Procedia Rekayasa 14 (2011)
2358-2365
Konferensi Keduabelas East
Asia-Pasifik pada Rekayasa Struktural dan Konstruksi
Diamati Alongwind Getaran dari
Suspension Bridge
Tower dan Girder
DM Siringoringo sebuah *, dan Y. Fujino a
Departemen Teknik Sipil, Universitas Tokyo,
Tokyo, Jepang
Abstrak
Getaran yang disebabkan oleh angin
dari jembatan gantung diinstrumentasi direkam selama enam peristiwa disajikan
dalam makalah ini. Jembatan ini
memiliki panjang total 1380m terdiri dari 720m rentang pusat dan dua bentang
samping simetris 330M setiap. Bridge instrumentasi terdiri dari 27 saluran sensor
getaran ditempatkan pada empat belas lokasi dan dua anemometer digunakan pada
gelagar jembatan dan menara. Selama enam peristiwa pengukuran, berbagai kecepatan
angin dengan kecepatan angin tertinggi mencapai hingga 30m / s tercatat. Studi ini berfokus pada tanggapan
angin yang disebabkan dari menara jembatan dan girder, khususnya hubungan
antara amplitudo getaran dan kecepatan angin. Diamati bahwa sementara gelagar
vertikal dan menara out-of-plane (crosswind) getaran meningkat secara
proporsional terhadap kecepatan angin mengikuti tren hentakan, menara
di-pesawat (alongwind) Getaran di bawah kecepatan angin moderat dari 14 ke 24m
/ s secara signifikan lebih tinggi dari tren hentakan. Di wilayah kecepatan angin ini,
menara 131m bergetar di arah sumbu yang kuat dan gerak alongwind ini ditandai
dengan frekuensi tunggal respon harmonik-seperti dengan diri-terbatas dan
relatif konstan amplitudo yang menyerupai in-line vortex respon shedding. Fenomena ini terjadi pada kaki
menara hilir ketika mengalami angin dengan sudut kemiringan tertentu dan
intensitas turbulensi rendah. Sementara frekuensi tunggal tower respon harmonik
seperti yang terkait dengan getaran vortex-induced tidak jarang selama tahap
konstruksi berdiri bebas, terjadinya pada suspensi jembatan menara selesai
terutama pada sumbu kuat sangat jarang. Pengamatan juga menunjukkan bahwa menara di-pesawat
alongwind energi vibrasi ditransfer ke girder gerak lateral yang menyebabkan
peningkatan getaran gelagar amplitudo dalam kisaran kecepatan angin moderat.
© 2011 Diterbitkan oleh akses Elsevier Ltd Terbuka bawah CC BY-NC-ND lisensi.
Kata kunci: diinstrumentasi jembatan, Suspension
Bridge, getaran angin diinduksi, Bridge tower getaran
* Penulis Sesuai: Email: dion@bridge.tu-tokyo.ac.jp
1877-7058 ©
2011 Diterbitkan oleh akses Elsevier Ltd Terbuka bawah . CC BY-NC-ND lisensi doi: 10,1016 / j.proeng.2011.07.297
|
2359
|
Gambar 1. (a) View dari HSB, (b) Peta lokasi HSB, dan (c) instrumentasi
permanen
1. Bridge deskripsi dan pengukuran karakteristik
Hakucho Suspension Bridge (HSB)
adalah jembatan gantung terbesar di bagian timur Jepang. Jembatan ini terletak di Teluk
Muroran, Hokkaido Prefecture bagian utara Jepang, dan menghubungkan Muroran
Pelabuhan di selatan dengan Muroran City di utara. Ini memiliki total panjang 1380m
terdiri dari 720m rentang pusat dan dua bentang samping simetris 330M setiap. Kedua menara tinggi 131m dan 21m
lebar, memberikan rasio sag 1:10. Tiga bentang jembatan yang terputus-putus, dihubungkan
dengan bantalan dan perangkat ekstensi dan hanya didukung di menara. Gelagar adalah kotak baja ramping
dengan lebar 23m dan tinggi web maksimum 2,5 juta. Kedua menara adalah 131m tinggi,
dengan lebar 21m di dasar dan 18m di atas. Setiap kolom tower memiliki dimensi
5 x 3.5m di pangkalan dan secara bertahap meruncing menjadi 3,2 x 3.5m di atas,
dan terbuat dari kotak baja yang dihubungkan dengan pengelasan.
