2010 - Università di Genova. Progetti di Ateneo 2010

con

C. Pagnini, DICAT, Università di Genova

M.P. Repetto, DICAT, Università di Genova

F. Tubino, DICAT, Università di Genova

A. Feda, DICAT, Università di Genova

M. Marrè Brunenghi, DICAT, Università di Genova

Contenuto del progetto e obiettivi della ricerca

Molte strutture civili, quali impalcati da ponte, cavi sospesi, torri ed edifici alti hanno comportamenti aerodinamici assimilabili a quelli di corpi cilindrici. Per questa ragione, le ricerche sul comportamento aerodinamico di corpi cilindrici sono un argomento tipico nell’ambito dell’ingegneria del vento e i risultati ottenuti sono comunemente impiegati nella progettazione strutturale e sono recepiti dalle normative per la definizione delle azioni del vento sulle strutture.

Le forze aerodinamiche che si sviluppano su un corpo investito dal vento fluttuano nel tempo a causa della turbolenza presente nel flusso incedente e a causa di fenomeni instabili che si verificano nel flusso intorno al corpo dando luogo a una scia vorticosa. Questi fenomeni sono fortemente influenzati dal moto del corpo e si manifestano, da un punto di vista macroscopico, con la generazione di forze aerodinamiche dipendenti dal moto.

Quando il corpo in esame è soggetto a forze di richiamo elastico (perché ad esempio è parte di una struttura deformabile), l’accoppiamento e l’interazione fra il moto della struttura e la dinamica del fluido che la investe può generare una grande varietà di comportamenti dinamici stabili e instabili, classificati come fenomeni aeroelastici. Alcuni di questi   (divergenza, galoppo, flutter) sono rilevanti per strutture caratterizzate da grande flessibilità quali i ponti di grande luce, i cavi sospesi e le grandi coperture.

La modellazione analitica dei fenomeni di interazione fluido-struttura è possibile soltanto per casi estremamente semplici, mentre soluzioni interamente computazionali sono praticabili soltanto a basso numero di Reynolds. Nella grande maggioranza dei casi rilevanti in ingegneria civile, la sperimentazione in galleria del vento è l’unico strumento disponibile per la descrizione di fenomeni aeroelastici.  Essa si svolge generalmente investendo, con un flusso bidimensionale (nella media), corpi cilindrici rigidi    supportati da dispositivi elastici.

L’obiettivo tipico della sperimentazione aeroelastica è l’identificazione di modelli dinamici capaci di rappresentare le forze di interazione fluido-struttura. A questo scopo, si utilizzano generalmente modelli dinamici lineari parametrizzati attraverso funzioni di risposta in frequenza, dette derivate aerodinamiche, stimate dalle misure in galleria del vento.

Il presente progetto si pone l’obiettivo di arricchire la conoscenza scientifica sul comportamento aeroelastico di cilindri con sezione di forma semplice e di sviluppare strumenti per analizzare e modellare fenomeni di interazione fluido-struttura rilevanti per le applicazioni di ingegneria del vento.

Descrizione delle attività di ricerca

Attività 1 - Realizzazione di un apparato per sperimentazione aeroelastica

Si realizza un apparato sperimentale per l’esecuzione di prove aeroelastiche su corpi cilindrici da utilizzare all’interno della galleria del vento dell’Università di Genova. Il sistema sarà progettato per svolgere prove su corpi   rigidi sostenuti elasticamente e liberi di muovere secondo due gradi di libertà (traslazione in direzione ortogonale al flusso e rotazione nel piano della sezione trasversale). I supporti elastici saranno realizzati mediante molle elicoidali precaricate. Il moto sarà misurato attraverso distanziometri laser e accelerometri montati a bordo del modello. Il campo di pressione sarà valutato lungo il perimetro di una o più sezioni trasversali attraverso scanner di pressione multi-canale. Sarà realizzato un dispositivo per applicare al modello forze impulsive di entità variabile da utilizzare come azioni di disturbo per la valutazione delle condizioni di stabilità dinamica.

Attività 2 – Sperimentazione in galleria del vento

Si considerano tre corpi cilindrici (a sezione circolare, quadrata e rettangolare) studiati in diverse condizioni di velocità ridotta (velocità adimensionalizzata con la dimensione caratteristica del cilindro e la frequenza propria di oscillazione del sistema meccanico) e angolo d’attacco. La sperimentazione in galleria del vento consiste nell’osservare l’oscillazione libera del cilindro a partire da un disturbo esterno iniziale, misurando simultaneamente il moto del cilindro e il campo di pressione. A tale scopo dovrà essere predisposto un sistema di sincronizzazione fra le misure di pressione e le misure di spostamento ottenuto attraverso la generazione di un segnale di comando comune a tutti gli strumenti di misura impiegati e l’identificazione a posteriori del ritardo effettivo relativo a ogni classe di sensori.

