Обрушение моста Такома-Нарроуз: конкретный пример

Строительство первого моста Такома-Нарроуз началось 23 ноября 1938 года, а 1 июля 1940 года он был открыт для посетителей. Он был построен в штате Вашингтон, США, чтобы соединить города Сиэтл и Такома. Основной пролет моста составлял 853 м, соединенный двумя башнями остекления высотой 128 м.

Несмотря на то, что на тот момент это был третий по длине подвесной мост в мире, Tacoma Narrows Bridge был намного гибче, меньше и легче, чем другие мосты, построенные в тот период.

Мост легко вмещал две полосы для движения транспорта и имел элегантный внешний вид. Конструктор моста, Леон Мойсейф, хотел придать мосту элегантный вид без использования ферм жесткости. Он заменил фермы жесткости пластинчатыми балками меньшего веса, в результате чего жесткость моста Такома-Нэрроуз составила всего 35% от жесткости моста Золотые Ворота.

Кроме того, соотношение пролета к глубине моста Такома-Нэрроуз составляло 1/340, а соотношение ширины к пролету 1/75 было намного меньше, чем у моста “Золотые ворота”. Эти особые характеристики, в сочетании с очень низким коэффициентом демпфирования, инициировали огромные вертикальные движения во время умеренного и слабого ветра.

Впервые этот тип конструкции был назван “Галопирующая Герти”, так как во время строительства мост демонстрировал сильные колебания. Были зарегистрированы вертикальные волны двойной амплитуды до 1,2-1,4 м со скоростью до 30 циклов в минуту. Самые низкие скорости ветра (15-19 км/ч) могли вызвать колебания двойной амплитуды 0,75 м.

Структура моста Такома-Нэрроуз перед обрушениемМост Такома-Нэрроуз до разрушения

При проектировании и строительстве моста Tacoma Narrows Bridge соблюдались все стандарты безопасности, и считалось, что его колебания находятся в допустимых пределах. Однако исследователи предложили различные методы для уменьшения его движения.

Были введены удерживающие связи, которые крепились к массивным квадратным бетонным блокам, заглубленным в откосы. Эти стяжки были предложены как временные меры, и одна из стяжек сломалась через семь дней после установки. Однако сломанная стяжка была восстановлена через несколько дней. Кроме того, вместе с удерживающими стяжками были установлены остающиеся и наклонные кабели.

Наклонные и остающиеся тросы были соединены с балкой жесткости через основные тросы. Кроме того, после проведения многочисленных испытаний в аэродинамической трубе исследователи предположили, что колебательное движение может быть уменьшено путем установки дефлекторных лопаток или обтекателей. Эти меры могли бы уменьшить подъемную силу и колебания. Но разрушение моста произошло до того, как эти решения удалось внедрить.

1. Обрушение моста Такома-Нэрроуз

В ночь на 6 ноября на реке, где находился мост Такома-Нэрроуз, разразился сильный шторм. На следующее утро администрация моста закрыла мост для движения транспорта, заметив, что мост испытывает сильные волнообразные движения. Тросы на западной стороне моста были оборваны и раскачивались на ветру.

7 ноября скорость ветра достигла 68 км/ч, и мост изгибался со скоростью 40 колебаний в минуту. Наибольшая амплитуда колебаний составляла 1 м. Неожиданно центральные тросы оборвались, и мост начал сильно изгибаться на две части. Края настила сдвинулись более чем на 8 м по вертикали, так как мост повернулся на максимальный угол 450. Кроме того, движение превысило ускорение, вызванное гравитацией в тот момент.

Скручивание моста Такома-НэрроузРаскачивание подвесного моста под воздействием ветровой нагрузки

Это была самая высокая скорость ветра, наблюдавшаяся до сих пор с момента постройки моста. Исследователи уже предсказывали, что мост может раскачиваться при небольших девяти-десяти крутящих волнах. Однако было замечено сильное движение.

