Due to the rugged terrain, metro lines in mountain city across numerous wide rivers and deep valleys, resulting in instability of high-pier bridge and insecurity of metro train subjected to fluctuating crosswind. To ensure the safe operation in metro lines in mountain cities, running safety of the metro train over the high-pier bridge under crosswind is analyzed in this paper. Firstly, the dynamic model of the wind-train-bridge (WTB) system is built, in which the speed-up effect of crosswind is fully considered. On the basis of time domain analysis, the basic characteristics of the WTB system with high-pier are analyzed. Afterwards, the dynamic responses varies with train speed and wind speed are calculated, and the safety zone of metro train over a high-pier bridge subjected to fluctuating crosswind in mountain city is determined. The results indicate that, fluctuating crosswind triggers drastic vibration to the metro train and high-pier bridges, which in turn causes running instability of the train. For this reason, the corresponding safety zone for metro train running on the high-pier is proposed, and the metro traffic on the high-pier bridge should be closed as the mean wind speed of standard height reaches 9 m/s (15.6 m/s for the train).
Wind measurements were made on the Canton Tower at a height of 461 m above ground during the Typhoon Vincente, the wind-induced accelerations and displacements of the tower were recorded as well. Comparisons of measured wind parameters at upper level of atmospheric boundary layer with those adopted in wind tunnel testing were presented. The measured turbulence intensity can be smaller than the design value, indicating that the wind tunnel testing may underestimate the crosswind structural responses for certain lock-in velocity range of vortex shedding. Analyses of peak factors and power spectral density for acceleration response shows that the crosswind responses are a combination of gust-induced buffeting and vortex-induced vibrations in the certain range of wind directions. The identified modal frequencies and mode shapes from acceleration data are found to be in good agreement with existing experimental results and the prediction from the finite element model. The damping ratios increase with amplitude of vibration or equivalently wind velocity which may be attributed to aerodynamic damping. In addition, the natural frequencies determined from the measured displacement are very close to those determined from the acceleration data for the first two modes. Finally, the relation between displacement responses and wind speed/direction was investigated.
To investigate the effects of "sudden change" of wind fluctuations on vehicle running performance, which is caused by the artificial discrete simulation of wind field, a three-dimensional vehicle model is set up with multi-body dynamics theory and the vehicle dynamic responses in crosswind conditions are obtained in time domain. Based on Hilbert Huang Transform, the effects of simulation separations on time-frequency characteristics of wind field are discussed. In addition, the probability density distribution of "sudden change" of wind fluctuations is displayed, addressing the effects of simulation separation, mean wind speed and vehicle speed on the "sudden change" of wind fluctuations. The "sudden change" of vehicle dynamic responses, which is due to the discontinuity of wind fluctuations on moving vehicle, is also analyzed. With Principal Component Analysis, the comprehensive evaluation of vehicle running performance in crosswind conditions at different simulation separations of wind field is investigated. The results demonstrate that the artificial discrete simulation of wind field often causes "sudden change" in the wind fluctuations and the corresponding vehicle dynamic responses are noticeably affected. It provides a theoretical foundation for the choice of a suitable simulation separation of wind field in engineering application.
This paper presents a wind tunnel study of wind loads of the large billboard structures with two-plate and three-plate configurations. Synchronous dynamic pressures on the surfaces of plates are measured, and the characteristics of local pressures, integrated forces on each individual plate and on the overall structures are investigated. The influences of wind direction and plate configuration on wind load characteristics, and the contributions of overall crosswind load and torque to the stress responses are examined. The results showed that the wind load characteristics of windward plate in both two- and three-plate configurations are very similar. The contribution of overall crosswind load makes the total resultant force from both alongwind and crosswind loads less sensitive to wind direction in the case of three-plate configuration. The overall torque is lower than the value specified in current codes and standards, and its contribution is less significant in both two-plate and three-plate configurations.
When railway vehicles run by towers of long span bridges, the railway vehicles might experience a sudden load-off and load-on phenomenon in crosswind conditions. To ensure the running safety of the railway vehicles and the running comfort of the passengers, some studies were carried out to investigate the impacts of sudden changes of aerodynamic loads on moving railway vehicles. In the present study, the aerodynamic coefficients which were measured in wind tunnel tests using a moving train model are converted into the aerodynamic coefficients in the actual scale. The three-component aerodynamic loads are calculated based on the aerodynamic coefficients with consideration of the vehicle movement. A three-dimensional railway vehicle model is set up using the multibody dynamic theory, and the aerodynamic loads are treated as the inputs of excitation varied with time for kinetic simulations of the railway vehicle. Thus the dynamic responses of the railway vehicle passing by the bridge tower can be obtained from the kinetic simulations in the time domain. The effects of the mean wind speeds and the rail track positions on the running performance of the railway vehicle are discussed. The three-component aerodynamic loads on the railway vehicle are found to experience significant sudden changes when the vehicle passes by the bridge tower. Correspondingly, such sudden changes of aerodynamic loads have a large impact on the dynamic performance of the running railway vehicle. The dynamic responses of the railway vehicle have great fluctuations and significant sudden changes, which is adverse to the running safety and comfort of the railway vehicle passing by the bridge tower in crosswind conditions.
