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• Victor Jair Andonayre Zavaleta

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"AÑO DE LA PROMOCIÓN DE LA INDUSTRIA RESPONSABLE Y DEL COMPROMISO CLIMÁTICO"

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

PUENTE TACOMA NARROWS CURSO: Grandes Obras

DOCENTE: ING. Sofía Terrones Abanto

ALUMNO: Andonayre Zavaleta Víctor Jair

UNIDAD: III

TRUJILLO – PERÚ 2014

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ÍNDICE I.

INTRODUCCIÓN

3

II.

OBJETIVOS

3

III.

PUENTE TACOMA NARROWS

4

1. Ubicación

4

2. Historia

4

3. Características

5

4. Desplome del Puente Tacoma Narrows

6

5. Causas

7

6. Fallas en el diseño y construcción

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IV.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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V.

ANEXOS

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I. INTRODUCCIÓN:

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En el presente informe se presentara información recolectada y analizada acerca del desastre ocurrido en el año 1940 en Estados Unidos, el desplome del Puente Tacoma Narrows. Daremos a conocer algunas características generales de este puente que se convirtió tempranamente en uno de los más famosos de la historia, pero no precisamente por su belleza o su tamaño. Afortunadamente, a excepción de las pérdidas económicas en el momento, no hubo que lamentar la pérdida de vidas humanas, y además se ganó mucho con la caída del puente Tacoma, debido a que fue materia de investigación dando muchos conocimientos que muchos ingenieros y científicos ignoraron durante años; a partir de entonces se mejoraron métodos constructivos y de diseño, las teorías establecidas y los controles requeridos cambiaron radicalmente. En el presente trabajo se dará a conocer las características más resaltantes sobre esta estructura pero sobre todo nos adentraremos en conceptos de física y de aerodinámica en estructuras tratando de interpretar las posibles causas de dicho accidente.

II.

OBJETIVOS:  Dar a conocer algunas características del puente Tacoma Narrows.  Explicar las diferentes causas que pudieron ocasionar el derrumbe del Puente Tacoma Narrows.

III.

PUENTE TACOMA NARROWS: 1. UBICACIÓN: Este puente colgante unía la ciudad de Tacoma con la península de Kitsap y estaba situado en Puget Sound, en el estrecho de Tacoma Narrows (Washington, Estados Unidos). 2. HISTORIA:

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Las primeras ideas para ubicar un puente en este sitio se remontan a 1889, con una propuesta del Northern Pacific Railway, pero fue hacia mediados de la década de 1920 cuando la idea comenzó a cobrar fuerza. La cámara de comercio de Tacoma comenzó una campaña y estudios para su financiación en 1923. Varios renombrados ingenieros de puentes, incluidos Joseph B. Strauss, quien luego sería ingeniero principal del puente Golden Gate; y David B. Iñigo Homo Steinman, constructor del Puente Mackinac, fueron consultados. Steinman realizó varias visitas pagadas por la cámara culminando en la presentación de una propuesta preliminar en 1929, aunque hacia 1931 la cámara decide cancelar el acuerdo con Steinman debido a que Steinman "no era lo suficientemente activo" en la búsqueda de financiación. En 1937 el proyecto toma impulso, cuando la legislatura del estado de Washington State crea la Washington State Toll Bridge Authority y asigna 5.000 dólares para estudiar el pedido de los condados de Tacoma y Pierce para construir un puente sobre el Narrows. Desde el comienzo, el problema fue la financiación; la recolección del peaje no sería suficiente para pagar los costes de construcción. Pero existía un fuerte apoyo para el puente por parte de la marina estadounidense, que operaba el astillero naval de Puget Sound en Bremerton, y del ejército estadounidense, que tenía el McChord Field y Fort Lewis en Tacoma. El ingeniero Clark Eldridge del estado de Washington presentó un, "diseño preliminar de un puente convencional desarrollado sobre conceptos probados y demostrados," y la autoridad de peaje del puente solicitó 11 millones de dólares al Public Works Administration (PWA) federal. Pero según Eldridge, un grupo de "prominente ingenieros consultores del este", encabezados por el ingeniero Leon Moisseiff de Nueva York, propusieron al PWA construir el puente a menor costo. Los

