鉄筋コンクリート製の海峡横断橋が風で簡単に破壊されてしまうなんてあり得るのでしょうか？

鉄筋コンクリートで作られた橋は非常に強固で、特に海を渡る橋はさまざまな「ブラックテクノロジー」を統合しており、強い台風にも耐えることができます。

たとえば、香港・珠海・マカオ橋は最大風速 16 に耐えられるように設計されており、レベル 16 の台風でも被害を受けません。では、もし単なる風で海峡を挟んだ橋が崩壊するとしたら、その理由は何なのでしょうか?私たちの頭に最初に浮かんだのは、橋の品質に問題があるということでした。しかし、実際にそのような橋が存在するのです。設計から施工まで問題はなかったが、完成から4か月後に風で簡単に破壊されてしまった。この橋は「タコマ・ナローズ橋」です。実際、この橋は建設されて以来ずっと風に揺れていたが、品質上の問題が全くないこの橋が最終的に崩壊するとは誰も予想していなかった。

タコマ・ナローズ橋はなぜ風で破壊されたのでしょうか?これは「カルマン渦列」と呼ばれる流体力学の現象によるものです。

カルマン渦列とは何ですか？水がスムーズに前方に流れるまっすぐな川があるとします。川の真ん中に丸太を入れると何が起こるでしょうか？私たちは通常、次のように答えます。川の水は丸太の障害物によって分岐し、一部は丸太の左側を流れ、他の一部は丸太の右側を流れます。 2つの水の流れは分かれて丸太の中を流れた後、再び合流し、スムーズに流れ続けます。これは自明の答えですが、私たちの常識や論理に合致しているので、私たちがそう思うだけでなく、フォン・カルマンの師であるルートヴィヒ・プラントルもそう思っています。

層流現象を研究するために、プラントルは学生たちに、小川の真ん中に挿入された丸太に似た装置を作るように指示しました。しかし、どれだけ改良しても、水の流れが分岐して合流するというイメージ通りの状況を作り出すことはできなかった。

プラントルは実験装置が完璧に作られていなかったと信じていたが、フォン・カルマンは独自の意見を持っていた。フォン・カルマンは観察を通して、水の流れが丸太によって遮られると、水は丸太を通り抜けた後に交互に推進する渦を形成することを発見しました。簡単に言えば、水は丸太の左側を速く流れ、通過後に下向きの渦を形成します。その後、水は丸太の右側を素早く流れ、最初に形成された渦を押しのけて、上向きの渦を形成します。このようにして、水は丸太の両側を流れて渦を形成し、新しく形成された渦によって押しのけられます。フォン・カルマンはこの現象を「カルマン渦列」と呼んだ。

カルマン渦列の出現は、丸太の振動という別の現象を引き起こします。

丸太はなぜ振動するのでしょうか?これは「ベルヌーイの定理」によるものです。ベルヌーイの定理は、流れる液体または気体では、流体の流れが速いほど圧力が小さくなり、逆に流速が遅いほど圧力が大きくなることを示しています。カルマン渦列現象が発生すると、まず丸太の左側から水が勢いよく流れ出します。このとき、丸太の左側の流速は速いため圧力は小さく、右側の流速は遅いため圧力は大きいため、丸太は左に押され、その後、水は丸太の右側を速く流れるため右側の圧力は小さく、左側の圧力は大きいため、丸太は再び右に押されます。これらの左右の力の相互作用により、丸太は振動します。

タコマ橋は、非常に壮観な海峡横断橋です。長さは1,524メートルに達しますが、橋床の幅はわずか11.9メートルです。橋全体が細く長いため、将来風で破壊される危険性が最初に潜んでいると言えます。

吊橋には通常、橋の両側にトラス梁が設置されています。これは基本的な構成であり、タコマ ナローズ ブリッジも例外ではありません。当初の設計では、確かに 7.6 メートルのトラス梁がありましたが、財政的な制約のため、有名な吊り橋設計者モイセフはそれを 2.4 メートルの鋼板に変更しました。モイセフ氏は、このような変更により橋の建設コストが大幅に削減されるだけでなく、橋の剛性も向上すると考えている。モイセフの見解が完全に正しいことは疑いの余地がないが、トラス梁の特性は「通気性」であるのに対し、鋼板は通気性がないという事実を見落としている。

それから間もなく、橋が建設されました。橋の両側の鋼板が空気の通り道を遮り、カルマン渦列現象が発生した。橋は完成以来ずっと揺れ続けている。

橋は揺れていたが、人々は危険だとは思わなかった。その代わりに、観光名所となったのです。 4ヵ月後、橋が長時間揺れ続けたため、鋼鉄ケーブルの1本が破損しました。橋はねじれ始め、ついには崩壊した。橋が崩壊した後、事故全体の調査が行われた。設計から施工まで問題がないことがわかり、当初の計画通りに建て替えることになりました。この時、フォン・カルマンもこのことに気付き、計算を行った。結果、橋の崩落は避けられないことが判明したため、彼は同じ過ちが二度と起こらないように急いで手紙を書いた。

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