The usage of conventional tuned mass damper (TMD) was proved as an effective method for passive mitigating vortex-induced vibration (VIV) of a bridge deck. Although a variety of linear TMD systems have been so far utilized for vibration control of suspension bridges, a sensitive TMD mechanism to wind spectrum frequency is lacking. Here, we introduce a bistable tuned mass damper (BTMD) mechanism which has an exceptional sensitivity to a broadband input of vortex shedding velocity for suppressing VIV in suspension bridge deck. By use of the Monte Carlo simulation, performance of the nonlinear BTMD is shown to be more efficient than the conventional linear TMD under two different wind load excitations of harmonic (sinusoidal) and broadband input of vortex shedding. Consequently, an appropriate algorithm is proposed to optimize the design parameters of the nonlinear BTMD for Kap Shui Mun Bridge, and then the BTMD system is localized for the interior deck of the suspension bridge.
The wind-resistant performance of bridges is generally evaluated based on the strip assumption. For the arch rib of arch bridges, the situation is different due to the curve axis and the variable cross-sectional size. In the construction stage, the arch rib supported by a cable system exhibits flexible dynamic characteristics, and the wind-resistant performance attracts specially attention. To evaluate the wind-induced vibration of an arch rib with the maximum cantilever state, the finite element model was established to compute the structural dynamic characteristics. Then, a three-dimensional (3D) fluid-solid coupling analysis method was realized. After verifying the reliability of the method based on a square column, the wind-induced vibration of the arch rib was computed. The vortex-induced vibration (VIV) performance of the arch rib was focused and the flow field characteristics were discussed to explain the VIV phenomenon. The results show that the arch rib with the maximum cantilever state had the possibility of VIV at high wind speeds but the galloping was not observed. The lock-in wind speeds were larger than the results based on the strip assumption. Due to the vibration of arch rib, the frequency of shedding vortices along the arch axis trended to be uniform.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2000.06a
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pp.371-379
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2000
A noise prediction method of axial flow fan is developed by incorporating through-flow method and vortex shedding noise model. Fan noise is assumed to be generated due to the pressure fluctuation induced by wake vortices of fan blades and radiate as diploe distribution. The wake vortices are analyzed by combining Karman vortex street model and through-flow analysis results, and the vortex-induced fluctuating pressure on blade surface is calculated by thin airfoil theory. The predicted sound pressure levels and directivity patterns of fan noise by the present method are favorably compared with fan noise test data. Furthermore, the present method is shown to be very useful for predicting the aero-acoustic performance map of the fan operated at off-design point.
A butterfly web girder is a box-shaped girder with discretely distributed side openings along the spanwise direction. Until now, there have been few studies related to the aerodynamic performance of the butterfly web bridge. The objective of the current study was to clarify the effects of the side openings on the aerodynamic performance of the girder. Two butterfly web girders with side ratios B/D = 3.24 and 5, where B is the girder width and D is the depth, were examined through a series of wind tunnel tests. A comparison of the results for butterfly web girders and conventional box girders of the same shape confirmed that the side openings stabilized the vortex-induced vibration and galloping when B/D = 3.24, whereas the vortex-induced vibration and torsional flutter were stabilized when B/D = 5. The change in the flow field due to the side openings contributed to the stabilization against the vibration. These findings not only confirmed the good aerodynamic performance of the butterfly web bridge but also provided a new method to stabilize the box girder against aerodynamic instabilities via discretely distributed side openings.
