Development of finite element models of long-span suspension bridges for the evaluation of equivalent static wind loads

The appropriate treatment of wind loads and, more in general, of loads induced on structures by the interaction between the structure itself and the fluid flow it is immerged in, is one of the most daunting tasks in structural engineering. This is due to a variety of reasons, among which we can quote the necessity of employing stochastic and probabilistic tools to determine the magnitude of such forces and the complexity of the physical models which are capable of describing in a sound manner the structural response to the aforementioned loads. This problem is particularly evident when complex problems must be examined and the usual analytical methods are unable to cope with the large number of variables, forcing researchers and professionals to rely on numerical tools which, in the world of structural engineering, usually means finite element analysis software. In order to simplify the analyses which involve wind-induced forces, it is common to exploit equivalent static wind loads. Such loads are able to reproduce the effects of the real, dynamic, wind loads as far a single structural response parameter, chosen by whomever may be carrying out the analysis, is concerned. Several theories have been developed in order to apply such technique, in order to increase the accuracy, reliability and speed of such analyses. Indeed, one of the greatest concerns in the engineering world and, more in general, in the scientific community, is the minimization of the required computational effort. Indeed, as procedures become quicker and more efficient, time and resources can be saved and redirected either to exploring the same problem at a deeper level, or at examining other issues. The physical and mathematical framework which underlies the theory of equivalent static wind loads will be discusses. This is aimed to examine methodologies to develop finite element models of long-span suspension bridges with the final goal of carrying out modal analyses. The identification of the features which influence the modal analysis is fundamental to understand how the model of such bridges must be built in order to examine how bridges respond to equivalent static wind loads.

La maniera più corretta per trattare I carichi indotti dal vento e, più in generale, dei carichi indotti sulla struttura dall’interazione fra la stessa e un fluido in cui sia immerso è uno dei problemi più ostici dell’ingegneria strutturale. Questo è dovuto a diverse ragioni, tra cui possiamo citare la necessità di impiegare strumenti di natura stocastica e probabilistica per determinare la grandezza di dette forze, nonché la complessità dei modelli fisici in grado di descrivere in modo affidabile la risposta strutturale a detti fenomeni. Questo problema è particolarmente palese quando bisogna esaminare problemi complessi e i soliti metodi analitici non possono gestire la grande quantità di variabili, costringendo i ricercatori e professionisti ad affidarsi a strumenti numerici, il che, di solito, significa software di analisi agli elementi finiti. Al fine di semplificare le analisi che coinvolgono forze eoliche, è pratica comune impiegare forze statiche equivalenti. Tali carichi sono in grado di riprodurre gli effetti delle forze eoliche reali dinamiche relativamente a un parametro di risposta strutturale determinato dall’analista. Sono state sviluppate diverse teorie per applicare questa tecnica al fine di migliorare l’accuratezza, affidabilità e velocità delle analisi. Invero, uno dei più significativi problemi del mondo ingegneristico e, più in generale, della comunità scientifica, è la minimizzazione dell’onere computazionale richiesto. Difatti, a mano a mano che le procedure si fanno più veloci ed efficienti, tempo e risorse possono essere risparmiati e deviati sull’approfondire il problema o sull’esaminare altre questioni. Saranno esaminate le basi fisiche e matematiche che soggiacciono alla teoria delle forze statiche equivalenti. Questo è mirato al valutare metodologie per sviluppare modelli agli elementi finiti di ponti sospesi con grandi campate per effettuare analisi modale. L’identificazione dei parametri che più influenzano le analisi modali è fondamentale per capire come I modelli di questi ponti possano essere costruiti al fine di esaminare come I ponti rispondano a carichi statici equivalenti.