The purpose of this thesis is to provide insight into how different geometric parameters such as tower height, girder depth, and pier dimensions influence the structural behaviour, cost, and feasibility of an extradosed bridge. A study of 51 extradosed bridges shows the variability in proportions and use of extradosed bridges, and compares their material quantities and structural characteristics to girder and cable-stayed bridges. The strategies and factors that must be considered in the design of an extradosed bridge are discussed. Two cantilever constructed girder bridges, an extradosed bridge with stiff girder, and an extradosed bridge with stiff tower are designed for a three span bridge with central span of 140 m. The structural behaviour, materials utilisation, and costs of each bridge are compared. Providing stiffness either in the girder or in the piers of an extradosed bridge are both found to be effective stategies that lead to competitive designs.

This study includes structural instrumentation and monitoring of a 48.5 meters long cable-stayed pedestrian bridge located on EskiSehir road near METU campus. The objectives of the study are (1) to monitor the bridge responses during erection and operation stages so that the strain changes are determined during important events such as transportation, lifting, cabling, mid-support removal, slab concrete pouring and tile placement, (2) to determine existing cable forces using vibration frequencies, and (3) comparison of the experimental and analytical results for model updating. A total of 10 vibrating wire type strain gages were used for strain readings in steel members. The readings are taken at various stages of construction at every 10 to 30 minutes intervals. The bridge responses were monitored about three months and large strain changes in the order of 300 to 500 micro-strain were recorded during important events (e.g., transportation, lifting, cabling, mid-support removal, deck cover placement). The deck and tower natural vibration frequency measurements are conducted in two main directions. Two different FE models are constructed using two levels of complexity. FEM analysis results are compared against measured natural frequencies of the bridge and tower. Simplistic analytical model is modified to include temporary support removal in order to perform staged construction simulation and investigate cable force variations. Actual cable tensile forces are obtained using measured cable natural vibration frequencies. The cable frequencies are measured using a CR10X data logger and a PCB 393C accelerometer. Existing cable forces are compared against analytical simulations and symmetrically placed cables

Thesis (Ph. D.)--University of Hong Kong, 1999. / Includes bibliographical references (leaves 151-157).

Thesis (M.S. in Engineering)--University of Texas at Austin, 2006. / Vita. Includes bibliographical references.

Simultâneas ocorrências de vibrações de cabos de pontes estaiadas sob ação combinada de chuva de vento têm sido observadas ao redor do mundo nos últimos 20 anos. Este mecanismo tem causado grande preocupação aos engenheiros de pontes e pesquisadores por provocar grandes amplitudes de vibração. O melhor conhecimento do fenômeno evitará que perigosas oscilações induzidas pelo efeito combinado de chuva e vento ocorram evitando que medidas sejam tomadas apenas após a ocorrência de acidentes. Foi possível determinar, neste trabalho, as características aerodinâmicas de cabos de pontes estaiadas submetidos à ação combinada de chuva e vento no que diz respeito à influência dos filetes sobre as forças aerodinâmicas (arrasto e sustentação) e sobre o desprendimento de vórtices em três modelos seccionais. O modelo M1 foi posicionado horizontalmente com vento incidente normal ao eixo longitudinal, o modelo M2 foi posicionado horizontalmente com vento incidindo obliquamente ao eixo longitudinal e o modelo M3 representa um cabo inclinado típico de ponte estaiada. Os filetes nas posições = 1 θ 60° e = 2 θ 110° aumentaram as sucções na esteira do M3 consideravelmente. Para qualquer posição dos filetes no M3 não ocorreram mudanças em seus coeficientes de sustentação. Os coeficientes de arrasto aumentaram com a presença dos filetes, no entanto não apresentaram mudanças nos valores com a variação da posição dos filetes. Em modelos horizontais, a presença dos filetes pode causar supressão ou amplificação da intensidade do desprendimento de vórtices dependendo da localização dos filetes. Para o M3 notou-se aumento da intensidade do desprendimento de