This study aims to establish an effective methodology for the detection of instant damages occurred in cable-stayed bridges with the measurements of cable vibration and structural temperatures. A transfer coefficient for the daily temperature variation and another for the long-term temperature variation are firstly determined to eliminate the environmental temperature effects from the cable force variation. Several thresholds corresponding to different levels of exceedance probability are then obtained to decide four upper criteria and four lower criteria for damage detection. With these criteria, the monitoring data for three stay cables of Ai-Lan Bridge are analyzed and compared to verify the proposed damage detection methodology. The simulated results to consider various damage scenarios unambiguously indicate that the damages with cable force changes larger than ${\pm}1%$ can be confidently detected. As for the required time to detect damage, it is found that the cases with ${\pm}2%$ of cable force change can be discovered in no more than 6 hours and those with ${\pm}1.5%$ of cable force change can be identified in at most 9 hours. This methodology is also investigated for more lightly monitored cases where only the air temperature measurement is available. Under such circumstances, the damages with cable force changes larger than ${\pm}1.5%$ can be detected within 12 hours. Even though not exhaustively reflecting the environmental temperature effects on the cable force variation, both the effective temperature and the air temperature can be considered as valid indices to eliminate these effects at high and low monitoring costs.
For economical earthquake resistant design of cable-stayed bridge tower, the use of energy dissipation systems for the earthquake protection of steel structures represents an alternative seismic design method where the tower structure could be constructed to dissipate a large amount of earthquake input energy through inelastic deformations in certain positions, which could be easily retrofitted after damage. The design of energy dissipation systems for bridges could be achieved as the result of two conflicting requirements: no damage under serviceability limit state load condition and maximum dissipation under ultimate limit state load condition. A new concept for cable-stayed bridge tower seismic design that incorporates sacrificial link scheme of low yield point steel horizontal beam is introduced to enable the tower frame structure to remain elastic under large seismic excitation. A nonlinear dynamic analysis for the tower model with the proposed energy dissipation systems is carried out and compared to the response obtained for the tower with its original configuration. The improvement in seismic performance of the tower with supplemental passive energy dissipation system has been measured in terms of the reduction achieved in different response quantities. Obtained results show that the proposed energy dissipation system of low yield point steel seismic link could strongly enhance the seismic performance of the tower structure where the tower and the overall bridge demands are significantly reduced. Low yield point steel seismic link effectively reduces the damage of main structural members under earthquake loading as seismic link yield level decreases due their exceptional behavior as well as its ability to undergo early plastic deformations achieving the concentration of inelastic deformation at tower horizontal beam.
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.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.17
no.2
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pp.54-61
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2013
Stay cable has a strong axial rigidity due to large initial tension and, on the other hand, it has a weak laterally flexural rigidity. Wind loads or traffic loads cause the cables to vibrate significantly and affect the mechanical properties and the performance of cables of cable-stayed bridge (CSB). Therefore, the development of vibration reduction design is an urgent task to control the vibration vulnerable long-span bridges. As Friction damper (FD) shows to reduce the amplitude and duration time of vibration of cable of CSB from measured date in field test, friction damper can be considered that it is effective device significantly to reduce the amplitude and duration time in vibration of cable of CSB under traffic load, wind load and so on. Vibration characteristics of cable can change according to manufacturing method and type of established form. Nevertheless, analysis method in this study can present the design of friction damper for vibration reduction of cable of cable-stayed bridge from now on.
Park, Kwan-Soon;Koh, Hyun-Moo;Ok, Seung-Yong;Seo, Chung-Won
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.8
no.4
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pp.51-62
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2004
Fuzzy supervisory control technique for the seismic response control of cable-stayed bridges subject to earthquakes is studied. The proposed technique is a hybrid control method, which adopts a hierarchical structure consisting of several sub-controllers and a fuzzy supervisor. Sub-controllers are independently designed to reduced the responses to be controlled of a cable-stayed bridge, and a fuzzy supervisor achieves improved seismic control performance by tuning the pre-designed sub-controllers. It is realized by converting static gains of the sub-controllers into time-varying dynamic gains through the fuzzy inference mechanism. To evaluate the feasibility of the proposed technique, the benchmark control problem of cable-stayed bridge proposed by Dyke et al. is adopted. The control variables for the seismic response control of the cable-stayed bridge are determined to be t도 shear forces and bending moments at the base of the towers, the longitudinal displacements at the top of the towers, the relative displacements between the deck and the tower, and the tensions in the stay cables. Comparative results between the fuzzy supervisory controller and LQG controller demonstrate the effectiveness of the proposed control technique.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.34
no.3
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pp.729-737
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2014
A study has been carried out that effectively controls the vibration of asymmetric cable-stayed bridges caused by earthquakes with MR dampers. In order to enhance the practical serviceability of MR dampers, an asymmetric cable-stayed bridge structure has been designed and produced, and a MR damper has been produced so as to have this bridge structure controlled appropriately. An experiment that controls vertical and horizontal vibrations has been carried out by exciting the asymmetric cable-stayed bridge in the horizontal direction with the El-centro seismic wave. The control performance of the MR damper has been evaluated under the five control conditions in the experiments of vibration control in each direction. As a result of the experiment, MR dampers were proved to control vibrations more effectively when either Lyapunov control algorithm or Clipped-optimal control algorithm was used to control vibrations of the asymmetric cable-stayed bridge caused by earthquakes. In addition, different controlling effects were found in vibration controls in vertical and horizontal directions due to the asymmetry of the structure and the horizontal excitation. With such controlling effects, semi-active MR dampers are evaluated to effectively control vibrations caused by earthquakes in flexible and asymmetric structures such as asymmetric cable-stayed bridges.