Attività 3 – Analisi e modellazione di fenomeni aeroelastici

L’analisi delle misure sperimentali è finalizzata all’identificazione di modelli per la rappresentazione e predizione delle forze aeroelastiche agenti sul cilindro. Tradizionalmente questi modelli legano le forze aerodinamiche globali al moto del cilindro (velocità e posizione). Nel presente progetto si intende generalizzare questo approccio operando in due direzioni: 1 – si identificano modelli in grado di predire il campo di pressione locale, anziché soltanto la forza globale; 2 – si generalizzano gli usuali strumenti lineari legati alle derivate aerodinamiche introducendo termini correttivi nonlineari.

Il primo risultato è ottenuto identificando preliminarmente modelli ridotti del campo di pressione attraverso rappresentazioni modali basate sul concetto di struttura coerente. A tale scopo, strumenti probabilistici quali la Proper Orthogonal Decomposition (POD) e le sue generalizzazioni formulate per sfruttare le informazioni probabilistiche di ordine superiore al secondo (Independent Component Analysis, ICA) o la struttura probabilistica temporale dei campi di pressione misurati (Dynamic-ICA) verranno sistematicamente applicate per rappresentare e analizzare i risultati sperimentali.

Il secondo risultato è conseguito adottando realizzazioni canoniche di sistemi dinamici nonlineari quali la serie di Volterra e di Wiener parametrizzati attraverso grandezze osservabili in galleria del vento.

Descrizione del gruppo di ricerca

Il gruppo di ricerca proponente è composto da quattro ricercatori dei settori ICAR08 e ICAR09, un tecnico categoria D1 e uno studente di dottorato.

Luigi Carassale è il Coordinatore Scientifico del progetto; è nato nel 1972 a Genova, è ricercatore all’Università di Genova dal 2004. Luigi ha svolto ricerche in svariati campi, fra i quali l’ingegneria del vento, l’aerodinamica sperimentale e numerica dei corpi tozzi, la meccanica delle vibrazioni e l’identificazione di sistemi dinamici. Ulteriori informazioni sono disponibili all’indirizzo web: http://sdm.dicat.unige.it

Luisa Pagnini è nata a Savona nel 1967 ed è ricercatore confermato presso l’Università di Genova dal 2003. Svolge ricerca nell’ambito della dinamica strutturale, dell’ingegneria sismica e dell’ingegneria del vento, occupandosi in particolare di modellazione statistica del vento, della risposta delle strutture, sicurezza, identificazione aerodinamica, sperimentazione full scale.

Maria Pia Repetto è nata a Genova nel 1972, è ricercatore confermato presso l’Università di Genova dal 2005, è stata docente del corso di Ingegneria del Vento all'Università di Genova. L’attività scientifica di Maria Pia comprende la modellazione delle azioni del vento su strutture, la valutazione della risposta dinamica e della sicurezza, con particolare riferimento al collasso per fatica.

Federica Tubino è nata a Genova nel 1974, è ricercatore presso l’Università di Genova dal 2008, dove ha eseguito ricerche nell’ambito dell’ingegneria del vento e della dinamica delle strutture, con particolare interesse ad applicazioni della POD per la modellazione e la simulazione della turbolenza atmosferica e alla modellazione delle forze aerodinamiche e aeroelastiche indotte dal vento sui ponti di grande luce e passerelle pedonali.

Andrea Freda è nato a Recco (Ge) nel 1975, è attualmente in servizio presso l’Università di Genova con la qualifica di tecnico laureato e mansioni legate all’attività sperimentale della galleria del vento. L’attività scientifica di Andrea comprende l’aerodinamica sperimentale di corpi tozzi, la stabilità aeroelastica di corpi cilindrici investiti dal flusso in direzione inclinata rispetto al loro asse.

Michela Marrè Brunenghi è nata a Genova nel 1982 ed è attualmente studente di dottorato. L’attività di Michela verte sulla sperimentazione in galleria del vento e la modellazione di forze aerodinamiche e aeroelastiche agenti su corpi tozzi.

Attrezzature sperimentali impiegate nel progetto già in possesso del gruppo di ricerca

La sperimentazione in galleria del vento è uno degli aspetti essenziali  del Progetto. Questa attività sarà integralmente svolta nella galleria del vento dell’Università di Genova. Si tratta di una galleria a circuito chiuso con camera di prova a strato limite avente sezione 1.65 x 1.35 m e lunghezza 8.80 m. Allo stato attuale, la strumentazione disponibile comprende anemometri con sonde multi-foro per la misura della velocità della vena fluida nella banda 0 – 4 kHz, bilance per la misura delle forze aerodinamiche su modelli statici, un sistema per la misura di campi di pressione (64 canali simultanei).

Piano finanziario

La realizzazione degli apparati sperimentali previsti dal progetto e l’acquisizione della strumentazione necessaria comporta le spese elencate in Tabella 1.