An accurate calculation of the stochastic wind field is the foundation for analyzing wind-induced structure response and reliability. In this research, the spatial correlation of structural wind field was considered based on the time domain method. A method for calculating the stochastic wind field based on cross stochastic Fourier spectrum was proposed. A flowchart of the proposed methodology is also presented in this study to represent the algorithm and workflow. Along with the analysis of regional wind speed distribution, the wind speed time history sample was calculated, and the efficiency can therefore be verified. Results show that the proposed method and programs could provide an efficient simulation for the wind-induced structure response analysis, and help determine the related parameters easily.
Stavridou, Nafsika;Efthymiou, Evangelos;Gerasimidis, Simos;Baniotopoulos, Charalampos C.
Steel and Composite Structures
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v.19
no.5
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pp.1115-1144
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2015
Current climate conditions along with advances in technology make further design and verification methods for structural strength and reliability of wind turbine towers imperative. Along with the growing interest for "green" energy, the wind energy sector has been developed tremendously the past decades. To this end, the improvement of wind turbine towers in terms of structural detailing and performance result in more efficient, durable and robust structures that facilitate their wider application, thus leading to energy harvesting increase. The wind tower industry is set to expand to greater heights than before and tapered steel towers with a circular cross-section are widely used as more capable of carrying heavier loads. The present study focuses on the improvement of the structural response of steel wind turbine towers, by means of internal stiffening. A thorough investigation of the contribution of stiffening rings to the overall structural behavior of the tower is being carried out. These stiffening rings are placed along the tower height to reduce local buckling phenomena, thus increasing the buckling strength of steel wind energy towers and leading the structure to a behavior closer to the one provided by the beam theory. Additionally to ring stiffeners, vertical stiffening schemes are studied to eliminate the presence of short wavelength buckles due to bending. For the purposes of this research, finite element analysis is applied in order to describe and predict in an accurate way the structural response of a model tower stiffened by internal stiffeners. Moreover, a parametric study is being performed in order to investigate the effect of the stiffeners' number to the functionality of the aforementioned stiffening systems and the improved structural behavior of the overall wind converter.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.33
no.1
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pp.1-7
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2020
The wind responses of twin buildings are determined by the characteristics of wind loads and the dynamic characteristics of the structural systems of the buildings. In this study, the characteristics of wind pressure that influence wind responses were identified for two different spacings between the twin buildings using a wind tunnel test and the proper orthogonal decomposition (POD) method. Structural dynamic characteristics were also identified using 3D structural system modeling. The double modal transformation method was utilized to evaluate the characteristics of wind pressure for across-wind and along-wind conditions and the effect of the dynamic characteristics of each structure on the wind responses. The channeling and vortex effects were identified through the POD method. Across-wind loads were significantly affected by the spacings between the twin buildings, whereas along-wind loads were minimally affected. Similarly, while using the double modal transformation method, a significant difference was noticed in case of the cross-participation coefficients in the across-wind direction condition for the different spacings between the buildings; however, the along-wind direction condition showed negligible difference. Therefore, the spacing between the two buildings plays a more important role in across-wind responses compared to along-wind responses.
Wind loading is one of important loadings that should be considered in the design of large hyperbolic natural-draught cooling towers. Both external and internal surfaces of cooling tower are under the action of wind loading for cooling circulating water. In the previous studies, the wind loads on the external surface attracted concernedly attention, while the study on the internal surface was relatively ware. In the present study, the wind pressure on the internal surface of a 220 m high cooling tower is measured through wind tunnel testing, and the effect of ventilation rate of the packing layer on internal pressure is a major concern. The characteristics of internal wind pressure distribution and its effect on wind-induced responses calculated by finite element method are investigated. The results indicate that the wind loading on internal surface of the cooling tower behaves remarkable three-dimensional effect, and the pressure coefficient varies along both of height and circumferential directions. The non-uniformity is particularly strong during the construction stage. Analysis results of the effect of internal pressure on wind-induced responses show that the size and distribution characteristics of internal pressure will have some influence on wind-induced response, however, the outer pressure plays a dominant role in the wind-induced response of cooling tower, and the contribution of internal pressure to the response is small.
