cuando el puente Tacoma Narrows sobre Puget Sound en el estado de Washington se derrumbó el 7 de noviembre de 1940, fue capturado en una película para la posteridad. Las imágenes se convirtieron en la base para un ejemplo de libro de texto de resonancia, que es un tema estándar en la física de la escuela secundaria. Pero esa explicación clásica es incorrecta.
Los diseños iniciales para el puente por el ingeniero Clark Eldridge fueron para un puente colgante típico con vigas de 25 pies de altura bajo la carretera para endurecer el puente y evitar que se balancee demasiado., Pero el diseño propuesto de 1 11 millones era costoso. El ingeniero Leon Moisseiff, quien consultó sobre el Puente Golden Gate en San Francisco, respondió con un diseño novedoso y estéticamente agradable que reemplazó las cerchas con vigas de placa de 8 pies de altura, reduciendo los costos de construcción a 8 8 millones, pero proporcionando mucha menos resistencia a la flexión y la torsión.,Moisseiff y su colega de la ciudad de Nueva York, Frederick Lienhard, argumentaron que los cables principales serían lo suficientemente rígidos como para absorber suficiente presión estática del viento para estabilizar la estructura, porque las fuerzas aerodinámicas que actúan sobre el puente lo empujarían solo hacia los lados, en lugar de hacia arriba y hacia abajo. Su argumento se basaba en la teoría de la desviación, que fue desarrollada por Ingenieros Civiles Austriacos.
ese diseño más barato, delgado y elegante ganó, y la construcción comenzó el 27 de septiembre de 1938., Hubo problemas incluso mientras el puente todavía se estaba construyendo, con la cubierta moviéndose hacia arriba y hacia abajo verticalmente significativamente incluso en condiciones moderadamente ventosas. Impulsó a los trabajadores de la construcción a llamar al puente «Galloping Gertie», inspirado en una canción popular de salón. Cuando el puente abrió el 1 de julio de 1940, el público experimentó las vibraciones de primera mano.,
se hicieron varios intentos para reducir el rebote: cables de amarre que anclan las vigas de la placa a bloques de concreto de 50 toneladas (los cables pronto se rompieron); la adición de soportes de cable inclinados que conectan los cables principales al centro de la cubierta; y amortiguadores hidráulicos para amortiguar el movimiento longitudinal del vano principal. Ninguno tuvo un gran efecto amortiguador. Así que la autoridad del Puente de peaje de Washington trajo a un profesor de ingeniería de la Universidad de Washington llamado Frederick Farquharson para realizar estudios de túneles de viento con la esperanza de encontrar una solución.,
Galloping Gertie se había comportado sorprendentemente bien durante todo octubre, a pesar de ser azotado por vientos de 50 mph. Pero Farquharson notó que ocasionalmente sus modelos mostraban un movimiento de torsión, y más tarde dijo a los periodistas: «lo vimos y dijimos que si ese tipo de movimiento ocurría en el puente real, sería el final del puente.»
Farquharson estaba de pie en el puente Tacoma Narrows en la mañana del 7 de noviembre, y notó ese movimiento problemático de torsión del puente, en lugar del típico rebote, con creciente alarma., Media hora antes, los funcionarios lo habían cerrado al tráfico, pero el reportero del Tacoma News Tribune Leonard Coatsworth había llegado al puente justo antes de eso; pero cuando estaba a mitad de camino, un rebote especialmente grande derribó su automóvil a su lado. Saltó y logró gatear, magullado y sangrando, en sus manos y rodillas hasta la seguridad de las torres, mientras seis postes de luz se rompían y las cubiertas de acero de los cables producían un lamento metálico. Los grandes cables de acero se rompieron alrededor de las 11 a.m., seguidos de un rugido retumbante mientras 600 pies de la carretera se desmoronaban en el agua., Finalmente, todo el vano central se agrietó, dejando solo las dos torres en pie.
