In this paper, wireless monitoring of typhoon-induced variation of dynamic characteristics of a cable-stayed bridge is presented. Firstly, cable-stayed bridge with the wireless monitoring system is described. Wireless vibration sensor nodes are utilized to measure accelerations from bridge deck and stay cables. Also, modal analysis methods are selected to extract dynamic characteristics. Secondly, dynamic responses of the cable-stayed bridge under the attack of two typhoons are analyzed by estimating relationships between wind velocity and dynamic characteristics. Wind-induced variations of deck and cable vibration responses are examined based on the field measurements under the two consecutive typhoons, Bolaven and Tembin. Finally, time-varying analyses are performed to investigate non-stationary random properties of the dynamic responses under the typhoons.
Park, Jae-Hyung;Huynh, Thanh-Canh;Lee, Kwang-Suk;Kim, Jeong-Tae
Smart Structures and Systems
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v.17
no.3
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pp.491-522
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2016
A benchmark problem for modal identification of a cable-stayed bridge was proposed by a research team at Hong Kong Polytechnic University. By taking an instrumented cable-stayed bridge as a test bed, nineteen sets of vibration records with known/unknown excitations were provided to invited researchers. In this paper, the vibration responses of the bridge under a series of excitation conditions are examined to estimate the wind and traffic-induced variations of its dynamic characteristics. Firstly, two output-only experimental modal identification methods are selected. Secondly, the bridge and its monitoring system are described and the nineteen sets of vibration records are analyzed in time-domain and frequency-domain. Excitations sources of blind datasets are predicted based on the analysis of excitation conditions of known datasets. Thirdly, modal parameters are extracted by using the two selected output-only modal identification methods. The identified modal parameters are examined with respect to at least two different conditions such as traffic- and typhoon-induced loadings. Finally, the typhoon-induced effects on dynamic characteristics of the bridge are estimated by analyzing the relationship between the wind velocity and the modal parameters.
Global warming and rapid climate change have long affected the characteristics of typhoons in the Northwest Pacific, which has induced increasing devastating disasters along the coastal regions of the Korean peninsula. Synthetic Aperature Radar (SAR), as one of the microwave sensors, makes it possible to produce high-resolution sea surface wind field around the typhoon under cloudy atmospheric conditions, which has been impossible to obtain the winds from satellite optical and infrared sensors. The Geophysical Model Functions (GMFs) for sea surface wind retrieval from SAR data requires the input of wind direction, which should be based on the accurate estimation of the center of the typhoon. This study estimated the typhoon centers using Sentinel-1A images to improve the problem of typhoon center detection method and to reflect it in retrieving the sea surface wind. The results were validated by comparing with the typhoon best track data provided by the Korea Meteorological Administration (KMA) and Japan Meteorological Agency (JMA), and also by using infrared images of Himawari-8 satellite. The initial center position of the typhoon was determined by using VH polarization, thereby reducing the possibility of error. The detected center showed a difference of 23.76 km on average with the best track data of the four typhoons provided by the KMA and JMA. Compared to the typhoon center estimated by Himawari-8 satellite, the results showed an average spatial variation of 11.80 km except one typhoon located near land with a large difference of 58.73 km. This result suggests that high-resolution SAR images can be used to estimate the center and retrieve sea surface wind around typhoons.
This study investigates the characteristics of turbulent fluxes observed at Ieodo Ocean Research Station (IORS) in autumn 2014. The 10 Hz IORS data is quality controlled and calculated to be the 30 minutes turbulent fluxes. The quality control consists of five steps: a weather check, Vickers and Mahrt (VM) sequential check, VM parallel check, flag check, and direction check. Since the IORS is an open-sea station with no orographic influence, there are no significant diurnal variations for the turbulent fluxes and 10 m wind speed. According to stabilities, the unstable and semi-unstable states appear more than 28% and 70% in autumn, respectively and they have strong winds of over $10m\;s^{-1}$. In addition, the turbulent fluxes increase with increasing wind speed. In particular, the latent heat flux and its deviations are clearly shown because the latent heat flux is influenced by the change of both the sea surface roughness and wave height induced by the wind. To demonstrate the changes of the turbulent fluxes before and after typhoon, Vongpong (1419), which is the most intense typhoon affecting the Korean Peninsula in 2014, is considered. The turbulent flux fluctuates in accordance with the location of Vongpong. The turbulent fluxes have a large (small) variation when Vongpong approaches (retreats) at the IORS. The overall results represent that the IORS data helps us understand physical processes related to air-sea interaction by providing the valuable and reliable observed data.
We investigated the wind characteristics in the near-surface layer during the landfall of Typhoon Mujigae (2015) based on observations from wind towers in the coastal areas of Guandong province. Typhoon Mujigae made landfall in this region from 01:00 UTC to 10:00 UTC on October 4, 2015. In the region influenced by the eyewall of the tropical cyclone, the horizontal wind speed was characterized by a double peak, the wind direction changed by >180°, the vertical wind speed increased by three to four times, and the angle of attack increased significantly to a maximum of 7°, exceeding the recommended values in current design criteria. The vertical wind profile may not conform to a power law distribution in the near-surface layer in the region impacted by the eyewall and spiral rainband. The gust factors were relatively dispersed when the horizontal wind speed was small and tended to a smaller value and became more stable with an increase in the horizontal wind speed. The variation in the gust factors was the combined result of the height, wind direction, and circulation systems of the tropical cyclone. The turbulence intensity and the downwind turbulence energy spectrum both increased notably in the eyewall and spiral rainband and no longer satisfied the assumption of isotropy in the inertial subrange and the -5/3 law. This result was more significant in the eyewall area than in the spiral rainband. These results provide a reference for forecasting tropical cyclones, wind-resistant design, and hazard prevention in coastal areas of China to reduce the damage caused by high winds induced by tropical cyclones.
