I ponti a vento ad alta tensione rappresentano un punto di forza strutturale, bilanciando l'estetica elegante con notevole efficienza di carico. Il loro design, caratterizzato da un ponte sostenuto da cavi che irradiano da una o più torri, consente di ottenere una maggiore durata rispetto ai tradizionali ponti a trazione, mentre si utilizzano meno materiali dei ponti a sospensione.

Comprendere le vibrazioni indotte dal vento

Le vibrazioni indotte dal vento nei ponti posizionati in cavo derivano dall'interazione tra le forze aerodinamiche e l'elasticità strutturale dei cavi e del ponte. A differenza dei carichi eolici statici, relativamente semplici da calcolare, gli effetti del vento dinamico comportano forze complesse e disperse che possono eccitare i modi risonanti. Il risultato è il movimento ciclico che, nel tempo, può causare la fesura nelle ancore dei cavi, si inassumono rapidamente si in caso si in caso si in caso si in caso di usino i rapidi errori di rotazione dei ponti.

Vibrazioni eolie

Le vibrazioni eoliche sono oscillazioni di bassa frequenza, a bassa frequenza, causate da un vortice periodico che si estende dal lato sinistro del cavo.

Gallogazione

La gallodinamica è una bassa frequenza, instabilità ad alta resistenza che si verifica quando le forze aerodinamiche su un cavo producono un'umidificazione negativa, che significa che il vento alimenta l'energia nel movimento piuttosto che dissiparlo. Questo fenomeno è più spesso associato a cavi che hanno sezioni non circolari (ad esempio, accrescimento del ghiaccio, crescita marina, o guaina danneggiata) o quando il cavo è inclinato rispetto alle soluzioni dissione del cavo

Vibrazioni indotte dal Vortex (VIV)

Le vibrazioni indotte dal Vortex si verificano quando la frequenza di spargimento del vortice corrisponde a una frequenza naturale del cavo, creando una condizione di risonanza. A differenza delle vibrazioni eolie, che sono intrinsecamente ad alta frequenza, VIV in cavi più grandi può verificarsi a velocità del vento più basse e produrre ampiezza moderate. Il fenomeno è simile a quello visto in camini e alzatori di frequenza offshore, ma in modalità di coppia cavi incrociati

Buffet e Flutter

Mentre non sempre si classifica con i tre tipi sopra, il buffet e il flutter meritano di menzionare in qualsiasi discussione completa. Buffeting è la vibrazione forzata casuale causata dalla turbolenza nel vento. Non è auto-eccitante ma può produrre carichi di fatica significativi nel tempo, in particolare nei ponti e cavi.

L'importanza del Damping

Il Damping è il meccanismo con cui una struttura dissipa l'energia vibrazionale, converte il movimento cinetico in calore, suono o altre forme che non contribuiscono a una continua oscillazione. Nei ponti con la posa del cavo, l'umidità riduce l'ampiezza delle vibrazioni causate dal vento, impedisce l'accumulo di quantizzazione e limita l'inversione di stress che causa la fatica.

Tipi di sistemi di smorzamento

Ammortizzatori Viscosi

Gli ammortizzatori viscosi funzionano forzando un fluido (olio di silicone) attraverso piccoli orifizi mentre il pistone ammortizzatore si muove in risposta alle vibrazioni del cavo. La resistenza del fluido crea una forza proporzionale alla velocità, dissipando efficacemente l'energia.Questi ammortizzatori sono spesso installati vicino all'ancoraggio del cavo al ponte o alla torre, dove hanno un colpo sufficiente per assorbire le vibrazioni moderate.

Ammortizzatori di massa sintonizzati (TMD)

Un ammortizzatore di massa sintonizzato è un sistema secondario di massa-ammortizzatore attaccato alla struttura primaria (il cavo o il ponte) ad un punto di massimo spostamento modale. La frequenza naturale di TMD è sintonizzata per abbinare una specifica modalità di vibrazione del ponte, e il suo smorzamento assorbe l'energia da quella modalità.

