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.
The nonlinear aerodynamic instability of a tensioned plane orthotropic membrane structure is theoretically investigated in this paper. The interaction governing equation of wind-structure coupling is established by the Von $K\acute{a}rm\acute{a}n's$ large amplitude theory and the D'Alembert's principle. The aerodynamic force is determined by the potential flow theory of fluid mechanics and the thin airfoil theory of aerodynamics. Then the interaction governing equation is transformed into a second order nonlinear differential equation with constant coefficients by the Bubnov-Galerkin method. The critical wind velocity is obtained by judging the stability of the second order nonlinear differential equation. From the analysis of examples, we can conclude that it's of great significance to consider the orthotropy and geometrical nonlinearity to prevent the aerodynamic instability of plane membrane structures; we should comprehensively consider the effects of various factors on the design of plane membrane structures; and the formula of critical wind velocity obtained in this paper provides a more accurate theoretical solution for the aerodynamic stability of the plane membrane structures than the previous studies.
The aerodynamic stability of orthotropic tensioned membrane structures with rectangular plane is theoretically studied under the uniform ideal potential flow. The aerodynamic force acting on the membrane surface is determined by the potential flow theory in fluid mechanics and the thin airfoil theory in aerodynamics. Then, based on the large amplitude theory and the D'Alembert's principle, the interaction governing equation of wind-structure is established. Under the circumstances of single mode response, the Bubnov-Galerkin approximate method is applied to transform the complicated interaction equation into a system of second order nonlinear differential equation with constant coefficients. Through judging the stability of the system characteristic equation, the critical divergence instability wind velocity is determined. Finally, from different parametric analysis, we can conclude that it has positive significance to consider the characteristics of orthotropic and large amplitude for preventing the instability destruction of structures.
Wind effects on roofs are usually considered by equivalent static wind loads based on the equivalence of displacement or internal force for structural design. However, for large-span spatial structures that are prone to dynamic instability under strong winds, such equivalent static wind loads may be inapplicable. The dynamic stability of spatial structures under unsteady wind forces is therefore studied in this paper. A new concept and its corresponding method for dynamic instability-aimed equivalent static wind loads are proposed for structural engineers. The method is applied in the dynamic stability design of an actual double-layer cylindrical reticulated shell under wind actions. An experimental-numerical method is adopted to study the dynamic stability of the shell and the dynamic instability originating from critical wind velocity. The dynamic instability-aimed equivalent static wind loads of the shell are obtained.
Ice accretions on stay cables may result in the instable vibration of galloping, which would affect the safety of cable-stayed bridges. A large number of studies have investigated the galloping vibrations of transmission lines. However, the obtained aerodynamics in transmission lines cannot be directly applied to the stay cables on cable-stayed bridges. In this study, linear and nonlinear single degree-of-freedom models were introduced to obtain the critical galloping wind velocity of iced stay cables where the aerodynamic lift and drag coefficients were identified in the wind tunnel tests. Specifically, six ice shapes were discussed using section models with geometric scale 1:1. The results presented obvious sudden decrease regions of the aerodynamic lift coefficient for all six test models. Numerical analyses of iced stay cables associated to a medium-span cable-stayed bridge were carried out to evaluate the potential galloping instability. The obtained nonlinear critical wind velocity for a 243-meter-long stay cable is much lower than the design wind velocity. The calculated linear critical wind velocity is even lower. In addition, numerical analyses demonstrated that increasing structural damping could effectively mitigate the galloping vibrations of iced stay cables.
The aerostatic instability of cable-supported bridges is studied, with emphasis placed on modeling of the geometric nonlinear effects of various components of cable-supported bridges. Two-node catenary cable elements, which are more rational than truss elements, are adopted for simulating cables with large or small sags. Aerostatic loads are expressed in terms of the mean drag, lift and pitching moment coefficients. The geometric nonlinear analysis is performed with the dead loads and wind loads applied in two stages. The critical wind velocity for aerostatic instability is obtained as the condition when the pitching angle of the bridge deck becomes unbounded. Unlike those existing in the literature, each intermediate step of the incremental-iterative procedure is clearly given and interpreted. As such, the solutions obtained for the bridges are believed to be more rational than existing ones. Comparisons and discussions are given for the examples studied.
