The Dongting Lake Bridge is a cable-stayed bridge crossing the Dongting Lake where it meets the Yangtze River in southern central China. Several intensive wind-rain induced vibrations had been observed since its open to traffic in 1999. To investigate the possibility of using MR damping systems to reduce cable vibration, a series of field tests were conducted. Based on the promising research results, MR damping system was installed on the longest 156 stay cables of Dongting Lake Bridge in June 2002, making it the worlds first application of MR dampers on cable-stayed bridge to suppress the wind-rain induced cable vibration. As a visible and permanent aspect of the bridge, the MR damping system must be aesthetically pleasing, reliable, durable, easy to maintain, as well as effective in vibration mitigation. Substantial work was done to meet these requirements. This paper describes field tests and the implementation of MR damping systems for cable vibration reduction. Three-years reliable service of this system proves its durability.
Wind and earthquake loads may cause strong vibrations in large-span cable-stayed bridges, leading to the inability of the bridge to operate normally. An improved Pounding Tuned Mass Damper (PTMD) system was designed to improve the safety of the large-span cable-stayed bridge. The vibration control effect of the improved PTMD system on the large-span cablestayed bridge under the combined action of earthquake-wind-traffic was studied. Furthermore, the impact of different parameters on the vibration suppression performance of the improved PTMD system was analyzed. The numerical results indicate that the PTMD system is very effective in suppressing the displacements of the bridge caused by both the traffic-wind coupling and traffic-earthquake coupling. Moreover, the number, mass ratio, pounding stiffness, and gap values have a significant influence on the vibration suppression performance of the improved PTMD system. When the number of PTMD is increased from 3 to 9, the vibration reduction ratio of the vertical displacement is increased from 25.39% to 48.05%. As the mass ratio changes from 0.5% to 2%, the vibration reduction ratio increases significantly from 22.23% to 53.30%.
This paper presents the experimental results of the wind tunnel tests for three symmetric, rectangular, tall building models on a typical open terrain considering the torsional motion-induced vibrations. The time histories of the wind pressure on these models under different reduced wind speeds and torsional amplitudes are obtained through the multiple point synchronous scanning pressure technique. Thereafter, the characteristics of both the Root Mean Square (RMS) coefficients and the spectra of the base shear/torque in the along-wind, across-wind, and torsional directions, respectively, are discussed. The results show that the RMS coefficients of the base shear/torque vary in the three directions with both the reduced wind speeds and the torsional vibration amplitudes. The variation of the RMS coefficients in the along-wind direction results mainly from the change of the aerodynamic forces, but sometimes from aeroelastic effects induced by torsional vibration. However, the variations of the RMS coefficients in the across-wind and torsional directions are caused by more equal weights of both the aerodynamic forces and the aeroelastic effects. As such, for the typical tall buildings, the modification of the aerodynamic forces in the along-wind, across-wind, and torsional directions, respectively, and the aeroelastic effects in the across-wind and torsional directions should be considered. It is identified that the torsional vibration amplitudes and the reduced wind speeds are two significant parameters for the aerodynamic forces on the structures in the three directions.
The inerter-based vibration absorber (IVA) is an enhanced variation of Tuned Mass Damper (TMD). The parametric optimization of absorbers in the previous research mainly considered only two decision variables, namely frequency ratio and damping ratio, and aimed to minimize peak displacement and acceleration individually under the excitation of the across-wind load. This paper extends these efforts by minimizing two conflicting objectives simultaneously, i.e., the extreme displacement and acceleration at the top floor, under the constraint of the physical mass. Six decision variables are optimized by adopting a constrained multi-objective evolutionary algorithm (CMOEA), i.e., NSGA-II, under fluctuating across- and along-wind loads, respectively. After obtaining a set of optimal individuals, a decision-making approach is employed to select one solution which corresponds to a Tuned Mass Damper Inerter/Tuned Inerter Damper (TMDI/TID). The optimization procedure is applied to parametric optimization of TMDI/TID installed in a 340-meter-high building under wind loads. The case study indicates that the optimally-designed TID outperforms TMDI and TMD in terms of wind-induced vibration mitigation under different wind directions, and the better results are obtained by the CMOEA than those optimized by other formulae. The optimal TID is proven to be robust against variations in the mass and damping of the host structure, and mitigation effects on acceleration responses are observed to be better than displacement control under different wind directions.
The wind turbine gearbox is important rotating part to transmit torque from turbine blade to generator. Generally, gear shaft which rotates causes vibration by influence of stiffness and mass with gear shaft. Root cause of this vibration source is well known to gear transmission error that is decided from gear tooth property. Transmission error excites a gear, and makes excitation force that is vibrated shaft. This vibration of shaft is transmitted to gearbox housing through gearbox bearing. If the resonance about which the natural frequency of the gearbox accords with shaft exciting frequency occurs, a wind turbine can lead to failure. The gearbox for wind turbine should be considered influence of vibration as well as the fatigue life and its performance by such reason. The cause to vibration should be closely examined to reduce influence of such vibration. In this paper, the cause of the vibration which occurs by a gearbox is closely examined and the method which can reduce the vibration which occurred is shown. It is compared with vibration test outcome of a 3MW gearbox for verification of the method shown by this paper.
