Electricity is transmitted by transmission lines from the source of production to the distribution system and then to the end users. Failure of a transmission line can lead to devastating economic losses and to negative social consequences resulting from the interruption of electricity. A comprehensive in-house numerical model that combines the data of computational fluid dynamic simulations of tornado wind fields with three dimensional nonlinear structural analysis modelling of the transmission lines (conductors and ground-wire) is used in the current study. Many codes of practice recommend neglecting the tornado forces acting on the conductors and ground-wires because of the complexity in predicting the conductors' response to such loads. As such, real transmission line systems are numerically simulated and then analyzed with and without the inclusion of the lines to assess the effect of tornado loads acting on conductors on the overall response of transmission towers. In addition, the behaviour of the conductors under the most critical tornado configuration is described. The sensitivity of the lines' behaviour to the magnitude of tornado loading, the level of initial sag, the insulator's length, and lines self-weight is investigated. Based on the current study results, a recommendation is made to consider conductors and ground-wires in the analysis and design of transmission towers under the effect of tornado wind loads.
Ivan F. Huergo;Hugo Hernandez-Barrios;Roberto Gomez-Martinez
Wind and Structures
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제38권1호
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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.
This paper relates to the study of load characteristics applicable to wind turbine generators induced by earthquakes. An artificial design earthquake wave generated through the target spectrum and the envelope function of Richter Magnitude Scale (ML) 7.0 as in ASCE4-98 was created. A simulation of earthquake loads were performed according to the design load cases (DLC) 9.5~9.7 of GL guidelines. Additionally, simulation of seismic loads experienced by Wind Turbines installed in the Gyeongju region were carried out utilizing artificial earthquakes of ML 5.8 simulating the real earthquakes during the Gyeongju Earthquakes of Sept. 2016.
Test facilities for the wind turbine performance monitoring and mechanical load measurements are installed in Vestas 100 kW wind turbine in Wollyong test site, Jeju island. The monitoring system consists of Garrad-Hassan T-MON system, telemetry system for blade load measurement, various sensors such as anemometer, wind vane, strain gauge, power meter, and etc. The experimental procedure for the measurement of wind turbine loads, such as edgewise(lead-lag) bending moment, flapwise bending moment, and tower base bending moment, has been established. Strain gauges are on-site calibrated against load cell prior to monitoring the wind turbine loads. Using the established monitoring system, the wind turbine is remotely monitored. From the measured load data, the load analysis has been performed to obtain the load power spectral density and the fatigue load spectra of the wind turbine.
A general approach of aerodynamic optimization of tall buildings is presented in this paper, focusing on how to best compromise wind issues with other design aspects in the most efficient manner. The given approach is reinforced by establishing an empirical method that can quickly assess the across-wind loads and accelerations as a function of building frequencies, building dimensions, aspect ratios, depth-to-width ratios, and site exposures. Effects of corner modifications, including chamfered corner and recessed corner, can also be assessed in early design stages. Further, to assess the effectiveness of optimization by tapering, stepping or twisting building elevations, the authors introduce a method that takes use of sectional aerodynamic data derived from a simple wind tunnel pressure testing to estimate reductions on overall wind loads and accelerations for various optimization options, including tapering, stepping, twisting and/or their combinations. The advantage of the method is to considerably reduce the amount of wind tunnel testing efforts and speed up the process in finding the optimized building configurations.
The turbine industry demands a reliable design with affordable cost. As technological advances begin to support turbines of huge sizes, and the increasing importance of wind turbines from day to day make design safety conditions more important. Wind turbines are exposed to environmental conditions that can affect their installation, durability, and operation. International Electrotechnical Commission (IEC) 61400-1 design load cases consist of analyses involving wind turbine operating conditions. This design load cases (DLC) is important for determining fatigue loads (i.e., forces and moments) that occur as a result of expected conditions throughout the life of the machine. With the help of FAST (Fatigue, Aerodynamics, Structures, and Turbulence), an open source software, the NREL 5MW land base wind turbine model was used. IEC 61400-1 wind turbine design standard procedures assessed turbine behavior and fatigue damage to the tower base of dynamic loads in different design conditions. Real characteristic wind speed distribution and multi-directional effect specific to the site were taken into consideration. The effect of these conditions on the economic service life of the turbine has been studied.
