Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эта статья посвящена первому мосту Tacoma Narrows Bridge, который рухнул в 1940 году. Информацию о нынешнем мосте в западном направлении, построенном в 1950 году, см. Tacoma Narrows Bridge (1950) . Для текущего моста в восточном направлении, завершенного в 2007 году, см. Tacoma Narrows Bridge .
Tacoma Narrows Bridge
Координаты47 ° 16'N 122 ° 33'W / 47,267 ° с.ш.122,550 ° з. / 47,267; -122,550 Координаты: 47 ° 16'N 122 ° 33'W.  / 47.267°N 122.550°W / 47.267; -122.550
Другие имена)Скачущая Герти
Характеристики
ДизайнПриостановка
Общая длина5939 футов (1810,2 м)
Самый длинный промежуток2800 футов (853,4 м)
Оформление ниже195 футов (59,4 м)
История
Открыт1 июля 1940 г.
Свернут7 ноября 1940 г.
Место расположения
Карта с указанием местоположения моста

Мост Такома-Нарроуз в 1940 году , первый мост Такома-Нарроуз , был подвесным мостом в американском штате Вашингтон, который пересекал пролив Такома-Нарроуз в Пьюджет-Саунд между Такомой и полуостровом Китсап . Он открылся для движения 1 июля 1940 года и резко рухнул в Пьюджет-Саунд 7 ноября  того же года. [1] Обрушение моста было описано как «впечатляющее» и в последующие десятилетия «привлекло внимание инженеров, физиков и математиков». [2]На протяжении всего своего недолгого существования, это был третий в мире самого длинного мост подвешивания главного пролетом, за мостом Золотых Ворот и Мост Джорджа Вашингтона .

Строительство началось в сентябре 1938 года. С тех пор, как палуба была построена, она начала двигаться вертикально в ветреную погоду, поэтому строители прозвали мост Галопирующей Герти . Движение продолжилось после того, как мост открылся для публики, несмотря на несколько мер по демпфированию . Главный пролет мостика окончательно рухнул из-за ветра со скоростью 40 миль в час (64 км / ч) утром 7 ноября 1940 года, когда палуба колебалась в попеременном вращательном движении, которое постепенно увеличивалось по амплитуде, пока палуба не разорвалась на части.

Части моста, сохранившиеся после обрушения, включая башни и тросы, были разобраны и проданы на металлолом. Попытки заменить мост были отложены из-за вступления Соединенных Штатов во Вторую мировую войну , но в 1950 году в том же месте открылся новый мост Tacoma Narrows Bridge, в котором использовались опоры башни оригинального моста и крепления для тросов. Та часть моста, которая упала в воду, теперь служит искусственным рифом .

Обрушение моста оказало долгосрочное влияние на науку и технику. Во многих учебниках физики это событие представлено как пример элементарного вынужденного механического резонанса , но на самом деле он был более сложным; мост рухнул, потому что умеренный ветер произвел аэроупругое флаттер, которое было самовозбуждающим и неограниченным: при любой постоянной постоянной скорости ветра выше примерно 35 миль в час (56 км / ч) амплитуда ( крутильных ) колебаний флаттера будет непрерывно увеличиваться с отрицательным коэффициент демпфирования (т.е. усиливающий эффект, противоположный демпфированию). [3] Обрушение стимулировало исследования в области аэродинамики мостов - аэроэластики., который повлиял на конструкции всех более поздних длиннопролетных мостов.

Дизайн и строительство [ править ]

Предложения по мосту между Такома и датой Kitsap полуострова , по крайней мере к северной части Тихого океана железной дороги 1889 г. «s эстакады предложение, но согласованные усилия начались в середине 1920-х годов. Торговая палата Такомы начала кампанию и финансирование исследований в 1923 году. [4] Были проконсультированы с несколькими известными инженерами мостов, в том числе с Джозефом Б. Штраусом , который впоследствии был главным инженером моста Золотые Ворота , и Дэвидом Б. Штайнманом , который уехал. на проектирование моста Макино. Штейнман, совершивший несколько посещений, финансируемых Палатой, представил предварительное предложение в 1929 году, но к 1931 году Палата аннулировала соглашение на том основании, что Штейнман недостаточно усердно работал, чтобы получить финансирование. На заседании структурного подразделения Американского общества инженеров-строителей в 1938 году во время строительства моста в присутствии проектировщика в аудитории Штейнман предсказал его крах. [ необходима цитата ]

В 1937 году законодательный орган штата Вашингтон создал Управление по взиманию платы за проезд по мосту штата Вашингтон и ассигновал 5000 долларов (что эквивалентно 84000 долларов на сегодняшний день) для изучения запроса Такомы и округа Пирс на строительство моста через Нарроуз. [5]

С самого начала финансирование моста было проблемой: доходов от предлагаемых сборов не хватило бы для покрытия затрат на строительство; Другими расходами были выкуп контракта на паром у частной фирмы, обслуживающей в то время Нэрроуз. Но мост получил решительную поддержку со стороны военно-морского флота США , который управлял судостроительной верфью Пьюджет-Саунд в Бремертоне , и со стороны армии США , у которой находились Маккорд-Филд и Форт-Льюис недалеко от Такомы. [6]

Инженер штата Вашингтон Кларк Элдридж разработал предварительную испытанную конструкцию обычного подвесного моста, и Вашингтонское управление платного моста запросило 11 миллионов долларов (что эквивалентно 185 миллионам долларов сегодня) у Федерального управления общественных работ (PWA). В предварительных планах строительства Департамента автомобильных дорог Вашингтона предусматривалось установить под проезжей частью и укрепить ее жесткость ферм глубиной 25 футов (7,6 м) .

