Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.16
no.1
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pp.65-72
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2016
Aerodynamic performance of solar wing system has been evaluated through wind tunnel test. The test model has 12 panels, each supported by 2 cables. The panels were installed horizontally flat, and gaps between panels were set constant. Sag ratios of 2% and 5%, and wind directions between $0^{\circ}$ and $90^{\circ}$ were considered. Mass of test model was determined considering the mass of full scale model, and Froude number and Elastic parameter were satisfied by adjusting the mean wind speed. From the wind tunnel test, it was found that the aerodynamic performance of the solar wing system is very dependent on the wind directions and sag ratios. When the sag was 2%, the fluctuating displacements between the wind directions of $0^{\circ}$ and $30^{\circ}$ increase proportionally to the square of the mean wind speed, implying buffeting-like vibration and a sudden increase in fluctuating displacement was found at large mean wind speed for the wind directions larger than $40^{\circ}$. When the wind direction was larger than $60^{\circ}$, a sudden increase was found both at low and large mean wind speed. When the sag ratio is 5%, distribution of mean displacements is different from that of sag ratio of 2%, and the fluctuating displacements show very different trend from that of sag ratio of 2%.
Flexible stay cables on cable-stayed bridges are three-dimensional. They sag and flex in the complex wind environment, which is a different situation to ideal rigid cylinders in two-dimensional wind flow. Aerodynamic interference and the response characteristics of wake galloping of full-scale parallel cables are potentially different due to three-dimensional flows around cables. This study presents a comprehensive wind tunnel investigation of wake galloping of parallel stay cables using three-dimensional aeroelastic cable models. The wind tunnel study focuses on the large spacing instability range, addressing the effects of cable separation, wind yaw angle, and wind angle of attack on wake galloping response. To investigate the effectiveness of vibration suppression measures, wind tunnel studies on the transversely connected cable systems for two types of connections (flexibility and rigidity) at two positions (mid-span and quarter-span) were also conducted. This experimental study provides useful insights for better understanding the characteristics of wake galloping that will help in establishing a guideline for the wind-resistant design of the cable system on cable-stayed bridges.
This study has been motivated to examine the performance of a wireless sensor system under the typhoons as well as to analyze the effect of the typhoons on the bridge's vibration responses and the variation of cable forces. During the long-term field experiment on a real cable-stayed bridge in years 2011-2012, the bridge had experienced two consecutive typhoons, Bolaven and Tembin, and the wireless sensor system had recorded data of wind speeds and vibration responses from a few survived sensor nodes. In this paper, the wireless structural health monitoring of stay cables under the two consecutive typhoons is presented. Firstly, the wireless monitoring system for cable-stayed bridge is described. Multi-scale vibration sensor nodes are utilized to measure both acceleration and PZT dynamic strain from stay cables. Also, cable forces are estimated by a tension force monitoring software based on vibration properties. Secondly, the cable-stayed bridge with the wireless monitoring system is described and its wireless monitoring capacities for deck and cables are evaluated. Finally, the structural health monitoring of stay cables under the attack of the two typhoons is described. Wind-induced deck vibration, cable vibration and cable force variation are examined based on the field measurements in the cable-stayed bridge under the two consecutive typhoons.
For a long cable-stayed bridge, stay cables are its most important load-carrying components. In this paper, long-term monitoring of super-long stay cables of Sutong Bridge is introduced. A comprehensive data analysis procedure is presented, in which time domain and frequency domain based analyses are carried out. In time domain, the vibration data of several long stay cables are firstly analyzed and the standard deviation of the acceleration of stay cables, and its variation with time are obtained, as well as the relationship between in-plane vibration and out-plane vibration. Meanwhile, some vibrations such as wind and rain induced vibration are detected. Through frequency domain analysis, the basic frequencies of the stay cables are identified. Furthermore, the axial forces and their statistical parameters are acquired. To investigate the vibration deflection, an FFT-based decomposition method is used to get the modal deflection. In the end, the relationship between the vibration amplitude of stay cables and the wind speed is investigated based on correlation analysis. Through the adopted procedure, some structural parameters of the stay cables have been derived, which can be used for evaluating the component performance and corresponding management of stay cables.
Vibration and noise must be considered to maximize the efficiency of a yaw system and reduce the fatigue load acting on a wind turbine. This study investigated a method for analyzing yaw-system vibration based on the change in the load-duration distribution (LDD). A substructure synthesis method was combined with a planetary gear train rotational vibration model and finite element models of the housing and carriers. For the vibration excitation sources, the mass imbalance, gear mesh frequency, and bearing defect frequency were considered, and a critical speed analysis was performed. The analysis results showed that the critical speed did not occur within the operating speed range, but a defect occurred in the bearing of the first-stage planetary gear system. It was found that the bearing stiffness and first natural frequency increased with the LDD load. In addition, no vibration occurred in the operating speed range under any of the LDD loads. Because the rolling bearing stiffness changed with the LDD, it was necessary to consider the LDD when analyzing the wind turbine vibration.
