AEROACUSTICA DELLE STRUTTURE SOSPESE DEL PONTE SULLO STRETTO DI MESSINA

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1 AEROACUSTICA DELLE STRUTTURE SOSPESE DEL PONTE SULLO STRETTO DI MESSINA Guseppe Fammengh (1), Petro Paolo Marchesell (2), Francesca Baocco (3), Dorna Spoglant (4), Marco Salomone (5), Carlo Alessandro Bertett (6), Marco Faloss (7) 1) Stretto d Messna S.p.A., Roma, 2) Eurolnk S.C.p.A., Mlano, petropaolo.marchesell@ponteurolnk.t 3) Eurolnk S.C.p.A., Mlano, francesca.baocco@ponteurolnk.t 4) SINA S.p.A., Mlano, dorna.spoglant@sna.co.t 5) SINA S.p.A., Mlano, marco.salomone@sna.co.t 6) Studo Progetto Ambente s.r.l., Torno, ac.bertett@progambente.t 7) Studo Progetto Ambente s.r.l., Torno, m.faloss@progambente.t 1. Scopo del lavoro Nell ambto delle Specfche tecnche per l progetto defntvo e l progetto esecutvo delle opere ambental Stud e approfondment d settore la Socetà Stretto d Messna ha rchesto al Contraente Generale la verfca dell effetto acustco prodotto dal vento sulle strutture mnor anche a veloctà del vento maggor d quella consderata (1 m/s) nelle precedent fas progettual. Lo studo svolto affronta l argomento medante un approcco scentfco basato su metod analtc e modellzzazone numerca de compless fenomen d emssone aeroacustca dervant dall nterazone del vento sulle strutture mnor del ponte. I fenomen convolt s collocano su scale dmensonal molto ampe, ne consegue l'mpossbltà d affrontare l lavoro con un approcco unco sull'ntera struttura. Il problema è stato qund scomposto n un'anals d elevato dettaglo de fenomen d generazone aeroacustca (ton eolc) su sngol element, che ha consentto d assegnare un'etchetta sonora propra ad ogn sngolo pendno d sospensone, n termn d potenza acustca per banda d frequenza e drezonaltà. Le emsson acustche de sngol element ndagat sono state qund nserte all nterno d un modello d smulazone d tpo ray tracng complessvo del ponte per calcolare lvell n dba n corrspondenza delle aree abtate present nelle zone d attestamento dell opera. Il confronto tra le valutazon prevsonal presso rcettor e rsultat ottenut dalle ndagn d soundscapng consente d esprmere un gudzo fnale sull'mportanza della problematca applcata al caso partcolare del Ponte sullo Stretto d Messna. 2. Defnzone del vento d rfermento per le anals aeroacustche Il questo d base ha evdenzato la necesstà d studare fenomen aeroacustc a veloctà del vento superor a 1 m/s, ma non ha fssato l valore obettvo. E' stato pertanto necessaro defnre n prmo luogo un crtero sulla base del quale ndvduare la veloctà del vento d rfermento per l seguto del lavoro. 1

2 39 Convegno Nazonale AIA Roma 4-6 luglo 212 Consderando che lo studo è fnalzzato a valutare l dsturbo alle persone, nella scelta della veloctà del vento da utlzzare per le valutazon successve s è tenuto conto de seguent element: 1- le veloctà del vento da consderare s devono collocare n un campo d esstenza reale del fenomeno. A dfferenza delle valutazon d ordne strutturale o d scurezza le valutazon acustche s rferscono a condzon che accadono con una frequenza non trascurable. 2 - l eventuale emssone d rumore deve presentare delle caratterstche d persstenza su un arco temporale sgnfcatvo, l cu ordne d grandezza deve essere confrontable con la durata de perod d rfermento durno/notturno (rspettvamente 16/8 ore) defnt dalla normatva talana n relazone all nqunamento acustco. Ne consegue che le veloctà del vento consderate devono presentare le stesse caratterstche d persstenza. Le bas d dat utlzzate per le anals statstche sono costtute da dat msurat n corrspondenza d dvers sensor nstallat sull ex plone dell ENEL d Torre Faro, fno a una quota d 128 m slm, e da rcostruzone de camp d vento con modell meteorologc. Consderando che valor massm delle mede orare s collocano nel campo 2-35 m/s per quote fno a 178 m e sforano 4 m/s per quote prossme a 4 m (altezza delle torr del ponte), che le mede sulle 24 ore sono comprese tra 14 e 2 m/s e che l massmo della meda sul perodo d rfermento notturno s attesta ntorno a 24 m/s, per le successve valutazon è stato utlzzato l valore d 25 m/s per le strutture collocate fno a 15 m slm e 3 m/s per le strutture a quote superor. Tal veloctà s verfcano per almeno un'ora all'anno, ma con una persstenza scuramente nferore alle otto ore del perodo notturno. 