As a critical member of cable-stayed bridges, stay cables play an important role of supporting the entire structure. Traffic, wind or rain-wind induced vibrations of stay cables would be a major cause of degrading both safety and serviceability of the bridge. One of the effective alternatives to solve this problem is to employ the cable dampers. In order to design the cable damper optimally. it is necessary to exactly estimate the dynamic characteristics of the existing cables. Therefore, in this study, a cable exciting system (exciter) controlled digitally was developed. And to evaluate the performance of the cable exciter developed, a solution of the differential equation of cable motion considering the exciter was derived. Using the cable exciter. sine sweeping and resonance tests on a cable model were carried out to obtain the dynamic characteristics effectively.
Long span cable-stayed bridges are extremely vulnerable to dynamic excitations such as which caused by traffic load, wind and earthquake. Studies on cable-stayed bridge vibration control have been keenly interested by researchers and engineers in design new bridges and assessing in-service bridges. In this paper, a novel Hybrid-Tuned Mass Damper (H-TMD) is proposed and a hybrid control model named Mixed Logic Dynamic (MLD) is employed to build the bridge-H-TMD system to mitigate the vibrations. Firstly, the fundamental theory and modeling process of MLD model is introduced. After that, a new state switching design of the H-TMD and state space equations for different states are proposed to control the bridge vibrations. As the state switching designation presented, the H-TMDs can applied active force to bridge only if the structural responses are beyond the limited thresholds, otherwise, the vibrations can be reduced by passive components of dampers without active control forces provided. A new MLD model including both passive and active control states is built based on the MLD model theory and the state switching design of H-TMD. Then, the case study is presented to demonstrate the proposed methodology. In the case study, the control scheme with H-TMDs is applied for a long span cable-stayed bridge, and the MLD model is established and simulated with earthquake excitation. The simulation results reveal that the suggested method has a well damping effect and the established system can be switched between different control states as design excellently. Finally, the energy consumptions of H-TMD schemes are compared with that of Active Tuned Mass Damper (ATMD) schemes under variable seismic wave excitations. The compared results show that the proposed H-TMD can save energy than ATMD.
This paper aims to describe the aerodynamic vibrations of various structural elements of bridges, which are particular issues at present. The aerodynamic countermeasures for those vibrations are also discussed considering the generation mechanisms of the aerodynamic instabilities. In this paper, an example of vortex-induced oscillation of bridge deck and its lesson are discussed. Next, the wind-induced cable vibration and its aerodynamic countermeasures are reviewed. Then, the aerodynamic characteristics on two edge girders and their feasibility for application to long span cable-stayed bridges are considered. Furthermore, the bridge decks for future long span bridges are proposed and their aerodynamic characteristics are also discussed.
After over a century of effort by researchers and engineers, the problem of bluff body flow, in particular vortex shedding frequency, remains almost entirely in the empirical, descriptive realm of knowledge. Computational methods have been systematically applied for vortex-induced vibrations of the cable-stayed bridge with steel composite deck by unsteady wind loadings due to vortex-shedding. The focus of this paper is to predict the vortex-induced vibration of the cable-stayed bridge with steel composite deck based computational fluid dynamics(CFD).
비대칭 사장교에 지진으로 인한 진동을 MR(Magneto-rheological) 댐퍼를 이용하여 효과적으로 제어하는 연구를 수행하였다. MR 댐퍼의 실용적인 사용성을 높이기 위하여 비대칭 사장교 구조물을 설계/제작하고, 이 교량구조물을 적정하게 제어할 수 있도록 MR 댐퍼를 제작하였다. El-centro 지진파로 비대칭 사장교를 수평방향으로 가진하여 수직방향과 수평방향의 진동을 제어하는 실험을 하였다. 각 방향의 진동제어 실험에 5가지의 제어 조건으로 MR 댐퍼의 제어성능을 평가 하였다. 실험결과 MR 댐퍼는 지진진동으로 인한 비대징사장교를 진동제어 하기 위하여 Lyapunov Control 알고리즘과 Clipped-optimal control 알고리즘을 이용하여 제어를 할 경우, 보다 효과적으로 진동을 제어하는 것을 알 수 있었다. 그리고 구조물의 비대칭성과 수평 가진으로 인하여 수직 및 수평 방향의 진동제어가 서로 다른 제어효과를 보였다. 이와 같은 제어효과는 비대칭 사장교와 같은 유연하며 비대칭인 구조물에 준능동의 MR 댐퍼가 효과적으로 지진진동을 제어하는 것으로 평가되었다.
