Numerical analysis of static and dynamic wind effects on civil engineering structures was performed. Long-span suspension bridges are flexible structures that are highly sensitive to the action of the wind. Aerodynamic effect often becomes a governing factor in the design process of bridges and aeroelastic stability boundary becomes a prime criterion which should be confirmed during the structural design stage of bridges 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. Buffeting caused by turbulence results in structural fatigue, which could lead to the failure of a bridge. Navier-Stokes equations are used for the aeroelastic analysis of bridge girder section. The aeroelastic simulation is carried out to study the aeroelastic stability of bridges using both Computational Fluid Dynamic (CFD) and Computational Structural Dynamic (CSD) schemes.
Su, Yanwen;Huang, Guoqing;Liu, Ruili;Zeng, Yongping
Wind and Structures
/
제32권2호
/
pp.89-104
/
2021
Non-synoptic winds generated by tornadoes, downbursts or gust fronts exhibit significant non-stationarity and can cause significant wind load effect on flexible structures such as long-span bridges. However, conventional assumptions on stationarity used to evaluate the structural wind-induced vibration are inadequate. In this paper, an efficient frequency domain scheme based on fast CQC method, which can predict non-stationary buffeting random responses of long-span bridges, is presented, and then this approach is applied to evaluate the buffeting response of a long-span suspension bridge located in a complex mountainous wind environment as an example. In this study, the data-driven method based on one available measured wind speed sample is firstly presented to establish non-stationary wind models, including time-varying mean wind speed, time-varying intensity envelope function and uniformly modulated fluctuating spectrum. Then, a linear time-variant (LTV) system based on the proposed scheme can be generally applied to calculate the non-stationary buffeting responses. The effectiveness and accuracy of the proposed scheme are verified through Monte Carlo time domain simulation implemented in ANSYS platform. Also, the transient effect nature of the bridge responses is further illustrated by comparison of the non-stationary, quasistationary and steady-state cases. Finally, buffeting response analysis with traditional stationary treatment (10 min constant mean plus stationary wind fluctuation) is performed to illustrate the importance of the non-stationary characteristics embedded in original wind speed samples.
With the continuous increase of span lengths, modern bridges are becoming much more flexible and more prone to flutter under wind excitations. A reasonable probabilistic flutter analysis of long-span bridges involving random and uncertain variables may have to be taken into consideration. This paper presents a method for estimating the reliability index and failure probability due to flutter, which considers the very important variables including the extreme wind velocity at bridge site, damping ratio, mathematical modeling, and flutter derivatives. The Aizhai Bridge in China is selected as an example to demonstrate the numerical procedure for the flutter reliability analysis. In the presented method, the joint probability density function of wind speed and wind direction at the deck level of the bridge is first established. Then, based on the fundamental theories of structural reliability, the reliability index and failure probability due to flutter of the Aizhai Bridge is investigated by applying the Monte Carlo method and the first order reliability method (FORM). The probabilistic flutter analysis can provide a guideline in the design of long-span bridges and the results show that the structural damping and flutter derivatives have significant effects on the flutter reliability, more accurate and reliable data of which is needed.
This paper presents a restart iterative approach for time-domain flutter analysis of long-span bridges using the commercial FE package ANSYS. This approach utilizes the recursive formats of impulse-response-function expressions for bridge's aeroelastic forces. Nonlinear dynamic equilibrium equations are iteratively solved by using the restart technique in ANSYS, which enable the equilibrium state of system to get back to last moment absolutely during iterations. The condition for the onset of flutter instability becomes that, at a certain wind velocity, the amplitude of vibration is invariant with time. A long-span suspension bridge was taken as a numerical example to verify the applicability and accuracy of the proposed method by comparing calculated results with wind tunnel tests. The proposed method enables the bridge designers and engineering practitioners to carry out time-domain flutter analysis of bridges in commercial FE package ANSYS.