Движение было настолько сильным, что небольшие волны превратились в две доминирующие крутильные волны. Эти две волны вызвали максимальное вращение моста до 450, что не было предсказано ранее по результатам испытаний в аэродинамической трубе.

Сначала начали разрушаться тротуары и бордюры моста, а также фонари. После этого главная балка жесткости начала скручиваться и указывать на разрушение. Затем оборвались основные тросы моста, и весь участок проезжей части постепенно опустился в реку внизу.

Жители близлежащих домов услышали громкие звуки, похожие на выстрелы. Масса нависающих боковых пролетов потащила башни на 4 м к берегу, и разрушающийся мост, наконец, пришел в состояние покоя. Таким образом, боковые пролеты опустились на 20 м, а затем вернулись к постоянному прогибу на 10 м, поскольку больше не уравновешивались главным пролетом.

2. Причины разрушения моста Такома-Нэрроуз

Основные вопросы, которые могут беспокоить инженера-проектировщика: как мог мост, спроектированный для того, чтобы выдерживать скорость ветра 161 км/час и статическое горизонтальное давление ветра 146 кг/м2 , разрушиться при скорости ветра менее половины проектного предела и менее одной шестой предела давления ветра.

Исследователи предсказали, что теория прогиба сама по себе недостаточна для безопасного проектирования моста Tacoma Narrows Bridge. Кроме того, при проектировании не было учтено динамическое воздействие ветра на мост Tacoma Narrows Bridge.

Администрация общественных работ (PWA) создала совет инженеров для расследования инцидента. В следующих пунктах описаны выводы, сделанные в отчете PWA:

  • Мост был хорошо спланирован и спроектирован. Несмотря на то, что он надежно выдерживал все статические нагрузки, ветровая нагрузка вызвала чрезвычайные колебания, что привело к разрушению моста.
  • Проектировщики моста приложили усилия, чтобы контролировать амплитуду колебаний моста.
  • Никто не думал, что превосходная гибкость моста Такома-Нэрроуз в сочетании с его неспособностью воспринимать динамические нагрузки вызовут сильные колебания, которые в конечном итоге разрушат мост.
  • Вертикальные колебания моста были вызваны только ветровой нагрузкой и нанесли незначительный ущерб конструктивным элементам.
  • Обрушение тросов на северной стороне вызвало катастрофическое крутильное движение моста. Эти тросы были соединены с центральными связями, поэтому центральный пролет скручивался с большим угловым перемещением. Из-за скручивающих движений по всему пролету моста возникли напряжения сдвига, которые привели к разрушению главного пролета.
  • Мост был рассчитан на статические и динамические нагрузки с использованием одного и того же метода. Однако жесткость от статических и динамических нагрузок не была определена с помощью того же метода.
  • В итоге PWA пришла к выводу, что мост Tacoma Narrows Bridge разрушился из-за своей необычайной гибкости, легкости и узости. Эти характеристики помогли силе ветра, возникшей в день разрушения, вызвать крутильные движения, которые привели к обрушению моста.

    PWA заявила, что ветровая нагрузка инициировала колебательные движения, которые двигались в направлении характерных частот конструкции, развивая резонанс (цикл, при котором повторяемость объекта соответствует его регулярной повторяемости, вызывая сенсационное увеличение амплитуды). Эта гипотеза прояснила, почему низкоскоростной ветер 68 км/ч вызвал огромные колебательные движения и разрушение моста Такома-Нэрроуз.

    Движение проезжей части моста Такома-Нэрроуз под воздействием ветровой нагрузкиКрутильные движения моста Такома-Нэрроуз

    Гипотеза PWA, в любом случае, не единственное уточнение. Многие исследователи согласились с тем, что это уточнение игнорирует существенный вопрос о том, как ветер, произвольный по своей природе, может создавать периодический импульс.

