Vibrações induzidas por chuva e vento em cabos de pontes estaiadas : investigação experimental dos mecanismo em túnel de vento

Abstract

Desde 1988, ao redor do mundo, têm sido relatadas, ocorrências de vibrações de cabos de pontes estaiadas sob ação combinada de chuva de vento. Este mecanismo tem sido de grande interesse dos engenheiros de pontes e pesquisadores, por provocar vibrações de grandes amplitudes em cabos de pontes estaiadas. Estas vibrações, que são predominantemente transversais à direção do vento, foram observadas apenas sob condições de chuva leve e baixa velocidade do vento ocorrendo simultaneamente. As oscilações são provocadas principalmente pela formação e pelo movimento de filetes d´água que se dispõem ao longo da superfície dos cabos e modificam continuamente a distribuição de pressões em volta destes. Devido à alta flexibilidade, massa relativamente pequena e amortecimento extremamente baixo, o sistema de cabos de pontes estaiadas pode estar sujeito a largos movimentos dinâmicos induzidos pela ação combinada de chuva e vento. As grandes amplitudes atingidas reduzem a vida útil dos cabos e de suas conexões e em consequência causam danos aos dutos de proteção contra corrosão. Além disso, as oscilações excessivas podem provocar choques entre cabos adjacentes e causar situações de desconforto ao usuário. O melhor conhecimento do fenômeno evitará que perigosas oscilações induzidas pelo efeito combinado de chuva e vento ocorram evitando que medidas sejam tomadas apenas após a ocorrência de acidentes e não na fase de projeto. O objetivo principal deste trabalho foi investigar os mecanismos relacionados ao efeito combinado de chuva e vento através da identificação e quantificação da influência dos filetes sobre coeficientes aerodinâmicos e sobre a esteira de modelos seccionais. Modelos seccionais de diâmetros 110 mm e 200 mm foram posicionados verticalmente com vento incidente normal ao eixo longitudinal e posicionados verticalmente com vento incidindo obliquamente ao eixo. Os números de Strouhal apresentaram valores diferentes, variando de forma aleatória entre 0,18 e 0,27, em função do diâmetro do cabo e posição dos filetes. Existe, portanto a presença de vórtices de kármám (St=0,2), vórtices de alta velocidade reduzida (St=0,18) e vórtices de alta frequência (St=0,28), sendo estes dois últimos ocorrendo devido a presença dos filetes. Foi confirmada através dos gráficos de densidade espectral a existência de amplificação ou diminuição da intensidade do desprendimento dos vórtices em função da posição do filete superior podendo ocorrer até a supressão dos vórtices. Os modelos inclinados não apresentaram resultados visíveis para a análise de desprendimento de vórtices através de anemometria. Isso pode ter ocorrido devido a presença outros efeitos do vento que normalmente ocorrem sobre cabos inclinados. O escoamento axial, por exemplo, (que ocorre na direção axial do cabo e a sotavento da seção) pode ter sido impedido de se representar na câmara de ensaio do túnel, pois o escoamento pode encontrar as paredes ou pisos como obstáculo ao fluxo. Puderam-se reunir dados experimentais de cabos de diâmetros, posições de filetes e tipos de escoamentos diferentes. Estes resultados servem como base de dados para diversos modelos teóricos já desenvolvidos para estudo do fenômeno.

Since 1988, around the world, have been reported occurrences of cable-stayed bridges cables vibrations under combined action of rain wind. This mechanism has caused great concern to bridge engineers and researchers due to the large vibration amplitudes. These vibrations, which are predominantly cross-wind, were observed only under conditions of light rain and low wind speed occurring simultaneously. The oscillations are caused mainly by the formation and movement of water rivulets over the cables surface in the axial direction, which modify continuously the pressure distribution around the cable. Due to the high flexibility, relatively small mass and low damping, the cables system of cable-stayed bridges may be subject to large dynamic movements induced by the combined action of rain and wind. The large amplitudes reduce the lifetime of the cables and their connections, resulting in damage to the corrosion protection ducts. Moreover, the fluctuations can cause shocks between adjacent cables and cause user discomfort. A better knowledge of the phenomenon may prevent that dangerous oscillations induced by the combined effect of rain and wind occur, compromising the usefulness and safety of cable-stayed bridges, besides to avoiding the necessity of measures taken only after some accident occurrence. The main objective of this study was to investigate the mechanisms related to the combined effect of rain and wind by the identification and quantification of the rivulet influence on aerodynamic coefficients and sectional models wake. Sectional models diameters of 110 mm and 200 mm was positioned vertically with perpendicular wind incidence to the longitudinal axis and positioned vertically with oblique wind incidence to the longitudinal axis. The Strouhal numbers showed different values, varying randomly between 0.18 and 0.27 due the cable diameter and rivulet position. Therefore is noted the kármám vortex presence (St = 0.2), low frequency vortex (St = 0.18) and high frequency vortex (St = 0.28), the latter two occurring due the rivulet presence. Was confirmed by spectral density the amplification and the reduction of the vortex shedding intensity due rivulet position occurring until the vortex suppress. The inclined models showed no visible results for the vortex shedding analysis by anemometry. This may be occurring due the presence of other effects of the wind that normally occur on inclined cables. The axial flow, for example, (which occurs in the axial direction of the) may have been unable to be represented due the tunnel dimensions. Experimental data of cable diameters, rivulet positions and different flow was collected. These results serve as a database for theoretical models already developed for studying of the phenomenon.