Kim, Seung-Jun;Choi, Jun-Ho;Won, Deok-Hee;Han, Taek-Hee;Kang, Young-Jong
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.23
no.6
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pp.747-761
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2011
This paper presents an investigation on the change in the statical behavior and the ultimate capacity of steel cable-stayed bridges after cable failure. Cable failure can occur due to fire, direct vehicle clash accidents, cable or anchorage fatigue, and so on. Moreover, the cable may be temporarily disconnected during cable replacement work. When cable failure occurs, the load, that was supported by the broken cable is first transferred to another cable. Then the structural state changes due to the interaction between the girder, mast, and cables. Moreover, it can be predicted that the ultimate capacity will decrease after cable failure, because of the loss of the support system. In this study, the analysis method is suggested to find the new equilibrium state after cable failure based on the theory of nonlinear finite element analysis. Moreover, the ultimate analysis method is also suggested to analyze the ultimate behavior of live loads after cable failure. For a more rational analysis, a three-step analysis procedure is suggested and used, which consisted of initial shape analysis, cable failure analysis, and live load analysis. Using this analysis method, an analytical study was performed to investigate the changes in the structural state and ultimate behavior of steel cable-stayed bridges.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.17
no.9
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pp.709-717
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2016
In this study, the convenience and efficiency of vision-based displacement measurement (VBDM) to estimate the cable tension of cable-stayed bridges and the requirements for its effective application were examined. To demonstrate its convenience and efficiency, it was confirmed that VBDM can be accomplished with a minimum amount of equipment using a commercial camcorder. In this case, it was found that the accuracy of estimation of the natural frequencies is sufficient, even though magnitude errors can occur when conducting high-speed recording at the low resolution afforded by the minimal equipment employed. It was also confirmed that the most important factor in detecting the precise natural frequencies is the use of the appropriate frequency range in the tension estimation using vibration. Based on these results, a study was carried out on the accuracy variation of the estimated tension according to the frame rate of a commercial camcorder. For this purpose, an experiment was performed to estimate the cable tension in a cable-stayed bridge model. Through this experiment, the detectable tensions of cables with various natural frequencies as a function of the frame rate were summarized. As a result, it was shown that the frame rate should be determined based on the natural frequency which is estimated to be located within the appropriate frequency range (approximately 10~75% of theoretical range) considering the aliasing and low-frequency distortion due to excitations.
For vibration control of stay cables in cable-stayed bridges, viscous dampers are frequently used, and they are regularly installed between the cable and the bridge deck. In practice, neoprene rubber bushings (or of other types) are also widely installed inside the cable guide pipe, mainly for reducing the bending stresses of the cable near its anchorages. Therefore, it is important to understand the effect of the bushings on the performance of the external damper. Besides, for long cables, external dampers installed at a single position near a cable end can no longer provide enough damping due to the sag effect and the limited installation distance. It is thus of interest to improve cable damping by additionally installing dampers inside the guide pipe. This paper hence studies the combined effects of an external damper and an internal damper (which can also model the bushings) on a stay cable. The internal damper is assumed to be a High Damping Rubber (HDR) damper, and the external damper is considered to be a viscous damper with intrinsic stiffness, and the cable sag is also considered. Both the cases when the two dampers are installed close to one cable end and respectively close to the two cable ends are studied. Asymptotic design formulas are derived for both cases considering that the dampers are close to the cable ends. It is shown that when the two dampers are placed close to different cable ends, their combined damping effects are approximately the sum of their separate contributions, regardless of small cable sag and damper intrinsic stiffness. When the two dampers are installed close to the same end, maximum damping that can be achieved by the external damper is generally degraded, regardless of properties of the HDR damper. Field tests on an existing cable-stayed bridge have further validated the influence of the internal damper on the performance of the external damper. The results suggest that the HDR is optimally placed in the guide pipe of the cable-pylon anchorage when installing viscous dampers at one position is insufficient. When an HDR damper or the bushing has to be installed near the external damper, their combined damping effects need to be evaluated using the presented methods.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.34
no.3
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pp.747-754
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2014
In spite of its usefulness for health monitoring of structures on steady external load, the statistical pattern recognition technology (SPRT), based on Mahalanobis distance theory (MDT), is not good enough for the health monitoring of structures on large variability external load like earthquake. Damage is usually determined by the difference between the average measured value of undamaged structure and the measure value of damaged one. So when external variability gets larger, the difference gets bigger along, which is thus easily mistaken for a damage. This paper aims to overcome the problem and develop an improved Mahalanobis distance theory (IMDT), that is, a SPRT with revised MDT in order to decrease external variability so that we will be able to continue to monitor the structure on uncertain external variability. This method is experimentally tested to see if it precisely evaluates the health of a cable-stayed bridge on each general random load and earthquake load. As a result, the IMDT is found to be valid in locating structural damage made by damaged cables by means of data from undamaged cables. So it is proved to be effectively applicable to the health monitoring of bridges on external load of variability.
