Wind tunnel experimental campaign to validate aerodynamic non-linearities in long-span bridges

The need to overcome obstacles on very long distances typically implies the design of streamlined bridge decks. The slenderness and lightness that characterize these structures make them sensitive to dynamic problems and special care must be put in the design against the wind action. Dealing with this aspect, many difficulties are encountered in the wind description and in the computation of the bridge response, making the definition of reliable numerical codes a fundamental issue. Nowadays, numerical models for the design of long-span bridges are mainly linearized models carried out both in frequency and time domain. However, some non-linear models can be found in the time domain. These models are, in fact, more appropriate to describe all the complex aspects related to the aerodynamic forces generated by the high fluctuations of the angle of attack. Unfortunately, such models are strongly limited by their applicability range since they would be more appropriate only to describe the non-linearities associated with the low frequency fluctuations of the incoming wind turbulence. An attempt to also consider the non-linear contributions of the high frequencies is presented in this thesis where a new numerical approach based on the definition of rheological models has been proposed. Specific wind tunnel tests have been carried out in order to better understand the non-linearities present in the definition of aerodynamic forces. The placing of a scaled train over a rigid sectional model deck allows us to magnify these non-linear effects, thus enabling us to propose an alternative numerical model able to describe these non-linearities. The wind-tunnel tests were performed at Politecnico di Milano and 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).

La necessità di superare gli ostacoli su distanze molto lunghe implica tipicamente la progettazione di ponti aerodinamici. La snellezza e la leggerezza che caratterizzano queste strutture le rendono sensibili ai problemi dinamici e una particolare cura deve essere posta nella progettazione contro l'azione del vento. Affrontando questo aspetto, si incontrano molte difficoltà nella descrizione del vento e nel calcolo della risposta del ponte, rendendo fondamentale la definizione di codici numerici affidabili. Al giorno d'oggi, i modelli numerici per la progettazione di ponti a lunga campata sono principalmente modelli linearizzati realizzati sia nel dominio della frequenza che in quello del tempo. Tuttavia, alcuni modelli non lineari si possono trovare nel dominio del tempo. Questi modelli sono, infatti, più appropriati per descrivere tutti gli aspetti complessi relativi alle forze aerodinamiche generate dall'alto fluctuations dell'angolo di attacco. Purtroppo, tali modelli sono fortemente limitati dal loro campo di applicazione in quanto sarebbero più appropriati solo per descrivere le non-linearità associate alla bassa frequenza fluctuations della turbolenza del vento in arrivo. Un tentativo di considerare anche i contributi non lineari delle alte frequenze è presentato in questa tesi dove è stato proposto un nuovo approccio numerico basato sulla definizione dei modelli reologici. Sono state effettuate prove specifiche in galleria del vento per comprendere meglio le non linearità presenti nella definizione delle forze aerodinamiche. La collocazione di un treno in scala su un ponte rigido del modello sezionale ci permette di ingrandire questi effetti non lineari, permettendoci così di proporre un modello numerico alternativo in grado di descrivere queste non-linearità. Le prove in galleria del vento sono state effettuate presso il Politecnico di Milano e fanno parte di un progetto di riferimento internazionale condotto dal Politecnico di Milano e promosso dall'Associazione International Association of Bridge and Structural Engineers (IABSE).