Mechanical modeling of stranded cables and assessment of their self damping properties for aeolian vibrations applications

The present work focuses on the mechanical modeling of the bending behavior of metallic stranded cables. Starting from a description of the hysteretic moment-curvature law of the cross sections, a theoretical model for the self-damping is developed and applied to a widespread typology of overhead electrical line conductors, namely the ACSR conductors. The first part of the thesis deals with the modeling of the combined action of tensile and bending loads, with emphasis on the applications of different radial pressures transmission models and stick-slip mechanical laws for multilayer conductors under flexure. A novel generalization of the problem through closed-form coefficients expressions describing the admissible domain of the wire axial force is presented. An ideal bi-linear approximating law for the description of the moment-curvature relationship through closed-form equations is enforced and uniquely defined by the so-called construction parameter. Such coefficient is determined for the different radial pressures transmission models and sliding conditions, for a sample of 15 ACSR cross-sections. The influence of the construction parameter is then investigated with reference both to the static response of the metallic strand and to its dynamic behavior (i.e. its self-damping properties). In the second part of the work, the self-damping properties of ACSR conductors are studied by comparing various experimental results with the non-dimensional dissipated power per unit of length of the conductor predicted by an enhanced unified analytical model for both the gross-sliding and micro-slip dissipation mechanisms. Furthermore, the Energy Balance Principle (EBP) is used to predict the steady-state amplitude of aeolian vibrations of the bare conductor: the results obtained with both empirical and theoretical models for the cable self-damping are compared with field experimental data. The influence of the construction parameter on the aeolian vibrations amplitude is also assessed and parametric analysis are carried out.

Il presente lavoro si focalizza sulla modellazione meccanica del comportamento flessionale di funi metalliche spiroidali. Partendo da una descrizione della legge momento-curvatura per il comportamento isteretico delle sezioni delle funi, viene sviluppato un modello analitico per la descrizione del loro smorzamento proprio. Tale modello viene successivamente applicato ad una tipologia ricorrente di conduttori delle linee elettriche aeree: i conduttori ACSR. La prima parte della tesi si concentra sulla modellazione della risposta delle funi caricate in modo combinato da azione assiale e momenti flettenti, con particolare attenzione all’applicazione di diversi modelli di trasmissione delle pressioni radiali di contatto e di leggi di scorrimento per conduttori multi-strato soggetti a flessione. Una nuova generalizzazione del problema attraverso le espressioni in forma chiusa di coefficienti che descrivono il dominio ammissibile dell’azione assiale nei fili è presentata. Una legge bi-lineare approssimante per la descrizione della relazione momento-curvatura attraverso equazioni in forma chiusa viene applicata e univocamente definita dal cosiddetto parametro costruttivo del conduttore. Questo coefficiente viene determinato per diversi modelli di trasmissione delle pressioni radiali di contatto e per diverse condizioni di scorrimento, per un campione di 15 conduttori ACSR. L’influenza del parametro costruttivo è quindi indagata sia in riferimento alla risposta statica del conduttore che rispetto al suo comportamento dinamico (lo smorzamento proprio). Nella seconda parte del lavoro, le proprietà di smorzamento proprio dei conduttori ACSR vengono investigate attraverso il confronto di diversi risultati sperimentali con le previsioni teoriche di potenza dissipata adimensionale per unità di lunghezza ottenute attraverso l’applicazione di un modello analitico unificato per due diversi meccanismi di dissipazione: il micro-scorrimento e il macro-scorrimento dei fili. In aggiunta, le ampiezze di vibrazioni eoliche del solo conduttore vengono predette attraverso l’applicazione del Metodo del Bilancio Energetico: i risultati ottenuti attraverso l’utilizzo di modelli empirici e del modello analitico di smorzamento proprio vengono confrontati con i risultati di campagne sperimentali sul campo. L’influenza del parametro costruttivo sull’ampiezza di vibrazione eolica viene anche valutata e delle analisi parametriche sono esguite.