Lock-in and drag amplification effects in slender line-like structures through CFD

Belver, Ali Vasallo; Lorenzana, A.; Rossi, Riccardo

doi:10.12989/was.2012.15.3.189

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“…This allows 3D representation of a line-like structure, considering an arbitrary number of modes, which are necessary for a proper representation of the dynamic behavior. The Pseudo-3D method was applied for the computation of vortex-induced vibrations of vertical steel masts [17] and the Niterói bridge [18], where the results were validated with experiments. An attempt was made in [19] to utilize the laminar Pseudo-3D method for to determine the critical flutter limit with few slices and as few as five modes.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Aeroelastic analyses of bridges using a Pseudo-3D vortex method and velocity-based synthetic turbulence generation

Kavrakov

Morgenthal

2018

Engineering Structures

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The accurate representation of aerodynamic forces is essential for a safe, yet reasonable design of long-span bridges subjected to wind effects. In this paper, a novel extension of the Pseudo-three-dimensional Vortex Particle Method (Pseudo-3D VPM) is presented for Computational Fluid Dynamics (CFD) buffeting analysis of line-like structures. This extension entails an introduction of free-stream turbulent fluctuations, based on the velocity-based turbulence generation. The aerodynamic response of a longspan bridge is obtained by subjecting the 3D dynamic representation of the structure to correlated free-stream turbulence in twodimensional (2D) fluid planes, which are positioned along the bridge deck. The span-wise correlation of the free-stream turbulence between the 2D fluid planes is established based on Taylor's hypothesis of frozen turbulence. Moreover, the application of the laminar Pseudo-3D VPM is extended to a multimode flutter analysis. Finally, the structural response from the Pseudo-3D flutter and buffeting analyses is verified with the response, computed using the semi-analytical linear unsteady model in the time-domain. Meaningful merits of the turbulent Pseudo-3D VPM with respect to the linear unsteady model are the consideration of the 2D aerodynamic nonlinearity, nonlinear fluid memory, vortex shedding and local non-stationary turbulence effects in the aerodynamic forces. The good agreement of the responses for the two models in the 3D analyses demonstrates the applicability of the Pseudo-3D VPM for aeroelastic analyses of line-like structures under turbulent and laminar free-stream conditions.

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Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Aeroelastic analyses of bridges using a Pseudo-3D vortex method and velocity-based synthetic turbulence generation

Kavrakov

Morgenthal

2018

Engineering Structures

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“…Die Reduzierung der Bauwerksmasse verringert Trägheitskräfte, die einer übermäßigen Bauwerksschwingung entgegenwirken können. Wenn gleichzeitig die Dämpfung sehr niedrig ist und Resonanzerscheinungen bis hin zu „Lock‐in‐Effekten“ auftreten , ist es unerlässlich, schwingungsmindernde Maßnahmen zu ergreifen, um die Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit der betroffenen Bauwerke sicherzustellen.…”

Section: Introductionunclassified

Monitoringgestützte Analyse von Schwingungsdämpfern in Turmbauwerken

et al. 2018

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EinleitungSind in der Bemessungspraxis von Bauwerken dynamische Untersuchungen durchzuführen, so lässt sich das maßgebende dynamische Tragverhalten der betrachteten Struktur häufig durch eine begrenzte Anzahl von Eigenschwingungen hinreichend genau beschreiben. Verschiedenste Umstände wie Einschränkungen durch den Betrieb und Platzbedarf oder auch ästhetische Anforderungen führen jedoch unter Umständen dazu, dass komplexere baudynamische Untersuchungen erforderlich werden. Insbesondere bei der Beschreibung des Schwingungsverhaltens von schlanken Bauwerken, wie Türmen, Masten oder schlanken Brückenbauwerken, kann es erforderlich sein, auch Eigenschwingungen höherer Ordnung in die Analysen einzubeziehen. Durch die Möglichkeit des Einsatzes moderner, hochfester Werkstoffe ist in den letzten Jahren ein fortschreitender Trend zu leichteren und schlankeren Konstruktionen zu beobachten. Die Reduzierung der Bauwerksmasse verringert Trägheits-Schlanke Bauwerke, wie Türme und Masten, zeigen oft ein unerwünschtes dynamisches Verhalten, wenn sie zeitlich veränderlichen Belastungen ausgesetzt sind. Eigenschwingungen höherer Ordnung sowie Resonanzphänomene zwischen den einwirkenden dynamischen Lasten und der Struktur können zu beträchtlichen Bauwerksschwingungen führen. Zur Reduzierung solcher Schwingungen werden häufig Schwingungsdämpfersysteme eingesetzt. Ein Schwingungsdämpfer ist ein Feder-Masse-Dämpfer-System, dessen dynamische Eigenschaften so auf das Bauwerk abgestimmt sind, dass die Trägheitskräfte den Bauwerksschwingungen durch einen Phasenversatz der Relativbewegung zwischen Bauwerk und Schwingungsdämpfer optimal entgegenwirken und diese reduzieren. Die Bemessung von Schwingungsdämpfern erfolgt entweder auf Grundlage numerischer Berechnungen oder durch Schwingungsversuche zur Ermittlung der dynamischen Eigenschaften des Bauwerks. Während der Lebensdauer eines Bauwerks können sich jedoch die dynamischen Eigenschaften, beispielsweise aufgrund von Alterungsprozessen, ändern, sodass die Wirksamkeit der Schwingungsdämpfer herabgesetzt wird. Im vorliegenden Beitrag wird eine Methode zur Beurteilung der Wirksamkeit von Schwingungsdämpfern unter Verwendung von Daten aus einem Structural-Health-Monitoring-(SHM-)System vorgestellt. Die Funktionalität des Schwingungsdämpfers wird durch Betrachtung des Phasenversatzes zwischen den Schwingungen des Bauwerks und des Dämpfers untersucht, wobei ein optimaler Dämpfungseffekt bei einer Phasenverschiebung von annähernd 90° zwischen diesen beiden Schwingungsantworten erwartet wird. Die vorgeschlagene Methode wird am Beispiel eines mit Schwingungsdämpfer und SHM-System versehenen Sendeturms validiert. Monitoring-based performance analysis of tuned mass dampers in tower structuresSlender structures, such as towers and masts, frequently exhibit unfavourable responses when subjected to dynamic loads, characterized by the non-negligible contribution of higher modes of vibration as well as resonant phenomena between the loads and the structure. To mitigate such responses, tuned mass dampers (...

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Introduction to Wind Engineering

2022

Computational Fluid Dynamics for Wind Engineering

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Lock-in and drag amplification effects in slender line-like structures through CFD

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Aeroelastic analyses of bridges using a Pseudo-3D vortex method and velocity-based synthetic turbulence generation

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