Perché il ponte di Tacoma Narrows è crollato: unanalisi ingegneristica

Il ponte di Tacoma Narrows è il nome storico dato al ponte sospeso gemello, originariamente costruito nel 1940, che attraversava lo stretto di Tacoma Narrows. È crollato solo quattro mesi dopo a causa del flutter aeroelastico. Da allora, questo argomento è diventato popolare, con diversi casi di studio che discutono il fenomeno dei guasti dei ponti dei cavi sospesi.

Nello stato di Washington, la costruzione del Tacoma Narrows Bridge è stata completata e aperta al traffico su 1 luglio 1940. Fu il primo ponte a incorporare una serie di travi in lamiera come supporto del fondo stradale e il primo ponte del suo genere (sospensione a fune). Era anche il terzo ponte sospeso più grande del suo tempo, con una campata centrale di 2800 piedi e due campate laterali di 1100 piedi ciascuna.

Un approccio sul lato ovest aveva una trave in acciaio continua di 450 piedi, mentre il il lato est aveva una lunga struttura in cemento armato di 210 piedi. Aveva due ancoraggi per cavi di 26 piedi. lungo le strade, due 5ft. marciapiedi e due 8ft. travi di irrigidimento profonde. Tra molti altri dettagli strutturali, gli ancoraggi dei cavi di sospensione a cui erano collegati i cavi erano costituiti da 20.000 iarde cubiche di cemento, 6 lakh libbre di acciaio strutturale e 2,7 lakh libbre di acciaio di rinforzo. A causa della sua lunghezza estremamente lunga, era considerato un “ponte stretto”. Il costo complessivo di costruzione è stato stimato in un enorme $ 6 milioni nel 1940. Considerando linflazione, questo equivale a quasi $ 1 miliardo, e tutto questo per qualcosa che è durato solo quattro mesi e sette giorni. Tuttavia, questa rimane una grande caratteristica ingegneristica su cui gli ingegneri civili devono riflettere.

Impara a prevedere con precisione i carichi del vento sugli edifici senza uscire dal browser web.

Tacoma Narrows Bridge The Incident: cosa è successo in quel fatidico giorno?

Poco dopo la costruzione del ponte Tacoma, si è scoperto che si piegava pericolosamente e ondeggiava lungo la sua lunghezza in condizioni di vento. Anche con i venti normali, il ponte ondeggiava notevolmente e questo aveva preoccupato gli ingegneri per le condizioni in presenza di vento forte. Allarmati da questo, molti ingegneri hanno iniziato a condurre esperimenti in una galleria del vento sul comportamento strutturale del ponte quando sottoposto a carichi di vento.

Il giorno del crollo del Tacoma Narrows Bridge, ha subito venti di circa 19 m / s (cioè circa 70 km / h). Lo strallo centrale vibrava torsionalmente a una frequenza di 36 cpm (cicli / min) in nove diversi segmenti. Nellora successiva, lampiezza della vibrazione torsionale si è accumulata e il movimento è passato da un aumento e una diminuzione ritmici a una torsione a due onde come mostrato nella Fig. 02. Nonostante tutti questi movimenti, la parte centrale del ponte (lungo la lunghezza) rimase immobile, mentre le sue altre due metà ruotavano in direzioni opposte.

Il ponte è stato ruotato notevolmente in due parti, subendo 14 vibrazioni / min . Questo drastico movimento torsionale è stato avviato da una rottura di una fascia di cavo (situata lungo il lato nord) che si collega al centro delle fascette diagonali. A causa del cedimento e del monopolio alternativi dei membri della campata, le torri che li tenevano venivano tirati verso di loro. Inoltre, crepe visibili e predominanti si sono sviluppate prima che lintero ponte precipitasse nel fiume.

Scarica il nostro “Suggerimenti per larchitettura, lingegneria & Costruzione (AEC)” bianco carta per imparare a ottimizzare i tuoi progetti!

Per fortuna, nessuna vita umana è andata persa nellincidente, ma si trattava comunque di un enorme fallimento ingegneristico. Il professor F.B Farquharson dellUniversità di Washington è stato responsabile della conduzione di esperimenti per comprendere le oscillazioni. In questo giorno, il professore e il suo team hanno registrato il movimento del ponte con la telecamera, e possiamo trovarlo oggi su YouTube.

