Puente de Tacoma Narrows (1940)

El puente Tacoma Narrows de 1940, el primer puente en este lugar, era un puente colgante en el estado de Washington, EE. UU., que cruzaba el estrecho de Tacoma Narrows de Puget Sound entre Tacoma y la península de Kitsap. Se abrió al tráfico el 1 de julio de 1940 y colapsó dramáticamente en Puget Sound el 7 de noviembre del mismo año. El colapso del puente ha sido descrito como "espectacular" y en las décadas posteriores "ha atraído la atención de ingenieros, físicos y matemáticos". A lo largo de su corta existencia, fue el tercer puente colgante más largo del mundo por vano principal, detrás del puente Golden Gate y el puente George Washington.

La construcción comenzó en septiembre de 1938. Desde el momento en que se construyó la plataforma, comenzó a moverse verticalmente en condiciones de viento, por lo que los trabajadores de la construcción apodaron al puente Gertie al galope. El movimiento continuó después de que el puente se abrió al público, a pesar de varias medidas de amortiguamiento. El tramo principal del puente finalmente se derrumbó con vientos de 40 millas por hora (64 km/h) en la mañana del 7 de noviembre de 1940, mientras la cubierta oscilaba en un movimiento de torsión alternante que aumentaba gradualmente en amplitud hasta el final. cubierta destrozada.

Las partes del puente que quedaron en pie después del colapso, incluidas las torres y los cables, fueron desmanteladas y vendidas como chatarra. Estados Unidos retrasó los esfuerzos para reemplazar el puente. entrada en la Segunda Guerra Mundial, pero en 1950, se abrió un nuevo puente Tacoma Narrows en el mismo lugar, utilizando los pedestales de la torre del puente original y los anclajes de cables. La parte del puente que cayó al agua ahora sirve como arrecife artificial.

El colapso del puente tuvo un efecto duradero en la ciencia y la ingeniería. En muchos libros de texto de física, el evento se presenta como un ejemplo de resonancia mecánica forzada elemental, pero en realidad era más complicado; el puente se derrumbó porque los vientos moderados produjeron un aleteo aeroelástico que era autoexcitante e ilimitado: para cualquier velocidad constante del viento sostenida por encima de aproximadamente 35 mph (56 km/h), la amplitud de la oscilación del aleteo (torsional) aumentaría continuamente, con un efecto negativo factor de amortiguación, es decir, un efecto de refuerzo, opuesto a la amortiguación. El colapso impulsó la investigación sobre aerodinámica-aeroelástica de puentes, lo que ha influido en los diseños de todos los puentes posteriores de gran luz.

Diseño y construcción

Las propuestas para un puente entre Tacoma y la península de Kitsap datan al menos de la propuesta de caballete de Northern Pacific Railway de 1889, pero los esfuerzos concertados comenzaron a mediados de la década de 1920. La Cámara de Comercio de Tacoma comenzó a hacer campaña y a financiar estudios en 1923. Se consultó a varios ingenieros de puentes destacados, incluido Joseph B. Strauss, quien pasó a ser ingeniero jefe del puente Golden Gate, y David B. Steinman, más tarde diseñador del puente. Puente Mackinac. Steinman realizó varias visitas financiadas por la Cámara y presentó una propuesta preliminar en 1929, pero en 1931 la Cámara canceló el acuerdo con el argumento de que Steinman no estaba trabajando lo suficiente para obtener financiamiento. En la reunión de 1938 de la división estructural de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles, durante la construcción del puente, con su diseñador entre la audiencia, Steinman predijo su falla.

En 1937, la legislatura del estado de Washington creó la Autoridad de puentes de peaje del estado de Washington y asignó $5,000 (equivalente a $96,000 en la actualidad) para estudiar la solicitud de Tacoma y el condado de Pierce para un puente sobre el Narrows.

Desde el principio, la financiación del puente fue un problema: los ingresos de los peajes propuestos no serían suficientes para cubrir los costos de construcción; otro gasto fue comprar el contrato de ferry de una empresa privada que prestaba servicios en Narrows en ese momento. No obstante, hubo un fuerte apoyo para el puente de la Armada de los Estados Unidos, que operaba el Astillero Naval de Puget Sound en Bremerton, y del Ejército de los Estados Unidos, que administraba McChord Field y Fort Lewis cerca de Tacoma.

