Majority of transmission line system failures at many locations worldwide have been caused by severe localized wind events in the form of tornadoes and downbursts. This study evaluates the structural response of two different transmission line systems under equivalent F2 tornadoes obtained from real incidents. Two multi-span self-supported transmission line systems are considered in the study. Nonlinear three-dimensional finite element models are developed for both systems. The finite element models simulate six spans and five towers. Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations are used to develop the tornado wind fields. Using a proper scaling method for geometry and velocity, full-scale tornado flow fields for the Stockton, KS, 2005 and Goshen County WY, 2009 are developed and considered together with a previously developed tornado wind field. The tornado wind profiles are obtained in terms of tangential, radial, and axial velocities. The simulated tornadoes are then normalized to the maximum velocity value for F2 tornadoes in order to compare the effect of different tornadoes having an equal magnitude. The tornado wind fields are incorporated into a three-dimensional finite element model. By varying the location of the tornado relative to the transmission line systems, base shears of the tower of interest and peak internal forces in the tower members are evaluated. Sensitivity analysis is conducted to assess the variation of the structural behaviour of the studied transmission lines associated with the location of the tornado relative to the tower of interest. The tornado-induced forces in both lines due to the three different normalized tornadoes are compared with corresponding values evaluated using the simplified load case method recently incorporated in the ASCE-74 (2020) guidelines, which was previously developed based on the research conducted at Western University.
The majority of weather-related failures of transmission line structures that have occurred in the past have been attributed to high intensity localized wind events, in the form of tornadoes and downbursts. A numerical scheme is developed in the current study to assess the performance of transmission lines under tornado wind load events. The tornado wind field is based on a model scale Computational Fluid Dynamic (CFD) analysis that was conducted and validated in a previous study. Using field measurements and code specifications, the CFD model data is used to estimate the wind fields for F4 and F2 full scale tornadoes. The wind forces associated with these tornado fields are evaluated and later incorporated into a nonlinear finite element three-dimensional model for the transmission line system, which includes a simulation for the towers and the conductors. A comparison is carried between the forces in the members resulting from the tornadoes, and those obtained using the conventional design wind loads. The study reveals the importance of considering tornadoes when designing transmission line structures.
Yi Zhao;Guirong Yan;Ruoqiang Feng;Zhongdong Duan;Houjun Kang
Wind and Structures
/
v.38
no.4
/
pp.245-259
/
2024
In a tornadic wind field, the vertical velocity component in certain regions of tornadoes can be significant, forming one of the major differences between tornadic wind fields and synoptic straight-line wind fields. To better understand the wind characteristics of tornadoes and properly estimate the action of tornadoes on civil structures, it is important to ensure that all the attributes of tornadoes are captured. Although Doppler radars have been used to measure tornadic wind fields, they can only directly provide information on quasi-horizontal velocity. Therefore, lots of numerical simulations and experimental tests in previous research ignored the vertical velocity at the boundary. However, the influence of vertical velocity in tornadic wind fields is not evaluated. To address this research gap, this study is to use an approach to derive the vertical velocity component based on the horizontal velocities extracted from the radar-measured data by mass continuity. This approach will be illustrated by using the radar-measured data of Spencer Tornado as an example. The vertical velocity component is included in the initial inflow condition in the CFD simulation to assess the influence of including vertical velocity in the initial inflow condition on the entire tornadic wind field.
In the early morning hours of February 23rd, 1998, seven large tornadoes ravaged central Florida. A total of 42 people were killed and millions of dollars of damage was done. A strip mall and other commercial structures sustained considerable damage and several residential areas were completely destroyed. Based on field observations, the paper examines the causes and sequence of structural failure for the masonry single family homes. Wind speeds are estimated based on the observed damage, and compared to the meteorological data. Finally, recommendations are given that could help to eliminate or reduce similar failures in the future. It was found that with simple, cost effective measures, most if not all of the damage could have been prevented.