    Одно из уточнений, предложенное исследователем фон Карманом, объясняет движение моста развитием воздушных вихрей. Эти воздушные вихри образовали зону волнения, также известную как зона фон Кармана. Эта зона усиливала колебательные движения, что в конечном итоге привело к разрушению моста.

    Проблема с этой гипотезой заключается в том, что определенная повторяемость вихря, вызванного ветром 68 км/ч, составляет 1 Гц, хотя повторяемость крутильных колебательных движений моста, оцененная руководством моста, составила 0,2 Гц.

    Другое уточнение, данное исследователем Скэнланом, предполагает, что явление сбрасывания вихря, связанное с зоной фон Кармана, имело место, однако рекомендует не влиять на движение моста.

    Возник другой вид вихря, связанный с колебаниями самой структуры, с такой же повторяемостью, как и у моста. Резонанс между мостом и этими вихрями вызвал беспричинное движение, разрушив мост Tacoma Narrows Bridge.

    Несмотря на то, что эти три гипотезы противоречат друг другу в вопросе о том, что именно вызвало крутильные движения моста, все они сходятся в том, что необычайная гибкость, легкость и узость моста Tacoma Narrows позволили этим движениям развиваться до тех пор, пока они не уничтожили его. Одним из факторов, способствовавших этому, могло быть проскальзывание ленты, удерживающей тросы.

    В течение довольно долгого времени движения моста были равномерными, а дорожное полотно находилось в ровном положении. Фонарные столбы на пешеходных дорожках оставались в вертикальной плоскости тросов, даже когда они поднимались, опускались и изгибались.

    Однако 7 ноября полоса троса выскользнула из места на середине длины, и движения стали однобокими, подобно тому, как плоскость отклоняется в разные стороны. Из-за крутильных движений произошла усталость металла, и подвесы сломались, как скрепки, которые то и дело сгибали.

    3. Решения для предотвращения обрушения моста Такома-Нэрроуз

    Крушение моста Такома-Нэрроуз показало конструкторам и всему миру важность демпфирования, необходимость жесткости в вертикальном направлении и устойчивость к скручиванию в висячих мостах. Когда опасность скручивания была признана, существовало множество способов предотвратить трагедию моста Такома-Нэрроуз. Принятие следующих изменений могло предотвратить обрушение моста Такома-Нэрроуз:

  • Если бы вместо пластинчатых балок использовались открытые фермы жесткости, ветер свободно проходил бы через мост, и обрушения моста можно было бы избежать.
  • Принятие большего соотношения ширины и пролета увеличило бы жесткость моста.
  • За счет увеличения веса моста можно было бы увеличить собственную частоту моста.
  • Улучшение коэффициента демпфирования моста позволило бы поглотить колебательные движения и ограничить их.
  • Использование динамического демпфера могло бы ограничить движение моста.
  • Увеличение глубины пластинчатых балок могло бы обеспечить большую жесткость против крутильных движений.
  • Обтекание палубы моста могло бы уменьшить образование зоны волнения под действием ветра.
  • Часто задаваемые вопросы

    Каков пример разрушения моста из-за колебательного движения?

    Мост Tacoma Narrows Bridge является классическим примером разрушения мостов из-за колебательного движения.

    Почему ферменная балка жесткости не была принята для моста Такома-Нэрроуз?

    Проектировщик моста Такома-Нэрроуз хотел, чтобы мост имел элегантный внешний вид, поэтому ферменная балка жесткости не была принята.

    Кто был проектировщиком моста Такома-Нэрроуз?

    Проектировщиком моста Такома-Нэрроуз был Леон Мойсейф.

    Мост “Золотые ворота”: Строительство одного из самых длинных подвесных мостов в мире

    Мост Саншайн Скайвей: Уникальный вантовый мост во Флориде

    Макинакский мост: Строительство самого аэродинамически стабильного подвесного моста

    Читайте далее:
    Понравилась статья? Поделиться с друзьями: