Long span bridges under wind actions / A non-linear fluid force model

Institut für Stahlbau
Baro, Laura

Building new bridges is a primary factor in order to overcome obstacles and improve the connecting system of a site. The development of new technologies and materials has led to the construction of bridges characterized by high flexibility, low structural damping and lightness, thus very sensitive to wind actions. The importance of a careful analysis of wind effects on such kind of structures, in particular the assessment of the aerodynamic behaviour, is therefore reaffirmed. In this thesis the vulnerability assessment of aeroelastic instability and buffeting oscillations are extensively investigated. The computation of self-excited force is usually performed through models based on coefficients evaluated by means of wind tunnel tests in smooth flow at a fixed value of the mean angle of attack. Several works have underlined how strong is the dependence of flutter derivatives with respect to the angle of attack. Furthermore flutter threshold is performed neglecting the effects due to the turbulent characteristics of the atmospheric flow. The development of a new force model able to predict the self-excited component of unsteady wind loads is here presented, taking into account also the effects produced by the presence of turbulence in order to investigate the above presented problems. The proposed time domain analysis framework is an improvement of the impulse response function load model that incorporates frequency dependent parameters of the load using the rational function technique. A cable stayed bridge, recently built over the Adige river in Italy, is taken as a case study. Two different solutions of the deck section are designed and tested. A comparison between such solutions pointed out the important role played by the aerodynamic behaviour of the deck section. Furthermore, also the comparison between the response obtained with conventional linear approach and the one with the proposed nonlinear framework, outlined the importance of turbulence effects.

Brücken sind ein wichtiger Bestandteil der Verkehrswege. Das Bestreben, immer schlankere Brücken mit immer größeren Spannweiten zu bauen, führt zu Brücken mit geringer Strukturdämpfung. Diese Entwicklung hat zur Folge, dass die Brücken sehr empfindlich auf Windlasten reagieren. Deshalb ist die sorgfältige Untersuchung der Windwirkung auf solche Bauwerke besonders wichtig. In der hier vorgestellten Arbeit wird die Vulnerabilität von Brücken gegenüber aerodynamischer Instabilität und Flatterschwingungen untersucht. Zur Berechnung der selbsterregten Schwingungen werden in der Regel Rechenmodelle in Verbindung mit Windkanalversuchen verwendet. Die Flatterderivativa werden, bei diesen Versuchen, in glatter Strömung für einen festen, mittlernen Anströmwinkel ermittelt. Eine Vielzahl von Untersuchungen zeigt die große Abhängigkeit der Flatterderivativa vom Anströmungswinkel. Außerdem wird die Turbulenz des natürlichen Windes bei der Berechnung der Flatterwindgeschwindigkeit nicht berücksichtigt. Deshalb soll hier die Entwicklung eines neuen Modells zur Ermittlung der selbsterregenden, instationären Windkräfte vorgestellt werden, das auch die Turbulenz des Windes berücksichtigt. Der dafür vorgeschlagene Ansatz im Zeitbereich ist eine Weiterentwicklung des Impulsantwortfunktionsmodells, das mit Hilfe rationaler Funktionen den frequenzabhängigen Anteil der Windkräfte berücksichtigt. Abschließend wird mit einer Fallstudie die Bedeutung der aerodynamischen Eigenschaften einer Brücke untersucht. Als Beispiel dient eine neue Schrägseilbrücke in Italien über den Adige. Für diese Brücke werden zwei unterschiedliche Brückenquerschnitte untersucht. Die Antwort beider Querschnitte auf die Windkräfte wird sowohl mit einem konventionellen, linearen Ansatz als auch mit dem hier vorgestellten nichtlinearen Ansatz berechnet. Die Untersuchung zeigt die Bedeutung der Turbulenz des natürlichen Windes auf das Flatterverhalten der Brückenquerschnitte.


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