los días que siguieron revelaron una lucha para explicar por qué el puente se derrumbó. Un artículo del New York Times lo atribuyó al fenómeno de la resonancia: «el tiempo sucesivo toca correctamente y pronto el péndulo se balancea con su máxima amplitud. Así que con este puente.»Y cuando el educador Franklin Miller distribuyó las imágenes del colapso para uso en el aula en 1962, uno de los subtítulos mencionó erróneamente la «vibración de resonancia» como la causa., (El metraje en sí también demostró ser engañoso, gracias a errores al convertir los primeros rollos de película en otros formatos con diferentes velocidades de fotogramas por segundo.)
esa explicación se mantuvo durante décadas, a pesar de que la Administración Federal de obras concluyó que la resonancia era una explicación «improbable». Farquharson lo confirmó en su propio informe una década después. El verdadero culpable fue el movimiento de torsión que había observado tanto en sus primeros modelos como en el puente mismo el día del colapso.,
para más detalles, a continuación se muestra una sección del informe en línea sin fecha del Departamento de transporte del Estado de Washington (DOT) sobre la causa del colapso del puente Tacoma Narrows:
¿por qué se derrumbó Galloping Gertie?
The La explicación principal de la falla galopante de Gertie se describe como » aleteo torsional.»Ayudará a dividir esta complicada serie de eventos en varias etapas.
Aquí hay un resumen de los puntos clave de la explicación.
- En general, el puente Narrows de 1940 tenía relativamente poca resistencia a las fuerzas de torsión., Eso fue porque tenía una relación de profundidad a anchura tan grande, 1 a 72. La viga rígida larga, estrecha y poco profunda de Gertie hizo que la estructura fuera extremadamente flexible.
- En la mañana del 7 de noviembre de 1940, poco después de las 10 a.m., ocurrió un evento crítico. La banda de cable en el tramo medio en el cable Norte se deslizó . Esto permitió que el cable se separara en dos segmentos desiguales. Eso contribuyó al cambio de movimiento vertical (hacia arriba y hacia abajo) a torsional (torsión) de la cubierta del puente.
- también contribuyó al movimiento torsional de la cubierta del puente » Vortex shedding., En resumen, el desprendimiento de vórtices ocurrió en el puente Narrows de la siguiente manera:
- El viento se separó cuando golpeó el lado de la cubierta galopante de Gertie, la viga de placa sólida de 8 pies. Una pequeña cantidad de torsión se produjo en la cubierta del puente, porque incluso el acero es elástico y cambia de forma bajo alta tensión.
- La Cubierta de puente torcida causó que la separación del flujo de viento aumentara. Esto formó un vórtice, o fuerza de viento remolino, que levantó y retorció aún más la cubierta.
- La estructura de la cubierta resistió esta elevación y torsión. Tenía una tendencia natural a volver a su posición anterior., A medida que regresaba, su velocidad y dirección coincidían con la fuerza de elevación. En otras palabras, se movió «en fase» con el vórtice. Entonces, el viento reforzó ese movimiento. Esto produjo un evento «lock-on».
- pero la fuerza externa del viento por sí sola no fue suficiente para causar la severa torsión que llevó al Puente Narrows a fallar.
- Ahora el movimiento de la cubierta entró en » torsional flutter.»»Torsional flutter» is a complex mechanism. «Flutter» es un patrón de vibración armónica autoinducido. Esta inestabilidad puede crecer a vibraciones muy grandes.,
Cuando el movimiento del puente cambió de oscilación vertical a torsión, la estructura absorbió más energía eólica. El movimiento de torsión de la cubierta del puente comenzó a controlar el vórtice del viento, por lo que los dos se sincronizaron. Los movimientos de torsión de la estructura se volvieron autogeneradores. En otras palabras, las fuerzas que actuaban en el puente ya no eran causadas por el viento. El propio movimiento de la cubierta del puente produjo las fuerzas. Los ingenieros llaman a este movimiento «autoexcitado».
