Energetic approach for the aerodynamic stability of suspension bridges

The aerodynamic stability of suspension bridges is a critical concern in modern structural engineering, as wind-induced phenomena such as flutter can lead to catastrophic failure. This master thesis addresses this challenge by developing an energetic approach for assessing the aerodynamic stability of suspension bridges, with focus on the Julsundet Bridge, that is currently at the design stage in Norway. The research combines both experimental and numerical methodologies. A wind tunnel experimental campaign was conducted at Politecnico di Milano, where tests on the bridge sectional model provided essential aerodynamic force coefficients and flutter derivatives. These data were then used to develop and validate an unsteady aerodynamic forces model with rational functions, which were employed to enhance stability predictions. Additionally, a simplified band superposition approach was introduced to evaluate time-dependent instability effects. The core of this study is the energetic approach, which assesses stability by analyzing the energy exchange between aerodynamic forces and structural motion. This method allows for a more intuitive understanding of the onset of instability, quantifying how wind energy contributes to the amplification or attenuation of bridge oscillations, and affecting directly structural safety. The results indicate that not all instability phenomena do necessarily lead to collapse, emphasizing the need for refined stability assessment techniques beyond conventional flutter speed estimations. Indeed, if these unstabilizing effects have low severity and short duration they can be withstood by the structure without reaching critical conditions. The findings of this study contribute to a more accurate and comprehensive understanding of aeroelastic effects in suspension bridges, offering valuable insights for the evaluation of both their stability and safety.

La stabilità aerodinamica dei ponti sospesi è una preoccupazione critica nell’ingegneria strutturale moderna, poiché fenomeni indotti dal vento, come il flutter, possono portare a cedimenti catastrofici. Questa tesi intende affrontare tale sfida sviluppando un approccio energetico per valutare la stabilità aerodinamica dei ponti sospesi, con particolare attenzione allo Julsundet Bridge, che è attualmente in fase di progetto in Norvegia. La ricerca combina sia metodologie sperimentali che numeriche. È stata condotta una campagna sperimentale in galleria del vento presso il Politecnico di Milano, in cui test su un modello sezionale del ponte hanno fornito i coefficienti aerodinamici essenziali ed i derivati di flutter. Questi dati sono stati successivamente utilizzati per sviluppare e validare un modello di forze aerodinamiche non stazionarie tramite l'impiego di funzioni razionali, con l'obiettivo di migliorare le previsioni di stabilità. Inoltre, è stato introdotto un approccio semplificato di sovrapposizione di banda per valutare gli effetti di instabilità dipendenti dal tempo. Il cuore di questo studio è l’approccio energetico, che valuta la stabilità del sistema analizzando lo scambio di energia tra le forze aerodinamiche autoeccitate ed il moto strutturale. Questo metodo consente una comprensione più intuitiva dell'insorgenza dell'instabilità, quantificando il contributo dell'energia del vento all’amplificazione o all'attenuazione delle oscillazioni del ponte, influenzando direttamente la sicurezza strutturale. I risultati indicano che non tutti i fenomeni di instabilità aerodinamica portano necessariamente al collasso, sottolineando la necessità di tecniche di valutazione della stabilità più raffinate rispetto alle stime convenzionali della velocità di flutter. Infatti, se questi eventi instabilizzanti hanno entità e durata limitata possono essere sopportati dalla struttura senza raggiungere condizioni critiche. Le analisi di questo studio contribuiscono a una comprensione più accurata e completa degli effetti aeroelastici nei ponti sospesi, offrendo spunti preziosi per la valutazione della loro stabilità e della loro sicurezza.