Мост не только преодолевает расстояние между двумя точками. Он бросает вызов существующему порядку вещей, равновесию, природе. Мост соединяет то, что многие тысячи лет оставалось разделенным, – берега рек и проливов, склоны гор, острова и материки.
Вызов не остается без ответа – чудо инженерной мысли регулярно проверяется на прочность. Кажется, что природа снова и снова задается вопросом: «А что, если…», выбирая из своего арсенала новый катаклизм, невероятное стечение обстоятельств или то и другое вместе. Задача строителя моста – предусмотреть все возможные «если» и, конечно, не допускать ошибок в расчетах. Иначе мост начнет… «скакать», а потом развалится.
Ошибка инженера Бауча
Железнодорожный мост длиной 2 мили (почти 3 км) через эстуарий Ферт-оф-Тэй в Шотландии существенно сокращал время в пути между городом Данди и округом Файф.
Решетчатые металлические пролеты Бауч установил на такие же решетчатые вертикальные опоры. Прочность металлической конструкции обеспечивало сочетание ковки и литья: каждая опора состояла из шести чугунных труб, соединенных между собой коваными элементами. Устойчивость опорам гарантировали мощные бетонные основания.
То, что поезд пойдет по верхней грани ажурной металлической конструкции, никого не пугало. Аналогичную технологию уже опробовали для постройки в 1858 году другого британского чуда – самого высокого в мире виадука Крамлина в Южном Уэльсе. Однако мост через Тэй имел свою особенность – тринадцать пролетов его центральной секции поднимались выше «базовой линии» (то есть выше основной линии моста), на более высокие опоры. На этом участке поезд двигался внутри решетчатого «тоннеля». Такой нюанс мосту был необходим для прохода под ним парусных судов.
Испытания прошли успешно, но уже через полтора года эксплуатации, 28 декабря 1879 года, во время сильного шторма центральные секции моста рухнули в ледяную воду вместе с проходившим по ним поездом. Все 75 человек, следовавшие этим рейсом, утонули.
Экспертиза показала, что опоры моста не были рассчитаны на силу, с которой боковой ветер ударил по вагонам. Поезд начал опрокидываться, от этого рывка конструкция и разрушилась. Слабым звеном оказались конусообразные болтовые соединения, использованные при строительстве. Они не смогли обеспечить совместную работу элементов конструкции.
В ту памятную пятницу в холле отеля собралось более 1500 гостей. Подвесные мосты, как обычно, притягивали тех, кто хотел перевести дух между танцами. 20 человек собралось на мосту четвертого этажа, 40 – на мосту второго. В начале восьмого вечера гостей испугал внезапный треск – двухъярусная мостовая конструкция весом 58 тонн на несколько мгновений просела, а затем рухнула в холл прямо на головы сотен танцующих.
Изготовитель стержневых креплений Havens Steel Company предложила другой подход. Поставленная ей система обеспечивала гораздо большее удобство монтажа, но предполагала отдельное крепление для каждого уровня: один набор стержней и гаек подвешивал только верхний мост, а второй набор крепил нижний мост к верхнему. Эта, казалось бы, равнозначная замена привела к удвоению нагрузки на резьбовое соединение крепления верхнего моста (рисунок ниже). Экспертиза показала, что использованная система могла выдержать лишь треть той нагрузки, которая привела к катастрофе.
Ошибки, ошибки, ошибки…
Утром 21 октября 1994 года мост Сонсу через реку Хан в Сеуле (Южная Корея) длиной 1200 м был, как обычно, заполнен автомобилями. Внезапно 48-метровая секция моста дала трещины по краям и обрушилась в воду. Погибло 32 человека – водители угодивших в «провал» машин и пассажиры рейсового автобуса № 16, который отчаянно тормозил на краю, но не удержался и тоже полетел вниз. Роковым для жертв катастрофы стало то обстоятельство, что река на этом участке была мелкой. Оторвавшаяся секция превратилась в остров из металла и бетона, и упавшие с высоты пары десятков метров автомобили и автобус разбились о ее поверхность.
К моменту трагедии мост Сонсу прослужил 15 лет, его строительство завершилось в октябре 1979 года. Экспертное заключение постановило, что причиной обрушения стали «некорректное производство сварочных работ, а также низкое качество соединительных болтов». Ответственность за это должна была нести компания Donga Construction, которая к тому времени уже перестала существовать.
