Between traffic-induced vibration of a bridge and fatigue damage of its attached structures are very closely related. But any evaluation and design method considering the fatigue damage is not established yet. As an experimental method of evaluation of the fatigue durability, a method based on cumulative damage using a stress range histogram has been often used. However, to use the method, the fatigue durability of unmeasured points could not be evaluated. Then, in this paper, dynamic analysis of a sign frame on a bridge is carried out based on the vibration data of the bridge. And model optimization was performed for good agreement between measured responses and computed responses. As a result, we could get stress range histograms and calculate fatigue durability of unmeasured points.
본 연구의 주목적은 아스팔트 혼합물의 피로균열에 대한 예측모델을 개발하는 것이다. 아스팔트 혼합물의 피로균열 시험을 위하여 응력제어 간접인장피로 시험이 수행되었다. 피로균열에 대한 예측모델 개발을 위하여 내적손상비 증가 개념이 도입되었다. 내적손상비증가 개념에서는 방출에너지 개념을 주로 사용하였으며 기준인장변형율 및 변형율 추이 요소 등이 추가로 사용되었다. 피로시험에서 나타난 방출에너지의 원인은 아스팔트 콘크리트 시료 내부의 손상증가와 재료 자체가 갖고 있는 고유의 점탄성 특성에 기인하는 것으로 판단된다. 방출에너지는 하중재하 횟수가 증가함에 따라 점차 증가함을 보였다.
Fatigue, the birth and growth of cracks in metal parts subjected to repeated loading, has been a problem plaguing engineers since the Industrial Revolution and the advent of rotating or reciprocating machinery. Designing against metal fatigue was studied briefly in several aspects. Examples of fatigue failures were shown. Fatigue was classified by loading: uniaxial Fatigue, multiaxial fatigue, cumulative fatigue da¬mage. Fatigue design criteria were discussed: Infinite-Life Design, Safe-Life Design, Fail-Safe Design, and Damage Tolerant Design. Mitigation of notch effects by design, improvement of fatigue strength of metal parts by residual stress and surface finishing were discussed. Relative fatigue beha¬vior was studied under various environmantal conditions. Especially the effects of corrosion, temperature, fretting, and irradiation were covered.
Misaligned wind-wave and seismic loading render offshore wind turbines suffering from excessive bi-directional vibration. However, most of existing research in this field focused on unidirectional vibration mitigation, which is insufficient for research and real application. Based on the authors' previous work (Sun and Jahangiri 2018), the present study uses a three dimensional pendulum tuned mass damper (3d-PTMD) to mitigate the nacelle structural response in the fore-aft and side-side directions under wind, wave and near-fault ground motions. An analytical model of the offshore wind turbine coupled with the 3d-PTMD is established wherein the interaction between the blades and the tower is modelled. Aerodynamic loading is computed using the Blade Element Momentum (BEM) method where the Prandtl's tip loss factor and the Glauert correction are considered. Wave loading is computed using Morison equation in collaboration with the strip theory. Performance of the 3d-PTMD is examined on a National Renewable Energy Lab (NREL) monopile 5 MW baseline wind turbine under misaligned wind-wave and near-fault ground motions. The robustness of the mitigation performance of the 3d-PTMD under system variations is studied. Dual linear TMDs are used for comparison. Research results show that the 3d-PTMD responds more rapidly and provides better mitigation of the bi-directional response caused by misaligned wind, wave and near-fault ground motions. Under system variations, the 3d-PTMD is found to be more robust than the dual linear TMDs to overcome the detuning effect. Moreover, the 3d-PTMD with a mass ratio of 2% can mitigate the short-term fatigue damage of the offshore wind turbine tower by up to 90%.
Wieghaus, Kyle T.;Hurlebaus, Stefan;Mander, John B.
Structural Monitoring and Maintenance
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제1권4호
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pp.393-409
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2014
Across-wind response is often the cause of significant structural vibrations that in turn cause fatigue damage to welded and other connections. The efficacy of low-cost helical strakes to mitigate such adverse response is presented for a traffic signal structure. Field observations are made on a prototype structure in a natural wind environment without and with helical strakes installed on the cantilevered arm. Through continuous monitoring, the strakes were found to be effective in reducing across-wind response at wind speeds less than 10 m/s. Estimates of fatigue life are made for four different geographical locations and wind environments. Results for the class of traffic signal structure show that helical arm strakes are most effective in locations with benign wind environments where the average annual wind speed is not more than the vortex shedding wind speed, which for this investigation is 5 m/s. It is concluded that while strakes may be effective, it is not the panacea to mitigating connection fatigue at all locations.
본 연구에서는 강교 부재를 대상으로 시간에 따른 부식과 교통량(트럭통행량)의 변화 영향을 반영한 피로 취약도 평가 방법을 제안하였다. 제안된 방법을 통해 부식과 교통량 변화를 고려할 수 있는 피로에 대한 한계상태함수를 설정하였다. 부식의 영향은 평균부식깊이와 피로강도감소계수와의 관계를 이용하여 한계상태함수에서 피로저항의 감소로써 반영되었다. 트럭통행량의 변화는 세 가지 대표적인 변화양상을 설정하여 기간별로 실제 변화에 맞게 모델링함으로써 한계상태함수에서 하중의 증가로 반영되었다. Monte-Carlo 시뮬레이션을 이용하여 신뢰성 해석을 수행하도록 하였으며, 이를 바탕으로 시간이력 피로 취약도 곡선을 도출하였다. 검증예제와 실제 국내 강교에 적용하여 제안된 피로 취약도 평가방법을 검증하였다.
