Czego inżynierowie nauczyli się z tej katastrofy przy projektowaniu konstrukcji?

Mosty

Jest to najważniejsza dyscyplina wśród inżynierów budownictwa. Przysłowie mówi, że "nie ma sensu budować mostu dla kogoś, kto nie chce przejść na drugą stronę". Czasami możemy zastosować to wyrażenie do inżynierii lądowej. Nadal wiele osób jest sceptycznie nastawionych do mostów, czy to ze względu na wysokość, czy też niepewność, że coś może się wydarzyć.

Wydarzenia z przeszłości pokazują, że obawy te nie zawsze są bezpodstawne. W tym poście przedstawiamy most, o którym prawdopodobnie słyszał każdy inżynier budownictwa. W pierwszych semestrach wykładowcy będą używać tego przykładu, aby pokazać, jak ważne jest uwzględnienie dynamiki. W przypadku mostu Tacoma Narrows Bridge nawet laik może zauważyć, że coś jest nie tak.

Historia tajemniczego mostu

Pudget Sound Bay znajduje się w północno-zachodniej części stanu Waszyngton. Trasa lądowa jest bardzo długa. Z tego powodu na 1940 rok zaplanowano budowę mostu, który miał skrócić podróż. Szczególnie dobrze nadaje się do tego miasto Tacoma.

W przypadku takiego wiaduktu przęsło odgrywa kluczową rolę. Jest to odległość między dwoma filarami mostu. Inżynierowie chcą skrócić tę rozpiętość, instalując dwa słupy. Mimo to będzie to jeden z największych mostów wiszących w tym czasie. Jedynie most Golden Gate w San Francisco i most Jerzego Waszyngtona w Nowym Jorku są dłuższe.

01 Most Golden Gate w San Francisco

02 Most Jerzego Waszyngtona w Nowym Jorku

Projekt zlecono rosyjskiemu inżynierowi Leonowi S. Moisseiffowi. W Ameryce jest znanym inżynierem budowlanym o bardzo dobrej reputacji.

Jednym z przykładów jego projektów jest największy stalowy most łukowy w Nowym Jorku - Bayonne Bridge.

03 Most Bayonne w Nowym Jorku

Inżynierowie spodziewają się jedynie małego ruchu na moście Tacoma Narrows. Dlatego zaprojektowano dwa pasy ruchu i dwa chodniki.

Jako typ mostu wybrano klasyczny most wiszący. Jest królową mostów, ponieważ pozwala na zastosowanie bardzo dużych przęseł. Konstrukcja ta składa się z pięciu elementów.

04 Schemat mostu podwieszonego

Filary, zwane również pylonami, są wystającym elementem konstrukcyjnym, do którego zakotwiczone są kable. Przenoszą ciężar konstrukcji nośnej. Liny przenoszą siły na pylony i bloki kotwiące. Wieszaki są połączone z linami wsporczymi i przenoszą siły rozciągające od obciążenia płyty pomostowej. Do usztywnienia mostu służy nadbudówka lub dźwigar pokładowy. Końce liny są zamocowane w przyczółkach, dzięki czemu mogą zostać przejęte siły rozciągające.

W 1938 roku, jeszcze przed rozpoczęciem budowy, krytyka wymiarów została podniesiona po raz pierwszy. Szerokość nadbudówki wynosi prawie 40 stóp. Dźwigary jezdni są solidnymi stalowymi dźwigarami ściennymi o wysokości około 2,5 metra. Ogólnie obowiązujące zasady mówią, że wystarczającą sztywność uzyskuje się, gdy osiągnięty zostanie określony stosunek szerokości i wysokości belki do długości konstrukcji. Problem polega jednak na tym, że często prowadziło to do nieefektywnych ekonomicznie wyników. Dlatego niektórzy inżynierowie budownictwa kwestionowali to podejście. Jednym z nich jest Leon Mosseiff.

Most wiszący został zbudowany w sposób klasyczny, jak wszystkie inne w tym czasie. Posadowienie pylonów w wodzie to nie lada wyzwanie. Fundamenty należy wykonać za pomocą kesonów na głębokości 54 i 68 metrów pod powierzchnią wody. W tym czasie były to najgłębsze kezony na świecie.

05 Keson

Prefabrykowane przekroje belek są montowane na wieszakach pionowych. Inżynierowie zauważyli, że podczas wiatru konstrukcja nie zachowuje się zgodnie z ich przewidywaniami. Z tego powodu konstruktorzy muszą przeprowadzić pierwsze prace remontowe i zniwelować odkształcenia belek przed otworem. Mimo tych problemów most zostanie ukończony w dniu 01. Otwarte w lipcu 1940 r.

Niezwykłego zachowania mostu nie można już ukryć przed publicznością. Pokład nie tylko porusza się na boki, ale także ma silne, podobne do fali, ruchy wzdłużne. Społeczeństwo pieszczotliwie nazywa to zjawisko „Galopem Gertie”.

W ten sposób wiele osób omija most i kontynuuje podróż dłuższą trasą przez stały ląd. Mimo to wiatr zamienia most w atrakcję turystyczną. Ludzie podróżują z daleka, aby przejechać się przez „most kolejki górskiej”.

Pierwszym krokiem w tym kierunku jest zamontowanie odciągów, aby rozładować sytuację. W dzisiejszych czasach nie jest zrozumiałe, dlaczego most nie został natychmiast zamknięty.

