An experimental investigation of aerodynamic interference between two closely spaced suspension bridges

Abstract

Behov for kapasitetsøkning i transportnettet kan føre til problemstillingen om man skal bygge en ny bru med økt kapasitet og rive eksisterende bru, eller om det skal bygges en ny bru i parallell med en eksisterende bru. Fra et bærekraftperspektiv vil det kunne være fordeler med å bygge en parallell bru, men dette kan føre til nye utfordringer. To parallelle bruer kan påvirke hverandre grunnet aerodynamisk interaksjon og gi en mer kompleks vind-indusert respons i bruene. Dette kan gi utslag i bruenes oppførsel med tanke på virvelinduserte svingninger og flutter, som er uønskede fenomener som kan oppstå i bruer grunnet vind.

Dermed er et eksperimentelt oppsett for testing av to bromodeller i vindtunnelen på NTNU blitt designet, undersøkt i Abaqus og bygget. Videre har interaksjonen mellom to parallelle modeller blitt undersøkt med hensyn til både VIV og flutter.

Resultatene fra testene indikerer betydelig aerodynamisk interaksjon mellom de to uavhengige broene. For flutter-testene er det mest påfallende resultatet at den kritiske vindhastigheten ble betydelig redusert og det styrende ustabilitetsfenomenet endret seg fra en klassisk hard koblet flutter til en myk interaksjons-flutter når det ble introdusert en annen bru i parallell med den første.

VIV-testene viste en betydelig forskjell i deformasjonsamplituden når oppstrømsmodellen var statisk i motsetning til dynamisk. Det siste ga klart større vibrasjoner i nedstrømsmodellen. I tillegg hadde nedstrømsmodellen størst bevegelser når modellene hadde like egenfrekvenser, og betydelig mindre når det var forskjell i frekvensene. Den observerte variasjonen i amplitude over de ulike avstandene mellom broene tyder på en kompleks sammenheng mellom virvelavløsningsfrekvens, virvellengde, svingeperiode og avstand.

Siden det eksperimentelle oppsettet tillot testing av både VIV og flutter, virker det lovende for videre testing av parallelle, uavhengige bruer i vindtunnelen. Ulemper inkluderer manuell justering av modellene og potensiell forstyrrelse av luftstrømmen.

The need to increase the capacity of transport networks has raised the question of whether building a new bridge in parallel with an existing one is more beneficial than replacing the current bridge with a larger one. From a sustainability standpoint, constructing a parallel bridge might be advantageous, though it could also introduce additional challenges. When two bridges are in parallel they can affect each other as a result of aerodynamic interaction, and the wind induced response becomes more complex. This may influence the behaviour of the bridges concerning Vortex Induced Vibrations (VIV) and flutter instabilities, which are unwanted phenomena that may arise in bridges due to wind.

Thus, an experimental setup for testing two bridge models in the wind tunnel at NTNU has been designed, investigated in Abaqus and built. Further, the interaction between two parallel bridge models has been examined with regard to VIV and flutter in the wind tunnel.

The results from the tests indicate significant aerodynamic interaction between the two independent bridges. For the flutter tests, the most striking result is that the critical wind velocity decreased significantly and the governing instability phenomenon changed from a classical hard coupled flutter to a soft interference flutter when adding a second dynamic deck in parallel.

The VIV tests revealed a significant contrast in deformation amplitude with the upstream being deck static compared to dynamic. The latter gave significantly larger vibrations in the downstream deck. Additionally, the downstream deck had significantly less movement when the two decks had different natural frequencies. The observed variation in amplitude across different gap ratios suggests a complex relation between shedding frequency, vortex length, oscillation period and gap width.

Since the designed experimental setup allowed for testing of VIV and flutter, it seems promising for further testing of two parallel, independent bridges in the wind tunnel. However, drawbacks include manual alignment of the models and potential disturbance of airflow.