본 연구는 현수교 분야 기술수준의 정량적인 평가와 기술개발, 국토교통 R&D의 전략적 방향 모색 및 기술정책 수립 등 수요에 대응할 수 있는 기초자료 제공을 목적으로 수행하였다. 이를 위해 현수교 분야의 기술 분류체계를 구축하고 기술별 핵심 키워드를 도출하여 한국, 미국, 일본, 독일, 영국의 기술수준 조사를 실시하였다. 기술수준 평가결과 미국과 일본이 모든 기술분야에서 상위의 특허 및 논문기술경쟁력을 보유한 것으로 나타났다. 한국의 경우 전반적으로 중위권의 기술경쟁력을 보유한 것으로 나타났으나, 기술별 편차가 있는 것으로 나타났다. 본 연구결과는 향후 현수교 분야 기술개발 및 계획수립 시 기초자료로 활용될 수 있다. 그리고 기술 경쟁국간의 기술 수준 비교 방법론의 표준화를 위한 연구에 활용 될 수 있다.
This paper aims to evaluate the effect of typhoons on fatigue damage accumulation in steel decks of long-span suspension bridges. The strain-time histories at critical locations of deck sections of long-span bridges during different typhoons passing the bridge area are investigated by using on-line strain data acquired from the structural health monitoring system installed on the bridge. The fatigue damage models based on Miner's Law and Continuum Damage Mechanics (CDM) are applied to calculate the increment of fatigue damage due to the action of a typhoon. Accumulated fatigue damage during the typhoon is also calculated and compared between Miner's Law and the CDM method. It is found that for the Tsing Ma Bridge case, the stress spectrum generated by a typhoon is significantly different than that generated by normal traffic and its histogram shapes can be described approximately as a Rayleigh distribution. The influence of typhoon loading on accumulative fatigue damage is more significant than that due to normal traffic loading. The increment of fatigue damage generated by hourly stress spectrum for the maximum typhoon loading may be much greater than those for normal traffic loading. It is, therefore, concluded that it is necessary to evaluate typhoon induced fatigue damage for the purpose of accurately evaluating accumulative fatigue damage for long-span bridges located within typhoon prone regions.
The streamlined box is a common type of girders for long-span suspension bridges. Spanning deep canyons, long-span bridges are frequently attacked by strong winds with large angles of attack. In this situation, the flow field around the streamlined box changes significantly, leading to reduction of the flutter performance. The wind fairings have different effects on the flutter performance. Therefore, this study examines the flutter performance of box girders with different wind fairings at large angles of attack. Computational fluid dynamics (CFD) simulations were carried out to extract the flutter derivatives, and the critical flutter state of a long-span bridge was determined. Further comparisons of the wind fairings were investigated by a rapid method which is related to the input energy by the aerodynamic force. The results show that a reasonable type of wind fairings could improve the flutter performance of long-span bridges at large angles of attack. For the torsional flutter instability, the wind fairings weaken the adverse effect of the vortex attaching to the girder, and a sharper one could achieve a better result. According to the input energies on the girder with different wind fairings, the symmetrical wind fairings are more beneficial to the flutter performance
Long-span steel suspension bridges develop significant vibrations under the effect of external time-variable loadings because their slenderness. This causes significant stresses variations that could induce fatigue problems in critical components of the bridge. The research outcome presented in this paper includes a fatigue analysis of a long suspension bridge with 3300 meters central suspended span under wind action and train transit. Special focus is made on the counterintuitive interaction effects between train and wind loads in terms of fatigue damage accumulation in the hanger ropes. In fact the coupling of the two actions is shown to have positive effects for some hangers in terms of damage accumulation. Fatigue damage is evaluated using a linear accumulation model (Palmgren-Miner rule), analyses are carried out in time domain by a three-dimensional non-linear finite element model of the bridge. Rational explanation regarding the above-mentioned counterintuitive behavior is given on the basis of the stress time histories obtained for pertinent hangers under the effects of wind and train as acting separately or simultaneously. The interaction between wind and train traffic loads can be critical for a some hanger ropes therefore interaction phenomena within loads should be considered in the design.
