Yang Wang;Mingxing Zhu;Guoliang Dai;Jiang Xu;Jinbiao Wu
Geomechanics and Engineering
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v.37
no.2
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pp.167-178
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2024
The natural frequency shift under cyclic environmental loads is a key issue in the design of monopile-based offshore wind power turbines because of their dynamic sensitivity. Existing evidence reveals that the natural frequency shift of the turbine system in sand is related to the varying foundation stiffness, which is caused by soil deformation around the monopile under cyclic loads. Therefore, it is an urgent need to investigate the effect of soil deformation on the system frequency. In the present paper, three generalized geometric models that can describe soil deformation under two-way cyclic loads are proposed. On this basis, the cycling-induced changes in soil parameters around the monopile are quantified. A theoretical approach considering three-spring foundation stiffness is employed to calculate the natural frequency during cycling. Further, a parametric study is conducted to describe and evaluate the frequency shift characteristics of the system under different conditions of sand relative density, pile slenderness ratio and pile-soil relative stiffness. The results indicate that the frequency shift trends are mainly affected by the pile-soil relative stiffness. Following the relevant conclusions, a design optimization is proposed to avoid resonance of the monopile-based wind turbines during their service life.
This study investigates effects of partially earth anchored cable system on the structural safety for a long-span cable-stayed bridge under dynamic loads such as seismic and wind load. For a three span cable-stayed bridge with a main span length of 810 m, two models are analyzed and compared; one is a bridge model with a self anchored cable system, the other is a bridge model with a partially earth anchored cable system. By performing multi-mode spectrum analysis for a prescribed seismic load and multi-mode buffeting analysis for a fluctuating wind component, the structural response of two models are compared. From results, the partially earth anchored cable system reduce the maximum pylon moment by 66% since earth anchored cables affect the natural frequencies of girder vertical modes and pylon longitudinal modes. In addition, the girder axial forces are decreased, specially the decrement of the axial force is large in seismic load, while girder moment is slightly increased. Thus, the partially earth anchored cable system is effective system not only on reduction of girder axial forces but also improvement of structural safety of a cable-stayed bridge under dynamic loads such as seismic and wind loads.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.12
no.1
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pp.743-754
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2020
This study provides an insight of the nonlinear behavior of the Offshore Wind Turbine (OWT) structure using the distributed plasticity approach. The fiber section beam-column element is applied to construct the finite element model. The accuracy of the proposed model is verified using linear analysis via the comparison of the dynamic characteristics. For collapse risk assessment of OWT, the nonlinear effects considering the earthquake Incident Angle (IA) have been evaluated first. Then, the Incremental Dynamic Analysis (IDA) has been executed using a set of 20 near-fault records. Lastly, fragility curves are developed to evaluate the vulnerability of structures for different limit states. Attained results justify the accuracy of the proposed approach for the structural response against the ground motions and other environmental loads. It indicates that effects of static wind and wave loads along with the earthquake loads should be considered during the risk assessment of the OWT structure.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.59
no.2
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pp.89-95
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2022
The stability of the existing ships has been evaluated through numerical calculations in the steady-state, but recently the IMO proposed a new stability assessment criteria that the stability is evaluated in the state in which environmental loads from such as waves and wind act like the loads under actual ship operating conditions. In this study, IMO 2nd generation stability assessment method and procedure were summarized for the dead ship condition, and Direct Stability Assessment (DSA) was performed on 13K chemical tanker through basin model test. The model test is performed in the ocean engineering basin to implement wave and wind loads, and environmental conditions for waves were set height and period of the incident wave, considering the regular wave and wind generation range reproducible in the ocean engineering basin. In addition, to consider the effect of wind speed, the Beaufort Scale for wind speed was applied in the model test.
A new method is proposed in this study for estimating the damping ratio of a super tall building under strong wind loads with short-time measured acceleration signals. This method incorporates two main steps. Firstly, the power spectral density of wind-induced acceleration response is obtained by the wavelet transform, then the dynamic characteristics including the natural frequency and damping ratio for the first vibration mode are estimated by a nonlinear regression analysis on the power spectral density. A numerical simulation illustrated that the damping ratios identified by the wavelet spectrum are superior in precision and stability to those values obtained from Welch's periodogram spectrum. To verify the efficiency of the proposed method, wind-induced acceleration responses of the Guangzhou West Tower (GZWT) measured in the field during Typhoon Usagi, which affected this building on September 22, 2013, were used. The damping ratios identified varied from 0.38% to 0.61% in direction 1 and from 0.22% to 0.59% in direction 2. This information is expected to be of considerable interest and practical use for engineers and researchers involved in the wind-resistant design of super-tall buildings.
