Miért omlott össze a Tacoma Narrows Bridge: Műszaki elemzés

A Tacoma Narrows Bridge a Tacoma Narrows szoroson átívelő iker függesztőhíd történelmi neve. Alig négy hónappal később összeomlott aeroelasztikus csapkodás miatt. Azóta ez a téma népszerűvé vált, számos esettanulmány tárgyalja a felfüggesztőkábel-hidak meghibásodási jelenségét.

Washington államban a Tacoma Narrows Bridge építése befejeződött és megnyitva volt a forgalom előtt. 1940. július 1-je. Ez volt az első híd, amely útburkolatként egy sor lemeztartót tartalmazott, és az első ilyen típusú híd (kábelfelfüggesztés). Ez korának harmadik legnagyobb függőhídja is volt, 2800 láb középfesztávolsággal és két 1100 láb hosszú oldalsó fesztávolsággal.

A nyugati oldalú megközelítés folytonos acélgerendája 450 láb, míg a keleti oldalán 210ft hosszú vasbeton váz volt. Két kábelrögzítése 26ft volt. úttestek mentén két 5ft. járdák és két 8ft. mély merevítő tartók. Több más szerkezeti részlet mellett a függesztőkábel-rögzítések, amelyekhez a kábeleket csatlakoztatták, 20 000 köbméter betonból, 6 ezer font szerkezeti acélból és 2,7 ezer font erősítő acélból készültek. Rendkívül hosszú hossza miatt „keskeny hídnak” tekintették. A teljes építési költséget 1940-ben hatalmas 6 millió dollárra becsülték. Az inflációt figyelembe véve ez csaknem egymilliárd dollárnak felel meg, és mindez csak négy hónap és hét napig tartott. Mégis, ez továbbra is nagyszerű mérnöki szolgáltatás a mérnökök számára, hogy ezen elmélkedhessenek.

További információ a szélterhelések pontos előrejelzéséről az épületeken a webböngésző elhagyása nélkül.

Tacoma Narrows Bridge Az eset: Mi történt azon a sorsdöntő napon?

Röviddel a Tacoma-híd megépítése után kiderült, hogy szeles körülmények között a hosszában veszélyes módon csatolt és lengett. A híd még a szokásos szél ellenére is észrevehetően hullámzott, és ez a mérnököket aggasztotta a nagy szélviszonyok körülményei miatt. Ettől riadva sok mérnök szélcsatornában kezdett kísérleteket végezni a híd szerkezeti viselkedésével szemben, amikor szélterhelésnek volt kitéve.

A Tacoma Narrows Bridge összeomlásának napján körülbelül 19 méteres szél tapasztalható. / s (azaz kb. 70kmph). A középső tartózkodási hely torziós rezgést mutatott 36 cpm (ciklus / perc) frekvencián, kilenc különböző szegmensben. A következő órában a torziós rezgésamplitúdó felépült, és a mozgás ritmikusan emelkedő és zuhanó helyzetből kéthullámú csavarodásra változott, amint azt a 02. ábra mutatja. Mindezen mozgások ellenére a híd középső része (hosszában) mozdulatlan maradt, míg másik két fele ellentétes irányba csavarodott.

A híd érezhetően két részre csavarodott, 14 rezgést / perc tapasztalva . Ezt a drasztikus torziós mozgást az átlós kapcsolatok közepéhez csatlakozó kábel (az északi oldalon mentén elhelyezkedő) szalag meghibásodása indította el. A fesztávolság tagjai alternatív megereszkedése és felakasztása miatt az őket tartó tornyokat maguk felé húzták. További látható és túlnyomó repedések keletkeztek, mielőtt az egész híd lezuhant volna a folyóba.

Töltse le a „Tippek az építészethez, a mérnöki munkához & Construction (AEC)” fehér papír, amellyel megtanulhatja, hogyan optimalizálhatja a terveket!