An offshore wind turbine supported by a spar buoy floating platform is the subject of this study on tower and rotor extreme loads. The platform, with a 120-meter draft and assumed to be sited in 320 meters of water, supports a 5 MW wind turbine. A baseline model for this turbine developed at the National Renewable Energy Laboratory (NREL) is employed in stochastic response simulations. The support platform, along with the mooring system consisting of three catenary lines, chosen for loads modeling, is based on the "Hywind" floating wind turbine concept. Our interest lies in gaining an understanding of the dynamic coupling between the support platform motion and the turbine loads. We first investigate short-term response statistics using stochastic simulation for a range of different environmental wind and wave conditions. From this study, we identify a few "controlling" environmental conditions for which long-term turbine load statistics and probability distributions are established.
This paper presents a 1:25 multi-freedom aero-elastic model for a high lighting pole at the Zhoushan stadium. To validate the similarity characteristics of the model, a free vibration test was performed before the formal test. Beat phenomenon was found and eliminated by synthesis of vibration in the X and Y directions, and the damping ratio of the model was identified by the free decay method. The dynamic characteristics of the model were examined and compared with the real structure; the similarity results were favorable. From the test results, the major along-wind dynamic response was the first vibration component. The along-wind wind vibration coefficient was calculated by the China code and Eurocode. When the peak factor equaled 3.5, the coefficient calculated by the China code was close to the experimental result while Eurocode had a slight overestimation of the coefficient. The wind vibration coefficient during typhoon flow was analyzed, and a magnification factor was suggested in typhoon-prone areas. By analyzing the power spectrum of the dynamic cross-wind base shear force, it was found that a second-order vortex-excited resonance existed. The cross-wind response in the test was smaller than Eurocode estimation. The aerodynamic damping ratio was calculated by random decrement technique and the results showed that aerodynamic damping ratios were mostly positive at the design wind speed, which means that the wind-induced galloping phenomenon is predicted not to occur at design wind speeds.
In recent years, high-strength, light-weight materials have been widely used in the construction of high-rise buildings. Such structures generally have flexible, low-damping characteristics. Consequently, wind-induced oscillation greatly affects the structural safety and the comfort of the building's occupants. In this research, wind tunnel experiments were carried out to study the wind-induced vibration of a building with a tuned liquid column damper (TLCD). Then, a model for predicting the aerodynamic response in the across-wind direction was generated. Finally, a computing procedure was developed for the analytical modeling of the structural oscillation in a building with a TLCD under the wind load. The model agrees substantially with the experimental results. Therefore, it may be used to accurately calculate the structural response. Results from this investigation show that the TLCD is more advantageous for reducing the across-wind vibration than the along-wind oscillation. When the across-wind aerodynamic effects are considered, the TLCD more effectively controls the aerodynamic response. Moreover, it is also more useful in suppressing the acceleration than the displacement in biaxial directions. As s result, TLCDs are effective devices for reducing the wind-induced vibration in buildings. Parametric studies have also been conducted to evaluate the effectiveness of the TLCD in suppressing the structural oscillation. This study may help engineers to more correctly predict the aerodynamic response of high-rise buildings as well as select the most appropriate TLCDs for reducing the structural vibration under the wind load. It may also improve the understanding of wind-structure interactions and wind resistant designs for high-rise buildings.
