Динамика разрушения: почему пал «Галопирующая Герти»

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Обрушение Такомского моста (Такома-Нэрроуз) в 1940 году — один из самых показательных эпизодов в истории инженерии. Этот случай наглядно демонстрирует: даже крупная и, казалось бы, надёжная конструкция может разрушиться не из-за перегрузки, а из-за взаимодействия с воздушным потоком.

Мост Такома-Нэрроуз (штат Вашингтон) — пара подвесных мостов через пролив Пьюджет-Саунд. На месте современной переправы в 1940 году разрушилась знаменитая «Галопирующая Герти». Взамен неё в 1950 году был возведён новый мост, а в 2007 году рядом построили второй пролёт.
Мост Такома-Нэрроуз (штат Вашингтон) — пара подвесных мостов через пролив Пьюджет-Саунд. На месте современной переправы в 1940 году разрушилась знаменитая «Галопирующая Герти». Взамен неё в 1950 году был возведён новый мост, а в 2007 году рядом построили второй пролёт.
Автор: Sounderbruce Источник: en.wikipedia.org

Аэродинамическая неустойчивость проектного решения

Мост через пролив Такома в штате Вашингтон задумывался как один из самых длинных подвесных мостов своего времени. Проектировщики стремились снизить стоимость и сделать конструкцию изящной.

Визуальная легкость конструкции была достигнута за счет использования сплошных стальных двутавровых балок вместо жестких сквозных ферм. Однако с точки зрения аэродинамики такой профиль оказался крайне неэффективным. Сплошная вертикальная стенка балки создавала значительное лобовое сопротивление и выступала в роли преграды для ламинарного потока воздуха.

Проблема проявилась еще на этапе монтажа пролетов: даже при слабом ветре возникали выраженные колебания полотна. Физическая причина заключалась в периодическом срыве вихрей с острых кромок балок. Эти вихри создавали перепады давления, которые приводили конструкцию в движение. За характерную вертикальную раскачку, напоминающую волну, мост получил ироничное прозвище «Галопирующая Герти».

Принципиальный просчет инженеров заключался в недооценке крутильной жесткости системы. Сплошные балки не только не гасили колебания, но и способствовали их усилению, превращая кинетическую энергию ветра в механическую энергию деформации моста.

День открытия моста Такомского моста (Такома-Нэрроуз). Такома, штат Вашингтон, 1 июля 1940 года.
День открытия моста Такомского моста (Такома-Нэрроуз). Такома, штат Вашингтон, 1 июля 1940 года.
Автор: University of Washington Libraries Digital Coll Источник: en.wikipedia.org

Когда ветер начинает управлять мостом

7 ноября 1940 года при скорости ветра около 64 км/ч характер движения моста изменился: привычная вертикальная раскачка сменилась разрушительным кручением. Пролёт перешёл в опасный режим, начав скручиваться вокруг своей продольной оси. На конструкции проявился эффект аэроупругого флаттера. Это не обычный резонанс, а сложный процесс самовозбуждающихся колебаний, где движение конструкции и поток воздуха подпитывают друг друга.

Сплошные балки сработали как аэродинамический профиль: возникающие вихри создавали перепады давления, которые толкали мост к новым деформациям. Те, в свою очередь, меняли угол атаки воздушного потока — и цикл повторялся. Энергия ветра буквально «накачивала» конструкцию.

При относительно невысокой частоте амплитуда колебаний росла лавинообразно, что и стало фатальным фактором.

Колебания усиливались в течение нескольких часов. Угол закручивания пролёта доходил примерно до 45 градусов. Нагрузки на элементы резко возросли, подвески начали разрушаться.

Около 11 утра центральный пролёт длиной порядка 850 метров рухнул в воды Пьюджет-Саунда. Несмотря на масштаб аварии, обошлось без человеческих жертв — погибла только собака, оставшаяся в машине на мосту. После этого случая стало ясно: расчёта статических нагрузок недостаточно, если не учитывать поведение конструкции в потоке воздуха.