3. Anals d sensbltà per l'elemento strutturale d rfermento Analzzando gl element struttural oggetto dell anals aeroacustca s evnce che la geometra della maggor parte d ess (pendn, cavo d almentazone ferrovara, etc.) può essere rcondotta ad un elemento d rfermento clndrco avente dametro D e lunghezza L, con L>>D. In partcolare, s è scelto, come elemento d rfermento, l pendno F1 d lunghezza massma, l quale presenta un dametro D=.16 m ed una lunghezza L>>D. Su tale elemento è stata condotta un anals acustca d sensbltà al varare della veloctà del vento. Obettvo d questa fase nzale è valutare l fenomeno aeroacustco per veloctà del vento superor a 1 m/s e fno a 4 m/s. L'anals aeroacustca sull elemento d rfermento è stata condotta attraverso una metodologa brda che prevede d dsaccoppare l campo fludodnamco da quello a- custco. In prma stanza, s calcola l campo d moto da cu s estraggono le sorgent a- custche, successvamente s utlzza un metodo basato sull analoga acustca per la propagazone del rumore. 3.1 Fenomenologa e modello d calcolo fludodnamco Consderando le dmenson dell'elemento geometrco e le veloctà del vento ndcate n precedenza, l numero d Reynolds caratterstco del fenomeno presenta valor dell'ordne d 1e+5 e pertanto lo strato lmte che s svluppa ntorno all'elemento clndrco è d tpo turbolento, con separazone a crca 9 rspetto alla corrente ndsturbata. Tale fenomeno produce, a valle del clndro, due fluss d taglo turbolent che dventano nstabl e formano la cosddetta sca d von Karman, ossa una sca non stazonara caratterzzata da un dstacco alternato d vortc (vortex-sheddng) trasportat dal flusso verso valle. Conseguentemente, sul corpo s svluppano forze d portanza e resstenza che varano nel tempo ad una frequenza proporzonale a quella d dstacco de vortc. Tal fluttuazon delle forze aerodnamche sono all orgne d una sorgente acustca d- 2

3 Roma 4-6 luglo Convegno Nazonale AIA polare conoscuta come tono eolco. In aggunta a quest ultmo è presente anche un rumore broadband dovuto alla turbolenza del flusso a valle del clndro. Tale componente è però trascurable, sa perché presenta un ntenstà d dvers ordn d grandezza nferore a quella del tono eolco, sa perché un rumore broadband rsulta meno fastdoso d un rumore tonale. Per questo motvo, s è scelto d smulare l campo fludodnamco u- tlzzando un metodo URANS (Unsteady Reynolds Averaged Naver Stokes equatons), valdo per fluss compressbl, l quale consente d rsolvere sa mot drodnamc sa le sorgent acustche responsabl della generazone del rumore tonale. Inoltre, consderando le geometre n oggetto, non è restrttvo potzzare che l campo fludodnamco sa bdmensonale. Il metodo URANS è accoppato ad un modello d turbolenza komega SST [1]. Tale modello d turbolenza è largamente utlzzato n letteratura per fluss n condzon analoghe, e fornsce rsultat accurat nel caso d gradent d pressone avvers. Per garantre un accurata rsoluzone del punto d separazone la grgla è opportunamente raffnata a parete n modo da avere valor della lunghezza admensonale mnor dell'untà ed evtare, così, l utlzzo d wall functons. Tutte le smulazon fludodnamche sono state esegute utlzzando l codce d calcolo OpenFOAM. In fgura 1 è rportato un esempo d rsultat ottenut per l pendno F1 a 2 m/s, n termn d veloctà stantanea del flusso (a snstra) e d fluttuazon del coeffcente d resstenza Cd su una grgla d 8. element quadragolar..1.8 U = 2 m/s Cl [-] Fgura 1 Veloctà stantanea e coeff. d