Mohamed AbuGazia;Ashraf El Damatty;Kaoshan Dai;Wensheng Lu;Nima Ezami
Wind and Structures
/
v.37
no.6
/
pp.413-423
/
2023
Wind turbines are usually steel hollow structures that can be vulnerable to dramatic failures due to high-intensity wind (HIW) events, which are classified as a category of localized windstorms that includes tornadoes and downbursts. Analyzing Wind Turbines (WT) under tornadoes is a challenging-to-achieve task because tornadoes are much more complicated wind fields compared with the synoptic boundary layer wind fields, considering that the tornado's 3-D velocity components vary largely in space. As a result, the supporting tower of the wind turbine and the blades will experience different velocities depending on the location of the event. Wind farms also extend over a large area so that the probability of a localized windstorm event impacting one or more towers is relatively high. Therefore, the built-in-house numerical code "HIW-WT" has been developed to predict the straining actions on the blades considering the variability of the tornado's location and the blades' pitch angle. The developed HIWWT numerical model incorporates different wind fields that were generated from developed CFD models. The developed numerical model was applied on an actual wind turbine under three different tornadoes that have different tornadic structure. It is found that F2 tornado wind fields present significant hazard for the wind turbine blades and have to be taken into account if the hazardous impact of this type of unexpected load is to be avoided.
Translation of tornadoes is an important feature in replicating the near-ground tornado flow field which has been simulated in previous studies based on Ward-type tornado simulators using relative motion of the ground plane. In this laboratory investigation, effects of translation on the near-ground tornado flow field were studied using the ISU Tornado Simulator that can physically translate over a ground plane. Two translation speeds, 0.15 m/s and 0.50 m/s, that scale up to those corresponding to slowly-moving tornadoes in the field were selected for this study. Compared with the flow field of a stationary tornado, the simulated tornado with translation had an influence on the spatial distribution and magnitude of the horizontal velocities, early reversal of the radial inflow, and expansion of the core radius. Maximum horizontal velocities were observed to occur behind the center of the translating tornado and on the right side of its mean path. An increase in translation speed, resulted in reduction of maximum horizontal velocities at all heights. Comparison of the results with previous studies that used relative motion of the ground plane for simulating translating tornadoes, showed that translation has similar effects on the flow field at smaller radial distances (~2 core radius), but different effects at larger radial distances (~4 core radius). Further, it showed that the effect of translation on velocity profiles is noticeable at and above an elevation of ~0.6 core radius, unlike those in studies based on the relative motion of the ground plane.
Multiple studies conducted in the past evaluated the conductor response under one tornado wind field, while the performance of transmission lines under different tornado wind fields still remains unknown. Thus, the objective of this paper is to estimate the variation in the conductor's critical longitudinal and transverse reactions under different tornado wind fields, as well as providing the corresponding critical tornado configurations. The considered full-scale tornadoes are the Spencer, South Dakota, 1998, the Stockton, Kansas, 2005 and the Goshen County, Wyoming, 2009. Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations were previously conducted to develop these wind fields. All tornadoes have been rescaled to have a common velocity matching the upper limit of the F2 Fujita scale. Eight conductor systems, each including six spans, are considered in this paper. For each conductor, parametric studies are conducted by varying the location of the three tornado wind fields relative to the tower of interest, therefore the peak reactions associated with each tornado are determined. A semi-analytical closed-form solution, previously developed and validated, is used to calculate the reactions. The study conducted in this paper can be divided into two parts: In the first part, a parametric study considering a wide range of tornado locations is conducted. In the second part, the parametric study focuses on the tornado location leading to the critical tangential velocity on the tower. Based on this extensive parametric study, a critical tornado defined as the Design Tornado and its critical locations, tornado distance R = 125 m, tornado angle 𝜃 = 15° and 30°, are recommended for design purposes.
The meteorological events that cause most strong winds in Brazil are extra-tropical cyclones, downbursts and tornadoes. However, one hurricane formed off the coastline of southern Brazil in 2005, a tropical storm formed in 2010 and there are predictions that others may form again. Events such as those described in the paper and which have occurred before 1987, generate data for the wind map presented in the Brazilian wind loading code NBR-6123. This wind map presents the reference wind speeds based on 3-second gust wind speed at 10 m height in open terrain, with 50-year return period, varying from 30 m/s (north half of country) to 50 m/s (extreme south). There is not a separation of the type of climatological event which generated each registered velocity. Therefore, a thunderstorm (TS), an extra-tropical pressure system (EPS) or even a tropical cyclone (TC) are treated the same and its resulting velocities absorbed without differentiation. Since the flow fields generated by each type of meteorological event may be distinct, the indiscriminate combination of the highest wind velocities with aerodynamic coefficients from boundary layer wind tunnels may lead to erroneous loading in buildings.
