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La construcción del primer puente de Tacoma Narrows comenzó el 23 de noviembre de 1938 y se abrió al público el 1 de julio de 1940. El puente se construyó en Washington, EE. UU. y conectaba las ciudades de Seattle y Tacoma. El puente tenía una luz principal de 853 my estaba conectado a dos torres de vidrio de 128 m de altura.
A pesar de que en ese momento era el tercer puente colgante más largo del mundo, el puente de Tacoma Narrows era mucho más flexible, pequeño y liviano que otros puentes construidos durante ese período.
El puente tenía un exterior elegante y podía acomodar fácilmente dos carriles de movimiento de tráfico. El diseñador del puente, Leon Moisseiff, quería darle al puente una apariencia elegante sin armazones rígidos. Reemplazó las armaduras sólidas con vigas de placa livianas, dejando el puente Tacoma Narrows con solo el 35% de la rigidez del puente Golden Gate.
El puente Tacoma Narrows también tenía una relación de luz a profundidad de 1/340 y una relación de ancho a luz de 1/75, mucho más pequeña que el puente Golden Gate. Estos atributos especiales, combinados con una relación de amortiguamiento muy baja, causaron un enorme movimiento vertical en condiciones de viento moderado a bajo.
Este tipo de diseño se denominó primero “Gertie galopante” porque el puente exhibió fuertes vibraciones durante la construcción. Se registraron ondas verticales de doble amplitud de hasta 1,2–1,4 m con hasta 30 ciclos por minuto. A las velocidades de viento más bajas (15–19 km/h), pudimos generar un movimiento de doble amplitud de 0,75 m.
Durante el diseño y la construcción del Puente Tacoma Narrows, se observaron todos los estándares de seguridad y su vibración se consideró aceptable. Sin embargo, los investigadores han propuesto varios métodos para reducir ese movimiento.
Se introdujeron amarres de sujeción y se aseguraron a bloques cuadrados de concreto enterrados en la pendiente. Estos sujetadores se sugirieron como una solución temporal y uno de los sujetadores se rompió después de 7 días de instalación. Sin embargo, la corbata rota se volvió a unir en unos días. Además, los cables atirantados y en ángulo se instalaron junto con las ataduras de sujeción.
Los cables inclinados y de arriostramiento se conectaron a las vigas de refuerzo a través de cables principales. Además, después de realizar múltiples pruebas en el túnel de viento, los investigadores sugirieron que el movimiento vibratorio podría reducirse instalando alas deflectoras o carenados. Estas medidas pueden haber reducido la sustentación y la vibración. Pero antes de que se implementaran estas soluciones, hubo una falla en el puente.
Tabla de contenido
1. Colapso del puente Tacoma Narrows
en la noche del 6el En noviembre, una fuerte tormenta azotó el río donde se encuentra el puente Tacoma Narrows. A la mañana siguiente, las autoridades del puente cerraron el puente al tráfico después de notar que estaba experimentando un fuerte movimiento ondulante. El cable del lado oeste del puente se había roto y se balanceaba con el viento.
el 7el En noviembre, la velocidad del viento alcanzó los 68 km/h, lo que provocó que el puente se doblara a 40 vibraciones por minuto. Se observó una amplitud de vibración máxima de 1 m. Inesperadamente, el cable del soporte central se rompió y el puente comenzó a doblarse violentamente en dos secciones. El borde de la plataforma se movió verticalmente más de 8 m mientras el puente giraba en un ángulo de hasta 45 grados.0Además, el movimiento en ese momento excedía la aceleración debida a la gravedad.
Esta fue la velocidad del viento más alta jamás observada desde que se construyó el puente. Los investigadores ya habían predicho que el puente podría balancearse en nueve a diez ondas de torsión más pequeñas. Sin embargo, hubo mucho movimiento.
El movimiento fue tan dominante que las pequeñas olas se convirtieron en dos ondas de torsión dominantes.0que no se predijo previamente a través de pruebas de túnel de viento.
Primero, las aceras y los bordillos del puente comenzaron a derrumbarse con el colapso de las farolas. Después de eso, la viga de refuerzo principal comenzó a torcerse y mostró la dirección del colapso. Luego, el cable principal del puente se rompió y toda la sección de la calzada cayó gradualmente al río.
Las personas que vivían cerca escucharon un fuerte sonido parecido a disparos. La masa de los vanos laterales acaparadores arrastró las torres 4 m hacia la orilla y el puente en ruinas finalmente se detuvo. Así, el vano lateral descendió 20 m antes de volver a un hundimiento permanente de 10 m.
2. La razón detrás de la falla del puente Tacoma Narrows
El principal problema al que se enfrentan los ingenieros de diseño: cómo diseñar un puente para soportar velocidades de viento de 161 km/h y presiones de viento horizontales estáticas de 146 kg/m2 Se derrumbó a menos de la mitad de su límite de diseño y menos de 1/6 de su límite de presión.
Los investigadores predijeron que la teoría de la desviación por sí sola no sería suficiente para diseñar de forma segura el puente Tacoma Narrows. Además, los efectos dinámicos del viento en el puente Tacoma Narrows no se consideraron en el diseño.
La Administración de Obras Públicas (PWA) ha establecido un panel de ingenieros para investigar el incidente. Los siguientes puntos explican los hallazgos del informe de PWA.
- El puente estaba bien planeado y diseñado. A pesar de que podía soportar con seguridad todas las cargas estáticas, las cargas de viento causaron oleajes anormales que provocaron la falla del puente.