Although machine learning (ML) techniques have been widely used in various fields of engineering practice, their applications in the field of wind engineering are still at the initial stage. In order to evaluate the feasibility of machine learning algorithms for prediction of wind loads on high-rise buildings, this study took the exposure category type, wind direction and the height of local wind force as the input features and adopted four different machine learning algorithms including k-nearest neighbor (KNN), support vector machine (SVM), gradient boosting regression tree (GBRT) and extreme gradient (XG) boosting to predict wind force coefficients of CAARC standard tall building model. All the hyper-parameters of four ML algorithms are optimized by tree-structured Parzen estimator (TPE). The result shows that mean drag force coefficients and RMS lift force coefficients can be well predicted by the GBRT algorithm model while the RMS drag force coefficients can be forecasted preferably by the XG boosting algorithm model. The proposed machine learning based algorithms for wind loads prediction can be an alternative of traditional wind tunnel tests and computational fluid dynamic simulations.
Park, Byeongwon;Jung, Jae-Hwan;Hwang, Sung-Chul;Cho, Seok-Kyu;Jung, Dongho;Sung, Hong Gun
Journal of Ocean Engineering and Technology
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v.31
no.4
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pp.266-273
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2017
In recent years, LNG bunkering terminals are needed to supply LNG as fuel to meet the emission requirements of the International Maritime Organization (IMO). A floating LNG bunkering terminal (FLBT) is one of the most cost-effective and environmentally friendly LNG bunkering systems for storing LNG and transferring it directly to an LNG fuel vessel. The FLBT maintains its position using mooring systems such as spread mooring and turret mooring. The loads on the vessel and mooring lines must be carefully determined to maintain their positions within the operable area. In this study, the wind loads acting in several side-by-side arrangements on the FLBT and LNG-BS were estimated using wind tunnel tests in the Force Technology, and the shielding effect due to the presence of ships upstream was evaluated. In addition, the empirical formulations proposed by Fujiwara et al. (2012) were used to estimate the wind force coefficients acting on the FLBT and those results were compared with experimental results.
In order to examine the effects of different wind deflectors on the wind load distribution characteristics of extra-large cooling towers, a comparative study of the distribution characteristics of wind pressures on the surface of three large cooling towers with typical wind deflectors and one tower without wind deflector was conducted using wind tunnel tests. These characteristics include aerodynamic parameters such as mean wind pressures, fluctuating wind pressures, peak factors, correlation coefficients, extreme wind pressures, drag coefficients and vorticity distribution. Then distribution regularities of different wind deflectors on global and local wind pressure of extra-large cooling towers was extracted, and finally the fitting formula of extreme wind pressure of the cooling towers with different wind deflectors was provided. The results showed that the large eddy simulation (LES) method used in this article could be used to accurately simulate wind loads of such extra-large cooling towers. The three typical wind deflectors could effectively reduce the average wind pressure of the negative pressure extreme regions in the central part of the tower, and were also effective in reducing the root of the variance of the fluctuating wind pressure in the upper-middle part of the windward side of the tower, with the curved air deflector showing particularly. All the different wind deflectors effectively reduced the wind pressure extremes of the middle and lower regions of the windward side of the tower and of the negative pressure extremes region, with the best effect occurring in the curved wind deflector. After the wind deflectors were installed the drag coefficient values of each layer of the middle and lower parts of the tower were significantly higher than that without wind deflector, but the effect on the drag coefficients of layers above the throat was weak. The peak factors for the windward side, the side and leeward side of the extra-large cooling towers with different wind deflectors were set as 3.29, 3.41 and 3.50, respectively.
Offshore wind structures are subject to long-term repeated horizontal loads from wind, waves, and currents, making it essential to consider these loads in the design of offshore foundations. In this respect, monopiles are large-diameter hollow steel pipes that are relatively simple to construct compared with piles used on onshore sites. They can provide stable support for wind structures and have well-established design codes, leading to their widespread use globally. The behavior of monopiles under lateral static loads is typically assessed using the p-y method proposed by the American Petroleum Institute (API). However, the applicability of p-y curves to large-diameter monopiles exposed to repeated cyclic horizontal loads, such as those experienced in offshore wind applications, must yet be evaluated. Thus, this study evaluated the behavior of monopiles under two-way cyclic horizontal loads in loose silty sand, a representative soil type of the southwestern coast of Korea, using centrifuge model tests. The results demostrated that the behavior of monopiles varied depending on the loading level, number of cycles, and direction of the cyclic loads. Furthermore, the p-y curve method proposed by the API overestimated the behavior of a large-diameter monopile installed in silty sand under two-way cyclic loads.
The vehicle-induced aerodynamic loads bring vibrations to some of the highway sound barriers, for they are designed in consideration of natural wind loads only. A field experiment is carried out with respect to three important factors: vehicle type, vehicle speed and the vehicle-barrier separation distance. Based on the results, the time-history of pressures is given, showing identical characteristics in all cases. Therefore, the vehicle-induced aerodynamic loads acting on the highway sound barrier are summarized as the combination of "head impact" and "wake impact". The head impact appears to have potential features, while the wake impact is influenced by the rotational flow. Then parameters in the experiment are analyzed, showing that the head impact varies with vehicle speed, vehicle-barrier separation distance, vehicle shape and cross-sectional area, while the wake impact is mainly about vehicle-barrier separation distance and vehicle length.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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