planes

preliminares

especificaban

el

uso

de

vigas

horizontales de 7,6 m de espesor, que se ubicarían debajo del puente para hacerlo más rígido. Moisseiff, diseñador muy respetado del Golden Gate Bridge, propuso utilizar vigas más esbeltas, de solo 2,4 m de Pág. 4

espesor. Según su propuesta el puente sería más delgado y elegante, y además se reducirían los costes de construcción. El diseño de Moisseiff se impuso. El 23 de junio de 1938, the PWA aprobó un presupuesto de casi 6 millones de dólares para el puente de Tacoma Narrows. Un monto adicional de 1,6 millones de dólares sería recolectado de los peajes para alcanzar el coste total de 8 millones de dólares. 3. CARACTERÍSTICAS: El puente de Tacoma Narrows se inauguró el 1 de julio de 1940. Fue diseñado por Clark Eldridge y modificado por Leon Moisseiff Diseñado para que lo atravesaran 60.000 coches al día, con una longitud de 1.600 metros y con una distancia entre soportes de 850 m, pasó a ser el tercer puente colgante más grande del mundo (por detrás del puente de Washington de Nueva York y del Golden Gate de San Francisco). El puente sobre el Estrecho Puget fue revolucionario en su concepción y causó muchas expectativas durante la construcción pues resultaría de mucha importancia para el desarrollo de la zona. El diseño era ligero, elegante y flexible, la construcción comenzó el día 23 de noviembre de 1938. Se trataba de una estructura colgante, con dos torres de suspensión, que cubría la apertura del estrecho con un puente de 854 metros de largo y 12 metros de ancho, sólidamente construido, con vigas de acero ancladas en grandes bloques de hormigón.

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La estructura del puente era sumamente ondulante para poder resistir los embates de los vientos de la zona. “Gertrudis galopante” la llamaron los obreros que la construyeron debido a su temprana tendencia a oscilar, oscilación que apareció durante su construcción. 4. DESPLOME DEL PUENTE TACOMA: Que un puente construido en acero y hormigón oscilase de esa manera no era nada normal, pero los ingenieros responsables del proyecto aseguraron que su movimiento no afectaba a su integridad estructural y éste siguió abierto al tráfico. ¿Y qué pasó? Pues que mucha gente empezó a acudir a Tacoma para cruzar el extraordinario puente a pie o en coche. Era como una atracción de feria, una atracción que duró sólo cuatro meses y seis días. El día de 7 noviembre de 1940 amaneció con buen tiempo y un poco de brisa. Habían pasado solo unos pocos meses desde la inauguración del puente y todo parecía normal, sin embargo nadie podía

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esperarse lo que ocurriría ese día. Con un viento de alrededor de 65 km/h que soplaba de manera constante, el puente comenzó a moverse peligrosamente y a oscilar como si se tratara de una bandera, lo cual llamó poderosamente la atención de los que estaban viendo semejante espectáculo.

Tras poco más de una hora en esta situación de vaivenes y sacudidas, el puente se desmoronó y cayó hecho pedazos al agua. Afortunadamente no hubo que lamentar la pérdida de ninguna vida.

