This study aims to evaluate the dynamic responses of the jacket-type offshore wind turbine using FAST software (Fatigue, Aerodynamics, Structures, and Turbulence). A systematic series of simulation cases of a 5 MW jacket-type offshore wind turbine, including wind-only, wave-only, wind & wave load cases are conducted. The dynamic responses of the wind turbine structure are obtained, including the structure displacement, rotor speed, thrust force, nacelle acceleration, bending moment at the tower bottom, and shear force on the jacket leg. The calculated time-domain results are transformed to frequency domain results using FFT and the environmental load with more impact on each dynamic response is identified. It is confirmed that the dynamic displacements of the wind turbine are dominant in the wave frequency under the incident wave alone condition, and the rotor thrust, nacelle acceleration, and bending moment at the bottom of the tower exhibit high responses in the natural frequency band of the wind turbine. In the wind only condition, all responses except the vertical displacement of the wind turbine are dominant at three times the rotor rotation frequency (considering the number of blades) generated by the wind. In a combined external force with wind and waves, it was observed that the horizontal displacement is dominant by the wind load. Additionally, the bending moment on the tower base is highly affected by the wind. The shear force of the jacket leg is basically influenced by the wave loads, but it can be affected by both the wind and wave loads especially under the turbulent wind and irregular wave conditions.
The characteristics of amplitudes and power spectra of X axial, Y axial, and RZ axial (i.e., body axis) wind forces on a 492 m high-rise building with a section varying along height in typical wind directions are studied via a rigid model wind tunnel test of pressure measurement. Then the corresponding mathematical expressions of power spectra of X axial (across-wind), Y axial (along-wind) and torsional wind forces in $315^{\circ}$ wind directions are proposed. The investigation shows that the mathematical expressions of wind force spectra of the main structure in across-wind and torsional directions can be constructed by the superimposition of an modified wind spectrum function and a peak function caused by turbulent flow and vortex shedding, respectively. While that in along-wind direction can only be constructed by the former and is similar to wind spectrum. Moreover, the fitted parameters of the wind load spectra of each measurement level of altitude are summarized, and the unified parametric results are obtained. The comparisons of the first three order generalized force spectra show that the proposed mathematical expressions accord with the experimental results well.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.14
no.2
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pp.161-170
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2002
A wind tunnel experiment was performed with the design wind speed of 50m/s to investigate the wind forces of Ieodo Ocean Research Station. The structure portion above water surface was modelled with 1/80 scale ratio. The wind force coefficients were determined from the force signals and compared to the results of a numerical study which was separately undertaken. Those results generally agreed well, and it is assured that the experimental data can be effectively used in the wind resistant design of the structure. Making use of the experimental force and pressure coefficients, the wind farce and moments acting on the overall upper structure of prototype are determined together with the wind pressures on local impervious facilities (main deck, solar panel and helideck).
The wind force coefficient of a transmission tower frame shows several characteristics when the section shape, solidity ratio, and wind direction angle are changed. In this study, the wind force characteristics of a transmission tower frame with a basic structure were evaluated using different solidity ratios and wind direction angles in a wind tunnel test. According to the solidity ratio, the size of the structure and the rectangular-frame model of the transmission tower were changed by adding a two-dimensional (2D) or three-dimensional (3D) structure. The transmission tower's rectangular frame was tested by changing the wind direction angle of the 2D-type structure from 0 to $90^{\circ}$ and by changing the wind direction angle of the 3D-type structure from 0 to $45^{\circ}$ Based on the results that were obtained, it can be concluded that the wind force coefficient of a transmission tower frame can be used as preliminary data in deciding the transmission tower's wind load.
Many investigations have been conducted to find out the reason behind wind-rain-induced cable vibration in cable-stayed bridges. A single-degree-of-freedom (SDOF) analytical model, which could capture main features of wind-rain-induced cable vibration, was recently presented by the writers. This paper extends the SDOF model to a 2DOF model by including the equation of motion of upper rivulet. The interaction between the upper rivulet and the cable is described in terms of nonlinear damping force, linear restoring force, and inertia force. The computed results using the 2DOF model are first compared with the results from simulated wind-rain tunnel tests, and the comparison is found satisfactory in general. The possible mechanisms of wind-rain-induced cable vibration are discussed and a parametric study is then conducted. Finally, the computed results using the 2DOF model are compared with those predicted by the SDOF model. The 2DOF model is found better than the SDOF model but the SDOF model is still acceptable for its simplicity.