resstenza a 2 m/s 3.2 Modello d calcolo aeroacustco Per la valutazone delle emsson acustche, l segnale emesso dalle sorgent acustche rcavate rsolvendo l campo d moto fludodnamco sono state propagate usando un modello basato sulla formulazone trdmensonale d Ffowcs Wllams & Hawkngs [2]. Tale modello prevede d ndvduare una superfce permeable contenente tutt corp sold present all nterno del domno. Il campo acustco verrà po valutato ntegrando le grandezze fludodnamche su tale superfce. Trascurando l rumore broadband dovuto alla turbolenza, la formulazone ntegrale d Ffowcs Wllams & Hawkngs può essere scrtta, nel domno delle frequenze, come (1) H ( f ) pˆ' ( y, ω ) = ωqˆ ( ξ, ω) G( y; ξ) ds Fˆ ( ξ, ω) dove: H è la funzone d Heavsde; Tme [s] G y f = f = ( y; ξ) ds 3

4 39 Convegno Nazonale AIA Roma 4-6 luglo 212 G è un opportuna funzone d Green; ξ è l vettore delle coordnate della superfce d ntegrazone; y è l vettore delle coordnate dell osservatore; Qˆ e Fˆ sono le sorgent acustche valutate a partre da dat fludodnamc medante le seguent espresson: [ δ j j 2 + ρu U j ] nˆ j (2) F = p + ρu ( U U ) Q = ρu ρ U (3) ( ) dove: p, ρ e U sono le grandezze local del campo fludodnamco p, ρ e U rappresentano le stesse n campo ndsturbato nˆ Essendo l calcolo fludodnamco bdmensonale, n sede d anals aeroacustca bsogna tenere conto della de-correlazone spazale e temporale del fenomeno d sheddng de vortc dal clndro. Spermentalmente s osserva che, per numer d Reynolds paragonabl al caso n esame, s ha una modulazone n fase del fenomeno d dstacco de vortc, legata a varazon casual dell'ampezza delle quanttà fluttuant nella sca vcna. Tal varazon sono dovute a non unformtà delle condzon d ngresso, rugostà superfcale, etc.. Questo fa sì che l dstacco de vortc avvenga n modo oblquo rspetto all'asse del clndro [3]. Trattare anche l'emssone acustca come se fosse bdmensonale porterebbe a delle emsson acustche troppo elevate, frutto dell'aver assunto l dstacco de vortc n fase lungo tutta l'estensone dell elemento. La de-correlazone spazale della sca può essere modellzzata assumendo che le grandezze fludodnamche sano sfasate casualmente lungo la drezone spanwse [4]. Le correzon necessare per decorrelare l segnale nello spazo e nel tempo vengono applcate, per cascun punto della superfce d ntegrazone, drettamente alla stora temporale ottenuta dalle equazon URANS. Il segnale URANS decorrelato è po usato per calcolare le sorgent aeroacustche, F e Q, nel domno del tempo. 3.3 Valdazone Per valdare la procedura d calcolo aeroacustco, sono stat confrontat rsultat ottenut applcando la formulazone d Ffwocs-Wllams and Hawkngs con quell ottenut usando la formula analtca dervata dalla formulazone d Curle. Per poter confrontare le due formulazon è necessaro rcordare che la formula d Curle è valda solo per un osservatore posto sulla normale del clndro ad una dstanza r molto pù grande del dametro D e della lunghezza L. La formulazone d Curle prevede noltre che le sorgent acustche abbano una lunghezza d correlazone nfnta, d conseguenza dat numerc usat per l confronto con tale formulazone non conterranno le correzon necessare alla de-correlazone del segnale. Le emsson acustche verranno qund valutate consderando un osservatore posto sulla normale al clndro ad una dstanza d r = 1D dal centro. La soluzone numerca ottenuta rsolvendo l equazone d Ffwocs-Wllams and Hawkngs e la soluzone ottenuta con la formulazone d Curle approssmata ha evdenzato un ottmo accordo. 4