Программа открытия моста Tacoma Narrows Bridge, 30 июня 1940 г.

Тем не менее, «Восточные инженеры - консультанты» ий который Элдридж означал Леон Мойссеифф , известный нью - йоркский мост инженер , который служил в качестве дизайнера и консультанта инженера по Golden Gate Bridge -petitioned в PWA и Reconstruction Finance Corporation (RFC) , чтобы построить мост для меньше. Мойсефф и Фредерик Линхард, последний инженер из того, что тогда называлось Управлением порта Нью-Йорка , опубликовали статью [7], которая, вероятно, была самым важным теоретическим достижением в области мостостроения за десятилетие. [8] Их теория упругого распределения расширила теорию прогиба , первоначально разработанную австрийским инженером.Йозеф Мелан на горизонтальный изгиб при статической ветровой нагрузке. Они показали, что жесткость основных тросов (через подвески) может поглощать до половины статического давления ветра, толкающего подвесную конструкцию вбок. Затем эта энергия будет передаваться на якорные стоянки и башни. [8]Используя эту теорию, Моисейф выступал за усиление моста с помощью набора пластинчатых балок глубиной восемь футов (2,4 м), а не ферм глубиной 25 футов (7,6 м), предложенных Управлением по взиманию платы за проезд в Вашингтоне. Такой подход означал более тонкий и элегантный дизайн, а также снизил стоимость строительства по сравнению с проектом Департамента автомобильных дорог, предложенным Элдриджем. Дизайн Моисейфа победил, поскольку другое предложение было сочтено слишком дорогим. 23 июня 1938 года PWA одобрило строительство моста Tacoma Narrows Bridge почти на 6 миллионов долларов (что эквивалентно 109 миллионам долларов на сегодняшний день). [6] Еще 1,6 миллиона долларов (29,1 миллиона долларов сегодня) должно было быть получено от дорожных сборов для покрытия общей предполагаемой стоимости в 8 миллионов долларов (145,3 миллиона долларов сегодня).

Согласно проекту Моисейффа, строительство моста началось 27 сентября 1938 года. Строительство заняло всего девятнадцать месяцев и обошлось в 6,4 миллиона долларов (116,2 миллиона долларов сегодня), которое было профинансировано за счет гранта от PWA и кредита RFC.

Мост через пролив Такома, с главным пролетом 2800 футов (850 м), был третий самый длинный подвесной мост в мире в то время, после моста Джорджа Вашингтона между Нью - Джерси и Нью - Йорке , и Golden Gate Bridge , соединяющий Сан-Франциско с округом Марин на севере. [9]

Поскольку планировщики ожидали довольно небольшого движения транспорта, мост был спроектирован с двумя полосами движения и имел ширину всего 39 футов (12 м). [10] Он был довольно узким, особенно по сравнению с его длиной. Только пластинчатые балки глубиной 8 футов (2,4 м) обеспечивали дополнительную глубину, участок проезжей части моста также был неглубоким.

Решение использовать такие мелкие и узкие балки доказало несостоятельность моста. При таком минимальном количестве балок настил моста был недостаточно жестким и легко перемещался ветром; С самого начала мост стал печально известен своим движением. Слабый или умеренный ветер может привести к тому, что чередующиеся половины центрального пролета будут заметно подниматься и опускаться на несколько футов в течение четырех-пяти секундных интервалов. Эта гибкость была испытана строителями и рабочими во время строительства, что побудило некоторых рабочих окрестить мост «Скачущей Герти». Это прозвище вскоре прижилось, и даже публика (когда началось движение с платой за проезд ) почувствовала эти движения в день открытия моста 1 июля 1940 года.

Попытка контролировать вибрацию конструкции [ править ]

Поскольку конструкция испытывала значительные вертикальные колебания, пока она все еще строилась, было использовано несколько стратегий для уменьшения подвижности моста. В их число вошли [11]

  • крепление тросов к пластинчатым балкам, которые крепились к 50-тонным бетонным блокам на берегу. Эта мера оказалась неэффективной, так как кабели оборвались вскоре после установки.
  • добавление пары наклонных тросов, которые соединяли главные тросы с настилом моста в середине пролета. Они оставались на месте до обрушения, но также были неэффективны для уменьшения колебаний.
  • наконец, конструкция была оборудована гидравлическими буферами, установленными между башнями и системой перекрытия палубы для гашения продольных движений основного пролета. Однако эффективность гидравлических амортизаторов была сведена на нет, поскольку уплотнения узлов были повреждены, когда мост подвергался пескоструйной очистке перед покраской.

Управление платного моста Вашингтона наняло профессора Фредерика Берта Фаркухарсона, профессора инженерного дела Вашингтонского университета , чтобы он провел испытания в аэродинамической трубе и рекомендовал решения для уменьшения колебаний моста. Профессор Фаркухарсон и его ученики построили модель моста в масштабе 1: 200 и модель части палубы в масштабе 1:20. Первые исследования завершились 2 ноября 1940 г. - за пять дней до обрушения моста 7 ноября. Он предложил два решения:

  • Просверлить отверстия в боковых балках и вдоль настила, чтобы через них мог циркулировать воздушный поток (таким образом уменьшая подъемные силы ).
  • Чтобы придать более аэродинамическую форму поперечному сечению палубы, добавив вдоль палубы обтекатели или дефлекторные лопатки, прикрепленные к балочной панели.