fue crítico que los dos tipos de inestabilidad, desprendimiento de vórtices y aleteo torsional, ambos ocurrieron a velocidades de viento relativamente bajas., Por lo general, el desprendimiento de vórtices ocurre a velocidades de viento relativamente bajas, como 25 a 35 mph, y aleteo torsional a velocidades de viento altas, como 100 mph. Debido al diseño de Gertie, y la resistencia relativamente débil a las fuerzas torsionales, desde el vórtice vertiendo inestabilidad el puente fue a la derecha en «aleteo torsional.»
Ahora el puente estaba más allá de su capacidad natural de «amortiguar» el movimiento. Una vez que comenzaron los movimientos de torsión, controlaron las fuerzas del vórtice. El movimiento torsional comenzó pequeño y se construyó sobre su propia energía autoinducida.,
En otras palabras, la torsión galopante de Gertie indujo más torsión, luego mayor y mayor torsión. Esto aumentó más allá de la resistencia de la estructura del puente para resistir. El fracaso resultó.
los diseñadores de puentes del siglo XIX habían aprendido lecciones dolorosas de numerosos colapsos de puentes, pero los diseñadores del siglo XX no las prestaron atención. Una vez más, citando el informe del DOT del Estado de Washington:
primeras investigaciones-respuestas parciales al «por qué»
Las Fallas tempranas del puente de suspensión resultaron de luces con cubiertas muy flexibles que eran vulnerables a las fuerzas del viento (aerodinámicas)., A finales del siglo 19 los ingenieros se movieron hacia puentes colgantes muy rígidos y pesados. John Roebling concientemente diseñó el Puente de Brooklyn de 1883 para que fuera estable contra las tensiones del viento. A principios del siglo XX, sin embargo, dice David P. Billington, la «perspectiva histórica de Roebling parecía haber sido reemplazada por una preferencia visual no relacionada con la ingeniería estructural.
solo cuatro meses después de galopar Gertie fracasó, un profesor de ingeniería civil en la Universidad de Columbia, J. K., Finch, publicó un artículo en Engineering News-Record que resumía más de un siglo de fallas en puentes colgantes. Finch declaró: «estas dificultades largamente olvidadas con los primeros puentes colgantes muestran claramente que mientras que para los ingenieros modernos, los giros del Puente de Tacoma constituían algo completamente nuevo y extraño, no eran nuevos — simplemente habían sido olvidados.»Entire toda una generación de ingenieros diseñadores de puentes colgantes olvidaron las lecciones del siglo 19., La última falla importante del puente colgante había ocurrido cinco décadas antes, cuando el puente Niágara-Clifton cayó en 1889. Y, en la década de 1930, las fuerzas aerodinámicas no se entendían bien en absoluto.
Aftermath
Los restos de la cubierta original del puente Tacoma Narrows todavía están en la parte inferior del Puget Sound, formando un arrecife artificial, y sus tramos laterales se fundieron para obtener acero durante la Segunda Guerra Mundial. ,»Esta vez el diseño utilizó cerchas de 33 pies para endurecer el puente, así como rejillas de viento y amortiguadores hidráulicos. Un segundo puente fue añadido en 2007.
1. Washington State Department of Transportation, Tacoma Narrows Bridge: Lessons from the Failure of a Great Machine, Why Did Galloping Gertie Collapse? Disponible en wsdot.wa.gov/TNBhistory/Machine/machine3.htm#6
2. ibíd., Primeras investigaciones – respuestas parciales a » Por qué.»
otras lecturas:
Green, D. and Unruh, W. G. » The Failure of the Tacoma Bridge: a physical model,» American Journal of Physics 74 (2006): 706.,Pasternak, Alex. «The Strangest, Most Spectacular Bridge Collapse (And How We Got It Wrong),» Motherboard, Diciembre 2015.
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