This paper examines local vibrations in the stay cables of a cable-stayed bridge subjected to wind gusts. The wind loads, including the self-excited load and the buffeting load, are converted into time-domain values using the rational function approximation and the multidimensional autoregressive process, respectively. The global motion of the girder, which is generated by the wind gusts, is analyzed using the modal analysis method. The local vibration of stay cables is calculated using a model in which an inclined cable is subjected to time-varying displacement at one support under global vibration. This model can consider both forced vibration and parametric vibration. The response characteristics of the local vibrations in the stay cables under wind gusts are described using an existing cable-stayed bridge. The results of the numerical analysis show a significant difference between the combined parametric and forced vibrations and the forced vibration.
Su, Yanwen;Huang, Guoqing;Liu, Ruili;Zeng, Yongping
Wind and Structures
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v.32
no.2
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pp.89-104
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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.
The Yingxian wooden tower in China is currently the tallest wooden tower in the world. It was built in 1056 AD and is 65.86 m high. Field measurements of wind speed and wind-induced response of this tower are conducted. The wind characteristics, including the average wind speed, wind direction, turbulence intensity, gust factor, turbulence integral length scale and velocity spectrum are investigated. The power spectral density and the root-mean-square wind-induced acceleration are analyzed. The structural modal parameters of this tower are identified with two different methods, including the Empirical Mode Decomposition (EMD) combined with the Random Decrement Technique (RDT) and Hilbert transform technique, and the stochastic subspace identification (SSI) method. Results show that strong wind is coming predominantly from the West-South of the tower which is in the same direction as the inclination of the structure. The Von Karman spectrum can describe the spectrum of wind speed well. Wind-induced torsional vibration obviously occurs in this tower. The natural frequencies identified by EMD, RDT and Hilbert Transform are close to those identified by SSI method, but there is obvious difference between the identified damping ratios for the first two modes.
Journal of the wind engineering institute of Korea
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v.22
no.4
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pp.171-177
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2018
In order to investigate the cause of damage of the offshore meteorological tower, the measured wind speed data were analyzed, the dynamic displacement due to fluctuating wind load and wave load was calculated, and the fatigue was examined for vortex-induced vibration. It was confirmed from the results that the vibration lasting for four hours occurred in the meteorological tower when the maximum wind speeds for 10 minutes were compared for both the vane anemometer and ultrasonic anemometer. The effect of the gust wind on the dynamic response of the meteorological tower was greater than the wave. However, the combined forces acting on the meteorological tower was much lower than the design force even though the wind and wave loads were simultaneously applied. The vortex-induced vibration seemed to be cause of the fatigue failure in the connecting bolts. The destruction of the offshore meteorological tower was considered to be a vortex-induced vibration, not a fluctuating fluid flows.
This paper discusses the processing of the wind loads measured in wind tunnel tests by means of multi-channel pressure scanners, in order to compute the response of 3D structures to atmospheric turbulence in the time domain. Data compression and the resulting computational savings are still a challenge in industrial contexts due to the multiple trial configurations during the construction stages. The advantage and robustness of the bi-orthogonal decomposition (BOD) is demonstrated through an example, a sail glass of the Fondation Louis Vuitton, independently from any tentative physical interpretation of the spatio-temporal decomposition terms. We show however that the energy criterion for the BOD has to be more rigorous than commonly admitted. We find a level of 99.95 % to be necessary in order to recover the extreme values of the loads. Moreover, frequency limitations of wind tunnel experiments are sometimes encountered in passing from the scaled model to the full scale structure. These can be alleviated using a spectral extension of the temporal function terms of the BOD.
This paper describes a method for developing a multi-degree-of freedom aero-elasto-plastic model of a base-isolated mid-rise building. The horizontal stiffness of isolators is modeled by several tension springs and the vertical support is performed by air pressure from a compressor. A lead damper and a steel damper are modeled by a U-shaped lead line and an aluminum line. With this model, the frequency ratio of torsional vibration to sway vibration, and plastic displacements of isolation materials can be changed easily when needed. The results of isolation material tests and free vibration tests show that this model provides the object performance. The peak displacement factors are about 4.5 regardless of wind speed in wind tunnel tests, but their gust response factor decreases with increment of wind speed.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1990.04a
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pp.31-36
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1990
The probabilistic characteristics of wind loads have been analyzed using statistical data on wind speeds, pressure coefficient, exposure coefficient, and gust factor. The wind speed data collected in 25 nationwide weather stations have been modified to be consistent in measuring height, exposure condition as well as averaging time, Having performed Monte Carlo simulation for various heights and site conditions, the statistical models of wind loads were determined, in which Type-I extreme value distribution has been applied. The models also incorporate a reduction factor of 0.85 to account for the reduced probability that the maximum wind speed will occur in a direction most unfavorable to the response of structure.
With respect to serviceability, antenna masts should be designed so that wind-induced motion will not cause unacceptable lack of transmission for broadcasting users and wireless communication. For such antenna masts with directional radio transmission the serviceability limit state is predominantly governed by the tolerable change of the broadcasting angle of the mounted antenna assembly and therefore by the tip distortion of the mast. In this paper it will be shown that refinements of the present state of design of antenna masts are possible by using the statistics of extremes applied to extreme wind situations and by consideration of the statistical and reliability requirements given by the operator such as frequency and return period of passing the serviceability limit.
In the current study, dynamic and quasi-static analyses were performed to investigate the response of multiple-spanned and single-spanned transmission line conductors under both downburst and synoptic winds considering different wind velocities and different length spans. Two critical downburst configurations, recommended in the literature and expected to cause maximum conductor reactions, were considered in the analyses. The objective of the study was to assess the importance of including the dynamic effect when predicting the conductor's reactions on the towers. This was achieved by calculating the mean, the background and the resonant reaction components, and evaluating the contribution of the resonant component to the peak reaction. The results show that the maximum contribution of the resonant component is generally low (in the order of 6%) for the multiple-spanned system at different wind velocities for both downburst and synoptic winds. For the single-spanned system, the result show a relatively high maximum contribution (in the order of 16%) at low wind velocity and a low maximum contribution (in the order of 6%) at high wind velocity for both downburst and synoptic winds. Such contributions may justify the usage of the quasi-static approach for analyzing transmission line conductors subjected to the high wind velocities typically used for the line design.
ZHANG, Jun-Feng;LIU, Qing-Shuai;GE, Yao-Jun;ZHAO, Lin
Structural Engineering and Mechanics
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v.72
no.5
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pp.541-555
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2019
Wind induced dynamic responses on hyperbolic cooling tower (HCT) shells are complicated functions of structure and wind properties, such as the fundamental frequency fmin, damping ratio ζ, wind velocity V, correlationship in meridian direction and so on, but comprehensions on the sensitivities of the dynamic responses to these four factors are still limited and disagree from each other. Following the dynamic calculation in time domain, features of dynamic effects were elaborated, focusing on the background and resonant components σB and σR, and their contributions to the total rms value σT. The σR is always less than σB when only the maximum σT along latitude is concerned and the contribution of σR to σT varies with responses and locations, but the σR couldn't be neglected for structural design. Then, parameters of the above four factors were artificially adjusted respectively and their influences on the gust responses were illustrated. The relationships of σR and the former three factors were expressed by fitted equations which shows certain differences from the existing equations. Moreover, a new strategy for wind tunnel tests aiming at surface pressures and the following dynamic calculations, which demands less experiment equipment, was proposed according to the influence from meridian correlationship.
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