Galop pod wiatr

Pamiętamy ze szkoły, że wojsko nie powinno chodzić równym krokiem przez most - miarowy rytm może bowiem wprawić go w drgania i rozhuśtać do tego stopnia, że konstrukcja nie wytrzyma i runie. Groźne drgania spowodować może także wiatr. Z tego właśnie powodu w 1940 r., cztery miesiące po zbudowaniu, zawalił się piękny most wiszący nad cieśniną Tacoma, niedaleko Seattle w USA, wówczas najnowocześniejszy na świecie i trzeci pod względem długości. Po wojnie został odbudowany, ale dziś już nie wystarcza. Właśnie powstał obok nowy - będzie otwarty 15 lipca.

Tacoma Narrows jest jednomilowym przewężeniem cieśniny Puget między lądem a półwyspem Olimpic w stanie Waszyngton, w północno-zachodnim narożniku USA. W drugiej połowie XIX w. rozwijająca się gospodarka potrzebowała dogodnej przeprawy przez cieśninę. Kiedy pewien ranczer w 1888 r. powiedział do kapitana parowca: "Kiedyś zobaczy pan tu most", wszyscy myśleli, że zwariował! Ale na wszelki wypadek żegluga promowa wywalczyła sobie w 1926 r. przywilej wyłączności przeprawy na 10 lat. Miejscowi przedsiębiorcy chcieli jednak mostu. Tworzono różne koncepcje: most wiszący lub belkowy, most kołowy lub mieszany - łączący ruch kołowy z kolejowym. Zatrudniano najwybitniejszych specjalistów. Jednym z nich był Joseph Strauss, późniejszy budowniczy słynnego Golden Gate w San Francisco, wcześniej asystent Ralfa Modjeskiego (syna Heleny Modrzejewskiej), wielkiego konstruktora mostów w USA. Pojawił się również Leon Moisseiff - główna postać dramatu, błyskotliwy konstruktor mostów wiszących oraz matematyk.

Ostatecznie zdecydowano się na kołowy most wiszący. Konstrukcje takie pojawiły się w USA w XIX w. Początkowo często zdarzały się katastrofy - siedem uległo zniszczeniu. W 1883 r. powstał w Nowym Jorku niezwykle solidny most Brooklyński, który przełamał obawy społeczne i na długo wyznaczył zasady budowy mostów wiszących. Szukano jednak sposobów obniżania kosztów. Wspomniany Moisseiff zaadaptował do obliczania wytrzymałości mostów wiszących powstałą w Austrii nową metodę projektowania mostów betonowych, tzw. teorię ugięcia - pierwszym tak zaprojektowanym był Manhattan Bridge w 1909 r. Od tej pory nową metodę stopniowo wprowadzali inni konstruktorzy. Mosty miały coraz mniej usztywnień, były coraz lżejsze i smuklejsze. Dopóki zapas bezpieczeństwa ustalony dla poprzednich mostów był duży i budowano je szerokie - nie działo się nic złego. W wyniku Wielkiego Kryzysu na przełomie lat 20. i 30. XX w. brak pieniędzy na inwestycje wymuszał coraz większe oszczędności.

Wtedy właśnie starania o most przez Tacoma Narrows przyspieszyły - kończył się okres ochronny dla promów. Początkowo nie było mowy o wsparciu tej inwestycji przez państwo - postanowiono więc wykorzystać nowy sposób finansowania stworzony w Kalifornii podczas budowy mostu Golden Gate: zaciągnięcie pożyczki oraz emisja obligacji, a potem wprowadzenie opłat za przejazd, by spłacić dług. Okazało się jednak, że myto byłoby zbyt wysokie w porównaniu z kosztem przeprawy promem. Na szczęście armia uznała, że most przyda się również jej, i załatwiła dotację w wysokości 45 proc. kosztów, w tym wykup bezrobotnych promów. Pozwoliło to zmniejszyć pożyczkę i tym samym opłaty za przejazd.

Podjęto budowę dróg dojazdowych, a projekt mostu na przełomie 1937-1938 wykonał Clark Eldridge, zdolny inżynier z zarządu autostrad stanu Waszyngton. Koncepcja nie wpisywała się w trend wprowadzony przez Moisseiffa - jezdnia miała być oparta na sztywnej kratownicy o wysokości 26 stóp (1 stopa = 30,48 cm), wzmocnionej zastrzałami. Pylony (wieże podpierające kable nośne) również miały być usztywnione skośnymi zastrzałami. Koszt mostu określono na 11 mln dol. Wtedy na scenie pojawiła się grupa trzymająca kasę, czyli władze federalne, które poinformowały, że specjaliści ze Wschodniego Wybrzeża widzą możliwość obniżenia kosztów do 7 mln dol. i w związku z tym należy im zlecić poprawienie projektu. Byli to L. Moisseiff z Chicago oraz nowojorska firma projektowa Moran&Proctor.

