Flutter Vulnerability Assessment of Flexible Bridges

Mannini, Claudio

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Bewertung der Verwundbarkeit schlanker Brücken und untersucht die aeroelastische Instabilität, das Flattern. Zwei wesentliche Beiträge werden geleistet. Zum einen wird der Performance-Based-Design-Ansatz auf den Grenzzustand der Tragfähigkeit bei Flattern angewandt. Hierbei werden die aeroelastischen Derivativa erstmalig als Zufallsvariabeln angenommen und das Flatterproblem durch Monte-Carlo-Simulationen probabilistisch betrachtet. Zur Datengewinnung wurden im CRIACIV Windkanal Experimente an einem als einfachen Hohlkastenträger ausgeführten Brückendeck durchgeführt. Die Experimente an diesem Querschnitt sowie an zwei Rechteckprismen lieferten interessante Ergebnisse. Der zweite Hauptbeitrag der Arbeit ist eine Vornormativstudie zur Bewertung des Flatterns, welche die bestehenden Normen hinsichtlich einer Risikominimierung verbessern soll. Das Ziel ist die Entwicklung einer vereinfachten Methode zur Abschätzung der kritischen Windgeschwindigkeit des Flatterns, ohne Windkanaltests durchführen zu müssen. Ein solches Werkzeug kann für Brückenbauingenieure beim Vorentwurf mittelweit gespannter, flexibler Brücken nützlich sein. Nach der durch zwei Fallstudien unterstützten Analyse der Beziehung zwischen multi- und bimodalem Ansatz werden Nährungsformeln hergeleitet, die nur drei aeroelastische Funktionen enthalten. Diese Vereinfachung wird durch eine große Anzahl struktureller und aerodynamischer Daten validiert. Abschließend wird eine große Anzahl von Flatterderivativa nach Einführung von Brückenquerschnittsklassen verglichen. Da die erwähnten vereinfachten Formeln die betrachteten aeroelastischen Funktionen auf drei reduzieren, ist ein genereller Ansatz möglich. Obwohl diese Arbeit nur ein erster Schritt in Richtung dieses ehrgeizigen Zieles ist, werden alle zu bewältigenden Schwierigkeiten angesprochen und interessante sowie viel versprechende Ergebnisse hervorgehoben.

This work focuses on the vulnerability assessment of flexible bridges with respect to the aeroelastic instability known as flutter and two main contributions can be remarked. First, the Performance-Based Design approach is applied to the collapse limit state due to flutter. For the first time flutter derivatives are considered as random variables and the flutter problem is approached in a probabilistic way via Monte-Carlo simulations. A single-box girder deck is experimentally studied in the CRIACIV wind tunnel in order to make available data for this particular analysis. Interesting results are obtained both for this section model and for two rectangular cylinders. The second main contribution of this work is a sort of pre-normative study concerning flutter assessment, which could be useful to enhance the codes, as a measure of risk mitigation. The final goal is the set-up of a simplified method to estimate the flutter critical wind speed without performing wind-tunnel tests. Such a tool could be very useful for bridge engineers, especially concerning medium-span flexible bridges and/or pre-design stages. The relationship between multimodal and bimodal approach to flutter is carefully analyzed and discussed, also with the support of two case studies, and then approximate formulas retaining only three aeroelastic functions are derived. This strong simplification is validated on the basis of a wide range of structural and aerodynamic data, showing its extensive applicability. Finally, a relatively large number of flutter derivative sets are compared according to the definition of a few classes of deck cross-sectional geometry. The previously mentioned simplified formulas, reducing to three the experimental functions to be accounted for, make possible an attempt of generalization. Although this is only a first step towards this ambitious goal, it shows all the difficulties which have to be overcome but also highlights some interesting and promising results.

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Mannini, Claudio: Flutter Vulnerability Assessment of Flexible Bridges. 2006.

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