Dynamic response of short slack metallic cables via finite element modelling

This thesis focuses on the frequency response characterization of Bretelle dampers, which are widely used in high-voltage power lines to mitigate vortex-induced vibrations, especially aeolian vibrations. These dampers consist of a short, slack, and flexible auxiliary conductor attached transversely to the main cable. Due to their bending stiffness and the presence of significant geometric and material non-linearities, the structural response of these systems is inherently complex. Despite their widespread use, the scientific literature offers limited investigation into the dynamic behaviour of such devices, and more generally, into the response of slack cables—highlighting the relevance of this research. A research-oriented finite element code is herein used to analyse the system, incorporating the Bouc-Wen hysteresis model and a corotational beam element formulation. This approach effectively captures the non-linear dynamic behaviour of slender elements undergoing large displacements and rotations. The study extensively investigates both the static and the dynamic response of short and slack stretches of overhead electrical line conductors by means of finite element models. A key objective of the work is the computation of both the mechanical impedance curves and energy dissipation curves of the Bretelle damper, which are essential to assess the performance of damping devices. Simulations are carried out addressing both in-plane and out-of-plane behaviour, to provide a comprehensive understanding of the dynamic response of Bretelle dampers.

Il presente lavoro di tesi si concentra sulla caratterizzazione della risposta in frequenza dei dissipatori di tipo Bretella, dispositivi comunemente impiegati nelle linee elettriche ad alta tensione per attenuare le vibrazioni indotte dal vento. Tali dissipatori consistono in un conduttore corto, lasco e flessibile, ancorato trasversalmente al conduttore principale. La risposta dinamica di questi sistemi risulta particolarmente complessa a causa della significativa rigidezza flessionale, delle grandi rotazioni e delle non linearità geometriche e del materiale. Nonostante la loro diffusione pratica, in letteratura sono presenti poche indagini approfondite su questi dispositivi e, più in generale, sulla risposta dinamica di cavi laschi, rendendo questa ricerca di particolare interesse. Per investigare accuratamente il comportamento del sistema, è stato impiegato un codice di calcolo agli elementi finiti sviluppato per fini di ricerca, che integra il modello isteretico di Bouc-Wen e utilizza elementi trave corotazionali. Questa formulazione consente di rappresentare in maniera efficace il comportamento di strutture snelle soggette a grandi spostamenti e rotazioni. Lo studio è stato articolato in tre fasi principali: un’analisi statica, volta a determinare la configurazione di equilibrio coerente con l’assetto reale del dissipatore; un’analisi modale per l’identificazione delle frequenze e dei modi propri; e un’analisi dinamica per valutare la risposta in frequenza. I risultati ottenuti includono le curve di impedenza meccanica e le curve di energia dissipata, utili per comprendere l’efficacia dello smorzatore Bretelle. Le simulazioni sono state condotte utilizzando sia modelli bidimensionali, focalizzandosi sulla risposta in-piano del conduttore, che modelli tridimensionali, incorporando anche la risposta fuori piano, al fine di ottenere un quadro completo del comportamento dinamico dei dissipatori Bretelle.