Szerencsére az eset során egyetlen ember sem vesztette életét, de ez mégis elsöprő mérnöki hiba volt. Prof. F. Farquharson, a Washingtoni Egyetem feladata volt, hogy kísérleteket végezzen az oszcillációk megértése érdekében. Ezen a napon a professzor és csapata kamerával rögzítette a híd mozgását, és ezt ma megtalálhatjuk a YouTube-on.

A Tacoma Narrows Bridge a Tacoma híd összeomlásának utólagos vizsgálata

Háromdimenziós méretarányú, 1: 200 méretarányú modellt építettek a szélcsatornás kísérletekhez és a meghibásodás okának kifejezett megértéséhez. A kísérletek egy új elméletet hoztak létre: a szél okozta rezgéseket. A Tacoma Narrows Bridge összeomlásának képét a 03. ábra mutatja.

A híd alakja keresztirányban aerodinamikailag instabil volt. A H alakú függőleges tartók lehetővé tették az áramlás szétválasztását, így örvényképződéshez vezettek, amely megfelelt a rezgés fázisának. Ezek az örvények elegendő energiát termeltek ahhoz, hogy a tartókat kiszorítsák helyzetükből.

A Tacoma Narrows Bridge összeomlását okozó probléma nem új, hanem meghatározatlan probléma volt. A szél hatására a megnövekedett merevség különböző tervezési módszerekkel érhető el, például nagyobb holtterhelés hozzáadásával, lengéscsillapítók felvételével, merevítő rácsokkal vagy kábelcsatornákkal. Ezeket a tényezőket azonban eredetileg nem vették figyelembe, és csak a későbbi törvényszék részévé váltak.

Mérnöki munkák az összeomlás mögött A fizika a Tacoma keskeny hídja mögött Összeomlás

A Tacoma Narrows híd elsősorban azért esett össze az aeroelasztikus csapkodásra. A szokásos hídtervezésnél a szélnek át kell mennie a szerkezeten rácsos elemek beépítésével. Ezzel szemben a Tacoma Narrows Bridge esetében kénytelen volt a szerkezet felett és alatt mozogni, ami áramlásszétválasztáshoz vezetett. Az ilyen áramlási elválasztás egy objektum jelenlétében egy Kármán-örvény utca kialakulásához vezethet, mivel az áramlás áthalad az objektumon.

A Kármán örvény utcai örvényfrekvencia a Strouhal frekvencia (fs) amelyet a: Példa: 1000-nél nagyobb Reynolds-szám esetén az S értéke 0,21. A Tacoma híd esetében D 8 láb, S pedig 0,20 volt.

Tacoma Narrows Bridge Következtetés

A Tacoma Narrows Bridge összeomlása után az új hidat újratervezték ( a levont tanulságokról) és 1950-ben újjáépítették (4. ábra). Az újonnan épített híd nyitott rácsokat (háromszög alakú), merevítő támasztékokat tartalmazott, és lehetővé tette a szél szabad áramlását az útágyak nyílásain keresztül. Az előző kialakításhoz képest az új hídban kialakult csavarodás lényegesen kevésbé volt súlyos. úttestek az oszcillációk csökkentése érdekében, és ezek manapság is működnek. Az a gondolat, hogy a hidak tervezéséhez dinamikus és modális elemzést kell használni, sokkal nagyobb lendületet kapott e katasztrófa után.

A lehajláselmélet modellként szolgál komplex analitikai módszerekhez, amelyeket sok szerkezeti mérnök használ a feszültségek, alakváltozások, stb. Ez végül a végeselemzés (FEA) kifejlesztéséhez vezetett, mint általános eszköz az építőmérnöki struktúrák tervezéséhez.

Manapság a hídtervezésben a mérnöki szimuláció döntő szerepet játszik a tesztelési folyamatban. A CFD segítségével a szélterhelést, a FEA-t pedig a feszültségek és a hidak szerkezeti viselkedésének vizsgálatára használva a mérnökök megakadályozhatják az olyan hibákat, mint a Tacoma Narrows Bridge összeomlása, és jobb és erősebb hidakat és épületeket építenek.

Ha tetszett ez a cikk, fedezze fel a SimScale blogunkat még sok másért!