Moisseiff skonstruował przepiękny, niezwykle smukły i lekki most w stylu art déco. Najważniejszą zmianą konstrukcyjną było zastąpienie przewiewnej kratownicy pełnymi dźwigarami z blachy o wysokości tylko 8 stóp, które od dołu nie były ze sobą połączone - tworzyły literę H. Moisseiff osiągnął bezprecedensowe wskaźniki - stosunek szerokości do długości mostu 1:72 (Golden Gate 1:47) oraz wysokości dźwigara do długości przęsła środkowego 1:350 (G-G - 1:168). Tacoma Narrows Bridge był drugim, w którym zastosowano pełne dźwigary - pierwszy był Bronx-Whitestone Bridge w Nowym Jorku ukończony w 1939 r., gdzie Moisseiff był konsultantem. Również nowe pylony były mniej sztywne. Projekt wywołał protesty miejscowych inżynierów, twierdzących, że błędem jest budowanie tak smukłego mostu, szczególnie krytykowano pełne dźwigary, nazywając je żaglami. Decyzja o budowie jednak zapadła.

W grudniu 1939 r., kiedy gotowe były filary oraz pylony, nastąpiło silne trzęsienie ziemi - nie spowodowało ono żadnych uszkodzeń. W maju 1940 r. podczas montażu środkowego przęsła pojawiło się jednak dziwne zjawisko - przy spokojnym wietrze pomost wpadł w pionowe drgania. Niektórzy robotnicy, a byli to ludzie niezwykle doświadczeni, wędrujący z jednej budowy mostu na drugą, doznali mdłości. Jeden z nich nazwał most Galopującą Gercią (ang. Galloping Gertie), co podchwycili dziennikarze. Wcześniej tak samo nazwano most na Ohio River w Wheeling w Zachodniej Wirginii, zniszczony przez huragan w 1854 r.

Moisseiff stwierdził, że również dwa inne mosty zbudowane ostatnio według jego metody (wspomniany Bronx-Whitestone Bridge oraz Deer Island Bridge w stanie Maine) ulegają drganiom pod wpływem wiatru. Niespodziewane zjawisko nie wstrzymało więc robót - most uroczyście otwarto 1 lipca 1940 r., chociaż zaniepokojone władze natychmiast zleciły zbadanie zagadnienia profesorowi F. Farquharsonowi z uniwersytetu stanowego. Nowy most szybko stał się popularny, mimo że przejazd kosztował więcej niż przeprawa promem. Wkrótce natężenie ruchu trzykrotnie przekroczyło założenia, co pozwoliło obniżyć opłaty, prof. Farquharson spokojnie pracował nad wyjaśnieniem drgań i zaczęto myśleć o wynegocjowaniu korzystniejszych umów z ubezpieczycielami mostu.

Drgania pojawiały się, kiedy wiatr wiał prostopadle do mostu. Miały one postać fal pionowych wędrujących wzdłuż jezdni. Wychylenia wynosiły od kilku do nawet 20 stóp, towarzyszyły im upiorne dźwięki wydawane przez uginającą się konstrukcję. Drgania środkowego przęsła (o długości ok. 840 m) stały się mimo woli atrakcją turystyczną - ludzie poszukujący mocnych wrażeń przyjeżdżali z odległych nawet o setki mil miejscowości, aby zakosztować emocji na tej niezwykłej huśtawce. Zdarzało się, że samochody jadące z naprzeciwka wskutek odkształceń jezdni znikały i ponownie pojawiały się w polu widzenia. U niektórych jadących występowały objawy choroby morskiej. Aby usztywnić most, zainstalowano dodatkowe liny - zmniejszyło to drgania przęseł skrajnych, ale nie środkowego. Silny jesienny sztorm spowodował pęknięcie jednej z lin.

Niespodziewanie podczas badań w tunelu aerodynamicznym prof. Farquharson zaobserwował groźne zjawisko: przy pewnej prędkości wiatru środkowe przęsło modelu wpadło w drgania skrętne o rosnącej amplitudzie. Natychmiast zawiadomił administrację o tym zagrożeniu. Ustalono, że dla ratowania mostu należy wyciąć szereg otworów w pełnych dźwigarach, aby złagodzić napór wiatru lub zamocować wzdłuż mostu osłony z blachy mające odchylać napływające strugi powietrza.

