De ce s-a prăbușit podul Tacoma Narrows: o analiză tehnică

Podul Tacoma Narrows este denumirea istorică dată podului suspendat dublu – construit inițial în 1940 – care se întindea pe strâmtoarea Tacoma Narrows. S-a prăbușit doar patru luni mai târziu din cauza flutterului aeroelastic. De atunci, acest subiect a devenit popular, mai multe studii de caz discutând fenomenul de eșec al podurilor de cabluri suspendate.

În statul Washington, construcția podului Tacoma Narrows a fost finalizată și deschisă circulației pe 1 iulie 1940. A fost primul pod care a încorporat o serie de grinzi de plăci ca suport al patului de drum și primul pod de acest tip (suspensie de cablu). A fost, de asemenea, al treilea cel mai mare pod suspendat din vremea sa, cu o deschidere centrală de 2800 de picioare și două deschideri laterale de 1100 de picioare fiecare.

O abordare pe partea de vest avea o grindă continuă de oțel de 450 ft partea de est avea un cadru lung din beton armat de 210 ft. Avea două ancoraje de cablu de 26ft. de-a lungul drumurilor, două 5ft. trotuare și două 8ft. grinzile rigide adânci. Printre alte câteva detalii structurale, ancorajele cablurilor de suspensie la care au fost conectate cablurile erau realizate din 20.000 de metri cubi de beton, 6 kilograme de oțel structural și 2,7 kilograme de oțel de armare. Datorită lungimii sale extrem de lungi, a fost considerat un „pod îngust”. Costul total al construcției a fost estimat la 6 milioane de dolari în 1940. Având în vedere inflația, acest lucru este echivalent cu aproape 1 miliard de dolari și toate acestea pentru ceva care a durat doar patru luni și șapte zile. Cu toate acestea, aceasta rămâne o caracteristică inginerească excelentă pentru care inginerii civili trebuie să mediteze.

Aflați cum să preziceți cu precizie încărcătura vântului pe clădiri fără a părăsi browserul web.

Podul Tacoma Narrows Incidentul: Ce s-a întâmplat în acea zi fatidică?

La scurt timp după construcția podului Tacoma, s-a constatat că se îndoaie periculos și se balansează de-a lungul lungimii sale în condiții de vânt. Chiar și cu vânturile normale, podul era ondulat vizibil și acest lucru i-a îngrijorat pe ingineri cu privire la condițiile în prezența vânturilor puternice. Alarmați de acest lucru, mulți ingineri au început să efectueze experimente într-un tunel de vânt cu privire la comportamentul structural al podului atunci când sunt supuși sarcinilor de vânt.

În ziua prăbușirii podului Tacoma Narrows, a experimentat vânturi de aproximativ 19 m / s (adică aproximativ 70 km / h). Șederea centrală vibra torsional la o frecvență de 36 cpm (cicluri / min) în nouă segmente diferite. În următoarea oră, amplitudinea vibrației torsionale s-a acumulat și mișcarea sa schimbat de la creșterea și coborârea ritmică la o răsucire cu două unde, așa cum se arată în Fig. 02. În ciuda tuturor acestor mișcări, partea centrală a podului (de-a lungul lungimii) a rămas nemișcată, în timp ce celelalte două jumătăți ale sale s-au răsucit în direcții opuse.

Podul a fost răsucit vizibil în două părți, experimentând 14 vibrații / min. . Această mișcare drastică de torsiune a fost declanșată de o defecțiune a unui cablu (situat de-a lungul laturii nordice) care se conectează la centrul legăturilor diagonale. Datorită lăsării și înfundării alternative a membrilor span, turnurile care le țineau au fost trase spre ele. Mai mult, fisuri vizibile și predominante s-au dezvoltat înainte ca întregul pod să se prăbușească în râu.

Descărcați „Sfaturi pentru arhitectură, inginerie & Construction (AEC) alb hârtie pentru a învăța cum să vă optimizați proiectele!

