This paper presents a new analysis framework for predicting the internal buffeting forces in bridge components under skew wind. A linear regressive model between the internal buffeting force and deformation under normal wind is derived based on mathematical statistical theory. Applying this regression model under normal wind and the time history of buffeting displacement under skew wind with different yaw angles in wind tunnel tests, internal buffeting forces in bridge components can be obtained directly, without using the complex theory of buffeting analysis under skew wind. A self-anchored suspension bridge with a main span of 260 m and a steel arch bridge with a main span of 450 m are selected as case studies to illustrate the application of this linear regressive framework. The results show that the regressive model between internal buffeting force and displacement may be of high significance and can also be applied in the skew wind case with proper regressands, and the most unfavorable internal buffeting forces often occur under yaw wind.
In the traditional buffeting response analysis method, the spanwise incomplete correlation of buffeting forces is always assumed to be same as that of the incident wind turbulence and the action of the signature turbulence is ignored. In this paper, three typical bridge decks usually adopted in the real bridge engineering, a single flat box deck, a central slotted box deck and a two-separated paralleled box deck, were employed as the investigated objects. The wind induced pressure on these bridge decks were measured via a series of wind tunnel pressure tests of the sectional models. The influences of the wind speed in the tests, the angle of attack, the turbulence intensity and the characteristic distance were taken into account and discussed. The spanwise root coherence of buffeting forces was also compared with that of the incidence turbulence. The signature turbulence effect on the spanwise root coherence function was decomposed and explained by a new empirical method with a double-variable model. Finally, the formula of a sum of rational fractions that accounted for the signature turbulence effect was proposed in order to fit the results of the spanwise root coherence function. The results show that, the spanwise root coherence of the drag force agrees with that of incidence turbulence in some range of the reduced frequency but disagree in the mostly reduced frequency. The spanwise root coherence of the lift force and the torsional moment is much larger than that of the incidence turbulence. The influences of the wind speed and the angle of attack are slight, and they can be ignored in the wind tunnel test. The spanwise coherence function often involves several narrow peaks due to the signature turbulence effect in the high reduced frequency zone. The spanwise coherence function is related to the spanwise separation distance and the spanwise integral length scales, and the signature turbulence effect is related to the deck-width-related reduced frequency.
This paper describes a new method for the estimation of six complex aerodynamic admittance functions. The aerodynamic admittance functions relate buffeting forces to the incoming wind turbulent components, of which the estimation accuracy affects the prediction accuracy of the buffeting response of long-span bridges. There should be two aerodynamic admittance functions corresponding to the longitudinal and vertical turbulent components, respectively, for each gust buffeting force. Therefore, there are six aerodynamic admittance functions in all for the three buffeting forces. Sears function is a complex theoretical expression for the aerodynamic admittance function for a thin airfoil. Similarly, the aerodynamic admittance functions for a bridge deck should also be complex functions. This paper presents a separated frequency-by-frequency method for estimating the six complex aerodynamic admittance functions. A new experimental methodology using an active turbulence generator is developed to measure simultaneously all the six complex aerodynamic admittance functions. Wind tunnel tests of a thin plate model and a streamlined bridge section model are conducted in turbulent flow. The six complex aerodynamic admittance functions, determined by the developed methodology are compared with the Sears functions and Davenport's formula.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.36
no.3
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pp.349-359
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2016
In order to analytically evaluate buffeting responses, the analysis of wind characteristics such as turbulence intensity, turbulence length, gust, roughness coefficient, etc must be a priority. Static aerodynamic force coefficients, flutter coefficients, structural damping ratios, aerodynamic damping ratios and natural frequencies affect the analytical responses. The bridge interested in this paper has being been used for 32 years. As the time passes, current terrain conditions around the bridge are different markedly from the conditions it was built 32 years ago. Also, wind environments were considerably varied by the climate change. For this reason, it is necessary to evaluate the turbulence intensity, length, spectrum and roughness coefficient of the bridge site from full-scale measurements using the structural health monitoring system. The evaluation results indicate that wind characteristics of bridge site is analogous to that of open terrain although the bridge is located on the coastal area. To calculate buffeting responses, the analysis variables such as damping ratios, static aerodynamic force coefficients and natural frequency were evaluated from measured data. The analysis was performed with regard to 4 cases. The evaluated variables from measured data are applied to the first and second analysis cases. And the other analysis cases were performed based on Design Guidelines for Steel Cable Supported Bridges. The calculated responses of each analysis cases are compared with the buffeting response measured at less than 25m/s wind speed. It is verified that the responses by the numerical analysis applying the estimated variables based on full-scale measurements are well agreed with the measured actual buffeting responses under wind speed 25m/s. Also, the extreme wind speed corresponding to a recurrence interval 200 years is derived from Gumbel distribution. The derived wind speed for return period of 200 years is 45m/s. Therefore the buffeting responses at wind speed 45m/s is determined by the analysis applying the estimated variables.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.14
