This paper presents a time domain approach for predicting buffeting response of long suspension bridges under skew winds. The buffeting forces on an oblique strip of the bridge deck in the mean wind direction are derived in terms of aerodynamic coefficients measured under skew winds and equivalent fluctuating wind velocities with aerodynamic impulse functions included. The time histories of equivalent fluctuating wind velocities and then buffeting forces along the bridge deck are simulated using the spectral representation method based on the Gaussian distribution assumption. The self-excited forces on an oblique strip of the bridge deck are represented by the convolution integrals involving aerodynamic impulse functions and structural motions. The aerodynamic impulse functions of self-excited forces are derived from experimentally measured flutter derivatives under skew winds using rational function approximations. The governing equation of motion of a long suspension bridge under skew winds is established using the finite element method and solved using the Newmark numerical method. The proposed time domain approach is finally applied to the Tsing Ma suspension bridge in Hong Kong. The computed buffeting responses of the bridge under skew winds during Typhoon Sam are compared with those obtained from the frequency domain approach and the field measurement. The comparisons are found satisfactory for the bridge response in the main span.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.26
no.6A
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pp.1013-1022
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2006
Although the cable-stayed bridges with two I-type girders inherently do not have good aerodynamic characteristics, a lot of the bridges with this type girders are constructed in Korea recently because of an economical merit. This paper investigated the aerodynamic characteristics of the cable-stayed bridges with two I-type girders. Section model tests were conducted in order to investigate the aerodynamic behaviors of this section with varying of the angles of attack, turbulence intensity and damping ratios. Two deck section configurations with different torsional stiffness were studied under construction and after completion respectively. Three types of the fairings were investigated to improve the aerodynamic characteristics of the bridges. The result of this study showed that the traditional section model test in uniform flow estimates the aerodynamic behavior rather pessimistically. The wind induced responses of the bridges were severely varied in accordance with the turbulence intensity and the structural damping ratio. The proposed fairing reduced the magnitude of the vortex-shedding vibrations and buffeting responses. It also increased the wind speed at which flutter occurs. It is expected that these investigations would provide a lot of information for the design of the cable stayed bridges with two I-type girders regarding wind resistance.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.39
no.2
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pp.287-296
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2019
In recent years, a number of long span cable-stayed pedestrian bridges have been constructed to the advantages of relatively low cost construction and the many tourists visiting. However, most of the pedestrian bridges are located in parks or sightseeing areas, so they are conducted without proper review and design process. It is necessary to review the aerodynamic stability of the long span cable-stayed pedestrian bridge, and it should be designed in detail from various points of view rather than the road bridge. In this study, we investigated the wind characteristics of the cable-stayed pedestrian bridge, and the empirical equations for the relationship between the main span length and the fundamental natural frequencies are presented for future use. In addition, the flutter wind speed limit of the flat plate deck pedestrian bridge calculated using the Selberg's equation is also presented. The final aerodynamic bridge section which satisfied the aerodynamic stability was found from open grating method. The proposed method can be used for long span cable-stayed pedestrian bridge in the future.
This paper presents a spatial catenary cable element for the nonlinear analysis of cable-supported structures. An incremental-iterative solution based on the Newton-Raphson method is adopted for solving the equilibrium equation. As a result, the element stiffness matrix and nodal forces are determined, wherein the effect of self-weight and pretension are taken into account. In the case of the initial cable tension is given, an algorithm for form-finding of cable-supported structures is proposed to determine precisely the unstressed length of the cables. Several classical numerical examples are solved and compared with the other available numerical methods or experiment tests showing the accuracy and efficiency of the present elements.
Park, Sung-Jong;Kwon, Hyuk-Jun;Yoo, Jae-Han;Lee, In;Han, Jae-Hong
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2003.10a
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pp.235-242
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2003
This paper deals with numerical analysis of static and dynamic wind effects on civil engineering structures. Aeroelastic analysis becomes a prime criterion to be confirmed during the structural design 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. The aeroelastic simulation is carried out using both Computational Fluid Dynamic(CFD) and Computational Structural Dynamic(SCD) schemes.
