Feasibility study : wind tunnel test of a multi-span suspension bridge with floating towers

Fjord crossings along the coastal highway route E39 in west Norway are under development. This thesis analyses the crossing of Bjørnafjorden by means of a 5km long floating multi-span suspension bridge. The bridge concept is based on three main spans held up by suspension cables that, in turn, are supported by floating towers resting on pontoons moored to the seabed by means of tension legs platforms (TLP). About this bridge only numerical models have been developed since a facility able to validate experimentally the structure under aero/hydro-dynamic loads does not exist. The idea is to build an aeroelastic model, to be used in wind tunnel, in which floating towers motion, produced by measured wind forces and simulated marine forces, is imposed by means of actuators adopting Hardware In the Loop (HIL) technology. Characteristics in terms of motion amplitudes and bandwidth of the actuation system have been obtained. A finite element model (FEM) of the bridge has been developed to obtain dynamic properties of the structure. Hydrodynamic and aerodynamic forces have been modelled approximating motion dependent contributions by means of transfer functions in order to write the full system equation of motion (EOM) in a time domain state space formulation. The EOM has been written in modal coordinates under environmental loads corresponding to the 100 year return period condition; in addition many other load cases have been studied. The wind tunnel test feasibility has been assessed scaling full scale model results in correspondence of pontoons locations. The environmental effects, mainly due to hydrodynamic contributions, reduces the eigenfrequencies. Equations of motion solution in terms of Power Spectral Density (PSD) and Standard Deviation (STD) shows that significant motion of the bridge is induced by wind along the lateral direction. Pontoons vertical motion is limited due to the high stiffness of tethers in that direction; vertically both wind and waves are relevant, showing comparable contributions, but the response is small. According to the scaling that fits PoliMi wind tunnel dimensions, a single degree of freedom actuation system can be used for wind tunnel validation.

Gli attraversamenti di fiordi lungo la superstrada costiera E39 situata nell’ovest della Norvegia sono in fase di sviluppo. Questa tesi analizza la traversata del Bjørnafjorden per mezzo di un ponte sospeso multi-campata galleggiante di 5km. Il progetto del ponte si basa su tre campate principali sostenute da cavi sospesi che, a loro volta, sono sorretti da torri galleggianti che appoggiano su boe ormeggiate al fondale marino per mezzo di tension legs platforms(TLP). In merito a questo ponte solo modelli numerici sono stati sviluppati dato che una infrastruttura in grado di validare sperimentalmente la struttura sottoposta a carichi aero/idro-dinamici non esiste. L’idea è di costruire un modello aeroelastico, da usare in galleria del vento, nel quale il moto delle torri galleggianti, dovuto alle forzanti del vento misurate e alle forzanti marine simulate, è imposto per mezzo di attuatori attraverso la tecnologia Hardware In the Loop (HIL). Le caratteristiche in termini di ampiezze di moto e banda passante del sistema di attuazione sono state ottenute. Un modello a elementi finiti (FEM) del ponte è stato sviluppato per ottenere le proprietà dinamiche della struttura. Le forzanti idrodinamiche e aerodinamiche sono state modellate approssimando i contributi moto dipendenti con funzioni di trasferimento per scrivere l’equazione di moto (EOM) dell’intero sistema nel dominio del tempo in forma di stato. L’EOM è stata scritta in coordinate modali con condizioni ambientali corrispondenti a un periodo di ritorno di 100 anni; in aggiunta molti altri casi sono stati studiati. La fattibilità di un test in galleria del vento è stata valutata scalando i risultati del modello in scala reale in corrispondenza della posizione delle boe. Gli effetti ambientali, principalmente dovuti ai contributi idrodinamici, riducono le frequenze proprie. Le soluzioni delle equazioni di moto in termini di densità spettrale di potenza (PSD) e deviazione standard (STD) mostrano che un moto significativo del ponte è prodotto dal vento lungo la direzione laterale. Il moto verticale delle boe è limitato grazie all’alta rigidezza delle funi in quella direzione; verticalmente sia il vento che le onde sono importanti, mostrando contributi comparabili, ma la risposta è piccola. In accordo alla scalatura che si adatta alle dimensioni della galleria del vento PoliMi, un sistema di attuazione con un singolo grado di libertà può essere usato per la validazione in galleria del vento.