Lalonde, Eric R.;Dai, Kaoshan;Bitsuamlak, Girma;Lu, Wensheng;Zhao, Zhi
Wind and Structures
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v.30
no.6
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pp.663-678
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2020
Robust semi-active vibration control of wind turbines using tuned mass dampers (TMDs) is a promising technique. This study investigates a 1.5 megawatt wind turbine controlled by eight different types of tuned mass damper systems of equal mass: a passive TMD, a semi-active varying-spring TMD, a semi-active varying-damper TMD, a semi-active varying-damper-and-spring TMD, as well as these four damper systems paired with an additional smaller passive TMD near the mid-point of the tower. The mechanism and controllers for each of these TMD systems are explained, such as employing magnetorheological dampers for the varying-damper TMD cases. The turbine is modelled as a lumped-mass 3D finite element model. The uncontrolled and controlled turbines are subjected to loading and operational cases including service wind loads on operational turbines, seismic loading with service wind on operational turbines, and high-intensity storm wind loads on parked turbines. The displacement and acceleration responses of the tower at the first and second mode shape maxima were used as the performance indicators. Ultimately, it was found that while all the semi-active TMD systems outperformed the passive systems, it was the semi-active varying-damper-and-spring system that was found to be the most effective overall - capable of controlling vibrations about as effectively with only half the mass as a passive TMD. It was also shown that by reducing the mass of the TMD and adding a second smaller TMD below, the vibrations near the mid-point could be greatly reduced at the cost of slightly increased vibrations at the tower top.
The stress environment of deep rock masses is complex. Under the action of earthquakes or blasting, the strength and stability of anchored rock masses in fracture zones or faults are affected. To explore the variation in anchored rock masses under creep-fatigue loading, shear creep comparative testing of anchored marble specimens with or without fatigue loading is performed. Considering the damage variable of rock under fatigue loading, a rheological model is established to characterize the whole shear creep process of anchored rock masses under creep-fatigue loading. The results show that (1) the overall deformation of marble under creep-fatigue loading is larger than that under only shear creep loading, and the average deformation is increased by 18.3%. (2) By comparing the creep curves with and without fatigue loading, the two curves basically coincide when the first level stress is applied, and the two curves are stable with the increase in stress level. The results show that the strain difference among the specimens increases gradually in the steady-state stage and reaches the maximum at the fourth level. (3) The shear creep is described by considering the creep mechanical properties of anchored rock masses under fatigue loading. The accuracy of this creep-fatigue model is verified by laboratory tests, and the applicability of the model is illustrated by the fitting parameter R2. The proposed model provides a theoretical basis for the study of anchored rock masses under low-frequency earthquakes or blasting and new methods for the stability and reinforcement of rock masses.
The paper describes localization of deformation in a bar under tensile loading. The material of the bar is considered as non-linear viscous elastic and the bar consists of two symmetric halves. It is assumed that the model represents behavior of the quasi-brittle viscous material under uniaxial tension with different loading rates. Besides that, the bar could represent uniaxial stress-strain law on a single plane of a microplane material model. Non-linear material property is taken from the microplane material model and it is coupled with the viscous damper producing non-linear Maxwell material model. Mathematically, the problem is described with a system of two partial differential equations with a non-linear algebraic constraint. In order to obtain solution, the system of differential algebraic equations is transformed into a system of three partial differential equations. System is subjected to loadings of different rate and it is shown that localization occurs only for high loading rates. Mathematically, in such a case two solutions are possible: one without the localization (unstable) and one with the localization (stable one). Furthermore, mass is added to the bar and in that case the problem is described with a system of four differential equations. It is demonstrated that for high enough loading rates, it is the added mass that dominates the response, in contrast to the viscous and elastic material parameters that dominated in the case without mass. This is demonstrated by several numerical examples.
Tunneling-induced displacement in a jointed rock mass is an important factor to control tunnel stability and to secure a demanded space and construction quality. The magnitude of the inducible displacements is significantly affected by an elastic modulus and therefore, in a rock mass where a joint controls tunnel behavior, it is very important to estimate an elastic modulus of jointed rock mass reliably. Elastic modulus of jointed rock mass is affected by many factors such as rock type, joint condition, and loading condition. Nevertheless, most existing studies were focused on rough empirical relationships based on compressive loading conditions, which are different from tunnel excavation loading conditions, without a systematic approach of rock, joint, and loading conditions together. Therefore, this study considered rock and joint conditions systematically to estimate an elastic modulus of jointed rock mass under tunnel excavation loading. The controlled factors considered in this study are rock types and joint conditions (joint shear strength, joint inclination angle, number of joint sets, and joint spacing). Numerical parametric studies have been carried out with a consideration of different rock and joint conditions; the results have been compared with existing empirical relationships; and charts of elastic modulus change of different rock and joint conditions have been provided. The results are expected to have a great practical use for estimating the convergence induced by tunnel excavation in jointed rockmass.
