Non-Gaussian Response of MDOF Wind-Exposed Structures: Analysis by Bicorrelation Function and Bispectrum

Abstract. The influence of non-Gaussian modeling of the wind action on the response of MDOF structures is considered. Assuming the turbulence as a homogeneous Gaussian field, the wind action field is described by means of the correlation and bicorrelation functions. Once known the spectrum and the bispectrum (by Fourier transform), the same quantities of the structural response are obtained by frequency domain analysis. This allows to evaluate the statistic moments of the response until the third moment and to estimate the peak value distribution. The procedure is applied to analyze a broadcasting antenna. Varying the structural damping and the wind characteristics, a comparison between Gaussian and non-Gaussian modeling is performed.Sommario. Viene studiata l'influenza della modellazione non-Gaussiana dell'azione del vento sulla risposta di strutture a più gradi di libertà. Considerando la turbolenza come un campo Gaussiano omogeneo, l'azione del vento viene descritta mediante le funzioni correlazione e bicorrelazione. Determinato poi lo spettro ed il bispettro (mediante trasformata di Fourier), le stesse grandezze relative alla risposta strutturale sono ricavate per mezzo dell'analisi nel dominio delle frequenze. È così possibile valutare i momenti statistici della risposta fino al terzo ordine e stimare la distribuzione dei valori di picco. La procedura viene applicata all'analisi della risposta di un'antenna per telecomunicazioni. Variando lo smorzamento strutturale e le caratteristiche del vento, vengono paragonate fra loro la modellazione Gaussiana e quella non-Gaussiana.     

Higher Order Alongwind Response Statistics of Linear SDOF Structures Including the Quadratic Term of the Fluctuating Wind Velocity

Abstract. A method evaluating the response correlations of a SDOF system subjected to the wind action, once that the first order statistics and the transition matrix of the system are known, is presented. The method does not require further integrations and allows to take into account the presence of the quadratic term of the velocity in the expression of the wind action. This fact makes the response a non-Gaussian process as it really is. The application of the method to some examples shows both the good accuracy of the results, if compared with those obtained by Monte Carlo simulations, and that neglecting the quadratic term may lead to relevant errors even for the correlations, as well as for the first order statistics.Sommario. In questo lavoro viene presentato un metodo che consente la valutazione delle funzioni di correlazione di qualunque ordine della risposta di un sistema strutturale soggetto all'azione del vento. Tale metodo richiede la conoscenza delle caratteristiche statistiche del primo ordine della risposta e della matrice di transizione. Il metodo non richiede ulteriori integrazioni rispetto a quelle eventualmente necessarie per determinare le statistiche del primo ordine, e consente di tenere conto della presenza del termine quadratico della parte fluttuante della velocità del vento nell'espressione dell'eccitazione sulla struttura. Ciòrende la risposta strutturale non Gaussiana, come realmente è L'applicazione del metodo ad alcuni esempi mostra, da un lato, la buona accuratezza dei risultati ottenuti, confrontandoli con quelli ottenuti tramite simulazioni alla Monte Carlo, e dall'altro che trascurare il termine quadratico nella forzante può condurre ad errori rilevanti nella valutazione delle correlazioni della risposta, coscome era stato mostrato in altri lavori per le statistiche del primo ordine.     