Second-order moments of considerable magnitude arise in tall and slender RC chimneys and towers subject to along-wind loading, on account of eccentricities in the distributed self-weight of the tower in the deflected profile. An accurate solution to this problem of geometric nonlinearity is rendered difficult by the uncertainties in estimating the flexural rigidity of the tower, due to variable cracking of concrete and the 'tension stiffening' effect. This paper presents a rigorous procedure for estimating deflections and second-order moments in wind-loaded RC tubular towers. The procedure is essentially based on a generalised formulation of moment-curvature relationships for RC tubular towers, derived from the experimental and theoretical studies reported by Schlaich et al. 1979 and Menon 1994 respectively. The paper also demonstrates the application of the proposed procedure, and highlights those conditions wherein second-order moments become too significant to be overlooked in design.
Guyed mast structures exhibit characteristics such as high flexibility, low mass, small damping ratio, and large aspect ratio, leading to a complex wind-induced vibration response mechanism. This study analyzed the time- and frequency-domain characteristics of the wind-induced response of a guyed mast structure using measured acceleration response data obtained from the Shenzhen Meteorological Gradient Tower (SZMGT). Firstly, 734 sets of 1-hour acceleration samples measured from 0:00 October 1, 2021, to 0:00 November 1, 2021, were selected to study the vibration shapes of the mast and the characteristics of the generalized extreme value (GEV) distribution. Secondly, six sets of typical samples with different vibration intensities were further selected to explore the Gaussian property and modal parameter characteristics of the mast. Finally, the modal parameters of the SZMGT are identified and the identification results are verified by finite element analysis. The findings revealed that the guyed mast vibration shape exhibits remarkable diversity, which increases nonlinearly along the height in most cases and reaches a maximum at the top of the tower. Moreover, the GEV distribution characteristics of the 734 sets of samples are closer to the Weibull distribution. The probability distribution of the structural wind vibration response under strong wind is in good agreement with the Gaussian distribution. The structural response of the mast under wind loading exhibits multiple modes. As the structural response escalates, the first three orders of modal energy in the tower display a gradual increase in proportion.
Ivan F. Huergo;Hugo Hernandez-Barrios;Roberto Gomez-Martinez
Wind and Structures
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v.38
no.1
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pp.15-42
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2024
A flexible-base coupled-two-beam (CTB) discrete model with equivalent tuned mass dampers is used to assess the effect of soil-structure interaction (SSI) and different types of lateral resisting systems on the design of passive dynamic absorbers (PDAs) under the action of along-wind and across-wind loads due to vortex shedding. A total of five different PDAs are considered in this study: (1) tuned mass damper (TMD), (2) circular tuned sloshing damper (C-TSD), (3) rectangular tuned sloshing damper (R-TSD), (4) two-way liquid damper (TWLD) and (5) pendulum tuned mass damper (PTMD). By modifying the non-dimensional lateral stiffness ratio, the CTB model can consider lateral deformations varying from those of a flexural cantilever beam to those of a shear cantilever beam. The Monte Carlo simulation method was used to generate along-wind and across-wind loads correlated along the height of a real shear wall-frame building, which has similar fundamental periods of vibration and different modes of lateral deformation in the xz and yz planes, respectively. Ambient vibration tests were conducted on the building to identify its real lateral behavior and thus choose the most suitable parameters for the CTB model. Both alongwind and across-wind responses of the 144-meter-tall building were computed considering four soil types (hard rock, dense soil, stiff soil and soft soil) and a single PDA on its top, that is, 96 time-history analyses were carried out to assess the effect of SSI and lateral resisting system on the PDAs design. Based on the parametric analyses, the response significantly increases as the soil flexibility increases for both type of lateral wind loads, particularly for flexural-type deformations. The results show a great effectiveness of PDAs in controlling across-wind peak displacements and both along-wind and across-wind RMS accelerations, on the contrary, PDAs were ineffective in controlling along-wind peak displacements on all soil types and different kind of lateral deformation. Generally speaking, the maximum possible value of the PDA mass efficiency index increases as the soil flexibility increases, on the contrary, it decreases as the non-dimensional lateral stiffness ratio of the building increases; therefore, there is a significant increase of the vibration control effectiveness of PDAs for lateral flexural-type deformations on soft soils.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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