Первый вариант не получил одобрения из-за его необратимости. Был выбран второй вариант, но он не был реализован, потому что мост обрушился через пять дней после завершения исследований. [8]

Свернуть [ редактировать ]

Главный пролет моста, впадающий в пролив

Леонард Коутсворт, редактор Tacoma News Tribune , был последним, кто ехал по мосту:

Вокруг я слышал треск бетона. Я пошел обратно к машине, чтобы схватить собаку, но меня бросило, прежде чем я успел добраться до нее. Сама машина начала кататься из стороны в сторону по проезжей части. Я решил, что мост разваливается, и моя единственная надежда - вернуться на берег. Большую часть времени, стоя на четвереньках, я прополз на 500 ярдов [1500 футов; 460 м] и более до башен… У меня перехватило дыхание; мои колени были в крови и кровоточили, руки в синяках и опухли от того, что я держался за бетонный бордюр ... Ближе к последнему я рискнул подняться на ноги и пробежать несколько ярдов за раз ... Вернувшись на платную площадку, я увидел мост в его окончательный обвал и увидел, как моя машина провалилась в узкий проход. [12]

Табби, кокер-спаниель Коутсворта , стал единственным погибшим в результате катастрофы на Такомском узком мосту; он пропал вместе с машиной Коутсворта. Профессор Фаркухарсон [13] и новостной фотограф [14] попытались спасти Табби во время затишья, но собака была слишком напугана, чтобы выйти из машины, и укусила одного из спасателей. Табби умер, когда мост упал, и ни его тело, ни машина так и не были найдены. [15] Коутсворт отвез Табби обратно к своей дочери, которой принадлежала собака. Коутсворт получил 450 долларов за свою машину (эквивалент 8 200 долларов сегодня [16] ) и 364,40 доллара (6700 долларов сегодня [16] ) в качестве компенсации за содержимое его машины, включая Табби. [17]

Запрос [ править ]

Фрагмент обрушившегося моста в Историческом музее штата Вашингтон в Такоме.

Теодор фон Карман , директор Авиационной лаборатории Гуггенхайма и всемирно известный специалист по аэродинамике, был членом комиссии по расследованию крушения. [18] Он сообщил, что штат Вашингтон не смог получить один из полисов страхования моста, потому что его страховой агент обманным путем присвоил страховые взносы. Агент, Халлетт Р. Френч, представлявший компанию Merchant's Fire Assurance Company, был обвинен и привлечен к суду за воровство в особо крупных размерах за удержание страховых взносов на сумму 800 000 долларов (что эквивалентно 14,6 миллионам долларов на сегодняшний день). [19]Мост был застрахован многими другими полисами, которые покрывали 80% стоимости конструкции за 5,2 миллиона долларов (что эквивалентно 94,9 миллионам долларов на сегодняшний день). Большинство из них было собрано без происшествий. [20]

28 ноября 1940 года гидрографическое управление ВМС США сообщило, что остатки моста были расположены в точке с географическими координатами 47 ° 16′N 122 ° 33′W на глубине 180 футов (55 метров).  / 47.267°N 122.550°W / 47.267; -122.550

Фильм обрушения [ править ]

Воспроизвести медиа
Кадры обрушения старого моста Tacoma Narrows Bridge. (19,1 МБ видео, 02:30).

Как минимум четыре человека запечатлели обрушение моста. [21] Обрушение моста было записано на пленку Барни Эллиоттом и Харбин Монро, владельцами магазина фотокамер в Такоме . В фильме показано, как Леонард Коутсворт безуспешно пытается спасти свою собаку, а затем покидает мост. Впоследствии фильм был продан Paramount Studios , которая затем скопировала отснятый материал для кинохроники в черно-белом режиме и распространила фильм по кинотеатрам по всему миру. Castle Films также получила права на распространение домашнего видео размером 8 мм . [22] В 1998 году обрушение моста через пролив Такома было выбрано для сохранения в Соединенных Штатах.Национальный реестр фильмов в Библиотеке Конгресса как культурно, исторически или эстетически значимым. Эти кадры до сих пор показываются студентам- инженерам , архитекторам и физикам в качестве назидания . [23]

Эллиот и оригинальные фильмы Монро строительства и обрушения моста расстреливали на 16 мм Kodachrome пленки, но большинство копий в обращении находятся в черно-белом , потому что кинохроника дня копировали пленки на 35 мм черно-белом складе . Также были расхождения в скорости пленки между кадрами Монро и Эллиота: Монро снимал свои кадры со скоростью 24 кадра в секунду, в то время как Эллиот снимал свои кадры со скоростью 16 кадров в секунду. [24] В результате, в большинстве экземпляров, находящихся в обращении, мост колеблется примерно на 50% быстрее, чем в реальном времени, из-за предположения во время преобразования, что фильм был снят с частотой 24 кадра в секунду, а не с фактическими 16 кадрами в секунду. [25]

Вторая кинолента появилась в феврале 2019 года, снятая Артуром Личем с Гиг-Харбора (западная) сторона моста, и является одним из немногих известных изображений обрушения с этой стороны. Лич был инженером-строителем, который служил сборщиком дорожных сборов за мост, и считается, что он был последним человеком, который пересек мост на запад до его обрушения, пытаясь предотвратить дальнейшие переходы с запада, когда мост начал разрушаться. Кадры Лича (первоначально на пленке, но затем записанные на видеокассету путем съемки проекции) также включают комментарии Лича во время обрушения. [26]

Комиссия Федерального агентства работ [ править ]

Комиссия, сформированная Федеральным агентством работ, изучила обрушение моста. В него вошли Отмар Амманн и Теодор фон Карман . Не делая окончательных выводов, комиссия исследовала три возможные причины отказа:

  • Аэродинамическая неустойчивость из-за самоиндуцированных колебаний конструкции
  • Вихревые образования, которые могут иметь периодический характер
  • Случайные эффекты турбулентности, то есть случайные колебания скорости ветра.