5. CAUSAS: El puente Tacoma Narrows ha sido, durante mucho tiempo, el típico ejemplo que se ha usado en la escuela (e incluso en muchas universidades) para explicar un interesante fenómeno físico: la

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resonancia. La explicación de la caída del Tacoma la podemos encontrar en muchos textos de Física, por ejemplo el Resnick – Halliday (tercera edición, 1977): “El primero de Julio de 1940 se terminó el Tacoma Narrows Bridge en Puget Sound, Washington, y se abrió al tráfico. Tan solo cuatro meses después, un ventarrón moderado puso al puente en oscilación, hasta romper al tramo principal que se desprendió de los cables y cayó al agua. El viento produjo una fuerza resultante cuyas fluctuaciones entraron en resonancia con la frecuencia natural de la estructura. Esto provocó un aumento continuo en la amplitud hasta destruir el puente.” (Resnick –Halliday, 1977) Curiosamente, los mismos autores en la siguiente edición de su libro plantean una explicación diferente: “Otro ejemplo de resonancia ocurrió en el puente sobre el estrecho de Tacoma en el estado de Washington en 1940. El viento que soplaba en el estrecho de Tacoma se dividió en torbellinos, suministrando así golpes de viento que sacudieron al puente con una frecuencia que igualó a una de sus frecuencias de vibración naturales. El resultado fue un suave movimiento de balanceo vertical, parecido a una montaña rusa, que le valió al puente el sobrenombre de “Galloping Gertie”. Unos cinco meses después de haberse inaugurado el puente, el suave balanceo oscilatorio se convirtió en violentas oscilaciones torsionantes, que no tardaron en provocar el colapso del puente. Estas oscilaciones no fueron consecuencia de la resonancia sino de los efectos no lineales de ráfagas de viento particularmente fuertes.” (ResnickHalliday, 1996). Pues bien, resulta que no es cierto que el puente se desmoronara por culpa de la resonancia, hubo resonancia en el puente de Tacoma Narrows, pero no fue esa la causa de su colapso. El motivo de las galopadas de Gertrudis es la resonancia. En la naturaleza existen muchos sistemas que, alejados de la posición de equilibrio, tienden a volver a él. Eso le sucede, por ejemplo, a un muelle cuando lo estiramos, o a un péndulo cuando lo separamos de la Pág. 8

horizontal. Eso implica una fuerza que tiende a restaurar el estado inicial. Cuando esa fuerza es proporcional a la distancia que el cuerpo se ha alejado del equilibrio, tenemos el llamado movimiento armónico simple. La solución es sencilla: el sistema efectúa un movimiento sinusoidal con una frecuencia angular ωo (también llamada frecuencia natural). La naturaleza, por su parte, suele imponer fuerzas disipativas (viscosidad, rozamiento, amortiguamiento magnético), así que ni el muelle ni el péndulo van a estar oscilando eternamente, y la amplitud de las oscilaciones se va reduciendo con el tiempo. Para compensarlo, podemos efectuar una fuerza externa. Cuando la frecuencia de la fuerza externa coincide con la frecuencia ωo, tenemos el fenómeno de la resonancia: la amplitud A puede tomar valores muy grandes, incluso para fuerzas externas pequeñas. Lo que sucede entonces es que la energía que recibe el sistema, por así decirlo, es absorbida por el sistema en su forma más eficiente. Las oscilaciones crecen tanto más cuanto menor sean las fuerzas disipativas. El puente estaba formado por un tablero horizontal y dos paneles verticales a los lados (todo sujeto a dos grandes torres por medio de la consabida maraña de cables), de forma que si le diésemos un corte transversal tendríamos una figura en forma de H, con el trazo horizontal mucho más largo que los verticales. El viento viene horizontalmente, digamos de izquierda a derecha. Cuando topa con el panel izquierdo, se desdobla en dos flujos de aire, que recorren el puente. Pero como el puente carecía de línea aerodinámicas, el aire formaba remolinos en la parte superior, y también en la inferior. Aquí aparecen los llamados vórtices de Von Kármán.