Active Longitudinal Control of Wind-Induced Oscillations of a Suspended Cable

Abstract. Active control of oscillations of a suspended cable under transversal wind, described by a constant term and a fluctuating turbulent component, is dealt with. Control of transversal in-plane and out-of-plane oscillations is performed by imposing a longitudinal motion to one support; the control law depends, linearly or quadratically, on measures of displacement and velocity of a selected point. First, the steady-state oscillations around the planar static configuration, determined by the wind constant component, under sinusoidal in-plane and out-of-plane loading are studied, showing the nonlinear behaviour in the regions of primary and parametric resonance and the effects of the control action. Afterwards, attention is focused on the response of the cable to transversal wind turbulence, whose fluctuating component is described by a random process with an assigned spectral density. The effectiveness of longitudinal control is analysed by means of numerical investigations.Sommario. Si analizza il controllo attivo delle oscillazioni di un cavo sospeso, sottoposto all'azione di un vento agente in direzione ortogonale al piano del cavo e descritto mediante un termine di carico costante ed una componente variabile di turbolenza. Il controllo delle oscillazioni piane e spaziali viene realizzato mediante spostamento longitudinale di uno degli appoggi; la legge di controllo dipende linearmente o quadraticamente da misure di spostamento e velocità di un punto prescelto. In una prima fase, vengono studiate le oscillazioni stazionarie sotto carichi sinusoidali agenti rispettivamente nel piano e fuori del piano del cavo, intorno alla configurazione di equilibrio statico determinata dalla presenza della componente costante del vento, mostrando il comportamento nonlineare nelle regioni di risonanza primaria e parametrica e gli effetti dell'azione di controllo. Successivamente, si focalizza l'attenzione sulla risposta del cavo alla componente trasversale di turbolenza del vento, la quale è descritta da un processo stocastico a media nulla con densità spettrale assegnata. L'efficacia del controllo viene analizzata attraverso un'indagine numerica.     

The Peak Factor for Gust Loading: A Review and Some New Proposals

Abstract. Wind forces on structures that can be considered stiff are usually calculated by using the so-called gust factor G that magnifies the effects of the statical part of the wind speed U. In the expression of G a peak factor g is introduced to account for the maxima of the response dynamical displacement X _d(t),which is a zero mean stationary Gaussian process. The peak factor is derived by assuming that the upcrossings of a given level are a Poisson process, which is deemed very conservative by several authors. Thus, other ways for computing g are proposed herein, preserving its classical definition. They are: (1) the use of the envelope of the response process; (2) the solution of the backward Kolmogorov equation; (3) the use of some approximate formulae such as those by Preumont, Lutes et al., and Vanmarcke. The theoretical models are applied to the response of a linear SDOF oscillator for two values of the ratio of critical damping. In the last part of the paper a nonlinear response, that of a Duffing oscillator, is considered and the problem of the peak factor for this nonlinear case is attacked by using the stochastic averaging of energy envelope. The results of the various approaches are compared with those obtained by numerical simulation.Sommario. Le azioni del vento sulle strutture sono ordinariamente calcolate amplificando gli effetti della velocità media, quantità statica, per mezzo del fattore di raffica (o dinamico) G. Nell'espressione di quest'ultimo è presente il fattore di picco g, introdotto allo scopo di tenere in conto i massimi dello spostamento dinamico X _d(t), che è un processo gaussiano stazionario a media nulla. Tale fattore di picco è calcolato ipotizzando che gli attraversamenti di un certo livello da parte diX _d(t)siano un processo di Poisson, ipotesi ritenuta conservativa da molti autori. Nel presente lavoro si propongono altri modi per calcolare g: (1) mediante l'inviluppo del processoX _d(t);(2) risolvendo l'equazione all'indietro di Kolmogorov; (3) mediante l'impiego di formule ap- prossimate (Preumont, Lutes et al., Vanmarcke). I metodi proposti sono applicati al caso di un oscillatore semplice. Successivamente si propone un metodo per determinare il fattore di picco per una risposta non lineare, quella dell'oscillatore di Duffing, pervenendo al risultato cercato mediante la soluzione dell'equazione di Fokker-Planck per la funzione di densità di probabilità dell'energia meccanica dell'oscillatore. I risultati ottenuti sono confrontati con la simulazione numerica.     

