Time domain models for self-induced forces acting on long span bridges

The need of connecting territories naturally separated by obstacles like sea straits, rivers, valleys forces the modern engineers to design and construct incredibly ambi- tious cable supported bridges increasing the span length beyond what seemed impos- sible. In doing so, the designer have to face several different natural and anthropic factors such as seismic actions, geology, gravity and traffic loads. As the span length increases (often widely exceeding the kilometer in length) the self-weight must be minimized, having as a consequence a discrete flexibility. Being these structures so light and flexible, makes them very sensitive to wind structure interaction even when streamlined cross-sections are employed. For these important and strategic struc- tures special analysis must be performed, adopting uncommon procedures capable of capturing all the important aspects of the physical phenomena. One of the fundamental aspects in wind structure interaction of very long span bridges is the ability to describe self-induced aeroelastic forces including unsteady and non-linear effects. From the practical point of view theoretical unsteady models able to capture these effects are not suitable real bridges so semi-empirical approaches are necessary. A model able to do so is analyzed and applied for the first time to the Messina strait bridge particular cross-section. This, currently at the executive design stage, is a bridge with a 3.3 Km main span which forced the designers to aerodynamically optimize the cross-section to sustain severe wind excitations. Then several numerical experiments are made to put in evidence the characteristics of this newly implemented model and finally are compared to existing procedures of proven validity already used in the analysis of the same particular bridge section, confirming the first as a valid alternative to the existing one.

La necessità di interconnettere territori separati da ostacoli naturali come stretti, fiumi, vallate richiede ai moderni progettisti di saper progettare e portare a termine ambiziosi ponti sospesi/strallati e superando luci mai raggiunte prima. Per fare ciò gli ingegneri devo tener conto di diversi fattori, sia naturali che antropici, come il sisma, la geologia, i carichi gravitazionali e variabili. Man mano che la lunghezza delle campate aumenta (superando ormai ampiamente il kilometro), diventa nec- essario diminuire il più possibile i pesi e con ciò consegue una diminuzione della rigidezza. Essendo le sezioni di questi ponti molto leggere e flessibili, accresce alta- mente la loro sensibilità all’interazione dinamica con il vento, che diventa l’azione dominante. Dunque per queste importanti infrastrutture strategiche vi è la necessità di eseguire analisi non convenzionali nei riguardi dell’azione del vento, il quale sotto- pone la struttura a complesse interazioni dinamiche. Uno degli aspetti fondamentali nell’interazione vento-struttura per ponti di grande luce è la capacità di prevedere le forze aeroelastiche auto-indotte includendo fenomeni non-stazionari e non-lineari. Dal punto di vista operativo, i modelli teorici disponibili riguardanti questi aspetti non si applicano a casi reali per il mancato rispetto delle ipotesi fondanti, di con- seguenza bisogna adottare approcci semi-empirici. In questa tesi verrà presentato un modello che per la prima volta è applicato alla particolare sezione del Ponte sullo stretto di Messina. Esso è caratterizzato da una campata principale lunga 3.3Km, il che ha obbligato i progettisti ad ottimizzare l’aerodinamica della sezione trasversale. Successivamente verranno sviluppate diverse simulazioni numeriche per evidenziare le caratteristiche di questo modello appena implementato e alla fine verrà confrontato con un altro modello già applicato alla sezione suddetta e di comprovata validità, confermando l’applicabilità del primo come valida alternativa a quelli già in uso.