Many tower-supported steel stacks have been constructed in Japan, primarily for economic reasons. However the dynamic behavior of these stacks under a strong wind is not well known and the wind load design standard for this type of a stack has not yet been formulated. In light of this situation, we carried out wind response observation of an operating tower-supported steel stack with and without a tuned-mass damper. The observation revealed the performance of the tuned-mass damper installed on the stack in order to control the wind-induced vibration. Based on the observed data, we performed a wind tunnel test of a specimen of the stack. In this paper we report the results of the wind tunnel test and some comparisons with the results of observation. Our findings are as follows: 1) the tuned-mass damper installed on the specimen in the wind tunnel test worked as well as the one on the observed stack, 2) the amplitude of the vortex-induced vibration of the specimen corresponded approximately to that of the observed stack, and 3) correlation between Scruton number and reduced amplitude, y/d, (y is amplitude, d is diameter) was confirmed by both the wind tunnel test and the observed results.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.13
no.1
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pp.223-235
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2021
The Vortex-Induced Vibration (VIV) test system on deepwater riser based on Bare Fiber Bragg Grating (BFBG) sensor technology was designed. Meanwhile, a riser VIV response numerical model was established based on the work-energy principle. The results show that the first-order vibration frequency dominates the vibration of the riser, and as the velocity increases, the dominant frequency of the riser gradually increases under the effect of different top tensions. At the same velocity, as the top tension increases step by step, the dominant frequency and fatigue damage at the same position along the axial length of the riser both gradually decreases. The model test and numerical simulation show a relatively consistent change, maintaining a high degree of agreement. The process control system based on BFBG of model test has excellent performance, and FBG sensors have great advantages in VIV test of a vertical riser in water.
A π-shaped composite deck in the form of an open section is a type of blunt body that is highly susceptible to wind loads. To investigate its vortex-induced vibration (VIV) performance, a large-scale (1/20) section model of a cable-stayed bridge with a main span of 650 m was tested in a wind tunnel. The vibration suppression mechanism of the countermeasures was analyzed using computational fluid dynamic. Experimental results demonstrate that the vertical and torsional VIVs of the original section can be suppressed by combining guide plates with a tilt angle of 35° and bottom central stabilizing plates as aerodynamic countermeasures. Numerical results indicate that the large-scale vortex under the deck separates into smaller vortices, resulting in the disappearance of the von Kármán vortex street in the wake zone because the countermeasures effectively suppress the VIVs. Furthermore, a full-bridge aeroelastic model with a scale of 1/100 was constructed and tested to evaluate the wind resistance performance and validate the effectiveness of the proposed countermeasures.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.17
no.3
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pp.56-64
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2013
The wind resistant capacity of bridges with a span of less than 200m is typically evaluated by Wind Resistant Design Manual for Highway Bridges in Japan. Also, the first vertical frequency plays an important role in the evaluation of their aerodynamic performance. An unexpected vortex-induced vibration of Nielsen arch bridge with span of 183m designed by this manual has been measured by monitoring system during typhoon. The amplitude of vibrations was about 2 times than the allowable vibration displacement. This paper presents the feature of vortex-induced vibration of this Nielsen arch bridge based on measured wind velocity, wind direction, and responses at midspan of main girder. From the result of FFT, the $1^{st}$ mode shape of the bridge is antisymmetric and the $2^{nd}$ is symmetric. Also, the dominant vibration of the bridge is the $2^{nd}$ vertical mode. According to these results, the $2^{nd}$ vertical vibration mode of this Nielsen arch bridge is prior to the first for the estimation of wind resistance capacity.
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.
A series of wind tunnel tests, including 1:50 sectional model tests, 1:50 free-standing bridge tower tests and 1:70 full-bridge aeroelastic model tests were carried out to systematically investigate the aerodynamic performance of the Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge (HZMB). The test result indicates that there are three wind-resistant safety issues the HZMB encounters, including unacceptable low flutter critical wind speed, vertical vortex-induced vibration (VIV) of the main girder and galloping of the bridge tower in across-wind direction. Wind-induced vibration of HZMB can be effectively suppressed by the application of aerodynamic and mechanical measures. Acceptable flutter critical wind speed is achieved by optimizing the main girder form (before: large cantilever steel box girder, after: streamlined steel box girder) and cable type (before: central cable, after: double cable); The installations of wind fairing, guide plates and increasing structural damping are proved to be useful in suppressing the VIV of the HZMB; The galloping can be effectively suppressed by optimizing the interior angle on the windward side of the bridge tower. The present works provide scientific basis and guidance for wind resistance design of the HZMB.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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