Waarom kon de Tacoma Narrows Bridge door wind instorten?

Bruggen worden gemaakt om veel verkeer van de ene kant naar de andere te brengen. Het houdt in dat een brug veel lasten te verduren krijgt. Je zou dus verwachten dat een brug tegen een stootje kan. Niets is minder waar. Kijk naar de Tacoma Narrows Bridge in Amerika. Deze brug stortte vier maand na ingebruikneming reeds in, nadat het door specifieke weersomstandigheden een sinusvorm liet zien. Waardoor werd dit veroorzaakt en waarom gebeurt het dus nu niet meer?

Instorten Tacoma Narrows Bridge

• Bouw en instorten Tacoma Narrows Bridge
• Parabolische vorm zorgt voor hoge sterkte
• Onder en bovendruk
• Wat is resonantie?
• Sinusvormige bewegingen
• Vermoeiing van het materiaal
• Hoe te voorkomen?

Bouw en instorten Tacoma Narrows Bridge

De start van de bouw was in 1938 en reeds in juli 1940 werd het in gebruik genomen. In november 1940 stak er echter een bepaalde wind op, waardoor de brug in beweging is gekomen. Deze beweging kwam destijds ook uitgebreid onder de aandacht tot het moment dat de bewegingen van de brug te heftig waren. Op 7 november 1940 waren de spanningen in het materiaal dermate hoog dat daardoor het materiaal structureel bezweek en de brug daardoor instortte.

Parabolische vorm zorgt voor hoge sterkte

Het principe van het krachtenspel in een hangbrug valt redelijk simpel te begrijpen. Het berijdbare wegdek wordt via een staalconstructie opgehangen aan staaldraden. Deze verticale draden hangen weer aan een grote staalkabel (grote diameter bestaande uit vele kleine draden). Deze grote kabel hangt als het ware losjes over de verticale kolommen. In deze kabel komen grote trekkrachten terecht. Om ervoor te zorgen dat de kolom dus niet omver wordt getrokken wordt een aanvullende kabel getrokken naar een in de rotswand verankerd betonblok, zodat die trekkracht wordt opgenomen. In de verticale kolommen van de brug komt door de treklasten in de kabel een enorme drukkracht. Door toepassing van voldoende staaldoorsnede kan die druklast worden opgenomen en afgevoerd naar de fundering.

Onder en bovendruk

Wordt een object van de zijkant belast met wind dan ontstaat aan die zijde bovendruk. Wind buigt dan om dat object heen. Aan de achterzijde ontstaat er echter onderdruk, omdat wind eraan passeert. Oftewel er is een druk verschil, waardoor de constructie uit balans kan raken. Dit kan voorkomen indien de kritische resonantie of materiaalfrequentie van de doorsnede is bereikt. Oftewel als de juiste onder- en bovendruk bij een bepaalde doorsnede is bereikt dan komt het geheel in beweging. Dit wordt ook wel resonantie van het eigen materiaal genoemd.

Wat is resonantie?

Het fenomeen waarbij een materiaal door belasting een inwendige versterkende beweging ondergaat wordt resonantie genoemd. Het aparte hierbij is dat het slechts voorkomt bij bepaalde frequentie. In het geval van wind zal dus een bepaalde snelheid moeten zijn bereikt, voordat de juiste onder- en bovendruk van toepassing is. Ook te hoge snelheden zorgt ervoor dat het materiaal niet reageert. Het gaat dus om de juiste frequentiebreedte, waardoor de constructie in beweging kan komen. Ook in Nederland hebben we een geschiedenis van resonantie zijnde bij de Erasmusbrug. Nadat de brug in oktober 1996 werd geopend waren er eveneens lichte bewegingen voelbaar. De link met de Tacoma brug werd dan ook snel gemaakt. Bij windkracht 6 (niet meer en niet minder) kwamen de tuien van de brug in beweging, doordat regenwater aan het materiaal deels bleef plakken en daarmee de vorm van de doorsnede als het ware veranderde. Daardoor werd de gevoeligheid voor resoneren versterkt. Door nieuwe geïnstalleerde dempers is dit probleem verholpen.

Sinusvormige bewegingen

Komt een materiaal of in dit geval een brug in resonantie dan zal het een continue beweging maken, welke op een sinus lijkt. Onder- en bovendruk wisselen elkaar af, waardoor de typerende beweging wordt veroorzaakt. Het houdt in dat de ene kant omhoog komt en de andere naar beneden gaat en visa versa. Een neergaande beweging wordt weer tegengehouden door het eigen materiaal, waardoor het weer opveert. Oftewel het gaat op en neer. Is het eenmaal in gang gezet, waarbij een wind blijft aanhouden dan zal het blijven doorgaan. Er is slechts een beperkende factor en dat is metaalmoeheid. Doordat de brug dermate op en neer beweegt komen er extreme belastingen in het toegepaste staal.

Vermoeiing van het materiaal

Bruggen worden ontworpen op een bepaalde spanning. Beperkende factor is dus de sterkte van het materiaal. Dit wordt ook wel de staalspanning genoemd. Indien vermoeiing optreedt zoals bij de continue sinusvormige beweging, dan zal de doorsnede van het materiaal afnemen. De vloeigrens van het materiaal wordt namelijk bereikt en dus gaat het materiaal onveranderbaar vervormen. Het zorgt ervoor dat er minder materiaal beschikbaar is om de verticale lasten op te kunnen nemen. Oftewel het zal niet lang duren voordat de uiterste materiaalspanning wordt bereikt. Dit leidt bij aanhoudende windbelasting onvermijdelijk tot het instorten van de brug.
In de volgende link kun je een film zien omtrent de bouw, de ingebruikneming en het uiteindelijke voorkomen van het fenomeen: http://www.youtube.com/watch?v=3mclp9QmCGs

Hoe te voorkomen?

Het is van belang om de onder- en bovendruk aan weerszijden van nieuwe bruggen te voorkomen. In het geval van de Tacoma brug waren de zijkanten van de brug dichtgezet, waardoor wind er grip op kon krijgen. Door juist die zijkanten open te laten wordt er geen wind tegengehouden, zodat de drukverschillen niet kunnen optreden. Daarnaast worden nieuwe bruggen tegenwoordig met omgevingsmodellen middels een windturbine beproefd, zodat de bewegingseffecten inzichtelijk kunnen worden gemaakt.

Lees verder

• Metaalmoeheid en het bezwijken van (stalen) constructies
• De elasticiteitsmodulus van staal
• Stabiliteit uit windligger, -bok, -portaal en wanden