Kim, Wonsul;Yoshida, Akihito;Tamura, Yukio;Yi, Jin-Hak
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.29
no.1
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pp.95-103
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2016
In this paper, aeroelastic instability and aerodynamic damping ratio of a helical $180^{\circ}$ model which shows better aerodynamic behavior in both along-wind and crosswind responses on a super tall building was investigated by an aeroelastic model test, and the aerodynamic damping ratio was evaluated from the wind-induced responses of the model by using Random Decrement Technique. Aerodynamic damping ratios evaluated in this study were verified through comparison with previous results obtained by quasi-steady theory. As a result, the aeroelastic instability of the helical $180^{\circ}$ model in crosswind direction were not occurred for any conditions with increasing the reduced wind velocity while the square model generally encounters aeroinstability due to the vortex shedding. The aerodynamic damping in along-wind direction for the helical $180^{\circ}$ and the square model increased monotonically both with reduced wind velocity, i.e., there is no relation with modifications of building shapes. On the other hand, in crosswind direction, the characteristics of aerodynamic damping ratio with reduced wind velocity for helical $180^{\circ}$ model were quit different from those of the square model.
Tamura, Yukio;Kareem, Ahsan;Solari, Giovanni;Kwok, Kenny C.S.;Holmes, John D.;Melbourne, William H.
Wind and Structures
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v.8
no.4
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pp.251-268
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2005
This paper describes the work of the International Association for Wind Engineering Working Group E -Dynamic Response, one of the International Codification Working Groups set up at the Tenth International Conference on Wind Engineering in Copenhagen. Comparisons of gust loading factors and wind-induced responses of major codes and standards are first reviewed, and recent new proposals on 3-D gust loading factor techniques are introduced. Then, the combined effects of along-wind, crosswind and torsional wind load components are discussed, as well as the dynamic characteristics of buildings. Finally, the mathematical forms of along-wind velocity spectra for along-wind response calculation and codification of acceleration criteria are discussed.
As a new kind of construction facility for high rise buildings, the integral steel platform scaffold system (ISPS) consisting of the steel skeleton and suspended scaffold faces high wind during the construction procedure. The lattice structure type and existence of core tubes both make it difficult to estimate the wind load and calculate the wind-induced responses. In this study, an aeroelastic model with a geometry scale ratio of 1:25 based on the ISPS for Shanghai Tower, with the representative square profile, is manufactured and then tested in a wind tunnel. The first mode of the prototype ISPS is a torsional one with a frequency of only 0.68 Hz, and the model survives under extreme wind speed up to 50 m/s. The static wind load and wind vibration factors are derived based on the test result and supplementary finite element analysis, offering a reference for the following ISPS design. The spacer at the bottom of the suspended scaffold is suggested to be long enough to touch the core tube in the initial status to prevent the collision. Besides, aerodynamic wind loads and cross-wind loads are suggested to be included in the structural design of the ISPS.
In recent years, there have been an increasing number of experimental studies showing the need to include robustness criteria in the design process to develop complex active control designs for practical implementation. The paper investigates the crosswind aerodynamic parameters after the blocking phase of a two-dimensional square cross-section structure by measuring the response in wind tunnel tests under light wind flow conditions. To improve the accuracy of the results, the interpolation of the experimental curves in the time domain and the analytical responses were numerically optimized to finalize the results. Due to this combined effect, the three aerodynamic parameters decrease with increasing wind speed and asymptotically affect the upper branch constants. This means that the aerodynamic parameters along the density distribution are minimal. Taylor series are utilized to describe the fuzzy nonlinear plant and derive the stability analysis using polynomial function for analyzing the aerodynamic parameters and numerical simulations. Due to it will yield intricate terms to ensure stability criterion, therefore we aim to avoid kinds issues by proposing a polynomial homogeneous framework and utilizing Euler's functions for homogeneous systems. Finally, we solve the problem of stabilization under the consideration by SOS (sum of squares) and assign its fuzzy controller based on the feasibility of demonstration of a nonlinear system as an example.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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