Park, Seong-Jong;Kwon, Hyuk-Jun;Lee, In;Han, Jae-Heung
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.14
no.5
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pp.402-409
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2004
Numerical analysis of static and dynamic wind effects on civil engineering structures was performed. Long-span suspension bridges are flexible structures that are highly sensitive to the action of the wind. Aerodynamic effect often becomes a governing factor in the design process of bridges and aeroelastic stability boundary becomes a prime criterion which should be confirmed during the structural design stage of bridges because the long-span suspension bridges are prone to the aerodynamic instabilities caused by wind. If the wind velocity exceeds the critical velocity that the bridge can withstand, then the bridge fails due to the phenomenon of flutter. Buffeting caused by turbulence results in structural fatigue, which could lead to the failure of a bridge. Navier-Stokes equations are used for the aeroelastic analysis of bridge girder section. The aeroelastic simulation is carried out to study the aeroelastic stability of bridges using both Computational Fluid Dynamic (CFD) and Computational Structural Dynamic (CSD) schemes.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2003.10a
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pp.202-208
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2003
In this study, a time domain analysis is presented for investigation on the buffeting response of cable-stayed bridge during both erection and completion stages. The main span length and width of deck are 520 m and 15.1m, each. Since the ratio of span over width is 34.44, aerodynamic stability of the bridge during erection is expected to dominate the safety of the bridge in construction stage. Several conclusions regarding different construction stages and temporary wind cables are obtained.
In this study, a partially earth-anchored cable system is studied in order to reduce the dynamic wind response of cable-stayed bridges. The employment of earth-anchored cables changes the dynamic characteristics of cable-stayed bridges under wind loads. In order to estimate the changes in the member forces, the spectral analysis for wind buffeting loads are performed and the peak responses are evaluated using 3-D finite element models of the three-span cable-stayed bridges with the partially earth-anchored cable system and with the self-anchored cable system, respectively. Comparing the results for the two different models, it is found that the earth-anchored cables affect longitudinal and vertical modes of the bridge. The changes of the natural frequencies for the longitudinal modes remarkably decrease the peak bending moment in the pylon and the movements at the expansion joints. The small changes of the natural frequencies for the vertical modes slightly increase bending moments and deflections in the girder. The original effects of the partially earth-anchored cable system are also shown under wind loads; the decrement of girder axial forces and bearing uplifting forces, and the increment of cable forces in the earth-anchored cables.
A Wind and Structural Health Monitoring System (WASHMS) has been installed in the Tsing Ma suspension Bridge in Hong Kong with one of the objectives being the verification of analytical processes used in wind-resistant design. On 2 August 1997, Typhoon Victor just crossed over the Bridge and the WASHMS timely recorded both wind and structural response. The measurement data are analysed in this paper to obtain the mean wind speed, mean wind direction, mean wind inclination, turbulence intensity, integral scale, gust factor, wind spectrum, and the acceleration response and natural frequency of the Bridge. It is found that some features of wind structure and bridge response are difficult to be considered in the currently used analytical process for predicting buffeting response of long suspension bridges, for the Bridge is surrounded by a complex topography and the wind direction of Typhoon Victor changes during its crossing. It seems to be necessary to improve the prediction model so that a reasonable comparison can be performed between the measurement and prediction for long suspension bridges in typhoon prone regions.
The effect of a partially earth anchored cable system on the structural safety of a long span cable-stayed bridge under seismic and wind loads are examined during construction process. By assuming the FCM (free cantilever method) construction stages with structural vulnerability, a multi-mode spectral analysis and a multi-mode buffeting analysis are performed for specific seismic load and wind load, respectively. Results show that the wind load dominates the structural safety of a cable-stayed bridge during construction. And, the application of a partially earth anchored cable system can enhance structural safety under wind load since the maximum pylon moment in the model with partially earth anchored cable system is reduced by 49% under wind load. In contrast, the maximum pylon moment occurred by seismic load is only decreased by 8%.
