Experimental and numerical analysis of gantry-rails effect on twin-box bridge deck

The aim of this thesis work is to investigate the effect of gantry-rails on the aerodynamics and aeroelastic behaviour of a long span twin-box girder suspension bridge. Specifically, the case under study refers to the "1915 Çanakkale" bridge, currently the longest suspension bridge in the world, located over the Dardanelles Strait in Turkey. Gantry-rails are tracks installed along the underside of the deck to facilitate inspection and maintenance activities. The impact of geometric details like these on wind flow around such complex geometries, as in the case of this bridge, is significant and must be thoroughly studied to prevent dynamic instability effects at high wind speeds (flutter). This issue was addressed by examining two deck section configurations (with and without gantry-rails) from three perspectives: firstly, through an experimental campaign on a sectional model at the Politecnico di Milano Wind Tunnel; secondly, by means of a hybrid numerical-experimental approach; finally, via computational fluid dynamics (CFD). Chapter 2 will outline the testing procedures necessary to identify the differences in static and dynamic behaviour between the two cases, in particular experimental results will provide key insights regarding the tendency of the configuration with gantry-rails to rapidly pitch nose-up with increasing wind speed, as well as the greater and more pronounced propensity toward instability of the configuration without gantry-rails. The numerical approach, presented in Chapter 3, will help to understand the role of the fundamental parameters governing system dynamics. Finally, in Chapter 4, CFD visualizations of flow velocity and pressure fields will allow a fluid-dynamic interpretation of the different behaviours observed for the two configurations.

Questo lavoro di tesi si propone di indagare l’effetto dei binari di ispezione (gantry-rails) sull’aerodinamica e sul comportamento aeroelastico di un ponte sospeso bi-cassone a grande campata. In particolare, verrà proposto il caso del "1915 Çanakkale", il ponte sospeso attualmente più lungo al mondo, situato sullo stretto dei Dardanelli in Turchia. I binari di ispezione sono rotaie che vengono applicate sotto all’impalcato per tutta la sua lunghezza per agevolare le attività di ispezione e manutenzione. L’impatto che dettagli geometrici come questi hanno sul flusso del vento attorno a sezioni con geometrie così complesse, come quella del ponte in esame, non è trascurabile e va studiata a fondo per scongiurare effetti di instabilità dinamica ad alte velocità del vento (flutter) e non solo. Questa problematica è stata affrontata studiando due configurazioni della sezione (con e senza rotaie) da tre punti di vista: prima di tutto con una campagna sperimentale sul modello sezionale presso la Galleria del Vento del Politecnico di Milano, in seguito con un approccio ibrido numerico-sperimentale, e, infine, tramite la fluidodinamica computazionale (CFD). Nel Capitolo 2 sono illustrate le procedure dei test necessari all’identificazione del problema. Da essi scaturiranno le principali osservazioni circa la tendenza della configurazione con rotaie a cabrare rapidamente con l’aumento della velocità del vento e la maggiore e più decisa propensione all’instabilità della configurazione senza gantry-rails. Con l’approccio numerico, presentato nel Capitolo 3, si potranno mettere a confronto i parametri fondamentali che governano la dinamica del sistema nei due casi. Infine, nel Capitolo 4, la visualizzazione dei campi di moto e di pressione ottenuti con la CFD permetterà di evidenziare i meccanismi fluidodinamici attorno all’impalcato e identificare in essi le cause del diverso comportamento delle due sezioni.