Procedura Iterativa nell'analisi dell'interazione dinamica veicoli-struttura : applicazione al tunnel flottante sullo Stretto di Messina

The objective of the present work is to develop an algorithm for dynamic vehicle-track-structure-interaction (VTSI) analysis, applicable to vehicles passing through a prototype of Submerged Floating Tunnel. Generally, vehicles moving along a bridge transmit a set of forces to the infrastructure itself that may vary in modulus and in time, producing vibrations. These vibrations are affected by two key factors: the interaction between the bridge and the vehicle, unknown a priori, that work as mechanical systems with their own characteristics in term of stiffness, mass and damping, and the roughness of the road, that plays a major role in the dynamic process. Interaction implies that the two systems cannot be considered as stand-alone or independent, because at the same time each one of them influences the response of the other. In particular, when the vehicle is moving along the bridge, the latter deflects and changes configuration, causing a variation in terms of velocity and displacements at the contact points with the former. Pavement roughness takes part in this process as well, by assigning a specific contribution to the motion, and this causes contact forces to impose a new configuration of the bridge. A perfect contact between the bridge and the vehicle is assumed for the study of this mechanism. A reasonable approximation of the overall response can be obtained when sufficiently accurate models of bridge, vehicle and roughness are adopted. An accurate response of the bridge is the main interest for a civil engineer, however it is extremely important to balance the level of modelling refinement of each component: while the bridge is described by a finite element model, in principle identical to the one adopted in design, the vehicle is modelled with the minimum level of refinement to obtain a realistic dynamic interaction. Mathematically, VTSI can be represented as a system of two sets of equations of motion, for the train and bridge subsystems. There are different approaches to solve the problem. In the present work, an uncoupled approach will be presented. The system of equations of motion for the bridge and the vehicles will be obtained by writing a set of Lagrange equations. Then, the system obtained will be split in two systems of intrinsically dependent equations which cannot be integrated separately. To solve the uncoupled problem a step-by-step integration procedure can be used. The algorithm developed in the present work, making use of the programming language FORTRAN, can solve the VTSI through an iterative step-by-step procedure called WTH (Whole Time History). The Fortran code called INTER v.6.0 can solve the equations of motion of vehicles, apply the dynamic contact forces and solve the structure through the commercial finite element software ANSYS Mechanical. Using the code INTER 6.0, the prototype of the Submerged Floating Tunnel situated in Messina Strait will be analysed showing all numerical results.

L’interazione dinamica che avviene tra un ponte ed i veicoli viaggianti su di esso comporta una serie di effetti che sono oggetto di studio nel campo dell’ingegneria civile, meccanica e dei trasporti. Dal punto di vista dell’ingegneria civile si utilizzano dei modelli molto raffinati per simulare il comportamento della struttura e meno raffinati per simulare il comportamento del veicolo; mentre dal punto di vista dell’ingegneria meccanica si predilige porre attenzione al comportamento del veicolo. L’utilizzo di modelli capaci di descrivere fedelmente il comportamento dei due sistemi (veicolo - struttura) mette in evidenza tutti i fenomeni che si innescano durante la loro interazione. Quando un generico veicolo transita su un ponte, questo si deforma per effetto del peso che lo attraversa. Le ruote del veicolo seguono le deformazioni del ponte e di conseguenza le masse costituenti il veicolo iniziano ad oscillare generando delle forze di contatto dinamiche di entità superiore a quelle statiche. Altro fattore che bisogna tenere in conto è la rugosità della superficie stradale che influenza significativamente il valore delle forze di contatto e il moto del veicolo. Un eccessivo incremento delle forze di contatto può provocare un precoce deterioramento della superficie stradale e una ripercussione sulla vita utile del ponte. D’altra parte eccessive vibrazioni della struttura possono compromettere la sicurezza e il comfort di guida. Il problema di interazione veicolo - struttura può essere descritto matematicamente attraverso due sistemi di equazioni differenziali ordinarie riguardanti il veicolo e la struttura. La risposta dei due sistemi (veicolo e struttura) non può essere valutata separatamente, quindi il problema risulta intrinsecamente accoppiato. Numerosi autori si sono occupati della formulazione e successiva integrazione delle equazioni del problema accoppiato. L’onere computazionale del problema è strettamente legato alla tipologia di risoluzione e alla complessità dei modelli di veicoli e di struttura. Ognuna delle soluzioni proposte dai vari autori presenta vantaggi e svantaggi. L’utilizzo di una procedura iterativa può comportare un elevato onere computazionale, ma la possibilità di poter disaccoppiare le equazioni del moto ed affidare la risoluzione strutturale ad un codice di calcolo commerciale, risulta essere un argomento di grande interesse negli ultimi anni. L’obiettivo principale del presente elaborato di tesi è la messa a punto di una procedura iterativa per lo studio dell’interazione dinamica tra i veicoli ed un prototipo di Tunnel Flottante sito in prossimità dello Stretto di Messina. Il Tunnel Flottante è modellato attraverso il software di calcolo commerciale agli elementi finiti ANSYS Mechanical e ha un comportamento non lineare. L’analisi di interazione tra i veicoli e il Tunnel Flottante può essere eseguita attraverso una procedura iterativa e vista la complessità del modello è necessario affidare la risoluzione strutturale ad ANSYS Mechanical. Lo scopo dell’elaborato è quello di far interfacciare il Codice INTER, programma scritto in linguaggio Fortran, con il software di calcolo commerciale ANSYS Mechanical. L’attuale versione del Codice INTER è la 5.0 che permette l’integrazione delle equazioni del moto dei due sistemi attraverso due procedure STS e WTH. Nella versione 5.0 del Codice INTER sono implementati diversi tipi di veicoli le cui caratteristiche fisiche sono personalizzabili dall’utente. Il codice legge le informazioni riguardanti la struttura dai file di Output del codice commerciale SAP IV e integra le equazioni del moto utilizzando il metodo di Newmark. L’implementazione dell’interfaccia tra ANSYS Mechanical e INTER fornisce uno strumento molto efficiente per la risoluzione del problema di interazione veicolo - struttura. Infatti qualsiasi struttura di attraversamento modellata in ANSYS Mechanical, lineare o non lineare, può essere analizzata sotto l’effetto dei carichi da traffico permettendo anche l’analisi a fatica degli elementi.