The final goal of this study is to develop the core technologies applicable to the design, operation and maintenance of welds in nuclear structures. This study includes predicting microstructure changes and residual stress for welded parts of nuclear power plant components. Furthermore, researches are performed on evaluating fatigue, corrosion, and hydrogen induced cracking and finally constructs systematically integrated evaluation system for structural integrity of nuclear welded structures. In this study, metallurgical and mechanical approaches have been effectively coordinated considering real welding phenomena in the fields of welds properties such as microstructure, composition and residual stress, and in the fields of damage evaluations such as fatigue, corrosion, fatigue crack propagation, and stress corrosion cracking. Evaluation techniques tried in this study can be much economical and effective in that it uses theoretical/semi-empirical but includes many additional parameters that can be introduced in real phenomena such as phase transformation, strength mismatch and residual stress. It is clear that residual stress makes great contribution to fatigue and stress corrosion cracking. Therefore the mitigation techniques have been approached by reducing the residual stress of selected parts resulting in successful conclusions.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제13권1호
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pp.194-207
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2021
Vortex-Induced Vibration (VIV) is a major contributor to the fatigue damage of marine risers which are often arranged in an array configuration. In addition to helical strakes and fairings, studies have been strived in searching for possible VIV suppression techniques. Inspired by giant Saguaro Cacti, flexible cylinders of different cactus-shaped cross sections were tested in a water tunnel facility, and test results showed that cactus-like body shapes reduced VIV responses of a cylinder at no cost of significant increase of drag. A series of experiments were conducted on a pair of two tandem-arranged flexible cylinders and an array of four cylinders in a square configuration to investigate the effects of wake on the dynamic responses of cylinders and the VIV mitigation effectiveness of the cactus-like body shape. Results showed that the cylinders in a square configuration, either at the upstream or downstream positions, might have larger dynamic responses than those of a single cylinder. The cactus-like body shape could mitigate VIV responses of cylinders at upstream positions in an array configuration; however, similar to helical strakes, the mitigation efficiency was reduced on downstream cylinders. Note that the cactus-like cross-sectional shape investigated was not optimized for VIV suppression. The present study indicates that the modification of the cross-sectional shape of a cylinder to a well-designed cactus-like shape may be used as an alternative technique to mitigate the VIV of marine risers.
Zheng, Yue;Dong, You;Chen, Bo;Anwar, Ghazanfar Ali
Smart Structures and Systems
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제24권1호
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pp.127-139
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2019
Residual drifts after an earthquake can incur huge repair costs and might need to replace the infrastructure because of its non-reparability. Proper functioning of bridges is also essential in the aftermath of an earthquake. In order to mitigate pounding and unseating damage of bridges subjected to earthquakes, a self-adaptive Ni-Ti shape memory alloy (SMA)-cable-based frictional sliding bearing (SMAFSB) is proposed considering self-adaptive centering, high energy dissipation, better fatigue, and corrosion resistance from SMA-cable component. The developed novel bearing is associated with the properties of modularity, replaceability, and earthquake isolation capacity, which could reduce the repair time and increase the resilience of highway bridges. To evaluate the super-elasticity of the SMA-cable, pseudo-static tests and numerical simulation on the SMA-cable specimens with a diameter of 7 mm are conducted and one dimensional (1D) constitutive hysteretic model of the SMAFSB is developed considering the effects of gap, self-centering, and high energy dissipation. Two types of the SMAFSB (i.e., movable and fixed SMAFSBs) are applied to a two-span continuous reinforced concrete (RC) bridge. The seismic vulnerabilities of the RC bridge, utilizing movable SMAFSB with the constant gap size of 60 mm and the fixed SMAFSBs with different gap sizes (e.g., 0, 30, and 60 mm), are assessed at component and system levels, respectively. It can be observed that the fixed SMAFSB with a gap of 30 mm gained the most retrofitting effect among the three cases.
Vortex-Induced-Vibration (VIV) is one kind of the wind-induced vibrations, which may occur in the construction and operation period of bridges. This phenomenon can bring negative effects to the traffic safety or can cause bridge fatigue damage and should be eliminated or controlled within safe amplitudes.In the current VIV studies, one available mitigation countermeasure, the horizontal flow-isolating plate, shows satisfactory performance particularly in PI shaped bridge deck type. Details of the wind tunnel test are firstly presented to give an overall description of this appendage and its control effect. Then, the computational-fluid-dynamics(CFD) method is introduced to investigate the control mechanism, using two-dimensional Large-Eddy-Simulation to reproduce the VIV process. The Reynolds number of the cases involved in this paper ranges from $1{\times}10^5$ to $3{\times}10^5$, using the width of bridge deck as reference length. A field-filter technique and detailed analysis on wall pressure are used to give an intuitive demonstration of the changes brought by the horizontal flow-isolating plate. Results show that this aerodynamic appendage is equally effective in suppressing vertical and torsional VIV, indicating inspiring application prospect in similar PI shaped bridge decks.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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