This paper presents an investigation on the ultimate behavior of steel cable-stayed bridges in the construction stage, considering various geometric nonlinearities and material nonlinearities. To numerically determine the state of cable-stayed bridges in the construction stage, initial shape analysis and construction stage analysis via backward process analysis were done sequentially. Then nonlinear analysis of the state under the construction load condition, considering the weight of the derrick crane and the key segment of the girder loaded onto the tip of the center span, was performed to investigate the ultimate behavior of the structure. The effects of the girder-mast stiffness ratio, the cable-arrangement types, and the area of the stay cables on the ultimate behavior were also extensively investigated. Moreover, the results of the ultimate analysis, considering both geometric nonlinearities and material nonlinearities, were compared with the results of the geometric nonlinear analysis, for a more meaningful investigation of the ultimate behavior of steel cable-stayed bridges in the construction stage.
Kim Sung-Eock;Choi Dong-Ho;Ma Sang-Soo;Song Weon-Keun
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.18
no.3
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pp.277-289
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2005
The study examines the limit strength for steel cable-stayed bridges. A case studies have been performed in order to evaluate the limit strength lot steel cable-stayed bridges using nonlinear inelastic analysis approach and bifurcation point instability analysis approach, effective tangent modulus $(E_f)$ method. To realize it, a practical nonlinear inelastic analysis condoling the initial shape is developed. In the initial shape analysis, updated structural configuration is introduced instead of initial member forces for beam-column members at every iterative step. Geometric and material nonlinearities of beam-column members are accounted by using stability function, and by using CRC tangent modulus and parabolic function, respectively Besides, geometric nonlinearity of cable members is accounted by using secant value of equivalent modulus of elasticity. The load-displacement relationships obtained by the proposed method are compared well with those given by other approaches. The limit strengths evaluated by the proposed nonlinear inelastic analysis for the proposed cable-stayed bridges with tee dimensional configuration compared with those by the inelastic bifurcation point instability analyses.
This paper provides a variety of viewpoints to illustrate the mechanism of the deck-stay interaction with the appropriate initial shapes of cable-stayed bridges. Based on the smooth and convergent bridge shapes obtained by the initial shape analysis, the one-element cable system (OECS) and multi-element cable system (MECS) models of the Kao Ping Hsi Bridge in Taiwan are developed to verify the applicability of the analytical model and numerical formulation from the field observations in the authors' previous work. For this purpose, the modal analysis of the two finite element models are conducted to calculate the natural frequency and normalized mode shape of the individual modes of the bridge. The modal coupling assessment is also performed to obtain the generalized mass ratios among the structural components for each mode of the bridge. The findings indicate that the coupled modes are attributed to the frequency loci veering and mode localization when the "pure" deck-tower frequency and the "pure" stay cable frequency approach one another, implying that the mode shapes of such coupled modes are simply different from those of the deck-tower system or stay cables alone. The distribution of the generalized mass ratios between the deck-tower system and stay cables are useful indices for quantitatively assessing the degree of coupling for each mode. These results are demonstrated to fully understand the mechanism of the deck-stay interaction with the appropriate initial shapes of cable-stayed bridges.
The number of cable-stayed bridges has been increasing worldwide, causing issues in maintaining the structural safety and integrity of bridges. The stay cable, one of the most critical members in cable-stayed bridges, is vulnerable to wind-induced vibrations owing to its inherent low damping capacity. Thus, vibration mitigation of stay cables has been an important issue both in academia and practice. While a semi-active control scheme shows effective vibration reduction compared to a passive control scheme, real-world applications are quite limited because it requires complicated equipment, including for data acquisition, and power supply. This study aims to develop an Arduino-based integrated cable vibration control system implementing a semi-active control algorithm. The integrated control system is built on the low-cost, low-power Arduino platform, embedding a semi-active control algorithm. A MEMS accelerometer is installed in the platform to conduct a state feedback for the semi-active control. The Linear Quadratic Gaussian control is applied to estimate a cable state and obtain a control gain, and the clipped optimal algorithm is implemented to control the damping device. This study selects the magnetorheological damper as a semi-active damping device, controlled by the proposed control system. The developed integrated system is applied to a laboratory size cable with a series of experimental studies for identifying the effect of the system on cable vibration reduction. The semi-active control embedded in the integrated system is compared with free and passive mode cases and is shown to reduce the vibration of stay-cables effectively.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.13
no.3
s.55
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pp.135-144
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2009
The cable system of suspension bridges is a very important non-elastic element which caries an external load by a tension force of the cable, such that creates the integrity of a structure. It is not easy to find if cable system have been changed by the maintenance activities such as repairs or reinforcement. Sometimes the maintenance can cause structural deformations and changes of the tension force in cables. In most cases, the cable stayed bridges are managed by health monitering system, however, the main cable of suspension bridges need to develop more accurate and efficient monitoring system. The Namhee Bridge was constructed 35 years ago and it has been continually repaired and reinforced after then. This study describes the behavior of the cable system by analysing many of inspective reports and by using the results of hanger rope test and for the shape of main cables surveys.
