Tacoma Narrows Bridge가 붕괴 된 이유 : 엔지니어링 분석

Tacoma Narrows Bridge는 원래 1940 년에 건설되었으며 Tacoma Narrows 해협을 가로 지르는 쌍둥이 현수교에 부여 된 역사적인 이름입니다. 그것은 공 탄성 플러터로 인해 불과 4 개월 후에 무너졌습니다. 그 이후로이 주제는 현수교의 고장 현상을 논의하는 여러 사례 연구와 함께 인기를 얻었습니다.

워싱턴 주에서 Tacoma Narrows Bridge의 건설이 완료되어 교통에 개방되었습니다. 1940 년 7 월 1 일.이 교량은 일련의 판 거더를 노반 지지대로 통합 한 최초의 교량이었으며 최초의 교량 (케이블 서스펜션)이었습니다. 또한 2800 피트의 중앙 경간과 2 개의 측면 경간이 각각 1100 피트 인 당시 세 번째로 큰 현수교였습니다.

서쪽 접근 방식은 450ft의 연속 강철 거더를 사용했습니다. 동쪽에는 210 피트의 긴 철근 콘크리트 프레임이있었습니다. 26 피트의 두 개의 케이블 고정 장치가 있습니다. 도로를 따라 2 개의 5ft. 보도와 2 개의 8ft. 깊은 보강 거더. 기타 여러 구조 세부 사항 중 케이블이 연결된 서스펜션 케이블 앵커리지는 20,000 입방 야드의 콘크리트, 6 lakh 파운드의 구조용 강철 및 2.7 lakh 파운드의 강화 강철로 만들어졌습니다. 길이가 매우 길기 때문에 좁은 다리로 간주되었습니다. 전체 건설 비용은 1940 년에 무려 600 만 달러로 추산되었습니다. 인플레이션을 고려할 때 이것은 거의 10 억 달러에 해당합니다.이 모든 것이 불과 4 개월 7 일 동안 지속되었습니다. 그러나 이것은 토목 엔지니어가 숙고 할 수있는 훌륭한 엔지니어링 기능입니다.

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Tacoma Narrows Bridge The Incident : 그 운명의 날에 무슨 일이 일어 났습니까?

타코마 다리가 건설 된 직후 바람이 부는 조건에서 길이를 따라 위험하게 휘어지고 흔들리는 것이 발견되었습니다. 정상적인 바람에도 불구하고 다리는 눈에 띄게 기복이 있었고 엔지니어들은 강풍이있는 조건에 대해 걱정했습니다. 이에 놀라 많은 엔지니어들은 풍하중을받을 때 다리의 구조적 거동에 대한 풍동 실험을 시작했습니다.

타코마 내로 우스 다리가 붕괴되는 날, 약 19m의 바람을 경험했습니다. / s (즉, 약 70km / h). 센터 스테이는 9 개의 서로 다른 세그먼트에서 36cpm (사이클 / 분)의 주파수로 비틀림 진동을 일으켰습니다. 다음 시간 동안 비틀림 진동 진폭이 축적되고 움직임은 그림 02와 같이 리드미컬 한 상승 및 하강에서 2 파 비틀림으로 변경되었습니다. 이러한 모든 움직임에도 불구하고 다리의 중앙 부분 (길이를 따라) 나머지 두 반쪽은 반대 방향으로 비틀린 채로 움직이지 않았습니다.

다리가 눈에 띄게 두 부분으로 꼬여서 분당 14 번의 진동이 발생했습니다. . 이 급격한 비틀림 운동은 대각선 타이의 중심에 연결된 케이블 (북쪽에 위치) 밴드의 고장으로 시작되었습니다. 스팬 멤버의 대체 처짐 및 호깅으로 인해이를 잡고있는 타워가 그들을 향해 당겨졌습니다. 또한 다리 전체가 강으로 추락하기 전에 눈에 띄고 우세한 균열이 발생했습니다.

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고맙게도 사고로 인명을 잃지 않았지만 이는 여전히 압도적 인 엔지니어링 실패였습니다. 워싱턴 대학의 F.B Farquharson 교수는 진동을 이해하기위한 실험을 수행했습니다. 이날 교수와 그의 팀은 다리의 움직임을 카메라에 기록했으며, 오늘 YouTube에서이를 확인할 수 있습니다.

