Assessment and Mitigation of Wind Risk of Suspended-Span Bridges

Salvatori, Luca

Im Rahmen des Risikomanagements befasst sich diese Arbeit mit der Vulnerabilität flexibler Brücken unter auftretender Windbelastung. Im Besonderen werden die Risiken der aeroelastischen Instabilitäten und der „Buffeting“-Schwingungen in Gegenwart selbsterregender Phänomene analysiert. Es wird ein Berechnungsansatz entwickelt, der auf halb-empirischen Querschnittsmodellen für die Windlasten und auf einer 3D-FE-Diskretisierung der Struktur basiert. Der Berechnungsansatz bietet ein grundlegendes Werkzeug zur Bewertung der Windgefahr und wird verwendet, um das Verhalten einer Brücke unter starken Windbelastungen besser zu verstehen und um Ausführungslösungen zu vergleichen. Ein Modell für instationäre Windlasten im Zeitbereich wird aus den Grundmodellen der Indizialfunktionen abgeleitet. Einige Ungenauigkeitsprobleme der Literaturmodelle werden gelöst und die Kompatibilität mit dem quasistationären Grenzwert wird sichergestellt. Es wird eine numerische Berechnung zur Bestimmung der Lastmodellkoeffizienten aufgrund experimenteller Windkanaldaten vorgeschlagen, ausgeführt und validiert. Analysen mit strukturellen Nichtlinearitäten und Dämpfungsvorrichtungen werden durch die entwickelte Methode ermöglicht. Die Auswirkungen der Windkohärenz, der Durchschnittsverformungen und der strukturellen Nichtlinearitäten der Belastung und der Struktur auf die aeroelastiche Stabilität und auf die „Buffeting“-Antwort werden quantifiziert. Abschließend werden Vorschläge zur Abminderung des Windrisikos diskutiert. Ein risikobasierter Vergleich möglicher Lösungen, wie gekreuzte Aufhänger, sekundäre Kabel mit gegensätzlicher Krümmung und Schwingungsdämpfer, wird am Beispiel einer Hängebrücke durchgeführt. Die Ergebnisse, in Abhängigkeit der jährlichen Wahrscheinlichkeit eines Einsturzes und der erwarteten Anzahl von Tagen der Verkehrschließung, erlauben, sich fuer ein Design zu entscheiden. Erfolgversprechende Ergebnisse werden bei der Simulation der Brücken mit Schwingungsdämpfern erhalten.

Within the general framework of risk management, the vulnerability of flexible bridges under wind action is addressed. Particular attention is paid to the risk of aeroelastic instabilities and buffeting oscillations in presence of self-excited phenomena. A computational framework based on semi-empirical cross-sectional models for the wind loading and on the three-dimensional finite-element discretization of the structure is developed. This represents a basic tool for assessing wind risk and it is used to obtain some results in the understanding of bridge behaviour under wind storms and in the comparison of different design solutions. A time-domain model for unsteady wind loading is derived as a development of indicial function load models. Some inaccuracy issues of literature models are solved and the consistency with the quasi-steady limit is ensured. A numerical procedure for identifying the load model coefficients from wind tunnel experimental data in such a way that the reliability of the measured quantities is accounted for is proposed, implemented, and validated. Analyses including structural nonlinearities and damping devices are made possible by the developed time-domain methods. The effects on aeroelastic stability and buffeting response of along-span wind coherence, mean deformations, and load and structural nonlinearities are quantified. Finally, mitigation strategies against aeroelastic instability and excessive buffeting oscillations are discussed. A risk-based comparison of some possible solutions is performed in the special case of a suspension bridge. Crossed hangers, secondary cables with opposed curvature, and tuned mass control devices are considered. The results, rendered in terms of yearly probability of collapse and expected number of days of closure to traffic, easily allow a cost-benefit analysis for deciding among different designs. Interesting results are obtained from the simulation of bridges controlled by tuned mass devices.

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Salvatori, Luca: Assessment and Mitigation of Wind Risk of Suspended-Span Bridges. 2007.

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