Tacoma Narrows Bridge Post-Investigation of the Tacoma Bridge Collapse

Un modello tridimensionale in scala di scala 1: 200 è stato costruito per esperimenti nella galleria del vento e per comprendere esplicitamente il motivo del fallimento. Gli esperimenti hanno portato a una nuova teoria: le oscillazioni indotte dal vento. Limmagine del crollo del Tacoma Narrows Bridge è mostrata in Fig.03.

La forma del ponte era aerodinamicamente instabile lungo la direzione trasversale. Le travi verticali della forma ad H consentivano la separazione del flusso, portando così alla generazione di vortici che corrispondevano alla fase di oscillazione. Questi vortici hanno generato energia sufficiente per spingere le travi fuori dalla loro posizione.

Il problema che ha causato il crollo del Tacoma Narrows Bridge non era un problema nuovo, ma non specificato. A causa dellazione del vento, una maggiore rigidità può essere vista attraverso vari metodi di progettazione come laggiunta di un carico morto maggiore, ladozione di smorzatori, tralicci di irrigidimento o tiranti. Tuttavia, questi fattori non furono inizialmente considerati e divennero solo parte della successiva analisi forense.

Ingegneria dietro il collasso La fisica dietro il crollo del ponte di Tacoma Narrows

Il ponte di Tacoma Narrows crollò principalmente a causa al flutter aeroelastico. Nella progettazione di ponti ordinari, il vento può passare attraverso la struttura incorporando capriate. Al contrario, nel caso del Tacoma Narrows Bridge, è stato costretto a spostarsi sopra e sotto la struttura, portando alla separazione del flusso. Tale separazione del flusso, in presenza di un oggetto, può portare allo sviluppo di una strada a vortice di Kármán, poiché il flusso passa attraverso loggetto.

La frequenza del vortice nella strada del vortice di Kármán è la frequenza di Strouhal (fs) che è data da;

dove U è la velocità del flusso, D è la lunghezza caratteristica e S è il numero di Strouhal (una quantità adimensionale). Esempio: per un numero di Reynolds maggiore di 1000, S è 0,21. Nel caso del Tacoma Bridge, D era 8 piedi e S era 0,20.

Conclusione del Tacoma Narrows Bridge

Dopo il crollo del Tacoma Narrows Bridge, il nuovo ponte è stato riprogettato (basato sulle lezioni apprese) e ricostruito nel 1950 (Fig.4). Il ponte di nuova costruzione incorporava capriate aperte (triangolari), puntoni di irrigidimento e consentiva al vento di fluire liberamente attraverso le aperture nei letti stradali. Rispetto al progetto precedente, la torsione che si è sviluppata nel nuovo ponte è stata notevolmente meno grave.

A causa del disastro del Tacoma Narrows Bridge, il Whitestone Bridge negli Stati Uniti è stato rafforzato aggiungendo capriate e aperture sottostanti impalcati stradali per diminuire le oscillazioni, e questi si trovano a funzionare anche oggi. Lidea di utilizzare lanalisi dinamica e modale per la progettazione di ponti ha ricevuto un impulso molto maggiore dopo questo disastro.

La teoria della deflessione funge da modello per metodi analitici complessi utilizzati da molti ingegneri strutturali per ottenere sollecitazioni, deviazioni, ecc. Questo alla fine portò allo sviluppo dellanalisi agli elementi finiti (FEA) come strumento generico per la progettazione di strutture di ingegneria civile.

Oggigiorno, nella progettazione di ponti, la simulazione ingegneristica gioca un ruolo cruciale nel processo di test. Utilizzando CFD per simulare i carichi del vento e FEA per studiare le sollecitazioni e il comportamento strutturale dei ponti, gli ingegneri possono prevenire guasti come il crollo del Tacoma Narrows Bridge e costruire ponti ed edifici migliori e più resistenti.

Se ti è piaciuto questo articolo, esplora il nostro blog SimScale per molto di più!