This paper focuses on the nonlinear vibrations of stay cables and evaluates the dynamic characteristics of stay cables by using the nonlinear enhanced MECS approach and the approximate approach. The nonlinear enhanced MECS approach is that both the girder-tower vibrations and the cable vibrations including parametric cable vibrations are simultaneously considered in the numerical analysis of cable-stayed bridges. Cable finite element method is used to simulate the responses including the parametric vibrations of stay cables. The approximate approach is based on the assumption that cable vibrations have a small effect on girder-tower vibrations, and analyzes the local cable vibrations after obtaining the girder-tower responses. Under the periodic excitations or the moderate ground motion, the differences of the responses of stay cables between these two approaches are evaluated in detail. The effect of cable vibrations on the girder and towers are also discussed. As a result, the dynamic characteristics of the parametric vibrations in stay cables can be evaluated by using the approximate approach or the nonlinear enhanced MECS approach. Since the different axial force fluctuant of stay cables in both ends of one girder causes the difference response values between two approach, it had better use the nonlinear enhanced MECS approach to perform the dynamic analyses of cable-stayed bridges.
An efficient and accurate algorithm is proposed to evaluate the reliability of cable-stayed bridges accounting for soil-pile interaction. The proposed algorithm integrates the finite-element method and the response surface method. The finite-element method is used to model the cable-stayed bridge including soil-pile interaction. The reliability index is evaluated based on the response surface method. Uncertainties in the superstructure, the substructure and load parameters are incorporated in the proposed algorithm. A long span steel cable-stayed bridge with a main span length of 1088 m built in China is considered as an illustrative example. The reliability of the bridge is evaluated for the strength and serviceability performance functions. Results of the study show that when strength limit states for both girder and tower are considered, soil-pile interaction has significant effects on the reliability of steel cable-stayed bridges. Further, a detailed sensitivity study shows that the modulus of subgrade reaction is the most important soil-pile interaction-related parameter influencing the reliability of steel cable-stayed bridges.
This paper presents a refined finite element formulation for nonlinear static and dynamic analysis of sliding cable structures, overcoming the limitation of the existing approaches that neglect or approximate the friction, pulley dimension, temperature and geometric nonlinearity. A new family of elements with the same framework is proposed, consisting of the cable-pulley (CP) elements considering sliding friction, and the non-sliding cable-pulley (NSCP) elements considering static friction. Thereafter, the complete procedure of static and dynamic analysis using the proposed elements is developed, with the capability of accurately dealing with the friction at each pulley. Several examples are utilized to verify the validity and accuracy of the proposed elements and analysis strategy, and investigate the frictional, thermal and pulley-dimension effects as well. The numerical examples show that the results obtained in this work are in good accordance with the existing works when using the same approximations of friction, pulley dimension and temperature. By avoiding the approximations, the proposed formulation can be effectively adopted in predicting the more precise nonlinear responses of sliding cable structures.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.1
no.1
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pp.93-101
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1989
A geometrically nonlinear cable finite element is presented to use in the static or dynamic modeling of offshore and onshore structures such as guyed tower, tension leg platform or mooring buoy, submarine cable, cable-stayed bridge, suspension bridge, cable roof and so on. The cable finite element is derived directly from the compatibility equations and flexibility matrix of elastic catenary cable theory for the arbitary plane loading and geome try. A general and virsatile computer program has been developed to perform the analyses of cable member itself or cable guyed or suspened structures, in which Newmark-$\beta$ method is used to obtain a time domain solution and Newton-Raphson iteration method is used to solve the nonlinear system of compatibility equations of cable and algebraic static or dynamic equations at each time step. The results from the static and dynamic analysis of a cable member by the computer program are summarized and presented.
