Active tendon control of suspension bridges

It is known that vibrational problems on big structures can be very critic, dangerous and difficult to attenuate; especially suspension bridges, for their slender design and intrinsic low damping can have a problematic dynamic behavior. These types of structures are in fact submitted to several different types of excitation: wind, earthquakes, traffic or human induced vibrations. Until today mostly passive control techniques are used to dampen critical vibrations due to their limited costs and sufficient performances. Active control solutions may be necessary for the design of next generation extra-long suspension bridges, structural control during construction process or as remedies for especially critical already built bridges. The aim of this work is to test the performances and feasibility of active tendons control on suspension bridges. This study is related to a case study of the Seriate Footbridge which has a critical dynamic behavior caused by pedestrian excitation. The starting points of this work are the measurements done on this bridge and the requirement of adding damping to the third and fourthbending mode of the bridge. First of all, a finite element model of the bridge is made in order to study and understand the dynamic behavior of the structure. Afterwards, always through numerical simulations, the active cable solution is implemented on the Seriate Footbridge. The active part of the cable is designed with a displacement actuator co-linear to a force sensor. Thus the best configuration of the damping technique was studied. An experimental setup is then designed to validate the approach and the modeling used in the simulation for general suspension bridges. The mock-up construction is shown and several measurements are reported to quantify the performance of the active solution. Finally, experiments are compared to the numerical model in order to verify their reliability.

Molte grandi strutture civili sono soggette a elevate sollecitazioni dinamiche e richiedono una accurata progettazione affinché quest'ultime non diventino problematiche. A causa della loro snellezza e basso smorzamento strutturale, i ponti sospesi hanno un comportamento dinamico particolarmente critico. Queste strutture sono infatti soggette a diversi tipi di eccitazione esterna: vento, terremoto, traffico o sollecitazioni dovute alla camminata umana. Fino ad oggi le tecniche di controllo più utilizzate sono dispositivi di tipo passivo, caratterizzati da performance soddisfacenti e costi minori. Soluzioni di controllo attive però potrebbero risultare necessarie nei progetti di ponti sospesi di grandi dimensioni, per il controllo strutturale durante la loro costruzione, oppure come rimedio per opere già costruite particolarmente critiche. L'obiettivo di questo studio è di verificare le prestazioni e la fattibilità del controllo mediante stralli attivi di ponti sospesi. Questo lavoro è legato allo studio di una passerella pedonale costruita a Seriate (BG), che è soggetta a elevate accelerazioni verticali durante il passaggio dei pedoni. Sono state fornite le misure sperimentali fatte sul ponte, richiedendo di smorzare principalmente il terzo e quarto modo di vibrare. E’ stato creato un modello a elementi finiti del ponte in modo tale da studiare e capire il comportamento dinamico della struttura. Successivamente, sempre con simulazioni numeriche, è stata testata la tecnica di controllo, che consiste nell'aggiunta di cavi di acciaio e di opportuni attuatori. Successivamente si é studiata la migliore configurazione e posizione dei cavi per avere maggior efficienza. E’ stato quindi progettato e realizzato un modello in scala di un ponte sospeso, in modo da validare la tecnica di controllo, non solo per la passerella di Seriate, ma anche per ponti di più grandi dimensioni. Sono riportate le diverse fasi di costruzione del modellino e, successivamente, le diverse misurazioni fatte per quantificare le prestazione del sistema di controllo. Infine, gli esperimenti sono confrontati con le simulazioni numeriche per poter verificare la loro affidabilità.