JultikaUniversity of Oulu repository

Tiivistelmä

Tämän kandidaatintyön päätavoitteena oli etsiä syitä Tacoma Narrows -sillan sortumiselle kirjallisuuskatsauksella. Työssä esitellään lukijalle Tacoma Narrows -sillan historiaa ja riippusiltoja yleisesti sekä kaksi yksinkertaista laskennallista mallia sillan sortumiselle. Työssä havainnollistetaan kuvin sortumisen aiheuttaneen oskillaation alkaminen ja pyörrevirtojen syntyminen. Laskennallisia malleja verrataan sillasta tehtyyn tuulitunnelidataan. Ensimmäinen tapauksesta tehty laskennallinen malli ei vastaa tuulitunnelidataa korkeammilla tuulen nopeuksilla mutta tästä eteenpäin viety malli vastaa dataa tarkemmin.

Tacoma Narrows -silta valmistui heinäkuussa 1940 ja sortui saman vuoden marraskuussa kestettyään voimakasta oskillaatiota lähes tunnin. Sillan liian heiveröinen, I-palkein jäykistetty kansi, oli hyvin altis värähtelyille ja se värähtelikin jo ennen onnettomuutta välillä voimakkaastikin. Värähtelyn amplitudi oli ennen sortumista korkeimmillaan jopa 1.5 metriä. Silta sortui lopulta marraskuun 7. päivänä 1940 pyörrevirtojen aiheuttaman voimakkaan vääntövärähdysliikkeen seurauksena. Kannen poikkileikkauksen kantikas muoto edesauttoi pyörrevirtojen syntymistä ja sillassa valmiiksi ollut pystysuuntainen värähtely muutti muotoaan vääntövärähtelyyn. Pyörrevirroista aiheutuva kannen normaalin suuntainen voima vaikutti kanteen vääntömomentin tavoin saaden sen vääntyilemään.

Sortuminen laittoi Yhdysvalloissa pitkien riippusiltojen rakentamisen tauolle kymmeneksi vuodeksi ja sortunut Tacoma Narrows -silta korvattiin jäykistetymmällä sillalla vuonna 1950. Sortumisen jälkeen pitkien jännevälien siltojen tuulianalyysit otettiin laajemmin käyttöön ja niille luotiin teoriapohja. Tapaus on vieläkin insinöörien mielenkiinnon kohteena ja siitä esitetään yhä tarkempia malleja.

The collapse of the Tacoma Narrows Bridge

Abstract

The main objective of this thesis was to investigate the reasons behind the collapse of the Tacoma Narrows Bridge with a literature review. The history of the Tacoma Narrows Bridge, suspension bridges in general and two simple computational models of the collapse are introduced. The beginning of oscillation and vortices which caused the collapse are demonstrated via pictures. Computational models are compared to the wind tunnel data of the bridge. First computational model did not match the wind tunnel data at the higher wind speeds, but the more advanced model matches the data more accurately.

The construction of the Tacoma Narrows Bridge was completed in July 1940, and it collapsed in November of the same year after withstanding powerful oscillations for nearly an hour. The I-beam stiffened deck of the bridge was too weak and exposed for oscillations. Before collapsing, the deck suffered hard oscillations occasionally and the amplitude of oscillations was up to 1.5 meters. The bridge finally collapsed after powerful torsional oscillation caused by vortices, on 7th November 1940. Cross-section of the deck was very square which enabled the vortices to begin. Up-down oscillation changed to torsional oscillation. Direction of force generated by vortices was perpendicular to the deck, so it effected like torque. That torque forced the deck to twist.

The collapsing caused construction works of long suspension bridges to pause for ten years. The collapsed Tacoma Narrows Bridge was replaced with more stiffened bridge in 1950. After collapsing, theory base was created for wind tunnel tests of long span bridges, and it was brought into use. The case is still area of interest of engineers and more accurate models are still introduced.