The Brace-Type Shear Fuse (BSF) device is a newly proposed steel damper with excellent cumulative ductility and stable energy dissipation. In consideration of the current situation where there are not many alternatives for transversal seismic devices used in long-span three-tower self-anchored bridges (TSSBs), this paper implements improved BSFs into the world's longest TSSB, named Jinan Fenghuang Yellow River Bridge. The new details of the BSF are developed for the TSSB, and the force-displacement hysteretic curves of the BSFs are obtained using finite element (FE) simulations. A three-dimensional refined finite element model for the research TSSB was established in SAP2000, and the effects of BSFs on dynamic characteristics and seismic response of the TSSB under different site conditions were investigated by the numerical simulation method. The results show that remarkable controlling effects of BSFs on seismic response of TSSBs under different site conditions were obtained. Compared with the case without BSFs, the TSSB installed with BSFs has mitigation ratios of the tower top displacement, lateral girder displacement, tower bending moment and tower shear force exceeding 95%, 78%, 330% and 346%, respectively. Meanwhile, BSFs have a sufficient restoring force mechanism with a minor post-earthquake residual displacement. The proposed BSFs exhibit good application prospects in long-span TSSBs.
Bridge structures are designed to support ordinary loadings such as vehicles, wind, temperature and current as well as unexpected loadings like earthquakes and storm. Especially, the displacement of Flexible bridges like an suspension bridge under ordinary loading conditions is necessary to be monitored. In case of long span bridges, there are some difficulties in monitoring the displacement of center of the main span using traditional laser displacement sensors. In this study, the static and dynamic displacement responses due to vehicle loadings were measured by DGPS(differential global positioning system) technique. The displacement response data were compared with data obtained from traditional laser displacement sensors so that the static and dynamic behavior of the bridge under vehicle loadings was examined and the applicability of the displacement response measurement using DGPS technique was verified. The static and dynamic loading test for an self-anchored suspension bridge, So-rok Bridge, was performed using vehicles. The displacement response from DGPS technique and that from laser displacement sensors of the bridge monitoring system were compared. The amplitude of white noise from DGPS based measurement was about 7 mm and that of laser displacement sensor based measurement was about 3 mm. On the other hand, dynamic behavior of the center of main span from DGPS based measurement showed better agreement with influence line of the bridge than that from laser displacement sensors. In addition, there were some irregular and discontinuous variation of data due to the instability of GPS receivers or frequent appearance of GPS satellites. Post-processing via the reference station close to an observation post provided by NGII(National Geographic Information Institute) will be a counter-plan for these defects.
본 웹사이트에 게시된 이메일 주소가 전자우편 수집 프로그램이나
그 밖의 기술적 장치를 이용하여 무단으로 수집되는 것을 거부하며,
이를 위반시 정보통신망법에 의해 형사 처벌됨을 유념하시기 바랍니다.
[게시일 2004년 10월 1일]
이용약관
제 1 장 총칙
제 1 조 (목적)
이 이용약관은 KoreaScience 홈페이지(이하 “당 사이트”)에서 제공하는 인터넷 서비스(이하 '서비스')의 가입조건 및 이용에 관한 제반 사항과 기타 필요한 사항을 구체적으로 규정함을 목적으로 합니다.
제 2 조 (용어의 정의)
① "이용자"라 함은 당 사이트에 접속하여 이 약관에 따라 당 사이트가 제공하는 서비스를 받는 회원 및 비회원을
말합니다.
② "회원"이라 함은 서비스를 이용하기 위하여 당 사이트에 개인정보를 제공하여 아이디(ID)와 비밀번호를 부여
받은 자를 말합니다.
③ "회원 아이디(ID)"라 함은 회원의 식별 및 서비스 이용을 위하여 자신이 선정한 문자 및 숫자의 조합을
말합니다.
④ "비밀번호(패스워드)"라 함은 회원이 자신의 비밀보호를 위하여 선정한 문자 및 숫자의 조합을 말합니다.
제 3 조 (이용약관의 효력 및 변경)
① 이 약관은 당 사이트에 게시하거나 기타의 방법으로 회원에게 공지함으로써 효력이 발생합니다.