Od rana 7 listopada Eldridge w pośpiechu szkicował osłony, które w ciągu 10 dni miały być założone od strony południowej, a potem od północy. Z południowego zachodu wiał lodowaty wiatr prosto w dźwigar, most galopował - nawet łagodniej niż zwykle. Ruch samochodów odbywał się normalnie. Około godz. 9.30 wiatr zaczął się wzmagać, osiągając ok. 67 km/godz. Według obliczeń most powinien wytrzymać napór wiatru do 190 km/godz. Nagle o 10.03 drgania pionowe zmieniły się w skrętne - środkowe przęsło podzieliło się na dwie połówki skręcające się wokół własnej osi w przeciwnych kierunkach co 5 sekund - to samo obserwował prof. Farquharson w tunelu aerodynamicznym!

Natychmiast most zamknięto. Drgania stawały się coraz gwałtowniejsze - jezdnia odchylała się o 45 st. od poziomu. Kawałki kruszącego się betonu spadały do wody. Z hukiem podobnym do wystrzałów karabinowych zaczęły pękać pionowe liny łączące pomost z kablami nośnymi. Wycie wiatru mieszało się z niesamowitymi odgłosami przypominającymi zawodzenie, powodowanymi przez tarcie elementów mostu. Do tego włączono syrenę alarmową, aby ostrzec zbliżający się do mostu kuter straży przybrzeżnej. Kilka minut po godz. 11 z wysokości 60 m runęło do wody środkowe przęsło.

Przebieg katastrofy był filmowany i fotografowany. Ostatnim podróżnym, jaki wjechał na most, był Leonard Coatsworth, redaktor miejscowej gazety. Widząc niebezpieczeństwo, wyskoczył z auta, w którym został jego pies. Mimo prób ratowania zwierzaka - nie dało się go wyciągnąć i runął razem z mostem do morza. Następnego dnia rankiem wróciły promy.

W wyjaśnianiu przyczyny katastrofy brał udział słynny prof. Teodore von Kármán, autorytet w dziedzinie aerodynamiki. Ustalono, że nikt nie zaniedbał swoich obowiązków. Zawiniło nieznane wcześniej w przypadku mostów zjawisko tzw. drgań samowzbudnych, czyli powodowanych oddziaływaniem na konstrukcję wiatru o stałej prędkości, poprzez tworzenie tzw. ścieżki wirowej lub wywoływanie drgań typu flatter (ang. flutter - trzepotać). Nie wchodząc w szczegóły - w miarę zwiększania się prędkości wiatru najpierw most został rozkołysany w pionie przez wiry powietrzne, a następnie pojawił się flatter, polegający na wykonywaniu przez konstrukcję drgań skrętnych o coraz większych wychyleniach narastających kosztem energii wiatru.

Lekcja Tacoma Narrows Bridge nie poszła na marne - mosty uodporniono na drgania powodowane przez wiatr i nigdy już podobne zdarzenie nie miało miejsca. Leon Moisseiff ciężko przeżył katastrofę - pytany zaraz po zdarzeniu powiedział, że nie potrafi wyjaśnić jej przyczyn; zmarł w 1943 r. w Nowym Jorku. Twórca projektu mostu Eldridge po wybuchu wojny z Japonią trafił do niewoli i tam niespodziewanie przypomniano mu Galopującą Gercię - pewnego razu podszedł do niego oficer japoński, który przed wojną studiował w USA i złośliwie wycedził: Tacoma Bridge!

Odbudowa mostu odwlekła się o 10 lat. Najpierw stoczono wojnę z ubezpieczycielami, którzy utrzymywali, że straty nie są wielkie, ponieważ można ponownie wykorzystać wiele części. Proponowali 1,8 mln dol., ale po 9 miesiącach bojów ostatecznie wypłacili 4 mln. Niestety, jedna z polis (na 800 tys. dol.) była nieważna. Agent tak był pewien, że mostowi nic nie zagraża, że pobraną składkę 70 tys. dol. zdefraudował. Skazany za to został na 15 lat więzienia, ale odsiedział tylko dwa.

W 1948 r. rozpoczęto odbudowę mostu. Wykorzystano niektóre elementy poprzednika, w tym filary, ich oceny technicznej dokonała firma Modjeski&Masters. Finansowanie ponownie oparto na systemie opłat za przejazd - w 1965 r. po spłaceniu zobowiązań zniesiono je. Nowa konstrukcja w odróżnieniu od poprzedniej jest niezwykle sztywna. Większość szczątków Galloping Gertie leży na dnie cieśniny i tworzy sztuczną rafę będącą ostoją bujnego życia.

Rosnący ruch sprawił, że w 1998 r. postanowiono wybudować równolegle do istniejącego następny most wiszący w taki sposób, aby każdym przebiegał jeden pas autostrady. Środki jezdni oddalone są o ok. 60 m. Po otwarciu nowego mostu tymczasowo będzie korzystała z niego większość pojazdów. Stary przejdzie modernizację - głównie, by zwiększyć jego odporność na trzęsienia ziemi.