Jembatan ini memiliki angin permanen
dan sistem pemantauan seismik yang terdiri dari 27 saluran sensor getaran
ditempatkan pada empat belas lokasi. Untuk memantau kecepatan angin dan arah, dua
anemometers dipasang di tengah bentang gelagar dan di atas menara utara (Gambar
1). Enam set data angin dan respon
jembatan dianalisis dalam makalah ini. Dari enam set, dua berasal dari pengukuran pada tahun
1999; yaitu 6 Maret 1999 (990.306), dan 22
Maret 1999 (990.233), dan empat lainnya berasal dari pengukuran pada bulan
Desember 2005; 25, 26,27 dan 28) (yaitu 051.225,
051226,051227, dan 051.228). Kecepatan dan arah angin tercatat pada enam kesempatan
diukur dengan F1 anemometer dan F2, terletak di pusat midspan dan di atas
menara utara, masing-masing. Arah rata-rata angin untuk sebagian besar angin
kencang sekitar 250-300 o, yang berarti angin berasal dari
Uchiura Bay di sisi barat dari
jembatan. Angin ini bertiup ke arah timur ke
arah yang hampir tegak lurus terhadap sumbu jembatan (sumbu jembatan melintang
sekitar 275 o dari utara)
2. perilaku
struktural global
Dalam rangka
untuk memperjelas perilaku global selama getaran yang disebabkan oleh angin,
identifikasi modal dilakukan. Untuk tujuan ini Natural Eksitasi Teknik (berikutnya)
dalam hubungannya dengan Eigensystem Realisasi Algorithm (ERA) dan empiris
Modus Dekomposisi (EMD) bersama dengan Hilbert-Huang Transform (HHT)
dipekerjakan. Penelitian sebelumnya (Siringoringo
dan Fujino 2008) telah menunjukkan kebaikan identifikasi sistem NEXT-ERA untuk
struktur dengan mode erat-spasi seperti jembatan gantung. Selain itu, EMD-HHT (al 1998 Huang
et) pendekatan diimplementasikan dalam penelitian ini untuk meningkatkan
kinerja identifikasi modal di tengah kehadiran respon nonstationarity selama
eksitasi angin yang kuat.
Tabel 1
menunjukkan hasil lengkap identifikasi dari percepatan girder. Hal ini terkenal bahwa frekuensi
alami dan rasio redaman bervariasi dengan kecepatan angin seperti yang
ditunjukkan dalam penelitian sebelumnya (Siringoringo dan Fujino 2008),
sehingga hasil yang tercantum dalam Tabel I adalah contoh perwakilan dari set
satu data yang tercatat di kecepatan angin 24m / s. Sistem identifikasi menghasilkan 12
mode pada rentang frekuensi 0 - 1.5Hz, di mana modus girder mendominasi bentuk
modus jembatan secara keseluruhan. Di wilayah frekuensi ini, mode terdiri dari satu modus
lateral, delapan mode vertikal dan tiga mode torsional. Modus terendah ditemukan modus
lateral pada 0.089Hz, sedangkan vertikal dan pertama modus puntir pertama
adalah 0,12 dan 0.502Hz, masing-masing. Dalam frekuensi alami umum diidentifikasi dari
tanggapan topan setuju baik dengan orang-orang analitis diperkirakan oleh FEM.
Selain mode
global, sistem identifikasi juga memberikan dua mode dengan bentuk modus lokal
dengan menara dominan perpindahan lateral modal diidentifikasi di 0.6Hz dan
0.8Hz. Seperti yang akan ditampilkan
kemudian, dua mode sesuai dengan terjadinya frekuensi tunggal di-pesawat respon
dari menara. Dalam mode ini perpindahan modal
maksimum adalah di-pesawat perpindahan dari atas menara. Kedua mode yang menara di-pesawat
mode dominan disertai dengan perpindahan modal kecil girder dalam arah lateral.
3. getaran
angin yang disebabkan menara
Dari dua
menara jembatan, hanya menara selatan adalah diinstrumentasi dengan
akselerometer, sedangkan menara utara adalah diinstrumentasi dengan anemometer. Untuk alasan ini, respon menara dan
karakteristik angin di lokasi yang sama tidak dapat langsung dibandingkan. Namun, penyelidikan telah
menunjukkan bahwa karakteristik angin di kedua anemometers sangat mirip selama
enam peristiwa pengukuran. Dengan demikian, properti angin anemometer di tengah
tengah bentang (F1) pada ketinggian 62m digunakan sebagai standar untuk
analisis. Selain itu, mengingat angin ke arah
normal terhadap sumbu jembatan dominan di sebagian besar kesempatan, arah ini
diambil sebagai arah angin standar dalam respon jembatan yang normal terhadap
sumbu jembatan bernama alongwind dan respon sejajar dengan sumbu jembatan
bernama crosswind.