② 당 사이트는 이 약관을 개정할 경우에 적용일자 및 개정사유를 명시하여 현행 약관과 함께 당 사이트의
초기화면에 그 적용일자 7일 이전부터 적용일자 전일까지 공지합니다. 다만, 회원에게 불리하게 약관내용을
변경하는 경우에는 최소한 30일 이상의 사전 유예기간을 두고 공지합니다. 이 경우 당 사이트는 개정 전
내용과 개정 후 내용을 명확하게 비교하여 이용자가 알기 쉽도록 표시합니다.
제 4 조(약관 외 준칙)
① 이 약관은 당 사이트가 제공하는 서비스에 관한 이용안내와 함께 적용됩니다.
② 이 약관에 명시되지 아니한 사항은 관계법령의 규정이 적용됩니다.
제 2 장 이용계약의 체결
제 5 조 (이용계약의 성립 등)
① 이용계약은 이용고객이 당 사이트가 정한 약관에 「동의합니다」를 선택하고, 당 사이트가 정한
온라인신청양식을 작성하여 서비스 이용을 신청한 후, 당 사이트가 이를 승낙함으로써 성립합니다.
② 제1항의 승낙은 당 사이트가 제공하는 과학기술정보검색, 맞춤정보, 서지정보 등 다른 서비스의 이용승낙을
포함합니다.
제 6 조 (회원가입)
서비스를 이용하고자 하는 고객은 당 사이트에서 정한 회원가입양식에 개인정보를 기재하여 가입을 하여야 합니다.
제 7 조 (개인정보의 보호 및 사용)
당 사이트는 관계법령이 정하는 바에 따라 회원 등록정보를 포함한 회원의 개인정보를 보호하기 위해 노력합니다. 회원 개인정보의 보호 및 사용에 대해서는 관련법령 및 당 사이트의 개인정보 보호정책이 적용됩니다.
제 8 조 (이용 신청의 승낙과 제한)
① 당 사이트는 제6조의 규정에 의한 이용신청고객에 대하여 서비스 이용을 승낙합니다.
② 당 사이트는 아래사항에 해당하는 경우에 대해서 승낙하지 아니 합니다.
- 이용계약 신청서의 내용을 허위로 기재한 경우
- 기타 규정한 제반사항을 위반하며 신청하는 경우
제 9 조 (회원 ID 부여 및 변경 등)
① 당 사이트는 이용고객에 대하여 약관에 정하는 바에 따라 자신이 선정한 회원 ID를 부여합니다.
② 회원 ID는 원칙적으로 변경이 불가하며 부득이한 사유로 인하여 변경 하고자 하는 경우에는 해당 ID를
해지하고 재가입해야 합니다.
③ 기타 회원 개인정보 관리 및 변경 등에 관한 사항은 서비스별 안내에 정하는 바에 의합니다.
제 3 장 계약 당사자의 의무
제 10 조 (KISTI의 의무)
① 당 사이트는 이용고객이 희망한 서비스 제공 개시일에 특별한 사정이 없는 한 서비스를 이용할 수 있도록
하여야 합니다.
② 당 사이트는 개인정보 보호를 위해 보안시스템을 구축하며 개인정보 보호정책을 공시하고 준수합니다.
③ 당 사이트는 회원으로부터 제기되는 의견이나 불만이 정당하다고 객관적으로 인정될 경우에는 적절한 절차를
거쳐 즉시 처리하여야 합니다. 다만, 즉시 처리가 곤란한 경우는 회원에게 그 사유와 처리일정을 통보하여야
합니다.
제 11 조 (회원의 의무)
① 이용자는 회원가입 신청 또는 회원정보 변경 시 실명으로 모든 사항을 사실에 근거하여 작성하여야 하며,
허위 또는 타인의 정보를 등록할 경우 일체의 권리를 주장할 수 없습니다.
② 당 사이트가 관계법령 및 개인정보 보호정책에 의거하여 그 책임을 지는 경우를 제외하고 회원에게 부여된
ID의 비밀번호 관리소홀, 부정사용에 의하여 발생하는 모든 결과에 대한 책임은 회원에게 있습니다.