Cztery miesiące po otwarciu następuje tragiczne wydarzenie. Na Listopad 1940 r. wieje silny, sztormowy wiatr o prędkości dochodzącej do 65 km/h. W przeciwieństwie do normalnej sytuacji, na tę siłę wiatru wpływa również inne obciążenie - skręcanie. Powstają silne poziome rotacje i wiercenia.

06 skręcanie

Amplituda zostaje zwiększona do dwunastu drgań na minutę. Ponadto występuje nachylenie poprzeczne z początkowymi kołysaniami wynoszącymi prawie 45 stopni.

Powoduje to rozerwanie wieszaków pionowych. Zapadnie się duży przekrój belki. Na szczęście nikomu nie szkodzi.

Co się stało po tej katastrofie?

Upadek mostu Tacoma Narrows Bridge jest tragiczny i prawdopodobnie nigdy nie zostanie zapomniany. Jest to jednak tak samo pouczające dla nauk technicznych, jak i późniejszych projektów mostowych. W październiku 1950 r. w tym samym miejscu otwarto drugi most Tacoma Narrows, który działa do dziś. Jednak przed otwarciem dla ruchu wprowadzono kilka ważnych zmian. Trzeci most został dodany później.

07 Most zwężający Tacoma

Jak może dojść do tak fatalnego zdarzenia?

Po tej tragedii odbywa się śledztwo z doświadczonymi inżynierami, które dostarcza wnikliwych wyników. Most wiszący był najbardziej odpowiednim, a przede wszystkim najbardziej ekonomicznym rodzajem mostu. Nie było lepszej lokalizacji dla tej konstrukcji. Inżynierowie zainwestowali dużo w dobre planowanie i wykonanie. Użyte materiały były bardzo wysokiej jakości. Podsumowując, usługa ta została wykonana zgodnie z najlepszą dostępną wówczas wiedzą inżynierską.

Do wypadku doszło jednak w wyniku niezwykłych drgań spowodowanych działaniem wiatru. W przypadku tego typu mostów wiadomo, że wzdłuż mostu mogą powstawać fale poprzeczne. Most już zaczął wibrować od lekkiego wiatru. Obciążenie wiatrem powoduje coraz większe drgania mostu. Został on obciążony dynamicznie wiatrem w taki sposób, że trafił dokładnie w częstotliwość rezonansową. Ponadto występują nadmierne drgania pionowe i skrętne. Ze względu na swoją konstrukcję most nie był już w stanie kompensować tych efektów.

Siły dynamiczne nie mogą zostać przejęte w wystarczającym stopniu. W związku z tym amplituda drgań była zbyt duża. Ze względu na smukłe wymiary most Tacoma Narrows również cierpiał na niekorzystną geometrię dźwigara. Cienki dźwigar pokładowy w połączeniu z wiatroszczelnymi ścianami bocznymi tworzy przekrój. Jest to szczególnie podatne na trzepotanie. Z tego powodu zapada się. W tamtym czasie niewiele było wiadomo na temat wpływu sił aerodynamicznych.

W przypadku drugiego i trzeciego mostu Tacoma Narrows, inżynierowie musieli zająć się nie tylko analizą statyczno-wytrzymałościową mostów, ale także analizą dynamiczną. Belka pokładowa została poszerzona do 60 stóp. Wysokość została nawet potrojona. Dzięki temu była to konstrukcja znacznie sztywniejsza. Belka pomostowa składa się teraz również z otwartej konstrukcji kratowej. W rezultacie wiatr ma niewielki obszar ataku.

To była niezwykła katastrofa. Niemniej jednak jest to pouczające dla nauki i późniejszych projektów mostowych. Modele są obecnie testowane w tunelu aerodynamicznym. Oznacza to, że uwzględniana jest nie tylko analiza statyczno-wytrzymałościowa, ale również analiza dynamiczna. Prowadzi to również do sporadycznego montażu dodatkowych usztywnień dla innych już istniejących mostów.

Drgania dynamiczne mogą być powodowane przez wiatr, trzęsienia ziemi, poruszające się osoby, pojazdy i niewyważenie maszyn. W ten sposób zagrożona jest nie tylko wytrzymałość konstrukcji, ale także użyteczność.

Wiatr był wcześniej symulowany za pomocą modelu w tunelu aerodynamicznym. Obecnie jest to znacznie szybsze, łatwiejsze i bardziej wydajne. Firma Dlubal Software stworzyła również cyfrowy tunel aerodynamiczny za pomocą RWIND Simulation.

Wszystkie budynki to konstrukcje wystawione na działanie wiatru. Przepływ wokół nich tworzy określone obciążenia na powierzchniach. Do wygenerowania obciążeń wiatrem na budynki lub inne obiekty wymagana jest numeryczna symulacja przepływu wiatru. Obiekty 3D są importowane, obiekty środowiska są dodawane i uwzględniana jest topologia. Następnie stosowany jest profil wiatru zależny od wysokości oraz kierunek wiatru. Wyniki, takie jak nacisk na powierzchnię ciała, pola prędkości i linie prądu.

Dzięki temu postępującemu rozwojowi i wielu spostrzeżeniom zdobytym w ciągu ostatnich kilku lat takie tragiczne wydarzenia prawdopodobnie nie będą miały miejsca w przyszłości.