Two types of aerodynamic admittance function (AAF) that have been adopted in bridge aerodynamics are addressed. The first type is based on a group of supposed relations between flutter derivatives and AAFs. In so doing, the aero-elastic properties of a section could be used to determine AAFs. It is found that the supposed relations hold only for cases when the gust frequencies are within a very low range. Predominant frequencies of long-span bridges are, however, far away from this range. In this sense, the AAFs determined this way are of little practical significance. Another type of AAFs is based on the relation between the Theodorsen circulation function and the Sears function, which holds for thin airfoil theories. It is found, however, that an obvious illogicality exists in this methodology either. In this article, a viewpoint is put forward that AAFs of bluff bridge deck sections are inherently dependent on oncoming turbulent properties. This kind of dependence is investigated with a thin plate and a double-girder bluff section via computational fluid dynamics method. Two types of wind fluctuations are used for identification of AAFs. One is turbulent wind flow while the other is harmonic. The numerical results indicate that AAFs of the thin plate agree well with the Sears AAF, and show no obvious dependence on the oncoming wind fields. In contrast, for the case of bluff double-girder section, AAFs identified from the turbulent and harmonic flows of different amplitudes differ among each other, exhibiting obvious dependence on the oncoming wind field properties.
Damping ratio and frequency have influence on dynamic serviceability or instability such as vortex-induced vibration and displacement amplification due to earthquake and critical flutter velocity, and it is thus important to make determination of damping ratio and frequency accurate. As bridges are getting longer, small scale model test considering similitude law must be conducted to evaluate damping ratio and frequency. Analysis conditions modified by similitude law are applied to experimental test considering different scale ratios. Generally, Nyquist frequency condition based on natural frequency modified by similitude law has been used to determine sampling rate for different scale ratios, and total time length has been determined by users arbitrarily or by considering similitude law with respect to time for different scale ratios. However, Nyquist frequency condition is not suitable for multimode system with noisy signals. In addition, there is no specified criteria for determination of total time length. Those analysis conditions severely affect accuracy of damping ratio. The focus of this study is made on the determination of minimum analysis conditions for different scale ratios. Influence of signal to noise ratio is studied according to the level of noise level. Free initial value problem is proposed to resolve the condition that is difficult to know original initial value for free vibration. Ambient and free vibration tests were used to analyze the dynamic properties of a system using data collected from tests with a two degree-of-freedom section model and performed on full bridge 3D models of cable stayed bridges. The free decay is estimated with the stochastic subspace identification method that uses displacement data to measure damping ratios under noisy conditions, and the iterative least squares method that adopts low pass filtering and fourth order central differencing. Reasonable results were yielded in numerical and experimental tests.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.31
no.2A
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pp.97-104
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2011
This study presents the aerodynamic admittance function of bridge girder under turbulent flow generated from wind velocity spectrum measured at bridge site. Three dimensional buffeting analysis of concrete cable-stayed bridge were performed considering aerodynamic admittance functions obtained from four different methods. It is revealed from the analysis that vertical buffeting responses considering proper aerodynamic admittance functions were just half of that neglecting aerodynamic admittance function. Grid turbulence was found to relatively lower the aerodynamic admittance function at low frequency range, and to underestimate the buffeting wind forces. It is recommended to use the aerodynamic admittance function evaluated from flutter derivatives or measured at active turbulence in order to properly predict the buffeting responses of bridges.
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.
The aim of this study was to analyze the aerodynamic properties of the composite cable-stayed bridge by conducting three-dimensional wind tunnel tests. Focusing on the improved section of the bridge in the two-dimensional wind tunnel tests, the bridge's aerodynamic stability was estimated based on the angles of attack and the wind angles. The aerodynamic properties of vertical galloping, torsion galloping,and torsion flutter were also estimated based on the design wind velocity, and because much of the cable-stayed bridge was constructed using FCM, it was not sufficiently stiff during the bridge's construction. Therefore,the experience progressed by stages: from the full stage to the tow stage, and until the bridge became a single tower. Since the original plane was designed to be a steel box girder, the aerodynamic properties of the steel-box-type and composite-type girder could be compared. The results of this study can be utilized as basic data regarding the aerodynamic properties of medium-length and short composite cable-stayed bridges.
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