Wie konnte eine Stahlbetonbrücke über die Meerenge so leicht vom Wind zerstört werden?

Brücken aus Stahlbeton sind sehr stabil, insbesondere solche Überseebrücken, die verschiedene „schwarze Technologien“ integrieren und starken Taifunen standhalten.

So ist beispielsweise unsere Hongkong-Zhuhai-Macao-Brücke für eine maximale Windstärke von Stufe 16 ausgelegt, das heißt, selbst ein Taifun der Stufe 16 kann ihr nichts anhaben. Wenn also eine Brücke über die Meerenge allein durch eine Brise einstürzt, was wäre der Grund dafür? Das Erste, was uns in den Sinn kam, war, dass es Qualitätsprobleme mit der Brücke gab. Aber tatsächlich gibt es eine solche Brücke. Von der Planung bis zur Ausführung gab es keine Probleme, doch vier Monate nach der Fertigstellung wurde das Gebäude leicht vom Wind zerstört. Diese Brücke ist die „Tacoma Narrows Bridge“. Tatsächlich schwankte diese Brücke seit ihrer Erbauung im Wind, doch die Menschen hatten nicht damit gerechnet, dass eine Brücke ohne offensichtliche Qualitätsmängel irgendwann einstürzen würde.

Warum wurde die Tacoma-Narrows-Brücke vom Wind zerstört? Grund hierfür ist ein strömungsmechanisches Phänomen namens „Karmansche Wirbelstraße“.

Was ist eine Karman-Wirbelstraße? Nehmen wir an, es gibt einen geraden Fluss, in dem das Wasser gleichmäßig vorwärts fließt. Was passiert, wenn wir einen Baumstamm in die Mitte des Flusses legen? Normalerweise geben wir folgende Antwort: Das Flusswasser wird sich aufgrund der Blockade des Baumstamms teilen, wobei ein Teil durch die linke Seite des Baumstamms fließt und der andere Teil durch die rechte Seite des Baumstamms. Nachdem das Wasser den Baumstamm gespalten und durchflossen hat, laufen die beiden Wasserströme wieder zusammen und fließen gleichmäßig weiter. Dies ist eine offensichtliche Antwort, aber sie entspricht unserem gesunden Menschenverstand und unserer Logik. Daher denken nicht nur wir so, sondern auch von Karmans Mentor Ludwig Plantl.

Um das Phänomen der laminaren Strömung zu untersuchen, bat Prandtl seine Studenten, ein Gerät zu bauen, das einem in die Mitte eines Baches gesteckten Baumstamm ähnelte. Doch egal, wie sehr er es verbesserte, es gelang ihm nicht, die imaginäre Situation einer Verzweigung und anschließenden Zusammenführung des Wasserflusses zu erzeugen.

Prandtl glaubte, dass das Versuchsgerät nicht perfekt konstruiert war, aber von Karman hatte seine eigene Meinung. Durch Beobachtung entdeckte von Karman, dass, wenn der Wasserfluss durch den Baumstamm blockiert wird, sich nach dem Durchfließen des Baumstamms ein Wirbel mit versetzter Bewegung bildet. Vereinfacht ausgedrückt fließt das Wasser schnell durch die linke Seite des Baumstamms und bildet nach dem Durchfließen einen nach unten gerichteten Wirbel. Dann fließt das Wasser schnell durch die rechte Seite des Baumstamms, drückt den zuerst gebildeten Wirbel weg und bildet dann einen nach oben gerichteten Wirbel. Auf diese Weise fließt das Wasser durch beide Seiten des Baumstamms und bildet Wirbel, die von den neu gebildeten Wirbeln weggedrückt werden. Von Karman nannte dieses Phänomen „Karman-Wirbelstraße“.

Das Auftreten der Karman-Wirbelstraße führt zu einem weiteren Phänomen, nämlich der Vibration der Baumstämme.

Warum vibrieren Baumstämme? Dies liegt am „Bernoulli-Prinzip“. Das Bernoulli-Prinzip besagt, dass in einer fließenden Flüssigkeit oder einem fließenden Gas der Druck umso geringer ist, je schneller die Flüssigkeit fließt, und umgekehrt der Druck umso größer ist, je langsamer die Fließgeschwindigkeit ist. Wenn das Karman-Wirbelstraßenphänomen auftritt, fließt das Wasser zunächst schnell von der linken Seite des Baumstamms. Zu diesem Zeitpunkt ist die Fließgeschwindigkeit auf der linken Seite des Baumstamms hoch, sodass der Druck gering ist, während die Fließgeschwindigkeit auf der rechten Seite langsam ist, sodass der Druck groß ist und der Baumstamm nach links gedrückt wird. Anschließend fließt das Wasser schnell durch die rechte Seite des Baumstamms, sodass der Druck auf der rechten Seite gering ist, während der Druck auf der linken Seite groß ist und der Baumstamm wieder nach rechts gedrückt wird. Durch das Zusammenspiel dieser linken und rechten Kräfte vibriert der Baumstamm.

Die Tacoma Bridge ist eine sehr spektakuläre Brücke über die Meerenge. Ihre Länge beträgt 1.524 Meter, die Breite des Brückendecks beträgt jedoch nur 11,9 Meter. Man kann sagen, dass die gesamte Brücke schmal und lang ist, was die erste versteckte Gefahr birgt, dass sie in Zukunft vom Wind zerstört wird.

Hängebrücken haben normalerweise auf beiden Seiten der Brücke Fachwerkträger. Dies ist eine Basiskonfiguration und die Tacoma-Narrows-Brücke bildet hier keine Ausnahme. Im ursprünglichen Entwurf war tatsächlich ein 7,6 Meter langer Fachwerkträger vorgesehen, doch aus finanziellen Gründen änderte der berühmte Hängebrückenkonstrukteur Moisev diesen in eine 2,4 Meter lange Stahlplatte. Moisev ist davon überzeugt, dass derartige Änderungen nicht nur die Baukosten der Brücke erheblich senken, sondern auch ihre Stabilität erhöhen können. Es besteht kein Zweifel, dass Moisevs Ansicht völlig richtig ist, er übersieht jedoch die Tatsache, dass Fachwerkträger die Eigenschaft haben, „luftdurchlässig“ zu sein, während Stahlplatten nicht luftdurchlässig sind.

Nicht lange danach wurde die Brücke gebaut. Die Stahlplatten auf beiden Seiten der Brücke blockierten den Luftdurchgang und es kam zum Karman-Wirbelstraßenphänomen. Die Brücke wackelt seit ihrer Fertigstellung ständig.

Obwohl die Brücke wackelte, hielten die Leute sie nicht für gefährlich. Stattdessen wurde es zu einer Touristenattraktion. Bis vier Monate später eines der Stahlseile riss, weil die Brücke zu lange gewackelt hatte. Die Brücke begann sich zu verziehen und stürzte schließlich ein. Nach dem Einsturz der Brücke wurde eine Untersuchung des gesamten Unfallhergangs durchgeführt. Es stellte sich heraus, dass es zwischen Entwurf und Ausführung keine Probleme gab, und so wurde beschlossen, es gemäß dem ursprünglichen Plan wieder aufzubauen. Zu diesem Zeitpunkt bemerkte auch von Karman diese Angelegenheit und führte Berechnungen durch. Die Ergebnisse zeigten, dass der Einsturz der Brücke unvermeidlich war, also schrieb er eilig einen Brief, um zu verhindern, dass derselbe Fehler noch einmal passierte.

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