- Los diseñadores de puentes se han esforzado por controlar la amplitud de vibración del puente.
- Nadie esperaba que la flexibilidad superior del puente Tacoma Narrows, combinada con su incapacidad para absorber cargas dinámicas, creara movimientos tan violentos que eventualmente destruirían el puente.
- El movimiento vertical del puente fue causado únicamente por las cargas del viento, con daños insignificantes a los componentes estructurales.
- El colapso de un cable en el lado norte provocó un movimiento de torsión catastrófico del puente. Estos cables estaban unidos a un tirante central de manera que el vano central se retorcía con un mayor movimiento angular. El movimiento de torsión creó esfuerzos cortantes a lo largo del tramo del puente, y estos esfuerzos provocaron la falla del tramo principal.
- Los puentes fueron diseñados para cargas estáticas y dinámicas utilizando el mismo método. Sin embargo, no se pudo utilizar el mismo método para determinar la rigidez para cargas estáticas y dinámicas.
PWA finalmente especuló que el puente Tacoma Narrows había fallado debido a su inusual flexibilidad, ligereza y estrechez. Estas propiedades ayudaron a que las fuerzas del viento generadas el día de la falla indujeran el movimiento de torsión que condujo al colapso del puente.
Los PWA muestran que la carga del viento inicia un movimiento oscilatorio que se mueve hacia la frecuencia natural de la estructura y golpea la resonancia (un ciclo en el que las repeticiones del cuerpo coinciden con las repeticiones normales, lo que provoca un aumento sensacional en la amplitud). Esta hipótesis reveló por qué los vientos de baja velocidad de 68 km/h causaron un tremendo movimiento oscilatorio y la falla del puente Tacoma Narrows.
En cualquier caso, la hipótesis PWA no es la única aclaración. Muchos investigadores reconocieron que esta aclaración ignora investigaciones importantes sobre cómo los vientos esencialmente arbitrarios pueden generar impulsos periódicos.
Una aclaración propuesta por el investigador Von Karman creía que el movimiento del puente se debía al desarrollo de vórtices de aire. Estos vórtices de aire formaron cinturones de estela, también conocidos como cinturones de von Karman. Esta banda de estela mejoró el movimiento oscilatorio y finalmente hizo que el puente fallara.
El problema con esta hipótesis es que la recurrencia determinada de remolinos inducidos por vientos de 68 km/h es de 1 Hz, mientras que la recurrencia del movimiento oscilatorio torsional del puente estimado por la autoridad de puentes es de 0,2 Hz.
Una explicación alternativa dada por el investigador Scanlan sugiere que estaban ocurriendo fenómenos de desprendimiento de vórtices asociados con los cinturones de von Karman, pero que no afectaron el movimiento del puente.
Otro tipo de vórtice, relacionado con la propia vibración estructural, se ha desarrollado y ha tenido recurrencias similares con los puentes. La resonancia entre el puente y estos vórtices provocó un movimiento irracional que destruyó el puente Tacoma Narrows.
A pesar de que estas tres hipótesis contrastan con la causa exacta del movimiento de torsión del puente, la extraordinaria flexibilidad, ligereza y estrechez del puente de Tacoma Narrows no respaldan estas suposiciones. Estamos de acuerdo en que permitió que el movimiento se desarrollara hasta el punto de destruir él. Una variable contribuyente podría haber sido el desplazamiento de la banda que sujetaba el cable.
Durante bastante tiempo, el movimiento del puente fue parejo y la calzada estuvo nivelada. Las farolas de la pasarela permanecieron en el plano vertical del cable a medida que subía, bajaba y se doblaba.
pero el 7el En noviembre, una tira de cable se deslizó del punto medio, lo que provocó que el movimiento se torciera, como un avión que se inclina en diferentes direcciones. El movimiento de torsión provocó la fatiga del metal, lo que hizo que la percha se rompiera como un sujetapapeles doblado una y otra vez.
3. Soluciones para prevenir el colapso del puente de Tacoma Narrows
La falla del puente Tacoma Narrows explicó a los diseñadores estructurales y al mundo la importancia del amortiguamiento, la necesidad de rigidez vertical y resistencia a la torsión en los puentes colgantes. Había muchas formas en que se podría haber evitado la tragedia del puente Tacoma Narrows cuando se reconoció el peligro de torcerse. Los siguientes cambios pueden haber evitado el colapso del puente Tacoma Narrows.
- Si se hubieran podido usar armaduras abiertas reforzadas en lugar de las vigas de placas, el viento habría fluido libremente sobre el puente y se podría haber evitado el colapso del puente.
- La adopción de una mayor relación ancho/tramo aumenta la rigidez del puente.
- Al aumentar el peso del puente, es posible que se haya incrementado la frecuencia natural del puente.
- Al mejorar la relación de amortiguamiento del puente, es posible que el movimiento de vibración se absorba y se restrinja el movimiento.
- El uso de amortiguadores dinámicos puede limitar el movimiento del puente.
- El aumento de la profundidad de la viga de placa puede aumentar su rigidez contra el movimiento de torsión.
- La racionalización de la plataforma del puente podría haber reducido la formación de la zona de estela inducida por el viento.
Preguntas más frecuentes
El puente Tacoma Narrows es un ejemplo clásico de falla de puente debido al movimiento oscilatorio.
No se utilizaron vigas de celosía endurecidas porque los diseñadores del puente Tacoma Narrows querían una apariencia suave para el puente.
Leon Moisseiff fue el diseñador del puente Tacoma Narrows.
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