El ingeniero del estado de Washington, Clark Eldridge, produjo un diseño preliminar de puente colgante convencional probado y verdadero, y la Autoridad de puentes de peaje del estado de Washington solicitó $ 11 millones (equivalentes a $ 212 millones en la actualidad) de la Administración de Obras Públicas federal (PWA). Los planes de construcción preliminares del Departamento de Carreteras de Washington requerían un conjunto de cerchas de 7,6 m (25 pies) de profundidad para colocarse debajo de la calzada y endurecerla.

Sin embargo, "ingenieros consultores del Este" — con lo cual Eldridge se refería a Leon Moisseiff, el célebre ingeniero de puentes de Nueva York que se desempeñó como diseñador e ingeniero consultor del puente Golden Gate — solicitó a la PWA y a la Reconstruction Finance Corporation (RFC) que construyeran el puente por menos. Moisseiff y Frederick Lienhard, este último ingeniero de lo que entonces se conocía en Nueva York como Port Authority, habían publicado un artículo que probablemente era el avance teórico más importante en el campo de la ingeniería de puentes de la década. Su teoría de la distribución elástica extendió la teoría de la deflexión que fue ideada originalmente por el ingeniero austríaco Josef Melan a la flexión horizontal bajo la carga del viento estático. Demostraron que la rigidez de los cables principales (a través de los tirantes) absorbería hasta la mitad de la presión estática del viento empujando lateralmente una estructura suspendida. Esta energía sería luego transmitida a los fondeaderos y torres. Usando esta teoría, Moisseiff abogó por reforzar el puente con un conjunto de vigas de placa de ocho pies de profundidad (2,4 m) en lugar de las armaduras de 25 pies de profundidad (7,6 m) propuestas por la Autoridad de puentes de peaje del estado de Washington. Este enfoque significó un diseño más delgado y elegante, y también redujo los costos de construcción en comparación con el diseño del Departamento de Carreteras propuesto por Eldridge. El diseño de Moisseiff ganó, ya que la otra propuesta se consideró demasiado costosa. El 23 de junio de 1938, la PWA aprobó casi $6 millones (equivalente a $124,7 millones en la actualidad) para el puente Tacoma Narrows. Se recaudarían otros $ 1,6 millones ($ 33,3 millones en la actualidad) de los peajes para cubrir el costo total estimado de $ 8 millones ($ 166,3 millones en la actualidad).

Después del diseño de Moisseiff, la construcción del puente comenzó el 27 de septiembre de 1938. La construcción tomó solo diecinueve meses, a un costo de $6,4 millones ($133,1 millones en la actualidad), que fue financiada por la subvención de la PWA y un préstamo del RFC.

El puente Tacoma Narrows, con un tramo principal de 850 m (2800 pies), era el tercer puente colgante más largo del mundo en ese momento, después del puente George Washington entre Nueva Jersey y la ciudad de Nueva York, y el Golden Gate Bridge, que conecta San Francisco con el condado de Marin al norte.

Debido a que los planificadores esperaban volúmenes de tráfico bastante escasos, el puente se diseñó con dos carriles y solo tenía 39 pies (12 m) de ancho. Esto era bastante estrecho, especialmente en comparación con su longitud. Con solo las vigas de placa de 2,4 m (8 pies) de profundidad proporcionando profundidad adicional, la sección de la calzada del puente también era poco profunda.

La decisión de utilizar vigas tan poco profundas y estrechas resultó ser la ruina del puente. Con vigas tan mínimas, la plataforma del puente no era lo suficientemente rígida y los vientos la movían fácilmente; desde el principio, el puente se hizo famoso por su movimiento. Un viento leve a moderado podría causar que las mitades alternas del tramo central se eleven y bajen visiblemente varios pies en intervalos de cuatro a cinco segundos. Esta flexibilidad fue experimentada por los constructores y trabajadores durante la construcción, lo que llevó a algunos de los trabajadores a bautizar el puente "Galloping Gertie". El apodo pronto se mantuvo, e incluso el público (cuando comenzó el tráfico de peaje) sintió estos movimientos el día en que se inauguró el puente el 1 de julio de 1940.

