Investigation of Laguerre expansion basis for modelling of bridge aeroelastic forces

Great progress has been made in recent years to develop aerodynamic models capable of reproducing suspended bridges dynamics behaviour with great accuracy. However, simplified and easy-to-evaluate models are still required for preliminary design and in reliability assessment of cable supported bridges. The goal of the present work is to develop an effective linear model for the approximation of self-excited forces on bridge decks. The model is designed using a set of orthonormal Laguerre functions as basis to express the linear kernel of a Volterra series expansion for the aerodynamic forces. A model training procedure is developed and tested on a first-order simulated system. Then, the strengths and weaknesses of the framework are explored on real data tests. The data used for testing are from the Norwegian University of Science and Technology wind tunnel in Trondheim, Norway. The designed model is then compared with a well-established model for experimental data interpolation: the rational functions model. The Laguerre expansion model proved to be effective and capable of foreseeing wind action with similar performances to rational functions in time domain and for most of the tested frequency range in frequency domain. The force prediction model is then inserted in a simulated dynamic model of a deck section. With time series simulations the Laguerre model led to correct structural dynamic behaviour forecast, compared to classic identification methods. Agreement in the predicted instability limits was found comparing the use of the Laguerre model and rational functions model as force prediction frameworks.

Numerosi progressi sono stati fatti negli ultimi anni nello sviluppo di modelli aerodimici in grado di approssimare con precisione il comportamento dinamico di ponti sospesi. Nonostante ciò, rimane fondamentale la presenza di modelli semplificati e di facile calcolo per la fase di design preliminare e di analisi dell’affidabilità per progetti di ponti di grande luce. L’obbiettivo di questo progetto è quello di sviluppare un modello lineare e di semplice calcolo per la modellazione delle forze aeroelastiche. Ciò è stato realizzato utilizzando le funzioni ortonormali di Laguerre come base per esprimere l’espansione di Volterra, fermata al primo ordine, delle forze aerodinamiche. É stata sviluppata una procedura di training del modello e testata su un sistema del primo ordine simulato. In seguito i punti di forza e le debolezze dell’algoritmo sono state esplorate su un set di dati reali. I dati utilizzati provengono da test nella galleria del vento della Norwegian University of Science and Technology di Trondheim, in Norvegia. Il modello identificato è poi stato paragonato con un modello normalmente utilizzato per interpolare i dati sperimentali: il modello delle rational functions. Il modello di espansione di Laguerre ha dato prova di essere in grado di prevedere in maniera efficace l’azione del vento sulla struttura, con prestazioni simili al modello delle rational functions nel tempo e per la maggior parte delle frequenze testate. Il modello per la previsione delle forze aerodinamiche qui identificato è stato poi accoppiato con il modello dinamico completo di una sezione di ponte. Analizzato attraverso simulazioni nel tempo, il modello di Laguerre è stato in grado di fornire una previsione corretta del comportamento dinamico della struttura, in accordo con metodi di calcolo tradizionali. I limiti di stabilità calcolati sono in accordo con quelli trovati inserendo il modello delle rational functions come modello di calcolo delle forze aerodinamiche.