86 lat temu Most Tacoma Narrows zawalił się po czterech miesiącach od oddania. Katastrofa, która zmieniła historię budownictwa

Tę katastrofę nagrano i dokładnie zbadano przyczyny

7 listopada 1940 roku w stanie Waszyngton rozegrała się jedna z najbardziej spektakularnych katastrof budowlanych XX wieku. Stalowy most wiszący Tacoma Narrows, łączący Tacoma z półwyspem Kitsap, pod wpływem wiatru zaczął wykonywać ogromne ruchy skrętne. Jezdnia wyginała się i przechylała, aż jej środkowa część oderwała się od konstrukcji i spadła do cieśniny Puget Sound. Wszystko zarejestrowano na filmie, który do dziś jest jednym z najsłynniejszych nagrań w historii inżynierii.

Najbardziej zaskakujące? Most nie zawalił się wskutek huraganu ani przeciążenia ruchem samochodowym. Zmierzona tego dnia prędkość wiatru wynosiła około 68 km/h. Problem tkwił przede wszystkim w sposobie, w jaki zaprojektowano konstrukcję.

Tacoma Narrows Bridge – nowoczesny most wiszący, który miał zachwycać lekkością

Budowę przeprawy rozpoczęto w listopadzie 1938 roku. Miała zastąpić połączenia promowe i ułatwić komunikację między Tacoma a półwyspem Kitsap. Było to trudne przedsięwzięcie ze względu na głębokość cieśniny i silne prądy pływowe.

Most otwarto 1 lipca 1940 roku. Kosztował około 6,4 mln dolarów i był wówczas trzecim na świecie mostem wiszącym pod względem rozpiętości głównego przęsła, wynoszącej około 853 metrów.

Konstrukcja wyróżniała się wyjątkowo smukłą sylwetką. Dwie stalowe wieże podtrzymywały liny nośne, do których podwieszono wąską, dwupasmową jezdnię. Minimalistyczna forma odpowiadała ówczesnym dążeniom do budowania coraz lżejszych i bardziej ekonomicznych przepraw.

Ta pozorna zaleta okazała się jednak jedną z największych słabości mostu.

• Pisaliśmy też: Błąd ukryty w betonie. Dlaczego, uznawany za niezniszczalny, most Morandiego runął podczas burzy? - zobacz zdjęcia Mostu w Genui poniżej

Clark Eldridge i Leon Moisseiff. Jak zmieniono pierwotny projekt mostu Tacoma Narrows?

Za pierwszą koncepcję odpowiadał amerykański inżynier Clark Eldridge, pracujący dla władz stanu Waszyngton. Zaprojektował tradycyjny most wiszący, którego jezdnię miały usztywniać stalowe kratownice o wysokości około 7,6 metra. Projekt był jednak kosztowny – szacowano go na 11 mln dolarów.

Kiedy władze stanu zwróciły się o federalne dofinansowanie, Public Works Administration zażądała zatrudnienia zewnętrznych konsultantów.

Kluczową postacią został Leon Solomon Moisseiff, ceniony projektant mostów, zaangażowany wcześniej m.in. w prace nad nowojorskimi przeprawami oraz Golden Gate Bridge w San Francisco.

Moisseiff zaproponował znacznie smuklejsze rozwiązanie. Zrezygnował z wysokich kratownic na rzecz pełnościennych stalowych dźwigarów o wysokości zaledwie 2,44 metra. Zmienił także proporcje przęseł i konstrukcję wież.

Według historycznej dokumentacji Washington State Department of Transportation (WSDOT) projekt Moisseiffa miał obniżyć szacowany koszt inwestycji z 11 do około 7 mln dolarów.

Efektem był most o wyjątkowej lekkości i eleganckiej, modernistycznej sylwetce, z wieżami i zakotwieniami o detalach nawiązujących do art déco. Był jednak również bardzo podatny na odkształcenia.

Ostateczna konstrukcja łączyła rozwiązania obu inżynierów: fundamenty i filary wykonano według projektu Eldridge'a, natomiast stalową konstrukcję nośną według koncepcji Moisseiffa.

• Zobacz też: Gigantyczny most wiszący ma połączyć Sycylię z resztą kontynentu. Są na to pieniądze i decyzja włoskiego rządu

„Galopująca Gertie”. Most falował jeszcze przed oficjalnym otwarciem

Niepokojące zjawiska zaobserwowano już podczas budowy. W maju 1940 roku robotnicy zauważyli, że pod wpływem wiatru jezdnia zaczyna falować. Wychylenia były na tyle wyraźne, że niektórym pracownikom robiło się niedobrze. Według archiwalnych relacji żuli cytryny, aby łagodzić mdłości.

Po otwarciu problem nie zniknął. Kierowcy obserwowali, jak jadące przed nimi samochody na moment znikają za wznoszącą się nawierzchnią, by po chwili ponownie się pojawić.

Most szybko otrzymał przydomek Galloping Gertie, czyli „Galopująca Gertie”.

Inżynierowie próbowali ograniczyć drgania. Zamontowano hydrauliczne urządzenia tłumiące, później także dodatkowe stalowe odciągi. Nie przyniosło to oczekiwanego rezultatu.