③ 회원은 당 사이트 및 제 3자의 지적 재산권을 침해해서는 안 됩니다.
제 4 장 서비스의 이용
제 12 조 (서비스 이용 시간)
① 서비스 이용은 당 사이트의 업무상 또는 기술상 특별한 지장이 없는 한 연중무휴, 1일 24시간 운영을
원칙으로 합니다. 단, 당 사이트는 시스템 정기점검, 증설 및 교체를 위해 당 사이트가 정한 날이나 시간에
서비스를 일시 중단할 수 있으며, 예정되어 있는 작업으로 인한 서비스 일시중단은 당 사이트 홈페이지를
통해 사전에 공지합니다.
② 당 사이트는 서비스를 특정범위로 분할하여 각 범위별로 이용가능시간을 별도로 지정할 수 있습니다. 다만
이 경우 그 내용을 공지합니다.
제 13 조 (홈페이지 저작권)
① NDSL에서 제공하는 모든 저작물의 저작권은 원저작자에게 있으며, KISTI는 복제/배포/전송권을 확보하고
있습니다.
② NDSL에서 제공하는 콘텐츠를 상업적 및 기타 영리목적으로 복제/배포/전송할 경우 사전에 KISTI의 허락을
받아야 합니다.
③ NDSL에서 제공하는 콘텐츠를 보도, 비평, 교육, 연구 등을 위하여 정당한 범위 안에서 공정한 관행에
합치되게 인용할 수 있습니다.
④ NDSL에서 제공하는 콘텐츠를 무단 복제, 전송, 배포 기타 저작권법에 위반되는 방법으로 이용할 경우
저작권법 제136조에 따라 5년 이하의 징역 또는 5천만 원 이하의 벌금에 처해질 수 있습니다.
제 14 조 (유료서비스)
① 당 사이트 및 협력기관이 정한 유료서비스(원문복사 등)는 별도로 정해진 바에 따르며, 변경사항은 시행 전에
당 사이트 홈페이지를 통하여 회원에게 공지합니다.
② 유료서비스를 이용하려는 회원은 정해진 요금체계에 따라 요금을 납부해야 합니다.
제 5 장 계약 해지 및 이용 제한
제 15 조 (계약 해지)
회원이 이용계약을 해지하고자 하는 때에는 [가입해지] 메뉴를 이용해 직접 해지해야 합니다.
제 16 조 (서비스 이용제한)
① 당 사이트는 회원이 서비스 이용내용에 있어서 본 약관 제 11조 내용을 위반하거나, 다음 각 호에 해당하는
경우 서비스 이용을 제한할 수 있습니다.
- 2년 이상 서비스를 이용한 적이 없는 경우
- 기타 정상적인 서비스 운영에 방해가 될 경우
② 상기 이용제한 규정에 따라 서비스를 이용하는 회원에게 서비스 이용에 대하여 별도 공지 없이 서비스 이용의
일시정지, 이용계약 해지 할 수 있습니다.
제 17 조 (전자우편주소 수집 금지)
회원은 전자우편주소 추출기 등을 이용하여 전자우편주소를 수집 또는 제3자에게 제공할 수 없습니다.
제 6 장 손해배상 및 기타사항
제 18 조 (손해배상)
당 사이트는 무료로 제공되는 서비스와 관련하여 회원에게 어떠한 손해가 발생하더라도 당 사이트가 고의 또는 과실로 인한 손해발생을 제외하고는 이에 대하여 책임을 부담하지 아니합니다.
제 19 조 (관할 법원)
서비스 이용으로 발생한 분쟁에 대해 소송이 제기되는 경우 민사 소송법상의 관할 법원에 제기합니다.
[부 칙]
1. (시행일) 이 약관은 2016년 9월 5일부터 적용되며, 종전 약관은 본 약관으로 대체되며, 개정된 약관의 적용일 이전 가입자도 개정된 약관의 적용을 받습니다.