In this paper, a new approach based on the continuum model is proposed to estimate the main cable tension force of suspension bridges from measured natural frequencies. This approach considered the vertical vibration of a main cable hinged at both towers and supported by an elastic girder and hangers along its entire length. The equation reflected the relationship between vibration frequency and horizontal tension force of a main cable was derived. To avoid to generate the additional cable tension force by sag-extensibility, the analytical solution of characteristic equation for anti-symmetrical vibration mode of the main cable was calculated. Then, the estimation of main cable tension force was carried out by anti-symmetric characteristic frequency vector. The errors of estimation due to characteristic frequency deviations were investigated through numerical analysis of the main cable of Taizhou Bridge. A field experiment was conducted to verify the proposed approach. Through measuring and analyzing the responses of a main cable of Taizhou Bridge under ambient excitation, the horizontal tension force of the main cable was identified from the first three odd frequencies. It is shown that the estimated results agree well with the designed values. The proposed approach can be used to conduct the long-term health monitoring of suspension bridges.
사장교에서 케이블 부재는 하중을 전달하는 가장 중요한 부재 중 하나이다. 따라서 사장교의 구조적 상태 및 안정성을 평가하기 위해서는 케이블의 상태를 파악하기 위해 지속적인 모니터링을 수행하는 것이 중요하다. 이러한 모니터링 시스템은 케이블에 부착된 가속도계를 통해 진동을 측정하고 이를 토대로 케이블 장력과 감쇠비를 추정하고, 이를 토대로 케이블의 상태 평가의 기초자료로 활용한다. 이러한 상시 모니터링 시스템은 지속적으로 진동 데이터를 측정하기 때문에 데이터 수집 시스템을 포함한 하드웨어가 안정적이고 전력 효율성이 높아야 한다. 또한 지속적으로 생성되는 대량의 진동 신호들을 사람의 개입을 최소화하며 안정적으로 분석할 수 있는 자율모니터링 시스템이 요구된다. 본 연구에서는 IoT를 활용한 도메인 지식 기반 자율 모니터링 시스템을 개발하였다. 케이블 자율 모니터링 시스템을 구현하기 위한 가장 중요한 요소는 케이블의 장력과 감쇠비의 추정을 위한 진동 신호의 주파수 영역 내 발생하는 첨두의 자동 추정이다. 본 연구에서는 도메인 지식 기반 첨두 자동 추정 알고리즘을 데이터 수집 및 On-Board Processing이 가능한 IoT 시스템에 내장하여 IoT 센서 단에서 Edge computing이 가능한 효율적인 IoT 자율 모니터링 시스템을 구현하였다. 개발된 자율 모니터링 시스템을 국내 사장교에 설치하여 장기간 현장 운영 성능을 평가하였으며, 그 결과 장기 데이터 수신률, 장력 추정의 정확성, 효율성 측면에서 기존 시스템과 비교하여 작동 성능을 확인하고 검증하였다.
The tension of an arch bridge hanger is estimated using a number of experimentally identified modal frequencies. The hanger is connected through metallic plates to the bridge deck and arch. Two different categories of model classes are considered to simulate the vibrations of the hanger: an analytical model based on the Euler-Bernoulli beam theory, and a high-fidelity finite element (FE) model. A Bayesian parameter estimation and model selection method is used to discriminate between models, select the best model, and estimate the hanger tension and its uncertainty. It is demonstrated that the end plate connections and boundary conditions of the hanger due to the flexibility of the deck/arch significantly affect the estimate of the axial load and its uncertainty. A fixed-end high fidelity FE model of the hanger underestimates the hanger tension by more than 20 compared to a baseline FE model with flexible supports. Simplified beam models can give fairly accurate results, close to the ones obtained from the high fidelity FE model with flexible support conditions, provided that the concept of equivalent length is introduced and/or end rotational springs are included to simulate the flexibility of the hanger ends. The effect of the number of experimentally identified modal frequencies on the estimates of the hanger tension and its uncertainty is investigated.
