Comparison between experimental and numerical response of a long-span bridge under turbulent wind action

The great improvement of material properties and technological skills during the twentieth century brought to a fast development of suspension bridges which rapidly reached main span lengths of more than 1000 m. These structures have the great advantage of being the only bridge type able to connect lands on very long distances nevertheless, when span length increases, problems related to wind excitation are generally enhanced. The higher flexibility combined with the lightness characterizing the long-span bridges makes their natural frequencies to decrease and may exhibit the structure to important dynamic problems induced by buffeting action of turbulence. The analysis of these aspects requires a special care thus is common practice to build aeroelastic scale models to simulate the complex wind structure interaction of the complete or under construction bridge. The full aeroelastic model is used as final check of the whole design procedure which starts with an accurate FEM model description. Scaling rules and wind tunnel flow generation techniques are well defined but sometimes may not precisely match the ones set by target thus producing an untrue deck response estimation. As countermeasure, the implementation of numerical codes able to compute the bridge response could be a much more valid alternative. The numerical wind generation is carried out with a frequency domain procedure and the complete set of parameters needed for a precise wind spectrum definition have been taken from wind tunnel tests performed at Politecnico di Milano. Code validation was done by the comparison between the experimental and numerical deck response in some specific sections, whose trends resulted reasonably close to one another. Once this task has been accomplished, some parametric analysis and simulations adopting wind target inputs were performed to more clearly understand the dependance of certain parameters on the overall response and to get an estimate about the error committed generating a wind tunnel flow not perfectly equal to the target one. In the end some general considerations have been indicated aiming to become a future development of this analysis and numerical simulation method. New or finer investigations on this bridge model could bring to a further confirm on the validity of these results.

Il grande progresso tecnologico che si è avuto riguardo la conoscenza dei materiali, delle loro proprietà meccaniche, e delle nuove soluzioni costruttive, ha portato ad un rapido sviluppo e diffusione dei ponti sospesi nell'arco del ventesimo secolo, i quali in poco tempo hanno raggiunto lunghezze di campata superiori ai 1000 m. Essi hanno il grande vantaggio di essere l'unica tipologia di ponte in grado di collegare punti sulla terraferma a grande distanza tra loro ma nel momento in cui la lunghezza della campata aumenta, i problemi causati dall'eccitazione del vento sono generalmente amplificati. La minor rigidezza unita alla leggerezza che caratterizza i ponti a lunga campata provoca una diminuzione delle frequenze proprie della struttura e può esporla a problemi severi indotti dall'effetto di buffeting della turbolenza. L'analisi di questi aspetti richiede particolare attenzione, perciò si è soliti costruire modelli aeroelastici in scala per simulare la complessa interazione fluido-struttura sia nel caso di ponte completo che in fase di costruzione. Il modello aeroelastico completo è impiegato come controllo finale dell'intera attività di progettazione, che è iniziata con una accurata descrizione del modello FEM. Sia i criteri di scalatura che le tecniche di generazione del vento in galleria sono oramai ben affermati ma certi parametri potrebbero, in alcuni casi, non corrispondere perfettamente al target e quindi produrre una risposta dell'impalcato non veritiera. Una possible contromisura può essere l'implementazione di modelli numerici in grado di calcolare la risposta del ponte. La generazione del vento a livello numerico è effettuata secondo una procedura che lavora nel dominio delle frequenze e tutti i parametri necessari per una precisa definizione degli spettri del vento sono stati misurati presso la galleria del vento del Politecnico di Milano. La validazione del codice numerico è stata effettuata tramite il confronto in alcune precise sezioni fra risposta numerica e sperimentale dell'impalcato di ponte le quali sono risultate ragionevolmente simili. Una volta ottenuto questo primo obiettivo, sono state svolte sia analisi parametriche che simulazioni con parametri target del vento come input per comprendere meglio la dipendenza di certi valori sulla risposta globale, oltre che a valutare l'errore commesso in galleria del vento a causa della generazione di un flusso non identico al target richiesto. In conclusione sono state fatte alcune considerazioni con l'obiettivo che diventino spunto per futuri sviluppi di questa stessa analisi o del metodo di simulazione numerica. Nuove valutazioni riguardo le caratteristiche aerodinamiche di questo modello in scala potrebbero servire come ulteriore conferma circa la validità dei risultati qui esposti.