Tin song ngữ

  1. Tin tức song ngữ Anh-Việt
  2. Chuyên ngành Kỹ thuật
  3. Hạ tầng - Kỹ thuật
  4. Cầu Thiên niên kỉ - Cây cầu lung lay ở London

Cầu Thiên niên kỉ - Cây cầu lung lay ở London

22/10/2018
Mức trung cấp

THE BRIDGE THAT SWAYED

When the London Millennium footbridge was opened in June 2000, it swayed alarmingly. This generated huge public interest and the bridge became known as London’s “wobbly bridge”.The Millennium Bridge is the first new bridge across the river Thames in London since Tower Bridge opened in 1894, and it is the first ever designed for pedestrians only. The bridge links the City of London near St Paul’s Cathedral with the Tate Modern art gallery on Bankside.

The bridge opened initially on Saturday 10th June 2000. For the opening ceremony, a crowd of over 1,000 people had assembled on the south half of the bridge with a band in front. When they started to walk across with the band playing, there was immediately an unexpectedly pronounced lateral movement of the bridge deck. “It was a fine day and the bridge was on the route of a major charity walk,” one of the pedestrians recounted what he saw that day. “At first, it was still. Then it began to sway sideways, just slightly. Then, almost from one moment to the next, when large groups of people were crossing, the wobble intensified. Everyone had to stop walking to retain balance and sometimes to hold onto the hand rails for support.” Immediately it was decided to limit the number of people on the bridge, and the bridge was dubbed the ‘wobbly’ bridge by the media who declared it another high-profile British Millennium Project failure. In order to fully investigate and resolve the issue the decision was taken to close the bridge on 12th June 2000.

Arup, the leading member of the committee in charge of the construction of the bridge, decided to tackle the issue head on. They immediately undertook a fast-track research project to seek the cause and the cure. The embarrassed engineers found the videotape that day which showed the center span swaying about 3 inches sideways every second and the south span 2 inches every 1.25 seconds. Because there was a significant wind blowing on the opening days (force 3-4) and the bridge had been decorated with large flags, the engineers first thought that winds might be exerting excessive force on the many large flags and banners, but it was rapidly concluded that wind buffeting had not contributed significantly to vibration of the bridge. But after measurements were made in university laboratories of the effects of people walking on swaying platforms and after large-scale experiments with crowds of pedestrians were conducted on the bridge itself, a new understanding and a new theory were developed.

The unexpected motion was the result of a natural human reaction to small lateral movements. It is well known that a suspension bridge has tendency to sway when troops march over it in lockstep, which is why troops are required to break step when crossing such a bridge. “If we walk on a swaying surface we tend to compensate and stabilise ourselves by spreading our legs further apart but this increases the lateral push”. Pat Dallard, the engineer at Arup, says that you change the way you walk to match what the bridge is doing. It is an unconscious tendency for pedestrians to match their footsteps to the sway, thereby exacerbating it even more. “It’s rather like walking on a rolling ship deck you move one way and then the other to compensate for the roll.” The way people walk doesn’t have to match exactly the natural frequency of the bridge as in resonance the interaction is more subtle. As the bridge moves, people adjust the way they walk in their own manner. The problem is that when there are enough people on the bridge the total sideways push can overcome the bridge’s ability to absorb it. The movement becomes excessive and continues to increase until people begin to have difficulty in walking they may even have to hold on to the rails.

Professor Fujino Yozo of Tokyo University, who studied the earth-resistant Toda Bridge in Japan, believes the horizontal forces caused by walking, running or jumping could also in turn cause excessive dynamic vibration in the lateral direction in the bridge. He explains that as the structure began moving, pedestrians adjusted their gait to the same lateral rhythm as the bridge; the adjusted footsteps magnified the motion just like when four people all stand up in small boat at the same time. As more pedestrians locked into the same rhythm, the increasing oscillation led to the dramatic swaying captured on film until people stopped walking altogether, because they could not even keep upright.

In order to design a method of reducing the movements, an immediate research program was launched by the bridge’s engineering designer Arup. It was decided that the force exerted by the pedestrians had to be quantified and related to the motion of the bridge. Although there are some descriptions of this phenomenon in existing literature, none of these actually quantifies the force. So there was no quantitative analytical way to design the bridge against this effect. The efforts to solve the problem quickly got supported by a number of universities and research organisations.

The tests at the University of Southampton involved a person walking on the spot on a small shake table. The tests at Imperial College involved persons walking along a specially built, 7.2m-long platform, which could be driven laterally at different frequencies and amplitudes. These tests have their own limitations. While the Imperial College test platform was too short that only seven or eight steps could be measured at one time, the “walking on the spot” test did not accurately replicate forward walking, although many footsteps could be observed using this method. Neither test could investigate any influence of other people in a crowd on the behavior of the individual tested.