Yousef, Majdi A.A.;Selvam, Panneer R.;Prakash, Jai
Wind and Structures
/
v.26
no.6
/
pp.369-382
/
2018
Tornadoes are vertical swirling air formed because of the existence of layers of air with contrasting features of temperature, wind flow, moisture, and density. Tornadoes induce completely different wind forces than a straight-line (SL) wind. A suitably designed building for an SL wind may fail when exposed to a tornado-wind of the same wind speed. It is necessary to design buildings that are more resistant to tornadoes. In tornado-damaged areas, dome buildings seem to have less damage. As a dome structure is naturally wind resistant, domes have been used in back yards, as single family homes, as in-law quarters, man caves, game rooms, storm shelters, etc. However, little attention has been paid to the tornadic wind interactions with dome buildings. In this work, the tornado forces on a dome are computed using Computational Fluid Dynamics (CFD) for tornadic and SL wind. Then, the interaction of a tornado with a dome and a prism building are compared and analyzed. This work describes the results of the tornado wind effect on dome and prism buildings. The conclusions drawn from this study are illustrated in visualizations. The tornado force coefficients on a dome building are larger than SL wind forces, about 120% more in x- and y-directions and 280% more in z-direction. The tornado maximum pressure coefficients are also higher than SL wind by 150%. The tornado force coefficients on the prism are larger than the forces on the dome, about 100% more in x- and y-directions, and about 180% more in z-direction. The tornado maximum pressure coefficients on prism also are greater those on dome by 150% more. Hence, a dome building has less tornadic load than a prism because of its aerodynamic shape.
The current study investigates the dynamic effects in the tornado-structure response of an aeroelastic self-supported lattice transmission tower model tested under laboratory simulated tornado-like vortices. The aeroelastic model is designed for a geometric scale of 1:65 and tested under scaled down tornadoes in the Wind Engineering, Energy and Environment (WindEEE) Research Institute. The simulated tornadoes have a similar length scale of 1:65 compared to the full-scale. An extensive experimental parametric study is conducted by offsetting the stationary tornado center with respect to the aeroelastic model. Such aeroelastic testing of a transmission tower under laboratory tornadoes is not reported in the literature. A multiaxial load cell is mounted underneath the base plate to measure the base shear forces and overturning moments applied to the model in three perpendicular directions. A three-axis accelerometer is mounted at the level of the second cross-arm to measure response accelerations to evaluate the natural frequencies through a free-vibration test. Radial, tangential, and axial velocity components of the tornado wind field are measured using cobra probes. Sensitivity analyses are conducted to assess the variation of the structural dynamic response associated with the location of the tornado relative to the lattice transmission tower. Three different layouts representing the change in the orientation of the tower model relative to the components of the tornado-induced loads are considered. The structural responses of the aeroelastic model in terms of base shear forces, overturning moments, and lateral accelerations are measured. The results are utilized to understand the dynamic response of self-supported transmission towers to the tornado-induced loads.
본 웹사이트에 게시된 이메일 주소가 전자우편 수집 프로그램이나
그 밖의 기술적 장치를 이용하여 무단으로 수집되는 것을 거부하며,
이를 위반시 정보통신망법에 의해 형사 처벌됨을 유념하시기 바랍니다.
[게시일 2004년 10월 1일]
이용약관
제 1 장 총칙
제 1 조 (목적)
이 이용약관은 KoreaScience 홈페이지(이하 “당 사이트”)에서 제공하는 인터넷 서비스(이하 '서비스')의 가입조건 및 이용에 관한 제반 사항과 기타 필요한 사항을 구체적으로 규정함을 목적으로 합니다.
제 2 조 (용어의 정의)
① "이용자"라 함은 당 사이트에 접속하여 이 약관에 따라 당 사이트가 제공하는 서비스를 받는 회원 및 비회원을
말합니다.
② "회원"이라 함은 서비스를 이용하기 위하여 당 사이트에 개인정보를 제공하여 아이디(ID)와 비밀번호를 부여
받은 자를 말합니다.
