Experimental and numerical aerodynamic investigation of Rio Ozama cable stayed bridge in stand-alone and tandem configuration

Lo studio dell’aerodinamica è un passo fondamentale per il progetto preliminare di un ponte, tanto quanto il calcolo strutturale. Per evitare instabilità di tipo aeroelastico (galloping,flutter), individuare le velocità critiche che possono innescare vibrazioni indotte dai vortici di scia (VIV), i relativi smorzamenti necessari per limitarle e conoscere con precisione i carichi aerodinamici statici, è necessario un attento design della sezione del ponte; la problematica delle vibrazioni indotte dal vento(VIV e flutter) è acuita per ponti strallati e sospesi, data la loro lunghezza e inevitabile flessibilità. Questa tesi è parte di un progetto che la Galleria del Vento di Milano ha condotto sullo studio aerodinamico di un ponte ferroviario strallato, attualmente in costruzione sul fiume Rio Ozama a Santo Domingo. La problematica atipica di questo tipo di studio è la presenza di un ponte stradale a travatura reticolare (Puente Francisco del Rosario Sanchez) distante circa 10 m dal ponte in esame; per questa ragione è stato necessario condurre specifici test per verificare l’interazione aerodinamica dei due ponti in configurazione sopravento e sottovento. La tesi si focalizza su un’ analisi CFD (con il codice non commerciale OpenFOAM), condotta al fine di investigare i dati sperimentali : lo studio è stato rivolto alla determinazione delle polari statiche di due delle sezioni provate nella Galleria del Vento (la prima denominata P0 e la sezione finale P3A) nelle tre configurazioni (singolo, sopravento e sottovento) e all’analisi del distacco dei vortici di scia con il confronto dei numeri di Strouhal ricavati con i due metodi. L’ interazione tra i due ponti genera forti variazioni di forze aerodinamiche sul nuovo ponte: nell’ analisi numerica per la modellizzazione della travatura reticolare del ponte preesistente si è scelto di riprodurne gli effetti aerodinamici tramite due modelli semplificati: tramite un modello a Porosità Equivalente e uno ad Actuator Line. Per limitare il numero di celle, necessarie per produrre risultati attendibili, e limitare di conseguenza il costo computazionale si è optato per modelli RANS e URANS sia su griglie bidimensionali che tridimensionali.

The study of aerodynamics plays a vital role for the preliminary design of a bridge, alongside the structural analysis. Great attention must be paid for the shape of the bridge deck section to avoid aeroelastic instability (galloping,flutter), to identify vortex induced vibrations (VIV) critical wind speeds, to precisely know aerodynamics static loads. This master thesis is part of a project conducted by the Politecnico di Milano Wind Tunnel focused on the aerodynamic characterization of a cable stayed bridge currently under construction over the river Rio Ozama in Santo Domingo. The main issue of this study is represented by the presence of another road bridge with truss structure (Puente Francisco del Rosario Sanchez) which is only 10 m distant from the new one: for this reason specific analysis had to be carried out to verify aerodynamic interactions between the two bridges in tandem configuration, upwind and downwind. At a later stage a CFD analysis was conducted (with the non-commercial code OpenFOAM) to investigate the results obtained through wind tunnel tests: the research was targeted to the evaluation of the steady force coefficients of two main sections (the initial one "P0" and the optimized one "P3A"), to verify the Strouhal numbers obtained by the vortex shedding analysis and the main flow velocity profile around the "P3A" section. The aerodynamic interaction between the two bridges produces large variations of the forces acting on the new bridge deck section. During CFD simulations, to reproduce the aerodynamic effects of the truss structure of the existing bridge, two simplified models were tested: an Equivalent Porosity model and an Actuator Line model. Both 2D and 3D grids were used alongside RANS and URANS models to achieve good results with a limited computational cost.