pituutta tuulisissa olosuhteissa. Vaikka normaalit tuuletkin, silta aaltoilisi huomattavasti, ja tämä sai insinöörit huolestumaan olosuhteista kovassa tuulessa. Tämän huolestuttamana monet insinöörit alkoivat kokeilla tuulitunnelissa sillan rakenteellista käyttäytymistä tuulikuormitettuna.

Tacoma Narrows -sillan romahtamispäivänä se koki noin 19 metrin tuulen. / s (ts. noin 70 kmph). Keskipiste tärisi vääntövoimalla taajuudella 36 cpm (sykliä / min) yhdeksässä eri segmentissä. Seuraavan tunnin aikana vääntövärähtelyamplitudi kasvoi ja liike oli muuttunut rytmisesti nousevasta ja laskevasta kaksiaallokierteeksi kuvan 02 mukaisesti. Kaikista näistä liikkeistä huolimatta sillan keskiosa (pituudelta) pysyi liikkumattomana, kun taas kaksi muuta puoliskoa kiertyivät vastakkaisiin suuntiin.

Silta oli kiertynyt huomattavasti kahteen osaan, kokenut 14 tärinää / min . Tämä jyrkkä vääntöliike alkoi vikavyöhykkeen keskelle kytkeytyvän (pohjoispuolella sijaitsevan) kaistan vikaantumisesta. Spanelien vaihtoehtoisen roikkumisen ja roikkumisen vuoksi niitä pitävät tornit vedettiin kohti niitä. Edelleen näkyvät ja hallitsevat halkeamat kehittyivät ennen kuin koko silta kaatui jokeen.

Lataa vihjeitä arkkitehtuuriin, tekniikkaan & Rakentaminen (AEC) valkoinen paperi oppia kuinka optimoida suunnittelusi!

Onneksi ihmishenkiä ei menetetty tapahtumassa, mutta tämä oli silti ylivoimainen suunnitteluvika. Professori F.B Farquharson Washingtonin yliopistosta oli vastuussa kokeiden suorittamisesta värähtelyjen ymmärtämiseksi. Tänä päivänä professori ja hänen tiiminsä tallensivat sillan liikkeen kameralla, ja löydämme sen tänään YouTubesta.

Tacoma Narrows Bridge -tutkimus Tacoman sillan romahduksesta

Kolmiulotteinen mittakaava 1: 200-mittakaavassa rakennettiin tuulitunnelikokeita varten ja selkeästi ymmärtämään epäonnistumisen syy. Kokeista syntyi uusi teoria: tuulen aiheuttamat värähtelyt. Kuva Tacoma Narrows -sillan romahduksesta on esitetty kuvassa 03.

Sillan muoto oli aerodynaamisesti epävakaa poikittaissuunnassa. H-muodon pystysuorat palkit sallivat virtauksen erottamisen, mikä johti pyörteen muodostumiseen, joka sopi värähtelyvaiheeseen. Nämä pyörteet tuottivat tarpeeksi energiaa työntämään kannattimet pois asemastaan.

Tacoma Narrows -sillan romahtamisen aiheuttama ongelma ei ollut uusi, vaan määrittelemätön ongelma. Tuulen vaikutuksesta lisääntynyt jäykkyys voidaan nähdä erilaisilla suunnittelumenetelmillä, kuten lisäämällä suurempi kuollut kuorma, ottamalla käyttöön pellit, jäykistävät ristikot tai kaverikaapeleilla. Näitä tekijöitä ei kuitenkaan alun perin otettu huomioon, ja niistä tuli vain osa myöhempää rikosteknistä tutkimusta.

Teknologia romahduksen takana Tacoma Narrows -sillan takana oleva fysiikka romahtaa

Tacoma Narrows -silta romahti pääasiassa aeroelastiseen lepatukseen. Tavanomaisessa siltasuunnittelussa tuulen annetaan kulkea rakenteen läpi sisällyttämällä ristikot. Sitä vastoin Tacoma Narrows -sillan tapauksessa se pakotettiin liikkumaan rakenteen ylä- ja alapuolelle, mikä johti virtauksen erottumiseen. Tällainen virtauksen erottelu esineen läsnä ollessa voi johtaa Kármán-pyörrekadun kehittymiseen, kun virtaus kulkee esineen läpi.

Kármán-pyörrekadun pyörretaajuus on Strouhal-taajuus (fs) jonka antaa;

missä U on virtausnopeus, D on ominaispituus ja S on Strouhal-luku (dimensioton määrä). Esimerkki: Jos Reynoldsin luku on suurempi kuin 1000, S on 0,21. Tacoma-sillan tapauksessa D oli 8 jalkaa ja S oli 0,20.

Tacoma Narrows -sillan päätelmä

Tacoma Narrows -sillan romahtamisen jälkeen uusi silta suunniteltiin uudelleen (perustuu opittujen kokemusten perusteella) ja rakennettiin uudelleen vuonna 1950 (kuva 4). Äskettäin rakennettu silta sisälsi avoimet ristikot, jäykistävät tuet ja antoi tuulen virrata vapaasti tienpohjissa olevien aukkojen läpi. Edelliseen malliin verrattuna uudessa sillassa kehittynyt kiertyminen oli huomattavasti vähemmän vakavaa.

Tacoma Narrows -sillan katastrofin takia Yhdysvaltain Whitestone-siltaa vahvistettiin lisäämällä ristikkoja ja aukkoja alla. tien kannet värähtelyjen vähentämiseksi, ja niiden havaitaan toimivan vielä tänään. Ajatus dynaamisen ja modaalisen analyysin käytöstä siltojen suunnittelussa sai paljon suuremman sysäyksen katastrofin jälkeen.

Taipumateoria toimii mallina monimutkaisille analyyttisille menetelmille, joita monet rakennesuunnittelijat käyttävät jännitysten, taipumien, jne. Tämä johti lopulta rajallisten elementtien analyysin (FEA) kehittämiseen yleisenä työkaluna maa- ja vesirakentamisen rakenteiden suunnittelulle.

Nykyään sillan suunnittelussa insinöörisimulaatiolla on ratkaiseva merkitys testausprosessissa. Käyttämällä CFD: tä tuulikuormien simulointiin ja FEA: lla jännitysten ja siltojen rakenteellisen käyttäytymisen tutkimiseen insinöörit voivat estää Tacoma Narrows -sillan kaltaiset viat ja rakentaa parempia ja vahvempia siltoja ja rakennuksia.

Jos pidit tästä artikkelista, tutustu SimScale-blogiimme paljon enemmän!