The Ting Kau Bridge in Hong Kong is a cable-stayed bridge comprising two main spans and two side spans. The bridge deck is supported by three towers, an end pier and an abutment. Each of the three towers consists of a single reinforced concrete mast which reduces its section in steps, and it is strengthened by transverse cables and struts in the transverse vertical plane. The bridge deck is supported by four inclined planes of cables emanating from anchorages at the tower tops. In view of the threat from typhoons, the dynamic behaviour of long-span cable-supported bridges in the region is always an important consideration in their design. This paper is devoted to the ambient vibration measurements of the bridge for evaluation of dynamic characteristics including the natural frequencies and mode shapes. It also describes the modelling of the bridge. A few finite element models are developed and calibrated to match with the field data and the results of subsequent structural health monitoring of the bridge.
The main focus of this study is to numerically investigate the influence of strong earthquake and tsunami-induced wave impact on the response and behavior of a cable-stayed steel bridge with large caisson foundations, by assuming that the earthquake and the tsunami come from the same fault motion. For this purpose, a series of numerical simulations were carried out. First of all, the tsunami-induced flow speed, direction and tsunami height were determined by conducting a two-dimensional (2D) tsunami propagation analysis in a large area, and then these parameters obtained from tsunami propagation analysis were employed in a detailed three-dimensional (3D) fluid analysis to obtain tsunami-induced wave impact force. Furthermore, a fiber model, which is commonly used in the seismic analysis of steel bridge structures, was adopted considering material and geometric nonlinearity. The residual stresses induced by the earthquake were applied into the numerical model during the following finite element analysis as the initial stress state, in which the acquired tsunami forces were input to a whole bridge system. Based on the analytical results, it can be seen that the foundation sliding was not observed although the caisson foundation came floating slightly, and the damage arising during the earthquake did not expand when the tsunami-induced wave impact is applied to the steel bridge. It is concluded that the influence of tsunami-induced wave force is relatively small for such steel bridge with large caisson foundations. Besides, a numerical procedure is proposed for quantitatively estimating the accumulative damage induced by the earthquake and the tsunami in the whole bridge system with large caisson foundations.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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2005.03a
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pp.277-283
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2005
Inelastic model of Second Jindo Bridge is investigated to perform nonlinear dynamic analyses with various earthquake ground motions. The modal analysis is performed to obtain dynamic characteristics of the bridge and verify the model. It proves that the model has an appropriate dynamic characteristic and its natural frequency is relatively low. Four ground motions are chosen for time history dynamic analyses; El Centro, Kobe, Taft, and Mexico earthquake. Each ground motion multiplied by specified factors to investigate damages of the structure. The analyses prove that responses of the bridge depend on the duration time and the frequency characteristics of ground motion, not only peak acceleration. Static push-over analysis of steel pylon shows that the dynamic analysis over-estimates the seismic behavior of steel pylon definitely. Nonlinear spring hinge model is suggest to improve the shortage of the inelastic model could not deliberate local buckling damage. According to the time history analysis of nonlinear spring hinge model, it is proved that the inelastic beam element analysis overestimate the seismic capacity of steel pylon unquestionably with a large amount of errors.
This paper focuses on the strengthening methods used for improving the compression behaviors of perforated box-section walls as provided in the anchorage zones of steel pylons. Rectangular plates containing double-row continuous elliptical holes are investigated by employing the boundary condition of simple supporting on four edges in the out-of-plane direction of plate. Two types of strengthening stiffeners, named flat stiffener (FS) and longitudinal stiffener (LS), are considered. Uniaxial compression tests are first conducted for 18 specimens, of which 5 are unstrengthened plates and 13 are strengthened plates. The mechanical behaviors such as stress concentration, out-of-plane deformation, failure pattern, and elasto-plastic ultimate strength are experimentally investigated. Finite element (FE) models are also developed to predict the ultimate strengths of plates with various dimensions. The results of FE analysis are validated by test data. The influences of non-dimensional parameters including plate aspect ratio, hole spacing, hole width, stiffener slenderness ratio, as well as stiffener thickness on the ultimate strengths are illustrated on the basis of numerous parametric studies. Comparison of strengthening efficiency shows that the continuous longitudinal stiffener is the best strengthening method for such perforated plates. The simplified formulas used for estimating the compression strengths of strengthened plates are finally proposed.
Cho, Hyo Nam;Lim, Jong Kwon;Min, Dae Hong;Park, Kyung Hoon
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.10
no.3
s.36
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pp.369-381
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1998
This paper is intended to show some new approaches and concepts for the development of system model and prototype software for computer-aided Monitoring and Assessment(M&A) of grand bridges. The system model that incorporates optimal strategies for M&A of grand bridges is suggested. Reliability models are developed and a reliability-based capacity rating method is established for the evaluation of the bridge safety and reliability based on the real responses measured from a series of field load tests. Based on the proposed models, an integrated prototype software is then developed for computer-aided M&A of grand bridges under the environment of the graphic user interface, which is successfully applied to the M&A of an existing cable-stayed bridge. It may be stated that the system model and prototype software developed in this paper can be utilized and implemented in the development of the computer-aided M&A system for cable-stayed and suspension bridges.
