Wind loading is very important, even dominant in some cases, to large-span single-layer reticulated shells. At present, usually equivalent static methods based on quasi-steady assumption, as the same as the wind-resistant design of low-rise buildings, are used in the structural design. However, it is not easy to estimate a suitable equivalent static wind load so that the effects of fluctuating component of wind on the structural behaviors, especially on structural stability, can be well considered. In this paper, the effects of fluctuating component of wind load on the stability of a single-layer reticulated spherical shell model are investigated based on wind pressure distribution measured simultaneously in the wind tunnel. Several methods used to estimate the equivalent static wind load distribution for equivalent static wind-resistant design are reviewed. A new simple method from the stability point of view is presented to estimate the most unfavorable wind load distribution considering the effects of fluctuating component on the stability of shells. Finally, with comparisive analyses using different methods, the efficiency of the presented method for wind-resistant analysis of single-layer reticulated shells is established.
This study presents a dynamic response analysis of operational and parked wind turbines in order to gain better understanding of the roles of wind loads on turbine blades and tower in the generation of turbine response. The results show that the wind load on the tower has a negligible effect on the blade responses of both operational and parked turbines. Its effect on the tower response is also negligible for operational turbine, but is significant for parked turbine. The tower extreme responses due to the wind loads on blades and tower of parked turbine can be estimated separately and then combined for the estimation of total tower extreme response. In current wind turbine design practice, the tower extreme response due to the wind loads on blades is often represented as a static response under an equivalent static load in terms of a concentrated force and a moment at the tower top. This study presents an improved equivalent static load model with additional distributed inertial force on tower, and introduces the square-root-of-sum-square combination rule, which is shown to provide a better prediction of tower extreme response.
Wind-induced response behavior of long-span roof structures is very complicated, showing significant contributions of multiple vibration modes. The largest load effects in a huge number of members should be considered for the sake of the equivalent static wind loads (ESWLs). Studies on essential matters and necessary conditions of the universal ESWLs are discussed. An efficient method for universal ESWLs on long-span roof structures is proposed. The generalized resuming forces including both the external wind loads and inertial forces are defined. Then, the universal ESWLs are given by a combination of eigenmodes calculated by proper orthogonal decomposition (POD) analysis. Firstly, the least squares method is applied to a matrix of eigenmodes by using the influence function. Then, the universal ESWLs distribution is obtained which reproduces the largest load effects simultaneously. Secondly, by choosing the eigenmodes of generalized resuming forces as the basic loading distribution vectors, this method becomes efficient. Meanwhile, by using the constraint equations, the universal ESWLs becomes reasonable. Finally, reproduced largest load effects by load-response-correlation (LRC) ESWLs and universal ESWLs are compared with the actual largest load effects obtained by the time domain response analysis for a long-span roof structure. The results demonstrate the feasibility and usefulness of the proposed universal ESWLs method.
This paper presents a study on the effectiveness of the proper orthogonal decomposition (POD) technique for reconstruction of wind pressure field as applied to a cylindrical shell roof based on simultaneously measured wind pressure data. The influence of wind loading mode truncation on the statistics of dynamic pressures and wind load effects are investigated. The results showed that truncation of higher wind loading modes can have more noticeable influence on the maximum and minimum pressures that the standard derivation (STD) values. The truncation primarily affects the high-frequency content of the pressures. Estimation of background response using wind loading modes is more effective than the use of traditional structural modal analysis.
Wind forces on structures are usually schematized by the sum of their mean static part and a nil mean fluctuation generally treated as a stationary process randomly varying in space and time. The multi-variate and multi-dimensional nature of such a process requires a considerable quantity of numerical procedures to carry out the dynamic analysis of the structural response. With the aim of drastically reducing the above computational burden, this paper introduces a method by means of which the external fluctuating wind forces on slender structures and structural elements are schematized by an equivalent process identically coherent in space. This process is identified by a power spectral density function, called the Generalized Equivalent Spectrum, whose expression is given in closed form.