Причина обвала [ править ]

Первоначальный мост Tacoma Narrows Bridge был первым, который был построен с балками из углеродистой стали, закрепленными в бетонных блоках; предыдущие конструкции обычно имели открытые фермы решетчатых балок под полотном дороги. [27] Этот мост был первым в своем роде, в котором использовались пластинчатые балки (пары глубоких двутавровых балок ) для поддержки дорожного полотна. [27] В более ранних проектах любой ветер просто проходил через ферму, но в новом дизайне ветер отклонялся выше и ниже конструкции. [28] Вскоре после завершения строительства в конце июня (открытие для движения транспорта 1 июля 1940 г.) было обнаружено, что мост будет раскачиваться и прогибаться.Опасно в относительно умеренных ветреных условиях, обычных для данной местности, и хуже во время сильных ветров. [29] Эта вибрация была поперечной , половина центрального пролета поднималась, а другая - опускалась. Водители видели, как автомобили, приближающиеся с другой стороны, поднимаются и опускаются, проезжая по мосту мощной энергетической волной. Однако в то время считалось, что масса моста достаточна для сохранения его конструктивной прочности.

Разрушение моста произошло, когда возник невиданный ранее режим скручивания из-за ветра со скоростью 40 миль в час (64 км / ч). Это так называемый режим крутильных колебаний (который отличается от режима поперечных или продольных колебаний), при котором, когда левая сторона проезжей части опускается вниз, правая сторона поднимается, и наоборот (т. Е. Две половины мост закручен в противоположных направлениях), при этом центральная линия дороги остается неподвижной (неподвижной). Эта вибрация была вызвана аэроупругими колебаниями .

Воспроизвести медиа
Полномасштабная модель двустороннего жидкостного взаимодействия (FSI) моста Tacoma Narrows Bridge с аэроупругим флаттером

Колебание - это физическое явление, при котором несколько степеней свободы конструкции объединяются в неустойчивые колебания, вызываемые ветром. Здесь нестабильность означает, что силы и эффекты, вызывающие колебания, не сдерживаются силами и эффектами, ограничивающими колебания, поэтому колебания не ограничиваются сами по себе, а неограниченно растут. В конце концов, амплитуда движения, вызванного трепетанием, превысила силу жизненно важной части, в данном случае тросов подвески. Когда несколько тросов вышли из строя, вес палубы перешел на соседние тросы, которые оказались перегруженными и порвались по очереди, пока почти вся центральная палуба не упала в воду ниже пролета.

Гипотеза о резонансе (из-за вихревой улицы Фон Кармана) [ править ]

Вихревой поток и вихревая улица Кармана за круглым цилиндром. Первой гипотезой обрушения моста Tacoma Narrows Bridge был резонанс (из-за вихревой улицы Кармана). [30] Это связано с тем, что считалось, что частота вихревой дорожки Кармана (так называемая частота Струхаля ) совпадает с частотой собственных крутильных колебаний . Это оказалось неверным. Фактическая поломка произошла из-за аэроупругого флаттера . [3]

Эффектное разрушение моста часто используется как наглядный урок необходимости учитывать как аэродинамические, так и резонансные эффекты в гражданском строительстве и строительстве . Биллах и Сканлан (1991) [3] сообщили, что на самом деле многие учебники по физике (например, Резник и др. [31] и Типлер и др. [32])) ошибочно объясняют, что причиной отказа моста Tacoma Narrows был внешний вынужденный механический резонанс. Резонанс - это тенденция системы к колебаниям с большей амплитудой на определенных частотах, известных как собственные частоты системы. На этих частотах даже относительно небольшие периодические движущие силы могут вызывать колебания большой амплитуды, поскольку система накапливает энергию. Например, ребенок, использующий качели, понимает, что если толчки правильно рассчитаны по времени, качели могут двигаться с очень большой амплитудой. Движущая сила, в данном случае ребенок, толкающий качели, точно восполняет энергию, которую система теряет, если ее частота равна собственной частоте системы.

Обычно в этих учебниках физики используется подход к вынужденному осциллятору первого порядка, определяемому дифференциальным уравнением второго порядка

 

 

 

 

( ур.1 )

где т , с и к стенду для массы , коэффициент затухания и жесткость из линейной системы и F и ω представляют амплитуду и угловую частоту возбуждающей силы. Решение такого обыкновенного дифференциального уравнения как функции времени t представляет собой реакцию смещения системы (при соответствующих начальных условиях). В вышеупомянутой системе резонанс происходит, когда ω приблизительно , т.е.- собственная (резонансная) частота системы. Фактический анализ вибрации более сложной механической системы - такой как самолет, здание или мост - основан на линеаризации уравнения движения для системы, которое является многомерной версией уравнения ( уравнение 1 ). Анализ требует анализа собственных значений, после чего определяются собственные частоты конструкции вместе с так называемыми основными модами системы, которые представляют собой набор независимых смещений и / или вращений, которые полностью определяют смещенное или деформированное положение и ориентацию тело или система, т. е. мост, движется как (линейная) комбинация этих основных деформированных положений.

Каждая структура имеет собственные частоты. Для возникновения резонанса необходима также периодичность силы возбуждения. Самым заманчивым кандидатом на периодичность силы ветра считалось так называемое вихревое распространение . Это связано с тем, что обрывистые тела (необтекаемые тела), такие как настилы мостов, в следах слива потока жидкости , характеристики которых зависят от размера и формы тела, а также свойств жидкости. Эти следы сопровождаются чередующимися вихрями низкого давления на подветренной стороне тела (так называемая вихревая улица Фон Кармана ). Вследствие этого тело будет пытаться двигаться к зоне низкого давления в колебательном движении, называемом вибрацией, вызванной вихрями.. В конце концов, если частота образования вихрей соответствует собственной частоте конструкции, конструкция начнет резонировать, и движение конструкции станет самоподдерживающимся.

