A passive control using flaps will be an alternative solution for flutter stability and buffeting response of a long suspension bridge. This method not only enables a lightweight economic stiffening girder without an additional stiffness for aerodynamic stability but also avoid the problems from the malfunctions of control systems and energy supply system of an active control by winglets and flaps. A time domain approach for predicting the coupled flutter and buffeting response of bridge deck with flaps is investigated. First, the flutter derivatives of bridge deck and flaps are found by experiment. Next, the derivation of time domain model of self-excited forces and control forces of sectional model is reported by using the rational function approximation. Finally, the effectiveness of passive flap control is investigated by the numerical simulation. The results show that the passive control by using flaps can increase the flutter speed and decrease the buffeting response. The experiment results are matched with numerical ones.
The flutter of a bridge is induced by self-excited force factors such as lift, drag and aerodynamic moment. These factors are associated with flutter derivatives in the analysis of wind engineering. The flutter derivatives are the function of structure configuration, wind velocity and response circular frequency. Therefore, the governing equations for the interaction between the wind and dynamic response of the structure are complicated and highly nonlinear. Herein, a numerical algorithm through graphical technique for the solution of wind at flutter is presented. It provides a concise approach to the solution of wind velocity at flutter.
Chen, Bei;Hua, Xu G.;Zhang, Zi L.;Basu, Biswajit;Nielsen, Soren R.K.
Structural Monitoring and Maintenance
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v.4
no.2
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pp.115-131
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2017
Classical flutter of wind turbine blades indicates a type of aeroelastic instability with fully attached boundary layer where a torsional blade mode couples to a flapwise bending mode, resulting in a mutual rapid growth of the amplitudes. In this paper the monitoring problem of onset of flutter is investigated from a detection point of view. The criterion is stated in terms of the exceeding of a defined envelope process of a specific maximum torsional vibration threshold. At a certain instant of time, a limited part of the previously measured torsional vibration signal at the tip of blade is decomposed through the Empirical Mode Decomposition (EMD) method, and the 1st Intrinsic Mode Function (IMF) is assumed to represent the response in the flutter mode. Next, an envelope time series of the indicated modal response is obtained in terms of a Hilbert transform. Finally, a flutter onset criterion is proposed, based on the indicated envelope process. The proposed online flutter monitoring method provided a practical and direct way to detect onset of flutter during operation. The algorithm has been illustrated by a 907-DOFs aeroelastic model for wind turbines, where the tower and the drive train is modelled by 7 DOFs, and each blade by means of 50 3-D Bernoulli-Euler beam elements.
The alternative solution for flutter and buffeting stability of a long suspension bridge will be a passive control using flaps. This method not only enables a lightweight economic stiffening girder without an additional stiffness for aerodynamic stability but also avoid the problems from the malfunctions of control systems and energy supply system of an active control by winglets and flaps. A mechanically control using flaps for increasing flutter speed and decreasing buffeting response of a suspension bridge is experimentally studied through a two dimensional bridge deck model. The result shows that the flutter speed is increased and the buffeting response is decreased through the mechanical drive of the flaps.
The flutter reliability analysis of long span bridges requires use of a software tool that predicts the uncertainty in a flutter response due to uncertainties in the model formulation and input parameters. Existing flutter analysis numerical codes are not capable of dealing with stochastic uncertainty in the analysis of long span bridges. The goal of the present work is to develop a software tool (FREASB) to enable designers to efficiently and accurately conduct flutter reliability analysis of long span bridges. The FREASB interfaces an open-source Matlab toolbox for structural reliability analysis (FERUM) with a typical deterministic flutter analysis code. The paper presents a brief introduction to the generalized first-order reliability method implemented in FREASB and key steps involved in coupling it with a typical deterministic flutter analysis code. A numerical example concerning flutter reliability analysis of a long span suspension bridge with a main span of 1385 m is presented to demonstrate the application and effectiveness of the methodology and the software.