Din fericire, nu s-a pierdut viața umană în incident, dar aceasta a fost încă un eșec copleșitor din punct de vedere tehnic. Prof. F.B Farquharson de la Universitatea din Washington a fost responsabil pentru efectuarea de experimente pentru a înțelege oscilațiile. În această zi, profesorul și echipa sa au înregistrat mișcarea podului pe cameră și o putem găsi astăzi pe YouTube.

Tacoma Narrows Bridge Post-Investigation of the Tacoma Bridge Collapse

Un model tridimensional la scară 1: 200 a fost construit pentru experimentele în tunelele eoliene și pentru a înțelege în mod explicit motivul eșecului. Experimentele au adus o nouă teorie: oscilațiile induse de vânt. Imaginea prăbușirii podului Tacoma Narrows este prezentată în Fig. 03.

Forma podului a fost instabilă aerodinamic de-a lungul direcției transversale. Grinzile verticale în formă de H permiteau separarea fluxului, ducând astfel la generarea de vortex care se potrivea cu faza de oscilație. Aceste vârtejuri au generat suficientă energie pentru a împinge grinzile din poziția lor.

Problema care a cauzat prăbușirea podului Tacoma Narrows nu a fost o problemă nouă, ci una care nu fusese specificată. Datorită acțiunii vântului, rigiditatea crescută poate fi văzută prin diferite metode de proiectare, cum ar fi adăugarea unei sarcini mort mai mari, adoptarea amortizoarelor, rigidizarea fermelor sau prin cabluri tip. Cu toate acestea, acești factori nu au fost luați în considerare inițial și au devenit doar o parte a criminalisticii de mai târziu. la fluturarea aeroelastică. În proiectarea obișnuită a podului, vântul este permis să treacă prin structură prin încorporarea de ferme. În contrast, în cazul podului Tacoma Narrows, a fost forțat să se deplaseze deasupra și sub structură, ducând la separarea fluxului. O astfel de separare a fluxului, în prezența unui obiect, poate duce la dezvoltarea unei străzi vortex Kármán, pe măsură ce fluxul trece prin obiect.

Frecvența vortexului din strada vortexului Kármán este frecvența Strouhal (fs) care este dat de;

unde U este viteza de curgere, D este lungimea caracteristică și S este numărul Strouhal (o cantitate adimensională). Exemplu: pentru un număr Reynolds mai mare de 1000, S este 0,21. În cazul podului Tacoma, D avea 8 ft și S era 0,20.

Concluzia podului Tacoma Narrows

După prăbușirea podului Tacoma Narrows, noul pod a fost reproiectat (bazat pe pe lecțiile învățate) și reconstruită în 1950 (Fig. 4). Podul nou construit a încorporat grinzi deschise (triunghiulare), rigide de rigidizare și a permis vântului să curgă liber prin deschiderile din paturile de drum. Comparativ cu designul anterior, răsucirea care s-a dezvoltat în noul pod a fost considerabil mai puțin severă.

Din cauza dezastrului podului Tacoma Narrows, podul Whitestone din SUA a fost consolidat prin adăugarea de ferme și deschideri de mai jos. punțile de drum pentru a reduce oscilațiile, iar acestea se dovedesc a fi funcționale chiar și astăzi. Ideea utilizării analizei dinamice și modale pentru proiectarea podurilor a primit un impuls mult mai mare după acest dezastru. etc. Acest lucru a condus în cele din urmă la dezvoltarea analizei elementelor finite (FEA) ca instrument generic pentru proiectarea structurilor de inginerie civilă.

În zilele noastre, în proiectarea podurilor, simularea ingineriei joacă un rol crucial în procesul de testare. Folosind CFD pentru a simula încărcările vântului și FEA pentru a investiga tensiunile și comportamentul structural al podurilor, inginerii pot preveni defecțiunile precum podul Tacoma Narrows se prăbușesc și pot construi poduri și clădiri mai bune și mai puternice.

Dacă v-a plăcut acest articol, explorați blogul nostru SimScale pentru mult mai mult!