Intento de controlar la vibración estructural

Dado que la estructura experimentó oscilaciones verticales considerables mientras aún estaba en construcción, se utilizaron varias estrategias para reducir el movimiento del puente. Ellos incluyeron:

• acoplamiento de cables de unión a las vigas de placa, que fueron anclados a bloques de hormigón de 50 toneladas en la orilla. Esta medida resultó ineficaz, ya que los cables se rompieron poco después de la instalación.
• Además de un par de estancias de cable inclinadas que conectaron los cables principales a la cubierta de puentes a mediados del panel. Estos permanecieron en su lugar hasta el colapso, pero también fueron ineficaces en reducir las oscilaciones.
• Finalmente, la estructura estaba equipada con buffers hidráulicos instalados entre las torres y el sistema de suelo de la cubierta a movimento longitudinal húmedo del lazo principal. La eficacia de los amortiguadores hidráulicos fue anulada, sin embargo, porque los sellos de las unidades fueron dañados cuando el puente estaba descolorido antes de ser pintado.

La Autoridad de Puentes de Peaje del Estado de Washington contrató al profesor Frederick Burt Farquharson, profesor de ingeniería de la Universidad de Washington, para realizar pruebas en el túnel de viento y recomendar soluciones para reducir las oscilaciones del puente. El profesor Farquharson y sus alumnos construyeron un modelo a escala 1:200 del puente y un modelo a escala 1:20 de una sección de la plataforma. Los primeros estudios concluyeron el 2 de noviembre de 1940, cinco días antes del colapso del puente el 7 de noviembre. Propuso dos soluciones:

• Para perforar agujeros en las vigas laterales y a lo largo de la cubierta para que el flujo de aire pudiera circular a través de ellos (de esta manera reduciendo las fuerzas de elevación).
• Para dar una forma más aerodinámica a la sección transversal de la cubierta mediante la adición de hadas o vanas deflectoras a lo largo de la cubierta, adjunta a la fascia de la ginebra.

La primera opción no fue favorecida, debido a su naturaleza irreversible. La segunda opción fue la elegida, pero no se llevó a cabo, porque el puente colapsó cinco días después de concluidos los estudios.

Contraer

El colapso inducido por el viento ocurrió el 7 de noviembre de 1940, aproximadamente a las 11:00 a. m. (PST).

Leonard Coatsworth, an editor at The News Tribune in Tacoma, was the last person to drive on the bridge:

A mi alrededor pude oír crujidos concretos. Empecé de vuelta al coche para conseguir el perro, pero fue lanzado antes de poder llegar a él. El auto empezó a deslizarse de lado a lado en la carretera. Decidí que el puente estaba rompiendo y mi única esperanza era volver a la orilla. Sobre las manos y las rodillas la mayor parte del tiempo, me arrastré 500 metros [1,500 pies; 460 m] o más a las torres... Mi aliento estaba entrando en gaspas; mis rodillas estaban crudas y sangrando, mis manos se agudizaron y se inflamaron de agarrar el toque de hormigón... Hacia el último, arriesgué a subir a mis pies y correr unos metros a la vez... A salvo en la plaza de peaje, vi el puente en su colapso final y vi mi coche sumergirse en los Narrows.

Tubby, el cocker spaniel de Coatsworth, fue la única víctima mortal del desastre del puente Tacoma Narrows; se perdió junto con el auto de Coatsworth. El profesor Farquharson y un fotógrafo de noticias intentaron rescatar a Tubby durante una pausa, pero el perro estaba demasiado aterrorizado para salir del auto y mordió a uno de los rescatadores. Tubby murió cuando cayó el puente y nunca se recuperó ni su cuerpo ni el automóvil. Coatsworth había estado conduciendo a Tubby de regreso con su hija, quien era dueña del perro. Coatsworth recibió $450.00 por su auto (equivalente a $9,400 hoy) y $364.40 ($7,600 hoy) en reembolso por el contenido de su auto, incluido Tubby.