This paper examines local vibrations in the stay cables of a cable-stayed bridge subjected to wind gusts. The wind loads, including the self-excited load and the buffeting load, are converted into time-domain values using the rational function approximation and the multidimensional autoregressive process, respectively. The global motion of the girder, which is generated by the wind gusts, is analyzed using the modal analysis method. The local vibration of stay cables is calculated using a model in which an inclined cable is subjected to time-varying displacement at one support under global vibration. This model can consider both forced vibration and parametric vibration. The response characteristics of the local vibrations in the stay cables under wind gusts are described using an existing cable-stayed bridge. The results of the numerical analysis show a significant difference between the combined parametric and forced vibrations and the forced vibration.
In the past decades, much effort has been made towards the study of single-mode-based vibration controls with dynamic energy absorbers such as single or multiple Tuned Mass Dampers(TMDs). With the increase of bridge span length and the tendency of the bridge cross-section being more slender and streamlined, multi-mode coupled vibrations as well as their controls have become very important for large bridges susceptible to strong winds. As a simple but effective device, the TMD system especially the semi-active one has become a promising option for such coupled vibration controls. However, despite various studies of optimal controls of single-mode-based vibrations with TMDs, research on the corresponding controls of the multi-mode coupled vibrations is very rare so far. For the development of a semi-active control strategy to suppress the multi-mode coupled vibrations, a comprehensive parametric analysis on the optimal variables of this control is substantial. In the present study, a multi-mode control strategy named "three-row" TMD system is discussed and the general numerical equations are developed at first. Then a parametric study on the optimal control variables for the "three-row" TMD system is conducted for a prototype Humen Suspension Bridge, through which some useful information and a better understanding of the optimal control variables to suppress the coupled vibrations are obtained. This information lays a foundation for the design of semi-active control.
Azzi, Ziad;Elawady, Amal;Irwin, Peter;Chowdhury, Arindam Gan;Shdid, Caesar Abi
Wind and Structures
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v.34
no.2
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pp.231-257
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2022
Transmission lines systems are important components of the electrical power infrastructure. However, these systems are vulnerable to damage from high wind events such as hurricanes. This study presents the results from a 1:50 scale aeroelastic model of a multi-span transmission lines system subjected to simulated hurricane winds. The transmission lines system considered in this study consists of three lattice towers, four spans of conductors and two end-frames. The aeroelastic tests were conducted at the NSF NHERI Wall of Wind Experimental Facility (WOW EF) at the Florida International University (FIU). A horizontal distortion scaling technique was used in order to fit the entire model on the WOW turntable. The system was tested at various wind speeds ranging from 35 m/s to 78 m/s (equivalent full-scale speeds) for varying wind directions. A system identification (SID) technique was used to evaluate experimental-based along-wind aerodynamic damping coefficients and compare with their theoretical counterparts. Comparisons were done for two aeroelastic models: (i) a self-supported lattice tower, and (ii) a multi-span transmission lines system. A buffeting analysis was conducted to estimate the response of the conductors and compare it to measured experimental values. The responses of the single lattice tower and the multi-span transmission lines system were compared. The coupling effects seem to drastically change the aerodynamic damping of the system, compared to the single lattice tower case. The estimation of the drag forces on the conductors are in good agreement with their experimental counterparts. The incorporation of the change in turbulence intensity along the height of the towers appears to better estimate the response of the transmission tower, in comparison with previous methods which assumed constant turbulence intensity. Dynamic amplification factors and gust effect factors were computed, and comparisons were made with code specific values. The resonance contribution is shown to reach a maximum of 18% and 30% of the peak response of the stand-alone tower and entire system, respectively.
Flutter derivatives provide the basis of predicting the critical wind speed in flutter and buffeting analysis of long-span cable-supported bridges. In this paper, one popular stochastic system identification technique, covariance-driven Stochastic Subspace Identification(SSI in short), is firstly presented for estimation of the flutter derivatives of bridge decks from their random responses in turbulent flow. Secondly, wind tunnel tests of a streamlined thin plate model and a ${\Pi}$ type blunt bridge section model are conducted in turbulent flow and the flutter derivatives are determined by SSI. The flutter derivatives of the thin plate model identified by SSI are very comparable to those identified by the unifying least-square method and Theodorson's theoretical values. As to the ${\Pi}$ type section model, the effect of turbulence on aerodynamic damping seems to be somewhat notable, therefore perhaps the wind tunnel tests for flutter derivative estimation of those models with similar blunt sections should be conducted in turbulent flow.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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