タコマナローズ橋が崩壊した理由：エンジニアリング分析

タコマナローズ橋は、タコマナローズ海峡に架かるツインサスペンション橋（元々は1940年に建設された）に付けられた歴史的な名前です。空力弾性フラッターのため、わずか4か月後に崩壊しました。それ以来、このトピックは人気を博し、サスペンション斜張橋の故障現象を論じたいくつかのケーススタディがあります。

ワシントン州では、タコマナローズ橋の建設が完了し、 1940年7月1日。これは、路盤支持として一連のプレートガーダーを組み込んだ最初の橋であり、このタイプの最初の橋（斜張橋）でした。また、当時3番目に大きな吊橋であり、中央支間は2800フィート、側間は2つあり、それぞれ1100フィートでした。

西側のアプローチでは、450フィートの連続鋼桁がありました。東側には210フィートの長い鉄筋コンクリートフレームがありました。 26フィートのケーブルアンカーが2つありました。道路に沿って、2つの5フィート。歩道と2つの8フィート。深い補強桁。他のいくつかの構造の詳細の中で、ケーブルが接続されたサスペンションケーブルアンカーは、20,000立方ヤードのコンクリート、6ラックポンドの構造用鋼、および2.7ラックポンドの鉄筋でできていました。長さが非常に長いため、「狭い橋」と見なされていました。全体の建設費は1940年になんと600万ドルと見積もられました。インフレを考慮すると、これはほぼ10億ドルに相当し、これらすべてがわずか4か月と7日間続いたものです。それでも、これは土木技師が熟考するための優れたエンジニアリング機能です。

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タコマナローズ橋事件：その運命の日に何が起こったのか？

タコマ橋の建設直後、風の強い状況で危険なほどに曲がり、その長さに沿って揺れることがわかりました。通常の風でも橋はかなり波打っていて、強風の状況を心配していた。これに驚いて、多くのエンジニアが風洞で風荷重を受けたときの橋の構造的挙動について実験を始めました。

タコマナロウズ橋が崩壊した日、約19mの風が吹いていました。 / s（つまり、約70kmph）。センターステーは、9つの異なるセグメントで36 cpm（サイクル/分）の周波数でねじれ振動していました。次の1時間で、ねじり振動の振幅が増加し、動きは図02に示すように、リズミカルな上昇と下降から2波のねじれに変化しました。これらすべての動きにもかかわらず、橋の中央部分（長さに沿って）静止したままで、他の2つの半分は反対方向にねじれました。

橋は2つの部分に著しくねじれており、毎分14回の振動が発生しています。 。この急激なねじれ運動は、斜めのタイの中心に接続されているケーブル（北側に沿って配置されている）バンドの故障によって開始されました。スパンメンバーの代替のたるみとホギングのために、それらを保持しているタワーはそれらに向かって引っ張られました。さらに、橋全体が川に激突する前に、目に見える優勢な亀裂が発生しました。

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ありがたいことに、この事件で人命が失われることはありませんでしたが、それでもこれは圧倒的なエンジニアリングの失敗でした。ワシントン大学のF.BFarquharson教授は、振動を理解するための実験を行う責任がありました。この日、教授と彼のチームは橋の動きをカメラで記録しました。これは今日YouTubeで確認できます。

タコマナローズ橋の崩壊後のタコマナローズ橋の調査

風洞実験用に、失敗の理由を明確に理解するために、1：200スケールの3次元縮尺モデルが作成されました。実験は新しい理論をもたらしました：風によって引き起こされる振動。タコマナロウズ橋の崩壊の画像を図03に示します。

橋の形状は、横方向に沿って空力的に不安定でした。 H字型の垂直桁は流れの分離を可能にし、振動の位相に一致する渦の生成をもたらしました。これらの渦は、桁をその位置から押し出すのに十分なエネルギーを生成しました。

タコマナロウズ橋の崩壊を引き起こした問題は、新しい問題ではなく、特定されていなかった問題でした。風の作用により、より大きな死荷重の追加、ダンパーの採用、トラスの補強、ガイケーブルなどのさまざまな設計方法によって剛性の増加が見られます。ただし、これらの要因は当初は考慮されておらず、後の法医学の一部となっただけです。

崩壊の背後にあるエンジニアリングタコマナローズ橋の崩壊の背後にある物理学

タコマナローズ橋は主に崩壊しました空力弾性フラッターに。通常の橋梁設計では、トラスを組み込むことで風が構造物を通過できるようになっています。対照的に、タコマナローズ橋の場合、構造物の上下に移動することを余儀なくされ、流れが分離しました。このような流れの分離は、オブジェクトが存在する場合、流れがオブジェクトを通過するときに、カルマン渦列の発達につながる可能性があります。

カルマン渦列の渦周波数はストローハル周波数（fs）です。これは次の式で与えられます。

ここで、Uは流速、Dは特性長、Sはストローハル数（無次元量）です。例：1000を超えるレイノルズ数の場合、Sは0.21です。タコマ橋の場合、Dは8フィート、Sは0.20でした。

タコマナローズ橋の結論

タコマナローズ橋が崩壊した後、新しい橋は再設計されました（学んだ教訓について）そして1950年に再建されました（図4）。新しく建設された橋は、開いたトラス（三角形）、補強支柱を組み込んでおり、風が路盤の開口部を通って自由に流れることを可能にしました。以前の設計と比較して、新しい橋で発生したねじれはかなり軽度でした。

タコマナローズ橋の災害のため、米国のホワイトストーン橋はトラスと開口部を下に追加することで強化されました振動を減らすためのロードデッキ、そしてこれらは今日でも機能していることがわかっています。橋の設計に動的およびモーダル解析を使用するというアイデアは、この災害の後、はるかに大きな推進力を受け取りました。

たわみ理論は、応力、たわみを取得するために多くの構造エンジニアが使用する複雑な解析方法のモデルとして機能します。これにより、最終的に土木構造物を設計するための汎用ツールとして有限要素解析（FEA）が開発されました。

現在、橋の設計では、工学シミュレーションが試験プロセスで重要な役割を果たしています。 CFDを使用して風荷重をシミュレートし、FEAを使用して橋の応力と構造挙動を調査することで、エンジニアはタコマナロウズ橋の崩壊などの故障を防ぎ、より優れたより強力な橋や建物を建設できます。

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