A novel structural modification to eliminate the early coupling between bending and torsional mode shapes in a cable stayed bridge

Abstract

In this paper, a novel structural modification approach has been adopted to eliminate the early coupling between the bending and torsional mode shapes of vibrations for a cable stayed bridge model generated using ABAQUS software. Two lateral steel beams are added to the middle span of the structure. Frequency analysis is dedicated to obtain the natural frequencies of the first eight mode shapes of vibrations before and after the structural modification approach. Numerical simulations of wind excitations are conducted for the 3D model of the cable stayed bridge with duration of 30 s supporting on real data of a strong wind from the literature. Both vertical and torsional displacements are calculated at the mid span of the deck to analyze both the bending and the torsional stiffness of the system before and after the structural modification. The results of the frequency analysis after applying lateral steel beams declared a safer structure against vertical and torsional vibrations and rarely expected flutter wind speed. Furthermore, the coupling between the vertical and torsional mode shapes has been removed to larger natural frequencies magnitudes with a high factor of safety. The novel structural approach manifested great efficiency in increasing vertical and torsional stiffness of the structure.

Keywords

aeroelastic instability / structural damping / flutter wind speed / bending stiffness / torsional stiffness

References

[1] Areias P, Rabczuk T, Msekh M. Phase-field analysis of finite-strain plates and shells including element subdivision. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 2016 (in press)

[2] Areias P, Reinoso J, Camanho P, Rabczuk T. A constitutive-based element-by-element crack propagation algorithm with local remeshing. Computational Mechanics, 2015, 56(2): 291–315

[3] Areias P, Msekh M A, Rabczuk T. Damage and fracture algorithm using the screened Poisson equation and local remeshing. Engineering Fracture Mechanics, 2016, 158: 116–143

[4] Nguyen-Thanh N, Valizadeh N, Nguyen M N, Nguyen-Xuan H, Zhuang X, Areias P, Zi G, Bazilevs Y, De Lorenzis L, Rabczuk T. An extended isogeometric thin shell analysis based on Kirchhoff-Love theory. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 2015, 284: 265–291

[5] Areias P M A, Rabczuk T, Camanho P P. Finite strain fracture of 2D problems with injected anisotropic softening elements. Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 2014, 72: 50–63

[6] Areias P, Rabczuk T, Dias-da-Costa D. Element-wise fracture algorithm based on rotation of edges. Engineering Fracture Mechanics, 2013, 110: 113–137

[7] Areias P, Rabczuk T, Camanho P P. Initially rigid cohesive laws and fracture based on edge rotations. Computational Mechanics, 2013, 52(4): 931–947

[8] Vu-Bac N, Lahmer T, Zhuang X, Nguyen-Thoi T, Rabczuk T. A software framework for probabilistic sensitivity analysis for computationally expensive models. Advances in Engineering Software, 2016, 100: 19–31

[9] Ren H, Zhuang X, Cai Y, Rabczuk T. Dual-horizon peridynamics. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 2016, 108(12): 1451–1476

[10] Vu-Bac N, Rafiee R, Zhuang X, Lahmer T, Rabczuk T. Uncertainty quantification for multiscale modeling of polymer nanocomposites with correlated parameters. Composites. Part B, Engineering, 2014, 68: 446–464

[11] Ghasemi H, Brighenti R, Zhuang X, Muthu J, Rabczuk T. Optimum fiber content and distribution in fiber-reinforced solids using a reliability and NURBS based sequential optimization approach. Structural and Multidisciplinary Optimization, 2015, 51(1): 99– 112

[12] Valizadeh N, Bazilevs Y, Chen J S, Rabczuk T. A coupled IGA-meshfree discretization of arbitrary order of accuracy and without global geometry parameterization. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 2015, 293: 20–37

[13] Nguyen B H, Tran H D, Anitescu C, Zhuang X, Rabczuk T. An isogeometric symmetric galerkin boundary element method for elastostatic analysis. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 2016, 306: 252–275

[14] Nguyen V P, Anitescu C, Bordas S P A, Rabczuk T. Isogeometric analysis: An overview and computer implementation aspects. Mathematics and Computers in Simulation, 2015, 117(4190): 89–116

[15] Anitescu C, Jia Y, Zhang Y, Rabczuk T. An isogeometric collocation method using super convergent points. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 2015, 284: 1073–1097