The objective of this paper is setting out, for a cable-stayed bridge with a curtain suspension, a method to determine the modes of vibration of the structure. The system of differential equations governing the vibrations of the bridge, derived by means of a variational formulation in a nonlinear field, is reported in Appendix C. The whole analysis results from the application of Hamilton's principle, using the expressions of potential and kinetic energies and of the virtual work made by viscous damping forces of the various parts of the bridge (Monaco and Fiore 2003). This paper focuses on the equation concerning the transversal motion of the girder of the cable-stayed bridge and in particular on its final form obtained, restrictedly to the linear case, neglecting some quantities affecting the solution in a non-remarkable way. In the hypotheses of normal mode of vibration and of steady-state, we propose the resolution of this equation by a particular method based on a numerical approach. Respecting the boundary conditions, we derive, for each mode of vibration, the corresponding frequency, both natural and damped, the shape-function of the girder axis and the exponential function governing the variability of motion amplitude in time. Finally the results so obtained are compared with those deriving from the dynamic analysis performed by a finite elements calculation program.
High-rise structures prone to large vibrations under the action of strong winds, resulting in fatigue damage of the structural components and the foundation. A novel compound damping cable system (CDCS) is proposed to suppress the excessive vibrations. CDCS uses tailored double cable system with increased tensile stiffness as the connecting device, and makes use of the relative motion between the high-rise structure and the ground to drive the damper to move back-and-forth, dissipating the vibration mechanical energy of the high-rise structure so as to decaying the excessive vibration. Firstly, a third-order differential equation for the free vibration of high-rise structure with CDCS is established, and its closed form solution is obtained by the root formulas of cubic equation (Shengjin's formulas). Secondly, the analytical solution is validated by a laboratory model experiment. Thirdly, parametric analysis is conducted to investigate how the parameters affect the vibration control performance. Finally, the dynamic responses of the high-rise structure with CDCS under harmonic and stochastic excitations are calculated and its vibration mitigation performance is further evaluated. The results show that the CDCS can provide a large equivalent additional damping ratio for the vibrating structures, thus suppressing the excessive vibration effectively. It is anticipated that the CDCS can be used as a good alternative energy dissipation system for vibration control of high-rise structures.
Excessive cable vibrations are detrimental to cable-stayed bridges. Increasing the system damping of cables is a key solution to resolve this severe problem. Equations representing the dynamic characteristics of an inclined cable with a Deck-Anchored Damper (DAD) or with a Clipped Tuned Mass Dampers (CTMD) are reviewed. A theoretical comparison on the performance of cable vibration reduction between the cable-DAD system and the cable-CTMD systems is thoroughly discussed. Optimal system modal damping for the free vibration and transfer functions for the forced vibration for the two cabledamper systems are addressed and compared in detail. Design examples for these two different dampers are also provided.
Stay cables play an essential role in cable-stayed bridges. Severe vibrations and/or harsh environment may result in cable failures. Therefore, an efficient structural health monitoring (SHM) solution for cable damage detection is necessary. This study proposes a data-driven method for immediately detecting cable damage from measured cable forces by recognizing pattern transition from the intact condition when damage occurs. In the proposed method, pattern recognition for cable damage detection is realized by time series classification (TSC) using a deep learning (DL) model, namely, the long short term memory fully convolutional network (LSTM-FCN). First, a TSC classifier is trained and validated using the cable forces (or cable force ratios) collected from intact stay cables, setting the segmented data series as input and the cable (or cable pair) ID as class labels. Subsequently, the classifier is tested using the data collected under possible damaged conditions. Finally, the cable or cable pair corresponding to the least classification accuracy is recommended as the most probable damaged cable or cable pair. A case study using measured cable forces from an in-service cable-stayed bridge shows that the cable with damage can be correctly identified using the proposed DL-TSC method. Compared with existing cable damage detection methods in the literature, the DL-TSC method requires minor data preprocessing and feature engineering and thus enables fast and convenient early detection in real applications.
Wind induced vibration of a stay cable with a nonlinear friction damper is investigated. Stay cables are likely to vibrate under several wind-related environments, and cable dampers can be used to suppress the excessive vibrations of stay cables. Conventional design of cable dampers are based on the equivalent modal damping achieved by the cable damper. However, the equivalent modal damping achieved by nonlinear dampers are depend on the vibration characteristics like the amplitude of the vibration. In this paper, not only the achieved equivalent modal damping, but also the vibration levels under gust wind are analyzed through the time domain buffeting analysis. Numerical simulation results show the efficacy of a nonlinear friction damper for suppressing the excessive vibration of a stay cable.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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