INTRODUZIONE

I ponti di grande luce presentano un carattere prevalentemente monodimensionale. Inoltre a seguito della loro elevata flessibilità e leggerezza, sono particolarmente sensibili agli effetti del vento. Tali effetti sono generalmente non stazionari e hanno origine dall'interazione dinamica tra l'azione del vento e la risposta della struttura indotta dal vento stesso. Da questo processo di interazione vento-struttura si generano delle forze autoeccitate, di natura aeroelastica, che possono indurre il flutter dell'impalcato fino a produrne il crollo.

Il flutter è un tipico fenomeno aeroelastico di auto-eccitazione di un sistema strutturale che, a causa del moto estrae energia dal flusso fluido. Se al sistema viene fornito un disturbo iniziale, il moto che ne consegue può essere di decadimento (oscillazioni che nel tempo si smorzano) o di divergenza (oscillazioni che nel tempo aumentano indefinitamente). Ciò accade a seconda che l'energia fornita dal fluido sia, rispettivamente, minore o maggiore dell'energia che il sistema strutturale è in grado di dissipare per smorzamento meccanico. Esso è un classico fenomeno di instabilità aeroelastica dovuto all'accoppiamento tra i gradi di libertà del sistema stesso.

Da un punto di vista aerodinamico vanno però distinte due situazioni di flutter:

flutter classico (o flutter a 2 gradi di libertà)

stall flutter (o flutter a 1 grado di libertà)

Differenza tra flutter classico e stall flutter

Mentre il flutter classico ha la proprietà di avere un flusso non separato nella parte terminale del corpo (cioè il flusso segue il contorno del corpo stesso), a causa dell'aerodinamicità della sezione dell'impalcato, lo stall flutter è caratterizzato da una separazione del flusso su una parte del corpo o durante una parte del ciclo di oscillazione. Da un punto di vista dinamico lo stall flutter è un'instabilità aerodinamica di pura torsione, indotta dal vento incidente la struttura con un angolo di attacco non nullo. In particolare questo fenomeno viene associato alle vibrazioni periodiche autoeccitate di una struttura dotata di determinate caratteristiche di inerzia e di elasticità sulla quale, durante il suo moto di oscillazione, si presenta, come detto, una condizione di separazione parziale o totale dello strato limite del flusso incidente. La differenza fondamentale quindi tra il flutter classico e lo stall flutter risiede nel carattere del flusso che investe la struttura. Nei ponti di grande luce il fenomeno può dar luogo alla perdita di funzionalità e di integrità strutturale, manifestandosi tramite vibrazioni di predominante carattere torsionale.

PONTI SOGGETTI A STALL-FLUTTER

Per caratterizzare il comportamento dinamico della struttura soggetta a vento incidente, i carichi aerodinamici agenti su di essa possono valutarsi assumendo, in prima approssimazione, un carattere bidimensionale del flusso. Essendo infatti le dimensioni longitudinali del ponte molto maggiori di quelle trasversali, è possibile caratterizzare le azioni specifiche esercitate dal vento sulla struttura considerando una sezione rappresentativa, supposta indeformabile. Si possono quindi introdurre una forza aerodinamica specifica avente una componente di resistenza F_D nella direzione del flusso ed una nella direzione ad essa ortogonale di portanza F_L, ed un momento torcente specifico M. Tali forze sono funzioni dei coefficienti aerodinamici adimensionali C_D, C_L, C_M, della dimensione trasversale B della sezione, della densità dell'aria, della velocità U del vento incidente, supposta costante, e dell'angolo medio di incidenza a formato dalla direzione del flusso e dalla corda della sezione.

Poiché le sezioni del ponte hanno una geometria a profilo non aerodinamico (bluff-body), a seguito di effetti locali di distacco e riattacco della vena fluida, tali azioni specifiche presentano in generale una variazione nel tempo attorno ad un valore medio. In particolare, in corrispondenza di determinati angoli di incidenza, a seguito di una massiccia separazione del flusso dalla struttura, si osserva un effetto di perdita di portanza o di forte riduzione del momento torcente. Nel caso di sezioni non profilate, usuali per i ponti di grande luce, l'angolo a per il quale si realizza la perdita di portanza è generalmente superiore a quello corrispondente alla riduzione del momento torcente. Quest'ultimo viene indicato come angolo di stallo statico.

Inoltre, come detto, quando la travata si muove all'interno del flusso incidente, nascono delle forze aeroelastiche di interazione. Queste possono descriversi con un approccio quasi-stazionario, ed inducono in generale moti autoeccitati di vibrazione della struttura. In particolare, quando l'angolo di incidenza del flusso diviene prossimo a quello di stallo statico, tali oscillazioni divengono particolarmente accentuate, ed assumono un carattere prevalentemente torsionale. In questo caso, in condizioni critiche di flutter si osserva che la frequenza di oscillazione coincide praticamente con quella naturale di torsione della struttura in aria calma e la velocità critica del vento incidente risulta notevolmente inferiore rispetto a quella corrispondente ad angoli medi di incidenza prossimi a zero.