Consulta

Theodore von Kármán, director del Laboratorio Aeronáutico Guggenheim y aerodinámico de renombre mundial, fue miembro de la junta de investigación del colapso. Informó que el estado de Washington no pudo cobrar una de las pólizas de seguro para el puente porque su agente de seguros se había embolsado de manera fraudulenta las primas de seguro. El agente, Hallett R. French, que representaba a Merchant's Fire Assurance Company, fue acusado y juzgado por hurto mayor por retener las primas por valor de $800.000 del seguro (equivalente a $16,7 millones en la actualidad). El puente estaba asegurado por muchas otras pólizas que cubrían el 80% del valor de la estructura de $ 5,2 millones (equivalente a $ 108,6 millones en la actualidad). La mayoría de estos fueron recogidos sin incidentes.

El 28 de noviembre de 1940, la Oficina Hidrográfica de la Marina de los EE. UU. informó que los restos del puente estaban ubicados en las coordenadas geográficas 47 °16'N 122°33'O / 47,267°N 122,550°O / 47,267; -122.550, a una profundidad de 180 pies (55 metros).

Película de colapso

El derrumbe fue filmado con dos cámaras por Barney Elliott y por Harbine Monroe, propietarios de The Camera Shop en Tacoma, incluido el intento fallido de rescatar al perro. Posteriormente, su metraje se vendió a Paramount Pictures, que lo duplicó para noticiarios en blanco y negro y lo distribuyó en todo el mundo a las salas de cine. Castle Films también recibió los derechos de distribución de videos caseros de 8 mm. En 1998, El derrumbe del puente de Tacoma Narrows fue seleccionado para su conservación en el Registro Nacional de Cine de los Estados Unidos por la Biblioteca del Congreso por su importancia cultural, histórica o estética. Este metraje todavía se muestra a los estudiantes de ingeniería, arquitectura y física como una advertencia.

El metraje de Elliott y Monroe de la construcción y el derrumbe se filmó en una película Kodachrome de 16 mm, pero la mayoría de las copias en circulación son en blanco y negro porque los noticiarios de la época copiaron la película en 35 mm en blanco y negro. existencias. También hubo discrepancias en la velocidad de la película entre las imágenes de Monroe y Elliot, con Monroe filmando a 24 fotogramas por segundo y Elliott a 16 fotogramas por segundo. Como resultado, la mayoría de las copias en circulación también muestran que el puente oscila aproximadamente un 50 % más rápido que en tiempo real, debido a que durante la conversión se supuso que la película se filmó a 24 fotogramas por segundo en lugar de los 16 fps reales.

Otro rollo de película apareció en febrero de 2019, tomado por Arthur Leach desde el lado del puente de Gig Harbor (hacia el oeste), y una de las pocas imágenes conocidas del colapso desde ese lado. Leach era un ingeniero civil que se desempeñó como cobrador del peaje del puente y se cree que fue la última persona en cruzar el puente hacia el oeste antes de su colapso, tratando de evitar más cruces desde ese lado cuando el puente se volvió inestable. El material de archivo de Leach (originalmente en una película en blanco y negro, pero luego se grabó en un videocassette al filmar la proyección) también incluye el comentario de Leach en el momento del colapso.

Comisión de la Agencia Federal de Obras

Una comisión formada por la Agencia Federal de Obras estudió el colapso del puente. Incluía a los ingenieros Othmar Ammann y Theodore von Kármán. Sin sacar conclusiones definitivas, la comisión exploró tres posibles causas de falla:

• inestabilidad aerodinámica por vibraciones autoinducidas en la estructura
• Eddy formations that might be periodic in nature
• Efectos aleatorios de turbulencia, es decir, las fluctuaciones aleatorias en la velocidad del viento.

