Vortex-induced vibrations on bridges : the interaction mechanism in complex sections and a new proposed semi-empirical model

Resumen

El presente trabajo de investigación se ocupa del estudio de las vibraciones verticales
inducidas por vórtices (VIV) en aquellos puentes que, por sus características
geométricas y propiedades dinámicas, muestran cierta sensibilidad este tipo de fenómeno aeroelástico.
El objeto principal es el análisis del mecanismo de interacción viento-estructura
sobre secciones no fuseladas de geometría simple, con objeto de realizar una adecuada
caracterización del problema y poder abordar posteriormente el análisis de
otras secciones de geometría más compleja, representativas de los principales elementos
estructurales de los puentes, como arcos, tableros, torres y pilas.
Este aspecto es fundamental durante la fase de diseño del puente, donde deberían
tenerse en cuenta también una serie de detalles que pueden influir significativamente
en su sensibilidad ante problemas aerodinámicos, como la morfología y
dimensiones principales de la sección transversal del tablero, la disposición de
barreras de seguridad y barreras cortaviento, o las riostras que unen diferentes
elementos estructurales. La configuración de dos elementos en tándem o la construcción de un puente en las inmediaciones de otro existente son otros aspectos
a considerar respecto a la sensibilidad frente a efectos aeroelásticos.
El estudio se ha llevado a cabo principalmente mediante la implementación de
simulaciones numéricas que reproducen la interacción entre la corriente de aire
y secciones representativas de modelos estructurales, a partir de un código CFD
basado en el método de las partículas de vórtices (VPM), siguiendo por tanto un
esquema Lagrangiano. Los resultados han sido validados con datos experimentales
existentes, valores procedentes de ensayos en túnel de viento y registros reales a
partir de diferentes casos de estudio: Alconétar (2006), Niterói (1980), Trans-Tokyo Bay (1995) y Volgogrado (2010).
Finalmente, se propone un modelo semi-empírico para la estimación del rango
de velocidades críticas y amplitudes de oscilación basado en la utilización de las
derivadas de flameo de Scanlan y la densidad espectral de las fuerzas aerodinámicas
en el dominio de la frecuencia. The present research work concerns the study of vertical vortex-induced vibrations
(VIV) in bridges which show certain sensitivity to this type of aeroelastic
phenomenon.
It focuses on the analysis of the wind-structure interaction mechanism on bluff sections, with the objective of making a good characterisation of the problem and
subsequently addressing the analysis of sections with a complex geometry, which
are representative of the bridge structural elements, such as arches, decks, towers
and piers. This issue is of relative importance during the bridge design phase,
since minor details of the aforementioned elements can significantly influence its
sensitivity to aerodynamic problems. The shape and main dimensions of the deck
cross section, the addition of safety barriers and windshields, the presence of braces
to enhance the structure mechanical properties, the utilisation of cross sections in
tandem arrangement, or the erection of a new bridge in the vicinity of another
existing one are some of the aspects to be considered regarding the sensitivity to
the aeroelastic effects.
The study has been carried out mainly through the implementation of numerical
simulations that reproduce the interaction between the airflow and the representative
cross section of a structural bridge model, by the use of a CFD code based
on the vortex particle method (VPM), thus following a Lagrangian scheme. The
results have been validated with existing experimental data, values from wind
tunnel tests and full scale observations from the different case studies: Alconétar
(2006), Niterói (1980), Trans-Tokyo Bay (1995) and Volgograd (2010).
Finally, a new semi-empirical model is proposed for the estimation of the critical
wind velocity ranges and oscillation amplitudes based on the use of the Scanlan’s
flutter derivatives and the power spectral density of aerodynamic force time history
in the frequency domain.