Kim, Hong-Kwan;Lee, Jang-Ho;Jang, Se-Myong;Kang, Ki-Weon
The KSFM Journal of Fluid Machinery
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v.13
no.4
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pp.51-57
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2010
This paper describes the structural design and testing for 1.5kW class wind turbine composite blade. In order to calculate the equivalent material properties rule-of-mixture is applied. Lay-up sequence, ply thickness and ply angle are designed to satisfy the requirements for structural integrity. Structural analysis by using commercial software ABAQUS is performed to assess the static, buckling and vibration response. And to verify the structural analysis and design, the full scale structural test in flapwise direction was performed under single point loading according to loading conditions calculated by the aerodynamic analysis and Case H (Parked wind loading) in IEC 61400-2.
This paper presents optimization of a long-span portal steel frame under dynamic wind loads using a surrogate-assisted evolutionary algorithm. Long-span portal steel frames are often used in low-rise industrial and commercial buildings. The structure needs be able to resist the wind loads, and at the same time it should be as light as possible in order to be cost-effective. In this work, numerical model of a portal steel frame is constructed using structural analysis program (SAP2000), with the web-heights at five locations of I-sections of the columns and rafters as the decision variables. In order to evaluate the performance of a given design under dynamic wind loading, the equivalent static wind load (ESWL) is obtained from a database of wind pressures measured in wind tunnel tests. A modified formulation of the problem compared to the one available in the literature is also presented, considering additional design constraints for practicality. Evolutionary algorithms (EA) are often used to solve such non-linear, black-box problems, but when each design evaluation is computationally expensive (e.g., in this case a SAP2000 simulation), the time taken for optimization using EAs becomes untenable. To overcome this challenge, we employ a surrogate-assisted evolutionary algorithm (SAEA) to expedite the convergence towards the optimum design. The presented SAEA uses multiple spatially distributed surrogate models to approximate the simulations more accurately in lieu of commonly used single global surrogate models. Through rigorous numerical experiments, improvements in results and time savings obtained using SAEA over EA are demonstrated.
Ultrapure ferritic stainless steel provides a new generation of long-span metal roof systems with continuous welding technology, which exhibits many unknown behaviors during wind excitation. This study focuses on the wind-resistant capacity of a new continuous welding stainless steel roof (CWSSR) system. Full-scale testing on the welding joints and the CWSSR system is performed under uniaxial tension and static ultimate wind uplift loadings, respectively. A finite element model is developed with mesh refinement optimization and is further validated with the testing results, which provides a reliable way of investigating the parameter effect on the wind-induced structural responses, namely, the width and thickness of the roof sheeting and welding height. Research results show that the CWSSR system has predominant wind-resistant performance and can bear an ultimate wind uplift loading of 10.4 kPa without observable failures. The welding joints achieve equivalent mechanical behaviors as those of base material is produced with the current of 65 A. Independent structural responses can be found for the roof sheeting of the CWSSR system, and the maximum displacement appears at the middle of the roof sheeting, while the maximum stress appears at the connection supports between the roof sheeting with a significant stress concentration effect. The responses of the CWSSR system are greatly influenced by the width and thickness of the roof sheeting but are less influenced by the welding height.
A semi-stochastic process model of reliability was established for hyperbolic cooling towers subjected to combined loadings of wind force, self-weight, temperature loading. Effect of the soil-structure interaction on reliability was evaluated. By involving the gust factor, an equivalent static scheme was employed to convert the dynamic model to static model. The TR combination rule was used to consider relations between load responses. An analysis example was made on the 90M cooling tower of Maoming, Guangdong of China. Numerical results show that the design not including interaction turns to be conservative.
In this study, a structural optimal design of 10 MW composite blade was performed using bend-twist coupled(BTC) design concept. Bend-twist coupling of blade means the coupling behavior between the bending and torsional deflections due to the composite lamina with fiber angle biased from the blade longitudinal axis. This can potentially improve the overall performance of composite blade and reduce the dynamic loading. Parametric studies on layup angle, thickness and area of off-axis carbon UD were conducted to find the optimum coupling effect with weight reduction. Comparing the results of fatigue load analysis between conventional model and BTC applied model, the damage equivalent load(DEL) of blade root area were decreased about 3% in BTC model. To verify the BTC effect experimentally, a 1:29 scaled model was fabricated and the torsion at the tip under deflection behavior of blade stiffener model was measured by static load test.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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