This study analyzes the correlations between non-point sources and runoff to estimate non-point sources for effective management. From the monitoring results, the correlation factors among pollutant mass loading, EMC, total runoff volume and average flow are calculated. And using correlation factors, the most related two constituents are determined. Also the most appropriate regression between two constituents are determined. Pollutant mass loading and total runoff volume has the highest correlation. Also, compound regression is found to be the most appropriate regression. This shows that pollutant mass loading increases as total runoff volume increases. It is not continuous increase but has some pattern.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1997.04a
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pp.232-239
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1997
The phenomenology of shock loading effects in brittle mass has been of interest to researchers and engineers. The shock loading as blasting causes strong stress waves in the structures. Discontinuous faces due to shock waves interrupt the tensile stress wave propagation and reflect the stress wave propagation. To predict the fracturing behavior of brittle mass, it is required for the numerical method that can analyze the colliding and slipping behavior of discontinuous faces and the wave propagation in the mass, simultaneously In this study, the wave propagation in the brittle materials is analyzed using the modified distinct element method to be able to predict the behavior of discontinuous structures. The behavior of an unsupported bar subjected to loading at the end is analyzed to verify the rigid body motion of a bar and the relative displacement in the bar. The colliding behavior of two bars is analyzed to investigate the propagation of stress waves in the bar. The fracturing behavior of a bar due to impact loading is analyzed to investigate the propagation of stress waves in the bar with and without the discontinuous faces. The applicability of the modified distinct element method to the wave propagation problems is investigated.
In the design of tall building system, the wind loading can be more dominant factor than earthquake loading, and thus, it is important to check the stability and human comfort against wind. Experimental wind tunnel test is usually performed to predict wind behavior of a tall building, however, the test is not cost-effective in the preliminary stage for various structural models of tall building systems. In this regard, the study is focused on the numerical wind analysis of the tall building with and without tuned mass dampers based on the three dimensional model of wind loads and building behavior. As a numerical result, an asymmetrical 102-story tall building is presented to show the results of root mean squares of build responses with and without tuned mass dampers.
The impacts of aerosol loading on surface precipitation from mid-latitude deep convective systems are examined using a bin microphysics model. For this, a precipitation case over north central Mongolia, which is a high-altitude inland region, on 21 August 2014 is simulated with aerosol number concentrations of 150, 300, 600, 1200, 2400, and $4800cm^{-3}$. The surface precipitation amount slightly decreases with increasing aerosol number concentration in the range of $150-600cm^{-3}$, while it notably increases in the range of $600-4800cm^{-3}$ (22% increase with eightfold aerosol loading). We attempt to explain why the surface precipitation amount increases with increasing aerosol number concentration in the range of $600-4800cm^{-3}$. A higher aerosol number concentration results in more drops of small sizes. More drops of small sizes grow through condensation while being transported upward and some of them freeze, thus increasing the mass content of ice crystals. The increased ice crystal mass content leads to an increase in the mass content of small-sized snow particles largely through deposition, and the increased mass content of small-sized snow particles leads to an increase in the mass content of large-sized snow particles largely through riming. In addition, more drops of small sizes increase the mass content of supercooled drops, which also leads to an increase in the mass content of large-sized snow particles through riming. The increased mass content of large-sized snow particles resulting from these pathways contributes to a larger surface precipitation amount through melting and collision-coalescence.
In structures excavated in rock mass, load progressively increases to a level and remains constant during the construction. Rocks display different elastic properties such as Ei and ʋ under different loading conditions and this requires to use the true values of elastic properties for the design of safe structures in rock. Also, rocks will undergo horizontal and vertical deformations depending on the amount of load applied. However, under constant loads, values of Ei and ʋ will vary in time and induce variations in the behavior of the rock mass. In some empirical equations in which deformation modulus of the rock mass is taken into consideration, elastic parameters of intact rock become functions in the equation. Hence, the use of time dependent elastic properties determined under constant loading will yield more reliable results than when only constant elastic properties are used. As well known, rock material will play an important role in the deformation mechanism since the discontinuities will be closed due to the load. In this study, Ei and ʋ values of intact rocks were investigated under different constant loads for certain rocks with high deformation capabilities. The results indicated significant time dependent variations in elastic properties under constant loading conditions. Ei value obtained from deformability test was found to be higher than the Ei value obtained from the constant loading test. This implies that when static values of elastic properties are used, the material is defined as more elastic than the rock material itself. In fact, Ei and ʋ values embedded in empirical equations are not static. Hence, this workattempts to emerge a new understanding in designing of safer structures in rock mass by numerical methods. The use of time-dependent values of Ei and ʋ under different constant loads will yield more accurate results in numerical modeling analysis.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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