Shantou Bay Bridge is the first long-span suspension bridge in China. Because of its location near the Shantou Seaport and its exposure to high typhoon winds, wind-resistant studies are necessary to be made. In this paper, critical flutter wind speeds and buffeting responses of this bridge at its operation and main construction stages are investigated. The Buffeting Response Spectrum method is first briefly presented. Then the sectional model test is carried out to directly obtain the critical flutter wind speed and to identify the flutter derivatives, which are adopted for the later analysis of the buffeting responses using the Buffeting Response Spectrum method. Finally the aeroelastic full bridge model is tested to further investigate the dynamic effects of the bridge. The results from the tests and the computations indicate that the flutter and buffeting behaviors of the Shantou Bay Bridge are satisfied.
In the recent years flow around bridges are investigated using computer modeling. Selvam (1998), Selvam and Bosch (1999), Frandsen and McRobie (1999) used finite element procedures. Larsen and Walther (1997) used discrete vorticity procedure. The aeroelastic instability is a major criterion to be checked for long span bridges. If the wind speed experienced by a bridge is greater than the critical wind speed for flutter, then the bridge fails due to aeroelastic instability. Larsen and Walther (1997) computed the critical velocity for flutter using discrete vortex method similar to wind tunnel procedures. In this work, the critical velocity for flutter will be calculated directly (free oscillation procedure) similar to the approaches reported by Selvam et al. (1998). It is expected that the computational time required to compute the critical velocity using this approach may be much shorter than the traditional approach. The computed critical flutter velocity of 69 m/s is in reasonable comparison with wind tunnel measurement. The no flutter and flutter conditions are illustrated using the bridge response in time.
For the slender and flexible cable supported bridges, identification of all the flutter derivatives for the vertical, lateral and torsional motions is essential for its stability investigation. In all, eighteen flutter derivatives may have to be considered, the identification of which using a three degree-of-freedom elastic suspension system has been a challenging task. In this paper, a system identification technique, known as covariance-driven stochastic subspace identification (COV-SSI) technique, has been utilized to extract the flutter derivatives for a typical bridge deck. This method identifies the stochastic state-space model from the covariances of the output-only (stochastic) data. All the eighteen flutter derivatives have been simultaneously extracted from the output response data obtained from wind tunnel test on a 3-DOF elastically suspended bridge deck section-model. Simplicity in model suspension and measurements of only output responses are additional motivating factors for adopting COV-SSI technique. The identified discrete values of flutter derivatives have been approximated by rational functions.
The post-flutter state of streamlined steel box girder is studied in this paper. Firstly, the nonlinear aerodynamic self-excited forces of the bridge deck cross section were investigated by CFD dynamic mesh technique and then the nonlinear flutter derivatives were identified on this basis. Secondly, based on the 2-degree-of-freedom (DOF) coupling flutter theory, the torsional amplitude and the nonlinear flutter derivatives were introduced into the traditional direct flutter calculation method, and the original program was improved to the "post-flutter state analysis program" so that it can predict not only the critical flutter velocity but also the movement of the girder in the post-flutter state. Finally, wind tunnel tests were set to verify the method proposed in this paper. The results show that the effect of vertical amplitude on the nonlinear flutter derivatives is negligible, but the torsional amplitude is not; with the increase of wind speed, the post-flutter state of streamlined steel box girder includes four stages, namely, "little amplitude zone", "step amplitude zone", "linearly growing amplitude zone" and "divergence zone"; damping ratio has limited effect on the critical flutter velocity and the steady state response in the post-flutter state; after flutter occurs, the vibration form is a single frequency vibration coupled with torsional and vertical DOF.
A finite element aerodynamic model that can be used to analyse flutter instability of long span bridges in the time domain is presented. This approach adopts a simplified quasi-steady formulation of the wind forces neglecting the vortex shedding effects. The governing equations used are effective only for reduced velocities $V^*$ sufficiently great: this is generally acceptable for long-span suspension bridges and, then, the dependence of the wind forces expressions of the flutter derivatives can be neglected. The procedure describes the mechanical response in an accurate way, taking into account the non-linear geometry effects (large displacements and large strains) and considering also the compressed locked coil strands instability. The time-dependence of the inertia force due to fluid structure interaction is not considered. The numerical examples are performed on the three-dimensional finite element model of the Great Belt East Bridge (DK). A mode frequency analysis is carried out to validate the model and the results show good agreement with the experimental measurements of the full bridge aeroelastic model in the wind tunnel tests. Significant parameters affecting bridge response are introduced and accurately investigated.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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