Most codes of practice state that for large in-plane structures it is necessary to account for the spatial variability of earthquake ground motion. There are essentially three effects that contribute for this variation: (i) wave passage effect, due to finite propagation velocity; (ii) incoherence effect, due to differences in superposition of waves; and (iii) the local site amplification due to spatial variation in geological conditions. This paper discusses the procedures to be undertaken in the time domain analysis of a cable-stayed bridge under spatial variability of earthquake ground motion. The artificial synthesis of correlated displacements series that simulate the earthquake load is discussed first. Next, it is described the 3D model of the International Guadiana Bridge used for running tests with seismic analysis. A comparison of the effects produced by seismic waves with different apparent propagation velocities and different geological conditions is undertaken. The results in this study show that the differences between the analysis with and without spatial variability of earthquake ground motion can be important for some displacements and internal forces, especially those influenced by symmetric modes.
In this paper a study about concrete arch bridges built by lattice cantilevers is presented. Lattice cantilevers are partial structures composed of deck, arch, piers and provisional steel diagonals, organized as reticular cantilever girders, in order to build arch bridges without the use of centrings, supports or temporary towers. Characteristics of this construction methodology with its variants are explained together with their implications in the erection sequence. Partial elastic scheme method is implemented in order to find initial forces of temporary cables and a forward analysis is carried out to follow the actual sequence of construction, by extending a procedure already applied to concrete cable-stayed bridges and to arches built by the classical suspended cantilever method. A numerical application on a case-study of a concrete arch bridge is performed together with a comparison between different methodologies followed for its construction sequence. Differences between erection by lattice cantilevers and cable-stayed cantilevers, are discussed. Results can be useful for designers in conceptual design of concrete arch bridges.
Journal of the Korean Institute of Landscape Architecture
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v.29
no.6
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pp.11-20
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2002
This study aims to discover the landscape image of bridges and their harmonization wish surrounding sceneries. This research utilized the basic study tool of psycho-physics and processed the case study of five types of bridges on the Han-River, Seoul. Twenty-one bridges on Han-River were classified into five categories ; the cable stayed bridge, the arch bridge, the girder bridge, the trust bridge and the suspension bridge. Also, aesthetic elements of the bridges including the form the texture, the color, the scale and the harmony were examined. The questionaires to analysis the image and harmonization with surrounding sceneries were designed using semantic differential scale and 5 point Likert scale. The results of the research were as follows. First, components representing the images of bridge landscape are classified into three types, ‘beauty’, ‘weightfulness’ and ‘friendliness’. Second, the image of each bridge as a whole turns out not to be different from each other but to be different in the context of neighboring sceneries. It was also determined that both the Cable Stayed Bridge type and the Arch Bridge type are the most attractive. But, the former does have a more masculine image, and the latter has a m[n feminine image. Third, the Cable Stayed Bridge and the Arch Bridge were evaluated highly in terms of harmonization with surrounding landscapes, while the Girder Bridge received the lowest evaluation. All of the above results suggest that the bridges should be constructed not only for beauty itself in form, color, texture and scale, but also in harmonization with the surrounding landscape. Lastly, it is desirable to do further research to find out sort specific design principles that exist between bridges and tangible surrounding landscape types.
This paper presents an efficient algorithm for the estimation of damage location and severity in bridge structures using Probabilistic Neural Network (PNN). Generally, the Back Propagation Neural Network (BPNN)-based damage detection methods need a lot of training patterns for neural network learning process and the optimum architecture of a BPNN is selected by trial and error. In this paper, the PNN instead of the conventional BPNN is used as a pattern classifier. The modal properties of damaged structure are somewhat different from those of undamaged one. The basic idea of proposed algorithm is that the PNN classifies a test pattern which consists of the modal characteristics from damaged structure, how close it is to each training pattern which is composed of the modal characteristics from various structural damage cases. In this algorithm, two PNNs are sequentially used. The first PNN estimates the damage location using mode shape and the results of the first PNN are put into the second PNN for the damage severity estimation using natural frequency. The proposed damage assessment algorithm using the PNN is applied to a cable-stayed bridge to verify its applicability.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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