Experimental Characterization of the Aeroelastic Response of a Cable-Stayed Hinged-deck Bridge

The action of wind on civil structures and mainly the aeroelastic phenomena of bridges have been a subject of study for many researchers all around the world. The increasing slenderness and lightness of some civil structures, such as high-beam bridges or skyscrapers, has made the effects of wind on them a relevant factor, to the point of causing their collapse as happened in the well-known episode of the Tacoma bridge over the Narrows River in 1940. There are several works aiming to understand better all the effects of the wind over bridges. However, there are still many open questions that needs to be investigated. Classically, aerolastic wind tunnel tests are performed considering 2D sectional aerodynamic models with only two degrees of freedom (DOF): vertical translation motion, and rotation motion around the centre of the mass. The objective of the present work is focused on the aeroelastic stability analysis of the Rande Bridge. Due to the increasing amount of vehicles, and aiming to increase the bridge capacity, an expansion of the bridge was proposed. The enlargement, inaugurated in 2017, consisted in the addition of two lateral extension decks to the existing central deck. This represents a new challenging configuration from the aeroelastic stability point of view, as it introduces new degrees of freedom to be considered in the system. A FEM model of the Cable-Stayed Hinged-Deck Bridge was used to obtain the dynamic characteristics of the real bridge (natural frequencies and normal modes). However, the FEM model is too large to be useful for the sectional test design, as it requires large computational resources and it is too complex to be implemented in the tests. To overcome this issue, a reduced 6 DOF analytical model to reproduce the main characteristics of the system is developed and tuned with the FEM results. The first 4 degrees of freedom determine the position the central and the two lateral decks, while 2 additional degrees of freedom were needed to consider the effect of the pylons. This analytical model is used to design the experimental model to be tested in the wind tunnel. Three different test campaigns are performed with three different objectives: 1) the effect of the windward extension deck angle of attack in a model with no wind barriers; 2) the effect of different wind barriers is assessed, and 3) the effect of the windward angle of attack in a bridge with nominal wind barriers. The results shown the importance of both the angle of attack and the wind barriers in the stability characteristics of the bridge and the importance of understanding this effects to control the instabilities. The manuscript is divided in 7 chapters. In the first chapter an introduction to fluidstructure phenomena in bridges is presented, and the objectives and methodology of the thesis are described. The dynamic characteristics of the bridge obtained with the FEM model are described on Chapter 2. In this Chapter, the analytical model is presented and tuned to match the FEM results. In Chapter 3 the development process of the experimental model is described, and the test procedure and instrumentation used in the wind tunnel facility are presented. Then in the three following chapters, the main results of the three experimental campaigns are presented: the effect of the angle of attack in the windward extension deck in a model with no wind barriers is assessed in Chapter 4; Chapter 5 is devoted to study the effect of different wind barriers, and the combination of both effects by using a model with nominal barriers is analyzed in Chapter 6. Finally, in Chapter 7 the main conclusions of the thesis are drawn, and future work to improve the current knowledge on bridge stability is proposed. ----------RESUMEN---------- La acción del viento sobre las estructuras civiles y, principalmente, los fenómenos aeroelásticos que aparecen en puentes han sido objeto de estudio de numerosos investigadores en todo el mundo. La tendencia creciente en el diseño de estructuras civiles más esbeltas y ligeras, como los puentes de gran luz o los rascacielos, ha hecho de los efectos del viento sobre ellas un factor relevante en el diseño, hasta el punto de poder provocar su colapso como sucedió en el conocido episodio de 1940 del puente sobre el río Narrows en Tacoma. Hay diversos estudios con el objetivo de comprender mejor todos los efectos del viento sobre los puentes. Sin embargo, aún quedan muchas preguntas abiertas que necesitan ser investigadas. Clásicamente, los ensayos aeroelásticos de puentes en túnel de viento se realizan considerando un modelo aerodinámico 2D con solo dos grados de libertad de movimiento: movimiento de traslación vertical y movimiento de rotación alrededor del centro de masas de la estructura. El objetivo del presente trabajo se centra en el análisis de estabilidad aeroelástica del Puente de Rande. Debido al aumento del tráfico rodado y para aumentar la capacidad del puente se propuso una expansión del mismo. La ampliación, inaugurada en 2017, consistió en la incorporación de dos tableros laterales al tablero central existente. Este nuevo diseño representa una nueva configuración desafiante desde el punto de vista de la estabilidad aeroelástica, ya que introduce nuevos grados de libertad al sistema que ha de analizarse. Para obtener las características dinámicas (frecuencias naturales y modos normales) del puente real se han empleado los resultados de un modelo FEM del puente atirantado de plataforma articulada. Sin embargo, el modelo FEM es demasiado grande para ser útil para el diseño del modelo experimental, ya que requiere grandes recursos computacionales y es demasiado complejo para implementarlo en los ensayos. Para superar este problema, se desarrolla un modelo analítico reducido de 6 grados de libertad para reproducir las principales características del sistema. El modelo se ajusta a los resultados del FEM. Los primeros 4 grados de libertad determinan la posición del tablero central y los dos tableros laterales, mientras que se necesitan 2 grados de libertad adicionales para considerar el efecto de los pilares en la dinámica del sistema. Este modelo analítico se utiliza para diseñar el modelo experimental que se ensayará en túnel de viento. Se han realizado tres campañas de ensayo con tres objetivos diferentes: 1) estudiar el efecto del ángulo de ataque del tablero lateral de barlovento en un modelo sin barreras; 2) evaluar el efecto de diferentes barreras contra el viento en el sistema, y 3) estudiar el efecto del ángulo de ataque del tablero de barlovento en un puente con las barreras nominales. Los resultados muestran la importancia tanto del ángulo de ataque como de las barreras cortavientos en las características de estabilidad del puente y la importancia de comprender estos efectos para controlar las inestabilidades. La tesis se divide en 7 capítulos. En el primer capítulo se presenta una introducción a los fenómenos de interacción fluido-estructura en puentes y se describen los objetivos y metodología de la tesis. El Capítulo 2 presenta las características dinámicas del puente obtenido con el modelo FEM, y se describe el modelo analítico desarrollado, que se ajusta para que coincida con los resultados FEM. En el Capítulo 3 se describe el proceso de diseño del modelo experimental y se presentan el procedimiento de ensayo y la instrumentación utilizada en el túnel de viento. En los tres capítulos siguientes, se presentan los principales resultados de las tres campañas experimentales: el Capítulo 4 trata del efecto del ángulo de ataque del tablero de barlovento de un modelo sin barreras cortavientos; el Capítulo 5 está dedicado al efecto de diferentes barreras cortavientos, y en el Capítulo 6 se estudia la combinación de ambos efectos mediante el uso de un modelo con barreras nominales. Finalmente, en el Capítulo 7 se extraen las principales conclusiones de la tesis, y se propone una serie de trabajos futuros para mejorar los conocimientos actuales sobre estabilidad aeroelastica de puentes