The objective of the investigation is the analysis of wind-tunnel experimental errors, associated with the measurement of aeroelastic coefficients of bridge decks (Scanlan flutter derivatives). A two-degree-of-freedom experimental apparatus is used for the measurement of flutter derivatives. A section model of a closed-box bridge deck is considered in this investigation. Identification is based on free-vibration aeroelastic tests and the Iterative Least Squares method. Experimental error investigation is carried out by repeating the measurements and acquisitions thirty times for each wind tunnel speed and configuration of the model. This operational procedure is proposed for analyzing the experimental variability of flutter derivatives. Several statistical quantities are examined; these quantities include the standard deviation and the empirical probability density function of the flutter derivatives at each wind speed. Moreover, the critical flutter speed of the setup is evaluated according to standard flutter theory by accounting for experimental variability. Since the probability distribution of flutter derivatives and critical flutter speed does not seem to obey a standard theoretical model, polynomial chaos expansion is proposed and used to represent the experimental variability.
Passive control of the flutter condition of suspension bridges using a combined vertical and torsional tuned mass damper (TMD) system is presented. The proposed TMD system has two degrees of freedom, which are tuned close to the frequencies corresponding to vertical and torsional symmetric modes of the bridge which get coupled during flutter. The bridge-TMD system is analyzed for finding critical wind speed for flutter using a finite element approach. Thomas Suspension Bridge is analyzed as an illustrative example. The effectiveness of the TMD system in increasing the critical flutter speed of the bridge is investigated through a parametric study. The results of the parametric study led to the optimization of some important parameters such as mass ratio, TMD damping ratio, tuning frequency, and number of TMD systems which provide maximum critical flutter wind speed of the suspension bridge.
Wind tunnel test is one of the most important means to study the flutter performance of bridges, but there are blockage effects in flutter test due to the size limitation of the wind tunnel. On the other hand, the size of computational domain can be defined by users in the numerical simulation. This paper presents a study on blockage effects of a simplified box girder by computation fluid dynamics (CFD) simulation, the blockage effects on the aerodynamic characteristics and flutter performance of a long-span suspension bridge are studied. The results show that the aerodynamic coefficients and the absolute value of mean pressure coefficient increase with the increase of the blockage ratio. And the aerodynamic coefficients can be corrected by the mean wind speed in the plane of leading edge of model. At each angle of attack, the critical flutter wind speed decreases as the blockage ratio increases, but the difference is that bending-torsion coupled flutter and torsional flutter occur at lower and larger angles of attack respectively. Finally, the correction formula of critical wind speed at 0° angle of attack is given, which can provide reference for wind resistance design of streamlined box girders in practical engineering.
The flutter instability is one of the most important themes need to be carefully investigated in the design of long-span bridges. This study takes the central-slotted ideal thin flat plate as an object, and examines the characteristics of unsteady surface pressures of stationary and vibrating cross sections based on computational fluid dynamics (CFD) simulations. The flutter derivatives are extracted from the surface pressure distribution and the critical flutter wind speed of a long span suspension bridge is then calculated. The influences of angle of attack and the slot ratio on the flutter performance of central-slotted plate are investigated. The results show that the critical flutter wind speed reduces with increase in angle of attack. At lower angles of attack where the plate shows the characteristics of a streamlined cross-section, the existence of central slot can improve the critical flutter wind speed. On the other hand, at larger angles of attack, where the plate becomes a bluff body, the existence of central slot further reduces the flutter performance.
This study investigates the applicability of the direct identification of flutter derivatives in the time domain using Rational Function Approximation (RFA), where the extraction procedure requires either a combination of at least two wind speeds or one wind speed. In the frequency domain, flutter derivatives are identified at every wind speed. The ease of identifying flutter derivatives in the time domain creates a paradox because flutter derivative patterns sometimes change in higher-order polynomials. The first step involves a numerical study of RFA extractions for different deck shapes from existing bridges to verify the accurate wind speed combination for the extraction. The second step involves validating numerical simulation results through a wind tunnel experiment using the forced vibration method in one degree of freedom. The findings of the RFA extraction are compared to those obtained using the analytical solution. The numerical study and the wind tunnel experiment results are in good agreement. The results show that the evolution pattern of flutter derivatives determines the accuracy of the direct identification of RFA.