Tanggapan
percepatan dianalisis dalam penelitian ini diperoleh dari dua tingkat: 1) pada
tingkat dek: simpul AM2 (42 m dari permukaan air), dan 2) di atas menara:
simpul AM3 dan AM4 (139,5 m dari permukaan air ). Dari semua accelerometers, hanya AM4
ditempatkan di kaki barat, sisanya berada di kaki timur. Untuk mengamati respon jembatan
akar-mean-square (RMS) dari respon percepatan 10 menit dihitung. Tanggapan tower dianalisis secara
terpisah dalam dua arah: 1) out-of-plane motion, di mana menara berosilasi
secara paralel porosnya lemah terhadap sumbu jembatan karena crosswind, dan 2)
yang di-pesawat gerak, di mana menara berosilasi pada sumbu kuat karena
alongwind dalam arah tegak lurus terhadap sumbu jembatan.
|
2361
|
3.1. Hubungan antara Kecepatan Angin dan
Menara Out-of-Plane Percepatan
Gambar 2 (a) dan (b) menunjukkan menara
out-of-plane respon sehubungan dengan rata-rata kecepatan di-angin diperoleh
dari dua ketinggian yang berbeda dari accelerometer. Dari angka orang dapat melihat tren
yang jelas di mana menara out-of-plane percepatan meningkat dengan meningkatnya
kecepatan angin. Evaluasi tren menunjukkan bahwa
hubungan antara angin dan menara out-of-plane motion mengikuti erat tren
hentakan, dan dalam hal ini dapat digambarkan oleh persamaan kuadrat.
3.2. Hubungan antara Kecepatan Angin dan
Menara In-Plane Percepatan
Gambar 2 (c) menunjukkan hubungan
antara menara di-pesawat akselerasi dan kecepatan rata-rata dalam jangka RMS. Satu dapat mengamati kecenderungan
umum serupa bahwa percepatan menara meningkat dengan meningkatnya kecepatan
angin. Namun perlu dicatat, ada tiga daerah
dengan pola terlihat. Pada
kecepatan rendah angin (kurang dari 13m / s) dan kecepatan angin lebih tinggi
(lebih dari 24m / s), hubungan ini agak mirip dengan gerakan crosswind, di mana
peningkatan percepatan proporsional dengan kecepatan angin. Untuk kecepatan angin antara 13 dan
24m / s, namun, ada perubahan mendadak dalam percepatan, di mana RMS besar
percepatan dapat diamati.
Dalam rangka untuk mengklarifikasi
tanggapan karakteristik dari tiga wilayah angin, waktu-domain dan
frekuensi-domain karakteristik tanggapan dianalisis. Hasilnya adalah sebagai berikut:
- Di wilayah kecepatan angin pertama (<13 m / s) percepatan menara cukup acak dengan amplitudo yang relatif kecil. Spektrum frekuensi yang ditandai dengan beberapa puncak didominasi oleh empat puncak frekuensi dalam kisaran 0-2Hz (yaitu 0.48Hz, 0.6Hz, 0.8H z dan 1.01Hz). Di wilayah kecepatan angin (> 24 m / s), percepatan amplitudo menjadi lebih besar daripada Region 1 tetapi umumnya lebih kecil daripada di Kawasan 2. tanggapan waktu-domain cenderung lebih acak. Respon domain frekuensi chara cterized oleh beberapa puncak frekuensi yang sama dengan puncak yang muncul di wilayah angin pertama. Singkatnya, mirip dengan wilayah pertama, respon dapat biasanya digambarkan sebagai respon hentakan.
- Di wilayah kecepatan angin sedang (Region 2) (yaitu v = 14 ~ 24m / s), tanggapan yang ditandai dengan dominasi puncak frekuensi tunggal baik di 0.6Hz atau 0.8Hz. Gambar 3 menunjukkan contoh wakil dari respon Di wilayah ini. Waktu respon percepatan domain dari single-frekuensi puncak r esponse relatif konstan selama beberapa menit dan tanggapan AM3Y (di atas) dan AM2Y (tingkat deck) berada di fase, dan memiliki proporsi amplitudo konstan.
Karakteristik
menara gerak di-pesawat untuk semua catatan yang tersedia diperiksa dan hasilnya dikelompokkan ke dalam
empat kategori: 1) random seperti respon dengan beberapa puncak frekuensi, 2)
harmonik seperti respon dengan puncak tunggal-frekuensi di 0.6Hz, 3 ) respon
harmonik-seperti dengan puncak frekuensi tunggal di 0.8Hz, dan 4) respon
didominasi oleh dua puncak frekuensi (0.6Hz dan
0.8Hz). Diamati bahwa:
1.