This study has been motivated to examine the performance of a wireless sensor system under the typhoons as well as to analyze the effect of the typhoons on the bridge's vibration responses and the variation of cable forces. During the long-term field experiment on a real cable-stayed bridge in years 2011-2012, the bridge had experienced two consecutive typhoons, Bolaven and Tembin, and the wireless sensor system had recorded data of wind speeds and vibration responses from a few survived sensor nodes. In this paper, the wireless structural health monitoring of stay cables under the two consecutive typhoons is presented. Firstly, the wireless monitoring system for cable-stayed bridge is described. Multi-scale vibration sensor nodes are utilized to measure both acceleration and PZT dynamic strain from stay cables. Also, cable forces are estimated by a tension force monitoring software based on vibration properties. Secondly, the cable-stayed bridge with the wireless monitoring system is described and its wireless monitoring capacities for deck and cables are evaluated. Finally, the structural health monitoring of stay cables under the attack of the two typhoons is described. Wind-induced deck vibration, cable vibration and cable force variation are examined based on the field measurements in the cable-stayed bridge under the two consecutive typhoons.
A recent work by the authors has demonstrated the feasibility of scour evaluation for Kao-Ping-Hsi Cable-Stayed Bridge simply based on ambient vibration measurements. To further attain the goal of scour monitoring, a key challenge comes from the interference of several environmental factors that may also significantly alter the pier frequencies without the change of scour depth. Consequently, this study attempts to investigate the variation in certain modal frequencies of this bridge induced by several environmental factors. Four sets of pier vibration measurements were taken either during the season of plum rains, under regular summer days without rain, or in a period of typhoon. These signals are analyzed with the stochastic subspace identification and empirical mode decomposition techniques. The variations of the identified modal frequencies are then compared with those of the corresponding traffic load, air temperature, and water level. Comparison of the analyzed results elucidates that both the traffic load and the environmental temperature are negatively correlated with the bridge frequencies. However, the traffic load is clearly a more dominant factor to alternate the identified bridge deck frequency than the environmental temperature. The pier modes are also influenced by the passing traffic on the bridge deck, even though with a weaker correlation. In addition, the variation of air temperature follows a similar tendency as that of the passing traffic, but its effect on changing the bridge frequencies is obviously not as significant. As for the effect from the alternation of water level, it is observed that the frequency baselines of the pier modes may positively correlate with the water level during the seasons of plum rains and typhoon.
The loss prediction and assessment during extreme events such as wind hazards is always crucial for the group low-rise residential buildings. This paper analyses the effect of variation in building density on wind-induced loss for low-rise buildings and proposes a loss assessment method consequently. It is based on the damage matrices of the building envelope structures and the main load-bearing structure, which includes the influence factors such as structure type, preservation degree, building density, and interaction between different envelope components. Accordingly, based on field investigation and engineering experience, this study establishes a relevant building direct economic loss assessment model. Finally, the authors develop the Typhoon Disaster Management System to apply this loss assessment methodology to practice.
In Japan, at least 28 local winds are known by name, most of them associated with downslope windstorms and gap winds. To review these windstorms, we categorize them based largely on the atmospheric conditions and formation mechanisms, and then focus on representative examples. These representative cases include the "Yamajikaze", a typical downslope windstorm, the "Hirodo-kaze", a downslope windstorm induced by a nearby typhoon (intense tropical cyclone), and the "Karak-kaze", a downslope wind with a clear diurnal variation. Other downslope winds such as the "Inami-kaze" and the gap wind "Kiyokawadashi" are also described. Among these winds, the "Yamaji-kaze", "Hirodo-kaze", and "Kiyokawa-dashi" are considered the three most notorious due to their destructive power. After describing and comparing these winds, we discuss remaining issues to be considered in future studies.
The objective of this paper is to extract and analyze the sediment environment change information in the Sachencheon, Gangneung, Korea that was seriously damaged as a result of typhoon Rusa aftermath early in September, 2002 using multi-temporal remote sensing data. For the extraction of change information, an unsupervised approach based on the automatic determination of thresholding values was applied. As the change detection results, turbidity changes right after typhoon Rusa, the decrease of wetlands, the increase of dry sand and channel width and changes of relative level in the stream due to seasonal variation were observed. Sedimentation in the cultivated areas and restoration works also affected the change near the Sacheoncheon. In addition to the change detection analysis, several environmental thematic maps including microtopographic map, distributions of estimated amount of flood deposits and flood hazard landform classification map were generated by using remote sensing and field survey data. In conclusion, multi-temporal remote sensing data can be effectively used for natural hazard analysis and damage information extraction and specific data processing techniques for high-resolution remote sensing data should also be developed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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