Aeroelastisk analyse af hængebroer

Traditionelt foretages aeroelastiske stabilitetsanalyser af hængebroer baseret på en 2-dimensional strømningsmodel. Denne er i sit udgangspunkt baseret på lineariseret potentialteori med vedhæftede grænselag på broprofilets over og underside. Skarpte kanter, rækværk etc. Vil uundgåeligt bevirke separation, hvilket kompenseres i modellen ved at fastlægge visse parametre ved modelforsøg. Den anførte fremgangsmåde har flere svagheder. Blandt andet vil strømningen ikke være fuldt korreleret langs broen, idet korrelationslængden vil afhænge af broens svingningniveau.

I projektet tilstræbes en total modellering af grænselagsstrømningerne langs en stor hængebro, idet karakteristiske svingningsmodes af denne betragtes. Ved øget vindhastighed introduceres der negativ stivhed og dæmpning i strukturen som følge af, at den aerodynamiske last indeholder en komponent i fase med såvel flytning som hastighed. Den kritiske vindhastighed, hvor konstruktionen bliver instabil ønskes fastlagt under hensyntagen til modelleringen af strømningen langs broen.

Projektet tager udgangspunkt i storebælt broen med et frit spænd på 1624m. Der udvikles en lineær struktur model, som bestemmer de grundlæggende modale parametre for broen såsom cirkulære udæmpede egenfrekvenser og gensvingningsformer.

De aerodynamiske egenskaber for broen identificeres vha. CFD modellering i programmet CFX. Først benyttes et statisk broprofil ved variable indstrømningsvinkel. Løsningerne sammenlignes med eksisterende koder og forsøgsdata. Efterfølgende antages det koblede strukturelle og aerodynamiske system at kunne beskrives ved følgende reduceret model, hvor struktur delen antages beskrevet ved en trunkeret modal model.

De aerolastiske laster er beskrevet ved en aerodynamisk modal massematrix (medsvingende luftmasse) , en aeroelastisk modal dæmpningsmatrix og en aerodynamisk modal stivhedsmatrix . Disse identificeres ved harmonisk bevægelse af brosektionen i en virtuelle vindtunnel defineret i CFX. Resultaterne sammenlignes med eksisterende forsøgsdata.

Sluttelig analyseres stabiliteten af den reducerede model sammenlignet

med stabiliteten af en fri svingning i den virtuelle vindtunnel.