Postcritical Behavior of Cables Undergoing Two Simultaneous Galloping Modes

Abstract. A nonlinear two degree-of-freedom model, describing a flexible elastic suspended cable undergoing galloping oscillations, is analyzed. By using a perturbative approach, the critical conditions occuring for different values of the aerodynamic coefficients are described. Two different type of critical conditions, corresponding to simple or double Hopf bifurcations are found. The nonlinear postcritical behavior of single taut strings in 1:1 primary internal resonance is studied through the multiple scale perturbation method. In the double Hopf bifurcation case the influence of the detuning between the critical eigenvalues on the postcritical behavior is illustrated. It is found that quasi-periodic motions, which are likely to occur in the linear field when the two critical frequencies are incommensurable, are really unstable in the nonlinear range. Therefore, the postcritical behavior of the string consists of stable periodic motions for any detuning values.Sommario. Viene analizzato un modello non lineare a due gradi di libertrappresentativo di un cavo elastico flessibile sospeso alle estremite soggetto ad oscillazioni galoppanti. Utilizzando un approccio perturbativo, vengono descritte le condizioni critiche per differenti valori dei coefficienti aerodinamici. Sono presenti due diversi tipi di condizioni critiche, corrispondenti a biforcazioni di Hopf semplici e doppie. Attraverso il metodo perturbativo delle scale multiple viene studiato il comportamento post-critico non lineare di singole stringhe tese in risonanza interna primaria 1:1. Nel caso di biforcazione doppia di Hopf viene illustrata l'influenza del detuning tra gli autovalori critici sul comportamento post-critico. Si trova che i moti quasi-periodici, presenti in campo lineare quando le due frequenze critiche sono incommensurabili, sono in realtinstabili in campo non lineare. Quindi, il comportamento post-critico della stringa risulta composto da moti periodici stabili per un qualsiasi valore del detuning.     

Rotational Galloping of Two Coupled Oscillators

Abstract. We will consider nonlinear rotational galloping for two mechanically coupled seesaw oscillators in steady cross-flow, where mechanical coupling consists of a torsion spring. This oscillator system may be viewed as a mechanical two d.o.f. model for the study of rotational galloping of a continuous elastic structure. Using a quasi-steady modelling approach as model equations two coupled nonlinear oscillators are obtained. Depending on the stiffness of the torsion spring and the natural frequencies of the two oscillators either a non-resonant or 1:1 internal resonant system is found. Assuming the windforce to be relatively small an asymptotic analysis based on averaging is presented for both cases.Sommario: Vengono considerate le oscillazioni galoppanti rotazionali non lineari di due oscillatori disposti in bilico su un fulcro (seesaw oscillators) soggetti a un flusso trasversale stazionario e accoppiati meccanicamente attraverso una molla di torsione. Questo sistema oscillatorio può essere interpretato come un modello meccanico a due gradi di libertà per studiare il galoppo rotazionale di una struttura continua elastica. Modellando le azioni indotte dal flusso in modo quasi-statico, si ottengono due oscillatori non lineari accoppiati. A seconda della rigidezza della molla di torsione e delle frequenze naturali dei due oscillatori, si ottiene un sistema non risonante o in risonanza interna 1:1. Assumendo che le forze del vento siano relativamente piccole, viene presentata per entrambi i casi un'analisi asintotica basata sul metodo della media.     

Non-Linear Self-Excited Random Vibrations and Stability of an SDOF System with Parametric Noises

Abstract. The paper presents the solution to the properties of stochastic response of a system with random parametric noises, which is prone to the loss of aerodynamical stability. The system is described by an equation of van der Pol type with the negative linear, and with the positive cubic dampings. The coefficients of the linear damping and of the stiffness include the multiplicative random perturbations, the external excitation being given as a sum of a deterministic function and of an additive perturbation. All three input random processes are supposed to be Gaussian and centered, with the non-zero mutual stochastic parameters, as it corresponds to the properties of real systems. The solution has been based on the method of stochastic linearisation and of the subsequent solution of the Fokker–Planck–Kolmogorov equation in the sense of the first and second stochastic moments for the transient and stationary states. There have been demonstrated several effects, which are typical for systems with parametric noises, differentiating them from the systems with constant coefficients. The principal attention has been devoted to the properties of the spectral density of the response, the character of which changes abruptly with the degree of non-linearity of the damping and of the level of random perturbations.Sommario. La presente memoria studia le proprietà della risposta stocastica di un sistema con eccitazione casuale parametrica, che tende alla perdita della stabilità aerodinamica. Il sistema è descritto mediante un'equazione del tipo di van der Pole con il termine lineare dello smorzamento negativo e il termine cubico positivo. Poichá l'eccitazione esterna è la somma di una funzione deterministica e di una perturbazione additiva, i coefficienti dello smorzamento lineare e della rigidezza comprendono le perturbazioni casuali moltiplicative. I tre processi stocastici di eccitazione sono assunti gaussiani e a media nulla con parametri stocastici incrociati diversi da zero, come si verifica per le proprietà dei sistemi reali. La soluzione è basata sul metodo della linearizzazione stocastica e della successiva soluzione dell'equazione di Fokker-Planck-Kolmogorov studiando i primi e i secondi momenti statistici per gli stati transitori e stazionari. Vengono mostrati diversi effetti, tipici dei sistemi con eccitazione parametrica, differenziandoli dai sistemi a coefficienti costanti. Particolare attenzione è rivolta alle proprietà della densità spettrale della risposta le cui caratteristiche cambiano bruscamente con il grado di non linearità dello smorzamento e del livello di casualità delle perturbazioni.     