Causa del colapso

El puente Tacoma Narrows original fue el primero en construirse con vigas de acero al carbono ancladas en bloques de hormigón; los diseños anteriores generalmente tenían vigas de celosía abiertas debajo del lecho de la carretera. Este puente fue el primero de su tipo en emplear vigas de placa (pares de vigas en I profundas) para soportar el lecho de la carretera. Con los diseños anteriores, el viento simplemente pasaría a través de la armadura, pero en el nuevo diseño el viento se desviaría por encima y por debajo de la estructura. Poco después de que terminara la construcción a fines de junio (abierto al tráfico el 1 de julio de 1940), se descubrió que el puente se balanceaba y pandeaba peligrosamente en condiciones de viento relativamente suaves que son comunes en el área, y peor durante vientos fuertes. Esta vibración era transversal, la mitad del tramo central ascendía mientras la otra descendía. Los conductores verían cómo los automóviles que se acercaban desde la otra dirección subían y bajaban, montados en la violenta onda de energía a través del puente. Sin embargo, en ese momento la masa del puente se consideró suficiente para mantenerlo estructuralmente sólido.

La falla del puente ocurrió cuando se produjo un modo de torsión nunca antes visto, debido a vientos de 40 millas por hora (64 km/h). Este es el llamado modo de vibración torsional (que es diferente del modo de vibración transversal o longitudinal), en el que cuando el lado izquierdo de la calzada bajaba, el lado derecho subía, y viceversa, es decir, las dos mitades de la calzada puente torcido en direcciones opuestas, con la línea central de la carretera permaneciendo inmóvil (inmóvil). Esta vibración fue causada por el aleteo aeroelástico.

El aleteo es un fenómeno físico en el que varios grados de libertad de una estructura se acoplan en una oscilación inestable impulsada por el viento. Aquí, inestable significa que las fuerzas y los efectos que causan la oscilación no son controlados por las fuerzas y los efectos que limitan la oscilación, por lo que no se autolimita sino que crece sin límites. Eventualmente, la amplitud del movimiento producido por el aleteo aumentó más allá de la fuerza de una parte vital, en este caso los tirantes. Al fallar varios cables, el peso del tablero se transfirió a los cables adyacentes, que se sobrecargaron y rompieron a su vez hasta que casi todo el tablero central cayó al agua por debajo del vano.

Hipótesis de la resonancia (debido a la calle del vórtice de Von Kármán)

La espectacular destrucción del puente se usa a menudo como una lección objetiva sobre la necesidad de considerar tanto la aerodinámica como los efectos de resonancia en la ingeniería civil y estructural. Billah y Scanlan (1991) informaron que, de hecho, muchos libros de texto de física (por ejemplo, Resnick et al. y Tipler et al.) explican erróneamente que la causa de la falla del puente de Tacoma Narrows fue una resonancia mecánica forzada externamente. La resonancia es la tendencia de un sistema a oscilar en amplitudes mayores a ciertas frecuencias, conocidas como frecuencias naturales del sistema. A estas frecuencias, incluso las fuerzas impulsoras periódicas relativamente pequeñas pueden producir vibraciones de gran amplitud, porque el sistema almacena energía. Por ejemplo, un niño que usa un columpio se da cuenta de que si los empujones están sincronizados correctamente, el columpio puede moverse con una amplitud muy grande. La fuerza impulsora, en este caso el niño que empuja el columpio, repone exactamente la energía que el sistema pierde si su frecuencia es igual a la frecuencia natural del sistema.

Por lo general, el enfoque adoptado por esos libros de texto de física es introducir un oscilador forzado de primer orden, definido por la ecuación diferencial de segundo orden

mx.. ()t)+cxÍ Í ()t)+kx()t)=F#⁡ ⁡ ()⋅ ⋅ t){displaystyle m{ddot {x}(t)+c{dot {x}(t)+kx(t)=Fcos(omega t)}

()Eq. 1)

Donde m, c y k soporte para la masa, coeficiente de amortiguación y rigidez del sistema lineal y F y ⋅ representan la amplitud y la frecuencia angular de la fuerza excitante. La solución de tal ecuación diferencial ordinaria como función del tiempo t representa la respuesta al desplazamiento del sistema (según condiciones iniciales apropiadas). En la resonancia del sistema anterior ocurre cuando ⋅ aproximadamente ⋅ ⋅ r=k/m{displaystyle omega ¿Qué? {k/m}}}, es decir, ⋅ ⋅ r{displaystyle omega _{r} es la frecuencia natural (resonante) del sistema. El análisis real de vibraciones de un sistema mecánico más complicado, como un avión, un edificio o un puente, se basa en la linealización de la ecuación del movimiento para el sistema, que es una versión multidimensional de la ecuación (Eq. 1). El análisis requiere análisis eigenvalue y posteriormente se encuentran las frecuencias naturales de la estructura, junto con las llamadas modos fundamentales del sistema, que son un conjunto de desplazamientos y/o rotaciones independientes que especifican completamente la posición y orientación desplazadas o deformadas del cuerpo o sistema, es decir, el puente se mueve como una combinación (lineal) de esas posiciones básicas deformadas.