vórtices para qualquer posição dos filetes. A maior intensidade ocorreu para = 1 θ 50° e = 2 θ 110°. Para todos os modelos com filetes, o desprendimento de vórtices é mais forte em escoamento turbulento. Independente da presença dos filetes, o modelo M3 apresentou freqüências de desprendimento de vórtices mais baixas que as freqüências de desprendimento do vórtice de Kármán convencional. Verifica-se, portanto, o efeito de vórtice axial. Para Re < 1,2 x 105 o filete inferior não tem influência sobre o escoamento. Entretanto, para Re > 1,2 x 105 o filete inferior passa a afetar nitidamente o escoamento em torno do cilindro. Para o modelo inclinado o filete inferior apresentou influência no escoamento para todos os valores de Re. / Simultaneous occurrences of cable vibrations under combined action of wind and rain have been observed around the world in cable-stayed bridges in the last 20 years. This mechanism has caused great concern to bridge engineers and researchers due to the large vibration amplitudes. A better knowledge of the phenomenon may prevent that dangerous oscillations induced by the combined effect of rain and wind occur, compromising the usefulness and safety of cable-stayed bridges, besides to avoiding the necessity of measures taken only after some accident occurrence. It was possible to determine, in this study, the aerodynamic characteristics of cables submitted to the combined action of rain and wind regarding the influence of rivulets on aerodynamic forces (drag and lift) and on the vortex shedding in three sectionals models. The M1 model was positioned horizontally with perpendicular wind incidence to the longitudinal axis, the M2 model was positioned horizontally with oblique wind to the longitudinal axis and the M3 model is a typical, cable of cable-stayed bridges. The rivulets positioned in the 60° (upper) position and the 110° (lower) position increase considerably the negative pressures in the M3 model wake. For any rivulets position, the M3 do not change their lift coefficients. The drag coefficients increased with the rivulet presence, however its position seems to make no difference in the values of the coefficients. In horizontal models, the rivulets can suppress or cause amplification in the vortex shedding intensity, depending of their position. For the M3 model, the vortex shedding intensity increases for all rivulets positions. The greater intensity occurred when the upper and lower rivulets were at 50° and 110°, respectively. For all models with rivulets, the vortex shedding is stronger in turbulent flow. Independent of the rivulets presence, the vortex shedding frequencies at the inclined model (M3) presented lower frequencies than the conventional Karman vortex shedding. This shows, therefore, the effects of the axial vortex. For Re < 1.2 x 105 the lower rivulet has no influence on the flow. However, for Re > 1.2 x 105 the lower rivulets affect significantly the flow around the cylinder. For the inclined model the lower rivulet has no influence on the flow for all Re range.

This study investigates the static behavior and dynamic behavior of the Stonecutters Cable-Stayed Bridge, which is the third longest cable-stayed bridge in the world, when a group of 8 cables is damaged by corrosion. In this thesis, the reduction in cable cross-section area is used to simulate the corrosion level. The corroded cables are divided into 2 groups of 4 cables, arranged in symmetric and asymmetric distributions on both decks. A finite element bridge model was employed to perform the analysis. The validation of the model was established by comparing numerical results to the published results of the bridge. The model was then subjected to gravity load only to check the effects of corrosion level, the distance of the corroded cables and the distribution of the damaged cables on the decks’ deflection and cable stresses change. In the dynamic analysis, the natural frequencies and mode shapes were compared with a reference case with no corrosion-damaged cables. A recorded wind load was applied on the deck to investigate the time-history response of the mid-span in the horizontal, vertical and torsional directions, and of the tower top in the horizontal direction. Moreover, frequency analysis was performed on the time-history response, and coupled motions at certain frequencies were observed. Numerical results as the ones presented in this thesis can complement information gathered from non-destructive testing technology in detecting corrosion-damaged stay-cables in cable-stayed bridges.