Menara di-pesawat gerakan dengan multi-puncak
acak-seperti respon karakteristik umumnya memiliki RMS lebih kecil dibandingkan
dengan tanggapan lain di kawasan kecepatan angin yang sama. Hubungan antara RMS percepatan
sehubungan dengan kecepatan angin dari respon dom-seperti berlari dapat digambarkan dengan menggunakan
persamaan kuadrat mirip dengan menara out-of-plane motion.
Gambar 2.
Hubungan antara rata-rata kecepatan angin dan RMS percepatan menara di (a) AM3X
crosswind, (b) AM4X crosswind, dan (c) AM3Y alongwind
2.
Sebagaimana dijelaskan sebelumnya, di wilayah angin 2 (13-24m
/ s), tanggapan yang ditandai dengan harmonik seperti respon frekuensi tunggal
di 0.6Hz atau 0.8Hz. Tanggapan
dengan frekuensi yang terakhir muncul di kisaran kecepatan angin lebih tinggi
(17 -24m / s), sementara mantan pir ap di kisaran kecepatan angin lebih rendah (13 - 17m / s). Di wilayah angin ini, kita juga
dapat menemukan respon dengan puncak dua frekuensi (yaitu 0.6Hz dan 0.8Hz
muncul secara bersamaan), tapi respon time-domain mereka umumnya memiliki
amplitudo kecil dibandingkan dengan singl puncak e-frekuensi. (Gambar 4 (a)).
3.
tanggapan dengan single-frekuensi puncak 0.6Hz dan
0.8Hz terjadi pada kecepatan angin berkurang (V r V / FD) sekitar 7-8.
4.
Semua tanggapan dengan puncak 0.8Hz frekuensi tunggal
yang disebabkan oleh angin berasal dari Barat-Southw est kuadran dan terbatas dalam waktu
10 sampai 30 derajat dari sumbu jembatan melintang. Sementara itu, sebagian besar
tanggapan dengan 0.6Hz puncak frekuensi tunggal yang disebabkan oleh angin
berasal dari Barat-Barat Laut dalam waktu 20 derajat dari sumbu jembatan
melintang.
5.
Sebagian besar tanggapan dengan karakteristik
frekuensi tunggal memiliki intensitas turbulensi rendah (yaitu sekitar 10%). Intensitas turbulensi rendah
dikaitkan dengan fakta bahwa semua tanggapan gembira dengan angin yang datang
dari laut terbuka di Uchiura Bay.
|
2363
|
Gambar 3.
Contoh tower di-pesawat respon akselerasi dan spektrum pada kecepatan moderat
angin (13-24m / s), di mana frekuensi tunggal 0.6Hz dan 0.8Hz mendominasi
respon.
4. getaran
angin diinduksi girder
Hubungan antara percepatan gelagar
vertikal dan kecepatan angin mirip dengan respon karena hentakan diamati pada
jembatan bentang panjang lainnya. Akar rata-persegi maksimum (RMS) dari percepatan
vertikal diukur pada tengah tengah bentang mencapai hingga 16cm / s 2, sedangkan untuk sisi span RMS
maksimum adalah sekitar 12cm / s 2. Di arah lateral, bagaimanapun, tren peningkatan ini
tidak proporsional untuk semua rentang kecepatan angin. Ada ada angin daerah kecepatan, di
mana perubahan mendadak dalam percepatan diamati.
Tanggapan angin wilayah kecepatan 14
- 24m / s dan 17-24m / s untuk AK1Y dan AK5Y, masing-masing secara signifikan
lebih tinggi dari yang lain. Untuk percepatan tengah bentang (AK1Y), RMS meningkat
tiba-tiba setelah 13m / s dan mencapai puncak pada 17m / s (lihat Gambar 4
(b)). Untuk percepatan sidespan (AK5Y),
RMS meningkat tiba-tiba setelah 17m / s dan mencapai puncak pada 20m / s. Perhatikan bahwa dalam kedua
bentang, peningkatan akselerasi terbatas dalam kecepatan angin dari 14-24m / s
yang bertepatan dengan wilayah angin di mana menara Selatan mengalami frekuensi
tunggal yang dominan di-pesawat gerak. Analisis frekuensi spektrum dari girder percepatan
lateral menegaskan bahwa kehadiran puncak frekuensi 0.6Hz dan 0.8Hz terkait
dengan menara percepatan di-pesawat.
2364 DM Siringoringo dan Y. Fujino / Procedia Mesin 14
(2011) 2358-2365
. Gambar 4.