③ "회원 아이디(ID)"라 함은 회원의 식별 및 서비스 이용을 위하여 자신이 선정한 문자 및 숫자의 조합을
말합니다.
④ "비밀번호(패스워드)"라 함은 회원이 자신의 비밀보호를 위하여 선정한 문자 및 숫자의 조합을 말합니다.
제 3 조 (이용약관의 효력 및 변경)
① 이 약관은 당 사이트에 게시하거나 기타의 방법으로 회원에게 공지함으로써 효력이 발생합니다.
② 당 사이트는 이 약관을 개정할 경우에 적용일자 및 개정사유를 명시하여 현행 약관과 함께 당 사이트의
초기화면에 그 적용일자 7일 이전부터 적용일자 전일까지 공지합니다. 다만, 회원에게 불리하게 약관내용을
변경하는 경우에는 최소한 30일 이상의 사전 유예기간을 두고 공지합니다. 이 경우 당 사이트는 개정 전
내용과 개정 후 내용을 명확하게 비교하여 이용자가 알기 쉽도록 표시합니다.
제 4 조(약관 외 준칙)
① 이 약관은 당 사이트가 제공하는 서비스에 관한 이용안내와 함께 적용됩니다.
② 이 약관에 명시되지 아니한 사항은 관계법령의 규정이 적용됩니다.
제 2 장 이용계약의 체결
제 5 조 (이용계약의 성립 등)
① 이용계약은 이용고객이 당 사이트가 정한 약관에 「동의합니다」를 선택하고, 당 사이트가 정한
온라인신청양식을 작성하여 서비스 이용을 신청한 후, 당 사이트가 이를 승낙함으로써 성립합니다.
② 제1항의 승낙은 당 사이트가 제공하는 과학기술정보검색, 맞춤정보, 서지정보 등 다른 서비스의 이용승낙을
포함합니다.
제 6 조 (회원가입)
서비스를 이용하고자 하는 고객은 당 사이트에서 정한 회원가입양식에 개인정보를 기재하여 가입을 하여야 합니다.
제 7 조 (개인정보의 보호 및 사용)
당 사이트는 관계법령이 정하는 바에 따라 회원 등록정보를 포함한 회원의 개인정보를 보호하기 위해 노력합니다. 회원 개인정보의 보호 및 사용에 대해서는 관련법령 및 당 사이트의 개인정보 보호정책이 적용됩니다.
제 8 조 (이용 신청의 승낙과 제한)
① 당 사이트는 제6조의 규정에 의한 이용신청고객에 대하여 서비스 이용을 승낙합니다.
② 당 사이트는 아래사항에 해당하는 경우에 대해서 승낙하지 아니 합니다.
- 이용계약 신청서의 내용을 허위로 기재한 경우
- 기타 규정한 제반사항을 위반하며 신청하는 경우
제 9 조 (회원 ID 부여 및 변경 등)
① 당 사이트는 이용고객에 대하여 약관에 정하는 바에 따라 자신이 선정한 회원 ID를 부여합니다.
② 회원 ID는 원칙적으로 변경이 불가하며 부득이한 사유로 인하여 변경 하고자 하는 경우에는 해당 ID를
해지하고 재가입해야 합니다.
③ 기타 회원 개인정보 관리 및 변경 등에 관한 사항은 서비스별 안내에 정하는 바에 의합니다.
제 3 장 계약 당사자의 의무
제 10 조 (KISTI의 의무)
① 당 사이트는 이용고객이 희망한 서비스 제공 개시일에 특별한 사정이 없는 한 서비스를 이용할 수 있도록
하여야 합니다.
② 당 사이트는 개인정보 보호를 위해 보안시스템을 구축하며 개인정보 보호정책을 공시하고 준수합니다.
③ 당 사이트는 회원으로부터 제기되는 의견이나 불만이 정당하다고 객관적으로 인정될 경우에는 적절한 절차를
거쳐 즉시 처리하여야 합니다. 다만, 즉시 처리가 곤란한 경우는 회원에게 그 사유와 처리일정을 통보하여야
합니다.
제 11 조 (회원의 의무)
① 이용자는 회원가입 신청 또는 회원정보 변경 시 실명으로 모든 사항을 사실에 근거하여 작성하여야 하며,
허위 또는 타인의 정보를 등록할 경우 일체의 권리를 주장할 수 없습니다.