Desde 1988, ao redor do mundo, têm sido relatadas, ocorrências de vibrações de cabos de pontes estaiadas sob ação combinada de chuva de vento. Este mecanismo tem sido de grande interesse dos engenheiros de pontes e pesquisadores, por provocar vibrações de grandes amplitudes em cabos de pontes estaiadas. Estas vibrações, que são predominantemente transversais à direção do vento, foram observadas apenas sob condições de chuva leve e baixa velocidade do vento ocorrendo simultaneamente. As oscilações são provocadas principalmente pela formação e pelo movimento de filetes d´água que se dispõem ao longo da superfície dos cabos e modificam continuamente a distribuição de pressões em volta destes. Devido à alta flexibilidade, massa relativamente pequena e amortecimento extremamente baixo, o sistema de cabos de pontes estaiadas pode estar sujeito a largos movimentos dinâmicos induzidos pela ação combinada de chuva e vento. As grandes amplitudes atingidas reduzem a vida útil dos cabos e de suas conexões e em consequência causam danos aos dutos de proteção contra corrosão. Além disso, as oscilações excessivas podem provocar choques entre cabos adjacentes e causar situações de desconforto ao usuário. O melhor conhecimento do fenômeno evitará que perigosas oscilações induzidas pelo efeito combinado de chuva e vento ocorram evitando que medidas sejam tomadas apenas após a ocorrência de acidentes e não na fase de projeto. O objetivo principal deste trabalho foi investigar os mecanismos relacionados ao efeito combinado de chuva e vento através da identificação e quantificação da influência dos filetes sobre coeficientes aerodinâmicos e sobre a esteira de modelos seccionais. Modelos seccionais de diâmetros 110 mm e 200 mm foram posicionados verticalmente com vento incidente normal ao eixo longitudinal e posicionados verticalmente com vento incidindo obliquamente ao eixo. Os números de Strouhal apresentaram valores diferentes, variando de forma aleatória entre 0,18 e 0,27, em função do diâmetro do cabo e posição dos filetes. Existe, portanto a presença de vórtices de kármám (St=0,2), vórtices de alta velocidade reduzida (St=0,18) e vórtices de alta frequência (St=0,28), sendo estes dois últimos ocorrendo devido a presença dos filetes. Foi confirmada através dos gráficos de densidade espectral a existência de amplificação ou diminuição da intensidade do desprendimento dos vórtices em função da posição do filete superior podendo ocorrer até a supressão dos vórtices. Os modelos inclinados não apresentaram resultados visíveis para a análise de desprendimento de vórtices através de anemometria. Isso pode ter ocorrido devido a presença outros efeitos do vento que normalmente ocorrem sobre cabos inclinados. O escoamento axial, por exemplo, (que ocorre na direção axial do cabo e a sotavento da seção) pode ter sido impedido de se representar na câmara de ensaio do túnel, pois o escoamento pode encontrar as paredes ou pisos como obstáculo ao fluxo. Puderam-se reunir dados experimentais de cabos de diâmetros, posições de filetes e tipos de escoamentos diferentes. Estes resultados servem como base de dados para diversos modelos teóricos já desenvolvidos para estudo do fenômeno. / Since 1988, around the world, have been reported occurrences of cable-stayed bridges cables vibrations under combined action of rain wind. This mechanism has caused great concern to bridge engineers and researchers due to the large vibration amplitudes. These vibrations, which are predominantly cross-wind, were observed only under conditions of light rain and low wind speed occurring simultaneously. The oscillations are caused mainly by the formation and movement of water rivulets over the cables surface in the axial direction, which modify continuously the pressure distribution around the cable. Due to the high flexibility, relatively small mass and low damping, the cables system of cable-stayed bridges may be subject to large dynamic movements induced by the combined action of rain and wind. The large amplitudes reduce the lifetime of the cables and their connections, resulting in damage to the corrosion protection ducts. Moreover, the fluctuations can cause shocks between adjacent cables and cause user discomfort. A better knowledge of the phenomenon may prevent that dangerous oscillations induced by the combined effect of rain and wind occur, compromising the usefulness and safety of cable-stayed bridges, besides to avoiding the necessity of measures taken only after some accident occurrence. The main objective of this study was to investigate the mechanisms related to the combined effect of rain and wind by the identification and quantification of the rivulet influence on aerodynamic coefficients and sectional models wake. Sectional models diameters of 110 mm and 200 mm was positioned vertically with perpendicular wind incidence to the longitudinal axis and positioned vertically with oblique wind incidence to the longitudinal axis. The Strouhal numbers showed different values, varying randomly between 0.18 and 0.27 due the cable diameter and rivulet position. Therefore is noted the kármám vortex presence (St = 0.2), low frequency vortex (St = 0.18) and high frequency vortex (St = 0.28), the latter two occurring due the rivulet presence. Was confirmed by spectral density the amplification and the reduction of the vortex shedding intensity due rivulet position occurring until the vortex suppress. The inclined models showed no visible results for the vortex shedding analysis by anemometry. This may be occurring due the presence of other effects of the wind that normally occur on inclined cables. The axial flow, for example, (which occurs in the axial direction of the) may have been unable to be represented due the tunnel dimensions. Experimental data of cable diameters, rivulet positions and different flow was collected. These results serve as a database for theoretical models already developed for studying of the phenomenon.