The objective of this work was to investigate the interference effects of two-parallel bridge decks on aerodynamic coefficients, vortex-induced vibration, flutter instability and flutter derivatives. The two bridges have significant difference in cross-sections, dynamic properties, and flutter speeds of each isolate bridge. The aerodynamic static tests and aeroelastic tests were performed in TU-AIT boundary layer wind tunnel in Thammasat University (Thailand) with sectional models in a 1:90 scale. Three configuration cases, including the new bridge stand-alone (case 1), the upstream new bridge and downstream existing bridge (case 2), and the downstream new bridge and the upstream existing bridge (case 3), were selected in this study. The covariance-driven stochastic subspace identification technique (SSI-COV) was applied to identify aerodynamic parameters (i.e., natural frequency, structural damping and state space matrix) of the decks. The results showed that, interference effects of two bridges decks on aerodynamic coefficients result in the slightly reduction of the drag coefficient of case 2 and 3 when compared with case 1. The two parallel configurations of the bridge result in vortex-induced vibrations (VIV) and significantly lower the flutter speed compared with the new bridge alone. The huge torsional motion from upstream new bridge (case 2) generated turbulent wakes flow and resulted in vertical aerodynamic damping H1* of existing bridge becomes zero at wind speed of 72.01 m/s. In this case, the downstream existing bridge was subjected to galloping oscillation induced by the turbulent wake of upstream new bridge. The new bridge also results in significant reduction of the flutter speed of existing bridge from the 128.29 m/s flutter speed of the isolated existing bridge to the 75.35 m/s flutter speed of downstream existing bridge.
Flutter derivatives provide the basis of predicting the critical wind speed in flutter and buffeting analysis of long-span cable-supported bridges. Many studies have been performed on the methods and applications of identification of flutter derivatives of bridge decks under wind action. In fact, strong wind, especially typhoon, is always accompanied by heavy rain. Then, what is the effect of rain on flutter derivatives and flutter critical wind speed of bridges? Unfortunately, there have been no studies on this subject. This paper makes an initial study on this problem. Covariance-driven Stochastic Subspace Identification (SSI in short) which is capable of estimating the flutter derivatives of bridge decks from their steady random responses is presented first. An experimental set-up is specially designed and manufactured to produce the conditions of rain and wind. Wind tunnel tests of a quasi-streamlined thin plate model are conducted under conditions of only wind action and simultaneous wind-rain action, respectively. The flutter derivatives are then extracted by the SSI method, and comparisons are made between the flutter derivatives under the two different conditions. The comparison results tentatively indicate that rain has non-trivial effects on flutter derivatives, especially on and $H_2$ and $A_2$thus the flutter critical wind speeds of bridges.
The effect of mean angle of wind attack on the flutter critical wind speed of two generic bridge deck cross-sections, viz, one closed box type streamlined section (deck-1) and closed box trapezoidal bluff type section with extended flanges/overhangs (deck-2) type of section have been studied using Computational Fluid Dynamics (CFD) based forced vibration simulation method. Owing to the importance of the effect of the amplitude of forcing oscillation on the flutter onset, its effect on the flutter derivatives and flutter onset have been studied, especially at non-zero mean angles of wind attack. The flutter derivatives obtained have been used to evaluate flutter critical wind speeds and flutter index of the deck sections at non-zero mean angles of wind attack studied and the same have been validated with those based on experimental results reported in literature. The value of amplitude of forcing oscillation in torsional degree of freedom for CFD based simulations is suggested to be in the range of 0.5° to 2°, especially for bluff bridge deck sections. Early onset of flutter from numerical simulations, thereby conservative estimate of occurrence of instability has been observed from numerical simulations in case of bluff bridge deck section. The study aids in gaining confidence and the extent of applicability of CFD during early stages of bridge design, especially towards carrying out studies on mean incident wind effects.
In the recent years flow around bridges are investigated using computer modeling. Selvam (1998), Selvam and Bosch (1999), Frandsen and McRobie (1999) used finite element procedures. Larsen and Walther (1997) used discrete vorticity procedure. The aeroelastic instability is a major criterion to be checked for long span bridges. If the wind speed experienced by a bridge is greater than the critical wind speed for flutter, then the bridge fails due to aeroelastic instability. Larsen and Walther (1997) computed the critical velocity for flutter using discrete vortex method similar to wind tunnel procedures. In this work, the critical velocity for flutter will be calculated directly (free oscillation procedure) similar to the approaches reported by Selvam et al. (1998). It is expected that the computational time required to compute the critical velocity using this approach may be much shorter than the traditional approach. The computed critical flutter velocity of 69 m/s is in reasonable comparison with wind tunnel measurement. The no flutter and flutter conditions are illustrated using the bridge response in time.
An efficient and accurate algorithm is proposed to estimate flutter safety factor of suspension bridges satisfying prescribed reliability levels. Uncertainties which arise from the basic wind speed at the bridge deck location, critical flutter velocity, the wind conversion factor from a scaled model to the prototype structure and the gust speed factor are incorporated. The proposed algorithm integrates the concepts of the inverse reliability method and the calculation method of the critical flutter velocity of suspension bridges. The unique feature of the proposed method is that it offers a tool for flutter safety assessment of suspension bridges, when the reliability level is specified as a target to be satisfied by the designer. Accuracy and efficiency of this method with reference to three example suspension bridges is studied and numerical results validate its superiority over conventional deterministic method. Finally, the effects of various parameters on the flutter safety factor of suspension bridges are also investigated.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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