Dynamic structural instability in suspension bridges, with particular attention to the Tacoma Narrows Bridge

The Tacoma Narrows Bridge disaster in 1940 is probably the most famous accident in the history of civil engineering. Many possible explanations were proposed, but still nowadays the cause of the torsional motion that led to the collapse is uncertain and origin of debates. In the last years a new explanation came out, concerning the possibility of an internal structural resonance independent from the wind action. In the wake of this, several models have been developed, with different approaches and complexities, but all with the fundamental question of how to consider the hangers action on the deck. In the present work, after going through the statics of suspension bridges, we develop a dynamic isolated model which takes into account not only the flexibility of the hangers but also the possibility for them to be subjected to slackening. This last feature is modelled by modifying the linear elastic constitutive law of the hangers into a nonlinear behaviour function. With this model we observe the emergence of a torsional instability when the deck is subjected to vertical oscillations. We also study the influence of some parameters on the response of the bridge. This research would be the starting point for future analysis with more refined models and the directly inclusion of wind action, to allow a better knowledge of the phenomenon and the development of practice solutions.

Il disastro del Ponte di Tacoma Narrows nel 1940 `e probabilmente l’incidente pi`u famoso della storia dell’ingegneria civile. Molte possibili spiegazioni sono state proposte, per`o la causa del moto torsionale che port`o al collasso `e, ancora oggi, incerta e origine di dibattiti. Negli ultimi anni `e stata proposta una nuova spiegazione, basata sulla possibilit` a di una risonanza strutturale interna indipendente dall’azione del vento. In seguito, diversi modelli sono stati sviluppati, ognuno con approcci e complessit`a differenti, ma tutti caratterizzati dal problema di come considerare l’azione dei pendini sull’impalcato. Nel presente lavoro, partendo dalla statica dei ponti sospesi, si sviluppa un modello dinamico ed isolato che tiene conto non solo della flessibilit`a dei pendini ma anche della possibilit`a che siano soggetti al fenomeno dello “slackening”. Quest’ultima caratteristica viene modellata modificando la legge di comportamento da elastica lineare in una funzione non lineare. Con questo modello si osserva l’innesco di un’instabilit`a torsionale quando l’impalcato `e soggetto a oscillazioni verticali. Si studia anche l’influenza di alcuni parametri sulla risposta del ponte. Questa ricerca offre uno spunto per eventuali analisi future con modelli pi`u raffinati e l’inclusione diretta dell’azione del vento, al fine di permettere una migliore conoscenza del fenomeno e lo sviluppo di soluzioni pratiche.