Hubungan antara rata-rata kecepatan angin dan RMS untuk (a) AM3Y alongwind
percepatan sehubungan dengan karakteristik frekuensi, dan (b) AK1Y girder
percepatan lateral alongwind (Catatan MF: beberapa puncak frekuensi, SF 0.6Hz:
Single Frekuensi puncak pada 0,6 Hz, SF 0.8Hz: single puncak frekuensi di
0.8Hz, DF 0.6Hz & 0.8Hz: puncak frekuensi ganda pada 0.6Hz dan 0.8Hz)
Tabel 1
Diidentifikasi global Modal Parameter HSB
Catatan: V: Vertical, L: Lateral, T:
Torsion, A: Asymetric, S: simetris, B: Bending, dan menara mode dominan 0.6Hz
dan 0.8Hz tidak termasuk
5. Diskusi
Single-frekuensi
harmonik seperti eksitasi yang terjadi pada kecepatan angin yang relatif
moderat agak mirip dengan kondisi resonansi sering diamati selama osilasi
vortex-shedding. Sementara vortex shedding menara
jembatan ini tidak biasa selama tahap konstruksi berdiri bebas, terjadinya pada
menara jembatan selesai, terutama pada sumbu kuat sangat jarang. Getaran mirip frekuensi tunggal
alongwind pada menara jembatan bentang panjang ini dilaporkan oleh Larose et
al. (1998) dari pengamatan Storebaelt
Bridge menara selama berdiri bebas panggung. Gangguan bangun dari struktur hilir
karena pengaturan terhuyung-huyung dari kaki menara diperkirakan sebagai
mekanisme kemungkinan menara tunggal frekuensi osilasi. Fenomena ini telah diamati pada
getaran dua silinder tinggi ditempatkan di
|
2365
|
a dekat, di mana pemisahan aliran
yang terjadi pada struktur hulu menggairahkan getaran struktur hilir. Seperti yang ditunjukkan oleh
Zdravkovich (1985) untuk struktur silinder, dan oleh Godwa et al. (2006) untuk
struktur persegi panjang, terjadinya aliran-gangguan ini osilasi tergantung
pada rasio antara longitudinal dan transversal jarak antara struktur.
Dalam kasus menara HSB rasio antara
jarak longitudinal kaki tower (L) dan lebar menara di arah normal ke angin (D)
(rasio L / D) adalah sekitar 5,5. Di arah melintang, dua jarak
(T) dapat dianggap sejak 0.6Hz dan
0.8Hz tunggal frekuensi osilasi sangat antusias dengan angin dari dua arah yang
berbeda, 290 o dan 250 o, masing-masing. Ini memberikan rasio (T / D) 1,3 dan
2,1 untuk 0.6Hz dan osilasi 0.8Hz frekuensi tunggal, masing-masing. Dengan rasio ini, kaki menara hilir
mungkin mengalami osilasi disebabkan oleh gangguan bangun. Kaki menara hilir tenggelam di
bangun diciptakan oleh pusaran-shedding belakang kaki menara hulu, dan ini
menyebabkan fluktuasi gaya drag. Ketika kaki menara hilir sepenuhnya terendam di bangun
gaya drag menurun, tapi ketika itu kurang terendam kekuatan meningkat. Fluktuasi ini diduga menyebabkan
streamwise di-pesawat osilasi menara dan osilasi dipindahkan ke gelagar melalui
kabel suspensi.
Referensi
- Gowda BHL dan Kumar RA. Osilasi aliran-diinduksi dari silinder persegi karena efek interferensi, J. Suara dan Getaran Vol.297, 2006, pp.842-864
- Huang NE, Shen Z, Long SR, Wu MC, Shis HH, Zheng Q, Yen N, Tung CC, Liu HH. Empiris modus dekomposisi dan spektrum Hilbert untuk analisis time series nonlinear dan nonstationary, Proceeding masyarakat Royal London A Vol.454, 1998, 903-995.
- Larose GL, Zasso A, Melelli S, dan Casanova D. Bidang pengukuran respon angin yang disebabkan dari 254 m tinggi berdiri bebas jembatan pylon, Jurnal Teknik Angin dan Industri Aerodinamika Vol. 74-76, 1998, hlm 891-902
- Siringoringo DM dan Fujino Y. Sistem identifikasi jembatan gantung dari respon getaran ambien, Struktur Teknik Vol.30 (2), 2008, hlm 462 -. 477.
- Zdravkovich, MM, 1985, Aliran-diinduksi osilasi dari dua campur silinder sirkular, Journal of Sound dan Getaran Vol.101, 1985, pp.511 - 521.