Proceedings of the Korean Institute of Navigation and Port Research Conference
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2013.06a
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pp.273-274
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2013
Recently, as offshore wind towers are developed, the size of wind towers have become larger and larger, and offshore wind towers are exposed to various external forces such as wave and current compared with onshore wind towers. Thus, the stability of offshore wind towers is more required than onshore wind towers. In this study, when the wind celerity of 60m/s blows to the cylinder, cone, and stair typed towers, the wind and wave forces on foundation are calculated by p-y relation.
The auxiliary structures of a high-rise building, such as balconies, ribs, and grids, are usually much smaller than the whole building; therefore, it is difficult to simulate them on a scaled model during wind tunnel tests, and they are often ignored. However, they may have notable effects on the local or overall wind loads of the building. In the present study, a series of wind pressure wind tunnel tests and high-frequency force balance (HFFB) wind tunnel tests were conducted on rigid models of an actual super high-rise building with vertical ribs protruding from its facades. The effects of the depth and spacing of vertical ribs on the mean values, fluctuating values and the most unfavorable values of the local wind pressure coefficients were investigated by analyzing the distribution of wind pressure coefficients on the facades and the variations of the wind pressure coefficients at the cross section at 2/3 of the building height versus wind direction angle. In addition, the effects of the depth and spacing of vertical ribs on the mean values, fluctuating values and power spectra of the overall aerodynamic force coefficients were studied by analyzing the aerodynamic base moment coefficients. The results show that vertical ribs significantly decrease the most unfavorable suction coefficients in the corner recession regions and edge regions of facades and increase the mean and fluctuating along-wind overall aerodynamic forces.
In this paper, the along-wind, across-wind as well as torsional dynamic wind loads on three kinds of lattice tower models are investigated using the base balance technique in a boundary layer wind tunnel. The models were specially designed, and their fundamental frequencies in the directions of the three principal axes are still in the frequency range of the spectra of wind loads on lattice towers. In order to clear contaminations to the spectra of wind loads induced by model resonance, the generalized force spectra of the first mode of the models in along-wind, across-wind and torsional directions were derived based on measured base moments of the models. The RMS generalized force coefficients are also obtained by removing the contributions of model resonance. Finally, the characteristics of the 3-D dynamic wind loads, especially those of the across-wind dynamic loads, on the three kinds of lattice towers are presented and discussed.
Wind fragility analysis (WFA) of concrete chimney is often executed disregarding temperature effects. But combined wind and temperature effect is the most critical limit state to define the safety of a chimney. Hence, in this study, WFA of a 70 m tall RC chimney for combined wind and temperature effects is explored. The wind force time-history is generated by spectral representation method. The safety of chimney is assessed considering limit states of stress failure in concrete and steel. A moving-least-squares method based dual response surface method (DRSM) procedure is proposed in WFA to alleviate huge computational time requirement by the conventional direct Monte Carlo simulation (MCS) approach. The DRSM captures the record-to-record variation of wind force time-histories and uncertainty in system parameters. The proposed DRSM approach yields fragility curves which are in close conformity with the most accurate direct MCS approach within substantially less computational time. In this regard, the error by the single-level RSM and least-squares method based DRSM can be easily noted. The WFA results indicate that over temperature difference of 150℃, the temperature stress is so pronounced that the probability of failure is very high even at 30 m/s wind speed. However, below 100℃, wind governs the design.
The wind and wind-induced dynamic wind pressures fluctuate irregularly according to time and space. In this study, the proper orthogonal decomposition(POD) technique is applied to wind pressures acting on a tall tower model, and the following results are found: the along-wind and across-wind forces can be reconstructed by only four dominant POD modes, and the reconstructed errors are 4.71% and 22%, respectively for across-wind and along-wind directions. The physical meanings for dominant modes are also presented in the paper. The POD analysis can compress complex wind pressure data only by a few dominant modes and interpret spatio-temporal characteristics of wind pressure by novel way while existing statistical methods do not have such benefits.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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