复杂高耸结构风振响应研究

本文提出了基于高频动态测力天平试验的风振响应的频域分析方法,采用该方法可以用来求解复杂高耸结构的三维耦联风振响应,并给出了利用高频动态测力天平试验来确定广义模态力谱的计算方法.该方法利用高频动态测力天平试验得到的基底剪力自谱、基底弯矩自谱以及基底剪力与弯矩的互谱与脉动风荷载的自谱密度的相互关系并通过引入振型修正系数来求得广义模态力谱,求解结构的三维耦联风振响应.然后,采用本文方法对在建的河南省广播电视发射塔的风振响应进行了研究,结果表明横风向的位移和加速度响应的均方根值要大于顺风向,因此在计算中必须考虑横风向风振的影响.最后本文对计算振型数目和模态耦联项对结构风振响应的影响进行了分析.本文的方法对于求解复杂高耸结构的风振响应具有重要的借鉴意义.     

高层建筑风振时地基土材料阻尼比取值范围的初探

高层建筑风振响应分析中考虑土与结构相互作用后地基土的材料阻尼比幅值是多少,这是考虑土与结构相互作用对高层建筑结构风振响应有利还是不利的关键问题.通过对无桩基桩架-剪力墙结构的顺风向风振响应分析,发现考虑土-结构相互作用时结构基础底面土体的动剪应变幅值处于弹性应变范围,根据土动力学中土的动剪应变与土的阻尼比的关系,土体的材料阻尼比较小,其值不超过0.03,据此计算出相应的结构最大层间位移和结构顶层的最大加速度比将地基视为刚性的结构有较大增长;因此,在高层结构风振响应分析中应考虑土-结构相互作用的影响.文章通过实例分析给出无桩基高层建筑土体材料阻尼比的建议值,该研究为有桩基高层建筑的土体材料阻尼比的计算提供了借鉴.     

Simulation of Correlated Non-Gaussian Pressure Fields

Abstract. Among a host of techniques developed for the analysis and prediction of nonlinear structural response, simulation methods are gaining popularity as computational efficiency increases. Implementation of time domain methods require simulated load time histories with case-specific statistical and spectral characteristics. When the assumption of Gaussian wind loading is inappropriate, techniques for simulating non-Gaussian loading must be sought. Over a larger expanse of building surface, simulation of correlated loads at several spatially separated locations is required. This work introduces a multi-variate non-Gaussian simulation method capable of producing realizations with a wide range of spectral and probabilistic characteristics. The correlation between multiple locations is accurately simulated simultaneously, while retaining the appropriate spectral and probabilistic content at each location.Sommario. Tra la varie tecniche per l'analisi e la previsione della risposta structurale non lineare, stanno acquistando grande popolarità i metodi di simulazione poiché incrementano l'efficienza computazionale. L'implementazione dei metodi nel domino del tempo richiede la simulazione di storie temporali di carico con specifiche caratteristiche statistiche e spettrali. Quando l'ipotesi di gaussianità dell'azione del vento non risulta adeguata puòessere necessario ricorrere a techniche di simulazione di carichi non gaussiani. Per superfici di edifici più estese è richiesta la simulazione di carichi correlati in diverse posizioni separate spazialmente. La presente memoria introduce un metodo di simulazione multivariata non-gaussiana capace di riprodurre realizzazioni con un ampio campo di caratteristiche spettrali e probabilistiche. La correlazione tra le molteplici posizioni viene simulata simultaneamente in modo accurato mantenendo in ciascuna posizione caratteristiche spettrali e probabilistiche appropriate.     

