A frequency domain method for buffeting analysis of long-span bridges

The need to overpass obstacles on very long distances typically implies the design of "streamlined" closed-box bridge decks. The size and lightness characterizing these structures makes them very sensitive to dynamic problems and special care must be put in the design against the buffeting action of wind turbulence. Dealing with this aspect, many difficulties are involved both in the wind description and in the computation of the bridge response. These challenges are addressed in the present thesis with the implementation of a numerical model working in the frequency domain. Numerical wind generation was carried out with a frequency domain re-elaboration of an existing procedure based on empirical expressions. A series of wind-tunnel tests, performed at Politecnico di Milano, provided the parameters needed to describe the aerodynamic forces acting on the bridge. These experimental tests were part of an international benchmark project conducted by the Politecnico di Milano and promoted by the International Association for Bridge and Structural Engineering (IABSE). Various simulations have been run to test the numerical procedure and comparisons were made with other methods developed by the participants of the IABSE project. Code validation was done in a systematic way, starting from very simple models and increasing the degree of complexity until the procedure was assessed robust enough to sustain the analysis of a full bridge. Furthermore, specific wind-tunnel experiments were used to have a direct comparison between experimental and numerical response. Finally, some parametric analysis were conducted to deepen the understanding of finer aspects involved in long-span bridge buffeting analysis. Some general considerations were later assessed aiming to become guidelines for future analysis.

Il progresso tecnologico apre costantemente nuove possibilità nella costruzione di ponti di grande luce e al giorno d’oggi nuove sfide ingegneristiche vengono affrontate in ogni parte del mondo. La necessità di sorpassare ostacoli su distanze molto lunghe favorisce la progettazione di ponti a cassone molto snelli. Le dimensioni e la leggerezza che caratterizzano queste strutture le rendono molto sensibili ai problemi dinamici e, in particolare, occorre prestare molta attenzione nella progettazione contro l’azione del vento turbolento. In tal senso, si riscontrano molte difficoltà sia nella descrizione del vento che nel calcolo della risposta del ponte. Queste problematiche vengono approfondite nella presente tesi con l’implementazione di un metodo numerico nel dominio della frequenza. La generazione numerica del vento è stata eseguita attraverso una rielaborazione in frequenza di una procedura esistente basata su espressioni empiriche. I parametri necessari a descrivere le forze aerodinamiche agenti sul ponte sono stati ricavati grazie a una serie di prove sperimentali in galleria del vento, svoltesi presso il Politecnico di Milano. Tali prove fanno parte di un progetto internazionale per la definizione di benchmark condotto dal Politecnico di Milano e promosso dall’International Association for Bridge and Structural Engineering (IABSE). Diverse simulazioni sono state condotte per testare il metodo numerico e sono stati eseguiti confronti con altri metodi sviluppati dai partecipanti al progetto IABSE. La validazione del codice è stata eseguita in maniera sistematica, a partire da modelli molto semplici e incrementando man mano il grado di complessità fintantoché la procedura è stata ritenuta sufficientemente robusta per l’analisi di un ponte intero. Inoltre, alcune prove in galleria del vento sono state utilizzate per fare dei confronti numerico-sperimentali. Infine, sono state svolte alcune analisi parametriche per indagare in maniera più approfondita alcuni aspetti legati all’analisi di buffeting dei ponti di grande luce. Al termine di ciò, sono state fatte alcune considerazioni al fine di delineare delle linee guida per analisi future.