In order to trace a target in deep sky, a feed cabin 20 tons in weight used for a large radio telescope is drawn with six cables. To realize a smooth tracing all the time, optimal distribution of the cable tensions is explored. A set of cable-clog systems is utilized to control the wind-induced vibration of the cable-cabin structure. This is an attempt to apply the passive structural control strategy in the area of radio astronomy. Simulations of wind-induced vibration of the structure in both time and frequency domains offer a valuable reference for construction of the next generation large radio telescope.
The basic idea of cable-stayed girder bridges is the utilization of high strength cables to provide intermediate supports for the bridge girder so that the girder can span a much longer distance. In the cable-stayed bridge, the cables exhibit nonlinear behavior because of the change in sag, due to the dead weight of the cable, which occurs with changing tension in the cable resulting from the movement of the end points of the cable as the bridge is loaded. Techniques required for the static analysis of cable-stayed bridges has been developed by many researchers. However, little work has been done on the dynamic analysis of such structures. To investigate the characteristics of the dynamic response of long-span cable-stayed bridges due to various dynamic loadings likes moving traffic loads. two different 3-D cable-stayed bridge models are considered in this study. Two models are exactly the same in structural configurations but different in finite element discretization. Modal analysis is conducted using the deformed dead-load tangent stiffness matrix. A new concept was presented by using divided a cable into several elements in order to study the effect of the cable vibration (both in-plane and swinging) on the overall bridge dynamics. The result of this study demonstrates the importance of cable vibration on the overall bridge dynamics.
When a cable-stayed bridge is under construction, the cable tension that changes according to the construction phase is the index indicating the proper construction management. In this study, the vibration method using the least-square estimation has been implemented to monitor changing tensions of two multi-strand cables of a cable-stayed bridge under construction. The test bridge is Hwamyung Bridge in Korea with a prestressed concrete box girder. The field tests are executed during the second tensioning stage just after the installation of the key segment. The tensions of two cables are measured before and after the tensioning and 5 days later (i.e., after finishing the tensioning of all cables). The accuracy of the estimated tensions by the vibration method has been improved by employing proper effective lengths of the cables. The measured tensions are compared with the result of the lift-off tests and design tensions. The vibration method shows very good performance in monitoring the changing tensions according to the construction phase with minimal error.
In cable structure maintenance, particularly for cable-stayed bridges, cable safety assessment relies on estimating cable tension. Conventionally, in Japan, cable tension is estimated from the natural frequencies of the cable using the higher-order vibration method. In recent years, dampers have been installed on cables to reduce cable vibrations. Because the higher-order vibration method is a method for damper-free cables, the damper must be removed to measure the natural frequencies of a cable without a damper. However, cables on some cable-stayed bridges have two dampers: one on the girder side and another on the tower side. Notably, removing and reinstalling the damper on the tower side are considerably more time- and labor-intensive. This paper introduces a tension estimation method for cables with two dampers, using natural frequencies. The proposed method was validated through numerical simulation and experiment. In the numerical tests, without measurement error in the natural frequencies, the maximum estimation error among 100 models was 3.3%. With measurement error of 2%, the average estimation error was within 5%, with a maximum error of 9%. The proposed method has high accuracy because the higher-order vibration method for a damper-free cable still has an estimation error of 5%. The experimental verification emphasizes the importance of accurate damper modeling, highlighting potential discrepancies between existing damper design formula and actual damper behavior. By revising the damper formula, the proposed method achieved accurate cable tension estimation, with a maximum estimation error of approximately 10%.
This paper presents a multi-functional system, consisting of a magnetorheological (MR) damper and an electromagnetic induction (EMI) device, and its applications in stay cables. The proposed system is capable of offering multiple functions: (1) mitigating excessive vibrations of cables, (2) estimating cable tension, and (3) harvesting energy for wireless sensors used health monitoring of cable-stayed bridges. In the proposed system, the EMI device, consisting of permanent magnets and a solenoid coil, can converts vibration energy into electrical energy (i.e., induced emf); hence, it acts as an energy harvesting system. Moreover, the cable tension can be estimated by using the emf signals obtained from the EMI device. In addition, the MR damper, whose damping property is controlled by the harvested energy from the EMI device, can effectively reduce excessive cable vibrations. In this study, the multi-functionality of the proposed system is experimentally evaluated by conducting a shaking table test as well as a full-scale stay cable in a laboratory setting. In the shaking table experiment, the energy harvesting capability of the EMI device for wireless sensor nodes is investigated. The performance on the cable tension estimation and the vibration mitigation are evaluated using the full-scale cable test setup. The test results show that the proposed system can sufficiently generate and store the electricity for operating a wireless sensor node twice per day, significantly alleviate vibration of a stay cable (by providing about 20% larger damping compared to the passive optimal case), and estimate the cable tension accurately within a 2.5% error.