The results of the laboratory tests provided information which enabled the initial design of a retrofit to be progressed. However, unless the usage of the bridge was to be greatly restricted, only two generic options to improve its performance were considered feasible. The first was to increase the stiffness of the bridge to move all its lateral natural frequencies out of the range that could be excited by the lateral footfall forces, and the second was to increase the damping of the bridge to reduce the resonant response.

Source: Actual Test

 

 

Cây cầu lung lay ở London

Khi cây cầu Thiên niên kỉ London được mở cửa vào tháng 6 năm 2000, nó lung lay đến mức báo động. Điều này thu hút sự quan tâm khổng lồ của công chúng và cây cầu được biến tới với tên cầu “lung lay” của London.

Cầu Thiên niên kỉ là cây cầu đầu tiên bắt qua sông Thames ở London kể từ khi cầu Tháp mở cửa vào năm 1894, và cũng là cây cầu đầu tiên được thiết kế chỉ dành cho người đi bộ. Cây cầu nối Nhà thờ thánh Paul của thành phố London với phòng trưng bày nghệ thuật hiện đại Tate ở quận Bankside.

Cây cầu ban đầu được mở cửa vào thứ Bảy ngày 10 tháng 6 năm 2000. Để làm lễ mở cửa, một đám đông gồm hơn 1,000 người đã tập hợp ở phía nam cây cầu, dẫn đầu là một ban nhạc. Khi họ bắt đầu sang cầu và ban nhạc chơi nhạc thì ngay lập tức có một dao động rõ rệt không ngờ trước theo phương ngang của mặt cầu. “Hôm đó là một ngày đẹp trời và cây cầu nằm trong lịch trình của một cuộc diễu hành từ thiện lớn,” một trong số những người đi bộ kể lại về những gì anh ta thấy hôm đó. “Lúc đầu, cây cầu bất động. Rồi nó bắt đầu lung lay hai bên, chỉ hơi hơi. Rồi bỗng dưng, khi có một đám đông bước qua, mức độ lung lay tăng mạnh hơn. Mọi người phải dừng để lấy lại thăng bằng và đôi khi để nắm lấy lan can để đứng vững.” Ngay sau đó người ta quyết định giới hạn số người qua cầu, và cây cầu được gán cái tên cầu ‘Lung lay’ bởi giới truyền thông cho rằng nó lại là một Dự án Thiên niên kỉ thu hút nhiều sự chú ý của Anh thất bại. Để điều tra tận gốc và giải quyết vấn đề, đã có quyết định đóng cửa cầu vào ngày 12 tháng 6 năm 2000.

Arup, thành viên chủ chốt của ủy ban chịu trách nhiệm xây dựng cầu, quyết định giải quyết vấn đề trực diện. Họ ngay lập tức tiến hành một dự án cấp tốc để tìm nguyên nhân và giải pháp. Những kĩ sư đang hổ hẹn này đã tìm thấy đoạn băng hôm đó ghi lại cảnh nhịp cầu trung tâm lung lay khoảng 3 inch hai bên mỗi giây và và nhịp phía nam thì khoảng 2 inch mỗi 1.25 giây. Bởi vì có gió mạnh thổi vào những ngày mở cửa (sức gió 3-4) và cây cầu được trang trí với nhiều lá cờ lớn, các kĩ sư ban đầu nghĩ rằng có thể gió tác dụng một lực đáng kể lên số lượng lớn những cây cờ và banner, nhưng rồi họ nhanh chóng kết luận rằng sức gió không có đóng góp đáng kể lên sự rung của cây cầu. Nhưng sau khi các phép đo được thực hiện trong phòng thí nghiệm về ảnh hưởng đối với những người đi bộ trên mặt cầu lung lay và sau những thí nghiệm quy mô lớn với những đám đông người đi bộ thực hiện trên chính cây cầu được tiến hành, một cách hiểu mởi và một giả thuyết mới đã được hình thành.

