Simulazione numerica di fenomeni aeroelastici con applicazione alle strutture civili

Il presente lavoro tratta lo studio dei fenomeni aeroelastici di interazione fra fluido e struttura, con il fine di provare a simularli mediante l’ausilio di un codice agli elementi finiti. Nel primo capitolo sono fornite alcune nozioni di fluidodinamica, in modo da rendere chiari i passaggi teorici fondamentali che portano alle equazioni di Navier-Stokes governanti il moto dei fluidi viscosi. Inoltre è illustrato il fenomeno della formazione di vortici a valle dei corpi tozzi dovuto alla separazione dello strato limite laminare, con descrizione anche di alcuni risultati ottenuti dalle simulazioni numeriche. Nel secondo capitolo vengono presi in rassegna i principali fenomeni di interazione fra fluido e struttura, cercando di metterne in luce le fondamenta della trattazione analitica e le ipotesi sotto le quali tale trattazione è valida. Chiaramente si tratta solo di una panoramica che non entra in merito degli sviluppi della ricerca più recente ma fornisce le basi per affrontare i vari problemi di instabilità strutturale dovuti a un particolare fenomeno di interazione con il vento. Il terzo capitolo contiene una trattazione più approfondita del fenomeno di instabilità per flutter. Tra tutti i fenomeni di instabilità aeroelastica delle strutture il flutter risulta il più temibile, soprattutto per i ponti di grande luce. Per questo si è ritenuto opportuno dedicargli un capitolo, in modo da illustrare i vari procedimenti con cui si riesce a determinare analiticamente la velocità critica di flutter di un impalcato da ponte, a partire dalle funzioni sperimentali denominate derivate di flutter. Al termine del capitolo è illustrato il procedimento con cui si ricavano sperimentalmente le derivate di flutter di un impalcato da ponte. Nel quarto capitolo è presentato l’esempio di studio dell’impalcato del ponte Tsing Ma ad Hong Kong. Sono riportati i risultati analitici dei calcoli della velocità di flutter e di divergenza torsionale dell’impalcato e i risultati delle simulazioni numeriche effettuate per stimare i coefficienti aerodinamici statici e il comportamento dinamico della struttura soggetta all’azione del vento. Considerazioni e commenti sui risultati ottenuti e sui metodi di modellazione numerica adottati completano l’elaborato.

Strumenti per la valutazione dello stato conservativo e per la manutenzione programmata dei ponti della Provincia di Bologna

La tesi tratta di strumenti finalizzati alla valutazione dello stato conservativo e di supporto all'attività di manutenzione dei ponti, dai più generali Bridge Management Systems ai Sistemi di Valutazione Numerica della Condizione strutturale. Viene proposto uno strumento originale con cui classificare i ponti attraverso un Indice di Valutazione Complessiva e grazie ad esso stabilire le priorità d'intervento. Si tara lo strumento sul caso pratico di alcuni ponti della Provincia di Bologna. Su un ponte in particolare viene realizzato un approfondimento specifico sulla determinazione approssimata dei periodi propri delle strutture da ponte. Si effettua un confronto dei risultati di alcune modellazioni semplificate in riferimento a modellazioni dettagliate e risultati sperimentali.

Pushover analysis of an existing reinforced concrete bridge:Jamboree Road Overcrossing in Irvine, California

The work for the present thesis started in California, during my semester as an exchange student overseas. California is known worldwide for its seismicity and its effort in the earthquake engineering research field. For this reason, I immediately found interesting the Structural Dynamics Professor, Maria Q. Feng's proposal, to work on a pushover analysis of the existing Jamboree Road Overcrossing bridge. Concrete is a popular building material in California, and for the most part, it serves its functions well. However, concrete is inherently brittle and performs poorly during earthquakes if not reinforced properly. The San Fernando Earthquake of 1971 dramatically demonstrated this characteristic. Shortly thereafter, code writers revised the design provisions for new concrete buildings so to provide adequate ductility to resist strong ground shaking. There remain, nonetheless, millions of square feet of non-ductile concrete buildings in California. The purpose of this work is to perform a Pushover Analysis and compare the results with those of a Nonlinear Time-History Analysis of an existing bridge, located in Southern California. The analyses have been executed through the software OpenSees, the Open System for Earthquake Engineering Simulation. The bridge Jamboree Road Overcrossing is classified as a Standard Ordinary Bridge. In fact, the JRO is a typical three-span continuous cast-in-place prestressed post-tension box-girder. The total length of the bridge is 366 ft., and the height of the two bents are respectively 26,41 ft. and 28,41 ft.. Both the Pushover Analysis and the Nonlinear Time-History Analysis require the use of a model that takes into account for the nonlinearities of the system. In fact, in order to execute nonlinear analyses of highway bridges it is essential to incorporate an accurate model of the material behavior. It has been observed that, after the occurrence of destructive earthquakes, one of the most damaged elements on highway bridges is a column. To evaluate the performance of bridge columns during seismic events an adequate model of the column must be incorporated. Part of the work of the present thesis is, in fact, dedicated to the modeling of bents. Different types of nonlinear element have been studied and modeled, with emphasis on the plasticity zone length determination and location. Furthermore, different models for concrete and steel materials have been considered, and the selection of the parameters that define the constitutive laws of the different materials have been accurate. The work is structured into four chapters, to follow a brief overview of the content. The first chapter introduces the concepts related to capacity design, as the actual philosophy of seismic design. Furthermore, nonlinear analyses both static, pushover, and dynamic, time-history, are presented. The final paragraph concludes with a short description on how to determine the seismic demand at a specific site, according to the latest design criteria in California. The second chapter deals with the formulation of force-based finite elements and the issues regarding the objectivity of the response in nonlinear field. Both concentrated and distributed plasticity elements are discussed into detail. The third chapter presents the existing structure, the software used OpenSees, and the modeling assumptions and issues. The creation of the nonlinear model represents a central part in this work. Nonlinear material constitutive laws, for concrete and reinforcing steel, are discussed into detail; as well as the different scenarios employed in the columns modeling. Finally, the results of the pushover analysis are presented in chapter four. Capacity curves are examined for the different model scenarios used, and failure modes of concrete and steel are discussed. Capacity curve is converted into capacity spectrum and intersected with the design spectrum. In the last paragraph, the results of nonlinear time-history analyses are compared to those of pushover analysis.