[16] Amiri F, Anitescu C, Arroyo M, Bordas S, Rabczuk T. XLME interpolants, a seamless bridge between XFEM and enriched meshless methods. Computational Mechanics, 2014, 53(1): 45–57

[17] Nanthakumar S, Lahmer T, Zhuang X, Zi G, Rabczuk T. Detection of material interfaces using a regularized level set method in piezoelectric structures. Inverse Problems in Science and Engineering, 2016, 24(1): 153–176

[18] Talebi H, Silani M, Rabczuk T. Concurrent multiscale modelling of three dimensional crack and dislocation propagation. Advances in Engineering Software, 2015, 80: 82–92

[19] Talebi H, Silani M, Bordas S, Kerfriden P, Rabczuk T. A computational library for multiscale modelling of material failure. Computational Mechanics, 2014, 53(5): 1047–1071

[20] Talebi H, Silani M, Bordas S P A, Kerfriden P, Rabczuk T. Molecular dynamics/XFEM coupling by a three-dimensional extended bridging domain with applications to dynamic brittle fracture. International Journal for Multiscale Computational Engineering, 2013, 11(6): 527–541

[21] Ghorashi S, Valizadeh N, Mohammadi S, Rabczuk T. T-spline based XIGA for fracture analysis of orthotropic media. Computers & Structures, 2015, 147: 138–146

[22] Zi G, Rabczuk T, Wall W A. Extended meshfree methods without branch enrichment for cohesive cracks. Computational Mechanics, 2007, 40(2): 367–382

[23] Rabczuk T, Belytschko T. Application of particle methods to static fracture of reinforced concrete structures. International Journal of Fracture, 2006, 137(1-4): 19–49

[24] Rabczuk T, Bordas S, Zi G. A three-dimensional meshfree method for continuous multiple crack initiation, nucleation and propagation in statics and dynamics. Computational Mechanics, 2007, 40(3): 473–495

[25] Bordas S, Rabczuk T, Zi G. Three-dimensional crack initiation, propagation, branching and junction in non-linear materials by extrinsic discontinuous enrichment of meshfree methods without asymptotic enrichment. Engineering Fracture Mechanics, 2008, 75(5): 943–960

[26] Rabczuk T, Zi G, Bordas S, Nguyen-Xuan H. A geometrically non-linear three dimensional cohesive crack method for reinforced concrete structures. Engineering Fracture Mechanics, 2008, 75(16): 4740–4758

[27] Rabczuk T, Bordas S, Zi G. On three-dimensional modelling of crack growth using partition of unity methods. Computers & Structures, 2010, 88(23-24): 1391–1411

[28] Rabczuk T, Zi G. A meshfree method based on the local partition of unity for cohesive cracks. Computational Mechanics, 2007, 39(6): 743–760

[29] Rabczuk T, Zi G, Bordas S, Nguyen-Xuan H. A simple and robust three-dimensional cracking-particle method without enrichment. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 2010, 199(37-40): 37–40, 2437–2455

[30] Rabczuk T, Areias P M A, Belytschko T. A meshfree thin shell method for nonlinear dynamic fracture. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 2007, 72(5): 524–548

[31] Amiri F, Milan D, Shen Y, Rabczuk T, Arroyo M. Phase-field modeling of fracture in linear thin shells. Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 2014, 69: 102–109

[32] Areias P, Rabczuk T. Finite strain fracture of plates and shells with configurational forces and edge rotation. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 2013, 94(12): 1099–1122

[33] Chau-Dinh T, Zi G, Lee P S, Song J H, Rabczuk T. Phantom-node method for shell models with arbitrary cracks. Computers & Structures, 2012, 92–93: 242–256

[34] Nguyen-Thanh N, Kiendl J, Nguyen-Xuan H, Wuchner R, Bletzinger K U, Bazilevs Y, Rabczuk T. Rotation free isogeometric thin shell analysis using PHT-splines. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 2011, 200(47-48): 3410–3424

[35] Nguyen-Thanh N, Rabczuk T, Nguyen-Xuan H, Bordas S. A smoothed finite element method for shell analysis. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 2008, 198(2): 165–177

[36] Rabczuk T, Belytschko T. A three dimensional large deformation meshfree method for arbitrary evolving cracks. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 2007, 196(29-30): 2777–2799