Частота вихрей в вихревой дорожке Кармана называется частотой Струхаля и определяется выражением

 

 

 

 

( ур. 2 )

Здесь U обозначает скорость потока, D - характерная длина тела обтекания, а S - безразмерное число Струхаля , которое зависит от рассматриваемого тела. Для чисел Рейнольдса больше 1000 число Струхаля приблизительно равно 0,21. В случае Tacoma Narrows, D   составлял приблизительно 8 футов (2,4 м), а S составлял 0,20.

Считалось, что частота Струхаля была достаточно близка к одной из собственных частот колебаний моста, то есть , чтобы вызвать резонанс и, следовательно , вибрацию, вызванную вихрями .

В случае моста Tacoma Narrows Bridge, похоже, это не было причиной катастрофического ущерба. По словам профессора Фредерика Берта Фаркухарсона, профессора инженерии Вашингтонского университета и одного из главных исследователей причин обрушения моста, ветер был устойчивым со скоростью 42 мили в час (68 км / ч), а частота разрушительных ударов режим был 12 циклов / минуту (0,2 Гц ). [33] Эта частота не была ни естественной модой изолированной структуры, ни частотой вихря от тупого тела.моста при этой скорости ветра (которая была приблизительно 1 Гц). Таким образом, можно сделать вывод, что выпадение вихрей не было причиной обрушения моста. Это событие можно понять только при рассмотрении связанной аэродинамической и структурной системы, которая требует строгого математического анализа для выявления всех степеней свободы конкретной конструкции и набора приложенных расчетных нагрузок.

Вибрация, вызванная вихрем, представляет собой гораздо более сложный процесс, в котором задействованы как внешние силы, вызываемые ветром, так и внутренние силы самовозбуждения, которые фиксируют движение конструкции. Во время блокировки ветровые силы приводят конструкцию в движение на одной из ее собственных частот или около нее, но по мере увеличения амплитуды это приводит к изменению локальных граничных условий жидкости, так что это вызывает компенсирующие, самоограничивающиеся силы, которые ограничивают движение до относительно мягких амплитуд. Это явно не явление линейного резонанса, даже если тело обтекания ведет себя линейно, поскольку амплитуда возбуждающей силы является нелинейной силой отклика конструкции. [34]

Резонансные и нерезонансные объяснения [ править ]

Биллах и Сканлан [34] заявляют, что Ли Эдсон в своей биографии Теодора фон Кармана [35] является источником дезинформации: «Виновником катастрофы в Такоме была улица Кармана вихря».

Однако в отчете Федерального управления работ о расследовании (в котором фон Карман принимал участие) сделан вывод о том, что

Очень маловероятно, что резонанс с чередующимися вихрями играет важную роль в колебаниях подвесных мостов. Во-первых, было обнаружено, что нет резкой корреляции между скоростью ветра и частотой колебаний, которая требуется в случае резонанса с вихрями, частота которых зависит от скорости ветра. [36]

Группа физиков назвала «ветровое усиление крутильных колебаний» в отличие от резонанса:

Последующие авторы отвергли объяснение резонанса, и их точка зрения постепенно распространяется на физическое сообщество. В руководстве пользователя текущего DVD Американской ассоциации учителей физики (AAPT) говорится, что обрушение моста «не было случаем резонанса». Бернард Фельдман в своей статье для «Учителя физики» в 2003 г. также пришел к выводу, что для режима крутильных колебаний «не было резонансного поведения амплитуды как функции скорости ветра». Важным источником как для руководства пользователя AAPT, так и для Фельдмана была статья К. Юсуфа Биллаха и Роберта Сканлана в Американском журнале физики 1991 года. По словам двух инженеров, отказ моста был связан с ветровым усилением крутильных колебаний, которые, в отличие от резонанса,монотонно увеличивается с увеличением скорости ветра. Гидродинамика, лежащая в основе этого усиления, сложна, но одним из ключевых элементов, как описали физики Дэниел Грин и Уильям Унру, является создание крупномасштабных вихрей над и под проезжей частью или палубой моста. В настоящее время мосты делают жесткими и имеют механизмы, гасящие колебания. Иногда они включают прорезь в середине деки, чтобы уменьшить перепад давления над и под дорогой.Иногда они включают прорезь в середине деки, чтобы уменьшить перепад давления над и под дорогой.Иногда они включают прорезь в середине деки, чтобы уменьшить перепад давления над и под дорогой.[37]

В какой-то степени спор вызван отсутствием общепринятого точного определения резонанса. Биллах и Скэнлан [3] дают следующее определение резонанса: «В общем, всякий раз, когда система, способная к колебаниям, подвергается воздействию периодической серии импульсов, имеющих частоту, равную или почти равную одной из собственных частот колебаний система приводится в колебание с относительно большой амплитудой ». Затем они заявляют позже в своей статье: «Можно ли это назвать резонансным явлением? Казалось бы, это не противоречит качественному определению резонанса, приведенному ранее, если мы теперь идентифицируем источник периодических импульсов как самоиндуцированный., ветер, снабжающий энергией, и движение, обеспечивающее ответвительный механизм. Однако, если кто-то хочет возразить, что это был случай принудительного линейного резонанса извне , математическое различие ... довольно ясное, самовозбуждающие системы достаточно сильно отличаются от обычных линейных резонансных систем ».

