Effetti della risonanza di onde meccaniche

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Effetti della risonanza di onde meccaniche
Lo
strano caso del Tacoma Narrows Bridge.
Un ponte viene progettato in modo tale da poter reggere alle sollecitazioni dell’ambiente in cui esso si trova. Per questo esso deve essere resistente agli eventi atmosferici (vento, acqua ecc.), ai terremoti ed anche ai fenomeni di risonanza. La risonanza
è un fenomeno fisico naturale che si realizza quando si ha l’accoppiamento di energie
oscillanti. Questo fenomeno, in opportune situazioni, provoca un aumento notevole
dell’ampiezza delle oscillazioni. Il materiale su cui si verifica la risonanza accumula
una grande quantità di energia che in casi estremi può portare al collasso strutturale
dello stesso materiale.
Le energie associate al fenomeno risonante prendono origine da stati di energia meccanica che, pur essendo inizialmente di debole intensità, possono accoppiarsi e produrre risultanti di enorme intensità.
Un ponte, e tutte le altre strutture statiche, può produrre uno o più fenomeni di risonanza in una determinata banda di frequenze. Questo fenomeno può essere provocato da eventi naturali o dal traffico cittadino.
Strutturalmente i ponti temono le oscillazioni trasversali e le torsioni perché si sviluppano più in lunghezza che in larghezza.
Un caso interessante è quello del ponte sullo stretto di Tacoma (Tacoma Narrows
Bridge) nello stato di Washington negli Stati Uniti d’America.
Il ponte fu realizzato nel 1940 era lungo 1600 metri, allora era il terzo ponte al mondo
per lunghezza. Aveva una struttura ad unica campata lunga 850 metri. I tecnici che
l’avevano progettato ritenevano che avrebbe potuto resistere a un vento di duecento
chilometri l’ora. Si osservò subito dopo l’inaugurazione che esso produceva intense
oscillazioni verticali.
Per limitare queste oscillazioni furono applicate alle strutture funi d’acciaio e smorzatori meccanici, ma esso crollò lo stesso dopo pochi mesi per azione di un vento di
soli 68 km/h.
Figura 1 La torsione della campata del Tacoma Narrows Bridge
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Figura 2 Il crollo del Tacoma Narrows Bridge
Il crollo del Tacoma Narrows Bridge è un esempio di un meccanismo di risonanza
prodotto da una forza esterna poco intensa. Questa debole forza è prodotta dal vento
e per mezzo di un meccanismo complesso che fa accumulare progressivamente, alla
struttura statica del ponte, una grande quantità di energia. Questo effetto produce a
sua volta oscillazioni con un’ampiezza sempre più intensa, fino al punto di far collassare la struttura del ponte e farlo crollare. Il meccanismo della risonanza che ha fatto
crollare il ponte si basa sulle vibrazioni aeroelastiche autoeccitate prodotte dal
vento. La forza del vento modifica il moto oscillatorio del ponte, e nello stesso tempo
le stesse oscillazioni del ponte intensificano il flusso del vento. Con questo fenomeno
di accoppiamento di forze vengono prodotte forze oscillanti che aumentano la loro intensità progressivamente invece di essere smorzate e assorbite dalla struttura. Quando si verificano particolari condizioni, l’oscillazione, anziché essere smorzata, diviene
instabile, con possibili conseguenze sull’integrità della struttura.
Il Tacoma Narrows Bridge è stato ricostruito nel 1950 con moderni concetti costruttivi che hanno risolto le problematiche degli effetti della risonanza.
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