Tacoma Narrows Bridge 타코마 다리 붕괴 조사 후

풍동 실험과 실패 이유를 명시 적으로 이해하기 위해 1 : 200 스케일의 3 차원 스케일 모델이 구축되었습니다. 실험은 바람에 의한 진동이라는 새로운 이론을 가져 왔습니다. Tacoma Narrows Bridge 붕괴 이미지는 그림 03에 나와 있습니다.

다리의 모양이 가로 방향을 따라 공기 역학적으로 불안정했습니다. H 자형의 수직 거더는 유동 분리를 가능하게하여 진동의 위상과 일치하는 와류 생성을 유도했습니다. 이러한 소용돌이는 대들보를 제자리에서 밀어 낼 수있는 충분한 에너지를 생성했습니다.

타코마 내로 우즈 브리지 붕괴를 일으킨 문제는 새로운 문제가 아니라 구체적이지 않은 문제였습니다. 바람의 작용으로 인해 더 큰 사하중 추가, 댐퍼 채택, 트러스 강화 또는 가이 케이블과 같은 다양한 설계 방법을 통해 증가 된 강성을 확인할 수 있습니다. 그러나 이러한 요소는 원래 고려되지 않았으며 이후의 법의학의 일부가되었습니다.

붕괴 뒤의 엔지니어링 타코마 내 로우 브리지 붕괴 뒤의 물리학

타코마 내 로우 브리지 붕괴의 주된 원인 공 탄성 플러터에. 일반적인 교량 설계에서는 트러스를 결합하여 바람이 구조물을 통과 할 수 있습니다. 반면에 Tacoma Narrows Bridge의 경우 구조물 위아래로 강제로 이동하여 흐름이 분리되었습니다. 물체가있는 상태에서 이러한 흐름 분리는 흐름이 물체를 통과 할 때 Kármán 소용돌이 거리의 개발로 이어질 수 있습니다.

Kármán 와류 거리의 와류 주파수는 Strouhal 주파수 (fs)입니다.

여기서 U는 유속, D는 특성 길이, S는 스트 롤 수 (무 차원 수량)입니다. 예 : 1000보다 큰 레이놀즈 수의 경우 S는 0.21입니다. Tacoma Bridge의 경우 D는 8 피트, S는 0.20이었습니다.

Tacoma Narrows Bridge 결론

Tacoma Narrows Bridge가 붕괴 된 후 새로운 다리가 재 설계되었습니다 (기반 배운 교훈에 따라) 1950 년에 재건되었습니다 (그림 4). 새로 지어진 교량은 개방형 트러스 (삼각형)와 보강 된 스트럿을 통합했으며 바람이 노반의 개구부를 통해 자유롭게 흐르도록했습니다. 이전 설계에 비해 새 교량에서 발생하는 비틀림이 상당히 덜 심했습니다.

타코마 내로 우스 교량 재해로 인해 미국의 화이트 스톤 교량은 아래에 트러스와 개구부를 추가하여 강화되었습니다. 진동을 줄이기위한로드 데크는 오늘날에도 작동하는 것으로 밝혀졌습니다. 교량 설계에 동적 및 모달 해석을 사용하는 아이디어는 이번 재난 이후 훨씬 더 큰 자극을 받았습니다.

처짐 이론은 많은 구조 엔지니어가 응력, 처짐을 얻기 위해 사용하는 복잡한 해석 방법의 모델 역할을합니다. 이것은 결국 토목 공학 구조 설계를위한 일반적인 도구로서 유한 요소 분석 (FEA)의 개발로 이어졌습니다.

요즘 교량 설계에서 공학 시뮬레이션은 테스트 프로세스에서 중요한 역할을합니다. CFD를 사용하여 풍하중을 시뮬레이션하고 FEA를 사용하여 응력 및 교량의 구조적 거동을 조사하면 엔지니어는 Tacoma Narrows Bridge 붕괴와 같은 고장을 방지하고 더 좋고 더 강력한 교량 및 건물을 건설 할 수 있습니다.

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