Budapest University of Technology and EconomicsFaculty of Civil Engineering - Since 1782

A közepes- és nagyfesztávú hídszerkezetek szélterhelés alatti viselkedésének értékelése és széldinamikai vizsgálata a korszerű hídszerkezet-tervezés egyik meghatározó kérdése. A jelenleg alkalmazott szabványos méretezési eljárások számos esetben kedvezőtlen aeroelasztikus viselkedést, illetve jelentős rezgéscsillapítási igényt prognosztizálnak, különösen karcsú acélhidak esetén. A gyakorlati tapasztalatok ugyanakkor azt mutatják, hogy a Magyarországon jellemző közepes fesztávú hidaknál a valós szélhatások sok esetben nem eredményeznek számottevő rezgéseket, illetve használhatósági problémát. Ez arra utal, hogy a jelenlegi szabványos méretezési modellek bizonyos szerkezettípusok és geometriai kialakítások esetén nem adnak megfelelően pontos eredményt, felülvizsgálatra szorulnak.
A javasolt PhD kutatás célja ezért a szél és a híd kölcsönhatásának pontosabb leírása, és a jelenlegi számítási módszerek finomítása numerikus számítási eljárások alkalmazásával. A vizsgálatok középpontjában kapcsolt CFD–FEM modellek fejlesztése és alkalmazása áll, amelyek lehetővé teszik az áramlástani és szerkezeti jelenségek együttes figyelembevételét. A kutatás során különböző hídtípusok (különböző keresztmetszeti geometriák és eltérő merevségű főtartók) aeroelasztikus viselkedése kerül elemzésre, figyelembe véve a szerkezeti merevség, a csillapítás, a keresztmetszeti geometria, valamint a szélsebesség és turbulencia gerjesztő hatását. A numerikus eredmények összevetésre kerülnek a jelenlegi szabványos méretezési eljárások eredményeivel, valamint – lehetőség szerint – laboratóriumi szélcsatorna-kísérletek, illetve helyszíni mérések eredményeivel (elsősorban örvénygerjesztés és belebegés szempontjából).
A kutatás várható eredménye olyan pontosított számítási eljárások kidolgozása, amelyek megbízhatóbban írják le a közepes fesztávú hidak szélterhelés alatti dinamikai viselkedését, és melyek hozzájárulnak a jelenlegi szabványos méretezési előírások továbbfejlesztéséhez.
A kutatási program során elvégzendő feladatok a következők: (i) átfogó szakirodalmi áttekintés a szél–híd kölcsönhatás, aeroelaszticitás és híd-aerodinamika témakörében; (ii) a magyarországi közepes fesztávú, aerodinamikai szempontból releváns hídtípusok és szerkezeti kialakítások azonosítása; (iii) CFD-alapú áramlástani modellek és FEM-alapú szerkezeti modellek kidolgozása, majd a kapcsolt modell alkalmazása különböző hídtípusokra; (iv) numerikus modellek validálása, lehetőség szerint saját vagy szakirodalmi laboratóriumi szélcsatorna kísérletekkel, illetve helyszíni mérésekkel; (v) a szerkezeti válasz érzékenységvizsgálata geometriai, anyagi és aerodinamikai paraméterek függvényében; (vi) a numerikus eredmények összehasonlítása a jelenlegi szabványos méretezési eljárásokkal, majd ezek alapján mérnöki gyakorlatban alkalmazható pontosított módszerek kidolgozása (elsősorban örvénygerjesztés és belebegés szempontjából).

***
Evaluation of the behaviour of medium-span bridge structures under wind loading is one of the key topics in modern bridge design. The currently applied code-based design procedures often predict unfavourable aeroelastic behaviour and a significant need for vibration damping, particularly in the case of slender steel bridges. Practical experience, however, shows that for medium-span bridges typical in Hungary, actual wind actions often do not result in any appreciable structural response or serviceability problems. This suggests that the present code-based approaches may be overly conservative for certain structural types and geometric configurations.
The aim of the proposed PhD research is to provide a more accurate description of wind–bridge interaction and to refine existing calculation methods by applying advanced numerical modelling techniques. The focus of the investigation is the development and application of coupled CFD–FEM models, which make it possible to account for fluid-dynamic and structural phenomena simultaneously. During the research, the aeroelastic behaviour of different bridge configurations will be analysed, taking into account the effects of structural stiffness, damping, cross-sectional geometry, as well as wind speed and turbulence. The numerical results will be compared with those obtained from the current code-based procedures, and, where possible, with laboratory wind tunnel experiments and field measurements.
The expected outcome of the research is the development of a refined engineering assessment methodology and recommendation system that more reliably describes the wind-loaded behaviour of medium-span bridges and may contribute to the further development of current design provisions (mainly for vortex-induced vibrations and flatter).
The tasks to be carried out within the research programme are as follows: (i) a comprehensive literature review in the field of wind–bridge interaction, aeroelasticity, and bridge aerodynamics; (ii) identification of the relevant medium-span bridge types and structural configurations typical in Hungary; (iii) development of CFD-based flow models and FEM-based structural models, followed by the application of the coupled model to different bridge types; (iv) sensitivity analysis of structural response with respect to geometric, material, and aerodynamic parameters; (v) validation of the numerical models, where possible, by laboratory wind tunnel tests or field measurements; and (vi) comparison of the numerical results with current code-based design procedures, followed by the development of engineering recommendations and refined assessment methods applicable in practice (mainly for vortex-induced vibrations and flatter).