May 24th, 2010

Про "Пляшущий мост" и немного про аквапарк.


Вот тут прочитал грамотный текст про пляшущий мост через Волгу и слегка откомментировал:

http://neznaika-nalune.livejournal.com/609164.html

 

Когда я увидел нашумевшие ролики с качающимся мостом через Волгу, и затем некоторые фотографии этого моста, (ещё), у меня возникло недоумение. Я удивился не тому что этот мост качается; а тому что он не качался заметно до сих пор.

Этот мост должен качаться, именно таким образом. Это не является следствием плохого качества строительства. Судя по имеющимся данным, само строительство производит вполне благоприятное впечатление. Но мост должен качаться, потому что он именно так спроектирован.

Первое впечатление, которое возникает при взгляде на это мост (статичном, не то что видео его колебаний) - что у него полностью отсутствует какая-либо жёсткость. Мост представляет собой тонкую железобетонно-асфальтовую ленту, (скорее, стальную, судя по конструкции) точечно положенную на опоры, расположенные на достаточно большом, регулярном (именно поэтому и качались все пролёты моста, а не один из них. Из-за неё, из-за регулярности. Регулярность – это так эстетично!) расстоянии друг от друга - около 150 м. Соединение с опорами чуть ли не шарнирное, (не «чуть ли», а точно шарнирное. Хотя и без самого шарнира. Но точно подвижное и в продольном направлении и в поперечном. Так и должно быть. Чтобы компенсировать термические расширения и не вызвать усталостный износ в точках сочленения с опорами от неизбежных колебаний всякого моста) не имеет никакой жёсткости к поперечным колебаниям основной моды - качанию вокруг места соединения с опорами. Именно так он и качается - стоячая волна, с полудлиной волны равной просвету между опорами. Точно так же как струна закреплённая между двумя точками. Других мод колебаний практически не заметно.

Какие двоечники проектировали это чудо в перьях? Зато сколько бабла наэкономили! Даже по конструкции моста в сравнении с другими мостами по ссылкам в цитируемой статье, видно, что мост через Волгу много дешевле и буржуйского, и советского. Но это только по виду. Вследствие особого изящества и эстетичной привлекательности конструкции. А по смете он наверняка в разы дороже буржуйского. (Это ещё на обдувке в аэродинамической трубе модели моста съэкономили! А то бы точно на мост с учётом всех дополнительных расходов не хватило бы). Одна эстетика сколько стоит! Это они как инженеры были в двоечниках. А как экономисты – круглые отличники!

А ещё скорее, что экономисты и «эффективные менеджёры» навязали свои решения инженерам. Как и всегда в последнее время. Помните рухнувший аквапарк в Москве которым по некоторым данным владела суперэффективный менеджёр, первая в России женщина-миллиардер Е. Батурина. (Ну, это там, где три десятка человек ещё погибло)? И Бауманский рынок там же. Аналогичные случаи.
     Едва ли не первое правило, которое должен знать проектировщик больших - это то что длинные тяжёлые объекты, в силу их природы, подвержены низкочастотным автоколебаниям поперечным к их основной оси; они должны иметь "рёбра жёсткости" или какие-то другие конструктивные средства, повышающие их жёсткость и гасящие эти автоколебания. Идея рёбер жёсткости состоит в том что эти дополнительные элементы конструкции удлиняются или укорачиваются при основных автоколебаниях объекта, и таким образом препятствуют большой амплитуде этих колебаний (пример - диагональная планка в прямоугольную раму из четырёх досок, не дающая ей легко превращаться из прямоугольника в параллелепипед).

Сравните, например, с более старым мостом в Саратове, соседнем с Волгоградом городе. Видите разницу? Жёсткость его конструкции достигается за счёт стальных арок на опорах, на которые, собственно, и положен мост. Ещё один соседний мост через Волгу - железнодорожный мост ниже Саратова. Здесь жёсткость достигается довольно высокой стальной надстройкой над полотном моста. Ещё один вариант - длинная многокилометровая эстакада через озеро Пончатрейн в Новом Орлеане. Она, вроде бы, обходится без явных рёбер жёсткости. Но там могут работать другие факторы - более частые пролёты, ограничивающие длину основной стоячей волны, более тяжёлое полотно, и низкая высота, уменьшающая воздействие ветра.

Мост в Волгограде, безусловно, опасен для эксплуатации. Но он вовсе не обязательно должен скоро разрушиться: угловая амплитуда колебаний остаётся относительно небольшой, в десятки раз меньше чем в случае знаменитого моста в Такоме, разрушенного ветром. Ну, это смотря какой ветер. И какое качество изготовления моста. Если строители сделали его хорошо, то не сразу разрушится. Просто будет периодически скидывать автомобили и пешеходов в реку.

Что можно сделать? Во-первых, у меня большие сомнения в том, что строительство запланированной второй параллельной ветки радикально улучшит ситуацию. (А может, и улучшит. Если связать оба полотна моста поперечными балками. За счёт изменения частоты собственных колебаний полотна моста. Просто не станет таких ветров, чтобы попали в резонанс. Сохранились у нас в мостостроительстве ещё спецы, способные считать резонансную частоту мостов? Или их всех заменили на блатных недоучек?) Да, это может улучшить аэродинамику, но мост имеет принципиальные конструктивные недостатки (отсутствие жёсткости), не связанные непосредственно с воздействием ветра. Вторая ветка никак не устраняет их, и даже наоборот, может добавить новую моду колебаний: крутящую (когда волны на одной и другой ветках находятся в противофазе).

Но радикально повысить жёсткость моста вполне можно, не слишком дорогими средствами. Например, следующее: оставить два центральных пролёта для основной навигации, и добавить по дополнительной опоре (такой же как существующие) в периферийные пролёты - это резко уменьшит основную моду колебаний. Причём лучше всего поставить их не точно посередине пролётов, а варьируя около соотношения 0.4/0.6 (идеально - что-то близко к "золотому сечению"): это будет способствовать демпфированию более высоких мод колебаний. Лучше всего ещё добавить жёсткость к каждой опоре: например, прикрутить по паре диагональных стальных швеллера длиной 5-7 метров от опоры по обе стороны моста под углом 45 градусов. Это несколько изменит внешний вод моста, но в данном случае не до первоначальной эстетики: не до жиру, быть бы живу. (Это если конструкции моста позволяют что либо к ним прикрепить, не нарушив прочности конструкции.)

В общем, мост спасти вполне можно, и не очень дорогим способом. Но делать это должны не те люди которые изначально проектировали его: грубейшими ошибками они поставили окончательный приговор своей компетентности. (При условии, что эти другие люди найдут ИСТИННУЮ проектную документацию. А не ту, что составили для проверяющих и заказчиков с целью увеличить смету и скрыть хищения.)
     И не вздумайте новым подрядчикам сказать про "не очень дорогой способ". Откажутся браться. У нас в стране за последние 10 лет если что и построили, то только дорогим и очень дорогим способом. 
     А в остальном согласен с автором.