Cada estructura tiene frecuencias naturales. Para que ocurra la resonancia, es necesario que también haya periodicidad en la fuerza de excitación. Se supuso que el candidato más tentador de la periodicidad en la fuerza del viento era el llamado desprendimiento de vórtices. Esto se debe a que los cuerpos rocosos (no aerodinámicos), como las cubiertas de los puentes, en una corriente de fluido producen estelas (o "cobertizos"), cuyas características dependen del tamaño y la forma del cuerpo y las propiedades del fluido.. Estas estelas van acompañadas de vórtices alternos de baja presión en el lado a favor del viento del cuerpo, la llamada calle de vórtices de Kármán o calle de vórtices de von Kármán. En consecuencia, el cuerpo intentará moverse hacia la zona de baja presión, en un movimiento oscilante llamado vibración inducida por vórtice. Eventualmente, si la frecuencia del desprendimiento de vórtices coincide con la frecuencia natural de la estructura, la estructura comenzará a resonar y el movimiento de la estructura puede volverse autosuficiente.

La frecuencia de los vórtices en la calle Von Kármán vortex se llama la frecuencia Strouhal fs{displaystyle f_{s}, y es dado por

fsDU=S{displaystyle {frac {f} {f}}}=S}

()Eq. 2)

Aquí, U representa la velocidad del flujo, D es una longitud característica del cuerpo del farol y S es el número adimensional de Strouhal, que depende sobre el cuerpo en cuestión. Para números de Reynolds superiores a 1000, el número de Strouhal es aproximadamente igual a 0,21. En el caso de Tacoma Narrows, D era de aproximadamente 8 pies (2,4 m) y S era 0,20.

Se pensó que la frecuencia Strouhal estaba lo suficientemente cerca de una de las frecuencias de vibración natural del puente, es decir, 2π π fs=⋅ ⋅ {displaystyle 2pi F_{s}=omega }, para causar resonancia y por lo tanto vibración inducida por el vórtice.

En el caso del puente Tacoma Narrows, esto parece no haber sido la causa del daño catastrófico. Según el profesor Frederick Burt Farquharson, profesor de ingeniería de la Universidad de Washington y uno de los principales investigadores de la causa del colapso del puente, el viento era constante a 42 millas por hora (68 km/h) y la frecuencia de los destructivos el modo era 12 ciclos/minuto (0,2 Hz). Esta frecuencia no era ni un modo natural de la estructura aislada ni la frecuencia del desprendimiento de vórtices de cuerpo romo del puente a esa velocidad del viento, que era de aproximadamente 1 Hz. Por lo tanto, se puede concluir que el desprendimiento de vórtices no fue la causa del colapso del puente. El evento puede entenderse solo considerando el sistema aerodinámico y estructural acoplado que requiere un análisis matemático riguroso para revelar todos los grados de libertad de la estructura particular y el conjunto de cargas de diseño impuestas.

La vibración inducida por vórtices es un proceso mucho más complejo que involucra tanto las fuerzas externas iniciadas por el viento como las fuerzas internas autoexcitadas que bloquean el movimiento de la estructura. Durante el bloqueo, las fuerzas del viento impulsan la estructura en o cerca de una de sus frecuencias naturales, pero a medida que aumenta la amplitud, esto tiene el efecto de cambiar las condiciones de contorno del fluido local, de modo que esto induce fuerzas compensatorias y autolimitantes, que restringen el movimiento a amplitudes relativamente benignas. Claramente, este no es un fenómeno de resonancia lineal, incluso si el cuerpo romo tiene un comportamiento lineal, ya que la amplitud de la fuerza de excitación es una fuerza no lineal de la respuesta estructural.

