A probabilistic approach that combines structural demand hazard analysis with cumulative damage assessment is presented and applied to a steel tower of a wind turbine. The study presents the step by step procedure to compare the reliability over time of the structure subjected to fatigue, assuming: a) a binomial Weibull annual wind speed, and b) a traditional Weibull probability distribution function (PDF). The probabilistic analysis involves the calculation of force time simulated histories, fatigue analysis at the steel tower base, wind hazard curves and structural fragility curves. Differences in the structural reliability over time depending on the wind speed PDF assumed are found, and recommendations about selecting a real PDF are given.
풍력발전 단지의 수익성 평가를 위해 연간 에너지 생산량(AEP ; Annual Energy Production)의 계산이 중요하다. AEP를 계산하기 위해서는 바람의 확률밀도함수(PDF ; Probability Density Function)와 풍력발전기의 발전곡선(PC; Power Curve)이 필요하며, AEP 예측의 정확성을 향상시키기 위해서는 허브 높이에서의 PDF예측과 그 높이의 공기밀도에 따른 풍력발전기 PC의 결정이 중요하다. 본 연구에서는 제주도 한동, 평대의 실관측 풍황탑(met mast) 자료를 이용하였으며 풍속의 PDF를 Weibull 분포 함수로 가정 하였고 Weibull 함수의 파라미터의 값이 높이에 따라 변화하는 양상을 확인하였다. Weibul 함수의 계산은 모멘트법과 LN-least법을 사용하였으며, 모멘트법과 LN-least법에 의한 형상계수의 경우 높이의 증가에 따라 변화를 보이지 않았고 평균값에서 ${\pm}0.1$의 변화 패턴을 보였다. 척도계수의 경우 높이가 증가함에 따라 선형적으로 증가하였으며 지형별 분류에 따른 높이별 척도계수의 기울기는 확연한 차이를 보이고 있었다. 60m 높이에서 관측된 바람의 상대도수와 관측 값의 높이 보정에 의한 공기밀도와 일반식에 의한 공기밀도를 각각 계산하여 그 결과에 대응하는PC를 선택하여 AEP차이를 계산하였다.
The probabilistic characterization of wind field characteristics is a significant task for fatigue reliability assessment of long-span railway bridges in wind-prone regions. In consideration of the effect of wind direction, the stochastic properties of wind field should be represented by a bivariate statistical model of wind speed and direction. This paper presents the construction of the bivariate model of wind speed and direction at the site of a railway arch bridge by use of the long-term structural health monitoring (SHM) data. The wind characteristics are derived by analyzing the real-time wind monitoring data, such as the mean wind speed and direction, turbulence intensity, turbulence integral scale, and power spectral density. A sequential quadratic programming (SQP) algorithm-based finite mixture modeling method is proposed to formulate the joint distribution model of wind speed and direction. For the probability density function (PDF) of wind speed, a double-parameter Weibull distribution function is utilized, and a von Mises distribution function is applied to represent the PDF of wind direction. The SQP algorithm with multi-start points is used to estimate the parameters in the bivariate model, namely Weibull-von Mises mixture model. One-year wind monitoring data are selected to validate the effectiveness of the proposed modeling method. The optimal model is jointly evaluated by the Bayesian information criterion (BIC) and coefficient of determination, $R^2$. The obtained results indicate that the proposed SQP algorithm-based finite mixture modeling method can effectively establish the bivariate model of wind speed and direction. The established bivariate model of wind speed and direction will facilitate the wind-induced fatigue reliability assessment of long-span bridges.
Chalamcharla, Seshaiah C.V.;Doraiswamy, Indhumathy D.
Wind and Structures
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제23권4호
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pp.351-366
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2016
Nowadays, wind energy is the most rapidly developing technology and energy source and it is reusable. Due to its cleanliness and reusability, there have been rapid developments made on transferring the wind energy systems to electric energy systems. Converting the wind energy to electrical energy can be done only with the wind turbines. So installing a wind turbine depends on the wind speed at that location. The expected wind power can be estimated using a perfect probability distribution. In this paper Weibull and Weibull distribution with multiple parameters has been used in deriving the mathematical expression for estimating the wind power. Statistically the parameters of Weibull and Weibull distribution are estimated using the maximum likelihood techniques. We derive a probability distribution for the power output of a wind turbine with given rated wind speeds for the regions where the wind speed histograms present a bimodal pdf and compute the first order moment of this distribution.
The estimated probabilistic model of wind data based on the conventional approach may have high discrepancy compared with the true distribution because of the uncertainty caused by the instrument error and limited monitoring data. A sequential quadratic programming (SQP) algorithm-based finite mixture modeling method has been developed in the companion paper and is conducted to formulate the joint probability density function (PDF) of wind speed and direction using the wind monitoring data of the investigated bridge. The established bivariate model of wind speed and direction only represents the features of available wind monitoring data. To characterize the stochastic properties of the wind parameters with the subsequent wind monitoring data, in this study, Bayesian inference approach considering the uncertainty is proposed to update the wind parameters in the bivariate probabilistic model. The slice sampling algorithm of Markov chain Monte Carlo (MCMC) method is applied to establish the multi-dimensional and complex posterior distribution which is analytically intractable. The numerical simulation examples for univariate and bivariate models are carried out to verify the effectiveness of the proposed method. In addition, the proposed Bayesian inference approach is used to update and optimize the parameters in the bivariate model using the wind monitoring data from the investigated bridge. The results indicate that the proposed Bayesian inference approach is feasible and can be employed to predict the bivariate distribution of wind speed and direction with limited monitoring data.
The time-varying mean (TVM) component of non-stationary wind speeds is commonly extracted utilizing empirical mode decomposition (EMD) in practice, whereas the accuracy of the extracted TVM is difficult to be quantified. To deal with this problem, this paper proposes an approach to identify and extract the optimal TVM from several TVM results obtained by the EMD. It is suggested that the optimal TVM of a 10-min time history of wind speeds should meet both the following conditions: (1) the probability density function (PDF) of fluctuating wind component agrees well with the modified Gaussian function (MGF). At this stage, a coefficient p is newly defined as an evaluation index to quantify the correlation between PDF and MGF. The smaller the p is, the better the derived TVM is; (2) the number of local maxima of obtained optimal TVM within a 10-min time interval is less than 6. The proposed approach is validated by a numerical example, and it is also adopted to extract the optimal TVM from the field measurement records of wind speeds collected during a sandstorm event.
원자력발전소 사고 후 그 위험도를 평가하는 새로운 방법으로 몬테칼로 방법을 제시한다. 본 연구에서는 발전소 주위의 주민에게 주는 방사선의 영향을 평가하기 위하여 공기중의 확산계산에 부지에서 측정한 기상조건을 직접 사용하고 있다. 사고가 일어나는 순간에서의 화산조건은 주어진 기상자료로부터 분석된 pdf에 의하여 결정되고 그이후의 조건(풍향, 풍속, 안정도)은 마르코프 조건을 만족시킨다고 가정하였다. 예제로써 KNU-1의 냉각재 상실사고를 분석한 절과 50마일내의 주민이 받는 선량은 50퍼센트 신뢰도를 갖고 200 man-Sv이다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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