Cosa hanno imparato gli ingegneri da questo disastro per la progettazione strutturale

Ponti

È la disciplina suprema tra gli ingegneri civili. C'è un proverbio che dice che "è inutile costruire un ponte per qualcuno che non vuole arrivare dall'altra parte". A volte possiamo applicare questa frase all'ingegneria civile. Ci sono ancora molte persone che sono scettiche sui ponti, sia per l'altezza che per l'incertezza che qualcosa potrebbe accadere.

Gli eventi precedenti in passato mostrano che queste preoccupazioni non sono sempre infondate. In questo post del blog, presentiamo un ponte di cui probabilmente ogni ingegnere civile ha sentito parlare. Nei primi semestri, i docenti useranno questo esempio per mostrare quanto sia importante considerare la dinamica. Nel caso del Tacoma Narrows Bridge, anche un profano potrebbe vedere che qualcosa non va.

Storia del ponte misterioso

Il Pudget Sound Bay si trova nel nord-ovest dello stato americano di Washington. Il percorso via terra è molto lungo. Per questo motivo, per il 1940 è previsto un ponte, che dovrebbe abbreviare il viaggio. La città di Tacoma è particolarmente adatta a questo.

Per un tale cavalcavia, la campata gioca un ruolo cruciale. Questa è la distanza tra i due pilastri del ponte. Gli ingegneri vogliono ridurre questa campata installando due colonne. Anche così, sarà uno dei più grandi ponti sospesi dell'epoca. Solo il Golden Gate Bridge di San Francisco e il George Washington Bridge di New York sono più lunghi.

01 Golden Gate Bridge di San Francisco

02 Ponte George Washington a New York

L'ingegnere russo Leon S. Moisseiff è stato incaricato di realizzare il progetto. In America, è un noto ingegnere strutturale con un'ottima reputazione.

Un esempio dei suoi progetti è il più grande ponte ad arco in acciaio di New York City: il Bayonne Bridge.

03 Ponte di Bayonne a New York

Gli ingegneri si aspettano solo poco traffico sul Tacoma Narrows Bridge. Pertanto, sono state progettate due corsie e due marciapiedi.

Come tipo di ponte, viene scelto un ponte sospeso classico. È la regina dei ponti, perché consente campate molto grandi. Questa struttura è composta da cinque elementi.

04 Schema del ponte sospeso

I pilastri, detti anche tralicci, sono l'elemento strutturale sporgente a cui sono ancorati i cavi. Sostengono il peso della sovrastruttura. Le funi trasferiscono le forze nei tralicci e nei blocchi di ancoraggio. I pendini sono collegati ai cavi di supporto e trasferiscono le forze di trazione dovute al carico dell'impalcato del ponte. La sovrastruttura o la trave dell'impalcato viene utilizzata per irrigidire il ponte. Le estremità del cavo sono fissate negli abutment in modo che le forze di trazione possano essere assorbite.

Nel 1938, la critica alle dimensioni fu sollevata per la prima volta, anche prima dell'inizio della costruzione. La larghezza della sovrastruttura è di quasi 40 piedi. Le travi della carreggiata sono solide travi murarie in acciaio con un'altezza di circa 2,5 metri. Le regole generalmente valide affermano che si ottiene una rigidezza sufficiente quando si ottiene un certo rapporto tra la larghezza e l'altezza della trave e la lunghezza della struttura. Tuttavia, il problema è che spesso ha portato a risultati economicamente inefficienti. Pertanto, alcuni ingegneri civili hanno messo in dubbio questo approccio. Leon Mosseiff è uno di loro.

Il ponte sospeso è stato costruito in modo classico, come tutti gli altri ponti sospesi dell'epoca. La fondazione di tralicci nell'acqua è una sfida. Le fondazioni devono essere create per mezzo di cassoni a una profondità di 54 e 68 metri sotto la superficie dell'acqua. A quel tempo, erano i cassoni più profondi del mondo.

05 Cassone

Le sezioni di trave prefabbricate sono installate sui pendini verticali. Gli ingegneri hanno notato che quando il vento si alza, la struttura non si comporta secondo le loro previsioni. Per questo motivo, gli operai edili devono eseguire le prime misure di ristrutturazione e smorzare le deformazioni della trave prima dell'apertura. Nonostante questi problemi, il ponte sarà terminato il 01. Inaugurato nel luglio 1940.

Il comportamento insolito del ponte non può più essere nascosto al pubblico. Non solo si muove lateralmente, ma ci sono forti movimenti ondulatori del ponte longitudinalmente. La società chiama affettuosamente questo fenomeno "Galloping Gertie".

Molte persone evitano così il ponte e continuano a prendere il percorso più lungo attraverso la terraferma. Anche così, il vento trasforma il ponte in un'attrazione turistica. Le persone viaggiano da ogni parte del mondo per fare un giro sul "ponte delle montagne russe".

Come primo passo della soluzione, i tiranti sono collegati per disinnescare la situazione. Al giorno d'oggi non è comprensibile il motivo per cui il ponte non sia stato chiuso immediatamente.

