Effetti di instabilità da combinazioni di neve e vento su linee di trasmissione

In Civil Engineering, wind and snow effects are often solved according to static loads that hit our structures as an equivalent weight generating forces not dependent on time. Galloping phenomenon is an example in which this assumption, most of times supported by legislation, is actually not valid anymore and incorrect. In fact, its non-linear dynamic effects are closely linked to several conditions that may yield to structural unstable behaviour. Galloping mechanism is based on a steady state flow hitting an asymmetric profile, leading to swinging pressure load giving rise to vortex shedding. The alteration of the flow conditions generates dangerous vibrating conductors, mostly due to power interruptions, loss of revenue, system reliability and quality of service. In transmission line systems, asymmetry is conceived by the icing and wet snow layers covering power networks in winter. Their accretion is not uniform and changes dynamic parameters of the span when hit by an airflow, recording a set of displacements that may be not acceptable. This Thesis is focused on a Canadian transmission line, which was investigated by a Research Institute in 2018, now revisited in terms of aerodynamics and mechanical combinations leading to low frequencies and large amplitudes oscillations. A presentation of Galloping and wind induced phenomena are given in Chapter 1, where also a detailed description of the case of study is proposed. Chapter 2 has the purpose of pointing out literature and physical models offered on this field, highlighting in particular Den Hartog’s instability criterion and Nigol’s theory with Clarke. The dynamics response of the wire is conducted thanks to the linear theory of free vibrations of a suspended cable established by Irvine. In Chapter 3 an input collection is presented with a statistical Canadian investigation, dealing with a climatic dataset in terms of wind velocity and icing load in its density. Moreover, a numerical validation for FEM model is described in both terms of aerodynamic and structural analysis. Eventually, Chapter 4 highlights output results obtained by STRAUS7 and ANSYS software, with the aim to reproduce structural characteristics of the conductor on which the typical mechanical wire’s behaviour is combined with a harmonic external forcing coming from the aerodynamic effect of wind and ice-shaped transverse section. In the final Chapter 5 some conclusions are made on the base of possible resolution methods in order to contain sag displacements into an acceptable range.

Nell’ingegneria civile, gli effetti di neve e vento sono spesso risolti in accordo con carichi statici equivalenti che agiscono sulle strutture, generando forze indipendenti dal tempo. Il fenomeno del Galloping è un esempio in cui questa assunzione, quasi sempre supportata dalla normativa, non è più valida e anzi sbagliata. Infatti, i suoi effetti dinamici non lineari sono strettamente correlati a diverse condizioni che possono causare un comportamento strutturalmente instabile. Il meccanismo delle oscillazioni galoppanti si basa su un flusso stazionario che agisce su un profilo di sezione asimmetrica, generando pressioni oscillanti che producono distacco di vortici. L’alterazione delle condizioni del fluido porta alla luce pericolose vibrazioni dei conduttori elettrici, il più delle volte a causa di interruzioni di linea, perdita del servizio elettrico e qualità dello stesso. Nei sistemi di trasmissione di linea aerea, la mancanza di simmetria è causata da strati di ghiaccio e di neve che ricoprono le linee ad alta tensione di inverno. Il loro accrescimento su di esse non è uniforme e cambia i parametri dinamici propri delle campata, che registrano una serie di spostamenti e deformazioni che non sempre possono essere accettabili. La presente Tesi è incentrata su una linea di trasmissione canadese, la quale è stata investigata da un istituto di ricerca nel 2018, ora riproposto in termini di combinazioni strutturali e aerodinamiche che conducono ad oscillazioni di piccola frequenza e grandi ampiezze. Un’introduzione del Galloping e dei fenomeni indotti dal vento è riservata al Capitolo 1, dove è presente inoltre una dettagliata descrizione del caso studio. Il Capitolo 2 ha l’obiettivo di evidenziare i modelli teorici e di letteratura nel contesto di questa tematica, concentrandosi in particolare sul criterio di instabilità di Den Hartog e la teoria di Nigol con Clarke. La risposta dinamica del cavo è condotta con la teoria lineare di vibrazioni libere per un cavo sospeso, redatta da Irvine. Nel Capitolo 3 è presentata una collezioni di dati di input basati su un’investigazione statistica canadese, in relazione alla velocità del vento e alla densità del carico da ghiaccio. Inoltre, viene descritta la fase di validazione numerica per i modelli FEM circa gli ambiti strutturale e aerodinamico. Il Capitolo 4 illustra i risultati ottenuti con i software STRAUS7 e ANSYS, con l’obiettivo di riprodurre le caratteristiche strutturali del conduttore su cui il tipico comportamento meccanico è combinato con una forzante armonica esterna, derivante dagli effetti aerodinamici causati dalla sezione traversale eccentrica. Infine, nel Capitolo 5 sono descritti alcuni possibili metodi di intervento per contenere gli spostamenti della freccia entro un intervallo accettabile.