“Estas vibrações são as primeiras do seu tipo para as pontes tipo viga….elas mostram a alta estabilidade aerodinâmica e confiabilidade da estrutura" (Anishyuk e Antonova, 2010). Esta é uma citação do porta-voz da empresa responsável pela construção da ponte, com vãos 120m e de 7 km de extensão, em Volgograd, na Rússia – que oscilou tão violentamente sob velocidades baixas do vento em maio de 2010, que os motoristas ficaram enjoados e a ponte foi fechada. As filmagens do movimento da ponte podem ser encontradas facilmente na internet, e causam uma visão perturbadora. O que é mais perturbador é que a empresa responsável pelo seu projeto e construção pôde ser tão ignorante da história das aerodinâmicas de pontes e conceitos aerodinâmicos básicos.As vibrações induzidas por vórtices que tinham atormentadas a Ponte Volgograd são agora atenuadas por um sistema avançado de dispositivos de amortecimento mecânico. Se as medidas de segurança tivessem sido tomadas durante a fase do projeto, a necessidade desses dispositivos de amortecimento poderia ter sido evitada. Uma variedade de dispositivos aerodinâmicos passivos tem apresentado ser extremamente eficaz na supressão das vibrações induzidas por vórtices em velocidades baixas do vento para um número de pontes de grande vão Investigações adequadas em túnel de vento realizadas durante a fase do projeto podem alertar os projetistas da existência de instabilidades aerodinâmicas inerente no projeto, e passos podem ser tomados para modificar o formato do tabuleiro para otimizar o seu desempenho dinâmico sob cargas de vento. Investigações experimentais da efetividade na supressão das vibrações induzidas por vórtices, por uma série de dispositivos aerodinâmicos passivos, têm sido realizadas no Túnel de Vento Prof. Joaquim Blessmann, em Porto Alegre. Dispositivos foram projetados com base nas modificações feitas a outros projetos de pontes que sofreram com as vibrações indesejadas da velocidade baixa do vento, tanto no túnel de vento durante a fase do projeto, durante a construção ou após a conclusão da ponte em grande escala. Dispositivos foram testados usando um modelo dinâmico de uma ponte da vida real, e os resultados indicaram que algumas modificações simples a geometria da seção transversal do tabuleiro podem ter um efeito significativo na sua resposta. / “These vibrations are the first of their kind for beam-type bridges….they show the high aerodynamic stability and reliability of the structure” (Anishyuk and Antonova, 2010). This is a quote taken from the spokesman of the company responsible for the construction of the 7km long reinforced concrete bridge in Volgograd, Russia – whose multiple continuous 120 meter spans oscillated so violently under low-wind speed conditions in May of 2010 that motorists became seasick and the bridge was closed. Footage of the bridge’s movement can easily be found on the internet, and makes for disturbing viewing. What is even more disturbing is that the company responsible for its design and construction could be so ignorant to the history of bridge aerodynamics and basic aerodynamic concepts. The vortex-induced vibrations which had plagued the Volgograd Bridge are now mitigated by an advanced system of mechanical damping devices. If proper precautions had been taken during the design stage of the bridge, the necessity of these damping devices could have been avoided. A variety of passive aerodynamic devices have been shown to be extremely effective in the suppression of low wind speed vortex-induced vibrations for a number of long-span bridges Proper wind-tunnel investigations undertaken during the design stage can alert designers to the existence of aerodynamic instabilities inherent to the design, and steps can be taken to modify the shape of the deck to optimise its dynamic performance under wind loads. Experimental investigations of the effectiveness of range of passive aerodynamic devices to suppress vortex-induced vibrations have been conducted at the Professor Joaquim Blessmann Wind-Tunnel, Porto Alegre. Devices were designed based on modifications made to other bridge designs which suffered from unwanted low wind speed vibrations, either in the windtunnel during the design stage, during erection or after completion of the full-scale bridge. Devices were tested using a dynamic section model of a real-life bridge deck design. Results indicate that some simple modifications to the cross-section geometry of the deck can have a substantial effect on its response.

