Determination of flutter derivatives of bridge sections based on wind tunnel experiments under forced excitation

Abstract

[ANGLÈS] In the last centuries new technologies and structural knowledge have made possible the construction of filigree structures, which economize the required material quantities by taking material capacity to its limits. However, this evolution has led to structures characterized by low self-weights and low damping capacities, which combined with certain aeroelastic wind effects has proven to be potentially fatal. The breakdown of the Tacoma Narrows Bridge is a good example of how aeroelastic wind effects, even when generated at low wind velocities, can produce resonance vibrations and lead to rapid structure failure. One of these aeroelastic wind effects is the self-induced vibration, also denoted galloping if it occurs along one single degree of freedom. Classical quasi-stationary wind force approaches based on the linearization of the problem led to unsafe results, and therefore the use of non-linear, non-stationary aeroelastic coefficients (or flutter derivatives) in semi-empirical wind force approaches became necessary. The goal of this work is to set an algorithm that allows calculating the flutter derivatives of any bridge section using as reference the corresponding methodology developed by Hortmanns. Therefore, the flutter derivatives shall be determined by measuring the dynamic response in wind tunnel experiments of a bridge model under forced excitation. The semi-empirical force approaches of Scanlan and Starossek shall be used to consider the non-stationary character of low-velocity wind effects. The methodology of Hortmanns shall be afterwards enlarged with the calculations and concepts that support the presented algorithm and especially with those relative to the used spectral methods, which have been developed in this thesis. The algorithm will be finally used to determine the flutter derivatives of the Simone-de-Beauvoir footbridge in Paris. The experiments have been carried out in the wind tunnel of the Institute for Steel Constructions of the RWTH Aachen University.

[CASTELLÀ] En los últimos siglos las nuevas tecnologías y conocimientos estructurales han permitido la construcción de estructuras afiligranadas que llevan la capacidad de los materiales hasta sus límites. Sin embargo, esta evolución ha derivado en estructuras de bajo peso propio y reducida capacidad amortiguadora, lo que combinado con ciertos effectos aeroelásticos propios del viento ha demostrado ser potencialmente fatal. La caída del puente de Tacoma Narrows es un buen ejemplo de como los efectos aeroelásticos del viento, incluso cuando éste es de baja velocidad, pueden producir resonancias y llevar a un rápido fallo de la estructura. Uno de estos efectos aeroelásticos es la vibración autoinducida, también llamada galope si ocurre a lo largo de un único grado de libertad. Los enfoques cuasiestacionarios clásicos usados para descirbir la fuerza del viento y basados en linealizaciones del problema han llevado en el pasado a resultados del lado de la inseguridad, por lo que el uso de coeficientes aeroelásticos no lineales y no estacionarios (o funciones de flameo) combinados con enfoques semi-empíricos pasó a convertirse en una necesidad urgente. El objetivo de este trabajo es establecer un algoritmo que permita calcular las funciones de flameo de una sección de puente cualquiera usando como referencia la metodología desarrollada por Hortmanns. Así, las funciones de flameo serán determinadas midiendo la respuesta durante ensayos en túnel de viento de un modelo de puente sometido a oscilación forzada. Se usarán los enfoques semi-empíricos de Scanlan y Starossek para considerar el carácter no-estacionario de los efectos de un viento de baja velocidad. La metodología de Hortmanns será posteriormente ampliada con los cálculos y conceptos que sirven de base para el algoritmo presentado, especialmente con aquellos relativos a los métodos espectrales, los cuales son orginales de esta tesina. El algoritmo será finalmente usado para determinar las funciones de flameo de la pasarela Simone-de-Beauvoir en Paris. Los experimentos se han llevado a cabo en el túnel de viento del Instituto de Construcciones metálicas de la Universidad RWTH de Aachen.