Procedia Rekayasa 14 (2011) 2358-2365
Konferensi Keduabelas East Asia-Pasifik pada Rekayasa
Struktural dan Konstruksi
Pengamatan Getaran Angin 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.
- 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.
- 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.
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.
