Tesis:
Fluid-structure interaction in long-span bridges
- Autor: OGUETA GUTIÉRREZ, Mikel
- Título: Fluid-structure interaction in long-span bridges
- Fecha: 2016
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S.I. AERONÁUTICA Y DEL ESPACIO
- Departamentos: AERONAVES Y VEHICULOS ESPACIALES
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/44318/
- Director/a 1º: FRANCHINI, Sebastian Nicolas
- Resumen: Bridge aerodynamics has attracted the interest of wind engineers for a long time. This interest rose after the Tacoma Narrows disaster, when a four-month-old bridge collapsed under a wind condition of only 20 m/s. Several dynamic effects generated by wind in bridges were described and studied, namely, vortex induced vibration, flutter, galloping and buffeting. In the second half of the twentieth century, improvements in construction techniques lead to longer and lighter bridges. Due to this, natural frequencies of bridges dropped to frequencies around a few Hertz. Dynamic effects were more likely to appear in these bridges. Many effort has been done to understand better all the effects that wind can create on a bridge. However, some relevant studies have been left aside. One of the main parameters that play a significant role is the barriers. This thesis tries to give a deeper insight on the influence of the barriers in the different aspects. Even though the aerodynamics of any bridge sections is conditioned by many other aspects than just the barriers, such as the bridge section, mass, natural frequencies, etc., some ideas are extracted to design barriers so that they increase the stability of the bridge. Several different barriers have been tested over different bridge sections. In the literature, porosity is pointed out as one of the most relevant design parameters. Throughout the thesis barriers with different porosities have been tested on different bridge sections. For the tests, three different wind tunnels have been used, two in the Instituto Universitario de Microgravedad Ignacio da Riva, in the Universidad Politécnica de Madrid and another in the Centro Interuniversitario di Aerodinamica delle Costruzioni e Ingegneria del Vento, in the Universit degli Studi di Firenze. As the influence of the barriers is not only important in the aeroelastic behavior of the bridge, in some of the configurations other tests have been performed, such as static loads generated on the bridge or on the users of the bridge (in this case, on a train), or flow condition created in the deck by the shear layer shed by the upper part of the barrier. This thesis is divided in 4 chapters. In the first chapter an introduction to fluid-bridge interaction is presented and the state of the art in the topic is summarized and the objectives of the thesis are described. In chapter 2, the results of a set of tests on a high speed train bridge are displayed and analyzed. In chapter 3 the configuration of a flat plate with barriers is studied. Finally, in chapter 4 the main conclusions of the thesis are drawn, and proposes future work to improve the current knowledge about the influence of the barriers in the stability is proposed. RESUMEN La aerodinámica de puentes ha atraído el interés de la comunidad científica relacionada con la aerodinámica durante mucho tiempo. Este interés aumentó tras el desastre del puente sobre el río Tacoma, cuando un puente inaugurado únicamente 4 meses antes se destruyó bajo un viento sostenido de tan solo 20 m/s. Varios efectos dinámicos generados por el viento en puentes fueron descritos y estudiados tras el evento, por ejemplo, vibración inducida por torbellinos, flameo, galope y bataneo. En la segunda mitad del siglo veinte, las mejoras en las técnicas de construcción llevaron a puentes más flexibles y ligeros. Debido a esto, las frecuencias naturales de los puentes descendieron hasta valores cercanos a unos pocos Herzios. La probabilidad de aparición de efectos dinámicos en los puentes aumentó por este hecho. Se ha realizado un gran esfuerzo en entender mejor todos los fenómenos que el viento puede crear sobre un puente. De todos modos, hay ciertos aspectos que no han sido tenidos en cuenta. Uno de los objetos que influye de mayor manera en la aerodinámica de los puentes son las barreras. Esta tesis trata de arrojar más luz sobre la influencia de las barreras en diferentes aspectos de la aerodinámica del puente. Pese a que las características aerodinámicas de cualquier sección de puente están condicionadas por otros aspectos además de las barreras, como por ejemplo la sección del puente, la masa, las frecuencias naturales, etc., se extraen algunas ideas para diseñar barreras de manera que aumenten la estabilidad del puente. Se han ensayado diferentes barreras colocadas sobre diferentes secciones. En la literatura, se señala la porosidad como uno de los principales parámetros de diseño. A lo largo de la tesis, se han ensayado diferentes barreras de diferente nivel de porosidad. En los ensayos, se han empleado tres túneles aerodinámicos diferentes, dos en el Instituto Universitario de Microgravedad Ignacio da Riva, en la Universidad Politécnica de Madrid y el otro en el Centro Interuniversitario di Aerodinámica delle Costruzioni e Ingegneria del Vento, de la Universit degli Studi di Firenze. Debido a que las barreras influyen no solo en la estabilidad aeroelástica del puente, sino también en otros aspectos importantes, en algunas de las configuraciones ensayadas se han realizado otros ensayos, como por ejemplo, ensayos estáticos sobre el puente o sobre los usuarios del mismo (en este caso, sobre un tren), o las condiciones del flujo creadas en el tablero por la capa de cortadura desprendida de la parte superior de las barreras. Esta tesis está dividida en 4 capítulos. En el primer capítulo, se expone una introducción a la interacción entre fluido y estructura, así como un resumen del estado del arte. También se enumeran los objetivos perseguidos con la tesis. En el capítulo 2, se presentan y analizan los resultados de un conjunto de ensayos realizados sobre un puente de trenes de alta velocidad. En el capítulo 3, se estudia una configuración de una placa plana con diferentes barreras. Finalmente, en el capítulo 4 se extraen las principales conclusiones de la tesis, y se proponen líneas de investigación con el objetivo de mejorar el conocimiento actual sobre la influencia de las barreras en la estabilidad de los puentes.