Stochastic response analysis of suspension bridge under gusty wind with time-dependent mean velocity

• Autorzy: Bryja D.

Warianty tytułu

PL

Analiza stochastyczna drgań mostu wiszącego obciążonego porywistym wiatrem o prędkości średniej zależnej od czasu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents a general outline of the method of stochastic response analysis of suspension bridge subjected to randomly fluctuated wind with time-dependent mean velocity. The proposed method is aimed to examine how the repeatable wind gusts affect bridge vibrations and to investigate amplified bridge response in resonant regimes. First, a non-homogeneous wind velocity model and associated buffeting forces are developed. The buffeting forces are derived under the general assumption that their spanwise correlation is the same as that of incoming wind fluctuations. Next, a bridge deck is divided into sections along span, and the dynamic bridge response is obtained with neglecting structure nonlinearities, by summing up component responses due to sectional buffeting forces. For the correlation response analysis an analytical time-domain approach based on stochastic calculus is suggested. The mean function and covariance function of bridge response are derived in the general case where in-time correlation of wind velocity fluctuations results from a given wind spectrum. Additionally, for a tentative estimation, two approximate formulas for variance of bridge response are obtained using two opposing mathematical idealizations of wind correlation in time. In the last part, numerical application of the proposed procedure is presented and advantages in bridge engineering are discussed.

PL

Przedstawiono ogólny schemat metody analizy drgań stochastycznych mostu wiszącego, obciążonego losowym działaniem zmiennego wiatru o prędkości średniej zależnej od czasu. Sformułowano stochastyczny model pola prędkości wiatru oraz wynikające stąd obciążenia aerodynamiczne. Funkcję losową określającą prędkość założono w postaci sumy prędkości stałej, składnika okresowo zmiennego w czasie i losowej fluktuacji zależnej od czasu i od zmiennej przestrzennej. Losową fluktuację zastąpiono wektorowym procesem stochastycznym o składowych zależnych tylko od czasu, wynikających z podziału mostu na sekcje wzdłuż rozpiętości. Opracowano metodę wyznaczania charakterystyk drgań losowych mostu, w ujęciu teorii korelacyjnej, ograniczając rozważania do zadania liniowego. Zaprezentowana metoda umożliwia analizę efektów rezonansowych dzięki uwzględnieniu składnika okresowego średniej prędkości wiatru, który może opisywać najniekorzystniejszą pulsację prędkości o częstości zbliżonej do częstości własnej drgań mostu. Zaproponowano sposób wstępnego oszacowania wariancji, którego podstawą merytoryczną jest matematyczna idealizacja korelacji czasowej fluktuacji wiatru, w postaci „białego szumu” lub korelacji stałej. Przedstawiono przykład numeryczny zastosowania opracowanej procedury obliczeniowej do analizy drgań przykładowego mostu.

Słowa kluczowe

EN

suspension bridge; aerodynamics; non-homogeneous wind model; buffeting response; stochastic analysis; resonant buffeting effects

PL

most wiszący; analiza drgań stochastycznych

• Wydawca: Springer ; Wrocław University of Science and Technology
• Czasopismo: Archives of Civil and Mechanical Engineering
• Rocznik: 2009
• Tom: Vol. 9, no 2
• Strony: 15--38
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Bryja D.

• Wrocław University of Technology, Wybrzeże Wyspiańskiego 27, 50-370 Wrocław, Poland

Bibliografia

• [1] Gimsing N.J.: Cable supported bridges, concept and design, John Wiley & Sons, New York, 1996.
• [2] Simiu E., Scanlan R.H.: Wind effects on structures, fundamentals and applications to design, John Wiley & Sons, New York, 1996.
• [3] Boonyapinyo V., Miyata T., Yamada H.: Advanced aerodynamic analysis of suspension bridges by state-space approach, ASCE Journal of Structural Engineering, Vol. 125, No. 12, 1999, pp. 1357-1366.
• [4] Cao Y., Xiang H., Zhou Y.: Simulation of stochastic wind velocity field on long-span bridges, ASCE Journal of Engineering Mechanics, Vol. 126, No. 1, 2000, pp. 1-6.
• [5] Chen X., Matsumoto M., Kareem A.: Time domain flutter and buffeting response analysis of bridges, ASCE Journal of Engineering Mechanics, Vol. 126, No. 1, 2000, pp. 7-16.
• [6] Chen X., Matsumoto M., Kareem A.: Aerodynamic coupling effects on flutter and buffeting of bridges, ASCE Journal of Engineering Mechanics, Vol. 126, No. 1, 2000, pp. 17-26.
• [7] Chen X., Kareem A.: Advances in modelling of aerodynamic forces on bridge decks, ASCE Journal of Engineering Mechanics, Vol. 128, No. 11, 2002, pp. 1193-1205.
• [8] Dyrbye C., Hansen S.O.: Wind loads on structures, John Wiley & Sons, Chichester, 1997.
• [9] Flaga A.: Quasi-steady models of wind load on slender structures. Part I. Case of a motionless structure, Archives of Civil Engineering, Vol. XL, No. 1, 1994, pp. 3-28.
• [10] Flaga A.: Quasi-steady models of wind load on slender structures. Part II. Case of a motionless structure, Archives of Civil Engineering, Vol. XL, No. 1, 1994, pp. 29-41.
• [11] Flaga A.: Quasi-steady models of wind load on slender structures. Part III. Applications of quasi-steady theory in aerodynamics of slender structures, Archives of Civil Engineering, Vol. XLI, No. 3, 1995, pp. 343-376.
• [12] Bryja D.: Spatial vibrations of multi-span suspension bridges with large cable sags: continnum formulation, Proc. of the 4th European Conference on Structural Dynamics EURODYN'2002, Munich, Germany, (H. Grundmann, G.I. Schuëller, editors) Lisse: A.A. Balkema, Vol. 2, 2002, pp. 1047-1052.
• [13] Bryja D.: Deterministic and stochastic methods of analysis of suspension bridge vibrations, Wrocław University of Technology Press, Wrocław, 2005 (in Polish).
• [14] Bryja D., Śniady P.: Random vibration of a suspension bridge due to highway traffic, Journal of Sound and Vibration, Vol. 125, No. 2, 1988, pp. 379-387.
• [15] Bryja D., Śniady P.: Spatially coupled vibrations of a suspension bridge under random highway traffic, Earthquake Engineering and Structural Dynamics, Vol. 20, 1991, pp. 999-1010.
• [16] Bryja D., Śniady P.: Stochastic non-linear vibrations of highway suspension bridge under inertial sprung moving load, Journal of Sound and Vibration, Vol. 216, No. 3, 1998, pp. 507-519.
• [17] Bryja D.: Coupled lateral-torsional vibrations of suspension bridge excited by random wind load, Zeitschrift für Angewandte Mathematik und Mechanik (ZAMM), Vol. 81, S2, 2001, pp. 183-184.
• [18] Bryja D., Woszczyna A., Prokopowicz D.: Non-stationary wind model in buffeting analysis of cable-stayed bridge, Proc. of 7th European Conference on Structural Dynamics, EURODYN'2008, Southampton, UK, CD-ROM edited by M.J. Brennan, ISVR University of Southampton, 2008, p. E116.
• [19] Lin Y.K.: Probabilistic theory of structural dynamics, R.E. Krieger Pub. Co., New York, 1976.
• [20] Gardner W.A., Introduction to random processes with applications to signals and systems, Macmillan Pub. Comp., New York, 1986.