To enhance cable stiffness, this paper proposed a combined application of carbon fiber reinforced polymers (CFRP) and steel materials, resulting in a novel type of hybrid stay cable system especially for the cable-stayed bridges with main span lengths of 1400~2800 m. In this combination, CFRP materials can conserve all their advantages such as light weight and high strength; while steel materials help increase the equivalent stiffness to compensate for the low elastic modulus of CFRP materials. An increase of the equivalent stiffness of the hybrid stay cable system could be further obtained with a reasonable increase of its safety factor. Following this concept, a series of parametric studies for the hybrid stay cable system with the consideration of stiffness and cost were carried out. Three design strategies/criteria, namely, best equivalent stiffness with a given safety factor, highest ratio of equivalent stiffness to material cost with a given safety factor, and best equivalent stiffness under a given cost were proposed from the stiffness and cost viewpoints. Finally, a comprehensive design procedure following the proposed design strategies was suggested. It was shown that the proposed hybrid stay cable system could be a good alternative to the pure CFRP or traditional steel stay cables in the future applications of super long span bridges.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.18
no.6
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pp.301-308
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2014
A suspension bridge is a type of bridge in which the beam is suspended by load-bearing cables. There are two classifications: the self-anchored suspension bridge has the main cable anchored to the bridge girders, and the earth-anchored suspension bridge has the main cable anchored to a large anchorage. Although a suspension bridge is structurally safe, it is prone to be damaged by various actions such as hurricanes, tsunamis and terrorist incidents because its cables are exposed. If damage to a cable eventually leads to the cable rupture, the bridge may collapse. To avoid these accidents, studies on the dynamic behavior of cable bridges due to the cable rupture have been carried out. Design codes specify that the calculated DAF (dynamic amplification factor) should not exceed a certain value. However, it has been difficult to determine DAFs effectively from dynamic analysis, and thus no systematic approach has been suggested. The current study provides a guideline to determine DAFs reliably from the dynamic analysis results and summarizes the results by applying the method to an earth-anchored suspension bridge. In the study, DAFs were calculated at the location of four structural parts, girders, pylons, main cable and hangers, with variations in the rupture time.
The traditional design procedure of a prestressed concrete (PC) cable-stayed bridge is complex and time-consuming. The designers have to repeatedly modify the configuration of the large number of design parameters to obtain a feasible design scheme which maybe not an economical design. In order to efficiently achieve an optimum design for PC cable-stayed bridges, a multi-parameter optimization technique is proposed. In this optimization technique, the number of prestressing tendons in girder is firstly set as one of design variables, as well as cable forces, cable areas and cross-section sizes of the girders and the towers. The stress and displacement constraints are simultaneously utilized to ensure the safety and serviceability of the structure. The target is to obtain the minimum cost design for a PC cable-stayed bridge. Finally, this optimization technique is carried out by a developed PC cable-stayed bridge optimization program involving the interaction of the parameterized automatically modeling program, the finite element structural analysis program and the optimization algorithm. A low-pylon PC cable-stayed bridge is selected as the example to test the proposed optimization technique. The optimum result verifies the capability and efficiency of the optimization technique, and the significance to optimize the number of prestressing tendons in the girder. The optimum design scheme obtained by the application can achieve a 24.03% reduction in cost, compared with the initial design.
Cheng, Shaohong;Larose, Guy L.;Savage, Mike G.;Tanaka, Hiroshi
Wind and Structures
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v.6
no.3
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pp.197-208
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2003
Galloping instability of dry inclined cables of cable-stayed bridges has been reported by Japanese researchers. A suggested stability criterion based on some experimental studies in Japan implies that many of stay cables would be expected to suffer galloping instability, which, if valid, would cause serious difficulty in the design of cable-stayed bridges. However, this is not the case in reality. Thus, it is practically urgent and necessary to confirm the validity of this criterion and possible restriction of it. In the present study, a 2D sectional cable model was tested in the wind tunnel, and effects of various physical parameters were investigated. It is found that the stability criterion suggested by Japanese researchers is more conservative than the results obtained from the current study.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2003.11a
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pp.241-245
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2003
This paper presents the LRB-based hybrid base isolation system employing additional semiactive control devices for seismic protection of cable-stayed bridges by examining the ASCE first generation benchmark problem for a cable-stayed bridge. In this study, ideal magnetorheological dampers (MRDs) are considered as additional semiactive control devices. Numerical simulation results show that the hybrid base isolation system is effective in reducing the structural responses of the benchmark cable-stayed bridge under the historical earthquakes considered. The simulation results also demonstrate that the hybrid base Isolation system employing semiactive MRDs is robust to the stiffness uncertainty of the structure. Therefore, the LRB-based hybrid base isolation system employing MRDs could be appropriate in real applications for full-scale civil infrastructures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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