Мосты поскакали!
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.
Слева: Мост Тэй до крушения. Фото: University of St Andrews Libraries and Museums, collections.st-andrews.ac.uk. Справа: Томас Бауч. Иллюстрация: Illustrated London News, de.wikipedia.org
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.
Фото: National Library of Scotland, digital.nls.uk
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.
Катастрофа на мосту Тэй, поисково-спасательные операции. Иллюстрация: Illustrated London News, artsandculture.google.com
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.
Мост Тэй после катастрофы. Фото: National Library of Scotland, digital.nls.uk
Паровоз, спасенный из реки Тэй. Фото: National Library of Scotland, digital.nls.ukПаровоз утонувшего поезда удалось вернуть в строй, а вот инженер Бауч не смог пережить трагедию и через год умер от сердечного приступа.
Фото: Paul Sakuma/The Associated Press, eu.southcoasttoday.comКатаклизмы, способные разрушить мост, устраивает не только природа. В 2007 году стальные конструкции одного из пролетов моста через залив Сан-Франциско (Окленд, Калифорния) не выдержали высоких температур и разрушились в результате пожара, который вспыхнул на разливе 32 тысяч литров бензина.
В истории мостостроения есть катастрофа, причины которой полностью лежат на совести человека, желавшего «как лучше». Ветер, пожар, землетрясение или коррозия не имеют никакого отношения к падению пешеходных мостов в отеле Hyatt Regency (Канзас, США) 17 июля 1981 года, в результате которого погибли 114 человек.
1. Отель Hyatt Regency. Фото: Charvex, commons.wikimedia.org2. Фото: The Kansas City Star, kansascity.com
Благодаря такому решению гости из номеров одного крыла отеля могли легко попасть в другое – с бассейном и конференц-залами. Однако мосты представляли собой еще и прекрасные наблюдательные площадки, с которых по вечерам можно было любоваться парами, танцующими в лобби. Новый отель идеально отвечал традиции жителей Среднего Запада ходить на танцы в пятницу вечером: популярный джаз-бэнд, зажигательные мелодии, просторный танцпол.
Фото: The Kansas City Star, kansascity.com
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.
Вестибюль отеля Hyatt Regency после катастрофы. Фото: Pete Leabo/AP, nypost.com
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.
На рисунке слева оригинальный дизайн Jack D. Gillum and Associates. Гайка, закрепляющая мост 4-го этажа на едином стержне, испытывает нагрузку, которую создает бетонная плита над ней. Справа: система, предложенная Havens Steel Company. На гайку, закрепляющую мост 4-го этажа, давит вся двухъярусная конструкция. lindahall.org
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.
hankyung.com, m.hankookilbo.com
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.
Мост «9340». Фото: ABC News/AFP, Scott Olson, researchgate.netРазрушить мост может не только ошибка в эксплуатации, но и ремонт. 1 августа 2008 года Мост «9340» через Миссисипи (Миннесота, США) длиной 581 м со 140-метровым центральным пролетом, состоящий из стальной арочной фермы на бетонных опорах, рухнул, унеся жизни 13 человек. Добавление на мостовое полотно всего 5 сантиметров бетона оказалось достаточно для увеличения статической нагрузки и превышения допустимых пределов по весу.
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.
collections.vam.ac.ukНазвание моста, вероятно, связано с каким-то «подвижным» персонажем англоязычного фольклора. Судя по газетам, «скачущими Герти» в 1930-е американцы называли игрушечного механического гуся, австралийскую скаковую лошадь и скоростной катер, участвовавший в марафоне от Олимпии до Сиэтла.
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…
Фото: University of Washington Libraries, lib.uw.edu
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.
Технологии
Анна Лаптева
Что со льном не так?