5 Roma 4-6 luglo Convegno Nazonale AIA 3.4 Rsultat L anals delle emsson acustche dell elemento d rfermento è stata effettuata r- solvendo l equazone d Ffowcs-Wllams and Hawkngs per un osservatore posto ad una dstanza d 2D dal centro del clndro. In fgura 3 a snstra è rportato l andamento delle emsson acustche al varare della poszone angolare per le dverse veloctà ana- lzzate. S può osservare come la drettvtà abba un andamento dpolare, tpco de ton eolc e come l ntenstà del rumore emesso cresca all aumentare della veloctà del flusosservatore posto sulla normale del clndro. Le emsson acustche sono charamente d tpo tonale, s ha nfatt presenza d un pcco prncpale, con frequenza uguale alla frequenza d sheddng, ed una sere d ton secondar corrspondent alle armonche superor. I ton secondar presentano un ntenstà molto pù bassa rspetto a quella del tono prncpale, pertanto l loro contr- buto al rumore complessvo è trascurable. All aumentare della veloctà aumenta la fre- quenza d rlasco de vortc, d conseguenza aumenta la frequenza del tono so. A destra è rappresentato lo spettro del rumore per un prncpale U 1 m/s U 2 m/s U 25 m/s U 3 m/s U 4 m/s U 1 m/s U 2 m/s U 25 m/s U 3 m/s U 4 m/s SPL * sn(α) [db] PSD [db/ Hz] SPL * cos(α) [db] freq [Hz] Fgura 3 Rsultat anals d sensbltà pendno F Applcazone estensva del metodo Il metodo d calcolo così defnto è stato applcato n modo estensvo alle strutture che s collocano al d sotto d un dametro crtco d.325 m, valore al d sopra del quaeventual emsson acustche s collocano al d sotto del campo d udbltà (f < 2 le, nelle condzon d vento consderate, Hz). Fgura 4 Anals fludodnamca dell'mpalcato del ponte In partcolare sono stat consderat tutt pendn d sospensone e cav d almen- tazone della lnea ferrovara. Sono stat esclus cav prncpal e le torr perché d dametro superore al valore crtco e gl element present sull'mpalcato n quanto questo ambto è protetto da apposte barrere frangvento, rspetto alle qual le smulazon flu- dodnamche evdenzano un'effcace rduzone d veloctà (fgura 4). 5

6 39 Convegno Nazonale AIA Roma 4-6 luglo Propagazone acustca e confronto con l soundscape locale La caratterzzazone delle sngole sorgent è stata utlzzata per calbrare un modello complessvo del ponte utlzzando l software prevsonale d ray-tracng Raynose, costtuto da crca 85. sorgent e 1.5 punt d calcolo. Un esempo d mappatura rsultante è rportato n fgura 5 sx. Fgura 5 Mappatura acustca (sx), Confronto con l soundscape locale (dx) I lvell massm rscontrabl nelle aree d attestamento del ponte raggungono 45 dba nelle condzon peggor (vento ortogonale all'asse ponte), e sono pertanto sgnfcatv n termn assolut. Il fenomeno fsco rsultante è stato nfne confrontato con le anals d soundscape svolte n 8 punt d ascolto localzzat nelle aree d costa n prossmtà del Ponte sullo Stretto. Sovrapponendo sull'audogramma normale gl spettr contnu de camponament audo e gl spettr dscret de rsultat delle smulazon (fgura 5 dx) è possble concludere che l contrbuto delle emsson aeroacustche del ponte presenta valor che n alcune stuazon rsultano percepbl. Consderando tuttava l nnalzamento del rumore d fondo determnato dalla presenza d un vento d 25 m/s n prossmtà del suolo, stmato da dat d letteratura d 2-25 dba, s può affermare che Fonè del ponte non rsulterà udble. 6. Bblografa [1] F.R. Menter, Two-equaton eddy-vscosty turbulence models for engneerng applcatons, AIAA Journal vol. 32, n8, (1994) [2] A. Iob, R.Arna, C. Schpan, Frequency-doman lnearzed Euler model for turbomachnery nose radaton through engne exhaust, AIAA Journal, v. 48, n4, (21) [3] M. Kong, H. Hesenlohr, H. Eckelmann,Vsualsaton of the spanwse cellular structure of the lamnar wake of wall-bounded crcular cylnders, Physcs of Fluds A 4, vol. 869, (1992) [4] D. Casalno, M. Jacob, Predcton of aerodynamc sound from crcular rods va spanwse statstcal modellng, Journal of Sound and Vbraton, vol. 262, pp , (23) [5] H. Fujta, The characterstcs of the Aeolan tone radated from two-dmensonal cylnders, Fud Dyn. Res. vol.42 (21) [6] M.S. Howe, Theory of vortex sound, Cambrdge Unversty press (23). [7] OpenFOAM. (consultato l 3/5/212) S rngraza l gruppo d lavoro del DIMEAS del Poltecnco d Torno Prof. R. Arna, Ingg. A. Iob, R. della Ratta e I. Cozza per la partecpazone allo studo. 6