Ammortizzatori di frizione

Gli ammortizzatori di frizione dissipano l'energia attraverso un contatto scorrevole tra due superfici ad alta forza normale. Come il cavo oscilla, i componenti di ammortizzatore si strofinano l'uno contro l'altro, convertendo l'energia meccanica in calore. Gli ammortizzatori di frizione sono semplici, robusti e relativamente poco costosi. Spesso sono installati all'interno del condotto del cavo o all'estremità inferiore del cavo vicino alla piastra di ancoraggio.

Magneto-Rheological (MR) Ammortizzatori

Gli ammortizzatori MR rappresentano un approccio più nuovo e semiattivo al controllo delle vibrazioni. Essi contengono un fluido magneto-rheologico che cambia la viscosità nei microsecondi quando esposti a un campo magnetico. Variando la corrente a una bobina all'interno della serranda, le caratteristiche di smorzamento possono essere regolate in tempo reale in base al feedback dei sensori.

Considerazioni di progettazione per la sicurezza

Gli ingegneri utilizzano un approccio multi-scala per affrontare le vibrazioni indotte dal vento, combinando modelli analitici, test del tunnel eolico e validazione del campo. Il processo inizia durante la fase di progettazione del concetto, dove la forma aerodinamica del ponte è ottimizzata per minimizzare il taglio del vortice e ritardare l'insorgenza del flutter.

Test e CFD del tunnel del vento

I modelli di ponte rimasti devono riprodurre l'esatta geometria dei cavi e del mazzo, tra cui rugosità superficiale, inclinazione del cavo e forma della torre. Il programma di test di solito copre più direzioni del vento, angoli di yaw, e accelera fino al vento di ritorno del progetto (spesso 100 anni o 300 anni) eventi).

Codici e Standard di progettazione

I peggiori progetti di progettazione di ponti aerodinamici (AASHTO) LRFD Bridge Design sono stati forniti da diversi codici internazionali, che garantiscono la stabilità dei carichi eolici e la stabilità aerodinamica.

Reti sensoriali e monitoraggio della salute strutturale

I moderni ponti con i cavi sono dotati di ampie reti di sensori che monitorano l'accelerazione, la velocità del vento, le forze dei cavi e gli spostamenti strutturali in tempo reale. Gli acclerometri montati sulle maniche dei cavi o a livello del ponte rilevano le ampiezza e le frequenze delle vibrazioni, mentre gli anemometro che consentono di registrare la velocità del vento e la direzione.

Manutenzione e studi di casi

Anche il sistema di smorzamento più progettato richiede una manutenzione continua per rimanere efficace. Gli ammortizzatori viscosi devono essere ispezionati ogni anno per perdite di fluidi e condizioni di tenuta. Gli ammortizzatori di frizione devono controllare i bulloni di serraggio e le valutazioni delle condizioni di superficie.

L'esperienza del ponte Normandia

Il ponte di Normandie[] in Francia, con la sua portata principale di 856 metri, ha sperimentato significativi problemi di vibrazione dei cavi nei primi anni dopo l'apertura nel 1995. Le condizioni di pioggia-plus-vento hanno causato un'ampia ampiezza di galoppamento nei cavi più lunghi, spingendo un programma di retrofit che ha aggiunto ammortizzatori di massa e fili elicoidali superficiali per interrompere le piogge rundiecolari.

Vantaggi di monitoraggio a lungo termine

Sul ponte Stonecutters di Hong Kong, una vasta rete di monitoraggio ha permesso agli ingegneri di rilevare un graduale spostamento di smorzamento dei cavi nel corso di cinque anni, causato dall'usura delle guarnizioni viscose.

Conclusioni

I sistemi di controllo del vento non sono insiti, ma sono insormontabili. Attraverso una profonda comprensione dei meccanismi aerodinamici, eoli, galoppanti, vortice-indotti, buffet e flutter, e applicando soluzioni di smorzamento su misura come ammortizzatori viscosi, TMD, ammortizzatori di frizione, o ammortizzatori di fase MR, gli ingegneri possono controllare