Self-Excited Wind-Induced Vibrations and Limit Cycles in Bundled Conductors

Abstract. Wake-induced oscillations on bundled conductors of overhead transmission lines are investigated. These oscillations are due to the leeward conductor lying in the wake of the windward one. We consider a twin horizontal bundle of overhead lines. First of all, the critical wind velocity (bifurcation point) of incipient flutter is identified [3, 4]. A nonlinear analysis is adopted to investigate the post-bifurcational behaviour of the oscillations. Using, if necessary a reduction to the center manifold, and an additional normal form transformation we obtain amplitude equations which can be analyzed qualitatively with regard to the unfolding parameters.Sommario: Vengono studiate le oscillazioni indotte dal distacco di scia in fasci di conduttori di linee di trasmissione sospese. Queste oscillazioni sono presenti nel conduttore sottovento che giace nella scia del conduttore sopravvento. In particolare viene considerato il caso di una coppia di conduttori disposti orizzontalmente. Prima di tutto, viene identificata la velocità critica del vento (punto di biforcazione) dovuta al flutter incipiente [3, 4]. Viene utilizzata un'analisi non lineare al fine di valutare il comportamento post-biforcativo delle oscillazioni. Usando, se necessario, una riduzione alla varietà centrale e un'addizionale applicazione del metodo della forma normale, si ottengono equazioni nelle ampiezze che possono essere analizzate in modo qualitativo con riferimento ai parametri essenziali.     

Vibration Induced Sliding: Theory and Experiment for a Beam with a Spring-Loaded Mass

The study sets up a simple model for predicting vibration induced sliding of mass, and provides quantitative experimental evidence for the validity of the model. The results lend confidence to recent theoretical developments on using vibration induced sliding for passive vibration damping, and contributes to a further understanding of this nonlinear phenomenon. A mathematical model is set up to describe vibration induced sliding for a base-excited cantilever beam with a spring-loaded pointmass. Approximations simplify the model into two nonlinear ordinary differential equations, describing motions of the system at near-resonant excitation of a single beam mode. This simplified model is studied numerically and analytically, and tested against laboratory experiments. The experiments provide evidence that the simplified mathematical model retains those features of the real system that are necessary for making useful predictions of transient and stationary first-mode response.     

斜拉桥三维拉索风雨激振准两自由度模型

拉索风雨激振是当前桥梁工程和风工程界非常关注的研究课题。过去用于测量带人工水线的拉索模型都是二维的，所建立的理论模型也是建立在二维拉索气动力的基础上的。本文基于带人工水线三维拉索模型试验得到的气动力，建立了三维拉索风雨激振的准二自由度运动微分方程，讨论了运动方程中各种参数的取值，采用数值求解方法计算了拉索风雨激振振幅。计算结果和三维拉索人工降雨试验结果的对比表明，本文方法能较好地描述三维拉索风雨激振的特征。     

A constant-contour-length reptation model without independent alignment or consistent averaging approximations for chain retraction

A reptation model for the primitive chain that does not assume independent alignment or consistent-averaging for the retraction process, or equilibrium relaxation for the reptation process is proposed and compared to the analytical expressions of Doi and Edwards in single-step, double-step strains and steady-state shear flow. The Doi and Edwards model with independent alignment approximation underpredicts the magnitude of the relaxation modulus by 25%, and consistently overpredicts the magnitude of the damping function; for steady shear flow, it predicts the correct shape for the steady-state viscosity and the first normal stress difference coefficient, although the magnitude is incorrect. The analytical expressions of Doi and Edwards without independent alignment approximation are excellent approximations to the damping function. In double-step strains, the expressions of Doi assuming consistent averaging, but no independent alignment, predict well the stress decay following the second strain. Linear response theory is found to be invalid for describing the stress relaxation following single-step strain for the models considered. Similar to the Doi and Edwards model, no overshoot for the first normal stress difference is observed for the simulation model. Unlike the Doi equation derived without the independent alignment approximation but restricted to double-step strains, the simulation model proposed here can be easily generalized to complex flow fields. No contour length fluctuation or constraint release is considered in this model, and chain retraction is assumed to be instantaneous.