A model is proposed to analyse the along-wind dynamic response of upwind turbines with horizontal axis under service wind conditions. The model takes into account the dynamic coupling effect between rotor blades and supporting tower. The wind speed field is decomposed into a mean component, accounting for the well-known wind shear effect, and a fluctuating component, treated through a spectral approach. Accordingly, the so-called rotationally sampled spectra are introduced for the blades to account for the effect of their rotating motion. Wind forces acting on the rotor blades are calculated according to the blade element momentum model. The tower shadow effect is also included in the present model. Two examples of a large and medium size wind turbines are modelled, and their dynamic response is analysed and compared with the results of a conventional static analysis.
Tamura, Yukio;Kareem, Ahsan;Solari, Giovanni;Kwok, Kenny C.S.;Holmes, John D.;Melbourne, William H.
Wind and Structures
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v.8
no.4
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pp.251-268
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2005
This paper describes the work of the International Association for Wind Engineering Working Group E -Dynamic Response, one of the International Codification Working Groups set up at the Tenth International Conference on Wind Engineering in Copenhagen. Comparisons of gust loading factors and wind-induced responses of major codes and standards are first reviewed, and recent new proposals on 3-D gust loading factor techniques are introduced. Then, the combined effects of along-wind, crosswind and torsional wind load components are discussed, as well as the dynamic characteristics of buildings. Finally, the mathematical forms of along-wind velocity spectra for along-wind response calculation and codification of acceleration criteria are discussed.
Due to their high corrosion and chemical resistance, fiber reinforced plastics (FRP) are becoming widely used as the main structural material for industrial chimneys. However, no national code currently exists for the design of such type of chimneys. The purpose of this study is to investigate analytically the response of FRP chimneys to wind loads. The classical lamination theory is used to substitute the angle-ply laminate of a FRP chimney with an equivalent orthotropic material that provides the same stiffness. Dynamic wind loads are applied to the equivalent chimney to evaluate its response to both along and across wind loads. A parametric study is then conducted to identify the material and geometric parameters affecting the response of FRP chimneys to wind loads. Unlike the across-wind response, the along-wind tip deflection is found to be highly dependent on the angle of orientation of the fibers. In general, the analysis shows that FRP chimneys are very vulnerable to across-wind oscillations resulting from the vortex shedding phenomenon.
The paper is concerned with a comparative study of both the along and cross-wind responses of a tall industrial chimney with and without flexibility of soil. The along-wind response has been estimated by means of approaches presented in three Standards: the Polish, the ISO and the Eurocode and by random vibration approach which is outlined below. The cross-wind response has been estimated by means of the three models developed by Vickery and Basu, Ruscheweyh and Flaga and methods presented in Standards: the Polish, the ISO and the Eurocode (Approach 1 and 2). Computer programmes were developed to obtain estimates of responses of a six-flue, 250 m-tall chimney. The analytical results computed according to the methods presented in different standards and random vibration approaches have been compared. Some unexpected conclusions have been observed.
Wind tunnel aeroelastic model tests of the Commonwealth Advisory Aeronautical Research Council (CAARC) standard tall building were conducted using a three-degree-of-freedom base hinged aeroelastic(BHA) model. Experimental investigation into the effects of coupled translational-torsional motion, cross-wind/torsional frequency ratio and eccentricity between centre of mass and centre of stiffness on the wind-induced response characteristics and wind excitation mechanisms was carried out. The wind tunnel test results highlight the significant effects of coupled translational-torsional motion, and eccentricity between centre of mass and centre of stiffness, on both the normalised along-wind and cross-wind acceleration responses for reduced wind velocities ranging from 4 to 20. Coupled translational-torsional motion and eccentricity between centre of mass and centre of stiffness also have significant impacts on the amplitude-dependent effect caused by the vortex resonant process, and the transfer of vibrational energy between the along-wind and cross-wind directions. These resulted in either an increase or decrease of each response component, in particular at reduced wind velocities close to a critical value of 10. In addition, the contribution of vibrational energy from the torsional motion to the cross-wind response of the building model can be greatly amplified by the effect of resonance between the vortex shedding frequency and the torsional natural frequency of the building model.
