Что инженеры извлекли из этой катастрофы для проектирования конструкций

Мосты

Это высшая дисциплина среди инженеров-строителей. Есть пословица, что «нет смысла строить мост тому, кто не хочет переходить на другую сторону». Иногда мы можем применить эту фразу к гражданскому строительству. Многие люди по-прежнему скептически относятся к мостам из-за их высоты или из-за неуверенности в том, что что-то может случиться.

Предыдущие события в прошлом показывают, что эти опасения не всегда безосновательны. В этом посте мы представляем мост, о котором, наверное, слышал каждый инженер-строитель. В течение первых нескольких семестров преподаватели будут использовать этот пример, чтобы показать, насколько важно учитывать динамику. В случае с мостом Tacoma Narrows Bridge даже непрофессионал мог увидеть, что что-то не так.

История загадочного моста

Залив Пейджет-Саунд находится на северо-западе американского штата Вашингтон. Сухопутный путь очень длинный. По этой причине на 1940 год запланирован мост, который должен сократить путь. Город Такома особенно подходит для этого.

Для такого путепровода решающую роль играет пролет. Это расстояние между двумя опорами моста. Инженеры хотят сократить этот пролет, установив две колонны. Несмотря на это, это будет один из самых больших висячих мостов того времени. Только мост Золотые Ворота в Сан-Франциско и мост Джорджа Вашингтона в Нью-Йорке длиннее.

01 Мост Золотые Ворота Сан-Франциско

02 Мост Джорджа Вашингтона в Нью-Йорке

Реализовать проект было поручено русскому инженеру Леону Моисейфу. В Америке это известный инженер-строитель с очень хорошей репутацией.

Одним из примеров его проектов является самый большой стальной арочный мост в Нью-Йорке - Байоннский мост.

03 Байоннский мост в Нью-Йорке

Инженеры ожидают лишь низкой загруженности моста через пролив Tacoma Narrows Bridge. Поэтому рассчитываются две полосы движения и два тротуара.

В качестве типа моста выбран классический подвесной мост. Это королева мостов, потому что она позволяет создавать очень большие пролеты. Эта конструкция состоит из пяти элементов.

04 Схема подвесного моста

Опоры, также называемые пилонами, представляют собой выступающие конструктивные элементы, к которым крепятся ванты. Они несут вес надстройки. Канаты передают силы на пилоны и анкерные блоки. Подвесы соединены с опорными тросами и передают растягивающие силы от нагрузки на настил моста. Для придания мосту жесткости используется надстройка или балка. Концы троса закреплены в опорах, поэтому растягивающие силы могут быть поглощены.

В 1938 году впервые, еще до начала строительства, были высказаны критические замечания по поводу размеров. Ширина надстройки почти 40 футов. Балки проезжей части представляют собой стальные стеновые балки высотой около 2,5 метров. Обычно действующие правила гласят, что достаточная жесткость достигается, когда достигается определенное соотношение между шириной и высотой балки к длине конструкции. Однако проблема в том, что это часто приводит к экономически неэффективным результатам. Поэтому некоторые инженеры-строители усомнились в этом подходе. Леон Моссейф - один из них.

Висячий мост был построен по классической схеме, как и все висячие мосты того времени. Фундамент пилонов на воде - это непростая задача. Фундаменты должны быть созданы с помощью кессонов на глубине 54 и 68 метров от поверхности воды. В то время это были самые глубокие кессоны в мире.

05 Кессон

Сборные профили балки устанавливаются на вертикальных подвесах. Инженеры заметили, что когда дует ветер, конструкция ведет себя не так, как они предполагали. Поэтому перед проемом строителям необходимо провести первые ремонтные работы и гасить деформации балки. Несмотря на эти проблемы, мост будет сдан 01. Открыт в июле 1940 года.

Необычное поведение моста уже невозможно скрыть от публики. Колода не только перемещается вбок, но и совершает сильные волнообразные движения вдоль нее. Общество ласково называет это явление «Скачущей Герти».

Таким образом, многие люди избегают моста и продолжают выбирать более длинный путь через материк. Тем не менее, ветер превращает мост в достопримечательность. Люди едут издалека, чтобы прокатиться по «мосту американских горок».

В качестве первого шага решения прикрепляются страховочные тросы, чтобы разрядить обстановку. В настоящее время непонятно, почему мост не закрыли сразу.

