The present study describes a practical estimation procedure about the pantograph under several severe aerodynamic load conditions. As the operating speed of the Korean Train Express(KTX) reaches 350km/h, structural safety at various conditions should be examined at the design stage. In the present study, a compact and reliable procedure is developed to get aerodynamic loads on each part of the pantograph regarding the typhoon condition, the train/tunnel interaction, the train/train interaction and the side wind condition. In the estimation procedure, 3-dimensional steady and unsteady CFD simulation around the high speed train facilitates assigning the external local flow condition around the pantograph. The procedure is verified using the results of the low speed wind tunnel test at JARI and applied to 7 flow conditions and 4 operation configurations.
Long-span steel suspension bridges develop significant vibrations under the effect of external time-variable loadings because their slenderness. This causes significant stresses variations that could induce fatigue problems in critical components of the bridge. The research outcome presented in this paper includes a fatigue analysis of a long suspension bridge with 3300 meters central suspended span under wind action and train transit. Special focus is made on the counterintuitive interaction effects between train and wind loads in terms of fatigue damage accumulation in the hanger ropes. In fact the coupling of the two actions is shown to have positive effects for some hangers in terms of damage accumulation. Fatigue damage is evaluated using a linear accumulation model (Palmgren-Miner rule), analyses are carried out in time domain by a three-dimensional non-linear finite element model of the bridge. Rational explanation regarding the above-mentioned counterintuitive behavior is given on the basis of the stress time histories obtained for pertinent hangers under the effects of wind and train as acting separately or simultaneously. The interaction between wind and train traffic loads can be critical for a some hanger ropes therefore interaction phenomena within loads should be considered in the design.
An analysis framework for vehicle-bridge dynamic interaction system under turbulent wind is proposed based on the relevant theory of wind engineering and dynamics. Considering the fluctuating properties of wind field, the stochastic wind velocity time history is simulated by the Auto-Regressive method in terms of power spectral density function of wind field. The bridge is represented by three-dimensional finite element model and the vehicle by a multi-rigid-body system connected by springs and dashpots. The detailed calculation formulas of unsteady aerodynamic forces on bridge and vehicle are derived. In addition, the form selection of wind barriers, which are applied as the windbreak measures of newly-built railways in northwest China, is studied based on the suggested evaluation index, and the suitable values about height and porosity rate of wind barriers are studied. By taking a multi-span simply-supported box-girder bridge as a case study, the dynamic response of the bridge and the running safety indices of the train traveling on the bridge with and without wind barriers are calculated. The limit values of train speed with respect to different wind velocities are proposed according to the allowance values in the design code.
With taking the geometric nonlinearity of bridge structure into account, a framework is presented for predicting the dynamic responses of a long-span suspension bridge subjected to running train and turbulent wind. The nonlinear dynamic equations of the coupled train-bridge-wind system are established, and solved with the Newmark numerical integration and direct interactive method. The corresponding linear and nonlinear processes for solving the system equation are described, and the corresponding computer codes are written. The proposed framework is then applied to a schemed long-span suspension bridge with the main span of 1120 m. The whole histories of the train passing through the bridge under turbulent wind are simulated, and the dynamic responses of the bridge are obtained. The results demonstrate that the geometric nonlinearity does not influence the variation tendency of the bridge displacement histories, but the maximum responses will be changed obviously; the lateral displacement of bridge are more sensitive to the wind than the vertical ones; compared with wind velocity, train speed affects the vertical maximum responses a little more clearly.
Due to the rugged terrain, metro lines in mountain city across numerous wide rivers and deep valleys, resulting in instability of high-pier bridge and insecurity of metro train subjected to fluctuating crosswind. To ensure the safe operation in metro lines in mountain cities, running safety of the metro train over the high-pier bridge under crosswind is analyzed in this paper. Firstly, the dynamic model of the wind-train-bridge (WTB) system is built, in which the speed-up effect of crosswind is fully considered. On the basis of time domain analysis, the basic characteristics of the WTB system with high-pier are analyzed. Afterwards, the dynamic responses varies with train speed and wind speed are calculated, and the safety zone of metro train over a high-pier bridge subjected to fluctuating crosswind in mountain city is determined. The results indicate that, fluctuating crosswind triggers drastic vibration to the metro train and high-pier bridges, which in turn causes running instability of the train. For this reason, the corresponding safety zone for metro train running on the high-pier is proposed, and the metro traffic on the high-pier bridge should be closed as the mean wind speed of standard height reaches 9 m/s (15.6 m/s for the train).