Explicaciones de resonancia vs. no resonancia

Billah y Scanlan afirman que Lee Edson en su biografía de Theodore von Kármán es una fuente de información errónea: "El culpable del desastre de Tacoma fue la calle Karman vortex."

Sin embargo, el informe de la investigación de la Administración Federal de Obras, del cual von Kármán formó parte, concluyó que

Es muy improbable que la resonancia con vórtices alternantes juega un papel importante en las oscilaciones de puentes de suspensión. En primer lugar, se encontró que no hay correlación aguda entre la velocidad del viento y la frecuencia de oscilación, como se requiere en caso de resonancia con vórtices cuya frecuencia depende de la velocidad del viento.

A group of physicists cited "wind-driven amplification of the torsional oscillation#34; as distinct from resonance:

Los autores posteriores han rechazado la explicación de resonancia, y su perspectiva se está extendiendo gradualmente a la comunidad física. La guía del usuario para la actual American Association of Physics Teachers (AAPT) DVD declara que el puente colapsó "no fue un caso de resonancia". Bernard Feldman también concluyó en un artículo de 2003 para el profesor de Física que para el modo de oscilación torsional, no había "ninguna conducta de resonancia en la amplitud como una función de la velocidad del viento". Una fuente importante tanto para la guía del usuario de AAPT como para Feldman fue un artículo de 1991 American Journal of Physics por K. Yusuf Billah y Robert Scanlan. Según los dos ingenieros, el fracaso del puente estaba relacionado con una amplificación impulsada por el viento de la oscilación torsional que, a diferencia de una resonancia, aumenta monotonicamente con el aumento de la velocidad del viento. La dinámica del fluido detrás de esa amplificación es complicada, pero un elemento clave, como lo describen los físicos Daniel Green y William Unruh, es la creación de vórtices a gran escala por encima y por debajo de la carretera, o cubierta, del puente. Hoy en día, los puentes se construyen para ser rígidos y para tener mecanismos que amortiguan oscilaciones. Algunas veces incluyen una ranura en el centro de la cubierta para aliviar las diferencias de presión por encima y por debajo de la carretera.

Hasta cierto punto, el debate se debe a la falta de una definición precisa comúnmente aceptada de resonancia. Billah y Scanlan proporcionan la siguiente definición de resonancia: "En general, siempre que un sistema capaz de oscilar recibe la acción de una serie periódica de impulsos que tienen una frecuencia igual o casi igual a una de las frecuencias naturales de la oscilación del sistema, el sistema se pone en oscilación con una amplitud relativamente grande." Luego afirman más adelante en su artículo: "¿Podría esto llamarse un fenómeno resonante?" Parecería no contradecir la definición cualitativa de resonancia citada anteriormente, si ahora identificamos la fuente de los impulsos periódicos como autoinducidos, el viento suministrando la potencia y el movimiento suministrando la toma de potencia. mecanismo. Si uno desea argumentar, sin embargo, que fue un caso de resonancia lineal forzada externamente, la distinción matemática... es bastante clara, los sistemas autoexcitantes difieren bastante de los resonantes lineales ordinarios.& #34;

Enlace a la ventisca del Día del Armisticio

El sistema meteorológico que provocó el colapso del puente provocó la Ventisca del Día del Armisticio de 1940 que mató a 145 personas en el Medio Oeste de los Estados Unidos:

Los fuertes vientos en los estrechos de Tacoma el 7 de noviembre de 1940 estaban relacionados con un notable sistema de baja presión que siguió una pista a través del país y cuatro días más tarde produjo la tormenta del Día del Armisticio, una de las mayores tormentas para atacar la región de los Grandes Lagos. Por ejemplo, cuando la tormenta llegó a Illinois, el titular en la primera página del Chicago Tribune incluyó las palabras "Los vientos más fuertes en este siglo chocan contra la ciudad". Los detalles adicionales de la película y el análisis de vídeo se pueden encontrar en el número de noviembre de 2015 del Maestro de Física, que también incluye más descripción de la tormenta del Día del Armisticio y los fuertes vientos que antes habían causado que el Puente de las Torres de Tacoma oscilara, retorciera y colapsara en las aguas inferiores.