On the identification of bridge decks aeroelastic coefficients: the covariance block hankel matrix method

Il seguente elaborato si concentra sull'identifi�cazione strutturale di sistemi soggetti a sollecitazioni aeroelastiche e nello speci�fico l'attenzione viene rivolta ad impalcati da ponte. Si analizzano i concetti principali caratterizzanti il campo dell'aeroelasticità indagando i fattori dominanti che entrano in gioco sul piano teorico. In seguito, si considera il metodo di identifi�cazione strutturale chiamato Covariance Block Hankel Matrix (CBHM) utilizzato come strumento di derivazione dei coeffi�cienti aeroelastici propri della struttura. Infi�ne, si indaga il comportamento di questo metodo di identi�ficazione al variare di una serie di parametri chiave e all'interno di diversi scenari, visionando risultati ottenuti tramite una serie di test eff�ettuati per provare l'a�dattabilità del metodo stesso al variare delle condizioni che caratterizzano il sistema.

Aereodynamics of dry helically-filleted bridge cables

Dry limited amplitude vibrations flow-transition induced vibrations were experienced on a helically-filleted tube, in a previous study performed by Kleissl and Georgakis (2012). These vibrations have never been reported in previous studies. A deep study on the same inclined-yawed cable configuration has been performed, in order to investigate and further understand the nature of these vibrations. The investigation has been carried out through passive-dynamic wind tunnel tests in the Climatic Wind Tunnel at FORCE Technology, Kgs. Lyngby, Denmark. The results are carried out in terms of aerodynamic damping and peak to peak amplitude at different flow velocities and different boundary conditions. The latter are done by testing the model with and without the spray system installed in the wind tunnel cross section, in order to understand and evaluate the influence of the spray system on the start of the vibrations mechanism and on the flow turbulence. The gained experiences are finally presented for the use in future testing activities with the purpose of improving the performance of passive-dynamic tests.

Life cycle assessment in construction field: A life cycle cost analysis of reinforcement concrete bridge

The present work is included in the context of the assessment of sustainability in the construction field and is aimed at estimating and analyzing life cycle cost of the existing reinforced concrete bridge “Viadotto delle Capre” during its entire life. This was accomplished by a comprehensive data collection and results evaluation. In detail, the economic analysis of the project is performed. The work has investigated possible design alternatives for maintenance/rehabilitation and end-of-life operations, when structural, functional, economic and also environmental requirements have to be fulfilled. In detail, the economic impact of different design options for the given reinforced concrete bridge have been assessed, whereupon the most economically, structurally and environmentally efficient scenario was chosen. The Integrated Life-Cycle Analysis procedure and Environmental Impact Assessment were also discussed in this work. The scope of this thesis is to illustrate that Life Cycle Cost analysis as part of Life Cycle Assessment approach could be effectively used to drive the design and management strategy of new and existing structures. The final objective of this contribution is to show how an economic analysis can influence decision-making in the definition of the most sustainable design alternatives. The designers can monitor the economic impact of different design strategies in order to identify the most appropriate option.

I giochi di strategia nell'educazione matematica - il caso del bridge

La tesi evidenzia quanto importante sia l'uso dei giochi di strategia per la didattica della Matematica con particolare attenzione per il gioco del Bridge. Fornisce qualche strumento in più per appassionare lo studente alla matematica. I temi affrontati sono i seguenti: La probabilità con l'uso delle carte, la Matematica che occorre ad un giocatore di bridge per migliorare le proprie prestazioni, i problemi di bridge che offrono stimoli per lo studio della matematica e il Bridge come sport della mente.