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.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2002.10a
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pp.338-345
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2002
This paper presents a hybrid control strategy for seismic protection of a benchmark cable-stayed bridge, which is provided as a testbed structure for the development of strategies for the control of cable-stayed bridges. In this study, a hybrid control system is composed of a passive control system to reduce the earthquake-induced forces in the structure and an active control system to further reduce the bridge responses, especially deck displacements. Lead rubber bearings and ideal hydraulic actuators are used fur the passive and active control systems. Bouc-Wen model is used to simulate the nonlinear behavior of lead rubber bearings and an H₂/LQG control algorithm is adopted as an active control algorithm. Numerical simulation results show that the performance of the proposed hybrid control strategy is superior to that of the passive control strategy and slightly better than that of the active control strategy. The proposed control method is also more reliable than the fully active control method due to the passive control part. Therefore, the proposed hybrid control strategy can effectively be used to seismically excited cable-stayed bridges.
The information on local stress acting in a bridge is required in many occasions such as fatigue assessment. The analysis by beam elements cannot yield this class of information adequately, while the finite element modeling of an entire long-span bridge by shell elements is impractical. In the present study, the hybrid modeling is tried out: only part of a bridge in which the point of interest is located is discretized by shell elements and the remaining part is modeled by beam elements. By solving a simple box girder problem, the effectiveness of this approach is discussed. This technique is then applied to the Rama IX Bridge for local stress evaluation. The numerical results compare very well with the results of a full-scale static loading test. The present research thus offers a practical yet accurate technique for the stress analysis of a long-span cable-stayed bridge.
To enhance cable stiffness, this paper proposed a combined application of carbon fiber reinforced polymers (CFRP) and steel materials, resulting in a novel type of hybrid stay cable system especially for the cable-stayed bridges with main span lengths of 1400~2800 m. In this combination, CFRP materials can conserve all their advantages such as light weight and high strength; while steel materials help increase the equivalent stiffness to compensate for the low elastic modulus of CFRP materials. An increase of the equivalent stiffness of the hybrid stay cable system could be further obtained with a reasonable increase of its safety factor. Following this concept, a series of parametric studies for the hybrid stay cable system with the consideration of stiffness and cost were carried out. Three design strategies/criteria, namely, best equivalent stiffness with a given safety factor, highest ratio of equivalent stiffness to material cost with a given safety factor, and best equivalent stiffness under a given cost were proposed from the stiffness and cost viewpoints. Finally, a comprehensive design procedure following the proposed design strategies was suggested. It was shown that the proposed hybrid stay cable system could be a good alternative to the pure CFRP or traditional steel stay cables in the future applications of super long span bridges.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2004.10a
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pp.476-483
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2004
This paper presents a hybrid system combining lead rubber bearings and hydraulic actuators controlled by a μ-synthesis method for seismic response control of a cable-stayed bridge. A hybrid system could alleviate some of restrictions and limitations that exist when each system is acting alone because multiple control devices are operating. Therefore, the overall control performance of a hybrid system may be improved compared to each system, however the overall system robustness may be negatively impacted by active device in the hybrid system or active controller may cause instability due to small margins. Therefore, a f-synthesis method that guarantees the robust performance is considered to enhance the possibility of real applications of the control system. The control performances of the proposed control system are compared with those of passive, active, semiactive control systems and hybrid system controlled by LQG algorithm and an extensive robust analysis with respect to stiffness and mass matrices perturbation and time delay of actuator is performed. Numerical simulation results show that the control performance of the proposed control system is superior to that of the passive system and slightly better than that of the active and semiactive systems and two hybrid systems show similar control performances. Furthermore, the hybrid system controlled by a μ-synthesis method shows the good robustness without loss of control performances. Therefore, the proposed control system could effectively be used to seismically excited cable-stayed bridge which contains many uncertainties.
In this paper, solar-powered, multi-scale, vibration-impedance sensor node on Imote2 platform is presented for hybrid structural health monitoring (SHM) in cable-stayed bridge. In order to achieve the objective, the following approaches are proposed. Firstly, vibration- and impedance-based hybrid SHM methods are briefly described. Secondly, the multi-scale vibration and impedance sensor node on Imote2-platform is presented on the design of hardware components and embedded software for vibration- and impedance-based SHM. In this approach, a solar-powered energy harvesting is implemented for autonomous operation of the smart sensor nodes. Finally, the feasibility and practicality of the smart sensor-based SHM system is evaluated on a full-scale cable-stayed bridge, Hwamyung Bridge in Korea. Successful level of wireless communication and solar-power supply for smart sensor nodes are verified. Also, vibration and impedance responses measured from the target bridge which experiences various weather conditions are examined for the robust long-term monitoring capability of the smart sensor system.