The vortex-induced vibration of an ${\sqcap}$-shaped bridge deck sectional model is studied in this paper via the wind tunnel experiment. The vibratory behavior of the model shows that there is a transition of the predominant vibration mode from the vertical to the rotational degree of freedom as the wind speed increases gradually or vice versa as the wind speed decreases gradually. The vertical vibration is, however, much weaker in the latter case than in the former. This is a phenomenon which is difficult to model by existing parametric models for vortex-induced vibrations. In order to characterize the aeroelastic property of the ${\sqcap}$-shaped sectional model, a time domain force identification scheme is proposed to identify the time history of the aeroelastic forces. After the application of the proposed method, the resultant fluid forces are re-sampled in dimensionless time domain so that reduced frequency response function (RFRF) can be obtained to explore the properties of the vortex-induced wind forces in reduced frequency domain. The RFRF model is proven effective to characterize the correlation between the wind forces and bridge deck motions, thus can explain the aeroelastic behavior of the ${\sqcap}$-shaped sectional model.
In this study, vortex induced vibrations of a cylinder mounted on a flexible rod are analyzed. This simple configuration represents the key element of new conception bladeless wind turbine (Whitlock 2015). In this study the structure oscillations equation coupled to the wake oscillation equation for this configuration are solved using analytical perturbation method, for the first time. An analytical expression that predicts the lock-in phenomena range of wind speed is derived. The discretized equations of motion are also solved using RKF45 numerical method. The equations of motion are discretized by Galerkin method. Free vibration mode shape of the structure taking into account the discontinuity of the cross section are used as comparison function. Numerical results are compared to the analytical results, and they show a satisfying agreement. The effect of system parameters on the oscillations of structure and wake as well as on the lock-in domain are presented. Moreover, it is shown that the values of wind speed triggering the start and the stop of the lock-in phenomenon, for increasing wind speed are different from those values obtained during the reverse process, i.e., when the wind speed decreases.
The effectiveness of conventional tuned liquid dampers (TLDs) in controlling the wind-induced response of tall flexible structures has been indicated. However, the impaired control effect in the detuning condition or a considerably high mass cost of liquid may be incurred in ensuring the high-level serviceability. To provide an efficient TLD-based solution for wind-induced vibration control, this study proposes a serviceability-oriented optimal design method for isolated TLDs (ILDs) and derives analytical design formulae. The ILD is implemented by mounting the TLD on the linear isolators. Stochastic response analysis is performed for the ILD-equipped structure subjected to stochastic wind and white noise, and the results are considered to derive the closed-form responses. Correspondingly, an extensive parametric analysis is conducted to clarify a serviceability-oriented optimal design framework by incorporating the comfort demand. The obtained results show that the high-level serviceability demand can be satisfied by the ILD based on the proposed optimal design framework. Analytical design formulae can be preliminarily adopted to ensure the target serviceability demand while enhancing the structural displacement performance to increase the safety level. Compared with conventional TLD systems, the ILD exhibits higher effectiveness and a larger frequency bandwidth for wind-induced vibration control at a small mass ratio.
Zengshun Chen;Jie Bai;Yemeng Xu;Sijia Li;Jianmin Hua;Cruz Y. Li;Xuanyi Xue
Wind and Structures
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v.37
no.5
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pp.331-346
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2023
This work investigates the effects of transverse inclination on an aeroelastic prism through forced-vibration wind tunnel experiments. The aerodynamic characteristics are tri-parametrically evaluated under different wind speeds, inclination angles, and oscillation amplitudes. Results show that transverse inclination fundamentally changes the wake phenomenology by impinging the fix-end horseshoe vortex and breaking the separation symmetry. The aftermath is a bi-polar, one-and-for-all change in the aerodynamics near the prism base. The suppression of the horseshoe vortex unleashes the Kármán vortex, which significantly increases the unsteady crosswind force. After the initial morphology switch, the aerodynamics become independent of inclination angle and oscillation amplitude and depend solely on wind speed. The structure's upper portion does not feel the effect, so this phenomenon is called Base Intensification. The phenomenon only projects notable impacts on the low-speed and VIV regime and is indifferent in the high-speed. In practice, Base Intensification will disrupt the pedestrian-level wind environment from the unleashed Bérnard-Kármán vortex shedding. Moreover, it increases the aerodynamic load at a structure base by as much as 4.3 times. Since fix-end stiffness prevents elastic dissipation, the load translates to massive stress, making detection trickier and failures, if they are to occur, extreme, and without any warnings.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.27
no.1
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pp.107-113
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2017
The dynamic characteristics including natural frequencies and excitation frequencies are evaluated for a small 10 kW vertical axis wind turbine. Acceleration responses were measured at 12 distributed locations for impact vibration tests, ambient vibration tests during non-operational and operational conditions, and braking tests during operational condition. The natural frequencies for the lowest 2 bending modes and the first torsional mode were estimated and also the excitation frequencies, i.e. 1P, 2P, 4P, were also estimated according to the rotational speed using the responses under operational conditions (i.e. power generation condition).
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