Wind-induced failure around screwed connections has been documented in roof and wall cladding systems made with steel sheet cold-formed panels during high wind events. Previous research has found that low cycle fatigue caused by stress concentration and fluctuating wind loads is responsible for most such failures. A dynamic load protocol was employed in this work to represent fatigue under wind effects. A finite element model and fatigue criteria were implemented and compared with laboratory experiments in order to predict the fatigue failure associated with fluctuating wind loads. Results are used to develop an analytical model which can be employed for the fatigue analysis of steel cold-formed cladding systems. Existing three dimensional fatigue criteria are implemented and correlated with fatigue damage observed on steel claddings. Parametric studies are used to formulate suitable yet simple fatigue criteria. Fatigue failure is predicted in different configurations of loads, types of connections, and thicknesses of steel folded plate cladding. The analytical model, which correlated with experimental results reported in a companion paper, was validated for the fatigue life prediction and failure mechanism of different connection types and thicknesses of cold-formed steel cladding.
In this study, a partially earth-anchored cable system is studied in order to reduce the dynamic wind response of cable-stayed bridges. The employment of earth-anchored cables changes the dynamic characteristics of cable-stayed bridges under wind loads. In order to estimate the changes in the member forces, the spectral analysis for wind buffeting loads are performed and the peak responses are evaluated using 3-D finite element models of the three-span cable-stayed bridges with the partially earth-anchored cable system and with the self-anchored cable system, respectively. Comparing the results for the two different models, it is found that the earth-anchored cables affect longitudinal and vertical modes of the bridge. The changes of the natural frequencies for the longitudinal modes remarkably decrease the peak bending moment in the pylon and the movements at the expansion joints. The small changes of the natural frequencies for the vertical modes slightly increase bending moments and deflections in the girder. The original effects of the partially earth-anchored cable system are also shown under wind loads; the decrement of girder axial forces and bearing uplifting forces, and the increment of cable forces in the earth-anchored cables.
The strong turbulence characteristic of typhoon not only will significantly change flow field characteristics surrounding the large-scale wind turbine and aerodynamic force distribution on surface, but also may cause morphological evolution of coast dune and thereby form sand storms. A 5MW horizontal-axis wind turbine in a wind power plant of southeastern coastal areas in China was chosen to investigate the distribution law of additional loads caused by wind-sand coupling movement of coast dune at landing of strong typhoons. Firstly, a mesoscale Weather Research and Forecasting (WRF) mode was introduced in for high spatial resolution simulation of typhoon "Megi". Wind speed profile on the boundary layer of typhoon was gained through fitting based on nonlinear least squares and then it was integrated into the user-defined function (UDF) as an entry condition of small-scaled CFD numerical simulation. On this basis, a synchronous iterative modeling of wind field and sand particle combination was carried out by using a continuous phase and discrete phase. Influencing laws of typhoon and normal wind on moving characteristics of sand particles, equivalent pressure distribution mode of structural surface and characteristics of lift resistance coefficient were compared. Results demonstrated that: Compared with normal wind, mesoscale typhoon intensifies the 3D aerodynamic distribution mode on structural surface of wind turbine significantly. Different from wind loads, sand loads mainly impact on 30° ranges at two sides of the lower windward region on the tower. The ratio between sand loads and wind load reaches 3.937% and the maximum sand pressure coefficient is 0.09. The coupling impact effect of strong typhoon and large sand particles is more significant, in which the resistance coefficient of tower is increased by 9.80% to the maximum extent. The maximum resistance coefficient in typhoon field is 13.79% higher than that in the normal wind field.
When railway vehicles run by towers of long span bridges, the railway vehicles might experience a sudden load-off and load-on phenomenon in crosswind conditions. To ensure the running safety of the railway vehicles and the running comfort of the passengers, some studies were carried out to investigate the impacts of sudden changes of aerodynamic loads on moving railway vehicles. In the present study, the aerodynamic coefficients which were measured in wind tunnel tests using a moving train model are converted into the aerodynamic coefficients in the actual scale. The three-component aerodynamic loads are calculated based on the aerodynamic coefficients with consideration of the vehicle movement. A three-dimensional railway vehicle model is set up using the multibody dynamic theory, and the aerodynamic loads are treated as the inputs of excitation varied with time for kinetic simulations of the railway vehicle. Thus the dynamic responses of the railway vehicle passing by the bridge tower can be obtained from the kinetic simulations in the time domain. The effects of the mean wind speeds and the rail track positions on the running performance of the railway vehicle are discussed. The three-component aerodynamic loads on the railway vehicle are found to experience significant sudden changes when the vehicle passes by the bridge tower. Correspondingly, such sudden changes of aerodynamic loads have a large impact on the dynamic performance of the running railway vehicle. The dynamic responses of the railway vehicle have great fluctuations and significant sudden changes, which is adverse to the running safety and comfort of the railway vehicle passing by the bridge tower in crosswind conditions.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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