Up to now, Japan has more than 200 corrugated steel web composite beam bridges which are under construction and have been constructed, and China has more than 30 corrugated steel web composite beam bridges. The bridge type includes the simply supported beam, continuous beam, continuous rigid frame and cable stayed bridge etc. The section form has developed to the single box and multi-cell box girder from the original single box and single chamber. From the stress performance and cost saving, the span range of 50~150 m is the most competitive. At present, the design mostly adopts the computational analytical method combining the spatial bar system model, plane beam grillage model and solid model. However, the spatial bar system model is short of the refinement analysis on the space effect, such as the shear lag effect, effective distribution width problem, and eccentric load factor problem etc. Due to the similarity of the plane beam grillage method in the equivalence principle, it cannot accurately reflect the shearing stress distribution and local stress of the top and bottom plates of the box type composite beam. The solid model is very difficult to combine with the overall calculation. Moreover, the spatial grid model can achieve the refinement analysis, with the integrity of the analysis and the comprehensiveness of the stress checking calculation, and can make up the deficiency of the analytical method currently. Through the example verification of the solid model and spatial grid model, it can be seen that the calculation results for the stress and the displacement of two models are almost consistent, indicating the applicability and precision of the spatial grid model.
Seo, Dong-Woo;Kim, Byung-Chul;Jung, Kyu-San;Na, Wongi;Park, Ki-Tae
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.18
no.12
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pp.150-156
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2017
This study examined the stress recovery length due to the local damage of a 7-wire strand, which is applied widely to PSC (Post Tensioned Concrete) bridges and cable-stayed bridges. The 7-wire strand is a multiple stranded steel of PC prestressing strand. Owing to the nature of the material, it is damaged continuously after completion with corrosion being the main cause of damage. On the other hand, due to its structural characteristics, it is difficult to grasp the degree of damage inside the cable and the pattern of stress variation. In the case of cables applied to bridges, the parts that are susceptible to corrosion are generated depending on the water supply and installation shape, which may cause local damage. This study analyzed the tendency of performance degradation and stress recovery length according to local damage of a 7-wire strand, which is applied mainly to bridge post-tensioning or stay cables. This study developed a computer-based simulation model that was validated with experimental results. The model developed in this study can be used to evaluate the safety level and estimate the remaining life span of P SC bridges or cable-stayed bridges.
Kim, Jin Kook;Seong, Taek Ryong;Jang, Kyung Pil;Kwon, Seung Hee
Structural Engineering and Mechanics
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v.47
no.3
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pp.383-399
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2013
High-strength strands are widely used as a key structural element in cable-stayed bridges and prestressed concrete structures. Conventional strands for stay cable and tendons in prestressed concrete structures are ${\phi}$15.7mm coated seven-wire strands and ${\phi}15.2mm$ uncoated seven-wire strands, respectively, but the ultimate strengths of both strands are 1860MPa. The objective of this paper is to investigate the tensile behavior of a newly developed ${\phi}15.7mm$ 2,200 MPa coated strand and a ${\phi}15.2mm$ 2,400 MPa uncoated strand according to various types of mono anchorages and to propose appropriate anchorages for both strands. Finite element analyses were initially performed to find how the geometry of the anchor head affects the interaction among the anchor head, the wedge and the strand and to find how it affects the stress distributions in both parts. Tensile tests for the new strands were carried out with seven different types of mono anchorages. The test results were compared to each other and to the results obtained from the tensile tests with a grip condition. From the analysis and the test results, desirable mono anchorages for the new strands are suggested.
Stonecutters Bridge of Hong Kong is a cable-stayed bridge with two single-column pylons each 298 m high and an aerodynamic twin deck. The total length of the bridge is 1596 m with a main span of 1018 m. The top 118 m of the tower will comprise structural steel and concrete composite while the bottom part will be of reinforced concrete. The bridge deck at the central span will be of steel whilst the side spans will be of concrete. Stonecutters Bridge has adopted a twin-girder deck design with a wide clear separation of 14.3 m between the two longitudinal girders. Although a number of studies have been conducted to investigate the aerodynamic performance of twin-girder deck, the actual real life application of this type of deck is extremely limited. This therefore triggered the need for conducting the present studies, the main objective of which is to investigate the performance of Stonecutters Bridge against flutter at its in-service stage as well as during construction. Based on the flutter derivatives obtained from the 1:80 scale rigid section model experiment, flutter analysis was carried out using 3-D finite element based single parameter searching method developed by the second author of this paper. A total of 6 finite element models of the bridge covering the in-service stage as well as 5 construction stages were established. The dynamic characteristics of the bridge associated with these stages were computed and applied in the analyses. Apart from the critical wind speeds for the onset of flutter, the dominant modes of vibration participating in the flutter vibration were also identified. The results indicate that the bridge will be stable against flutter at its in-service stage as well as during construction at wind speeds much higher than the verification wind speed of 95 m/s (1-minute mean).
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2003.04a
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pp.537-544
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2003
This paper deals with stress corrosion cracking behavior of high strength steel exposed to marine environments. The objective is to determine the time to failure as a function of hydrogen concentration and tensile stress in the wires. A crack growth curve is modeled using finite element method (FEM) program. The coupled hydrogen diffusion-stress analyses of SCC were programmed separately. The first part is calculating stress and stress intensity /sup 1)/factor of a cylindrical shell, prestressing tendon or suspension bridge wires, from the initiation of cracks to rupture. Virtual crack extension method, contour integral method, and crack tip elements are used for the calculation of stresses in front of the crack tip. Comparisons of the result show a good agreement with the analytical equations and wire tests. The second part of the study deals with the programming of hydrogen diffusion, affected by hydrostatic stress, calculated at the location of boundary of plastic area around the crack tip. The results of paper can be used in the design and management of prestressed structures, cable stayed and suspension bridges. Time dependent correlated parallel reliabilities of a cable, composed of 36 wires, were evaluated by the consideration of the deterioration of stress corrosion cracking.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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