Những dao động không ngờ trước là kết quả của một phản xạ tự nhiên của con người đối với dao động nhẹ từ hai phía. Người ta biết rằng một cây cầu treo có xu hướng lung lay khi binh lính bước đều diễu hành qua nó, đây chính là lí do vì sao binh lính ngừng bước đều khi qua cây cầu loại này. “Nếu chúng ta bước đi nên một bề mặt lung lay, chúng ta cân bằng và giữ ổn định bản thân bằng cách dang hai chân rộng ra thêm nhưng việc này lại càng làm tăng lực theo phương ngang. Pat Dallard, một kĩ sư tại Arup, nói rằng bạn thay đổi cách mình bước đi theo cây cầu. Xu hướng vô thức của người đi bộ là bước đi giống với sự lung lay, do đó càng làm lung lay nhiều hơn. “Nó khá giống như khi đi trên một boong tàu đang đung đưa bạn đi bên này sang bên kia để bù lại cho sự đung đưa đó. Cách người ta đi không cần phải hoàn toàn giống với tần số tự nhiên của cây cầu bởi vì trong cộng hưởng thì sự tương tác khó thấy hơn. Khi cây cầu di chuyển, người ta tự mình đổi cách đi. Vấn đề là khi có đủ số lượng người trên cầu thì tổng hợp lực ở hai bên có thể vượt quá mức mà cây cầu có thể hấp thụ. Dao động nhiều lên và tiếp tục tăng cho đến khi người ta thấy khó đi, thậm chí phải nắm lấy lan can.

Giáo sư Fujino Yozo của Đại học Tokyo, người nghiên cứu cầu Toda chống động đất ở Nhật, tin rằng lực nằm ngang gây ra bởi bước đi, chạy hay nhảy có thể gây ra rung động lớn theo phương ngang cây cầu. Ông giải thích rằng khi cấu trúc bắt đầu di chuyển, người đi bộ điều chỉnh dáng đi của họ theo nhịp dao động ngang của cây cầu; bước đi đã bị thay đổi làm tăng cường dao động giống như khi 4 người đồng loạt đứng lên trên một chiếc thuyền. Khi càng nhiều người đi bộ đi cùng nhịp, dao động tăng dần đã dẫn tới sự lung lay đáng kể quay được trên phim cho đến khi người ta dừng đi bởi vì họ thậm chí không thể đứng vững nữa.

Để thiết kế ra một biện pháp giảm dao động, một dự án nghiên cứu trực tiếp đã được tiến hành bởi Arup, thiết kế kĩ thuật chính của cây cầu. Người ta quyến định rằng lực gây ra bởi người đi bộ phải được định lượng và tìm mối quan hệ với dao động của cây cầu. Mặc dù có nhiều mô tả về hiện tượng này trong những ghi chép có sẵn, vẫn chưa có văn bản nào thực sự định lượng lực tác dụng. Nên không có cách phân thích định lượng nào để thiết kế cầu chống lại hiệu ứng này. Nỗ lực giải quyết vấn đề đã nhanh chóng nhận được sự ủng hộ từ nhiều trường đại học và tổ chức nghiên cứu.

Thí nghiệm tại Đại học Southampton gồm một người đi trên một cái bàn trung nhẹ. Thí nghiệm tại Đại học Hoàng gia gồm nhiều người bước đi nên một mặt phẳng dài 7.2m được xây dựng đặv biệt, có thể dao động theo phương ngang ở nhiều tần số và biên độ khác nhau. Các thí nghiệm này gặp những giới hạn riêng. Trong khi mặt phẳng dùng trong thí nghiệm của Đại học Hoàng gia thì quá ngắn nên chỉ có thể đo đạc được 7 hay 8 bước 1 lúc, thí nghiệm “bước tại chỗ” thì không hoàn toàn giống bước đi tới trước, mặc dù có thể quan sát được nhiều bước khi sử dụng phương pháp này. Cả hai thí nghiệm đều không thể nghiên cứu bắt cứ ảnh hưởng của đám đông lên hành vi của đối tượng đang được thí nghiệm.

Kết quả thí nghiệm đã cung cấp thông tin giúp thúc đẩy quá trình tạo ra thiết kế ban đầu của một bộ phận hỗ trợ. Tuy nhiên, trừ phi lượng người qua cầu bị giới hạn đáng kể, chỉ có hai biện pháp để cải thiện tình hình được xem là khả thi. Biện pháp đầu tiên là tăng độ cứng cây cầu để cách li tần số ngang tự nhiên khỏi khu vực có thể bị kích thích do lực ngang tạo ra bởi bước chân và biện pháp thứ hai là tăng độ hấp thụ dao động của cây cầu để giảm tác dụng do cộng hưởng.

Dịch bởi: Phan Hồ Bảo Vy

 

bài viết đặc sắc trong tháng 11/2018

Khai giảng lớp học luyện thi IELTS cấp tốc học Full Time | Download Lộ trình học Miễn Phí

Lớp học luyện thi đầy đủ 4 kỹ năng Nghe-Nói-Đọc-Viết để chuẩn bị cho kỳ thi IELTS vào khoảng tháng 8 và tháng 11 sẽ được khai giảng ngay trong tháng 5 năm 2018 với sự dẫn dắt trực tiếp…

Có thể bạn quan tâm

Tin cùng chuyên mục