In order to solve the problem of calculating the reasonable completed bridge state of a self-anchored hybrid cable-stayed suspension bridge (SA-HCSB), this paper proposes an analytical method. This method simplifies the main beam into a continuous beam with multi-point rigid supports and solves the support reaction forces. According to the segmented catenary theory, it simultaneously solves the horizontal forces of the main span main cables and the stay cables and iteratively calculates the equilibrium force system on the main beam in the collaborative system bridge state while completing the shape finding of the main span main cable and stay cables. Then, the horizontal forces of the side span main cables and stay cables are obtained based on the balance of horizontal forces on the bridge towers, and the shape finding of the side spans are completed according to the segmented catenary theory. Next, the difference between the support reaction forces of the continuous beam with multiple rigid supports obtained from the initial and final iterations is used to calculate the load of ballast on the side span main beam. Finally, the axial forces and strains of each segment of the main beam and bridge tower are obtained based on the loads applied by the main cable and stay cables on the main beam and bridge tower, thereby obtaining analytical data for the bridge in the reasonable completed state. In this paper, the rationality and effectiveness of this analytical method are verified through a case study of a SA-HCSB with a main span of 720m in finite element analysis. At the same time, it is also verified that the equilibrium force of the main beam under the reasonably completed bridge state can be obtained through iterative calculation. The analytical algorithm in this paper has clear physical significance, strong applicability, and high accuracy of calculation results, enriching the shape-finding method of this bridge type.
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures
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v.4
no.4
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pp.30-36
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2013
Partially earth anchored (PEA) can improve the structural safety and economic feasibility of multiple span cable stayed bridge (CSB). The PEA-CSB can restrain axial compressive load acting on a tower and reduce the global buckling length of a stiffened girder. For these reasons, structural members subject to axial forces can be effectively utilized and material quantity required for a steel deck can be reduced to save construction cost. In this study, the PEA system was verified for its application on a multiple span CSB. The CSB is a four-tower multi-span bridge which has a main span length of 500 m. As high tensile stress was generated at the top of the bridge decks at the mid-span between two main columns, a hybrid deck system for enhancing the bridge deck sections was proposed. While the composite sections made of concrete and steel were used near to the main columns, steel sections were used at the mid-span between two main columns.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.8
no.3
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pp.63-76
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2004
This paper presents LRB-based hybrid base isolation systems employing additional active/semiactive control devices for mitigating earthquake-induced vibration of a cable-stayed 29 bridge. Hybrid base isolation systems could improve the control performance compared with the passive type-base isolation system such as LRB-installed bridge system due to multiple control devices are operating. In this paper, the additional response reduction by the two typical additional control devices, such as active type hydraulic actuators controlled by LQG algorithm and semiactive-type magnetorheological dampers controlled by clipped-optimal algorithm, have been evaluated bypreliminarily investigating the slightly modified version of the ASCE phase I benchmark cable-stayed bridge problem (i.e., the installation of LRBs to the nominal cable-stayed bridge model of the problem). It shows from the numerical simulation results that all the LRB based hybrid seismic isolation systems considered are quite effective to mitigate the structural responses. In addition, the numerical results demonstrate that the LRB based hybrid seismic isolation systems employing MR dampers have the robustness to some degree of the stiffness uncertainty of in the structure, whereas the hybrid system employing hydraulic actuators does not. Therefore, the feasibility of the hybrid base isolation systems employing semiactive additional control devices could be more appropriate in realfor full-scale civil infrastructure applications is clearly verified due to their efficacy and robustness.
By taking the Runyang Highway Bridge over the Yangtze River with 1490 m main span as example, structural response of the bridge under the horizontal and vertical seismic excitations is investigated by the response spectrum and time-history analysis of MIDAS/Civil software respectively, the seismic behavior and the influence of structural nonlinearity on the seismic response of the bridge are revealed. Considering the aspect of seismic performance, the suitability of employing the suspension bridge in super long-span bridges is investigated as compared to the cable-stayed bridge and cable-stayed-suspension hybrid bridge with the similar main span. Furthermore, the effects of structural parameters including the span arrangement, the cable sag to span ratio, the side to main span ratio, the girder height, the central buckle and the girder support system etc on the seismic performance of the bridge are investigated by the seismic response spectrum analysis, and the favorable earthquake-resistant structural system of suspension bridges is also discussed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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