The along-wind response of a surface-mounted elastic fence under the action of wind was investigated numerically. In the computations, two sets of equations, one for the simulation of the unsteady turbulent flow and the other for the calculation of the dynamic motion of the fence, were solved alternatively. The resulting time-series tip response of the fence as well as the flow fields were analyzed to examine the dynamic behaviors of the two. Results show that the flow is unsteady and is dominated by two frequencies: one relates to the shear layer vortices and the other one is subject to vortex shedding. The resulting unsteady wind load causes the fence to vibrate. The tip deflection of the fence is periodic and is symmetric to an equilibrium position, corresponding to the average load. Although the along-wind aerodynamic effect is not significant, the fluctuating quantities of the tip deflection, velocity and acceleration are enhanced as the fundamental frequency of the fence is near the vortex or shedding frequency of the flow due to the occurrence of resonance. In addition, when the fence is relatively soft, higher mode response can be excited, leading to significant increases of the variations of the tip velocity and acceleration.
Three common medium- rise building forms were physically tested to study their overall wind induced structural response. Emphasis was placed on the torsional response and its correlation with other peak responses. A higher correlation was found between the peak responses than between the general fluctuating parts of the signals. This suggests a common mechanism causing the peak event, and that this mechanism is potentially different to the mechanism causing the general load fluctuations. The measurements show that about 80% of the peak overall torsion occur simultaneously with the peak overall along wind drag for some generic building shapes. However, the peak torsional response occurs simultaneously with only 30%-40% of the peak overall drag for the rectangular model. These results emphasise the importance of load combinations for building design, which are often neglected in the design of medium sized rigid buildings for which the along-wind drag is dominant. Current design wind loading standards from around the world were evaluated against the results to establish their adequacy for building design incorporating wind-induced torsion effects. Although torsion is frequently neglected, for some structural systems it may become more important.
Tall buildings under wind action usually oscillate simultaneously in the along-wind and across-wind directions as well as in torsional modes. While several procedures have been developed for predicting wind-induced loads and responses in along-wind direction, accurate analytical methods for estimating across-wind and torsional response have not been possible yet. Simplified empirical formulas for estimation of the across-wind dynamic responses of rectangular tall buildings are presented in this paper. Unlike established empirical formulas in codifications, the formulas proposed in this paper are developed based on simultaneous pressure measurements from a series of tall building models with various side and aspect ratios in a boundary layer wind tunnel. Comparisons of the across-wind responses determined by the proposed formulas and the results obtained from the wind tunnel tests as well as those estimated by two well-known wind loading codes are made to examine the applicability and accuracy of the proposed simplified formulas. It is shown through the comparisons that the proposed simplified formulas can be served as an alternative and useful tool for the design and analysis of wind effects on rectangular tall buildings.
The effects of the nonlinear (quadratic) term in wind pressure have been analyzed in many papers with reference to linear structural models. The present paper addresses the problem of the response of nonlinear structures to stochastic nonlinear wind pressure. Adopting a single-degree-of-freedom structural model with polynomial nonlinearity, the solution is obtained by means of the moment equation approach in the context of It$\hat{o}$'s stochastic differential calculus. To do so, wind turbulence is idealized as the output of a linear filter excited by a Gaussian white noise. Response statistical moments are computed for both the equivalent linear system and the actual nonlinear one. In the second case, since the moment equations form an infinite hierarchy, a suitable iterative procedure is used to close it. The numerical analyses regard a Duffing oscillator, and the results compare well with Monte Carlo simulation.
Rebelo, C.;Veljkovic, M.;Matos, R.;Silva, L. Simoes Da
Wind and Structures
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v.15
no.4
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pp.301-311
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2012
This paper presents results from the structural monitoring of a steel wind tower characterized and presented in Part I of the paper. Monitoring period corresponds to about fifteen months of measurements. Results presented refer to stress distribution on shell and in bolts at different heights, stress fatigue spectra, section forces along height evaluated from the stress measurements and comparison with design forces, dynamic response in terms of accelerations, stresses, deflections and rotations.
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