INTRODUZIONE

L’aeroelasticità si occupa dello studio dei fenomeni nei quali le forze aerodinamiche ed il moto strutturale conseguente interagiscono significativamente. L’Ingegneria Strutturale interessata dai fenomeni aeroelastici può essere suddivisa, a seconda del tipo di strutture coinvolte dall’azione del vento, in due grandi categorie: Civile e Aerospaziale. Mentre nell’Ingegneria Civile i fenomeni aeroelastici sono indotti da flussi in regime subsonico, su strutture per lo più vincolate al suolo, nell’Ingegneria Aerospaziale i fenomeni aeroelastici interessano invece strutture non vincolate completamente immerse in flussi anche in regimi supersonici. Tale distinzione è molto importante perché la presenza o meno di vincoli, associata alla velocità dell’aria incidente, origina effetti sulle strutture coinvolte molto differenti tra loro. È tuttavia doveroso precisare che per alcune applicazioni ingegneristiche lo studio di base dei fenomeni aeroelastici ha una trattazione comune. Si pensi, ad esempio, all’impalcato di un ponte sospeso: per esso l’azione del vento costituisce il carico dinamico più importante (insieme a quello sismico) da considerare nella progettazione strutturale. L’analisi degli effetti indotti dal flusso d’aria incidente viene valutato. considerando la sezione trasversale dell’impalcato come un profilo alare di un aeromobile, e questo al fine di minimizzare le conseguenze dei fenomeni aeroelastici. Nella trattazione che segue ci si riferisce alle oscillazioni strutturali aeroelastiche indotte da flussi subsonici e ai fenomeni di instabilità aerodinamica innescati dalla presenza delle forze di interazione fluido-struttura, fondamentalmente per strutture di interesse nell’ambito civile.

Nell’Ingegneria del Vento i fenomeni aeroelastici sono classificati in cinque categorie:

Vortex Shedding e Lock-in

Oscillazioni per Galloping

Forze di Buffeting

Divergenza Torsionale

Instabilità per Flutter

Mentre la divergenza torsionale costituisce un caso di instabilità statica, gli altri sono casi di instabilità dinamica

INTERAZIONE FLUIDO-STRUTTURA

In generale l’azione del vento sulle strutture origina un sistema di forze associate alla velocità media del flusso, alla turbolenza atmosferica e alla scia vorticosa. Nella pratica progettuale, tuttavia, per disporre di un modello che descriva in termini matematici non troppo complessi l’interazione fluido-struttura, si introducono delle ipotesi semplificative sia sulla forzante esterna, che sul comportamento della struttura stessa. A questo scopo l’analisi strutturale inizia dallo studio di una struttura elastica lineare soggetta a generiche condizioni del vento turbolento, la cui velocità è schematizzata da componenti fluttuanti a media nulla sovrapposte alla velocità media del flusso. I carichi del vento sono applicati sulla struttura indeformata e l’analisi del problema è interamente svolta in ambito lineare. Di conseguenza, anche le pressioni e la risposta strutturale possono essere schematizzate in modo analogo, come somma di una componente media modificata dalla presenza di componenti fluttuanti. Da un punto di vista tecnico, il valore massimo della velocità, delle pressioni e della risposta strutturale può essere calcolato come il prodotto del valore medio per un opportuno fattore di raffica.

Esistono invece delle situazioni, dovute a instabilità aeroelastica, nelle quali le suddette ipotesi di modello a comportamento lineare non sono più valide. In questi casi, accanto alle forzanti usuali nascono forze aerodinamiche auto-eccitate, che agiscono sul corpo in conseguenza del suo stesso moto, accoppiando i rispettivi moti del fluido e della struttura. Il fluido, imprimendo una forza, causa la deformazione della struttura, che di conseguenza provoca moti nel fluido e cambia la propria esposizione al flusso, con conseguente variazione delle forze esercitate dal fluido stesso.

In altri termini, nei fenomeni aeroelastici il flusso d'aria e le conseguenti forze di interazione fluido-struttura risultano completamente modificate dal moto della struttura stessa.

Lo studio dei fenomeni aeroelastici viene condotto mediante l'utilizzo di modelli analitici ed empirici, descritti da un numero di parametri sufficienti per cogliere le caratteristiche più rilevanti dei fenomeni analizzati. I modelli empirici sono utilizzati solamente per la previsione di effetti aeroelastici nell'ambito della teoria dell'analisi bidimensionale, facendo quindi riferimento ad un'opportuna sperimentazione in galleria del vento. Essi possono venire usati per la previsione di effetti aeroelastici solo se gli intervalli delle variabili adimensionali, che governano il fenomeno, sono gli stessi sia per il modello che per il prototipo.