Cada vez que un vórtice abandona el puente por la parte superior, crea una fuerza de arriba abajo; cuando lo hace por la parte inferior, la fuerza tiene sentido opuesto. Fíjense cómo ambos remolinos se forman en instantes diferentes, la combinación de ambos es una fuerza

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periódica. La frecuencia de esta fuerza (llamada frecuencia de Strouhal). Si coincide con la frecuencia natural del puente, o más bien con una de las frecuencias naturales del puente (un objeto complejo tiene más de una), tendremos resonancia. Por lo tanto las ondulaciones producidas en el puente con un movimiento vertical del tablero si era debido al fenómeno de resonancia que era causado por el aire al pasar por el puente. Sin embargo el día de la catástrofe el puente no presentaba un movimiento vertical que ya era usual, sino que empezó a tener movimientos de torsión. La causa puede ser la autoexcitación aerodinámica, para entenderlo, volvamos al puente.

Recordarán cómo los vórtices o

remolinos se iban generando tanto encima como debajo del puente, generando en éste un movimiento vertical. Lo importante ahora es que también provocaban un movimiento rotacional, esto es, una torsión. Digamos que la torsión es en el sentido de las agujas del reloj. Ahora el trazo vertical izquierdo de la H está más elevado que el de la derecha. La consecuencia es que el viento, que viene del lado de la izquierda, genera en la parte superior un remolino más grande que en la parte inferior. Si la velocidad del viento es pequeña, el remolino irá recorriendo el puente durante más de un período de torsión. Es decir, mientras el remolino se encuentra a medio camino, la torsión del puente habrá cambiado de sentido y ahora se formará un remolino en la parte inferior. El efecto de ambos remolinos se anula.

Pero si el viento sopla con fuerza, el remolino recorrerá el puente con rapidez y saldrá por el lado de la derecha antes de que el tablero del

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puente haya vuelto a la horizontal. Cuando la torsión sea la opuesta, será la parte inferior la que genere un remolino. Eso es lo que pasó en el puente de Tacoma Narrows. Cada vez que se inclinaba lateralmente, se generaban remolinos, los cuales ejercían un momento de torsión que retorcía el puente cada vez más. A cada oscilación, la torsión crecía, lo que incrementaba el tamaño de los remolinos, que a su vez aumentaba la torsión, y así sucesivamente. El efecto es un “bombeo” de energía del viento al puente conocido como Negative damping relacionado con un fenómeno denominado “flameo”. Esta es una de las teorías que podría explicar el derrumbe del puente Tacoma Narrows, sin embargo, existen más teorías. Hay aún mucho por investigar y aun no se ha podido resolver este misterio. Hay varios fenómenos aeroelásticos a los que podría deberse su colapso e investigadores de todo el mundo siguen discutiendo los detalles del suceso. Pero sigue sin entenderse del todo la razón por la que la oscilación se amplificó tanto hasta llegar al colapso. 6. FALLAS EN EL DISEÑO Y CONSTRUCCION: El análisis de las causas de la caída de este puente demostró que hubo errores graves en su fabricación que propiciaron que se viniera abajo con condiciones meteorológicas tan benignas. Por ejemplo, en su construcción se emplearon vigas de acero que formaban una estructura de sustentación horizontal maciza y cerrada que favorecía la resistencia del viento. Esto permitía la formación de peligrosas turbulencias y corrientes de aire alrededor del mismo. Los ingenieros del puente obviaron el efecto de la resonancia al pasar los coches sobre el puente, también obviaron lo que podía pasar con el viento, algo que se amplificó con la excesiva flexibilidad de los materiales utilizados (al recortar en la robustez de las vigas) que dejaron al puente a un tercio de la rigidez recomendada para este tipo de construcciones (que son tan dependientes del lugar en el que se emplacen). De hecho, por aquella época no se pensaba en que la aerodinámica también influía en estas construcciones y, desde entonces, construcciones a escala son sometidas a pruebas en túneles de viento y Pág. 11

se añaden aberturas a los elementos de soporte para permitir el paso del viento. Las permitieron

lecciones mejorar

aprendidas

a

partir

considerablemente

la

de

este

seguridad

desastre en

la

construcción de los nuevos puentes colgantes en todo el mundo, incluido el sustituto del fatalmente colapsado, el cual se inauguró en 1950 y afortunadamente, existe aún en nuestros días. IV.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.-

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