[37] Rabczuk T, Eibl J, Stempniewski L. Simulation of high velocity concrete fragmentation using SPH/MLSPH. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 2003, 56(10): 1421–1444

[38] Rabczuk T, Eibl J, Stempniewski L. Numerical analysis of high speed concrete fragmentation using a meshfree Lagrangian method. Engineering Fracture Mechanics, 2004, 71(4-6): 547–556

[39] Rabczuk T, Eibl J. Modeling dynamic failure of concrete with meshfree particle methods. International Journal of Impact Engineering, 2006, 32(11): 1878–1897

[40] Rabczuk T, Samaniego E, Belytschko T. Simplied model for predicting impulsive loads on submerged structures to account for fluid-structure interaction. International Journal of Impact Engineering, 2007, 34(2): 163–177

[41] Rabczuk T, Areias P M A, Belytschko T. A simplied meshfree method for shear bands with cohesive surfaces. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 2007, 69(5): 993–1021

[42] Rabczuk T, Samaniego E. Discontinuous modelling of shear bands using adaptive meshfree methods. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 2008, 197(6-8): 641–658

[43] Rabczuk T, Gracie R, Song J H, Belytschko T. Immersed particle method for fluid-structure interaction. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 2010, 81(1): 48–71

[44] Rabczuk T, Belytschko T. Cracking particles: A simplified meshfree method for arbitrary evolving cracks. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 2004, 61(13): 2316–2343

[45] Rabczuk T, Belytschko T, Xiao S P. Stable particle methods based on Lagrangian kernels. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 2004, 193(12-14): 1035–1063

[46] Rabczuk T, Akkermann J, Eibl J. A numerical model for reinforced concrete structures. International Journal of Solids and Structures, 2005, 42(5-6): 1327–1354

[47] Rabczuk T, Eibl J. Numerical analysis of prestressed concrete beams using a coupled element free Galerkin/nite element method. International Journal of Solids and Structures, 2004, 41(3-4): 1061–1080

[48] Rabczuk T, Belytschko T. Adaptivity for structured meshfree particle methods in 2D and 3D. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 2005, 63(11): 1559–1582

[49] Budarapu P R, Sudhir Sastry Y B, Natarajan R. Design concepts of an aircraft wing: Composite and morphing airfoil with auxetic structures. Frontiers of Structural and Civil Engineering, 2016, (in press)

[50] Sudhir Sastry Y B, Budarapu P R, Madhavi N, Krishna Y N. Buckling analysis of thin wall stiffened composite panels. Computational Materials Science, 2015, 96(B): 459–471

[51] Sudhir Sastry Y B, Budarapu P R, Krishna Y, Devaraj S. Studies on ballistic impact of the composite panels. Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 2014, 72: 2–12

[52] Thai H C, Nguyen-Xuan H, Bordas S, Nguyen-Thanh N, Rabczuk T. Isogeometric analysis of laminated composite plates using the higher-order shear deformation theory. Mechanics of Advanced Materials and Structures, 2015, 22(6): 451–469

[53] Thai C H, Ferreira A J M, Bordas S, Rabczuk T, Nguyen-Xuan H. Isogeometric analysis of laminated composite and sandwich plates using a new inverse trigonometric shear deformation theory. European Journal of Mechanics. A, Solids, 2014, 43: 89–108

[54] Phan-Dao H, Nguyen-Xuan H, Thai-Hoang C, Nguyen-Thoi T, Rabczuk T. An edge-based smoothed finite element method for analysis of laminated composite plates. International Journal of Computational Methods, 2013, 10(1): 1340005

[55] Thai C H, Nguyen-Xuan H, Nguyen-Thanh N, Le T H, Nguyen-Thoi T, Rabczuk T. Static, free vibration and buckling analysis of laminated composite Reissner-Mindlin plates using NURBS-based isogeometric approach. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 2012, 91(6): 571–603

[56] Nguyen-Xuan H, Rabczuk T, Bordas S, Debongnie J F. A smoothed finite element method for plate analysis. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 2008, 197(13-16): 13–16, 1184–1203

[57] Budarapu P R, Javvaji B, Sutrakar V K, Roy Mahapatra D, Zi G, Rabczuk T. Crack propagation in Graphene. Journal of Applied Physics, 2015, 118(6): 064307