Kim, Seung-Jun;Han, Seung-Ryong;Kim, Jong-Min;Cho, Sun-Kyu;Kang, Young-Jong
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.23
no.1
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pp.13-27
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2011
This paper presents an investigation of the structural stability of cable-stayed bridges, using geometric nonlinear finite-element analysis and considering various geometric nonlinearities, such as the sag effect of the cables, the beam-column effect of the girder and mast, and the large displacement effect. In this analytic research, a nonlinear frame element and a nonlinear equivalent truss element were used to model the girder, mast, and cable member. The live-load cases that were considered in this research were assumed based on the traffic loads. To perform reasonable analytic research, initial shape analyses in the dead-load case were performed before live-load analysis. In this study, the geometric nonlinear responses of the cable-stayed bridges with different cable arrangement types were compared. After that, parametric studies on the characteristics of the structural stability in critical live-load cases were performed considering various geometric parameters, such as the cable arrangement type, the stiffness ratios of the girder and mast, the area of the cables, and the number of cables. Through this parametric study, the effect of geometric shapes on the structural stability of cable-stayed bridges was investigated.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.17
no.3
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pp.45-55
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2017
The objective of this study is to estimate the mechanical characteristics and nonlinear behaviors on the geometric nonlinear analysis of curved cable-membrane roof systems for long span lightweight roof structures. The weight of a cable-membrane roof dramatically can reduce, but the single layer cable-membrane roof systems are too flexible and difficult to achieve the required structural stiffness. A curved cable roof system with reverse curvature works more effectively as a load bearing system, the pretension of cables can easily increase the structural stiffness. The curved cable roof system can transmit vertical loads in up and downward direction, and work effectively as a load bearing structure to resists self-weights, snow and wind loads. The nonlinear behavior and mechanical characteristics of a cable roof system has greatly an affect by the sag and pretension. This paper is carried out analyzing and comparing the tensile forces and deflection of curved roof systems by vertical loads. The elements for analysis uses a tension only cable element and a triangular membrane element with 3 degree of freedom in each node. The authors will show that the curved cable-membrane roof system with reverse curvature is a very lightweight and small deformation roof for external loads.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.2
no.2
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pp.95-104
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1998
The dynamic behavior of the marine cable is essentially nonlinear and dominated by geometric nonlinearity. Furthermore, fluid drag force makes the problem more complex and difficult. Therefore, it has certain limitations to obtain the dynamic behavior of the marine cable by analytical method. The purpose of this paper is to apply the elastic catenary cable element to the problem of under water cable including the hydrodynamic effects of fluids. The static and dynamic formulations for the three-dimensional elastic catenary coble under water effects are derived and the finite element analysis procedures are presented. In the analysis, the hydrodynamic forces are modeled by modified Morison equation. A comparison of the results obtained using present method with previously published results showed the validity of present method. The dynamic behavior of the marine cable subjected to current is investigated using present method and it can be illustrated that the dynamic behavior of the marine cable subjected to current varies with the incident angle of the current and inclined angle of the cable.
Lee, Jun Seok;Kim, Moon Young;Han, Man Yop;Kim, Sung Bo;Kim, Nak Kyung
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.18
no.6
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pp.727-735
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2006
In this paper, a geometric nonlinear analysis procedure of the beam-column element including multi-noded cable element in extension of companion paper (Kim et al., 2005) is presented. First, a stiffness matrix was derived about the beam-column element that considers the second effect of the initial force supposing the curved shape at each time-step, with Hermitian polynomials as the shape function. Second, the multi-noded cable element was also subjected to the tangent stiffness matrix. To verify the geometric nonlinearity of this newly developed multi-noded cable-truss element, the Innovative Prestressed Support (IPS) system using this theory was analysed by geometric nonlinear method and the results were compared with those produced by linear analysis.
In this paper, a new approach for cable layout design of pre-stressed concrete slabs is presented. To account the cable profile accurately, it is modelled by B-spline. Using the convex hull property of the B-spline, an efficient algorithm has been developed to obtain the cable layout for pre-stressed concrete slabs. For finite element computations, tendon and concrete are modelled by 3 noded bar and 20 noded brick elements respectively. The cable concrete interactions are precisely accounted using vector calculus formulae. Using the proposed technique a two way prestressed concrete slab has been successfully designed considering several design criteria.
Kim, Seungjun;Lee, Kee Sei;Kim, Kyung Sik;Kang, Young Jong
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.30
no.1A
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pp.1-13
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2010
This paper presents an investigation on the geometric nonlinear behavior of cable-stayed bridges using geometric nonlinear finite element analysis method. The girder and mast in cable-stayed bridges show the combined axial load and bending moment interaction due to horizontal and vertical forces of inclined cable. So these members are considered as beam-column member. In this study, the nonlinear finite element analysis method is used to resolve the geometric nonlinear behavior of cable-stayed bridges in consideration of beam-column effect, large displacement effect (known as P-${\delta}$ effect) and cable sag effect. To analyze a cable-stayed bridge model, nonlinear 6-degree of freedom frame element and nonlinear 3-degree of freedom equivalent truss element is used. To resolve the geometric nonlinear behavior for various live load cases, the initial shape analysis is performed for considering dead load before live load analysis. Then the geometric nonlinear analysis for each live load case is performed. The deformed shapes of each model, load-displacement curves of each point and load-tensile force curves for each cable are presented for quantitative study of geometric nonlinear behavior of cable-stayed bridges.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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