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.
Long span bridges such as steel cable stayed and suspension bridges are usually more flexible than short to medium span bridges and expected to have large deformations. Deflections due to live load for long span bridges are important since it controls the overall heights of the bridge for securing the clearance under the bridge and serviceability for securing the comfort of passengers or pedestrians. In case of sea-crossing bridges, the clearance of bridges is determined considering the height of the ship master from the surface of the water, the trim of the ship, the psychological free space, the tide height, and live load deflection. In the design of bridges, live load deflection is limited to a certain value to minimize the vibrations. However, there are not much studies that consider the live load deflection and its effects for long span bridges. The purpose of this study is to investigate the suitability of live load deflection limit and its actual effects on serviceability of bridges for steel cable-stayed and suspension bridges. Analytical study is performed to calculate the natural frequencies and deflections by design live load. Results are compared with various design limits and related studies by Barker et al. (2011) and Saadeghvaziri et al. (2012). Two long span bridges are selected for the case study, Yi Sun-Sin grand bridge (suspension bridge, main span length = 1545 m) and Young-Hung grand bridge (cable stayed bridge, main span length = 240 m). Long-term measured deflection data by GNSS system are collected from Yi Sun-Sin grand bridge and compared with the theoretical values. Probability of exceedance against various deflection limits are calculated from probability distribution of 10-min maximum deflection. The results of the study on the limitation of live load deflection are expected to be useful reference for the design, the proper planning and deflection review of the long span bridges around the world.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.26
no.4
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pp.20-29
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2022
The operational modal analysis (OMA) technique, which extracts the modal parameters of a structural system using ambient vibrations, has been actively developed as a field of structural health monitoring of cable-supported bridges. In this paper, the short and long-term modal parameters of a cable-stayed bridge were evaluated using the acceleration data obtained from the two ambient vibration tests (AVTs) and three years of continuous measurements. A total of 27 vertical modes and 1 lateral mode in the range 0.1 ~ 2.5 Hz were extracted from the high-resolution AVTs which were conducted in the 6th and 19th years after its completion. Existing OMA methods such as Peak-Picking (PP), Eigensystem Realization Algorithm with Data Correlation (ERADC), Frequency Domain Decomposition (FDD) and Time Domain Decomposition (TDD) were applied for modal parameters extraction, and it was confirmed that there was no significant difference between the applied methods. From the correlation analysis between long-term natural frequencies and environmental factors, it was confirmed that temperature change is the dominant factor influencing natural frequency fluctuations. It was revealed that the decreased natural frequencies of the bridge were not due to changes in structural performance and integrity, but to the environmental effects caused by the temperature difference between the two AVTs. In addition, when the TDD technique is applied, the accuracy of extracted mode shapes is improved by adding a proposed algorithm that normalizes the sequence so that the autocorrelations at zero lag equal 1.
Park, Jong-Chil;Park, Chan-Min;Kim, Byeong-Hwa;Lee, Il-Keun;Jo, Byung-Wan
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.10
no.6
s.52
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pp.115-123
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2006
This paper presents long-term dynamic characteristics of a cable-stayed bridge where installed SHM (Structural Health Monitoring) system. Modal parameters such as natural frequencies and mode shapes are identified by modal analysis using three dimensional finite element model. The developed baseline model has a good correlation with measured natural frequencies identified from field ambient vibrations. By statistical data processing between measured natural frequencies and temperatures, it is demonstrated that the natural frequency is in linearly inverse proportion to the temperature. The estimation of temperature effects against frequency variations is performed. Mode shapes are identified from the TDD (Time Domain Decomposition) technique for ambient vibration measurements. Finally, these results demonstrate that the TDD method can apply to identify modal parameters of a cable-stayed bridge.
The quasi-steady approaches to simulate the wind induced vibrations of inclined cables, especially on the rain-wind induced vibration, have been tried by many researchers. However, the steady wind force coefficients used in those methods include only the effects of water rivulet, but not the axial flow effects. The problem is the direct application of the conventional techniques to the inclined cable aerodynamics. Therefore, in this study, the method to implement the axial flow effects in the quasi-steady theory is considered and its applicability to the inclined cable aerodynamics is investigated. Then, it becomes clear that the perforated splitter plate in the wake of non-yawed circular cylinder can include the effects of axial flow in the steady wind force coefficients for inclined cables to a certain extent. Using the lateral force coefficients measured in this study, the quasi-steady theory may explain the wind induced instabilities of the inclined cables only in the relatively high reduced wind velocity region. When the Scruton number is less than around 40, the high speed vortex-induced vibration occurs around the onset wind velocity region of the galloping, and then, the quasi-steady approach cannot be applied for estimating the response of wind-induced vibration of inclined cable.