Quattro mesi dopo l'apertura, si verifica il tragico evento. Sul Novembre 1940 c'è un vento forte e tempestoso con velocità fino a 65 km/h. In contrasto con la situazione abituale, c'è anche un altro carico sopra questa forza del vento: la torsione. Si verificano forti rotazioni orizzontali e perforazioni.

06 torsione

L'ampiezza è aumentata fino a dodici vibrazioni al minuto. Inoltre, vi è un'inclinazione trasversale con oscillazioni iniziali di quasi 45 gradi.

Ciò provoca lo strappo dei ganci verticali. La sezione grande della trave crolla. Fortunatamente, nessuno è danneggiato.

Cosa è successo dopo questo disastro?

Il crollo del Tacoma Narrows Bridge è tragico e probabilmente non sarà mai dimenticato. Tuttavia, è altrettanto istruttivo per la scienza tecnica e per i successivi progetti di ponti. Nell'ottobre 1950, un secondo Tacoma Narrows Bridge fu aperto nella stessa posizione, che è ancora in servizio oggi. Tuttavia, prima dell'apertura al traffico, sono state apportate alcune modifiche importanti. Un terzo ponte è stato aggiunto in seguito.

07 Tacoma Narrows Bridge

Come può accadere un incidente così fatale?

Dopo questa tragedia, c'è un'indagine con ingegneri esperti, che fornisce risultati perspicaci. Il ponte sospeso era il tipo di ponte più adatto e, soprattutto, il più economico. Non c'era posizione migliore per questa struttura. Gli ingegneri hanno investito molto in una buona pianificazione ed esecuzione. I materiali utilizzati erano di altissima qualità. In sintesi, questo servizio è stato svolto secondo le migliori conoscenze ingegneristiche disponibili all'epoca.

Ma l'incidente è stato causato da vibrazioni insolite causate dall'azione del vento. Nel caso di ponti di questo tipo, è noto che lungo il ponte possono sorgere onde trasversali. Il ponte era già eccitato per vibrare da vento leggero. Il carico del vento fa vibrare sempre di più il ponte. È stato caricato dinamicamente dal vento in modo tale da raggiungere esattamente la frequenza di risonanza. Inoltre, vi sono eccessive vibrazioni verticali e torsionali. A causa della sua progettazione, il ponte non poteva più compensare questi effetti.

Le forze dinamiche non possono essere sufficientemente assorbite. Pertanto, l'ampiezza della vibrazione era troppo alta. Per quanto riguarda le dimensioni snelle, anche il Tacoma Narrows Bridge ha sofferto della geometria sfavorevole della trave. La sottile trave dell'impalcato in combinazione con le pareti laterali antivento crea una sezione trasversale. Questo è particolarmente suscettibile allo sfarfallio. Per questo motivo, crolla. A quel tempo, si sapeva poco sugli effetti delle forze aerodinamiche.

Per il secondo e il terzo Tacoma Narrows Bridge, gli ingegneri hanno dovuto occuparsi non solo dell'analisi strutturale dei ponti, ma anche dell'analisi dinamica. La trave dell'impalcato è stata allargata a 60 piedi. L'altezza è stata addirittura triplicata. Di conseguenza, era una costruzione molto più rigida. Anche la trave dell'impalcato è ora costituita da una struttura a traliccio aperto. Di conseguenza, al vento viene offerta solo una piccola area di attacco.

Fu un disastro straordinario. Tuttavia, è istruttivo per la scienza e per i successivi progetti di ponti. I modelli sono ora in fase di test in una galleria del vento. Ciò significa che non solo l'analisi strutturale, ma anche l'analisi dinamica viene presa in considerazione. Porta anche all'installazione occasionale di irrigidimenti aggiuntivi per altri ponti già esistenti.

Le vibrazioni dinamiche possono essere causate da vento, terremoti, persone in movimento, veicoli e squilibrio di macchine. Pertanto, non solo la resistenza delle strutture è in pericolo, ma anche la funzionalità.

Il vento è stato precedentemente simulato utilizzando un modello nella galleria del vento. Al giorno d'oggi, questo è molto più veloce, più facile e più efficiente. Dlubal Software ha anche creato una galleria del vento digitale con RWIND Simulation.

Gli edifici sono le strutture circondate dal vento. Il flusso intorno a loro crea carichi specifici sulle superfici. Una simulazione numerica dei flussi del vento è necessaria per generare carichi del vento su edifici o altri oggetti. Gli oggetti 3D vengono importati, gli oggetti dell'ambiente vengono aggiunti e la topologia viene presa in considerazione. Quindi, vengono applicati il profilo del vento dipendente dalla quota altimetrica e la direzione del vento. Ci sono risultati, come la pressione sulla superficie del corpo, i campi di velocità e le linee di flusso.

Grazie a questo progressivo sviluppo e alle numerose intuizioni acquisite negli ultimi anni, eventi così tragici probabilmente non si verificheranno più in futuro.