The extended tangent stiffness matrices and force-deformation relations of the elastic catenary element were initially derived through the addition of the unstrained length of cables to unknown nodal 'displacements. A beam-column element was then introduced to model the deck and pylon of cable-stayed bridges. The conventional geometric nonlinear analysis, initial force method, and TCUD method were summarized, with an effective method combining two methods presented to determine the initial shapes of cable-stayed bridges with dead loads. In this combined method, TCUD method was applied to eliminate vertical and horizontal displacements at cable-supported points of decks and on top of pylons, respectively. The initial force method was also adopted to eliminate horizontal and vertical displacements of decks and pylons. Finally, the accuracy and validity of the proposed combined method were demonstrated through numerical examples.
Lozano-Galant, Jose Antonio;Nogal, Maria;Turmo, Jose;Castillo, Enrique
Computers and Concrete
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v.15
no.5
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pp.771-794
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2015
This paper proposes an innovative method for selection of measurement sets in static parameter identification of concrete or steel bridges. This method is proved as a systematic tool to address the first steps of Structural System Identification procedures by observability techniques: the selection of adequate measurement sets. The observability trees show graphically how the unknown estimates are successively calculated throughout the recursive process of the observability analysis. The observability trees can be proved as an intuitive and powerful tool for measurement selection in beam bridges that can also be applied in complex structures, such as cable-stayed bridges. Nevertheless, in these structures, the strong link among structural parameters advises to assume a set of simplifications to increase the tree intuitiveness. In addition, a set of guidelines are provided to facilitate the representation of the observability trees in this kind of structures. These guidelines are applied in bridges of growing complexity to explain how the characteristics of the geometry of the structure (e.g. deck inclination, type of pylon-deck connection, or the existence of stay cables) affect the observability trees. The importance of the observability trees is justified by a statistical analysis of measurement sets randomly selected. This study shows that, in the analyzed structure, the probability of selecting an adequate measurement set with a minimum number of measurements at random is practically negligible. Furthermore, even bigger measurement sets might not provide adequate SSI of the unknown parameters. Finally, to show the potential of the observability trees, a large-scale concrete cable-stayed bridge is also analyzed. The comparison with the number of measurements required in the literature shows again the advantages of using the proposed method.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.17
no.2
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pp.220-226
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2016
Because MS(Multi-Strand) cables consist of many strands, a jacking force is applied to each strand one by one for cable construction. All strands should have an equal tensile force when the last one is wedged. This is the core technology for MS iso-tensioning. In this study, a new MS cable iso-tensioning system was developed for controlling and jacking the high-strength strands, with an ultimate tensile strength of 2,200MPa, for a stay cable of extra-dosed/cable-stayed bridges. The newly developed iso-tensioning system consists of electrical resistance load cells, hydraulic jacking devices, hydraulic pumps, and integrated controllers. Moreover, it is embedded with an algorithm that can control and predict the variations in tensile forces of the Master and Slave strands in real time. Actual experiments were carried out to verify the function and performance of the newly developed system. This system was applied successfully to the stay cable construction of 2nd Tae-in extra-dosed bridge in Gwangyang.
A new theoretical model on rain-wind induced vibration (RWIV) of a continuous stay cable is developed in this paper. Different from the existing theoretical analyses in which the cable was modeled as a segmental rigid element, the proposed scheme focuses on the in-plane and out-of-plane responses of a continuous stay cable, which is identical with the prototype cable on cable-stayed bridge. In order to simplify the complexities, the motion law of the rivulet on the cable surface is assumed as a sinusoidal way according to some results obtained from wind tunnel tests. Quasi-steady theory is utilized to determine the aerodynamic forces on the cable. Equations of motion of the cable are derived in a Cartesian Coordinate System and solved by using finite difference method to obtain the in-plane and out-of-plane responses of the cable. The results show that limited cable amplitudes are achieved within a limited range of wind velocity, which is a unique characteristic of RWIV of stay cable. It appears that the in-plane cable amplitude is much larger than the out-of-plane cable amplitude. Rivulet frequency, rivulet distribution along cable axis, and mean wind velocity profile, all have significant effects on the RWIV responses of the prototype stay cable. The effects of damping ratio on RWIVs of stay cables are carefully investigated, which suggests that damping ratio of 1% is needed to well mitigate RWIVs of prototype stay cables.
This paper presents a multi-functional system, consisting of a magnetorheological (MR) damper and an electromagnetic induction (EMI) device, and its applications in stay cables. The proposed system is capable of offering multiple functions: (1) mitigating excessive vibrations of cables, (2) estimating cable tension, and (3) harvesting energy for wireless sensors used health monitoring of cable-stayed bridges. In the proposed system, the EMI device, consisting of permanent magnets and a solenoid coil, can converts vibration energy into electrical energy (i.e., induced emf); hence, it acts as an energy harvesting system. Moreover, the cable tension can be estimated by using the emf signals obtained from the EMI device. In addition, the MR damper, whose damping property is controlled by the harvested energy from the EMI device, can effectively reduce excessive cable vibrations. In this study, the multi-functionality of the proposed system is experimentally evaluated by conducting a shaking table test as well as a full-scale stay cable in a laboratory setting. In the shaking table experiment, the energy harvesting capability of the EMI device for wireless sensor nodes is investigated. The performance on the cable tension estimation and the vibration mitigation are evaluated using the full-scale cable test setup. The test results show that the proposed system can sufficiently generate and store the electricity for operating a wireless sensor node twice per day, significantly alleviate vibration of a stay cable (by providing about 20% larger damping compared to the passive optimal case), and estimate the cable tension accurately within a 2.5% error.
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.
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