no.1
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pp.46-57
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2013
Flutter stability and buffeting response have been the topics of most concern in the design state of long-span suspension bridges. Among approaches towards the aerodynamic stability, the aerodynamic-based control method which uses control surfaces to generate forces counteracting the unstable excitations has shown to be promising. This study focused on the mechanically controlled system using flaps; two flaps were attached on both sides of a bridge deck and were driven by the motions of the bridge deck. When the flaps moved, the overall cross section of the bridge deck containing these flaps was continuously changing. As a consequence, the aerodynamic forces also changed. The efficiency of the control was studied through the numerical simulation and experimental investigations. The values of quasi-steady forces, together with the experimental aerodynamic force coefficients, were proposed in the simulation. The results showed that the passive flap control can, with appropriate motion of the flaps, solve the aerodynamic instability. The efficiency of the flap control on the full span of a simple suspension bridge was also carried out. The mode-by-mode technique was applied for the investigation. The results revealed that the efficiency of the flap control relates to the mode number, the installed location of the flap, and the flap length.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.24
no.6
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pp.645-654
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2011
Temporal supports is proposed for the large block construction of a double-deck truss girder of a bundle type cable-stayed bridge. The design force of the temporal bents cannot be evaluated by a conventional design procedure with gust factored static wind loads. The uplift forces in BS5400 also can not estimate the design forces of the temporal bents properly for the turbulent wind loads. A frequency-domain buffeting analysis is performed to evaluate the design forces of the temporal bents considering the interactions between the girder and temporal supports. Two cases of modeling are compared to estimate the stiffness contribution of temporal supports in determining design forces, i.e., an analysis model including temporal bents in the structural analysis modeling and an analysis model with fixed supports at the bent tops neglecting the stiffness of temporal bents. The consideration of bent stiffness usually generates smaller reaction forces than rigid support modeling. Consequently, the effectiveness and usefulness of the buffeting analysis procedure with full modeling of temporal supports are demonstrated for the design of a temporal bents of the construction of a bundle type cable-stayed bridge.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.4
no.4
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pp.59-66
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1984
The dynamic behavior of a cable-stayed bridge due to random wind forces is investigated. The effects of the steady wind, the self-excited and the buffeting forces are studied. The dynamic analysis of the structure is carried out by the frequency domain method utilizing the mode superposition. Example analysis are performed for Dolsan Bridge, which is under construction at Yeosu, Jeonnam. Aerodynamic stability of the bridge is investigated and the vertical motion of the girder as well as the tension variations of the cables is obtained.
This paper is devoted to the non linear quasi-steady aerodynamic loading. A linear approximation is often used to compute the response of structures to buffeting forces. Some researchers have however shown that it is possible to account for the non linearity of this loading. This non linearity can come (i) from the squared velocity or (ii) from the shape of the aerodynamic coefficients (as functions of the wind angle of attack). In this paper, it is shown that this second origin can have significant implications on the design of the structure, particularly when the non linearity of the aerodynamic coefficient is important or when the transverse turbulence is important.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.31
no.5A
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pp.341-349
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2011
The main purpose of this study is to investigate the affect of various turbulence properties on aerodynamic characteristics of twin box bridge section. To achieve this goal, active turbulence generator which successfully simulated various target turbulences was developed in the wind tunnel. From the wind tunnel tests, turbulence integral length scale did not affect on the aerodynamic forces and flutter derivatives except for the $A_1^*$ curve. Turbulence intensity gave slight effect on the unsteady aerodynamic force, but turbulence integral length scale did not affect the self-excited forces except vertical direction component.
This study investigates effects of partially earth anchored cable system on the structural safety for a long-span cable-stayed bridge under dynamic loads such as seismic and wind load. For a three span cable-stayed bridge with a main span length of 810 m, two models are analyzed and compared; one is a bridge model with a self anchored cable system, the other is a bridge model with a partially earth anchored cable system. By performing multi-mode spectrum analysis for a prescribed seismic load and multi-mode buffeting analysis for a fluctuating wind component, the structural response of two models are compared. From results, the partially earth anchored cable system reduce the maximum pylon moment by 66% since earth anchored cables affect the natural frequencies of girder vertical modes and pylon longitudinal modes. In addition, the girder axial forces are decreased, specially the decrement of the axial force is large in seismic load, while girder moment is slightly increased. Thus, the partially earth anchored cable system is effective system not only on reduction of girder axial forces but also improvement of structural safety of a cable-stayed bridge under dynamic loads such as seismic and wind loads.
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