Ссылка на метель Дня перемирия [ править ]

Погодная система, которая вызвала обрушение моста, стала причиной снежной бури в День перемирия , унесшей жизни 145 человек на Среднем Западе :

Сильные ветры в Tacoma Narrows 7 ноября 1940 года были связаны с замечательной системой низкого давления, которая проследовала через всю страну и четыре дня спустя вызвала шторм в День перемирия, один из самых сильных штормов, когда-либо обрушившихся на район Великих озер. Например, когда шторм достиг Иллинойса, заголовок на первой странице Chicago Tribune содержал слова «Сильные ветры в этом веке обрушиваются на город». Дополнительные сведения о фильме и видеоанализ можно найти в выпуске журнала Physics Teacher за ноябрь 2015 г., который также включает дальнейшее описание шторма в День перемирия и сильных ветров, которые ранее вызвали колебания, скручивание и обрушение моста Tacoma Narrows Bridge. в воды внизу. [37]

Судьба рухнувшей надстройки [ править ]

Усилия по спасению моста начались почти сразу после его обрушения и продолжались до мая 1943 года. [38] Две контрольные комиссии, одна назначенная федеральным правительством, а другая - штатом Вашингтон, пришли к выводу, что ремонт моста невозможен, и Весь мост пришлось бы разобрать и построить совершенно новую мостовую надстройку . [39] Поскольку сталь была ценным товаром из-за участия Соединенных Штатов во Второй мировой войне , сталь от тросов моста и пролетов подвески продавалась как металлолом для переплавки. Спасательная операция обошлась государству больше, чем было возвращено от продажи материала, чистый убыток составил более 350 000 долларов (что эквивалентно 5,2 миллиона долларов на сегодняшний день). [38]

Анкерные крепления для кабелей, опоры башен и большая часть оставшейся подконструкции не были повреждены в результате обрушения и были повторно использованы во время строительства нового пролета, открытого в 1950 году. Башни, которые поддерживали основные кабели и дорожное полотно, были серьезно повреждены. основания от отклонения на 12 футов (3,7 м) к берегу в результате обрушения главного пролета и провисания боковых пролетов. Их разобрали, а сталь отправили переработчикам.

Сохранение разрушенного проезжей части [ править ]

Остатки обрушившегося моста

Подводные остатки настила шоссе старого подвесного моста действуют как большой искусственный риф, и они занесены в Национальный реестр исторических мест под номером 92001068. [40] [41]

В главной галерее Музея истории гавани есть выставка, посвященная мосту 1940 года, его обрушению и двум последующим мостам.

Урок истории [ править ]

Отмар Амманн , ведущий проектировщик мостов и член Комиссии Федерального агентства по строительству, расследующей обрушение моста Tacoma Narrows Bridge, писал:

Разрушение моста Tacoma Narrows дало нам бесценную информацию ... Оно показало, [что] каждая новая структура, [которая] проецируется в новые области масштабов, включает в себя новые проблемы, для решения которых ни теория, ни практический опыт не дают адекватного руководства. Именно тогда мы должны в значительной степени полагаться на суждения, и если в результате происходят ошибки или неудачи, мы должны принять их как плату за человеческий прогресс. [42]

После инцидента инженеры проявили особую осторожность, чтобы включить аэродинамику в свои конструкции, и в конечном итоге испытания конструкции в аэродинамической трубе стали обязательными. [43]

Мост Уайтстоун в Бронксе , который по конструкции аналогичен мосту Такома-Нэрроус в 1940 году, был укреплен вскоре после обрушения. В 1943 году по обеим сторонам палубы были установлены стальные фермы высотой четырнадцать футов (4,3 м), чтобы утяжелить и придать мосту жесткость и уменьшить колебания. В 2003 году были сняты фермы жесткости и установлены аэродинамические обтекатели из стекловолокна по обеим сторонам дорожного полотна.

Ключевым последствием этого было то, что подвесные мосты вернулись к более глубокой и тяжелой конструкции фермы , включая замену моста Tacoma Narrows (1950) , до разработки в 1960-х годах мостов с коробчатой ​​балкой с формой крыла, такой как мост Северн , который дал необходимые жесткость вместе с уменьшенными скручивающими усилиями.

Замена моста [ править ]

Основные статьи: Tacoma Narrows Bridge (1950) и Tacoma Narrows Bridge

Из-за нехватки материалов и рабочей силы в результате участия Соединенных Штатов во Второй мировой войне потребовалось 10 лет, прежде чем новый мост был открыт для движения. Этот новый мост был открыт для движения 14 октября 1950 года, и его длина составляет 5 979 футов (1822 м), что на 40 футов (12 м) больше, чем у первоначального моста. Новый мост также имеет больше полос движения, чем исходный мост, у которого было только две полосы движения, плюс обочины с обеих сторон.

Полвека спустя новый мост превысил свою пропускную способность, и был построен второй параллельный подвесной мост для движения в восточном направлении. Висячий мост, строительство которого было завершено в 1950 году, был реконструирован для обеспечения движения только в западном направлении. Новый параллельный мост открылся для движения в июле 2007 года.

См. Также [ править ]

  • Список отказов моста
  • Список структурных отказов и обрушений
  • Инженерные катастрофы
  • Мост Миллениум, Лондон , из-за инженерной ошибки
  • Серебряный мост
  • Волгоградский мост , мост в России, который испытывал аналогичные проблемы с ветром
  • Хумэньский мост через реку Жемчужина

Ссылки [ править ]