Что изменилось после катастрофы

Восстанавливать прежний мост не стали — спроектировали новый с учётом полученного опыта. Он открылся в 1950 году и заметно отличался от предшественника. В конструкции использовали глубокие решётчатые фермы, которые свободно пропускают воздух и не создают выраженных вихревых зон. Параллельно начали активно развиваться методы испытаний моделей в аэродинамических трубах и компьютерное моделирование динамических нагрузок.

Позднее к этому добавились демпфирующие системы и более точная проработка аэродинамического профиля пролётов. По сути, после этой истории проектирование мостов стало учитывать не только статическую прочность, но и взаимодействие конструкции с окружающей средой.

Со временем пропускной способности одного моста стало не хватать, и в 2007 году вплотную к нему был возведен еще один современный пролет. Сегодня на этом месте работают два параллельных моста-гиганта.

Обломки первой «Герти» до сих пор лежат на дне пролива — теперь это и исторический объект, и искусственный риф.

Оба моста во время торжественной церемонии открытия нового пролёта в 2007 году. Вид с вершины пилона западного моста (постройки 1950 года).
Оба моста во время торжественной церемонии открытия нового пролёта в 2007 году. Вид с вершины пилона западного моста (постройки 1950 года).
Автор: Travisl Источник: ru.wikipedia.org

Вывод

Обрушение Такомского моста заставило инженеров пересмотреть подходы к проектированию длинных пролетов. Опыт «Герти» наглядно подтвердил: расчет статической прочности конструкции не гарантирует её надежности, если не учтено влияние динамических нагрузок.

С 1940-х годов испытания моделей в аэродинамических трубах и проверка конструкций на устойчивость к автоколебаниям стали обязательными. Современные мосты проектируются так, чтобы ветер не раскачивал, а свободно обтекал их или гасился за счет жесткости системы. Сегодня это позволяет возводить легкие и протяженные пролеты, которые остаются стабильными в условиях, оказавшихся фатальными для Такома-Нэрроуз.

Изображение в превью:
Автор: Travisl
Источник: ru.wikipedia.org

5 комментариев

Добавить комментарий

dimon-ru-80
Видимо, сразу после того, как в Самаре допилят Фрунзенский мост. У масштабных долгостроев везде судьба похожая))
s
И где ссылка на видео разрушения ???
dimon-ru-80
И где ссылка на видео разрушения ???

Добавил гиперссылкой в выводе — https://youtu.be/XggxeuFDaDU?si=pFUh0wAeNYhWCDN-
k
Кто бы мог подумать, что конструкцию весом тысячи тонн может вот так винтом раскачать обычный ветер.

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Как устроена раскаленная «планета-зефир»: «Джеймс Уэбб» нашел кварцевые облака и аномальный климат на WASP-17 b

Когда астрономы изучают атмосферы планет за пределами Солнечной системы, они чаще всего используют метод спектроскопии пропускания. В моменты, когда экзопланета проходит между Землей и своей...

Почему волк покидает родную стаю, даже когда в ней достаточно пищи

Волчья семья может годами жить на одной территории. Взрослые животные знают, где искать пищу, молодые постепенно осваивают окружающую местность, а подросшие волчата помогают заботиться о младших....

Илон Маск обещает летающий автомобиль к 2028 году. Эту сказку нам слово в слово рассказывали в 1957-м

На испытательном полигоне компании SpaceX в городе Макгрегор, штат Техас, состоялась закрытая презентация новой версии спортивного автомобиля Tesla Roadster. Во время показа машина заехала на...

ИИ декодировал язык клеточных сигналов — и подсказал, как вырастить живые ткани в пробирке

В процессе развития эмбриона исходно одинаковые клетки постепенно превращаются в десятки специализированных типов: нейроны, мышечные волокна, клетки печени или кожи. Выбор пути зависит от...

Плейлисты на компакт-кассете: как дека Uher CG 355 запоминала порядок треков

В конце 1970-х слушать кассету значило постоянно держать руку на клавишах. Нужный трек искали перемоткой вперёд или назад, глядя на механический счётчик или просто на слух. Мюнхенская фирма Uher...

Как остановить опасный астероид, если таран не сработает: суперкомпьютер нашел решение

Падение крупного небесного тела на Землю — единственный вид глобальной природной катастрофы, который человечество способно предотвратить с помощью доступных технологий. Атмосфера планеты...