Через четыре месяца после открытия происходит трагическое событие. на В ноябре 1940 г. дует сильный штормовой ветер со скоростью до 65 км/ч. В отличие от обычной ситуации, на эту ветровую силу действует еще одна нагрузка - кручение. Возникают сильные горизонтальные повороты и сверления.

06 кручение

Амплитуда увеличена до двенадцати колебаний в минуту. Кроме того, имеется поперечный уклон с начальными колебаниями почти в 45 градусов.

Это приводит к разрыву вертикальных подвесок. Большая часть балки схлопывается. К счастью, никто не пострадал.

Что случилось после этой катастрофы?

Крушение моста через реку Такома трагично и, вероятно, никогда не будет забыто. Однако он не менее полезен для технической науки и более поздних проектов мостов. В октябре 1950 года на том же месте был открыт второй мост Tacoma Narrows Bridge, который работает до сих пор. Тем не менее, до того, как он открыт для движения, были внесены некоторые важные изменения. Позднее был добавлен третий мост.

07 Tacoma Narrows Bridge

Как может случиться такой смертельный инцидент?

После этой трагедии опытные инженеры проводят расследование, которое дает убедительные результаты. Висячий мост был самым подходящим и, прежде всего, самым экономичным типом мостов. Для этой конструкции не было лучшего места. Инженеры много вложили в хорошее планирование и исполнение. Использованные материалы были очень высокого качества. Таким образом, данное обслуживание было выполнено в соответствии с лучшими инженерными знаниями того времени.

Но авария произошла из-за необычных колебаний, вызванных действием ветра. В случае мостов этого типа известно, что вдоль моста могут возникать поперечные волны. Мост уже приводил в движение легким ветром. Ветровая нагрузка заставляет мост колебаться все больше и больше. Он был динамически нагружен ветром так, что он точно попадал на резонансную частоту. Кроме того, возникают чрезмерные вертикальные и крутильные колебания. Из-за своей конструкции мост больше не мог компенсировать эти эффекты.

Динамические силы не могут быть поглощены в достаточной мере. Поэтому амплитуда колебаний была слишком большой. Что касается тонких размеров, то мост Tacoma Narrows Bridge также пострадал из-за неблагоприятной геометрии балки. Тонкая балка настила в сочетании с ветрозащитными боковыми стенками создает поперечное сечение. Он особенно подвержен колебаниям. По этой причине он разрушается. В то время было мало что известно о действии аэродинамических сил.

Что касается второго и третьего моста через реку Такома, инженеры должны были выполнить не только расчет конструкции моста, но и его динамический расчет. Балка палубы была расширена до 60 футов. Высота даже увеличена втрое. В результате это была гораздо более жесткая конструкция. Балка настила теперь также состоит из открытой стропильной конструкции. В результате ветру предлагается только небольшая зона атаки.

Это была чрезвычайная катастрофа. Тем не менее, он поучителен для науки и более поздних мостовых проектов. Сейчас модели проходят испытания в аэродинамической трубе. Это означает, что учитывается не только расчет конструкций, но и динамический расчет. Это также приводит к периодической установке дополнительных ребер жесткости для других уже существующих мостов.

Динамические колебания могут быть вызваны ветром, землетрясениями, движением людей, транспортных средств и дисбалансом машин. Таким образом, под угрозой оказывается не только прочность конструкций, но и пригодность к эксплуатации.

Ранее ветер был смоделирован с помощью модели в аэродинамической трубе. В настоящее время это намного быстрее, проще и эффективнее. Dlubal Software также создала цифровую аэродинамическую трубу с RWIND Simulation.

Учтите, пожалуйста, что все здания представляют собой объекты, окруженные ветровым потоком. Обтекание их создает на поверхностях определенные нагрузки. Для создания ветровых нагрузок на здания или другие объекты требуется численное моделирование ветровых потоков. Импортируются 3D объекты, добавляются объекты окружения и учитывается топология. Затем применяются профиль ветра, зависящий от высоты, и направление ветра. Есть результаты, такие как давление на поверхности тела, поля скоростей и линии тока.

Благодаря такому прогрессивному развитию и многим открытиям, полученным за последние несколько лет, такие трагические события, вероятно, больше не будут происходить в будущем.