Примечания
  1. ^ Редакторы, История ком. «Обрушивается мост через пролив Такома» . ИСТОРИЯ . Проверено 12 июля 2020 .CS1 maint: extra text: authors list (link)
  2. ^ Джанни Ариоли и Филиппо Газзола. Новое математическое объяснение того, что вызвало катастрофический крутильный режим моста Tacoma Narrows Bridge . Прикладное математическое моделирование, январь 2015 г. doi.org
  3. ^ a b c d Billah, K .; Р. Сканлан (1991). «Резонанс, разрушение моста через Такома и учебники по физике» (PDF) . Американский журнал физики . 59 (2): 118–124. Bibcode : 1991AmJPh..59..118B . DOI : 10.1119 / 1.16590 .
  4. ^ Петроски, Генри (2009). "Такома сужает мосты". Американский ученый (2-е изд.). 97 (2): 103–107. DOI : 10.1511 / 2009.77.103 . ISSN 0003-0996 . 
  5. ^ Плот, RH (2008). «Резкие нагрузки и крутильные колебания оригинального моста Tacoma Narrows Bridge». Журнал звука и вибрации . DOI: 10.1016 / j.jsv.2007.07.057
  6. ^ a b «История моста через реку Такома: создание моста через реку 1937-1940» . www.wsdot.com . Проверено 12 июля 2020 .
  7. ^ Леон С. Мойсейфф и Фредерик Линхард. «Подвесные мосты под действием боковых сил», с обсуждением. Сделки Американского общества инженеров-строителей , № 98, 1933, стр. 1080–1095, 1096–1141.
  8. ^ a b c Ричард Скотт. По следам Такомы: подвесные мосты и поиски аэродинамической устойчивости. Американское общество инженеров-строителей (1 июня 2001 г.) ISBN 0-7844-0542-5 https://books.google.com/books?id=DnQOzYDJsm8C 
  9. ^ Генри Петроски. Инженеры мечты: великие строители мостов и охват Америки. Нью-Йорк: Кнопф / Рэндом Хаус , 1995.
  10. ^ "СТРОИТЕЛЬСТВО БОЛЬШОЕ: Банк данных: Tacoma Narrows Bridge" . www.pbs.org . Проверено 12 июля 2020 .
  11. ^ Рита Робисон. «Обрушение моста через пролив Такома». Вкниге « Когда технология терпит неудачу», под редакцией Нила Шлагера, стр. 18–190. Детройт: Gale Research , 1994.
  12. ^ "Показания очевидцев" . История моста Такома через пролив . WDOT .
  13. ^ "Анализ профессора" . История моста через пролив Такома . WDOT.
  14. ↑ Как рассказал Кларенс К. Мартон, в то время глава отделаискусств Сиэтл Пост Интеллидженсер и близкий коллега фотографа.
  15. ^ "Tubby Trivia" . История моста через пролив Такома . Департамент транспорта штата Вашингтон.
  16. ^ а б Федеральный резервный банк Миннеаполиса. «Индекс потребительских цен (оценка) 1800–» . Проверено 1 января 2020 года .
  17. ^ «Мост через пролив Такома: странные факты» . Департамент транспорта штата Вашингтон. Наконец, WSTBA возместила Коутсворту потерю его автомобиля в размере 450 долларов. Они уже заплатили ему 364,40 доллара за потерю «содержимого» его машины.
  18. ^ Гелеси Jr., DS (1965). Отец сверхзвукового полета: Теодор фон Карман . С. 119–122.
  19. ^ "Тюремный минимальный набор для бывшего страхового руководителя" . Новости-обзор . Розбург, Орегон. 22 мая 1941 г. с. 1 . Проверено 13 января 2017 г. - через Newspapers.com.
  20. ^ "Tacoma Narrows Bridge" . Специальные коллекции Вашингтонского университета . Проверено 13 ноября 2006 .
  21. ^ "::: Tacoma Narrows Bridge Film Collection :::" . content.lib.washington.edu . Проверено 7 декабря 2020 .
  22. ^ «Мост через пролив Такома: искусство мостов продолжается» . www.wsdot.wa.gov . Проверено 7 декабря 2020 .
  23. ^ «Странные факты» . История моста через пролив Такома . Департамент транспорта штата Вашингтон. Последствия падения Галопирующей Герти продолжались еще долго после катастрофы. Кларк Элдридж , взявший на себя часть вины за обрушение моста, узнал об этом из первых рук. В конце 1941 года Элдридж работал на ВМС США на Гуаме, когда Соединенные Штаты вступили во Вторую мировую войну. Вскоре японцы захватили Элдридж. Остаток войны (три года и девять месяцев) он провел в лагере для военнопленных в Японии. К его изумлению, однажды японский офицер, который когда-то был студентом в Америке, узнал инженера моста. Он подошел к Элдриджу и прямо сказал: «Мост Такома!»
  24. ↑ Пастернак, Алекс (14 декабря 2015 г.). «Самый странный и эффектный обрушение моста (и как мы его поняли)» . Vice Magazine . Проверено 7 декабря 2020 .
  25. ^ "Сюрприз обрушения моста" Галопирующая Герти "в Такоме Нарроуз, 75 лет спустя" . Сиэтл Пост-Интеллидженсер . 7 ноября 2015 . Проверено 11 ноября 2015 года .Измеряя крутильные колебания, исследователи из штата Техас определили, что мост проходит 18 циклов скручивания в минуту на существующем видео. Однако измерения секундомера, сделанные 7 ноября 1940 года, показали, что цикл на мосту составляет 12 циклов в минуту - существенное расхождение. Исследователи из штата Техас смогли доказать, что исходная 16-миллиметровая камера, которая снимала колебания, работала со скоростью 16 кадров в секунду, а не 24 кадра в секунду, которые предполагались при преобразовании в видео. Когда кадры пленки просматриваются на более медленной скорости, крутильные циклы соответствуют показаниям секундомера очевидцев, составляющим 12 циклов в минуту.
  26. ^ «Потерянные кадры дикого 1940 коллапса Таком мост показали» . КОРОЛЬ-ТВ . 28 февраля 2019 . Проверено 28 февраля 2019 года .
