La curiosa storia del Tacoma Bridge: il ponte durato 129 giorni

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Siamo a Tacoma, Stati Uniti, 1° luglio del 1940. Viene inaugurato uno dei ponti sospesi più lunghi al mondo. Ben 853 m di lunghezza per la campata centrale, 1524 metri di lunghezza complessiva e una larghezza di 12 metri. Il ponte attraversa il canale Tacoma Narrows che separa le città di Tacoma e Gig Harbor. Questo lungo ponte sospeso, oltre ad essere uno dei ponti più lunghi del mondo all’epoca della sua costruzione, detiene anche un’altro record: rimase in piedi per soli 129 giorni.

Alle 10 di mattina del 7 Novembre del 1940, appena 4 mesi dopo l’apertura al traffico, la campata centrale iniziò a torcersi inspiegabilmente. Fu un fenomeno mai visto prima. Il ponte continuava a deformarsi torsionalmente in un verso e nel verso opposto. Quest’oscillazione andò avanti per ben 70 minuti. Dopo un’ora e dieci la struttura collassò e del Tacoma Bridge rimasero in piedi solo le campate laterali.

Il prof. Farquharson, docente di Ingegneria, accorse subito sul posto per osservare il fenomeno. Portò con se una cinepresa per documentare quanto stesse accadendo. Grazie alle sue riprese, oggi possiamo vedere l’insolito fenomeno di cui voglio parlarti. Ti ripropongo qui sotto il video girato all’epoca quella mattina di Novembre.

 

Hai visto il video? Impressionante vero? Se ci hai fatto caso, sulla carreggiata del ponte c’era un’auto parcheggiata. Un cane era intrappolato al suo interno ed era terrorizzato. Il Prof. Farquharson rischiò la vita per salvarlo avventurandosi sulla campata che oscillava inarrestabile. Il suo tentativo fu inutile, non riuscì a raggiungere l’auto (puoi vederlo al minuto 1:40 mentre torna indietro). Il povero cane fu l’unica vittima di questo crollo.

 

Il motivo del crollo: una spiegazione Made in Italy

Come ci si può spiegare questo fenomeno che ha causato il collasso del Tacoma Bridge? Cosa ha innescato le impressionanti oscillazioni del ponte?

L’unica causa che può aver dato inizio alle oscillazioni torsionali è senza dubbio l’azione del vento. Il Tacoma Bridge era progettato per resistere all’azione di venti con velocità fino a 127 km/h. Quella mattina del 7 Novembre soffiava un vento costante a soli 67 km/h, circa la metà rispetto al vento di progetto.

Se la causa del crollo è stata l’azione del vento, come è possibile che questo ponte sia crollato per una velocità del vento che è la metà di quella di progetto? Subito dopo il crollo ci si interrogava sull’accaduto e si cercava una risposta. Il primo a trovare una spiegazione al fenomeno fu un ingegnere italiano, Giulio Krall. L’ingegnere Krall capì che le oscillazioni torsionali del ponte erano state innescate da un particolare fenomeno che si verificò proprio alla velocità del vento di 67 km/h.

La causa del crollo del Tacoma Bridge è dovuta ad un fenomeno di instabilità aeroelastica noto come flutter. L’inizio delle oscillazioni torsionali è legato ad un altro fenomeno noto come Scia Vorticosa di Von Kàrmàn. Le oscillazioni del ponte ebbero inizio a causa del distacco periodico dei cosiddetti vortici di Von Kàrmàn. Puoi vederli in un’animazione qui sotto.

 

Vortici di Von Kàrmàn

Nell’animazione sono rappresentati i vortici che si creano in presenza di un corpo cilindrico investito dal flusso di un fluido. Come puoi notare, i vortici si formano in maniera alternata, una volta sopra e una volta sotto, generando una variazione periodica della distribuzione delle pressioni attorno al corpo. Se la frequenza di formazione dei vortici si avvicina alla frequenza naturale di vibrazione del corpo investito si ha un fenomeno di risonanza (puoi vedere la conseguenza della risonanza sulle strutture in quest’articolo). Il caso volle che quella mattina la velocità del vento fu tale da determinare un distacco dei vortici ad una frequenza vicina alla frequenza di vibrazione del ponte.