[58] Yang S W, Budarapu P R, Mahapatra D R, Bordas S P A, Zi G, Rabczuk T. A meshless adaptive multiscale method for fracture. Computational Materials Science, 2015, 96B: 382–395

[59] Budarapu P R, Sudhir Sastry Y B, Javvaji B, Mahapatra D R. Vibration analysis of multi-walled carbon nanotubes embedded in elastic medium. Frontiers of Structural and Civil Engineering, 2014, 8(2): 151–159

[60] Budarapu P R, Narayana T S S, Rammohan B, Rabczuk T. Directionality of sound radiation from rectangular panels. Applied Acoustics, 2015, 89: 128–140

[61] Budarapu P R, Gracie R, Yang S W, Zhaung X, Rabczuk T. Efficient coarse graining in multiscale modeling of fracture. Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 2014, 69: 126–143

[62] Budarapu P R, Gracie R, Bordas S P A, Rabczuk T. An adaptive multiscale method for quasi-static crack growth. Computational Mechanics, 2014, 53(6): 1129–1148

[63] Valizadeh N, Natarajan S, Gonzalez-Estrada O A, Rabczuk T, Bui T Q, Bordas S P A. NURBS-based finite element analysis of functionally graded plates: Static bending, vibration, buckling and flutter. Composite Structures, 2013, 99: 309–326

[64] Shin Y B, Sin S H, Kim Y M, Hwang J S. Performance evaluation of linear active mass damper for bridges through wind tunnel test. In: Proceedings of the 9th International Conference on Structural Dynamics. EURODYN 2014, Porto, Portugal, 30 June–2 July, 2014

[65] Vairo G. A Simple analytical approach to the aeroelastic stability problem of long span cable stayed bridges. International Journal for Computational Methods in Engineering Science and Mechanics, 2010, 11(1): 1–19

[66] Man S K. Lateral and torsional vibration control of long span bridge deck using novel tuned liquid column dampers. Dissertation for the Doctoral Degree. Kowloon: The Hong Kong Polytechnic University, 2004

[67] Ge Y J, Xiang H F. Bluff Body Aerodynamics Application I challenging bridge span Length. BBAA VI International Colloquium on: Bluff Bodies Aerodynamics and Applications, Milano, Italy, 20–24 July, 2008

[68] Ding Q, Lee P K K. Computer simulation of buffeting actions of suspension bridges under turbulent wind. Computers & Structures, 2000, 76(6): 787–797

[69] Zhang W. Fatigue performance of exciting bridges under dynamic loads from winds and vehicles. Dissertation for the Doctoral Degree. Louisiana: Louisiana State University, 2012

[70] He X, Babak M, Conte J P, Ahmed E. Modal identification study of Vincent Thomas Bridge using simulated wind-induced ambient vibration data. Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering, 2008, 23: 373–388

[71] Winther S J, Sorensen N, Nielsen S R K. Aeroelastic stability of suspension bridges using CFD. In: Proceedings of International Symposium of the International Association for Shell and Spatial Structures (IASS). Structural Architecture towards the future looking to the past. Venice, Italy, 3–6 December 2007

[72] Preumont A, Voltan M, Sangiovanni A, Bastaits R, Mokrani B, Alaluf D. An investigation of the active damping of Suspension Bridges. Mathematics and Mechanics of Complex Systems, 2015, 3(4): 385–406

[73] Pacheco B, Fujino Y, Sulekh A. Estimation curve for modal damping in stay cables with viscous damper. Journal of Structural Engineering, 1993, 119(6): 1961–1979

[74] Wang H, Li A, Zong Z, Tong T, Zhou R. Damper Optimization for Long-Span Suspension Bridges: Formulations and Applications. IGI global, Pennsylvania, 2013, DOI: 10.4018/978-1-4666-2029-2.ch005

[75] Fujino Y, Siringoringo D M, Nagayama T, Su D. Control, simulation and monitoring of bridge vibration — Japan’s recent development and practice. IABSE-JSCE Joint Conference on Advances in Bridge Engineering-II, Dhaka, Bangladesh, 8–10 August, 2010

[76] Naimul Haque Md. Shaping effects on aerodynamics of long-span cable-supported bridge deck by unsteady RANS. Dissertation for the Doctoral Degree. Louisiana: Yokohama National University, 2015