  27. ^ a b «Строительство - Библиотеки UW» . www.lib.washington.edu . Проверено 13 июля 2020 .
  28. ^ «Последствия - библиотеки UW» . www.lib.washington.edu . Проверено 13 июля 2020 .
  29. ^ «Открытие и эксперименты по изучению« ряби »- библиотеки UW» . www.lib.washington.edu . Проверено 12 июля 2020 .
  30. ^ «Большой Такомский мост врезался в Пьюджет-Саунд на 190 футов. Узкий пролет, третий по длине тип в мире, рушится на ветру. Четыре спасаются от смерти». Нью-Йорк Таймс . 8 ноября 1940 года. Потрескиваясь при ветре со скоростью сорок две мили в час, Узкий мост в Такоме стоимостью 6 400 000 долларов сегодня с грохотом рухнул и погрузился в воды Пьюджет-Саунда, на 190 футов ниже.
  31. ^ Халлидей, Дэвид; Резник, Роберт; Уокер, Джерл (2008). Основы физики (главы 21-44) . Джон Вили и сыновья. ISBN 978-0-470-04474-2.
  32. ^ Типлер, Пол Аллен; Моска, Джин (2004). Физика для ученых и инженеров . 1B: Колебания и волны, термодинамика (физика для ученых и инженеров). WH Freeman . ISBN 978-0-7167-0903-9.)
  33. ^ FB Farquharson et al. Аэродинамическая устойчивость подвесных мостов с особым упором на Tacoma Narrows Bridge. Инженерная экспериментальная станция Вашингтонского университета, Сиэтл. Бюллетень 116. Части с I по V. Серия отчетов, выпущенных с июня 1949 года по июнь 1954 года.
  34. ^ a b Billah, KYR и Scanlan, RH "Вибрация, вызванная вихрем, и ее математическое моделирование: библиография", отчет № SM-89-1. Департамент гражданского строительства . Принстонский университет . Апрель 1989 г.
  35. ^ Теодор фон Карман с Ли Эдсоном (1963). Ветер и дальше. Теодор фон Карман: пионер в авиации и следопыт в космосе . Бостон: Маленький Браун и компания . п. 213
  36. ^ Стивен Росс и др. "Tacoma Narrows 1940". В строительных катастрофах: ошибки проектирования, причины и предотвращение . МакГроу Хилл , 1984, стр. 216–239.
  37. ^ a b Олсон, Дональд В .; Вольф, Стивен Ф .; Крюк, Джозеф М. (01.11.2015). «Обрушение моста через пролив Такома» . Физика сегодня . 68 (11): 64–65. Bibcode : 2015PhT .... 68k..64O . DOI : 10.1063 / PT.3.2991 . ISSN 0031-9228 . 
  38. ^ a b «Мост через пролив Такома: Последствия - Новое начало: 1940–1950» . www.wsdot.wa.gov .
  39. ^ "Руководства по предметам и онлайн-выставки - Библиотеки UW" . www.lib.washington.edu .
  40. ^ "Национальная информационная система реестра" . Национальный реестр исторических мест . Служба национальных парков . 23 января 2007 г.
  41. ^ "WSDOT - Tacoma Narrows Bridge: Extreme History" . Департамент транспорта штата Вашингтон . Проверено 23 октября 2007 .
  42. ^ Отмар Х. Амманн, Теодор фон Карман и Гленн Б. Вудрафф. Отказ моста Tacoma Narrows Bridge, отчет администратору . Отчет Федеральному агентству работ, Вашингтон, 1941 г.
  43. ^ History.com Editors (21 августа 2018 г.). «Мост Такома рушится» . ИСТОРИЯ . Телевизионные сети A&E . Проверено 7 ноября 2018 года . После катастрофы в Такома-Нарроуз строители мостов постарались включить аэродинамику в свои конструкции и построить конструкции со сложными частотами. Со временем испытания мостов в аэродинамической трубе стали обязательными.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • «Самый странный и впечатляющий обрушение моста (и как мы все поняли)» (декабрь 2015 г.). Подробный подробный отчет о сложной физике, лежащей в основе коллапса, в простых терминах, с видео, диаграммами, графиками, диаграммами и т. Д. Автор Алекс Пастернак, Motherboard
  • Физика обрушения моста
  • failurebydesign.info - физическая презентация и ресурсы
  • Малик, Йозеф (2013). «Внезапная боковая асимметрия и крутильные колебания оригинального подвесного моста Tacoma». Журнал звука и вибрации . 332 (15): 3772–3789. Bibcode : 2013JSV ... 332.3772M . DOI : 10.1016 / j.jsv.2013.02.011 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Цветное видео строительства и обрушения оригинального моста с повествованием
  • Фотографии моста и строящегося нового пролета
  • Такома узкий мост (1940) в Structurae

Исторический [ править ]

  • 1940 Узкий мост (строительство моста 1940) Департамент транспорта штата Вашингтон
  • История Tacoma Narrows Bridge
  • Цифровая коллекция библиотек Вашингтонского университета - Коллекция Tacoma Narrows Bridge Более 152 изображений и текстов, документирующих печально известное обрушение Tacoma Narrows Bridge в 1940 году. Также охватывает создание Галопирующей Герти, последующие исследования, касающиеся его аэродинамики, и, наконец, строительство второго моста через Узкий пролив.
  • Катастрофа на Такомском узком мосту, ноябрь 1940 г.
  • Образы неудач
  • Информация и образы неудач
  • Официальный сайт Tacoma Narrows Bridge
  • Хронология мостов
  • Tacoma Narrows Bridge
  • Приостановленная анимация - журнал неудач (ноябрь 2000 г.)
  • В Интернет-архиве доступен видеоролик о том, как мост Tacoma Narrows качается и, в конечном итоге, рушится.
  • Youtube видео подобных колебаний палубы на новом мосту в Волгограде в России