Utjecaj vozila i ograde na aeroelastične karakteristike sekcije mosta

master's thesis

• Title (english): Effects of vehicles and railings on aeroelastic behavior of bridge deck
• Author: Andrija Buljac
• Mentor: Hrvoje Kozmar (mentor)
• Mentor: Stanislav Pospišil (mentor)
• Granter: University of Zagreb; Faculty of Mechanical Engineering and Naval Architecture; Zagreb
• Defense date and country: 2014-12-01, Croatia
• Scientific / art field, discipline and subdiscipline: TECHNICAL SCIENCES; Mechanical Engineering

Abstract

Tijekom posljednjih nekoliko desetljeća postignut je značajan napredak u tehnologiji graditeljstva, što je omogućilo izgradnju ovješenih mostova velike duljine glavne sekcije mosta. Ovime su ovješeni mostovi, koji inače imaju izrazito niske vlastite frekvencije i mehaničko prigušenje, postali još osjetljiviji na nastrujavanje vjetra. Stoga su aerodinamička i aeroelastična svojstva ovih vrlo kompleksnih inženjerskih konstrukcija postala jedan od glavnih konstrukcijskih parametara. Tipični i najznačajniji tipovi dinamičke nestabilnosti sekcije mosta uslijed djelovanja vjetra su treperenje (engl. flutter) i galopiranje (engl. galloping). Treperenje predstavlja fenomen koji nastaje uslijed utjecaja pulzirajućih sila koje nastaju zbog nastrujavanja vjetra i unose kinetičku energiju u dinamički sustav sekcije mosta prilikom svake oscilacije. Kada mehaničko prigušenje nije dovoljno intezivno da priguši, tj. anulira ovu kinetičku energiju, tada nastaje nestabilnost treperenjem. Galopiranje je niskofrekventna nestabilnost velikih amplituda u smjeru okomitom na glavni smjer strujanja vjetra, a koja nastaje uslijed nedostatka ponovnog nalijeganja struje zraka na sekciju mosta nakon što je došlo do odvajanja struje zraka na uzvodnom oštrom bridu sekcije mosta. Dok analiza pojave treperenja sekcije mosta zahtijeva proučavanje dinamičkog odziva mosta, galopiranje se uobičajeno proučava kao kvazistacionarna fizikalna pojava uz primjenu Glauert Den Hartogovog kriterija. Fenomen treperenja je originalno prepoznat još u 19. stoljeću kao dinamička aeroelastična nestabilnost aeroprofila, a u području djelovanja vjetra na građevinske konstrukcije se nije razmatrao sve do urušavanja mosta Tacoma Narrows u SAD-u 1940. godine, kad je ustanovljeno da je do rušenja konstrukcije došlo uslijed torzijskog treperenja ovog mosta. Budući da je aeroelastičnost ovješenih mostova izrazito nelinearne prirode, najznačajnija istraživačka metoda u ovom području u ovom trenutku su eksperimentalna modelska ispitivanja u zračnom tunelu. Stoga su u okviru ovog rada provedena opsežna eksperimentalna ispitivanja osjetljivosti karakteristične sekcije mosta na vibracije uzrokovane složenom interakcijom nastrujavanja vjetra i gibajuće sekcije mosta. Razvijen je i korišten složeni mehanizam za napredna aeroelastična ispitivanja. Budući da je fokus ovog rada analiza utjecaja vozila i ograde mosta na aeroelastična svojstva sekcije mosta, ispitano je nekoliko eksperimentalnih konfiguracija. Pritom je uočen značajan utjecaj položaja vozila i ograde mosta na aeroelastična svojstva sekcije mosta, a što je prikazano bezdimenzijskim koeficijentima aerodinamičkih sila, tzv. derivativima treperenja (engl. flutter derivatives). Postignuti eksperimentalni rezultati su uspoređeni s rezultatima za tanku ploču koja je sukladno prethodnim ispitivanjima neosjetljiva na treperenje. Također je ispitan utjecaj krutosti sustava na ponašanje postignutih vrijednosti derivativa treperenja. Da bi se odredila osjetljivost mosta na galopiranje potrebno je odrediti vremenski osrednjene koeficijente sila otpora i uzgona kao funkcije napadnog kuta strujanja zraka. Stoga je razvijen eksperimentalni mehanizam za mjerenje sile otpora i uzgona uslijed nastrujavanja vjetra. Nadalje su provedene računalne simulacije strujanja vjetra oko sekcije mosta za različite napadne kuteve strujanja zraka te su proračunati iznosi aerodinamičkih koeficijenata sila otpora i uzgona. Rezultati računalnih simulacija se zadovoljavajuće podudaraju s eksperimentalnim rezultatima postignutim u okviru ovog rada.