Destino de la superestructura colapsada

Los esfuerzos para salvar el puente comenzaron casi inmediatamente después de su colapso y continuaron hasta mayo de 1943. Dos juntas de revisión, una designada por el gobierno federal y otra designada por el estado de Washington, concluyeron que la reparación del puente era imposible y que la habría que desmantelar todo el puente y construir una superestructura de puente completamente nueva. Dado que el acero es un producto valioso debido a la participación de los Estados Unidos en la Segunda Guerra Mundial, el acero de los cables del puente y el tramo de suspensión se vendió como chatarra para fundir. La operación de salvamento le costó al estado más de lo que se devolvió por la venta del material, una pérdida neta de más de $350,000 (equivalente a $5,919,000 en 2022).

Los anclajes de los cables, los pedestales de las torres y la mayor parte de la subestructura restante no sufrieron daños en el colapso y se reutilizaron durante la construcción del tramo de reemplazo que se inauguró en 1950. Las torres, que sostenían los cables principales y la cubierta de la carretera, sufrieron daños importantes. daños en sus bases por haber sido desviados 12 pies (3,7 m) hacia la costa como resultado del colapso del tramo principal y el pandeo de los tramos laterales. Fueron desmantelados y el acero enviado a recicladores.

Preservación de la calzada colapsada

Los restos submarinos del tablero de la carretera del antiguo puente colgante actúan como un gran arrecife artificial, y están inscritos en el Registro Nacional de Lugares Históricos con el número de referencia 92001068.

El Museo de Historia del Puerto tiene una exhibición en su galería principal sobre el puente de 1940, su colapso y los dos puentes posteriores.

Una lección de historia

Othmar Ammann, un destacado diseñador de puentes y miembro de la Comisión de la Agencia Federal de Obras que investiga el colapso del puente Tacoma Narrows, escribió:

El fracaso del puente de Tacoma Narrows nos ha dado información invaluable... Ha mostrado [que] cada nueva estructura [que] proyectos en nuevos campos de magnitud implica nuevos problemas para la solución de los cuales ninguna teoría ni experiencia práctica proporcionan una guía adecuada. Es entonces que debemos confiar en gran parte en el juicio y si, como resultado, ocurren errores o fallos, debemos aceptarlos como precio para el progreso humano.

Después del incidente, los ingenieros tomaron precauciones adicionales para incorporar la aerodinámica en sus diseños, y finalmente se hizo obligatoria la prueba de los diseños en el túnel de viento.

El puente Bronx-Whitestone, que tiene un diseño similar al puente Tacoma Narrows de 1940, se reforzó poco después del colapso. En 1943, se instalaron armaduras de acero de catorce pies de alto (4,3 m) a ambos lados de la plataforma para pesar y endurecer el puente en un esfuerzo por reducir la oscilación. En 2003, se quitaron las armaduras de refuerzo y se instalaron carenados aerodinámicos de fibra de vidrio a ambos lados de la cubierta de la carretera.

Una consecuencia clave fue que los puentes colgantes volvieron a tener un diseño de armadura más profundo y pesado, incluido el puente Tacoma Narrows de reemplazo (1950), hasta el desarrollo en la década de 1960 de los puentes de vigas cajón con forma aerodinámica como el puente Severn, que dio la rigidez necesaria junto con fuerzas de torsión reducidas.

Puente de reemplazo

Debido a la escasez de materiales y mano de obra como resultado de la participación de los Estados Unidos en la Segunda Guerra Mundial, pasaron 10 años antes de que se abriera al tráfico un puente de reemplazo. Este puente de reemplazo se abrió al tráfico el 14 de octubre de 1950 y tiene 5979 pies (1822 m) de largo, cuarenta pies (12 m) más que el puente original. El puente de reemplazo también tiene más carriles que el puente original, que solo tenía dos carriles de tráfico, además de arcenes en ambos lados.

Medio siglo después, el puente de reemplazo superó su capacidad de tráfico y se construyó un segundo puente colgante paralelo para transportar el tráfico hacia el este. El puente colgante que se completó en 1950 se reconfiguró para transportar solo tráfico hacia el oeste. El nuevo puente paralelo se abrió al tráfico en julio de 2007.