Между тем, факты, всплывшие во время расследования, навевают мысли о попытке найти «стрелочника». Городские власти «наошибались» не меньше – махнули рукой на базовые проверки, осмотры и регулярный ремонт. К тому же по мосту, рассчитанному на нагрузку в 80 тысяч автомобилей в день, ежедневно проезжало более 160 тысяч. Разрешенная максимальная масса каждого проезжающего по мосту авто по проекту составляла 18 тонн, однако ежедневно на него выезжали заполненные под горлышко автобетоносмесители массой до 25 тонн, поскольку рядом находился цементный завод.
То, что мост прослужил полтора десятилетия, было чудом. Моделирование, учитывающее выявленные дефекты сварки, показало, что конструкция моста могла выдержать не более 12 лет эксплуатации с соблюдением расчетных значений, а в описанных выше условиях – не более 8,5 лет.
Скачущая Герти
Если вы думаете, что аэродинамика – это про все, что летает, то вы не совсем правы. Это еще и про то, что летать не должно ни при каких обстоятельствах. Например, про мост. Необходимость изучения аэродинамики мостов стала очевидной после случая в штате Вашингтон (США) в 1940 году.
Еще на этапе строительства подвесной автомобильный мост (Tacoma Narrows Bridge) через пролив Нарроуз в народе шутливо окрестили Скачущей Герти (Galloping Gertie). Автор книги про Такомский мост Рик Хоббс считает, что так еще во время строительства мост окрестили рабочие. Уже тогда чувствительное к ветру сооружение ощутимо изгибалось, подпрыгивало вверх-вниз и качалось из стороны в сторону.
Инженеры из Нью-Йорка Леон Моисейф и Фредерик Линхард удешевили первоначальный проект с 11 до 8 млн долларов и сделали очертания моста более «изящными» за счет уменьшения глубины несущих конструкций до 2,5 м (8 футов), предложив использовать сплошные балки из стали. Ответственное за строительство федеральное агентство незамедлительно согласилось с таким выгодным «апгрейдом».
Через 19 месяцев – 1 июля 1940 года автомобилисты в торжественной обстановке получили по одной полосе движения в каждую сторону. Экономичный и изящный мост длиной 1810 метров и шириной всего двенадцать – был введен в эксплуатацию. Не обошлось без рекордов – он стал третьим по длине подвесным мостом в мире, уступив лишь конструкции имени Джорджа Вашингтона через Гудзон в Нью-Йорке и мосту «Золотые Ворота» через одноименный пролив в Сан-Франциско.
На протяжении четырех месяцев водители и пассажиры автомобилей, преодолевавших Скачущую Герти, регулярно отмечали ее гибкость, упругость, подвижность и уже успели привыкнуть к этим ее особенностям. Однако 7 ноября ветер над проливом Нарроуз, достигнув 19 м/с, взялся за Герти всерьез. И ее изящная конструкция не выдержала…
Кадры фото и кинохроники, сумевшие запечатлеть катастрофу, выглядят эпично. Ветер треплет заасфальтированную поверхность, как белье на веревках, а затем разрывает на части. Согласно официальной версии, причиной разрушения стало явление вынужденного механического резонанса, когда частота колебаний ветрового потока совпадает с собственной частотой колебаний конструкций моста.
Проектировщики не учли динамические ветровые нагрузки, не продумали аэродинамику сплошных боковых балок. Традиционные сквозные или перфорированные конструкции, которые изначально предлагал Элдридж, могли бы снизить давление ветра и распределить потоки воздуха.
Восстановить Скачущую Герти не удалось. Остатки ее конструкций пошли на металлолом. В 1950 году мост построили заново, а в 2007-м для увеличения пропускной способности рядом появился его близнец.
И все же Герти скакала не зря. Она обратила внимание ученых на проблему обтекания элементов мостовых конструкций, заострила вопросы их аэродинамической устойчивости и оценки эффективности мероприятий по гашению колебаний. Возникшие благодаря ей технологии исследований в аэродинамических трубах широко применяются в современном строительстве мостов и других сооружений.
За это мы должны быть благодарны Скачущей Герти, впрочем, как и другим ее собратьям, пережившим катастрофическое разрушение. Ведь именно на их ошибках люди учатся строить новые безопасные мосты. И знают о цене таких просчетов.
Это новость от журнала ММ «Машины и механизмы». Не знаете такого? Приглашаем прямо сейчас познакомиться с этим удивительным журналом.