Do zbadania problemu zatrudniono profesora Fredericka Burta Farquharsona z University of Washington. Jego zespół przygotował modele mostu do badań aerodynamicznych. Eksperymenty wykazały, że konstrukcja może być podatna również na niebezpieczne ruchy skrętne.

Jak opisuje WSDOT w historii katastrofy, tuż przed zawaleniem przygotowywano już rozwiązania zmieniające przepływ powietrza wokół pomostu. Nie zdążono ich jednak zastosować.

Katastrofa Tacoma Narrows 7 listopada 1940 roku. Jezdnia skręciła się o 45 stopni

W czwartek 7 listopada od rana wiał silny wiatr. Początkowo most zachowywał się podobnie jak wcześniej – jego pomost falował pionowo.

Około godziny 10:03 nastąpiła jednak zasadnicza zmiana. Jezdnia zaczęła skręcać się wokół własnej osi. Gdy jedna jej krawędź unosiła się, druga opadała. Wychylenia osiągały około 45 stopni.

Na moście znajdował się wówczas samochód dziennikarza Leonarda Coatswortha. Kierowca zdołał opuścić pojazd i wydostać się z zagrożonego miejsca. Na tylnym siedzeniu pozostał jednak czarny spaniel Tubby, należący do jego córki.

Psa próbował ratować m.in. profesor Farquharson. Zwierzę było jednak tak przerażone, że ugryzło go, kiedy usiłował je wydostać.

O godzinie 11:02 fragment pomostu o długości około 183 metrów oderwał się i runął do wody z wysokości blisko 60 metrów. W kolejnych minutach spadły następne części przęsła.

W katastrofie nie zginął żaden człowiek. Jedyną śmiertelną ofiarą był pies Tubby.

Dlaczego zawalił się most Tacoma Narrows? Przyczyną nie był zwykły rezonans

Przez wiele lat katastrofę przedstawiano jako klasyczny przykład rezonansu, czyli wzmacniania drgań przez okresowo działającą siłę. Współczesne analizy wskazują jednak na bardziej złożony mechanizm.

Decydujące znaczenie miała niestabilność aeroelastyczna, określana jako flatter skrętny.

Bardzo smukły pomost i pełnościenne dźwigary boczne tworzyły niekorzystny układ aerodynamiczny. Gdy most zaczynał się skręcać, zmieniał się sposób, w jaki opływało go powietrze. Powstające siły mogły dostarczać energię do kolejnych drgań i zwiększać ich amplitudę.

Niska sztywność skrętna utrudniała przeciwstawienie się temu procesowi. W rezultacie ruch konstrukcji narastał aż do zniszczenia jej elementów.

Wyjaśnienie to omawia m.in. American Physical Society, wskazując, dlaczego popularna opowieść o zwykłym rezonansie nie oddaje rzeczywistego przebiegu katastrofy.

Kto odpowiadał za zawalenie mostu? Śledztwo i konsekwencje

Po katastrofie powołano specjalną komisję ekspertów. Zasiedli w niej inżynierowie Othmar Ammann i Glenn Woodruff oraz wybitny specjalista aerodynamiki Theodore von Kármán.

W raporcie z marca 1941 roku wskazano przede wszystkim nadmierną elastyczność mostu oraz niekorzystne oddziaływanie wiatru na jego konstrukcję.

Komisja nie obarczyła winą jednej osoby. Uznała, że katastrofa ujawniła istotne ograniczenia ówczesnej wiedzy inżynierskiej.

Wnioski z dochodzenia stały się impulsem do rozwoju badań aerodynamicznych i zmiany podejścia do projektowania mostów wiszących. Sama wytrzymałość materiałów przestała być wystarczającym kryterium bezpieczeństwa.

Co pozostało po katastrofie Tacoma Narrows? Nowe mosty i wrak na dnie cieśniny

Nowy most otwarto 14 października 1950 roku. Wykorzystano zachowane fundamenty poprzedniej przeprawy, ale konstrukcję nośną zaprojektowano zupełnie inaczej.

Zastosowano wysokie, otwarte kratownice, dodatkowe usztywnienia i urządzenia tłumiące drgania. Jak podaje WSDOT, nowy most był około 58 razy sztywniejszy od poprzednika. Otrzymał przydomek Sturdy Gertie, czyli „Solidna Gertie”.

W 2007 roku obok niego otwarto drugą, równoległą przeprawę.

Pozostałości mostu z 1940 roku do dziś spoczywają na dnie Puget Sound. W 1992 roku wpisano je do amerykańskiego National Register of Historic Places. Zatopiona konstrukcja stała się również rozległą sztuczną rafą.

Historia „Galopującej Gertie” pozostaje jednym z najbardziej wymownych przykładów tego, że innowacyjność, oszczędność materiału i efektowna forma architektoniczna muszą iść w parze ze zrozumieniem zachowania całej konstrukcji. Most, który przetrwał zaledwie cztery miesiące, zmienił sposób projektowania przepraw na następne dziesięciolecia.