Tuned vibration control in aeroelasticity of slender wood bridges is treated in present paper. The approach suggested takes into account multiple functions in aeroelastic analysis and flutter of slender wood bridges subjected to laminar and turbulent wind flow. Tuned vibration control approach is presented with application on actual bridge. Some results obtained are discussed.
A series of wind tunnel tests, including 1:50 sectional model tests, 1:50 free-standing bridge tower tests and 1:70 full-bridge aeroelastic model tests were carried out to systematically investigate the aerodynamic performance of the Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge (HZMB). The test result indicates that there are three wind-resistant safety issues the HZMB encounters, including unacceptable low flutter critical wind speed, vertical vortex-induced vibration (VIV) of the main girder and galloping of the bridge tower in across-wind direction. Wind-induced vibration of HZMB can be effectively suppressed by the application of aerodynamic and mechanical measures. Acceptable flutter critical wind speed is achieved by optimizing the main girder form (before: large cantilever steel box girder, after: streamlined steel box girder) and cable type (before: central cable, after: double cable); The installations of wind fairing, guide plates and increasing structural damping are proved to be useful in suppressing the VIV of the HZMB; The galloping can be effectively suppressed by optimizing the interior angle on the windward side of the bridge tower. The present works provide scientific basis and guidance for wind resistance design of the HZMB.
This paper presents a beam finite element model of a vibrate wind blade in large elastic deformation subjected to the aerodynamic, centrifugal, gyroscopic and gravity loads. The gyroscopic loads applied to the blade are induced by her simultaneous vibration and rotation. The proposed beam finite element model is based on a simplex interpolation method and it is mainly intended to the numerical analysis of wind blades vibration in large elastic deformation. For this purpose, the theory of the sheared beams and the finite element method are combined to develop the algebraic equations system governing the three-dimensional motion of blade vibration. The applicability of the theoretical approach is elucidated through an original case study. Also, the static deformation of the used wind blade is assessed by appropriate software using a solid finite element model in order to show the effectiveness of the obtained results. To simulate the nonlinear dynamic response of wind blade, the predictor-corrector Newmark scheme is applied and the stability of numerical process is approved during a large time of blade functioning. Finally, the influence of the modified geometrical stiffness on the amplitudes and frequencies of the wind blade vibration induced by the sinusoidal excitation of gravity is analyzed.
Vibrations of a wind turbine blade have a negative impact on its performance and result in failure of the blade, therefore an approach to effectively control vibration in turbine blades are sought by wind industry. The small domestic horizontal axis wind turbine blades induce flap wise (out-of-plane) vibration, due to varying wind speeds. These flap wise vibrations are transferred to the structure, which even causes catastrophic failure of the system. Shape memory alloys which possess physical property of variable stiffness across different phases are embedded into the composite blades for active vibration control. Previously Shape memory alloys have been used as actuators to change their angles and orientations in fighter jet blades but not used for active vibration control for wind turbine blades. In this work a GFRP blade embedded with Shape Memory Alloy (SMA) and tested for its vibrational and material damping characteristics, under martensitic and austenite conditions. The embedment portrays 47% reduction in displacement of blade, with respect to the conventional blade. An analytical model for the actuated smart blade is also proposed, which validates the harmonic response of the smart blade.
Higher-mode vertical vortex-induced vibrations (VIV) have been observed on several steel box-girder suspension bridges where different vertical modes are selectively excited in turn with wind velocity in accordance with the Strouhal law. Understanding the relationship of VIV amplitudes for different modes of vibration is very important for wind-resistant design of long-span box-girder suspension bridges. In this study, the basic rectangular cross-section with side ratio of B/D=6 is used to investigate the effect of different modes on VIV amplitudes by section model tests. The section model is flexibly mounted in wind tunnel with a variety of spring constants for simulating different modes of vibration and the non-dimensional vertical amplitudes are determined as a function of reduced velocity U/fD. Two 'lock-in' ranges are observed at the same onset reduced velocities of approximately 4.8 and 9.4 for all cases. The second 'lock-in' range, which is induced by the conventional vortex shedding, consistently gives larger responses than the first one and the Sc-normalized maximum non-dimensional responses are almost the same for different spring constants. The first 'lock-in' range where the vibration frequency is approximately two times the vortex shedding frequency is probably a result of super-harmonic resonance or the "frequency demultiplication". The main conclusion drawn from the section model study, central to the higher-mode VIV of suspension bridges, is that the VIV amplitude for different modes is the same provided that the Sc number for these modes is identical.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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