The cable tension plays an important role in the construction, assessment and long-term health monitoring of cable structures. The cable vibration equation is nonlinear if cable sag and bending stiffness are included. The engineering implementation of a vibration-based cable tension evaluation is mostly carried out by the simple taut string theory. However, the simple theory may cause unacceptable errors in many applications since the cable sag and bending stiffness are ignored. From the practical point of view, it is necessary to have empirical formulas if they are simple and yet accurate. Based on the solutions by means of energy method and fitting the exact solutions of cable vibration equations where the cable sag and bending stiffness are respectively taken into account, the empirical formulas are proposed in the paper to estimate cable tension based on the cable fundamental frequency only. The applicability of the proposed formulas is verified by comparing the results with those reported in the literatures and with the experimental results carried out on the stay cables in the laboratory. The proposed formulas are straightforward and they are convenient for practical engineers to fast estimate the cable tension by the cable fundamental frequency.
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%.
Cables are critical components of cable-stayed bridges. A structural health monitoring system provides real-time cable tension recording for cable health monitoring. However, the measurement data involve multiple sources of variability, i.e., varying environmental and operational factors, which increase the complexity of cable condition monitoring. In this study, a one-class classification method is developed for cable condition assessment using Bayesian factor analysis (FA). The single-peaked vehicle-induced cable tension is assumed to be relevant to vehicle positions and weights. The Bayesian FA is adopted to establish the correlation model between cable tensions and vehicles. Vehicle weights are assumed to be latent variables and the influences of different transverse positions are quantified by coefficient parameters. The Bayesian theorem is employed to estimate the parameters and variables automatically, and the damage index is defined on the basis of the well-trained model. The proposed method is applied to one cable-stayed bridge for cable damage detection. Significant deviations of the damage indices of Cable SJS11 were observed, indicating a damaged condition in 2011. This study develops a novel method to evaluate the health condition of individual cable using the FA in the Bayesian framework. Only vehicle-induced cable tensions are used and there is no need to monitor the vehicles. The entire process, including the data pre-processing, model training and damage index calculation of one cable, takes only 35 s, which is highly efficient.
Offshore pipelines have to withstand combined actions of tension and bending during deepwater installation, which can possibly lead to elliptical buckle and even catastrophic failure of whole pipeline. A 2D theoretical model initially proposed by Kyriakides and his co-workers which carried out buckling response analysis of elastic-plastic tubes under various load combinations, is further applied to investigate buckling behavior of offshore pipelines under combined tension and bending. In association with practical pipe-laying circumstances, two different types of loadings, i.e., bent over a rigid surface in the presence of tension, and bent freely in the presence of tension, are taken into account in present study. In order to verify the accuracy of the theoretical model, numerical simulations are implemented using a 3D finite element model within the framework of ABAQUS. Excellent agreement between the results validates the effectiveness of this theoretical method. Then, this theoretical model is used to study the effects of some important factors such as load type, loading path, geometric parameters and material properties etc. on buckling behavior of the pipes. Based upon parametric studies, a few significant conclusions are drawn, which offer a theoretical reference for design and installation monitoring of deepwater pipelines.
본 연구는 교량의 상시계측자료인 고유진동수 및 고유모드를 기준으로 계측기반모델을 구성하고, 구조해석을 수행하여 교량 공용상태에서 사장케이블 장력평가를 수행하였다. 케이블 설치 위치에 따라 하중유형별 케이블 장력이 다르다는 것을 알 수 있다. 고정하중과 활하중에 의한 케이블 계측장력은 케이블 설치위치에 따라 차이가 크지 않으나 설계하중을 적용한 해석결과보다 큰 값을 나타낸다. 계측기반모델에 대한 케이블장력분포는, 설계모델에 대한 장력보다 크지만, 계측장력과 유사한 분포를 나타낸다. 그러므로 장기거동을 고려하여 사장교 케이블설계는 계측기반모델의 해석결과를 반영할 필요가 있다. 이를 위하여 많은 계측자료를 이용한 장기거동 분석연구가 요구된다.
Early detection of premonitory symptom of slope movement ensures tremendous saving of lives and repair costs from catastrophic disaster. Therefore, it is essential to constantly monitor the performance and integrity of both reinforced and un-reinforced cut slopes. We developed a novel monitoring system by using tension wire sensors. It's advantages are highly sensitivity, simple installation, large displacement measurement, durability of system, capability of remote sensing. Real-time measurement of slope surface movement is shown graphically and it gives a warning when the monitored value exceeds a given threshold level so that any sign of abnormal slope movement can be easily perceived.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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