Abstract (english)

In the last few decades, significant development in building technology has been achieved, which allowed for a major increase in span length of cable-stayed and suspension bridges. Consequently, these structures characterized with low natural frequencies and mechanical damping become particularly sensitive to wind effects. Hence, detailed study of bridge aeroelastic properties has become one of the main parameters in design of long-span cable-stayed and suspension bridges. The focus of this thesis is on analysis of bridge deck susceptibility to movement-induced vibrations due to interaction of airflow and vibrating bridge-deck section. The fundamental aeroelastic phenomena experienced by bridge sections are flutter and galloping. Aerodynamic flutter of the bridge section develops due to fluctuating forces acting on a bridge deck, feeding energy into the system during every bridge-deck oscillation. When this energy cannot be dissipated through the mechanical damping of the system, the flutter instability occurs. Galloping is a low frequency, large amplitude instability in direction normal to the wind flow, which occurs due to a lack of reattachment of the flow on the bridge deck after the flow originally separated at the bluff leading edge of the bridge-deck section. While analysis of aerodynamic flutter requires dynamic tests, galloping can be studied through the quasi-steady approach by applying the Glauert – Den Hartog criterion. Flutter phenomenon has been recognized in the 19th century as a dynamic aeroelastic instability with respect to airfoils, but remained studied in the aerospace community only until the year 1940 and the collapse of the Tacoma Narrows bridge in USA due to torsional flutter, when this physical phenomenon started to be investigated more closely in the wind and structural engineering communities as well. Even though the computational methods have been intensively developing, small-scale wind-tunnel experiments are still the most utilized practice for analysis of this phenomenon. Hence, a comprehensive experimental study on dynamic behavior of bridge deck sections exposed to wind is carried out with a particular focus on the influence of vehicles and railings on aeroelastic behavior of a characteristic bridge-deck section. The effects of vehicles and railings on aeroelastic behavior of the investigated bridge-deck section are analyzed in terms of aeroelastic flutter derivatives. The results are compared to those of the thin plate with high aspect ratio, which proved to be aerodynamically stable with respect to flutter phenomenon. The effects of the dynamic stiffness of the system on flutter derivatives are studied as well. Moreover, in order to determine bridge deck sensitivity to galloping instability, it is necessary to determine the time averaged aerodynamic force coefficients as a function of the wind incidence angle. For this purpose, an experimental stand for the measurement of drag and lift forces acting on a bridge-deck section was accordingly developed. The wind flow around the bridge-deck section was computationally modelled for different wind incidence angles as well, and time averaged aerodynamic force coefficients are calculated. The computational results are in good agreement with the wind-tunnel experiments.

• Keywords: sekcija mosta; vibracije; aerodinamika; aeroelastičnost; modelski eksperimenti; klimatski zračni tunel
• Keywords (english): bridge-deck section; vibrations; aerodynamics; aeroelasticity; small-scale experiments; climatic wind tunnel
• Language: english
• URN:NBN: urn:nbn:hr:235:935244
• Study programme: Title: Mechanical Engineering; Study programme type: university; Study level: graduate; Academic / professional title: magistar/magistra inženjer/inženjerka strojarstva (magistar/magistra inženjer/inženjerka strojarstva)
• Type of resource: Text
• File origin: Born digital
• Access conditions: Closed access
• Created on: 2019-05-27 10:03:42