Simultâneas ocorrências de vibrações de cabos de pontes estaiadas sob ação combinada de chuva de vento têm sido observadas ao redor do mundo nos últimos 20 anos. Este mecanismo tem causado grande preocupação aos engenheiros de pontes e pesquisadores por provocar grandes amplitudes de vibração. O melhor conhecimento do fenômeno evitará que perigosas oscilações induzidas pelo efeito combinado de chuva e vento ocorram evitando que medidas sejam tomadas apenas após a ocorrência de acidentes. Foi possível determinar, neste trabalho, as características aerodinâmicas de cabos de pontes estaiadas submetidos à ação combinada de chuva e vento no que diz respeito à influência dos filetes sobre as forças aerodinâmicas (arrasto e sustentação) e sobre o desprendimento de vórtices em três modelos seccionais. O modelo M1 foi posicionado horizontalmente com vento incidente normal ao eixo longitudinal, o modelo M2 foi posicionado horizontalmente com vento incidindo obliquamente ao eixo longitudinal e o modelo M3 representa um cabo inclinado típico de ponte estaiada. Os filetes nas posições = 1 θ 60° e = 2 θ 110° aumentaram as sucções na esteira do M3 consideravelmente. Para qualquer posição dos filetes no M3 não ocorreram mudanças em seus coeficientes de sustentação. Os coeficientes de arrasto aumentaram com a presença dos filetes, no entanto não apresentaram mudanças nos valores com a variação da posição dos filetes. Em modelos horizontais, a presença dos filetes pode causar supressão ou amplificação da intensidade do desprendimento de vórtices dependendo da localização dos filetes. Para o M3 notou-se aumento da intensidade do desprendimento de vórtices para qualquer posição dos filetes. A maior intensidade ocorreu para = 1 θ 50° e = 2 θ 110°. Para todos os modelos com filetes, o desprendimento de vórtices é mais forte em escoamento turbulento. Independente da presença dos filetes, o modelo M3 apresentou freqüências de desprendimento de vórtices mais baixas que as freqüências de desprendimento do vórtice de Kármán convencional. Verifica-se, portanto, o efeito de vórtice axial. Para Re < 1,2 x 105 o filete inferior não tem influência sobre o escoamento. Entretanto, para Re > 1,2 x 105 o filete inferior passa a afetar nitidamente o escoamento em torno do cilindro. Para o modelo inclinado o filete inferior apresentou influência no escoamento para todos os valores de Re. / Simultaneous occurrences of cable vibrations under combined action of wind and rain have been observed around the world in cable-stayed bridges in the last 20 years. This mechanism has caused great concern to bridge engineers and researchers due to the large vibration amplitudes. A better knowledge of the phenomenon may prevent that dangerous oscillations induced by the combined effect of rain and wind occur, compromising the usefulness and safety of cable-stayed bridges, besides to avoiding the necessity of measures taken only after some accident occurrence. It was possible to determine, in this study, the aerodynamic characteristics of cables submitted to the combined action of rain and wind regarding the influence of rivulets on aerodynamic forces (drag and lift) and on the vortex shedding in three sectionals models. The M1 model was positioned horizontally with perpendicular wind incidence to the longitudinal axis, the M2 model was positioned horizontally with oblique wind to the longitudinal axis and the M3 model is a typical, cable of cable-stayed bridges. The rivulets positioned in the 60° (upper) position and the 110° (lower) position increase considerably the negative pressures in the M3 model wake. For any rivulets position, the M3 do not change their lift coefficients. The drag coefficients increased with the rivulet presence, however its position seems to make no difference in the values of the coefficients. In horizontal models, the rivulets can suppress or cause amplification in the vortex shedding intensity, depending of their position. For the M3 model, the vortex shedding intensity increases for all rivulets positions. The greater intensity occurred when the upper and lower rivulets were at 50° and 110°, respectively. For all models with rivulets, the vortex shedding is stronger in turbulent flow. Independent of the rivulets presence, the vortex shedding frequencies at the inclined model (M3) presented lower frequencies than the conventional Karman vortex shedding. This shows, therefore, the effects of the axial vortex. For Re < 1.2 x 105 the lower rivulet has no influence on the flow. However, for Re > 1.2 x 105 the lower rivulets affect significantly the flow around the cylinder. For the inclined model the lower rivulet has no influence on the flow for all Re range.