La formazione dei vortici di Von Kàrmàn fu causata dalla forma della sezione trasversale dell’impalcato. La sezione trasversale del Tacoma Bridge non era per niente aerodinamica. Ai lati del ponte c’erano due alte piastre continue che creavano un vistoso ostacolo per il vento. In più il ponte aveva una bassa rigidezza torsionale. Puoi vedere la sezione trasversale del Tacoma Bridge qui sotto.

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Sezione trasversale del Tacoma Bridge

Ecco invece la sezione aerodinamica di un ponte di concezione moderna.

 

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Sezione trasversale progettata secondo criteri aerodinamici

 

I fenomeni di instabilità aeroelastica sono abbastanza complessi. In pratica si crea un’interazione reciproca fra un corpo elastico e la corrente fluida che lo investe. Lo spostamento del corpo all’interno del flusso crea una variazione del flusso e viceversa. Non volendo entrate in una dettagliata spiegazione, ti propongo un video che mostra come il fluido e il corpo interagiscono quando si verifica il flutter. Puoi notare all’inizio del fenomeno la formazione dei vortici di Von Kàrmàn; quando poi le oscillazioni si amplificano inizia l’interazione aeroelastica fra i due corpi.  Ecco il video di una simulazione 3D del fenomeno del flutter.

 

In quest’altro video puoi vedere la sezione trasversale del ponte e il fenomeno del flutter che si innesca alla fine dell’animazione.

 

 

In realtà in parecchi avevano notato che il Tacoma Bridge aveva qualcosa di strano fin dal giorno della sua inaugurazione. Infatti il ponte oscillava su e giù vistosamente anche per venti molto lievi. Venne infatti subito soprannominato “Galloping Gertie” facendo riferimento al fatto che sembrasse un cavallo al galoppo.

Gli Ingegneri dell’Università di Washington proposero due possibili accorgimenti per risolvere questo problema. Puoi vederli nell’immagine sotto. Una prima soluzione consisteva nel creare dei fori all’interno delle travi laterali del ponte per eliminare l’ostacolo al flusso del vento. Una seconda soluzione proponeva l’installazione di un profilo curvo lungo la campata per migliorare l’aerodinamicità del ponte e far divergere il flusso del vento sopra e sotto la campata. Probabilmente adottando una di queste due soluzioni si sarebbe evitato il collasso del ponte ed oggi il Tacoma Bridge sarebbe ancora in piedi.

 

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Immagine pubblicata dal Seattle Times, 8 Novembre 1940

 

Dopo questo disastroso crollo, il Tacoma Bridge fu ricostruito ben dieci anni dopo. Si fece tesoro dell’esperienza di questo crollo e da allora sarebbe cambiato per sempre il modo di progettare i ponti. Per tutti i ponti realizzati dopo il Tacoma Bridge, gli effetti aeroelastici vengono sempre tenuti in conto nella fase di progettazione.

Nel 2007 venne inaugurato un secondo ponte parallelo al primo per far fronte al vistoso aumento della popolazione. Ad oggi il Tacoma Narrows Bridge è la coppia di ponti sospesi più lunga al mondo.

Ecco attualmente come appaiono i due ponti sul Tacoma Narrows. Ciò che salta subito all’occhio è la struttura reticolare della campata che offre il minimo ostacolo al vento. Dopo la sua inaugurazione, al Tacoma Bridge fu assegnato lo stesso soprannome del suo predecessore, con una piccola differenza: la parola Galloping (galoppante) fu sostituita con Sturdy che vuol dire robusto. Così Galloping Gertie è diventato Sturdy Gertie.

 

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Al prossimo articolo

Marco.

 

Animazione dei vortici di Von Kàrmàn di Cesareo de La Rosa Siqueira