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).
The accurate determination of cable tension is important to the monitoring of the condition of a cable-stayed bridge. When applying a vibration-based formula to identify the tension of a real cable under sag, stiffness and boundary conditions, the resulting error must not be overlooked. In this work, by resolving the implicit frequency function of a real cable under the above conditions numerically, indirect methods of determining the cable force and a method to calculate the corresponding cable mode frequency are investigated. The error in the tension is studied by numerical simulation, and an empirical error correction formula is presented by fitting the relationship between the cable force error and cable parameters ${\lambda}^2$ and ${\xi}$. A case study on two real cables of the Shanghai Changjiang Bridge shows that employing the method proposed in this paper can increase the accuracy of the determined cable force and reduce the computing time relative to the time required for the finite element model.
Kim, Nam-Sik;Jeong, Woon;Seo, Ju-Won;Ahn, Sang-Sup
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2003.05a
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pp.424-429
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2003
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.
Due to their low intrinsic damping, stay cables in cable-stayed bridges have often exhibited unanticipated and excessive vibrations which result in increasing maintenance frequency and disruption to normal operations of the entire bridges. Mitigation of undesired cable vibration can be achieved by attaching an external damping device near the anchorage. High Damping Rubber (HDR) dampers have many advantages such as compact size, better aesthetics, easy maintenance, temperature stability, and cost benefits; therefore, they have been widely used to increase cable damping. Although a single damper has been shown to reduce cable vibrations, it is not the most effective method due to geometric constraints. This paper proposes the use of two HDR dampers to improve effectiveness and robustness in suppressing cable vibration. Oscillation parameters of the cable-dampers system were investigated in detail by modeling the stay cable as a taut string and each HDR damper as complex-valued impedance and by using an analytical formulation of the complex eigenvalue problem. The problem of two HDR dampers arbitrarily located along a cable is solved and the solution is discussed. Asymptotic formulas to calculate the damping ratios of the cable with two HDR dampers installed near the anchorage(s) are proposed and compared with the exact solutions. Further, a design example is presented in order to justify the methodology. The results of this study show that when the two HDR dampers are installed close to each other on the same end of the cable, some interaction between the dampers leads to reduced damping ratio. When the dampers are on the opposite ends of the cable, they are effective in increasing damping ratio and can provide better vibration reduction to multiple modes.
Jin-Soo Kim;Jae-Bong Park;Deok-Keun Lee;Dong-Uk Park;Sung-Wan Kim
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.28
no.1
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pp.98-106
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2024
Due to advancements in construction technology and analytical tools, an increasing number of cable-stayed bridges have been designed and constructed in recent years. A cable is a structural element that primarily transmits the main load of a cable-stayed bridge and plays the most crucial role in reflecting the overall condition of the entire bridge system. In this study, a vision-based method was applied to estimate the tension of the stay cables located at a long distance. To measure the response of a cable using a vision-based method, it is necessary to install feature points or targets on the cable. However, depending on the location of the point to be measured, there may be no feature points in the cable, and there may also be limitations in installing the target on the cable. Hence, it is necessary to find a way to measure cable response that overcomes the limitations of existing vision-based methods. This study proposes a method for measuring cable responses by utilizing the characteristics of cable shape. The proposed method involved extracting the cable shape from the acquired image and determining the center of the extracted cable shape to measure the cable response. The extracted natural frequencies of the vibration mode were obtained using the measured responses, and the tension was estimated by applying them to the vibration method. To verify the reliability of the vision-based method, cable images were obtained from the Hwatae Bridge in service under ambient vibration conditions. The reliability of the method proposed in this study was confirmed by applying it to the vibration method using a vision-based approach, resulting in estimated tensions with an error of less than 1% compared to tensions estimated using an accelerometer.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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