A numerical model for analyzing air-train-track interaction is proposed to investigate the dynamic behavior of a high-speed train running on a track in crosswinds. The model is composed of a train-track interaction model and a train-air interaction model. The train-track interaction model is built on the basis of the vehicle-track coupled dynamics theory. The train-air interaction model is developed based on the train aerodynamics, in which the Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) method is employed to deal with the dynamic boundary between the train and the air. Based on the air-train-track model, characteristics of flow structure around a high-speed train are described and the dynamic behavior of the high-speed train running on track in crosswinds is investigated. Results show that the dynamic indices of the head car are larger than those of other cars in crosswinds. From the viewpoint of dynamic safety evaluation, the running safety of the train in crosswinds is basically controlled by the head car. Compared with the generally used assessment indices of running safety such as the derailment coefficient and the wheel-load reduction ratio, the overturning coefficient will overestimate the running safety of a train on a track under crosswind condition. It is suggested to use the wheel-load reduction ratio and the lateral wheel-rail force as the dominant safety assessment indices when high-speed trains run in crosswinds.
A method for analyzing the coupled wind-vehicle-bridge system is proposed that also considers the shielding effect of the bridge tower with triangular wind barriers. The static wind load and the buffeting wind load for both the bridge and the vehicle are included. The shielding effects of the bridge tower and the triangular wind barriers are incorporated by taking the surface integral of the wind load. The inter-history iteration is adopted to solve the vehicle-bridge dynamic equations with time-varying external loads. The results show that after installing the triangular wind barriers in the area of the bridge tower, the bridge response and the vehicle safety factors change slightly. The peak value of the train car body acceleration is significantly reduced when the wind barrier size is increased.
Qian Zhang;Xiaopei Cai;Tao Wang;Yanrong Zhang;Shusheng Yang
Wind and Structures
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v.37
no.4
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pp.275-287
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2023
Subgrade differential settlement of high-speed railways was a pivotal issue that could increase the risk of trains operation. The risk will be further increased when trains in the subsidence zone are affected by crosswinds. In this paper, the computational fluid dynamics (CFD) model and finite element (FE) model were established, and the data transmission interface of the two models was established by fluid-solid interaction (FSI) method to form a systematic crosswind-train-track-subgrade dynamic model. The risk of high-speed train encountering crosswind in settlement area was analyzed. The results showed that the aerodynamic force of the trains increased significantly with the increase in crosswind speed. The aerodynamic force of the trains could reach 125.14 kN, significantly increasing the risk of derailment and overturning. Considering the influence of crosswind, the risk of train operation could be greatly increased. The safety indices and the wheel-rail force both increased with the increase of the wind speed. For the high-speed train running at 350 km/h, the warning value of wind speed was 10.2 m /s under the condition of subgrade settlement with wavelength of 20 m and amplitude of 15 mm.
Subject of the paper is a particular configuration of overhead line, in which noise barrier structure is used as supports of the catenary instead of standard poles. This configuration is foreseen in case the noise barrier position is in conflict with the poles location. If the catenary is supported by the noise barrier, the motion that the latter undergo due to wave pressure associated to train transit is transmitted to the overhead line, so that potentially it influences the interaction between the catenary itself and the pantograph of the passing train. The paper focuses on the influence of such peculiar configuration on the quality of the current collection of high speed pantograph, for single and double current collection. The study has been carried out first with an experimental investigation on the pressure distribution on noise barrier, both in wind tunnel and with in-field tests. Subsequently a numerical analysis of the dynamics of the barrier subjected to the wave pressure due to train transit has been carried out, and the output of such analysis has been used as input data for the simulation of the pantograph-dynamic interaction at different speeds and with front or rear pantograph in operation. Consideration of structural modifications was then highlighted, in order to reduce the influence on the contact loss percentage.
Lee, Jin Ho;Bae, Kyung Tae;Jin, Byeong Moo;Kim, Jae Kwan
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.17
no.6
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pp.257-269
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2013
In this study, the capability of an existing analysis method for the fluid-structure-soil interaction of an offshore wind turbine is expanded to account for the geometric nonlinearity and sea water drag force. The geometric stiffness is derived to take care of the large displacement due to the deformation of the tower structure and the rotation of the footing foundation utilizing linearized stability analysis theory. Linearizing the term in Morison's equation concerning the drag force, its effects are considered. The developed analysis method is applied to the earthquake response analysis of a 5 MW offshore wind turbine. Parameters which can influence dynamic behaviors of the system are identified and their significance are examined.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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