A semi-active algorithm for edgewise vibration control of the spar-type floating offshore wind turbine (SFOWT) blades, nacelle and spar platform is developed in this paper. A tuned mass damper (TMD) is placed in each blade, in the nacelle and on the spar to control the vibrations for these components. A Short Time Fourier Transform algorithm is used for semi-active control of the TMDs. The mathematical formulation of the integrated SFOWT-TMDs system is derived by using Euler-Lagrangian equations. The theoretical model derived is a time-varying system considering the aerodynamic properties of the blade, variable mass and stiffness per unit length, gravity, the interactions among the blades, nacelle, spar, mooring system and the TMDs, the hydrodynamic effects, the restoring moment and the buoyancy force. The aerodynamic loads on the nacelle and the spar due to their coupling with the blades are also considered. The effectiveness of the semi-active TMDs is investigated in the numerical examples where the mooring cable tension, rotor speed and the blade stiffness are varying over time. Except for excessively large strokes of the nacelle TMD, the semi-active algorithm is considerably more effective than the passive one in all cases and its effectiveness is restricted by the low-frequency nature of the nacelle and the spar responses.
Based on the alternative stabilization diagram by varying the time lag parameter in the stochastic subspace identification analysis, this study aims to investigate the measurements from several cases of civil structures for extending the applicability of a recently noticed criterion to ensure stable identification results. Such a criterion demands the time lag parameter to be no less than a critical threshold determined by the ratio of the sampling rate to the fundamental system frequency and is firstly validated for its applications with single measurements from stay cables, bridge decks, and buildings. As for multiple measurements, it is found that the predicted threshold works well for the cases of stay cables and buildings, but makes an evident overestimation for the case of bridge decks. This discrepancy is further explained by the fact that the deck vibrations are induced by multiple excitations independently coming from the passing traffic. The cable vibration signals covering the sensor locations close to both the deck and pylon ends of a cable-stayed bridge provide convincing evidences to testify this important discovery.
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.
To control vertical and lateral compound vibration simultaneously using an integrated smart controller, passive tuned mass damper (TMD) and tuned liquid damper (TLD) are updated and combined to an adaptive-passive TMD-TLD (AP-TMD-TLD) system. As for the vertical AP-TMD part on top of the vertical spring, it can retune itself through varying the level of liquid in the tank to adjust its mass, while the lateral AP-TLD part at the bottom of the vertical spring can retune itself by changing the level of liquid. Further, for multimodal response control, the multiple AP-TMD-TLD (MAP-TMD-TLD) system is proposed as well. Each AP-TMD-TLD in the system can identify the structural vertical and lateral modal frequencies through the wavelet-transform (WT) based algorithm and retune its vertical and lateral natural frequencies both through adjusting the level of liquid in the AP-TMD and AP-TLD parts respectively. A cantilever cable-stayed landscape bridge which is sensitive to both human-induced and wind-induced vibrations is presented as a case study. For comparison, initial parameters of MAP-TMD-TLD are mistuned. Results show that the presented system can retune its vertical and lateral frequencies precisely, while the retuned system has a better bi-directional compound control effect than the mistuned system before the retuning operation and can improve the serviceability significantly.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.16
no.4
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pp.403-415
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2014
Recently, the temperature rise in the summer due to climate change, power usage is increasing rapidly. As a result, power generation facilities have been newly completed and the need for ultra-high-voltage transmission line for power transmission of electricity to the urban area has increased. The mechanized tunnelling method using a shield TBM have an advantage that it can minimize vibrations transmitted to the ground and ground subsidence as compared with the conventional tunnelling method. Despite the popularity of shield TBM for cable tunnel construction, study on the mechanical behavior of cable tunnel driven by shield TBM is insufficient. Thus, in this study, the effect of fractured zone ahead of tunnel face on the mechanical behavior of the shield TBM cable tunnel is investigated. In addition, it is intended to compare the behavior characteristics of the fractured zone with continuous model and applying the interface elements. Tunnelling with shield TBM is simulated using 3D FEM. According to the change of the direction and magnitude of the fractured zone, Sectional forces such as axial force, shear force and bending moment are monitored and vertical displacement at the ground surface is measured. Based on the stability analysis with the results obtained from the numerical analysis, it is possible to predict fractured zone ahead of the shield TBM and ensure the stability of the tunnel structure.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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