“Estas vibrações são as primeiras do seu tipo para as pontes tipo viga….elas mostram a alta estabilidade aerodinâmica e confiabilidade da estrutura" (Anishyuk e Antonova, 2010). Esta é uma citação do porta-voz da empresa responsável pela construção da ponte, com vãos 120m e de 7 km de extensão, em Volgograd, na Rússia – que oscilou tão violentamente sob velocidades baixas do vento em maio de 2010, que os motoristas ficaram enjoados e a ponte foi fechada. As filmagens do movimento da ponte podem ser encontradas facilmente na internet, e causam uma visão perturbadora. O que é mais perturbador é que a empresa responsável pelo seu projeto e construção pôde ser tão ignorante da história das aerodinâmicas de pontes e conceitos aerodinâmicos básicos.As vibrações induzidas por vórtices que tinham atormentadas a Ponte Volgograd são agora atenuadas por um sistema avançado de dispositivos de amortecimento mecânico. Se as medidas de segurança tivessem sido tomadas durante a fase do projeto, a necessidade desses dispositivos de amortecimento poderia ter sido evitada. Uma variedade de dispositivos aerodinâmicos passivos tem apresentado ser extremamente eficaz na supressão das vibrações induzidas por vórtices em velocidades baixas do vento para um número de pontes de grande vão Investigações adequadas em túnel de vento realizadas durante a fase do projeto podem alertar os projetistas da existência de instabilidades aerodinâmicas inerente no projeto, e passos podem ser tomados para modificar o formato do tabuleiro para otimizar o seu desempenho dinâmico sob cargas de vento. Investigações experimentais da efetividade na supressão das vibrações induzidas por vórtices, por uma série de dispositivos aerodinâmicos passivos, têm sido realizadas no Túnel de Vento Prof. Joaquim Blessmann, em Porto Alegre. Dispositivos foram projetados com base nas modificações feitas a outros projetos de pontes que sofreram com as vibrações indesejadas da velocidade baixa do vento, tanto no túnel de vento durante a fase do projeto, durante a construção ou após a conclusão da ponte em grande escala. Dispositivos foram testados usando um modelo dinâmico de uma ponte da vida real, e os resultados indicaram que algumas modificações simples a geometria da seção transversal do tabuleiro podem ter um efeito significativo na sua resposta. / “These vibrations are the first of their kind for beam-type bridges….they show the high aerodynamic stability and reliability of the structure” (Anishyuk and Antonova, 2010). This is a quote taken from the spokesman of the company responsible for the construction of the 7km long reinforced concrete bridge in Volgograd, Russia – whose multiple continuous 120 meter spans oscillated so violently under low-wind speed conditions in May of 2010 that motorists became seasick and the bridge was closed. Footage of the bridge’s movement can easily be found on the internet, and makes for disturbing viewing. What is even more disturbing is that the company responsible for its design and construction could be so ignorant to the history of bridge aerodynamics and basic aerodynamic concepts. The vortex-induced vibrations which had plagued the Volgograd Bridge are now mitigated by an advanced system of mechanical damping devices. If proper precautions had been taken during the design stage of the bridge, the necessity of these damping devices could have been avoided. A variety of passive aerodynamic devices have been shown to be extremely effective in the suppression of low wind speed vortex-induced vibrations for a number of long-span bridges Proper wind-tunnel investigations undertaken during the design stage can alert designers to the existence of aerodynamic instabilities inherent to the design, and steps can be taken to modify the shape of the deck to optimise its dynamic performance under wind loads. Experimental investigations of the effectiveness of range of passive aerodynamic devices to suppress vortex-induced vibrations have been conducted at the Professor Joaquim Blessmann Wind-Tunnel, Porto Alegre. Devices were designed based on modifications made to other bridge designs which suffered from unwanted low wind speed vibrations, either in the windtunnel during the design stage, during erection or after completion of the full-scale bridge. Devices were tested using a dynamic section model of a real-life bridge deck design. Results indicate that some simple modifications to the cross-section geometry of the deck can have a substantial effect on its response.