This paper studies the aerodynamic stability of a tensioned, geometrically nonlinear orthotropic membrane structure with hyperbolic paraboloid in sag direction. Considering flow separation, the wind field around membrane structure is simulated as the superposition of a uniform flow and a continuous vortex layer. By the potential flow theory in fluid mechanics and the thin airfoil theory in aerodynamics, aerodynamic pressure acting on membrane surface can be determined. And based on the large amplitude theory of membrane and D'Alembert's principle, interaction governing equations of wind-structure are established. Then, under the circumstance of single-mode response, the Bubnov-Galerkin approximate method is applied to transform the complicated interaction governing equations into a system of second-order nonlinear differential equation with constant coefficients. Through judging the frequency characteristic of the system characteristic equation, the critical velocity of divergence instability is determined. Different parameter analysis shows that the orthotropy, geometrical nonlinearity and scantling of structure is significant for preventing destructive aerodynamic instability in membrane structures. Compared to the model without considering flow separation, it's basically consistent about the divergence instability regularities in the flow separation model.
본 논문에서는 풍하중을 받는 평면 막구조물의 동적불안정 판정을 규명하였다. 풍하중을 받는 막구조물의 지배방정식을 정식화할 경우 가장 중요한 것은 막 표면의 공기 압력을 합리적으로 산정하는 것이다. 베르누이 윈리에 의하여 유체 압력은 속도 퍼텐셜과 관계를 가지며 않은 날개 원리에 의해 막 표면 공기의 움직임을 일련의 와류로 간주하고 속도 퍼텐셜을 구할 수 있다. 이 논문에서는 가장 많이 쓰이는 3 절점 삼각형 막요소를 이용하여 가중 잔여치 갤러킨법을 적용한 안정 평가의 판별식을 유도하였다. 수치해석 모델로는 정사각형과 직사각형의 막구조물을 채택하였고 임계 풍속에 대한 초기인장력과 풍방향의 영향을 분석하였다.
Nonlinear vibration and instability of cylindrical shell conveying fluid-nanoparticles mixture flow are studied in this article. The surrounding elastic medium is modeled by Pasternak foundation. Mixture rule is used for obtaining the effective viscosity and density of the fluid-nanoparticles mixture flow. The material properties of the elastic medium and cylindrical shell are assumed temperature-dependent. Employing first order shear deformation theory (FSDT), the motion equations are derived using energy method and Hamilton's principal. Differential quadrature method (DQM) is used for obtaining the frequency and critical fluid velocity. The effects of different parameters such as volume percent of nanoparticles, boundary conditions, geometrical parameters of cylindrical shell, temperature change, elastic foundation and fluid velocity are shown on the frequency and critical fluid velocity of the structure. Results show that with increasing volume percent of nanoparticles in the fluid, the frequency and critical fluid velocity will be increases.
Using wind tunnel, experimental approaches were employed to investigate fluidelastic instability of tube bundles, subjected to uniform cross flow. There are several flow-induced vibration excitation mechanisms, such as fluidelastic instability, periodic wake shedding resonance, turbulence-induced excitation and acoustic resonance, which could cause excessive vibration in shell-and tube heat exchanges. Fluidelastic is the most important vibration excitation mechanism for heat exchanger tube bundles subjected to cross flow. The system comprised of cantilevered flexible cylinder(s) and rigid cylinders of normal square array, In order to see the characteristics of flow in tube bundles, particle image velocimetry was used. From a practical design point of view, Fluidelastic instability may be expressed simply in terms of dimensionless flow velocity and dimensionless mass-damping. The threshold flow velocity for dynamic instability of cylinder rows is evaluated and the data for design guideline is proposed for the tube bundles of normal square array.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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