② 당 사이트가 관계법령 및 개인정보 보호정책에 의거하여 그 책임을 지는 경우를 제외하고 회원에게 부여된
ID의 비밀번호 관리소홀, 부정사용에 의하여 발생하는 모든 결과에 대한 책임은 회원에게 있습니다.
③ 회원은 당 사이트 및 제 3자의 지적 재산권을 침해해서는 안 됩니다.
제 4 장 서비스의 이용
제 12 조 (서비스 이용 시간)
① 서비스 이용은 당 사이트의 업무상 또는 기술상 특별한 지장이 없는 한 연중무휴, 1일 24시간 운영을
원칙으로 합니다. 단, 당 사이트는 시스템 정기점검, 증설 및 교체를 위해 당 사이트가 정한 날이나 시간에
서비스를 일시 중단할 수 있으며, 예정되어 있는 작업으로 인한 서비스 일시중단은 당 사이트 홈페이지를
통해 사전에 공지합니다.
② 당 사이트는 서비스를 특정범위로 분할하여 각 범위별로 이용가능시간을 별도로 지정할 수 있습니다. 다만
이 경우 그 내용을 공지합니다.
제 13 조 (홈페이지 저작권)
① NDSL에서 제공하는 모든 저작물의 저작권은 원저작자에게 있으며, KISTI는 복제/배포/전송권을 확보하고
있습니다.
② NDSL에서 제공하는 콘텐츠를 상업적 및 기타 영리목적으로 복제/배포/전송할 경우 사전에 KISTI의 허락을
받아야 합니다.
③ NDSL에서 제공하는 콘텐츠를 보도, 비평, 교육, 연구 등을 위하여 정당한 범위 안에서 공정한 관행에
합치되게 인용할 수 있습니다.
④ NDSL에서 제공하는 콘텐츠를 무단 복제, 전송, 배포 기타 저작권법에 위반되는 방법으로 이용할 경우
저작권법 제136조에 따라 5년 이하의 징역 또는 5천만 원 이하의 벌금에 처해질 수 있습니다.
제 14 조 (유료서비스)
① 당 사이트 및 협력기관이 정한 유료서비스(원문복사 등)는 별도로 정해진 바에 따르며, 변경사항은 시행 전에
당 사이트 홈페이지를 통하여 회원에게 공지합니다.
② 유료서비스를 이용하려는 회원은 정해진 요금체계에 따라 요금을 납부해야 합니다.
제 5 장 계약 해지 및 이용 제한
제 15 조 (계약 해지)
회원이 이용계약을 해지하고자 하는 때에는 [가입해지] 메뉴를 이용해 직접 해지해야 합니다.
제 16 조 (서비스 이용제한)
① 당 사이트는 회원이 서비스 이용내용에 있어서 본 약관 제 11조 내용을 위반하거나, 다음 각 호에 해당하는
경우 서비스 이용을 제한할 수 있습니다.
- 2년 이상 서비스를 이용한 적이 없는 경우
- 기타 정상적인 서비스 운영에 방해가 될 경우
② 상기 이용제한 규정에 따라 서비스를 이용하는 회원에게 서비스 이용에 대하여 별도 공지 없이 서비스 이용의
일시정지, 이용계약 해지 할 수 있습니다.
제 17 조 (전자우편주소 수집 금지)
회원은 전자우편주소 추출기 등을 이용하여 전자우편주소를 수집 또는 제3자에게 제공할 수 없습니다.
제 6 장 손해배상 및 기타사항
제 18 조 (손해배상)
당 사이트는 무료로 제공되는 서비스와 관련하여 회원에게 어떠한 손해가 발생하더라도 당 사이트가 고의 또는 과실로 인한 손해발생을 제외하고는 이에 대하여 책임을 부담하지 아니합니다.
제 19 조 (관할 법원)
서비스 이용으로 발생한 분쟁에 대해 소송이 제기되는 경우 민사 소송법상의 관할 법원에 제기합니다.
[부 칙]
1. (시행일) 이 약관은 2016년 9월 5일부터 적용되며, 종전 약관은 본 약관으로 대체되며, 개정된 약관의 적용일 이전 가입자도 개정된 약관의 적용을 받습니다.