[77] Krzystof W. Passive Aerodynamic Control of Wind Induced Instabilitues in Long Span Bridges. Wydawnictwo Politechniki Gdanskiej, Gdansk, 2002

[78] Nicholas P. Jones, Cheryl A. Spartz. structural damping estimation for long-span bridges. Journal of Engineering Mechanics, 1990, 116(11): 2414–2433

[79] Xiong L, Liao H L, Li M S. The flutter performance study for a suspension bridge based on numerical analysis and wind-tunnel test. The 2014 World Congress on Advances in Civil, Environmental and Materials Research (ACEM14), Busan, Korea, 24–28 August, 2014

[80] Bakis K N, Massaro M, Williams M S, Limebeer D J N. Aeroela stic control of long-span suspension bridges with controllable winglets. Journal of Structural Control and Health Monitoring, 2016, DOI: 10.1002/stc.1839

[81] Kusano I, Baldomir A, Jurado J A, Hernandez S. Reliability based design optimization of long span bridges considering flutter. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2014, 135: 149–162

[82] Su C, Han D J, Yan Q S, Au F T K, Tham L G, Lee P K K, Lam K M, Wong K Y. Wind-induced vibration analysis of the Hong Kong Ting Kau Bridge. Proceedings of the Institution of Civil Engineers, Structures and Buildings, 2003, 156(3): 263–272

[83] Phan D H, Nguyen N T. Flutter and buffeting control of long-span suspension bridge by passive flaps: Experiment and Numerical Simulation. International Journal of Aeronautical and Space Science, 2013, 14(1): 46–57

[84] Kusano I. Reliability based design optimization of long span bridges under flutter constraint. Dissertation for the Doctoral Degree. La Coruna: Universidade Da Coruna, 2015

[85] Cheng S. Structural and aerodynamic stability analysis of long span cable stayed bridges. Dissertation for the Doctoral Degree. Ottawa: Carleton University, 1999

[86] Petersen C. Schwingungsdämpfer im Ingenieurbau. Munich: Maurer Söhne GmbH and Co KG, 2001

[87] Ziegler F, Kazemi Amiri A. Bridge vibrations effectively damped by means of tuned liquid column gas dampers. Asian Journal of Civil Engineering, 2013, 14(1): 1–16

[88] Caruso G. Othman Ben Mekki, Frederic Bourquin. Modeling and experimental validation of a new electromechanical damping device. Journal of Vibroengineering, 2009, 11(4): 1–9

[89] Chen X Z, Kareem A, Matsumoto M. Multimode coupled flutter and buffeting analysis of long span bridges. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2001, 89: 649–664

[90] Sato H, Hirahara N, Fumoto K, Hirano S, Kusuhara S. Full aeroelastic model test of a super long-span bridge with slotted box girder. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2002, 90(12-15): 2023–2032

[91] Dyrbye C, Hansen S O. Wind loads on structures. UK: John Wiley and Sons Ltd, 1997

[92] Johansson J, Andersen M S, Øvre M S. Non-flutter design principle for long span bridges. In: Proceedings of the Eighth Asia-Pacific Conference on Wind Engineering. 2013

[93] Andersen M S, Sahin E, Laustsen B, Lenius M, Læso J R. Implementation of the non-flutter design principle. In: XIII Conference of the Italian Association for Wind Engineering IN-VENTO 2014. Genova, Italy, 22–25 June, 2014

[94] Bartoli G, D’Asdia P, Febo S, Mannini C, Noè S, Procino L. Innovative configurations for long-span suspension bridges. EACWE 5 Florence, Italy, 19 – 23 July, 2009

[95] Simiu E, Scanlan R H. Wind Effects on Structures: An Introduction to Wind Engineering. 2nd ed. New York: John Wiley & Sons, 1986

[96] Wang H,TAO Tian-you,CHENGHuai-yu,LI Ai-qun. A simulation study on the optimal control of buffeting displacement for the Sutong Bridge with multiple tuned mass dampers. Journal of Zhejiang University-SCIENCE A (Applied Physics & Engineering), 2014, 15(10): 798–812

Acknowledgements

The author wishes to thank and express his gratitude to Prof. Dr.-Ing. Timon Rabczuk, the chair of computational mechanics at Bauhaus Universität-Weimar, Germany, for his continuous support and invaluable assistance in providing guidance and consultancy relating to this research paper.

RIGHTS & PERMISSIONS

2016 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg